华北平原不同降水年型和作物种植模式下的产量和耗水模拟

赵彦茜，肖登攀，齐永青，柏会子



华北平原不同降水年型和作物种植模式下的产量和耗水模拟

赵彦茜1，肖登攀1※，齐永青2，柏会子1

（1. 河北省科学院地理科学研究所/河北省地理信息开发应用工程技术研究中心，石家庄 050011；2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中科院农业水资源重点实验室，石家庄 050021）

华北平原是中国重要的粮食生产基地，在国家粮食产业中地位较高，但长期灌溉造成了华北平原地下水资源的严重亏损，地下水位持续下降。该研究利用APSIM模型对华北平原1986－2015年不同种植模式下的产量和耗水情况进行模拟研究，为华北平原调整作物种植模式、农业水资源管理以及农业发展政策的制定提供科学依据。研究结果表明：APSIM模型能够较好地模拟冬小麦和夏玉米的生育期、产量及水分利用特征，其中生育期模拟结果的误差在5 d之内，产量、ET和下渗量模拟结果的2均在0.84以上，表明该模型在华北平原具有较好的适用性；在华北平原地区，冬小麦–夏玉米一年两熟种植模式（M2Y1）年均产量（13 445 kg/hm2）最高，但耗水量（724 mm）也是最大，水分亏损（233 mm）最为严重；一年一熟种植模式（M1Y1）年均耗水量（534 mm）较小，水分亏损量（43 mm）最少，但产量（9 215 kg/hm2）较低；两年三熟种植模式（M3Y2）兼顾产量和耗水，在保证一定产量的前提下减少了耗水量，产量耗水综合效果最好，适合在华北平原推广实行。此外，该研究对栾城站丰水年、平水年和枯水年等不同降水年型下的3种种植模式产量耗水特征进行了对比分析，研究表明在华北平原降水资源对于作物生长有重要意义，年降水量越大，作物产量越高，水分亏损量越少。

作物；模型；耗水；种植模式；APSIM模型；降水年型；华北平原

0 引 言

华北平原是中国重要的粮食生产基地，在国家粮食产业中地位较高，虽然耕地面积只有13.6万km2，粮食产量占中国粮食总产量的比例却达到1/5[1]。冬小麦-夏玉米一年两熟制是华北平原典型的种植模式[2]，但该地区大部分区域的降水量无法满足一年两熟制下作物对水分的要求，主要原因在于冬小麦生育期内水分亏缺非常严重，即降水不能满足作物水分需求[3]。华北平原冬小麦生育期内多年平均降雨量在150 mm左右，而冬小麦作物耗水量多年平均达450 mm[4-6]，水分亏缺约为300 mm，需要进行多次灌溉来保证产量；而夏玉米生育期内降水量300 mm左右，只有适时播种，自然降水可满足其对水分的要求，生育期内基本不需要灌溉[7]。因此，一年两熟种植模式下年灌溉量在200～450 mm之间[5]。由于地表水主要被不断扩张的城镇和工业区利用，研究区农业用水只能靠开采地下水来实现[8]。长期大量开采地下水，导致研究区地下水位持续下降，带来一系列的生态环境问题[1]，同时在部分区域形成面积较大的地下水漏斗[9]。

