基于作物生长监测诊断仪的双季稻叶干重监测模型

本文旨在验证作物生长监测诊断仪(crop growth monitoring and diagnosis apparatus, CGMD)监测双季稻长势指标的准确性,建立基于CGMD的双季稻叶干重监测模型。通过实施8个不同早、晚稻品种和4个施氮水平的小区试验,采用CGMD获取从分蘖期至灌浆期的冠层归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)、差值植被指数(differential vegetation index,DVI)和比值植被指数(ratio vegetation index,RVI),同步采用高光谱仪(analytical spectral devices field-spec handheld 2, ASD FH2)获取冠层光谱反射率计算NDVI、DVI和RVI;分析2种光谱仪获取的植被指数间的相关关系,验证CGMD的测量精度,建立基于CGMD的叶干重监测模型,并用独立试验数据对模型进行检验。结果表明:早、晚稻叶干重随施氮水平的增加而增大,随生育进程的推进呈"低—高—低"动态变化趋势;CGMD与ASDFH2获取的NDVI、DVI和RVI呈极显著相关,相关系数(correlation coefficient,r)分别为0.9535～0.9972、0.9099～0.9948和0.9298～0.9926,表明2种光谱仪获取的植被指数具有高度的一致性, CGMD可替代价格昂贵的ASD FH2获取NDVI、DVI和RVI。CGMD获取的3个植被指数相比, RVI_(CGMD)与叶干重的相关性最高;基于RVI_(CGMD)的幂函数模型可准确地监测叶干重,模型建立的决定系数(determination coefficient,R~2)为0.8604～0.9216,模型检验的均方根误差(root mean square error, RMSE)、相对均方根误差(relative root mean square error, RRMSE)和r分别为12.97～17.87 g m~(–2)、4.88%～16.79%和0.9951～0.9992。与人工采样测定叶干重相比,利用CGMD可实时准确地获取双季稻叶干重动态变化,在双季稻长势精确诊断和丰产高效栽培中具有应用价值。     

利用鱼眼影像技术反演不同株型水稻的冠层结构参数

快速、可靠、精确地评估植被冠层结构参数在大气-植被相互作用的研究中起着举足轻重的作用。为探明鱼眼影像在水稻冠层结构研究中的应用前景, 本研究选择3种不同冠层结构的水稻品种作为研究对象, 利用带有鱼眼镜头的数码相机在冠层的8个不同高度分别拍摄冠层影像, 通过对影像的预处理提取冠层间隙度参数, 根据冠层内辐射环境与冠层结构之间的定量化关系, 利用Beer-Lambert定律反演水稻冠层的叶面积指数(leaf area index, LAI)和平均叶倾角(mean leaf angle, MLA)。研究结果表明, 鱼眼影像反演的LAI均方根误差(root mean square error, RMSE)为1.2~1.5, 相对误差(relative error, RE)为18.6%~22.5%, 仅比人工测定结果低估7.6%~13.1%, 优于Sunscan的测定结果。其次, 反演的MLA与人工测定结果之间有较好的一致性, 相关系数为0.9205^**, RMSE为11.7°, RE为16.1%。研究结果表明, 鱼眼影像反演水稻冠层结构是可行的方法。     

玉米和大豆光合有效辐射吸收比例与植被指数和叶面积指数的关系

基于东北典型黑土区的玉米和大豆的实测光谱反射率、光合有效辐射及叶面积数据,选取常用的9种植被指数,并根据光谱曲线特征和植被指数结构建立了两种新的植被指数,对其估算玉米和大豆冠层FPAR效果进行了对比分析。结果表明,各植被指数与冠层光合有效辐射吸收比例(FPAR)的关系因植被类型而异。以近、短波红外波段较以可见光、近红外波段计算植被指数的估算效果好。NDVI、RVI在可见光、近红外波段计算的植被指数中估算FPAR效果较好,玉米估算模型R²分别为0.81和0.82,大豆估算模型R2均为0.81;NDSI、RSI在近、短波红外波段计算的植被指数中较好,玉米估算模型R2均为0.86,大豆估算模型R2均为0.84,优于NDVI和RVI。试验表明,利用近、短波红外波段估算FPAR是可行的;冠层含水量较土壤背景对FPAR影响更大;玉米和大豆冠层FPAR与叶面积指数(LAI)呈较好的对数关系,估算模型R²分别为0.75和0.70;但用植被指数估算FPAR效果要优于用叶面积指数。     

