滴灌玉米叶面积指数归一化建模与特征分析

为探讨宁夏引黄灌区不同施氮量条件下滴灌玉米叶面积指数的动态变化特征，反映温度等气象因子对宁夏玉米形态结构和生长发育的影响，预测玉米生长过程与相对叶面积指数动态变化规律，本研究于 2017～ 2018年在宁夏平吉堡和宁夏大学试验农场进行，以玉米天赐 19为试验材料，采用水肥一体化管理技术，设 6个氮肥水平，对玉米全生育期叶面积指数(LAI)和有效积温(GDD)进行累积并归一化处理，以相对有效积温为自变量和相对叶面积指数(RLAI)为因变量进行动态模拟，得出了 5个准确度较高的模型，其中有理函数模型更符合宁夏滴灌玉米相对叶面积指数动态变化规律，模型检验结果表明，准确度均大于 0.933，精确度 R 2均大于 0.915；因此，此模型能较准确地对玉米群体 RLAI进行动态预测；施氮量可调控玉米的 LAI、平均叶面积指数(MLAI)及 MLAI/LAI ，为滴灌玉米叶面积指数动态模拟精度提供技术途径。     

基于GIS的区域作物生长模拟模型

利用VB程序语言改写SUCROS作物生长模型,将其模块法并改进了水分平衡和作物系数算法。通过试验数据对参数的校验,模型可以较准确模拟主要作物生长变量和预测产量。以GIS与作物生长模拟模块紧密集成的方式,采用ArcGIS Engine控件开发了区域作物模拟模型(RCGM),可用以模拟区域作物生长和产量时空分布。建立空间数据库管理区域作物生长模拟所需空间数据。以河北省栾城县为例,应用RCGM进行县域冬小麦生长模拟和产量预测,模拟产量平均相对误差为12.51%,表明区域模型模拟也有较高准确性。     

农田水盐运移与作物生长模型耦合及验证

合理定量描述土壤水盐动态及作物生长过程对于干旱灌区制定适宜的农业用水措施具有重要意义。该文以SWAP(soil water atmosphere plant)模型为基础,采用变活动节点法实现了对土壤融化期的水盐运移模拟,并在根系吸水计算中引入了基于S形函数的水盐胁迫计算方法,以修正原SWAP模型对根系吸水的模拟。进一步嵌入了参数与输入数据较少且可以模拟作物生长过程及实际产量的EPIC(environmental policy integrated calculator)作物生长模型,构建了改进的农田尺度土壤水盐动态与作物生长耦合模拟模型-SWAP-EPIC。分别采用宁夏惠农灌区春小麦和春玉米田间试验数据,对SWAP-EPIC模型田间适用性进行了检验。对比分析各层土壤水分与盐分浓度、作物生长指标(叶面积指数、地上部生物量)的模拟值与实测值,结果表明:春小麦和春玉米试验中土壤水分的平均相对误差MRE和均方根误差RMSE均接近于0且模型Nash效率系数NSE值趋近于1,水分模块模拟精度较高,盐分浓度模拟存在略微差异但总体上一致性较好,并且作物生长指标匹配良好;同时,模拟的产量和蒸散发均较为接近实际值,春小麦和春玉米产量模拟相对误差分别为4.9%和3.3%。综上,该文改进的SWAP-EPIC模型可良好地应用于寒旱区农田尺度土壤水盐运移与作物生长耦合模拟。     

ALMANAC作物模型参数的敏感性分析

为了方便模型数据库的组建,降低模拟结果的不确定性,本文根据山东禹城综合试验站2000-2003年的田间试验资料,进行AL-MANAC模型模拟冬小麦和夏玉米的验证。在此基础上采用OTA（即每次只改变其中1个参数）方法,对模型的土壤参数和作物参数进行敏感性分析。验证结果表明,ALMANAC模型能够较好地模拟冬小麦和夏玉米的产量和叶面积指数的动态变化,冬小麦和夏玉米模拟产量的相对误差（RE）为-8.6%~6.0%、-3.5%~7.2%,叶面积指数的RE为-13.1%~14.8%、-13.0%~12.2%;敏感性分析显示,土壤参数中的径流曲线数、土壤容重、田间持水量和土层厚度对模拟结果影响显著,其次为初始含水量和凋萎湿度,再次为粉粒含量、砂粒含量和土壤反射率;作物参数中的收获指数、光能利用率、热量单元指数、叶面积增长期占生长期的比例,对模拟结果影响显著,其次为作物生长最适温度、消光系数、作物生长下限温度、最大根深、最大叶面积指数、群体动态参数,再次为光能利用降低参数、叶面积指数动态曲线参数、叶面积指数衰减速率。     

