应用小麦-玉米连作智能决策系统模拟大田生产--以河北省吴桥县小麦-玉米连作实验为例

利用“小麦--玉米连作智能决策系统”，对河北吴桥县小麦--玉米连作生产进行了模拟。结果表明：模型对生育期的模拟值与实际值有很好的一致性；经分析，作物水氮环境与实际生产条件相符合；地上部干物质与实际干物质的增长趋势一致；模型对小麦的产量模拟值稍高于实测值，玉米的模块值低于实测值。     

WOFOST模型在河南省夏玉米主产区的校准与验证

为检验WOFOST模型在河南夏玉米主产区的适用性,通过大田试验数据,对WOFOST进行参数校准,并利用独立数据,对夏玉米叶面积指数、生物量、产量的模拟结果进行验证.结果表明,校准后的WOFOST对叶面积指数、生物量和产量的模拟效果较好.在整个生育期内,叶面积指数模拟值与观测值的归一化均方根误差(NRMSE)为20.7％,茎、叶、籽粒各器官干物质量及地上部生物量模拟值与观测值的NRMSE分别为10.6％、18.3％、21.3％、17.7％,夏玉米收获产量模拟值与观测值的NRMSE为6.1％.校准后的WOFOST可较准确地模拟夏玉米生长动态及生物量积累动态,适用于河南夏玉米主产区夏玉米生长模拟和产量预测.     

甘薯干物质分配及产量形成模拟研究

根据甘薯器官生长与温度和辐射的关系,建立了基于累积辅热积的甘薯干物质分配及产量形成的模拟模型,并利用试验资料对模型进行了检验。研究结果表明,模型对地上部分干重、地下部分干重和块根干重的模拟结果与实测值均符合较好,模拟结果与实测值之间的拟合度值分别为0.97、0.96、0.95(均为0.01水平显著相关),预测相对误差分别为1.23%、1.89%、2.45%。模拟系统是采用C Builder6.0为编程语言,在Pentium(R)4CPU、512MB内存计算机、中文Windows XP操作平台上开发的可执行模型系统。与已有的大田作物生长模型相比,建立的模型不仅预测精度较高和功能全面,而且模型参数易获取,具有较强实用性。模型能够预测甘薯干物质分配及产量指标,从而为甘薯生产管理和环境调控的优化提供决策支持。     

土壤水分过多对春玉米生长发育影响的模拟模型研究

运用ＰｅｎｎｉｎｇｄｅＶｒｉｅｓ研制的作物生长模型结合田间与水槽水分实验结果,建立了稻田玉米生长动态模拟模型。通过两年的实验验证,表明模型对稻田单作玉米的生育期、地上部茎叶干物质的动态及叶面积的变化的模拟与实测值较为一致,而对套作玉米的模拟则差异较大,需进一步考虑套作共生期内的麦／玉米之间的相互作用。文中还对模拟与实测值之间的差异进行了统计分析。     

数字化玉米种植系统的适用性验证

利用河北省连续两年的氮肥试验数据结果和相关资料，对数字化玉米种植系统在玉米主产区河北的适应性进行了验证（尤其是氮肥模块）。结果表明：模型对玉米主要生育期的模拟结果与大田实际符合性比较好，相对误差在5％之内；产量和生物量的模拟值与实际值的绝对误差较大，但相对误差基本都在10％以内；对每公顷穗数的模拟结果均偏低，相对误差小于5％，穗粒数的模拟值普遍高于实测值，而籽粒重的模拟值则普遍低于实测值，穗粒数和籽粒重的模拟值与实测值的相对误差均超出了10％。模型对作物吸收氮的模拟结果并不理想，而对子粒吸收氮的模拟结果明显优于前者，模拟值和观测值之间呈显著正相关关系。该验证结果表明，数字化玉米种植系统对生育期、产量和生物量的预测相对比较理想。而对产量构成和氮素吸收的模拟预测误差较大，因此预测产量构成和氮肥模拟的模块部分参数还需要根据大田试验结果进行适当调整和修正。     