由于地下水过度消耗主要源于过去几十年高耗水农业的迅猛发展，因此，在区域尺度上实现地下水资源的可持续利用，科学家们普遍认为改变作物种植模式是主要途径。已有一些科学家们通过田间试验方法评估了不同种植模式的作物产量和耗水特征[10-12]。张敏等[10]在华北平原通过田间定位试验评估了粮棉薯、粮棉油、粮油3种模式替代麦玉模式的可行性，结果表明替代模式的土壤贮水量整体水平较高，土壤水分变化率相对较小，综合粮食安全考虑，粮油模式为最优替代模式。郭步庆等[11]通过比较华北地区不同种植模式发现冬小麦-夏玉米一年两熟常规模式具有产量优势，但水分利用率较低，对地下水消耗较大，不利于农业可持续发展；春玉米一年一熟模式有助于地下水恢复，但产量降低太多。刘明等[12]通过在华北平原吴桥试验站进行田间试验对比不同种植模式经济效益和耗水量，研究指出一年两熟种植模式经济效益最高，但净消耗地下水达到耗水量的27%。虽然田间定位试验通过设置不同的试验处理可以真实反映不同种植模式下的作物产量、耗水规律和水分利用效率等，但往往试验时间尺度较短（一般为2～3 a）[10-12]，不能整体评估过去几十年作物种植模式对水资源带来的累积影响[5,13]。

作物生长模型能够动态地模拟作物生长发育和产量形成过程，可以研究不同作物种植模式下的作物产量、耗水规律以及水分利用效率，评估过去几十年不同作物种植模式下作物产量和耗水量的关系。Sun等[14]利用APSIM模型（agricultural production system simulator model）对华北平原一年两熟种植模式下作物灌溉耗水问题进行了研究，研究表明，即使灌溉强度降低也会造成很大程度上的地下水消耗。Xiao等[15]利用作物模型对华北平原一年两熟、两年三熟和一年一熟等种植模式下的产量和耗水情况进行模拟，对比分析了不同种植模式下的产量和耗水特征，结果表明，不同种植模式产量耗水差异明显，一年两熟种植模式年均地下水超采量达260 mm左右，但该研究并未考虑不同降水年型下自然降雨对各作物种植模式产量和耗水的影响。

因此，本研究结合田间定位试验和作物机理模型（APSIM）定量评估过去30 a不同作物种植模式下的作物产量和耗水特征，以及对地下水影响；并在此基础上，深入分析不同降雨年型下不同作物种植模式的产量效益和耗水特征，旨在更为准确地评估不同降雨情景下改变作物种植模式带来的产量变化和节水潜力。其研究结果可以为研究区制定合理的种植模式提供理论指导和决策依据。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

华北平原东邻渤海，西靠太行山，南抵黄河，北接燕山，总面积约13.6万km2，地势平坦，土层深厚，大部分区域海拔在50 m以下，适合多种农作物生长，是中国重要的粮食生产区。

本研究中的观测数据来自于中国科学院栾城农业生态系统试验站，该地位于河北省石家庄市栾城区，地处114°41′E，37°53′N，海拔50.1 m，年均降水量400～550 mm，其中7～9月为雨季，降水量300～360 mm，占年降水量60%以上，年均温10～13 ℃，年均日照在2 400～3 100 h之间，无霜期180～230 d，主要作物种植模式为冬小麦–夏玉米一年两熟制。

1.2 数据来源

1）气象数据

本研究试验所需的气象数据包括最高气温、最低气温、相对湿度、降雨量、日照时数等，均来源于中国科学院栾城农业生态试验站标准试验场。基于试验站的经度、纬度、海拔高度等数据，应用FAO Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量ET0，公式如下：

式中ET0表示日参考作物蒸散量，mm/d；为饱和水汽压温度曲线上的斜率，kPa/℃；表示平均气温，℃；R表示净辐射，MJ/(m2·d)；为土壤热通量，MJ/(m2·d)；为湿度计常数，kPa/℃；e与e分别是气温为时的饱和水汽压和实际水汽压，kPa，2为高度2 m处理的风速，m/s。

2）土壤数据

土壤数据主要包括土壤各分层容重、饱和体积含水量、萎蔫系数、风干系数等土壤理化特性数据，以及0～180 cm测深的土壤含水量和下渗量。土壤理化特性数据是由试验站大田试验测定，0～180 cm测深的土壤含水量由中子仪测定，下渗量则是根据土壤含水量、降水量等数据，应用土壤水平衡公式计算。