玉米–大豆带状套作行距配置对作物生物量、根系形态及产量的影响

空间配置是影响间作套种作物生长和产量构成的关键因素之一。本研究固定玉米–大豆套作带宽200 cm,玉米采用宽窄行种植,设置4个玉米窄行行距为20 cm(A1)、40 cm(A2)、60 cm(A3)和80 cm(A4)套作处理,2个玉米和大豆净作对照处理,研究行距配置对套作系统中玉米和大豆生物量、根系及产量的影响。结果表明,套作大豆冠层光合有效辐射和红光/远红光比值均低于净作,且随着玉米窄行的增加而降低。套作系统中大豆地上地下生物量、总根长、根表面积和根体积从第三节龄期(V3)到盛花期(R2)逐渐增加,但随着玉米窄行的增加而降低。套作玉米地上地下生物量从抽雄期到成熟期逐渐增加,根体积却逐渐降低,但这些参数随玉米窄行的变宽而增加。玉米和大豆在带状套作系统中产量均低于净作,且随玉米窄行的变宽,玉米产量逐渐增加,2012和2013两年最大值平均为6181 kg hm–2,而大豆产量逐渐降低,两年最大值平均为1434 kg hm–2,产量变化与有效株数和粒数变化密切相关。此外,玉米–大豆带状套作群体土地当量比(LER)大于1.3,最大值出现在A2处理,分别为1.59(2012年)和1.61(2013年),且最大经济收益也出现在A2处理(2年每公顷平均收益为1.93万元)。因此,合理的行距配置对玉米–大豆带状套作系统中作物的生长、产量构成和群体效益具有重要的作用。     

不同种植模式下根系分泌物对玉米生长及产量的影响

为探究大豆和甘薯的根系分泌物对玉米生长及产量的影响,通过盆栽根系分泌物吸附试验,研究了不同活性炭处理方式对玉米/大豆(B1)、玉米/甘薯(B2)及玉米净作(B3)3种种植模式下玉米光合特性、荧光参数及生物产量的变化规律。结果表明:加活性炭处理(A1)较未加活性炭处理(A2)抑制了玉米生长,但玉米产量差异不显著。加活性炭时,由于根系分泌物被吸附,玉米的光合速率、荧光参数和产量在各种植模式之间差异不显著;未加活性炭时,大豆的根系分泌物促进玉米生长和提高玉米产量,甘薯的根系分泌物抑制玉米生长和降低玉米产量,B1处理下玉米的根干重、根系活力、净光合速率和子粒干重比B3处理分别高15.81%、53.20%、19.94%和60.84%,而B2处理则比B3处理分别低19.92%、4.33%、16.96%和24.32%。     

中国农业科学院作物科学研究所两项成果获国家科技进步二等奖

<正>玉米冠层耕层优化高产技术体系研究与应用中国农业科学院作物科学研究所,赵明研究员团队针对玉米密植倒伏早衰问题围绕着密植高产挖潜,创立了冠层耕层优化及二者协同的理论体系,构建了冠层"产量性能"定量分析体系,确立了玉米不同产量目标(9.0~15.0 t/hm~2)的定量指标,建立了动态监测系统;创建了耕层"原位根土立体分析"方法,探明了土壤与根系空间分布特征,提出     

应用主动传感器GreenSeeker估测大豆籽粒产量

主动遥感技术可以方便、快捷、无损伤性地监测大豆生长。以黄淮海地区圣丰种业2011年和2012年大豆育种品系和重组自交家系(NJRIKY)共1272个家系为材料,分组设置试验,分别采用随机区组、重复内分组以及格子设计,重复3次,使用主动传感器GreenSeeker监测苗期、开花期、结荚期和鼓粒期冠层反射光谱,获得冠层归一化植被指数(NDVI),搜索大豆冠层NDVI与产量的共变化规律,建立产量估算模型。结果表明,大豆冠层NDVI随生育期的推进呈"低—高—低"变化趋势;基于单一生育期冠层NDVI建立的产量估测模型大多为简单线性回归,鼓粒期效果最好;基于多生育期冠层NDVI建立的产量估测模型中,由育种家系试验建立的大豆产量最佳估测模型(y=e6.9-4.1x1+4.3x2+1.4x3)的决定系数(R2)可达到0.66;用此模型对NJRIKY估产,与实际产量的符合度可达0.59。所建模型具有一定的预测效果,在规模化育种中可用于育种中期无重复试验的产量预测和初步选择。     

Comparison of the fraction model of direct and diffuse solar radiation—Taking Beijing area as an example

In the simulation of building energy consumption and solar energy system design, hourly direct and diffuse radiation is one of the most important basic parameters.While, due to Chinese solar radiation data missing, it is difficult to obtain hourly direct and diffuse radiation data. Many domestic and foreign scholars has studied and put forward several diffuse radiation models. 2009-2011 year's measured data of total solar radiation and diffuse radiation were scleted and five typical separation models, that is Erbs model, Orglill and Hollands model,stochastic climatic model, Zhang Qingyuan model,were put to analyze and compare the measured data and the simulation data between the correlation coefficient, root mean square error and relative error. Found that Erbs model predicts diffuse radiation with the highest accuracy, followed by the Zhang Qingyuan model and Orglill and Hollands model, Clearness index Kt can be used as the main influence factor.     