AquaCrop模型在华北平原黑龙港流域典型区冬小麦-夏玉米种植模式上的适用性评价

为评估AquaCrop模型在黑龙港流域模拟冬小麦-夏玉米水分利用与作物产量的适用性,根据田间试验数据和FAO提供的参数值,对AquaCrop模型进行模型非保守性参数的本地化校准和验证。结果表明,AquaCrop模拟冬小麦冠层覆盖值和实测值的归一化均方根误差(NRMSE)为15.90%,模拟产量与实测产量之间的NRMSE为4.23%;模拟夏玉米冠层覆盖值和产量值与相应实测值之间的NRMSE分别为11.59%和11.69%。本研究校准所得参数对黑龙港流域典型站点有较好的适应性,校验后的AquaCrop可以用于黑龙港流域冬小麦-夏玉米水分管理、产量潜力等相关研究。     

土壤水分过多对春玉米生长发育影响的模拟模型研究

运用ＰｅｎｎｉｎｇｄｅＶｒｉｅｓ研制的作物生长模型结合田间与水槽水分实验结果,建立了稻田玉米生长动态模拟模型,通过两年的实验验证,表明模型对稻田单作玉米的生育期,地上部茎叶干物质的动态及叶面积的变化的模拟与实际值较为一致,而对套作玉米的模拟测差异较大,     

DSSAT模型对长期保护性耕作与土壤改良措施下玉米生长过程的模拟及验证

在豫西褐土区,应用DSSAT模型研究长期不同保护性耕作与土壤改良措施下夏玉米的生长过程,验证和评估DSSAT模型在豫西褐土区的适用性,为此模型在该区夏玉米上的应用提供依据。采用DSSAT 4.6内嵌的Glue软件,利用河南省农业科学院节水农业禹州试验基地2013年不同措施(常规耕作、深松、秸秆还田、有机肥)处理夏玉米田间试验观测的土壤体积含水率以及夏玉米的叶面积指数、生物量、产量等观测结果,对玉米的遗传特性参数进行率定,并利用2015年不同处理条件下土壤体积含水率以及夏玉米的叶面积指数、生物量、产量等进行验证。结果表明,在模型率定过程中,2013年夏玉米的叶面积、生物量及产量模拟的归一化的相对均方根误差(RRMSE)和绝对相对误差(ARE)均小于16%。在验证过程中,2015年产量实测值与模拟值之间的RRMSE和ARE分别在1.3%~12.6%和0.8%~12.4%;生物量实测值与模拟值的RRMSE和ARE分别为3.0%~7.3%和2.6%~5.3%;叶面积指数实测值与模拟值之间的RRMSE和ARE分别为2.5%~3.3%和3.6%~7.6%。此外,模拟产量与实测产量具有较佳的相关性,模拟值和实测值较一致。综上,DSSAT模型中的CERES-Maize模型能较好地模拟豫西褐土区夏玉米的生长过程、生物量以及产量。     

土壤湿度对玉米生长发育及产量的影响

为了提高玉米对土壤水分的利用率，以玉米为试验材料，在自然条件下，通过灌溉和非灌溉对比研究，分析不同土壤湿度对玉米生长发育及产量的影响。结果表明：试验田表层（O～30cm）与深层（30～50cm）土壤水分随时间的波动趋势相似，但表层土壤更易受外界影响。生育期内不同土壤湿度对玉米生长性状、干物质重及产量影响显著。灌溉处理为玉米生育期提供了更适宜的土壤水分，利于玉米地上干物质的累积，玉米进入乳熟期后，适当地灌溉更有利于稳产高产。     

施氮对冬小麦生长及产量影响的模拟研究

为了定量分析施氮量与冬小麦生长和产量的关系,以‘济麦22’为材料,于2016—2018年度开展了小麦施氮量试验。利用2016—2017年度试验资料,分析了施氮量对冬小麦产量的影响规律,引入冬小麦地上部干物质量影响因子、产量及产量构成影响因子,构建了施氮量对冬小麦产量影响的模拟模型。经2017—2018年小麦生长季试验数据检验,根均方差值、绝对误差和绝对误差占实测值比率均显示模拟值和实测值有较高的一致性,除产量和单位面积穗数相关系数不理想外,地上部干物质量、穗粒数、千粒重和收获指数的相关系数均较高,所建模型可较好地模拟施氮对冬小麦地上部干物质量、籽粒产量、单位面积穗数、穗粒数、千粒重和收获指数的影响,可为冬小麦氮肥高效利用和精准减量施肥提供一定的参考。     