作物生长模型的适用性评价及冬小麦产量预测

为了研究CERES-Wheat模型在北京地区的适用性及应用模型对冬小麦产量进行预测，在对模型进行参数校正的基础上，通过连续3 a的试验数据对模型适用性进行评估，进一步采用试验点气象观测站2007－2008年气象数据作为驱动模型展开模拟，预测了2007－2008年北京冬小麦产量为6 000 kg/hm2，并对比了2004－2008年的模型模拟值（包括生殖生长期时间、叶面积指数和产量）与实际观测值。结果表明：模型模拟开花期时间一般较实际观测时间推迟6 d以内，成熟期时间一般较实际观测时间推迟5 d以内，叶面积指数和产量较真实值偏高，综合4 a产量预测数据发现模型模拟产量准确度在90%以上，说明CERES-Wheat模型在北京适用性良好，可以作为一个有效的冬小麦产量预测工具在农业中应用。     

改进WHCNS模型模拟耕作方式对作物生长和水分利用效率的影响

耕作改变了土壤物理特性,进而影响了作物生长和水分利用,定量研究不同耕作方式下的农田土壤水分动态与作物生长过程是制定合理耕作制度的基础。该研究在土壤水热碳氮模拟模型（Soil Water Heat Carbon Nitrogen Simulator,WHCNS）的基础上耦合了EPIC模型的土壤耕作模块,构建了适用于不同耕作方式的土壤水热碳氮过程模拟模型。利用华北平原南部河南商丘试验站2015-2017年实测的不同耕作方式下（深耕、免耕和轮耕）的土体储水量、叶面积指数、地上部干物质质量和产量数据对改进后的WHCNS模型进行了校验和模拟效果评价,并模拟分析了不同耕作方式对冬小麦和夏玉米农田蒸散量、作物产量和水分利用效率的影响。结果表明,所有处理的土体储水量、叶面积指数和地上部干物质质量模拟值与实测值的相对均方根误差均小于30%,一致性指数均大于等于0.90,纳什系数均大于等于0.58,决定系数均大于等于0.90,作物产量模拟值与实测值的决定系数达到0.99。两季冬小麦,与深耕和免耕相比,轮耕的蒸散量分别降低了8.8%～10.8%和13.8%～21.0%,水分利用效率分别提高了6.7%～9.4%和15.7%～24.9%。两季夏玉米,与深耕和轮耕相比,免耕的蒸散量分别降低了12.5%～12.9%和20.7%～22.2%,水分利用效率分别提高了13.4%～15.2%和29.1%～31.3%。耕作方式对产量的影响并不明显。总体而言,改进后的WHCNS模型可以较好地模拟华北平原不同耕作方式下土壤水分与作物生长的动态过程。     

基于气候和土壤水分综合适宜度指数的冬小麦产量动态预报模型

利用河北省16个农气观测站1981-2010年逐日气象资料、土壤水分观测资料、冬小麦生育期观测资料、灌溉记录和8个冬小麦主产市产量资料,根据土壤水分平衡原理和模糊数据理论,建立了综合反映冬小麦生长期气象条件和土壤水分状况的气温-日照-土壤水分适宜度评价模型,并以旬为时间步长,建立了基于气温-日照-土壤水分适宜度指数的冬小麦产量动态预报模型.结果表明,气温-日照-土壤水分适宜度指数克服了气温-日照-降水适宜度指数仅考虑水分状况中降水条件的不足,能够客观反映冬小麦生长期的气象条件和土壤水分状况,与冬小麦产量变化量呈极显著相关(P＜0.01),相关性高于气温-日照-降水适宜度指数;动态产量预报模型对1981-2008年历史拟合检验和2009-2010年预报试验的平均相对误差分别为6.1％和1.2％,误差较小,表明建立的冬小麦产量动态预报模型能够满足业务需求,具有较高应用价值.     