密度对中熟春大豆冠层结构及光合特性的影响

为明确种植密度对滴灌中熟春大豆冠层结构及光合特性的影响规律。试验以中熟春大豆品种‘新大豆27号’和品系‘11-109’为试验材料,大田条件下设置18.0 (D1)、28.5 (D2)、36.0 (D3) 万株/hm2 3个不同种植密度,并对其群体上、中、下三个冠层的叶面积指数、叶绿素含量（SPAD值）、净光合速率、干物质积累量及产量做了系统测定。结果表明,密度由D1增加到D2,叶面积指数、干物质积累量、产量均显著增加;密度由D2增至D3,叶面积指数继续增加,而干物质和产量不再继续增加;增加密度明显降低植株7节以下叶片的叶绿素含量和净光合速率,提高结荚节位,降低单株粒数、粒数和经济系数;新大豆27号的叶面积指数、干物质积累、叶片光合速率等对密度的响应不如11-109敏感。D2是两品种（系）的适宜密度,新大豆27号籽粒产量为5551.13 kg/hm2,较11-109高14.73%。超高产春大豆品种的冠层结构、光合特性及产量对密度的响应不如高产品种敏感。     

玉米冠层耕层协调优化及其高产高效技术

密植是挖掘玉米高产潜力的主要途径。然而,密植倒伏和早衰问题长期制约着玉米密植高产的潜力挖掘,特别在东北和黄淮海地区问题更加突出。为此,本研究明确了密植倒伏、早衰、产量低的原因是冠层耕层的不协调,提出了冠层耕层同步优化的高产高效技术途径,构建了技术体系,主要包括:(1)以产量性能为核心的冠层分析体系及其定量指标和动态监测系统;(2)以土壤与根系合理空间分布为指导的“深耕层、降容重、匀分布、培地力”的耕层优化体系;(3)冠层生产力与耕层供给力协同优化分析体系。在此基础上,创新了多种关键技术,包括:(1)以改耕层促冠层为核心的“改方式、改时间、培地力”的深松耕作关键技术;(2)以改冠层提耕层为核心的“抗倒、抗冷、防衰”的化控技术;(3)以调冠层保耕层为核心的“调行距、调耕作、调肥水”相结合的密植技术。在关键技术创新的基础上,通过技术集成,构建了“深耕层一密冠层”、“控株型一促根系”及“培地力一高肥效”的不同方式的3项密植高产高效技术模式,在东北春玉米、黄淮海夏玉米密植高产中,创造了高产典型,而且在大面积高产高效方面取得了显著成效。     

AquaCrop模型在东北黑土区作物产量预测中的应用研究

Northeast black soil area is the production area of maize and soybean in China. In order to optimize the agricultural management and forecast crop yield with AquaCrop model, we use OAT (one factor at a time) method to analyze the sensitivity of the model parameters based on the experiment and field observation data, and to validate the model after calibrated the high sensitivity parameters. The results of sensitivity analysis showed that the yields of maize and soybean were both extremely sensitive to the reference harvest index (HI₀) and the parameters of canopy growth and root growth. The difference was that maize was more sensitive to the canopy decline coefficient (CDC), while soybean was more sensitive to the shape factor for water stress coefficient for canopy expansion (Pexshp). Maize was more sensitive to the maximum effective rooting depth (Z_x) because of its deep root, while soybean was more sensitive to the shape factor describing root zone expansion (Rexshp) because of its short roots. Maize was extremely sensitive to the crop coefficient before canopy formation and senescence (Kc_Tr,x) and the normalized water productivity (WP^*) due to the large water demand, while soybean was only generally sensitive. After calibrated the high sensitivity parameters with experiment data, the regression coefficient of simulated yield and measured yield of maize increased from 0.34 to 0.89, and the regression coefficient of simulated yield and measured yield of soybean increased from 0.80 to 0.88. Furthermore, the validation results of field observation data indicated that the determination coefficients (R²), the root mean square error (RMSE), the normalized root mean square error (NRMSE) and the model efficiency (ME) of the AquaCrop model of maize and soybean were 0.775 and 0.779, 1.076 t hm^-2 and 0.299 t hm^-2, 0.097 and 0.178, 0.747 and 0.730, respectively. The calibrated AquaCrop model can accurately simulate the yield of corn and soybean in the black soil area of Northeast China, and is useful for yield prediction and optimal management.     

