干旱条件下APSIM模型修正及华北冬小麦产量模拟效果

干旱是影响华北地区冬小麦产量的主要农业气象灾害之一,作物生长模型是评估干旱对作物产量影响主要方法之一,但作物生长模型对极端天气气候条件下（如干旱）作物产量模拟效果仍存在不确定性。为提高作物模型在干旱条件下对作物产量模拟的精准性,该研究利用调参验证后的农业生产系统模型（agricultural production systems simulator,APSIM）,通过查阅与华北地区冬小麦相关的186篇大田试验文献获得1 876对观测数据,以作物水分亏缺指数为干旱指标,评估APSIM模型在冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱对产量影响的模拟效果,提出APSIM在拔节-开花和开花-成熟阶段干旱对小麦产量影响的修正系数。基于历史气候条件、SSP245和SSP585未来气候情景资料,分析了冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱时空分布特征,并采用修正系数校正后的APSIM模型评估华北地区冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段不同等级干旱对其产量的影响。结果表明,APSIM模型低估了拔节-开花阶段干旱对冬小麦产量影响程度,轻旱、中旱和重旱校正系数分别为0.85、0.91和0.85;APSIM模型可准确模...     

气候变暖背景下华北平原冬小麦生育期温度条件变化趋势分析

利用华北平原42个农业气象观测站1981-2010年逐日平均气温和冬小麦发育期观测资料,结合增温试验数据,统计分析冬小麦生长季各月平均气温的变化特征、冬小麦关键发育日期和各主要生育阶段平均气温的变化趋势,以探究气候变暖对华北平原冬小麦生育过程温度条件的影响。结果表明:研究期内华北平原冬小麦生长季的10月、12月和2-6月增温趋势显著,2月平均气温上升线性倾向率最大。气候变暖使冬小麦越冬阶段和返青-拔节阶段的平均温度显著升高,从而导致冬小麦拔节-成熟日期显著提前,但冬小麦冬前生长阶段和拔节-成熟阶段的平均温度则未呈现上升趋势。冬小麦冬前生长阶段的温度环境因播种期适应性推迟而保持基本稳定,拔节-成熟阶段平均温度变化不明显则归因于发育期前移和当地气温的季节性变化特点。气候进一步变暖将使冬小麦冬后发育期提前更多,而拔节-成熟阶段的平均温度则不会明显升高。     

冬小麦干旱指标及干旱预测模型研究

干旱是河北省冬小麦生长期内主要的气象灾害之一。准确监测、预测干旱发生程度, 可以为防灾、减灾、救灾提供科学的决策依据。本研究以位于河北省南部冬小麦区的南宫县为例, 选取1991~2007 年冬小麦全生育期农业气象观测数据及常规气象资料, 基于Jensen 模型得到冬小麦返青~拔节、拔节~抽穗、抽穗~乳熟、乳熟~成熟4 个生育阶段的水分敏感系数; 在减产百分率标准的基础上, 确定了冬小麦返青后4 个生育阶段以相对蒸散表示的轻旱、中旱、重旱、严重干旱4 个等级冬小麦干旱指标值; 并应用回归分析方法, 建立了4 个生育阶段的干旱预测模型。结果表明：考虑冬小麦不同发育阶段对水分的敏感程度, 确定的冬小麦干旱指标值比较客观地反映了干旱程度。建立的干旱预测模型均通过了0.05 的显著性检验。模型的拟合正确率70.8%, 预测正确率75.0%, 平均正确率71.4%;经简化干旱等级, 即轻旱为1 个等级, 中旱、重旱、严重干旱为1 个等级, 则模型的拟合正确率达81.3%, 预测正确率达75.0%, 平均正确率达80.4%, 模型预测结果可信。     