不同年份地下水位大麦参数模型与产量动态模拟

本文研究了不同地下水位下大麦生长期叶面积指数、地上部各营养器官、储藏器官、总生物量干重的变化动态，植株各器官的干物质积累量和分配率，不同时期植株各器官的氮素含量和可溶性糖含量的变化动态；运用模型对大麦各器官干物质重及产量动态进行了模拟，并对模拟结果与实测结果进行了相关性分析，最后对大麦产量进行了模拟，结果得到各个不同年份不同地下水位处理大麦的产量与降水量之间存在着比较明显的负相关。     

滨海土壤水分动态集成预报模型及其应用

通过GM(1,1)模型拟合土壤水分变化趋势、傅里叶变换提取周期分量和AR(p)模型模拟随机过程,所建立的集成预报模型对荒地土壤水分的模拟精度高于已耕作的麦田,总体相对误差减少33%～106%.麦田和荒地土层愈深,模拟精度愈高.麦田和荒地不同深度的土体模拟值总体误差分别为±7.4%～±16.8%、±5.56%～±8.15%.同时运用集成预报模型预报了麦田和荒地未来某一时刻的0～60cm土体含水量.     

四川单季稻区主栽水稻品种的生长模拟*4

利用四川单季稻区7个农业气象观测站5个主栽品种的田间观测数据，结合当地栽培管理措施、土壤条件及逐日气象资料对ORYZA2000模型进行参数调试，并确定四川单季稻区5个主栽品种的作物参数值；利用4～5a各主栽品种的观测数据对单季稻生育期、叶面积指数、生物量和产量等指标的模拟结果进行验证和评价。结果表明，合系39营养生长期发育速率最大，而生殖生长期发育速率最小，Ⅱ优838营养生长期发育速率最小，而D优63和汕优2生殖生长期发育速率最大；模型对5个单季稻主栽品种的生育期模拟效果较好，各品种开花期与成熟期的相对模拟误差均在1～2d，归一化均方根误差（NRMSE）均小于1%；各品种产量的NRMSE在5.26%～10.01%，叶面积指数的NRMSE为10.37%～19.19%，地上部总生物量、茎生物量、绿叶生物量及穗生物量的 NRMSE 分别为13.17%～18.69%、14.31%～20.41%、18.95%～24.74%和20.85%～25.39%。由此可见，ORYZA2000模型能够较为准确地模拟四川单季稻区5个主栽品种的发育及产量形成过程，适应能力较强，可以应用于四川单季稻生产。     

基于动态规划理论的棉花根长生长模拟方法

作物根系生长不仅取决于生理因素,还取决于生态环境因素,而土壤水分环境与作物根系生长之间的关系则是局部灌溉技术设计的理论依据之一。为了进一步探索影响棉花根系生长的主要因素,本文在根?冠水量平衡的基础上,结合作物系数与叶面积的关系模型、根长密度分布函数以及根系吸水效率函数,应用动态规划理论,建立了棉花根系生长模型,并以桶栽棉花试验结果进行验证。结果表明,该模型纳入了土壤水分环境、大气蒸腾力和叶面积等影响根系生长的因子,具有揭示根系生长耗水机理的作用。该模型模拟出的棉花总根长变化趋势与实测结果基本一致,当以多年月平均参考蒸散量(ET0)作为输入条件时,模拟结果总体误差为15.41%,可以用于工程设计。对模型敏感性分析结果表明,所建模型能够反映棉花根?叶生长的同步性,以及进入生殖生长期以后根—叶之间的水量平衡关系。棉花根系生长对土壤水分环境变化的敏感性高于对叶面积变化的敏感性,体现了棉花根系生长的机理,建模方法可行。本文研究成果对完善局部灌溉技术中灌溉制度的设计理论具有重要意义。     