SIMETAW模型在辽西北地区的验证与应用

 【目的】验证美国加州大学开发的作物蒸散量－SIMETAW（simulation of evapotranspiration of applied water）模型在中国辽西北地区应用的有效性。【方法】利用辽西北地区的作物、土壤和气候数据运行模型,将当地主要作物蒸散量的模型模拟值与田间实测值进行对比分析;同时,在模型验证的基础上模拟分析当地主要作物生育期内蒸散量和所需灌水量的多年平均情况。【结果】主要作物生育时期内模型模拟的蒸散强度曲线和实测曲线变化趋势基本一致,蒸散总量模拟值和实测值比较接近,相对误差均在10％之内。利用模型模拟当地玉米、大豆和谷子生育期内蒸散量多年平均值分别为514.15、449.64和389.12 mm,所需灌水量分别为208.4、220.93和116.17 mm。【结论】SIMETAW模型在辽西北地区对玉米、大豆和谷子蒸散量的模拟比较准确,模型有效,可以进一步应用该模型开展作物的水分管理研究和指导灌溉。     

干旱胁迫下春玉米冠层吐丝动态及籽粒数模拟研究

【目的】为实现干旱胁迫下玉米冠层吐丝动态的模拟,建立开花—吐丝间隔（anthesis-silking interval,ASI）和吐丝百分率与单位面积籽粒数的关系,改善干旱胁迫条件下玉米籽粒数的模拟效果。【方法】本研究基于锦州农业气象试验站干旱胁迫控制试验,测定了不同水分处理下玉米开花前后植株平均生长速率（PGR）、玉米冠层逐日吐丝百分率动态、ASI、开花后果穗生物量累积和株籽粒数等指标,利用上述数据确定了玉米冠层吐丝动态模型参数;进行了模拟吐丝百分率对植株生长速率平均值（PGR_AVE）和标准差（PGR_SD）两个输入参数的敏感性分析;基于果穗生物量累积过程,考虑干旱胁迫条件下冠层内植株个体间PGR的差异,开展开花前后不同干旱胁迫条件下冠层吐丝动态过程模拟;建立ASI与株结实率（株籽粒数占株最大潜在籽粒数的百分比）的定量关系;基于冠层吐丝动态模型模拟的开花后吐丝植株百分率、单株最大潜在籽粒数和株结实率,构建了基于冠层吐丝动态的籽粒数模型,进行了干旱胁迫下的籽粒数模拟与检验。【结果】冠层吐丝动态模型对PGR_AVE和PGR_SD的敏感性分析结果显示,与PGR_SD变化相比,PGR_AVE变化对吐丝百分率影响更大,PGR_AVE越大,PGR_SD越小,植株达到50%吐丝的时间越短。玉米冠层吐丝动态模型可以较准确地模拟开花后逐日吐丝百分率,花期干旱胁迫下观测值与模拟值的决定系数R ²为0.88—0.98,均方根误差RMSE为4%—12%,归一化均方根误差NRMSE为8%—27%;耦合冠层吐丝动态模拟结果,构建了基于冠层吐丝动态的籽粒数模型,该模型可以较准确地模拟干旱胁迫下玉米单位面积籽粒数,观测值与模拟值的R ²为0.85,RMSE为185粒/m²,NRMSE为10%。【结论】通过引入冠层吐丝动态模型,构建基于冠层吐丝动态的籽粒数模型,实现了干旱胁迫下玉米关键物候期（吐丝时间、开花—吐丝间隔和吐丝百分率）的模拟和籽粒数模拟,为实现干旱胁迫下基于冠层吐丝动态的产量模拟奠定基础。     