近30年黄淮海平原干旱对冬小麦产量的潜在影响模拟

为了探明黄淮海平原冬小麦需水关键生育阶段干旱对产量的潜在影响,该文基于黄淮海平原6个农业亚区典型站点的1981—2009年气象数据及田间观测资料,使用作物模型DSSAT模拟探讨了近30 a冬小麦关键生育阶段潜在干旱对产量的影响,并分析了各典型站点干旱减产的概率分布以及典型丰水和缺水年土壤水分的变化规律与产量的关系。研究结果表明:DSSAT模型的区域模拟误差在可接受的范围内(模拟的冬小麦开花期、成熟期和产量的相对均方根误差分别为2.0%、2.5%和12.4%),调试的区域品种3H能够代表黄淮海平原冬小麦品种进行区域模拟。黄淮海平原冬小麦需水关键生育阶段潜在干旱减产率在1980s均呈现出明显减轻的趋势。冬小麦拔节—抽穗期的潜在干旱减产率由南向北逐渐加重,黄淮海农作区天津(Ⅰ区)、石家庄(Ⅱ区)和莘县(Ⅲ区)的减产率超过了40%,临沂(Ⅳ区)、商丘(Ⅴ区)与寿县(Ⅵ区)分别为38%、27%和13%,干旱减产的区域差异主要是由各地气候因素的差异所导致。另外,黄淮海平原冬小麦同一水平的干旱减产率,在拔节—抽穗期发生的概率要远大于灌浆期的概率,北部地区冬小麦在拔节—抽穗期同一水平的潜在干旱减产率要明显高于南部地区,而在灌浆期的概率差别不明显。该研究可为黄淮海平原冬小麦实际生产过程中的抗旱管理与合理灌溉提供理论依据。     

北方地区不同等级干旱对春玉米产量影响

北方地区是中国主要的玉米种植区,在中国玉米总产和播种面积中占有较大比例,同时也是中国易发生干旱的地区,北方地区干旱常态化严重制约着该地区玉米的稳定发展。该文基于北方地区14个省(市、自治区)217个气象台站1961-2010年的逐日气象数据以及作物、土壤和田间管理资料,依据春玉米生长季内降水量并以100 mm为间隔将全区划分为6个区域(Ⅰ~Ⅵ),选取作物水分亏缺指数为农业干旱指标,基于验证后的农业生产系统模型(agricultural production systems simulator,APSIM),明确了各生育阶段不同等级干旱对春玉米产量的影响。研究结果表明,北方地区干旱造成春玉米减产率在空间上呈由西向东下降趋势,降水的空间分布直接导致了灾损程度在各区的差异,其中西部灌溉绿洲农业区雨养种植春玉米干旱风险非常大,需大力发展节水灌溉,而东部雨养农业区自然降水已基本满足春玉米生长发育需要,干旱对春玉米产量影响较小,在模拟过程中很难准确的反映出旱级对产量造成的差异影响。春玉米在拔节—抽雄阶段发生干旱会对产量造成比较严重的影响,该阶段4个等级干旱造成春玉米减产率的四分位区间分别为特旱(20.1%~33.6%)、重旱(12.0%~20.3%)、中旱(6.3%~15.2%)、轻旱(4.7%~11.6%)。     

近30年吴桥县冬小麦生育期水分亏缺变化趋势分析

为了给地处黑龙港地区的河北省吴桥县制定冬小麦稳产灌溉制度提供理论依据,本文利用1981—2013年吴桥县的气象数据和SIMETAW模型,分析了冬小麦全生育期及播种—返青期、返青—拔节期、拔节—开花期、开花—成熟期4个生育阶段的降水量、需水量、耗水强度及水分亏缺指数(CWDI)的变化趋势;同时利用5年滑动平均法将分析年份冬小麦实际产量分为趋势产量和气象产量,计算了不同降雨年型下冬小麦减产率的变异系数。结果表明,近30年河北省吴桥县冬小麦生育时期的水分亏缺指数和需水量均呈现轻微的上升趋势;冬小麦发生干旱的概率为93.75%,其中,中旱和重旱发生概率为65.52%。冬小麦生育时期的平均日降雨量呈现从冬小麦生育中期向后期转移的趋势,日耗水强度表现为从生育后期向生育中期移动的趋势,这是导致返青—拔节期和拔节—开花期水分亏缺指数较大的重要原因。冬小麦减产率的变异系数的绝对值在缺水年最大,为154.241;在丰水年最小,为1.999;正常年份为24.776。因此,冬小麦拔节—开花期的及时灌溉对于保障冬小麦的稳产增产具有重要作用。建议在缺水年份调整冬小麦的水分管理制度,在冬小麦拔节初期一次性充分灌溉或在拔节初期和中后期分次进行少量灌溉。     