北疆膜下滴灌棉花产量及水分生产率对灌水量响应的模拟

膜下滴灌技术是一种节水高产的灌溉技术,在新疆棉花种植中得到了广泛的应用。灌溉是影响新疆棉花产量的重要因素。为研究棉花产量和水分生产率对灌水量的响应,该文首先采用2010年和2011年新疆棉花膜下滴灌田间试验数据验证二维土壤水与作物生长耦合模型模拟棉花产量和耗水量可靠性。结果表明,二维土壤水与作物生长耦合模型能够可靠地模拟土壤含水率、叶面积指数、地上部分干物质量、籽棉产量和耗水量。土壤含水率模拟值与实测值的标准均方根误差(normalized root mean square error,n RMSE)为4.6%~23.4%,一致性指数为0.677~0.974;叶面积指数和地上部分干物质量n RMSE分别为6.3%~15.7%和7.2%~14.1%;籽棉产量和耗水量的模拟值与实测值之间相对误差分别仅为1.1%~6.7%和0.3%~9.2%。利用率定和验证后的模型参数进一步模拟10种灌水量情景下的棉花籽棉产量和水分生产率,结果表明籽棉产量随着灌水量的增加而增加,二者呈抛物线关系,而水分生产率则随着灌水量的增加而减小。综合考虑产量和水分生产率,北疆地区膜下滴灌棉花优化灌水量为280~307 mm。该研究可为北疆地区棉花灌水实践提供科学依据。     

半干旱区草粮轮作田土壤水分恢复效应

采用野外实地观测和作物模型模拟相结合的方法,研究了不同轮作模式黄土高原半干旱区长期种植苜蓿地农田土壤水分恢复状况。结果表明：长期连作苜蓿地土壤干燥化进程与不同轮作模式下土壤湿度恢复的进程均表现为前期快后期慢;8～10 m深层土壤湿度恢复困难,6～8年生苜蓿草地翻耕后适宜采用PPW轮作模式（马铃薯→马铃薯→春小麦）以恢复土壤水分,种植16～20 a粮食作物后可以再次种植苜蓿。该研究结果可为黄土高原半干旱区苜蓿草地的土壤水分利用和恢复提供参考。     

地形对漫川漫岗黑土区大豆产量的影响

为研究黑土区田块尺度地形对大豆产量造成的影响,在海伦东兴合作社具有明显地形起伏的地块,采集大豆田间试验数据,考虑温度、太阳辐射、坡度、土壤养分等因素,运用作物生长模型DSSAT(Decision Support Systemfor Agrotechnology Transfer)模型对各样点进行参数率定及验证,得出以下结论:1)DSSAT模型的模拟产量与实际产量的相对均方根误差为7.9%,模拟结果表现为优,表明运用作物模型模拟不同地形上的产量变异具有可行性;2)地形通过影响作物生长环境因子的时空差异决定产量差异,田块尺度温度、水分和坡度是影响产量差异的主要因素;3)坡顶和坡底的产量相对较高,且产量变异性较小,阳坡虽然接收到更多的光照,却由于水分胁迫造成减产,坡底和平缓坡顶水肥保持较好,易获得高产。研究成果为田间精细管理与田块尺度耕地高效利用提供科学依据。     