=SWD++−ET−（2）

式中为水分下渗量，mm；SWD为0～180 cm土层的土壤水分消耗量，mm，即从播种到收获0～180 cm土层土壤储水量的变化；为灌溉量，mm；为降雨量，mm；ET为作物实际耗水量，mm；为地表径流量，mm，试验期间没有发现地表径流，默认为0。

3）作物数据

作物数据来自于田间试验观测，主要包括冬小麦和夏玉米的产量、播种期、开花期、成熟期等数据。

1.3 田间试验设计

冬小麦-夏玉米一年两熟定位种植试验在栾城站水分池完成。水分池是根据FAO标准建立而成，共分为16个小区，总面积800 m2。每个小区5 m×10 m，深1.5 m，四周用厚0.245 m墙壁分隔，用水泥混合防水剂抹壁，防止水分的侧向渗漏。定位试验共有5个处理，分别为正常灌溉处理、干旱处理、和3个不同生育期（返青期、拔节期和灌浆期）水分胁迫处理，每个处理设置3个重复。其中，正常灌溉处理下灌溉次数与灌溉量与当地农民实施的灌溉管理水平一致，冬小麦主要在越冬期、返青期、拔节期、灌浆期共灌溉4次，每次约60～80 mm；玉米一般在播种期和拔节期灌溉2次，每次约40～60 mm；干旱处理指为保证小麦安全越冬和玉米正常出苗进行灌溉外，其他时期不进行灌溉；3个不同生育期水分胁迫处理是指在相应生育期不进行灌溉外，其他时期灌溉同正常灌溉一致。本研究主要选取正常灌溉处理条件下的相关数据，其时间段为2010－2013年。通常情况下，冬小麦播种期为10月中上旬，收获期为6月中上旬；夏玉米播种期为6月中旬，收获期在9月底。冬小麦品种为科农199，夏玉米品种为郑单958。

早播玉米定位试验[10]在相邻试验地进行，试验时期为2014―2015年，其品种为先玉335，播种日期在5月中上旬，较夏玉米提前一个月左右，收获期在9月底。灌溉次数和灌溉量依据当年降水量确定，一般灌溉次数为2次，灌溉量在80～120 mm左右，与当地农民实施的灌溉管理水平一致。

1.4 APSIM模型介绍与模拟设计

APSIM模型是一种可用于模拟农业生产系统中各主要组成部分的机理模型，它是由澳大利亚的联邦科工组织以及昆士兰州政府的农业生产系统组（APSRU）所开发建立的作物模型[16-17]。APSIM模型建立最初的目的是在农业系统里进行长期资源管理试验时，对在气候变化、作物的遗传特征、土壤环境以及管理措施等因子影响下的作物生产力提供一个更准确的预测[18]。APSIM模型具有较强机理基础，在作物种植模式、轮作的作物生理生态机理等方面具有较好的模拟能力，在结构和软件操作等方面都有很大程度的更新，因此得以在全世界得到广泛应用[19]。在国内，已有许多学者在不同地区对APSIM模型进行了适宜性评价，一致认为APSIM模型在中国具有较好的模拟水平[20-21]。

本研究基于栾城站气象数据、土壤数据等资料，利用APSIM模型模拟了3种不同种植模式设计下1986―2015年的产量耗水情况（表1），种植模式设计如下：

表1 不同种植模式情景设计

1.5 降水年型划分

为了研究河北山前平原降水对农业生产的影响，根据栾城站试验区的降水资料对该地区的降水年型进行了分类，采用的标准为国内常用的降水保证率分类标准[22-23]。降水保证率表示降水量某一界限值出现的可靠程度，本文根据降水保证率将降水年份划分为不同的年型：25%保证率的降水年份为湿润年，50%保证率的降水年份作为平水年，75％保证率的降水年份为干旱年。