气候变化背景下中国主要作物农业气象灾害时空分布特征(Ⅲ):华北地区夏玉米干旱

基于1961-2010年华北地区36个气象站点气象观测资料和1981-2010年23个农业气象观测站夏玉米生育期资料,以作物水分亏缺指数(CWDI)为农业干旱指标,分析华北地区夏玉米各生育阶段干旱的空间分布特征及其年代际演变趋势。结果表明:华北地区夏玉米不同生育阶段以轻旱最明显,播种-拔节阶段,大部分地区轻旱发生频率为5a一遇(20%)至3a一遇(33%);拔节-抽雄阶段,干旱空间分布特征表现为:轻旱主要集中在河北、河南、山东三省交界区域,发生频率在5a一遇至3a一遇;抽雄-成熟阶段,轻旱集中在河北中部,发生频率在3a一遇以上。全生育期轻旱主要集中在河北大部、北京和天津、河南北部和山东西部,干旱频率在3a一遇以上。1961-2010年,华北夏玉米生长季以播种-拔节阶段和抽雄-成熟阶段发生干旱的年份最多,以20世纪90年代干旱站次比最高;比较过去50a干旱演变趋势,以抽雄-成熟阶段山东东南部和河北东部区域干旱强度增加明显。研究结果说明夏玉米各等级干旱频率以轻旱最为明显,各生育阶段以播种-拔节、抽雄-成熟阶段发生干旱的频率较高;全生育期以轻旱的发生频率较高,干旱中心为河北大部、北京和天津、河南北部和山东西部,发生频率为3a一遇(33.3%)以上。夏玉米生长季全区域干旱主要发生在播种-拔节和抽雄-成熟阶段,该阶段发生干旱的范围最广。此外,不同生育阶段的干旱强度变化表现为河北北部干旱强度增加,河南南部干旱强度减小。     

中国北部冬麦区小麦生育期对生育阶段积温变化的响应

利用1993-2013年中国北部冬麦区19个农业气象观测站的冬小麦生育期及气象资料,研究了冬小麦各生育阶段积温和生育期的时空变异特征。通过皮尔逊相关性分析等方法,探究冬小麦各生育阶段积温变化对生育期的影响。结果表明：（1）播种-出苗、返青-拔节阶段≥0℃积温和越冬期负积温的值呈东高西低的空间分布,拔节-抽穗、抽穗-乳熟、乳熟-成熟和播种-成熟阶段≥0℃积温为东南低西北高,而出苗-越冬开始阶段≥0℃积温则呈东南高西北低的分布;拔节-抽穗和乳熟-成熟阶段≥0℃积温均在21%的站点上显著减少,返青-拔节、抽穗-乳熟和播种-成熟阶段≥0℃积温及越冬期负积温分别在26%、37%、21%和42%的站点上显著增加,而播种-出苗和出苗-越冬开始阶段≥0℃积温的变化较小;（2）播种和出苗期呈东部晚西部早的空间分布,抽穗、乳熟和成熟期则相反;越冬开始期呈东南晚西北早的分布,返青期则相反;拔节早的站点主要位于麦区东部。播种、出苗、返青、拔节、乳熟和成熟期分别在21%、16%、37%、26%、42%和21%站点显著推迟且多位于麦区东部,而越冬开始期和抽穗期仅在5%站点变化显著;（3）相关分析表明,各生育阶段≥0℃积温（或越冬期负积温）与多个生育期的相关性显著,生育阶段积温的变化可能直接或间接影响了冬小麦的生长发育。越冬期负积温与返青、拔节、抽穗、乳熟和成熟期相关性最大,且与冬后多个生育期呈现一致的时空变异特征,其时空变异性可能是造成冬小麦冬后生育期在时空上存在差异的原因。     

华北平原冬小麦各生育阶段农业气候要素变化特征分析

基于华北平原48个气象站1961-2008年平均、平均最高和平均最低气温、降水、日照时数等逐日气象资料,以及6个农业气象试验站的冬小麦生育期资料,采用线性倾向估计的方法,分析华北平原近50a冬小麦各生育阶段农业气候要素的变化趋势,并讨论其对冬小麦生产的可能影响.结果表明,(1)全生育期内平均温度上升0.37℃·10a-1(P＜0.05),增温主要集中在越冬-返青、返青-拔节、拔节-开花期,其增幅分别达0.53、0.49和0.39℃·10a-1,显著增温的站点分别达97.9％、75.0％和79.2％.平均最高、最低温度的变化趋势与平均温度相似,平均最低温度的变幅更大,因此冬小麦全生育期气温日较差平均下降0.19℃·10a-1,其中越冬-返青和开花-成熟期下降0.25和0.26℃·10a-1.(2)降水量的变幅无论在冬小麦的全生育期内还是各生育阶段均较小.(3)冬小麦全生育期总辐射量减少54.02MJ ·m-2·10a-1,其中播种-越冬、越冬-返青期分别减少15.74、20.09MJ·m-2·10a-1,开花-成熟期减少12.00MJ·m-2·10a-1,辐射量显著减少的站点集中分布在华北平原中部.研究结果对冬小麦的合理布局和农事安排有积极作用.     

