准确模拟水分胁迫并揭示其对作物生长发育过程的影响,是作物模型应用于田间研究和干旱影响评估的关键。该研究将3种主流水分胁迫算法整合到一个标准平台中,组成土壤含水率模型(average Soil Water Content,SWC)、土壤水分供需比模型(Water Supply to Demand ratio,WS/WD)和相对蒸腾模型(Actual to Potential Transpiration ratio,AT/PT)共3种水分胁迫模拟模型。利用河北吴桥2017—2019年冬小麦水分试验田间观测数据结合2008—2009和2013—2016年水分试验文献资料对模型平台进行参数校准与验证。结果表明,3种模型的模拟结果与实测值均吻合良好,地上部生物量、土壤含水率和产量的归一化均方根误差(Normalized Root Mean Squared Error,NRMSE)分别为14.0%~16.5%、5.1%~8.8%和5.4%~7.7%。3种水分胁迫模型模拟的生长季水分亏缺出现的时间和严重程度不同,但模拟的水分胁迫因子年际间变化一致。雨养条件下,生长季降水量分别决定了SWC、WS/WD和AT/PT模型模拟的年际间水分胁迫因子变异的56%、56%和39%。灌水对产量具有促进作用,但灌水量增加会导致灌水利用效率下降。SWC、WS/WD和AT/PT模型模拟枯水年灌四水(底墒水+起身水+孕穗水+开花水)处理的产量较不灌水分别高163%、132%和92%,灌四水处理的灌水利用效率较灌一水(底墒水)处理分别低26.8%、12.3%和40.0%。在吴桥县冬小麦水分管理决策中,WS/WD模型最优,SWC模型次之,AP/TP模型较差。研究结果可为提升作物模型在冬小麦干旱影响评估和水分管理方面的可信度提供参考。
为方便小麦模型算法比较与多算法集成模拟,本研究参考国内外主流作物模型CERESWheat、APSIMWheat、WheatSM、WOFOST、SWAT等的主要算法,集成了发育期、生物量、产量形成等模块的多种算法,构建了小麦模型算法集成平台(Wheat model algorithm integration platform,WMAIP)。发育期模块集成了小麦钟模型和热时两种算法;生物量模块集成了群体光合作用、光能利用效率和二氧化碳同化率3种算法;产量形成模块集成了籽粒灌浆、生物量转移和收获指数3种算法。基于模型平台组成了6个具有代表性的模拟模型。利用河北省吴桥县2017—2019年两年播期试验的田间观测数据结合2011—2014年3年播期耦合水分文献资料对模型进行参数校准与验证,并对特定模块的不同算法进行比较。结果表明,各模型的模拟结果与实测值均吻合良好,模拟误差在合理范围之内,其中发育期、地上部生物量、产量和土壤贮水量模拟值和实测值的归一化均方根误差(NRMSE)分别在0.56%~4.00%、16.13%~18.72%、12.48%~18.95%和10.78%~11.63%之间,模型集合的模拟效果优于单一模型。通过算法比较发现,发育期模块中热时法模拟播种至拔节阶段较优,小麦钟模型模拟播种至开花阶段和播种至成熟阶段较优;生物量模块中3种算法均为模拟小麦生物量的较佳模型,但在高辐射条件下,群体光合作用法模拟的生物量较高;产量模块中3种算法模拟的产量变化趋势较为一致,但生物量转移法效果略好。该平台集成了特定模块的多种算法,能较好地模拟土壤贮水量和冬小麦的生物学指标,在小麦模型算法比较与改进、集成模拟及气候变化影响评估方面具有较大的应用潜力。