水、磷对紫花苜蓿产量及水肥利用效率的影响

【目的】紫花苜蓿作为畜牧业生产中最主要的优质绿色饲料,是发展草食畜牧业的物质基础,同时它也是一种需水需肥较多的作物。如何从技术方面提高单位面积苜蓿产量,实现苜蓿高产栽培是科学研究人员及生产者研究的重点。北京市东南部接壤的蓟县、宝坻及南部接壤的廊坊、武清等地区,是北京市在生态和环境优先发展原则下畜牧养殖业外移的重要承接区域,苜蓿在当地种植缺乏科学指导,年干重产量仅为7500~10000 kg/hm2,盐碱地年产量更低,为4500~6000 kg/hm2。本研究通过苜蓿水肥试验确立紫花苜蓿达到高产的最佳磷肥施用水平和灌水量,为京南地区苜蓿高产及水肥的高效利用提供可借鉴的水肥管理技术。【方法】实验在低磷砂壤土条件下进行,选用紫花苜蓿中苜2号品种,设置全生育期不灌水（W0）、以及返青后及第1、2茬刈割后灌水且每次灌水25 mm （W1）、50 mm （W2）、75 mm （W3）4个灌水处理;每个灌水处理下设置不施磷（F0）、施P2O5 105 kg/hm2（F1）、210 kg/hm2（F2）3个施磷量处理,研究了灌水和施磷对紫花苜蓿产量、水分和磷肥利用效率的影响。【结果】1）灌水对1、2茬苜蓿产量的影响有显著差异,对3、4茬及全年产量的影响无显著差异;施磷肥对第3茬苜蓿产量没有显著影响,但对第1、2、4茬及全年苜蓿产量的影响均存在显著差异。2）灌水和施磷肥对紫花苜蓿的水分和肥料利用效率均有显著影响,随着施磷量的增加,苜蓿的水分利用率逐渐增大,说明施磷可以提高水分利用效率;随着灌水量的增加,苜蓿的磷肥利用效率呈先增加后降低的趋势,说明适当的增加灌水量可以提高苜蓿的磷肥利用效率。【结论】综合考虑紫花苜蓿产量、水分和肥料利用效率等指标,最优试验处理为每次灌水量50 mm,施P2O5 210 kg/hm2,其次为每次灌水量25 mm, 施P2O5 210 kg/hm2。     

灌水次数对绿洲春玉米田氮素损失及水氮利用效率的影响

该文研究灌水次数对绿洲农田氮素损失及水氮利用效率的影响。2015年在甘肃省武威市石羊河流域绿洲农田设置了5种灌溉施肥处理:分别为传统施肥(N_1)+传统灌水4次处理(I_1N_1),优化施肥(N_2)+优化灌水4~7次处理(分别为I_2N_2、I_3N_2、I_4N_2和I_5N_2)。应用农田水氮管理模型(soil water heat carbon and nitrogen simulator,WHCNS)模拟分析了不同灌水次数下的作物产量、水氮动态过程及水氮利用效率,最后应用综合指数法筛选了农田最佳的水肥管理方案。结果表明:模型模拟的土壤含水率、土壤硝态氮含量、作物产量和叶面积指数与实测值均吻合良好,一致性指数在0.74及以上。5个处理中I_3N_2处理的春玉米产量、水分和氮素利用效率均最高,分别为17 077 kg/hm~2、3.23 kg/m~3和40.1 kg/kg。I_1N_1处理的水分渗漏和硝态氮淋失量均最大,而I_5N_2处理的最小。在灌溉定额一定的条件下,随灌水次数增加,水分渗漏量逐渐减少,同时硝态氮淋洗和氨挥发也逐渐减少,而反硝化和作物吸氮量逐渐增加。综合指数法评价结果表明I_3N_2处理为该地区最佳的水肥管理方案。因此,在该地区适当增加灌水次数和减少单次灌水量,不仅可以维持作物产量不变,而且显著减少了水分渗漏和氮素淋洗,同时提高了水氮利用效率。结果可为荒漠绿洲地区制定合理的水肥管理措施提供指导。     