1.6 模型校正方法

APSIM模型在澳大利亚的地中海气候区[24]、美国温带大陆性气候区[25]以及一些东南亚国家的热带湿润性气候区[26]都有应用，且效果较好。从2000年到现在，国内对APSIM模型的应用研究渐趋增多，模型本土化进一步发展，但在应用到具体地区时仍必须在站点水平上对模型进行校正，对模型适应性进行评价。作物模型的校正主要是对品种参数的调整，校正方法通常是以下几个指标：相关系数或决定系数2，均方根误差RMSE，归一化均方根误差NRMSE，模型有效参数ME，一致性指数。本文研究中校正使用指标为决定系数2和均方根误差RMSE，公式如下

2 结果与分析

2.1 APSIM模型参数和校正

APSIM模型作物参数需要根据具体地区田间观测数据来进行校正，本研究使用数据来源于中国科学院栾城农业生态系统试验站2010―2013年的观测数据。APSIM模型作物属性模块主要包括研究区域内冬小麦和夏玉米品种遗传特性以及产量形成等相关参数（表2），早播玉米品种为先玉335（表2），作物参数来源于参考文献[15]。

表2 冬小麦、夏玉米和早播玉米作物参数

通过对模型模拟的生育期、产量、ET和下渗量与实测值对比分析表明，APSIM模型能够有效模拟冬小麦和夏玉米的生育期、产量、ET和下渗量。冬小麦和夏玉米2010－2013年的开花期和成熟期模拟结果误差在−5～5 d之间，误差较小（表3）；冬小麦产量模拟结果的RMSE和2分别为384 kg/hm2和0.85，ET分别为13 mm和0.84，下渗量分别为12 mm和0.95；夏玉米产量模拟结果的RMSE和2分别为573 kg/hm2和0.96，ET分别为29 mm和0.91，下渗量分别为33 mm和0.87（图1）。冬小麦和夏玉米产量的2在0.85～0.96之间，ET的2在0.84～0.91之间，下渗量的2在0.87～0.95之间，产量、ET和下渗量的2均在0.84以上，模拟值与观测值拟合效果较好，说明APSIM模型在华北平原有较好的适用性。

表3 栾城站冬小麦和夏玉米生育期观测值与APSIM模型模拟值对比

图1 APSIM模型模拟冬小麦和夏玉米产量、ET和下渗量验证

2.2 不同种植模式产量耗水对比分析

本研究在对APSIM模型参数进行校正后，利用模型模拟了1986―2015年华北平原一年两熟、两年三熟和一年一熟3种种植模式下的产量耗水状况（图2）。

图2 不同种植模式产量耗水情况

结果表明，一年两熟模拟情况下，年总和多年平均产量、ET、下渗量和亏损量（亏损量=ET–降水量）分别为13 445 kg/hm2、724 mm、172 mm和233 mm；两年三熟模拟情况下，年总和多年平均产量、ET、下渗量和亏损量分别为11 076 kg/hm2、631 mm、148 mm和138 mm；早播玉米多年平均产量、ET、下渗量和亏损量分别为9 215 kg/hm2、534 mm、106 mm和43 mm。一年两熟年产量达13 445 kg/hm2，产量最高，其次是两年三熟产量11 076 kg/hm2，一年一熟年产量最低，为9 215 kg/hm2，呈−2 000 kg/hm2的递减趋势；ET与产量相对应，大小为一年两熟724 mm>两年三熟631 mm>一年一熟534 mm，表现为−100 mm的递减趋势；由图2可看出，3种种植模式的下渗量与亏损量同产量和ET的变化趋势较为一致，均呈一年两熟>两年三熟>一年一熟的递减趋势，下渗量递减趋势不显著，亏损量递减趋势与ET相近，为−100 mm。通过3种种植模式产量耗水情况对比可以看出，一年两熟种植模式是在大量消耗地下水的基础上去保证产量，两年三熟和一年一熟则是通过改变作物种植结构，减少作物产量，降低ET，进而减少对地下水资源的消耗，达到农业持续发展的目的。不同种植模式下产量耗水情况的差异主要与冬小麦的种植相关。传统的一年两熟种植模式下冬小麦年均耗水在400 mm以上，而小麦生育期年均降水量不到140 mm，亏损量超过260 mm。降水与作物需水的不匹配导致灌溉用水增加，地下水亏损严重，地下水位下降，不利于华北平原地下水资源的持续利用。