基于WOFOST模型的吉林省春玉米干旱复水模拟研究

干旱是吉林省春玉米生长发育阶段面临的主要农业气象灾害,如何合理地进行灌溉,减轻干旱缺水造成的不利影响,是吉林省春玉米生产中急需解决的问题之一。本研究利用气象、土壤等数据资料,对WOFOST模型进行了修订;利用修订的WOFOST模型,模拟了不同干旱条件下,不同的复水方案对玉米生长发育以及产量的影响,结果表明:修订的WOFOST模型在干旱条件下对春玉米的叶面积、地上部分干物质重以及产量具有较好的模拟效果。干旱复水模拟结果显示,在拔节-抽雄和抽雄-乳熟阶段,随着干旱程度的加剧,榆树和白城两地的玉米地上部分干物质重和产量的损失都随之增加;相同的复水方案下,榆树地区的春玉米地上部分干物质重和产量损失要小于白城地区;抽雄-乳熟阶段的干旱对春玉米的产量影响更大。从复水方案上来看,连续复水方案整体上要优于一次性复水方案,并且干旱过程中的及时、足量复水对春玉米抵御干旱、减少产量损失具有重要的作用。研究结果表明,WOFOST模型在农业干旱和灌溉模拟方面也具有较好的应用前景。     

Sensitivity Analysis of the ALMANAC Model‘s Input Variables

Crop models often require extensive input data sets to realistically simulate crop growth. Development of such input data sets can be difficult for some model users. The objective of this study was to evaluate the importance of variables in input data sets for crop modeling. Based on published hybrid performance trials in eight Texas counties, we developed standard data sets of 10-year simulations of maize and sorghum for these eight counties with the ALMANAC (Agricultural Land Management Alternatives with Numerical Assessment Criteria) model. The simulation results were close to the measured county yields with relative error only 2.6%for maize, and - 0.6% for sorghum. We then analyzed the sensitivity of grain yield to solar radiation, rainfall, soil depth, soil plant available water, and runoff curve number, comparing simulated yields to those with the original, standard data sets. Runoff curve number changes had the greatest impact on simulated maize and sorghum yields for all the counties. The next most critical input was rainfall, and then solar radiation for both maize and sorghum, especially for the dryland condition. For irrigated sorghum, solar radiation was the second most critical input instead of rainfall. The degree of sensitivity of yield to all variables for maize was larger than for sorghum except for solar radiation. Many models use a USDA curve number approach to represent soil water redistribution, so it will be important to have accurate curve numbers, rainfall, and soil depth to realistically simulate yields.     

Quantitative analysis of yield and soil water balance for summer maize on the piedmont of the North China Plain using AquaCrop

The North China Plain (NCP) is a major grain production area in China, but the current winter wheat-summer maize system has resulted in a large water deficit. This water-shortage necessitates the improvement of crop water productivity in the NCP. A crop water model, AquaCrop, was adopted to investigate yield and water productivity (WP) for rain-fed summer maize on the piedmont of the NCP. The data sets to calibrate and validate the model were obtained from a 3-year (2011–2013) field experiment conducted on the Yanshan piedmont of the NCP. The range of root mean square error (RMSE) between the simulated and measured biomass was 0.67–1.25 t·hm⁻², and that of relative error (RE) was 9.4%–15.4%, the coefficient of determination (R²) ranged from 0.992 to 0.994. The RMSE between the simulated and measured soil water storage at depth of 0–100 cm ranged from 4.09 to 4.39 mm; and RE and R² in the range of 1.07%–1.20% and 0.880–0.997, respectively. The WP as measured by crop yield per unit evapotranspiration was 2.50–2.66 kg·m⁻³. The simulated impact of long-term climate (i.e., 1980–2010) and groundwater depth on crop yield and WP revealed that the higher yield and WP could be obtained in dry years in areas with capillary recharge from groundwater, and much lower values elsewhere. The simulation also suggested that supplementary irrigation in areas without capillary groundwater would not result in groundwater over-tapping since the precipitation can meet the water required by both maize and ecosystem, thus a beneficial outcome for both food and ecosystem security can be assured.     