基于APSIM模型分析播期和水氮耦合对油葵产量的影响

播期调控和补充灌溉是保障北方农牧交错带油葵稳产和增产的有效措施,然而播期和水氮管理对油葵产量的耦合效应尚不明确。该文基于农牧交错带武川试验站2 a分期播种试验数据评估了APSIM-Sunflower模型的适应性,应用验证后的APSIM模型分析了播期和水氮耦合对油葵产量的影响。研究结果表明:油葵生育期模拟值与实测值均方根误差(RMSE)小于2.4 d,地上部干物质量和产量模拟的归一化均方根误差(NRMSE)分别为21.9%和5.5%,表明APSIM模型能够有效模拟油葵的生育期、地上部干物质量和产量。在有补充灌溉条件时,仅灌一水时在现蕾期补灌油葵产量最高,灌两水时在现蕾和灌浆期补灌产量最高。油葵最佳施氮量随着灌溉量的增加而上升;干旱年无灌溉、灌一水、灌两水和灌三水时最佳施氮量分别为40、60、60和70 kg/hm~2,正常年分别为50、70、80和90 kg/hm~2,湿润年分别为50、80、80和90 kg/hm~2。在湿润年和正常年时雨养、灌一水和灌两水条件下播期在5月中旬较其他播期产量分别高6.9%和11.6%,9.3%和12.0%,9.3%和16.4%,灌一水的产量变异系数分别低41.9%和8.9%;灌两水的产量变异系数分别低38.5%和12.5%;灌三水条件下播期在5月上旬时产量最高。干旱年时早播可降低产量年际间变异,但调控播期对提高产量作用较小。研究结果可为北方农牧交错带油葵生产播期和水氮管理提供参考。     

土壤水氮动态及作物生长耦合EPIC-Nitrogen2D模型

为计算农业区不同作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程,该文基于Erosion/Productivity Impact Calculator(EPIC)作物模型建立了作物根系生长子模块,将其进行有限元数值离散,与土壤氮素迁移转化模型Nitrogen2D耦合,使模型能计算作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程。该作物生长模块可计算多种胁迫下作物根系对土壤水分和氮素的动态吸收速率,及作物收获时的生物量和吸氮量。采用武汉大学灌溉排水试验场冬小麦生长条件下土壤水氮试验数据对模型进行了率定,并用于土壤水氮分布和作物生物量预测,土壤含水率、氮素的模拟值与实测值的一致性系数分别为0.86~0.97、0.52~0.98,Nash效率系数为0.59~0.90(含水率)、0.44~0.93(土壤氮素),说明模拟结果与实测值吻合度较高。同时,分别采用该文的作物生长模块和简单根系吸收模块计算根系吸氮过程,结果显示,简单根系吸收模型会显著高估作物吸氮量,而作物生长模型则由于考虑了根系生长和各环境因子的胁迫作用,计算结果更符合作物实际吸氮过程,计算的根系吸氮量相对均方根误差为3.4%~46%。     

膜下滴灌玉米番茄间作农田土壤水分分布特征模拟

间作种植和覆膜滴灌是实现高产和节水的重要技术,已被广泛应用,而掌握覆膜滴灌条件下间作种植农田土壤水分分布特征对于提高水分利用效率以及增产增收都具有重要意义。该文通过2a田间试验设置高(T1)、中(T2)、低(T3)3个灌水定额处理,并通过HYDRUS2D模型模拟了间作滴灌农田不同位置土壤水分的差异性、水平水量交换以及土壤水分二维分布特征。结果表明:基于HYDRUS2D构建的间作种植滴灌农田土壤水分模型精度较高,平均相对误差为5.72%～8.14%,决定系数在0.85～0.90,均方根误差在0.017～0.023 cm~3/cm~3。对于3个灌水处理皆表现为0～40 cm土层含水率出现差异,且在0～20 cm土层含水率差异显著,2014年番茄侧和玉米侧土壤含水率在3个灌水处理下的平均土壤含水率分别较裸地高20.17%和17.83%,2015年为16.02%和12.99%。间作滴灌农田土壤水平水量交换强烈,生育期水流主要由作物侧流入裸地侧,其中对于3个灌水处理在番茄侧0～40 cm土层净流入裸地的平均水量是玉米侧的1.3倍,约为60mm/a,并且0～40cm土层由作物侧流入裸地的水量是40～100cm土层的2.5倍。二维土壤水分分布显示,滴灌湿润体与作物根系分布匹配性较好,灌水后1d湿润饱和区主要集中在0～30cm土层,其中T1、T2、T3处理的饱和区面积分别为559.14,288.61和109.78 cm~2。灌水2 d后,低灌水处理(T3)存在较明显的水分亏缺,缺水区面积是充分灌溉(T1)的30倍。研究结果可为间作滴灌农田制定灌溉制度提供参考。