综上所述，在华北平原地区，一年两熟种植模式年均产量最高，但耗水量大，水分亏损最为严重；一年一熟种植模式耗水量较小，水分亏损最少，但产量较低；两年三熟种植模式兼顾产量和耗水，在保证一定产量的前提下减少了耗水量，产量耗水综合效果最好，适合在华北平原推广实行。

2.3 不同降水年型下不同种植模式产量耗水情况对比

本研究采用降水保证率分类标准对栾城站小麦季、玉米季和全年的降水年型进行了划分（图3），划分标准如下：栾城站小麦季降水量丰水年阈值为170 mm，平水年阈值为136 mm，枯水年阈值为105 mm；玉米季降水量丰水年阈值为400 mm，平水年阈值为355 mm，枯水年阈值为250 mm；全年降水量丰水年阈值为570 mm，平水年阈值为491 mm，枯水年阈值为400 mm。由阈值划分标准可以看出，丰水年、平水年和枯水年的降水量差异较为明显，分析不同降水年型的产量耗水情况对于研究降水资源在农业生产上的作用意义较大。

图3 降水年型分类

本研究基于1986―2015年APSIM模型的产量耗水模拟结果并结合降水年型的分类，对栾城站丰水年（WY）、平水年（MY）和枯水年（DY）的产量耗水情况（表4）进行了对比分析。结果表明，在华北平原，降水量和降水量季节分配对作物产量与耗水影响显著，降水资源对于区域作物生长有重要意义。

表4 不同降水年型下不同种植模式年均产量耗水情况

从产量情况上看，栾城站一年两熟、两年三熟和一年一熟种植模式下普遍为丰水年年均产量>平水年年均产量>枯水年年均产量，小麦产量和玉米产量与年均产量特征一致（一年两熟的玉米产量和两年三熟的小麦产量除外，这主要受一些极端气候条件以及种植结构等因素影响，例如2009年的玉米季的大暴雨等）；不同种植模式在不同年型下的年均产量变化幅度差异较大，一年两熟年均产量丰水年与枯水年差值为1 000 kg/hm2，两年三熟为2 000 kg/hm2，一年一熟产量差值则接近3 000 kg/hm2，这一差异凸显出了玉米产量的波动幅度要大于小麦产量的变化幅度。

从作物耗水情况上看，同一种种植模式下不同降水年型ET差异较小，但不同种植模式ET差别较大，一年两熟模式下小麦、玉米和年总和ET分别大致为400、320、720 mm；两年三熟模式下玉米ET大致为390 mm，而平水年与枯水年的小麦和年总和ET分别大致为230和620 mm，丰水年分别为290和670 mm；一年一熟模式下小麦、玉米和年总和ET分别大致在70～130、430～450、500～560 mm之间，这主要与种植模式的种植作物以及作物产量有关。

从下渗和亏损情况上看，下渗量在不同降水年型下差异明显，与降水量呈显著正相关；亏损量与降水量呈显著负相关。上述结果分析表明，降水资源不仅对产量有重要影响，与下渗量和亏损量也呈显著相关：降水量较大的年份，产量较高，水分亏损量相对较少。

3 讨 论

在20世纪70年代前，华北平原主要的种植模式为一年一熟和两年三熟，70年代后，随着粮食需求的急剧增长和灌溉设施的改善，冬小麦–夏玉米一年两熟种植模式成为该地区典型的种植模式[2]。高强度的种植模式对当时粮食问题的解决做出了重大贡献，但产量增加背后也带来一系列的问题，比如地下水加速消耗、生态环境恶化等[27-28]，使得农业生产与水资源可持续利用之间的矛盾越来越突出[29]。