基于作物生长模拟模式的玉米产量预报方法研究

[目的]探讨利用WOFOST模型对玉米生物量进行模拟实现动态预报玉米产量的方法。[方法]利用辽宁省1981～2005年气象资料和产量资料采用WOFOST模型对作物生长进行模型模拟和改进,建立玉米生长动力统计预报模型,进行预报检验,并对模拟得到的玉米地上干物重和穗干物重与实际产量进行比较分析。[结果]对玉米穗干物重量与产量的模拟效果在辽宁西部和南部最好,在东部地区一般,中部和北部地区较差。辽宁省西部、南部和东部地区可以用模拟生物量反映实际产量的变化。模拟结果与实际产量对比表明,1981～2005年,模型预报准确率在80%以上的年份占31%以上,最高值出现在岫岩地区,达85%。[结论]模型对辽宁省干旱地区以及正常年份和一般干旱年份玉米产量变化的模拟能力较好,对极端气候年份模拟较差。     

Estimation of irrigation requirements for drip-irrigated maize in a sub-humid climate

Drip-irrigation is increasingly applied in maize (Zea mays L.) production in sub-humid region. It is critical to quantify irrigation requirements during different growth stages under diverse climatic conditions. In this study, the Hybrid-Maize model was calibrated and applied in a sub-humid Heilongjiang Province in Northeast China to estimate irrigation requirements for drip-irrigated maize during different crop physiological development stages and under diverse agro-climatic conditions. Using dimensionless scales, the whole growing season of maize was divided into diverse development stages from planting to maturity. Drip-irrigation dates and irrigation amounts in each irrigation event were simulated and summarized in 30-year simulation from 1981 to 2010. The maize harvest area of Heilongjiang Province was divided into 10 agro-climatic zones based on growing degree days, arid index, and temperature seasonality. The simulated results indicated that seasonal irrigation requirements and water stress during different growth stages were highly related to initial soil water content and distribution of seasonal precipitation. In the experimental site, the average irrigation amounts and times ranged from 48 to 150 mm with initial soil water content decreasing from 100 to 20% of the maximum soil available water. Additionally, the earliest drip-irrigation event might occur during 3- to 8-leaf stage. The water stress could occur at any growth stages of maize, even in wet years with abundant total seasonal rainfall but poor distribution. And over 50% of grain yield loss could be caused by extended water stress during the kernel setting window and grain filling period. It is estimated that more than 94% of the maize harvested area in Heilongjiang Province needs to be irrigated although the yield increase varied (0 to 109%) in diverse agro-climatic zones. Consequently, at least 14% of more maize production could be achieved through drip-irrigation systems in Heilongjiang Province compared to rainfed conditions.     

基于CERES-Maize模型的玉米遗传参数优化及验证

利用玉米生长观测资料、气象资料、土壤资料、田间管理资料,采用CERES-Maize模型对玉米进行应用研究。首先运用均匀设计进行数值模拟,并对模拟结果进行回归分析,根据模拟及优化结果选取最佳的遗传参数,最后通过模型对玉米的产量、每平方米粒数、生育期模拟值和观测值间的比较,结果表明总体上模型模拟值和观测值之间具有很好的一致性。     

DNDC模型在曲周试验站的参数灵敏度分析及率定

【目的】基于河北省曲周试验站的试验数据,对DNDC模型的参数进行详尽的灵敏度分析和标定。【方法】采用独立参数扰动法进行参数的灵敏度分析,运用试错法对参数进行标定。【结果】在曲周试验站,标定模拟的土壤剖面体积含水量动态的精度较高,平均归一化均方根误差（NRMSE）为22.41%。对于土壤氧化亚氮释放量的模拟,则呈现出明显的季节变化趋势并有效地捕捉到其峰值所在。模型标定模拟的冬小麦叶面积指数、地上部分生物量和产量的NRMSE分别为27.04%、30.46%和28.10%;标定模拟的夏玉米叶面积指数、地上部分生物量和产量的NRMSE分别为28.49%、25.15%和26.92%。【结论】以上标定模拟的精度就田间实际情况而言,总体是可以接受的。经过详细参数标定后的DNDC模型将为深入探讨不同农田管理措施下,实现作物增产和农业减排双赢局面提供科学有效的途径。