黄淮海地区夏玉米干旱等级划分

干旱是影响黄淮海地区夏玉米产量稳定性的主要农业气象灾害。建立夏玉米干旱灾害指标,开展夏玉米干旱灾害的监测及评估,对农业防灾减灾意义重大。该文根据夏玉米生长发育过程,选择土壤相对湿度和作物水分亏缺指数分别建立夏玉米不同生育阶段的干旱等级指标。首先在综合分析有关夏玉米土壤水分指标研究成果的基础上,确定了夏玉米各生育阶段不同干旱等级的土壤相对湿度指标。在此基础上,利用河南省农业气象观测站多年观测资料,建立水分亏缺指数与土壤相对湿度之间的关系模型,利用已确定的土壤相对湿度指标计算得出夏玉米不同生育阶段不同干旱等级的水分亏缺指数干旱指标。根据土壤相对湿度指标,夏玉米播种-出苗、出苗-拔节、拔节-抽雄、抽雄-乳熟和乳熟-成熟5个生育阶段发生轻旱的临界值分别为65%、60%、70%、75%和70%,发生重旱的临界值分别为45%、40%、50%、55%和50%,发生特旱的临界值分别为40%、35%、45%、50%和45%;而根据水分亏缺指数指标,5个生育阶段发生轻旱的水分亏缺指数的临界值分别为35%、40%、20%、10%和35%,发生重旱水分亏缺指数临界值分别为50%、65%、55%、45%和65%,发生特旱的临界值分别为55%、75%、65%、55%和75%。在黄淮海夏玉米区选择代表站点对确定的干旱等级指标进行了验证,土壤相对湿度和水分亏缺指数判定的干旱等级相同及相差一个等级的百分率变化在71%～91%,表明2套指标对干旱发生情况的判别具有较好的一致性;通过与历史典型干旱年份灾情对比,2套指标能够较好的判定出历史年份夏玉米生长季干旱发生情况,能够用于夏玉米干旱的监测、评估等方面的科研及业务服务中。     

不同发育期干旱对冬小麦灌浆和产量影响的模拟

为探明不同强度干旱对农作物生长过程所产生的影响,本文基于作物生长模型WOFOST,采用数值模拟方法,模拟分析了河南省郑州地区冬小麦在拔节期、抽穗期和灌浆期分别发生不同程度干旱、两个发育期以及3个发育期都发生不同程度干旱对冬小麦灌浆过程和产量的影响。结果表明,当单一发育期供水减少10~30 mm时,干旱导致小麦灌浆强度在正常灌浆后的第14~18 d下降,可使小麦减产1.34%~12.5%,且以抽穗期干旱影响最大,其次是灌浆期干旱,拔节期干旱影响最小;当两个发育期供水都减少10~20 mm时,干旱导致小麦灌浆强度在正常灌浆后的第10~17 d下降,可使小麦减产4.94%~21.88%,且以抽穗期和灌浆期干旱影响为最大,其次是拔节期和灌浆期干旱,拔节期和抽穗期干旱影响最小;当3个发育期供水都减少5~15 mm时,干旱导致小麦灌浆强度在正常灌浆后的第11~16 d下降,可使小麦减产3.93%~24.84%。可见,干旱致使土壤水分亏缺,影响了作物正常的灌浆强度,进而导致作物减产。干旱发生时段与程度不同,造成作物的减产率也不尽相同,多个发育期干旱导致小麦的减产率往往大于单一发育期干旱相叠加的效应。     

华北地区冬小麦主要气象灾害风险评价

为了对华北地区冬小麦生育期内遇到的主要气象灾害(干旱和干热风)的综合风险进行评价,根据气象灾害发生机理及区域环境特征建立危险性、暴露性和脆弱性评价模型,并构建综合风险模型,具体分析各地区综合风险的大小及主导风险因子,该文利用华北地区48个农气站冬小麦发育期资料(1981-2010年)和气象资料(1961-2010年)以及近50 a产量资料,将冬小麦全生育期划分为前期(播种期-起身期)、中期(拔节期-开花期)、后期(灌浆期-成熟期)3个阶段,并充分考虑了底墒形成期(播种当年7-9月)内的降水,分别基于水分亏缺指数和加权干热风日数构建了干旱、干热风等级指数,对华北地区冬小麦干旱、干热风灾害以及综合气象灾害风险进行分析。结果表明:危险性、脆弱性和暴露性的权重分别为0.3272、0.3116和0.3612。华北地区冬小麦农业气象灾害风险值有2个高值中心,一个位于冀鲁豫交汇处,一个位于河北省泊头、黄骅等地,风险值由中心向四周逐渐降低。根据该文构建的综合风险评估模型,将华北冬小麦种植区划分为5个不同风险等级区。评价结果具有较强的针对性,可以为华北各地区农业气象灾害风险管理提供参考。     