许多学者研究了在保持传统种植模式基础上减少灌溉量、改变灌溉措施以降低地下水开采强度的可行性。陈素英等[30]通过研究旱作条件下不同种植模式的产量、经济效益以及水分利用效率，探索华北平原水资源短缺地区旱作条件下的节水种植模式，为地下水开采强度研究提供技术支撑。裴宏伟等[31]通过对华北平原的冬小麦设置不同的灌溉处理（分别为旱作处理、正常灌溉处理、返青水胁迫处理、拔节抽穗水胁迫处理和灌浆水胁迫处理），研究分析了不同灌溉条件下的冬小麦产量耗水等情况，结果表明，灌溉量对于小麦产量的增加具有明显的正效应，正常灌溉条件下产量最高，但耗水量最大，旱作条件下产量和耗水量均为最低，其余水分胁迫处理条件下产量和耗水量较正常灌溉条件下的产量和耗水均有不同程度减少，但幅度不大。

传统的节水灌溉措施在一定程度上能够减少地下水的消耗强度，但不能从根本上扭转地下水超采的局面[13]。事实上，各类节水灌溉措施得以推广，典型地区的地下水下降速率并未实质性减缓[8]。虽然有节水措施的加入，但粮食单产水平不断提高，农作物田间水分蒸散量持续增加，尽管作物水分利用效率有所提高，但总的实际耗水量依旧呈持续增加趋势[4,32]。因此，单纯依靠节水灌溉来实现地下水资源可持续利用是行不通的[33]。即使考虑南水北调中、东线工程实施后，其调水量也只能适度缓解河北平原的水困境，仍无法根本扭转恶化趋势。限于水资源现状，必须从地下水消耗权重最大的农业部门入手。区域农作制度应该放弃只追求高产目标以期减少对水资源的消耗，调整作物种植模式，压缩高耗水作物面积，才能实现大幅减少地下水消耗的局面[1,34]。

一些研究者通过田间试验对比分析不同作物种植模式下的作物产量和耗水特征。刘明等[35]以华北平原冬小麦-夏玉米一年两熟制、冬小麦-夏玉米-春玉米两年三熟制和春玉米一年一熟制轮作体系为对象，研究了不同种植制度下作物的产量以及土壤水分动态变化，结果表明，不同种植制度在产量耗水方面差异显著，一年两熟制下作物的产量和耗水量均显著高于两年三熟制和一年两熟制，但是降雨量仅能满足总耗水量的72.9%，仍需较多地下水补充灌溉，两年三熟制降雨量能够满足作物耗水量80.4%，但产量和耗水量较一年两熟制分别减少23.1%和12.0%，一年一熟制降雨量能够满足作物耗水量的89.2%，而产量和耗水量较一年两熟制则分别减少45.2%和27.3%。郭步庆等[11]于2007－2009年在河北省中国农业大学吴桥试验站进行田间定位试验，试验设置的3个种植模式分别为冬小麦-夏玉米一年两熟模式、春玉米一年一熟模式和冬小麦-夏玉米-春玉米两年三熟模式，探讨华北地区通过调整种植模式的途径实现农业节水的潜力，研究表明，一年两熟种植模式年均产量为13 004.5 kg/hm2，远高于两年三熟和一年一熟种植模式，但一年两熟耗水量也是最多的，年均耗水达到742 mm，而一年一熟和两年三熟模式耗水较一年两熟模式分别减少了29%和45%。本研究中不同降水年型下，一年两熟、两年三熟和一年一熟种植模式下产量情况普遍为丰水年年均产量>平水年年均产量>枯水年年均产量，不同降水年型的年均产量变化幅度差异较大，一年两熟年均产量丰水年与枯水年差值达1 000 kg/hm2左右，两年三熟的产量差值达2 000 kg/hm2左右，一年一熟产量差值更接近3 000 kg/hm2，这一差异突显出了玉米产量受降水资源影响更大，其波动幅度要大于小麦产量的变化幅度；不同降水年型的耗水量差异较小，这主要是由于正常灌溉条件下灌溉量满足了作物生长的水分需求，但降水量小的年份，对地下水的补充不足，土壤水分亏损相对严重。对不同降水年型下不同作物种植模式的产量效益和水分动态变化特征进行深入分析，可以更为准确地评估不同降水情景下改变作物种植模式带来的产量变化和节水潜力，这对于灌溉政策和种植模式的调整具有重要意义。作物模型模拟结果与上述试验结果得出了较为一致的结论：一年两熟产量和耗水量均高于其他2种种植模式，一年一熟种植模式对地下水的消耗最少。但田间试验结果只能反映固定时间段内的结果，既无法反映过去几十年作物生长和土壤水分的动态变化规律，也不能反映不同降水年型下降水对作物生长的影响。

人们通常会担心传统的冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式改变成两年三熟或者一年一熟种植模式会造成冬小麦产量的减少，影响农业经济效益和人们的生活水平。但事实上人们的消费模式已经随着经济的发展发生了明显变化。人们对动物蛋白的需求逐渐上升，对小麦、水稻等主粮作物需求逐渐下降，这导致玉米（作为动物饲料）的需求大幅增加[36]。另外，农村大量劳动力向城市的转移，使得一年两熟种植模式只有在粮食产量高、收益好，可以抵消投入成本的前提下才具有种植意义[37]。由于投入的农业生产成本提高和粮食收益偏低，华北地区冬小麦种植面积正在逐步减少[38]。王学等[39]对地下水超采严重的河北平原地区冬小麦种植面积变化趋势进行调查分析，指出1998―2010年间冬小麦种植面积呈减少趋势，种植面积下降约16%，其中，北部京津唐地区最明显，下降超过了47%。

4 结 论

本研究利用APSIM模型对华北平原1986―2015年不同种植模式下的产量和耗水进行模拟分析，为华北平原粮食作物种植模式调整、农业水资源管理以及农业发展规划提供依据，最终得出以下结论：

1）通过对APSIM模型模拟的生育期、产量、ET和下渗量与实测值对比分析表明，APSIM模型能够较好地模拟冬小麦和夏玉米的生育期、产量及水分利用特征，其中生育期模拟结果的误差在5 d之内，冬小麦和夏玉米产量的2在0.85～0.96之间，ET的2在0.84～0.91之间，下渗量的2在0.87～0.95之间，产量、ET和下渗量模拟结果的2均在0.84以上，表明该模型在华北平原有较好的适用性。

2）由3种种植模式产量耗水情况研究分析表明，在华北平原地区，冬小麦–夏玉米一年两熟种植模式年均产量（13 445 kg/hm2）最高，但耗水量（724 mm）也是最大，水分亏损（233 mm）最为严重；一年一熟种植模式年均耗水量（534 mm）较小，水分亏损量（43 mm）最少，但产量（9 215 kg/hm2）较低；两年三熟种植模式兼顾产量（11 076 kg/hm2）和耗水（631 mm），在保证一定产量的前提下减少了耗水量，产量耗水综合效果最好，适合在华北平原推广实行。

3）研究基于1986－2015年APSIM模型的产量耗水模拟结果并结合降水年型的分类，对栾城站丰水年、平水年和枯水年的产量耗水情况进行了对比分析。结果表明，在华北平原，不同种植模式在不同年型下的年均产量变化幅度差异较大，一年两熟年均产量丰水年与枯水年差值为1 000 kg/hm2左右，两年三熟为2 000 kg/hm2左右，一年一熟产量差值则接近3 000 kg/hm2，降水量和降水量季节分配对作物产量与耗水影响显著，降水资源对于区域作物生长有重要意义。降水资源不仅对产量有重要影响，与下渗量和亏损量也呈显著相关，年降水量越大，作物产量越高，水分亏损量越少。