增温对河南省冬小麦产量的影响分析

研究历史气候变化背景下增温对作物产量的影响是识别气候变化对农业影响的有效途径。本文利用河南省历史气候资料和冬小麦平均单产资料, 通过提取气候产量、建立不同时段回归方程的方法, 分析了河南省气候变暖对冬小麦产量的影响。结果表明: 河南省1961~1981 年冬小麦气候产量与气温距平显著相关, 1987 年以后产量波动随气温变化的相关性减弱。20 世纪80 年代中期以后河南省冬小麦全生育期气温显著升高, 增温幅度为0.81 ℃?10a^-1。相对于变暖前的1961~1981 年, 1991~2000 年和2001~2007 年增温带来的单产增加量占实际增产量的15.6%~20.7%; 但显著升温后的2001~2007 年相对于1991~2000 年增温带来的增产量仅占实际增产量的1.0%, 冬小麦单产对气温的敏感性降低。     

生物质炭和秸秆施用对黄褐土生化性质及小麦产量的影响

以位于河南省方城县的黄褐土田间定位试验为平台,监测生物质炭和秸秆连续施用4 a后小麦拔节期和成熟期土壤性质变化及其与成熟期籽粒产量的关系,明确影响小麦产量的主要土壤生化因子。试验包含6个处理,即分别在不施用生物质炭(–B)和施用生物质炭(+B)条件下各设置3个处理:(1)对照(CK),(2)单施化肥(NPK),(3)秸秆还田配施化肥(NPK+S)。结果表明:生物质炭和秸秆施用对土壤生化性质和籽粒产量的影响基本上不存在交互作用。连续4a施用生物质炭后,小麦产量平均降低了17.4%。尽管NPK+S与NPK处理间平均产量没有显著差异,但它们比CK处理产量分别增加了33.8%和37.4%。采用偏最小二乘法路径模型(PLS–PM)分别分析了拔节期和成熟期的土壤速效养分、活性有机质和酶活性对产量的影响,发现小麦拔节期的土壤速效养分含量,特别是氮素的供应是直接影响产量的最为重要因子;而成熟期土壤生化性质对作物产量的影响比较小。因此,为防止黄褐土上施用生物质炭和秸秆后小麦产量降低,需要特别注意小麦拔节期土壤氮素的补充。     

气候变化对河南省主要农作物生育期的影响

利用河南省7个农业气象观测站1981-2004年冬小麦、夏玉米的生育期观测资料和同期的气象资料,分析了这两种作物主要生育期的变化趋势及对气候变化的响应。结果表明:河南省冬小麦自返青到成熟的各生育期均表现出提前的趋势,其中以拔节期提前最明显;冬小麦全生育期缩短,存在1.3d/10a的总减少趋势;相关分析显示导致冬小麦生育期提前的主要原因是2-5月平均气温的上升和3月日照时数的增加。夏玉米所有生育期都表现出延迟的趋势,以成熟期延迟程度最大;夏玉米全生育期天数呈现出显著增加的趋势,增加速率为2.1d/10a;6-9月总降水量减少是造成夏玉米生育期延迟的主要原因。     

基于APSIM模型的灌溉降低冬小麦产量风险研究

华北平原是我国冬小麦主产区,干旱是影响该地区冬小麦产量稳定的最主要的灾害之一。进行产量风险评估以及如何通过灌溉降低干旱产量风险对于该地区冬小麦稳产高产具有重要的现实意义。该文利用澳大利亚的APSIM农业生产系统模拟模型,以华北平原北京和山东禹城为例,分析了不同降水年型条件下冬小麦的产量风险;通过不同灌溉方案的设计和模拟,分析了不同的灌溉方案在各种年型条件下对降低冬小麦产量风险的作用。结果表明：北京和禹城地区冬小麦生育期内绝大部分年份降水不能满足作物的需水,严重缺水年型出现的频率均在30%左右,两地该年型的平均产量仅为2 445和2 466 kg/hm2,产量风险较高。灌溉对于降低产量风险具有明显的作用,但需根据不同的缺水年型选择适宜的灌溉方案。在兼顾冬小麦稳产高产和提高水分利用效率的前提下,严重和中度缺水年型进行3次补充灌溉,分别为底墒水、拔节水和开花水,而在轻度缺水年型条件下,底墒水和拔节水两次灌溉即可大大降低干旱带来的产量风险,灌水定额为50～70 mm,且随缺水程度的降低和灌溉次数的增加,可以适当减小灌水定额。