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Crop yield and water consumption of different cropping patterns under different precipitation years in North China Plain

Zhao Yanxi1, Xiao Dengpan1※, Qi Yongqing2, Bai Huizi1

(1.050011; 2.,050021,)

North China Plain is the important grain production base in China, and the status in the national food industry is very high. However, long-term irrigation has caused heavy losses of groundwater resources in North China Plain, and then groundwater level continues to decline. Crop model can simulate crop growth in a variety of simulation scenarios based on the present research experiments, predict some unknown risks, optimize the management measures of agricultural resources and provide scientific guidance for management of agricultural production. APSIM (agricultural production system simulator model) model is just typical representative of crop model. Therefore, the study used APSIM model to simulate the yield and water consumption situation under different cropping patterns in North China Plain during 1986－2015, to provide scientific basis for adjusting crop planting pattern, agricultural water resource management and agricultural development policy formulation in North China Plain. The results showed that APSIM model could well simulate the winter wheat and summer maize growth period, yield and water use characteristics. The error of crop growth period simulation results was within 5 d, and the2values of production, ET and drain simulation results were above 0.84. The results proved that the model had better applicability in North China Plain; the annual yield of wheat-maize double-cropping system (M2Y1) was 13 445 kg/hm2, followed by the yield of 11 076 kg/hm2for the two-year cropping pattern of winter wheat/summer maize/early maize (M3Y2), and the lowest yield per year was 9 215 kg/hm2for early maize one-year cropping pattern (M1Y1) with the decreasing trend of -2 000 kg/hm2. The trend of ET corresponding to yield was 724 mm (M2Y1) > 631 mm (M3Y2) > 534 mm (M1Y1), while the decreasing trend was -100 mm. The quantity of drain and overdraft of M2Y1, M3Y2 and M1Y1 all decreased, but the decreasing trend of drain was not significant while the decreasing trend of overdraft was similar to that of ET, which was −100 mm. Comparing yield and water consumption of 3 cropping patterns, we can know that the difference of water consumption in different cropping patterns was mainly related to the growth of winter wheat. The average annual water consumption of winter wheat was over 400 mm, while the average annual precipitation of wheat growth period was less than 140 mm and the overdraft exceeded 260 mm. The mismatch between precipitation and crop water demand leads to irrigation water increase, serious groundwater loss and lower groundwater level, which is not conducive to the sustainable utilization of groundwater resources in North China Plain. In conclusion, wheat-maize double-cropping system had not only the highest annual output, but high water consumption and the most serious water loss in North China Plain; two-year cropping pattern of winter wheat/summer maize/early maize gave consideration to yield and water consumption, and the comprehensive effect of yield and water consumption was the best. In addition, this study compared yield and water consumption of different cropping patterns under different precipitation years in Luancheng, Hebei, which proved that precipitation resources are of great significance to the growth of crops, while the yield was higher and the water loss was relatively small in the year of high precipitation.

crops; models; water consumption; cropping pattern; APSIM model; precipitation year; North China Plain

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.014

S153.6+1

A

1002-6819(2018)-20-0108-09

2018-04-02

2018-08-31

国家自然科学基金资助项目（41401104）；河北省自然科学基金资助项目（D2015302017）

赵彦茜，实习研究员，主要从事作物模型应用研究。Email：18233181223@163.com

肖登攀，博士，副研究员，主要从事气候变化与农业生态研究。Email：xiaodengpan168@163.com

赵彦茜，肖登攀，齐永青，柏会子. 华北平原不同降水年型和作物种植模式下的产量和耗水模拟[J]. 农业工程学报，2018，34(20)：108－116. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.014 http://www.tcsae.org

Zhao Yanxi, Xiao Dengpan, Qi Yongqing, Bai Huizi. Crop yield and water consumption of different cropping patterns under different precipitation years in North China Plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 108－116. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.014 http://www.tcsae.org