Performance and sensitivity of the DSSAT crop growth model in simulating maize yield under conservation agriculture

With the practice of conservation agriculture (CA) soil water and nutrient dynamics are modified by the presence of a mulch of crop residues and by reduced or no-tillage. These alterations may have impacts on crop yields. The crop growth model DSSAT (Decision Support Systems for Agrotechnology Transfer) has recently been modified and used to simulate these impacts on crop growth and yield. In this study, we applied DSSAT to a long-term experiment with maize (Zea mays L.) grown under contrasting tillage and residue management practices in Monze, Southern Province of Zambia. The aim was (1) to assess the capability of DSSAT in simulating crop responses to mulching and no-tillage, and (2) to understand the sensitivity of DSSAT model output to input parameters, with special attention to the determinants of the model response to the practice of CA. The model was first parameterized and calibrated for the tillage treatment (CP) of the experiment, and then run for the CA treatment by removing tillage and applying a mulch of crop residues in the model. In order to reproduce observed maize yields under the CP versus CA treatment, optimal root development in the model was restricted to the upper 22 cm soil layer in the CP treatment, while roots could optimally develop to 100 cm depth under CA. The normalized RMSE values between observed and simulated maize phenology and total above ground biomass and grain yield indicated that the CA treatment was equally well simulated as the CP treatment, for which the model was calibrated. A global sensitivity analysis using co-inertia analysis was performed to describe the DSSAT model response to 32 model input parameters and crop management factors. Phenological cultivar parameters were the most influential model parameters. This analysis also demonstrated that in DSSAT mulching primarily affects the surface soil organic carbon content and secondly the total soil moisture content, since it is negatively correlated with simulated soil water evaporation and run-off. The correlations between the input parameters or crop management factors and the output variables were stable over a wide range of seasonal rainfall conditions. A local sensitivity analysis of simulated maize yield to three key parameters for the simulation of the CA practice revealed that DSSAT responds to mulching particularly when rooting depth is restricted, i.e., when water is a critical limiting crop growth factor. The results of this study demonstrate that DSSAT can be used to simulate crop responses to CA, in particular through simulated mulching effects on the soil water balance, but other, often site-specific, factors that are not modeled by DSSAT, such as plough pan formation under CP or improved soil structure under CA, may need to be considered in the model parameterization to reproduce the observed crop yield effects of CA versus CP.     

评价全球气候变化对我国玉米生产的可能影响

利用我国玉米带１２个有代表性地点的作物、土壤和天气资料，验证了ＣＥＲＥＳ－Ｍａｉｚｅ在我国的适用性，确定了各地有代表性品种在模型中的遗传参数，还对模型进行了敏感性分析，之后，将ＣＥＲＥＳ－Ｍａｉｚｅ在各地当前气候以及在３中由平衡ＧＣＭｓ生成的气候变化情景下分别运行，通过分析与比较模拟结果，评价了当ＣＯ２倍增时，气候变化国各地玉米产量和灌溉需要量的可能影响，对Ｃ煌直接影响也做了考虑。还应用若干农业气     

APSIM玉米模型在东北地区的适应性

利用东北地区6个典型农业气象试验站的玉米田间试验数据和同期逐日气象数据对APSIM模型(农业生产系统模型)在东北玉米产区的适应性进行了初步研究。先依据各站第一组玉米试验数据对模型相关参数进行调试、确定,再利用另一组试验数据检验模型模拟玉米生育期、叶面积指数、地上部总生物量和产量的可靠性。结果表明,APSIM模型模拟的播种至出苗、开花和成熟各阶段天数与实测天数有较好的一致性,其误差分别为0~2.0、0.7~2.0和0.7~2.3 d;哈尔滨地区模拟的叶面积指数和地上部总生物量相对均方根差分别为33%和11%,模拟效果较好;黑龙江哈尔滨、海伦、泰来,吉林桦甸、通化和辽宁本溪的模拟产量与实际产量的NRMSE分别为18%、13%、4%、4%、5%和2%。说明APSIM模型对东北地区玉米生育期、叶面积指数动态变化过程、地上部总生物量动态变化过程和最终产量具有较好的模拟结果,验证后的APSIM模型在东北地区具有较好的适应性。以上结果为今后在东北地区深入开展玉米生产潜力以及解析产量形成的限制因素等研究提供了技术平台与支撑。     

叶面喷施5-氨基乙酰丙酸对不同密度春玉米生长特性和产量的影响

为探讨5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid,ALA）对不同密度春玉米生长发育和产量的影响,以中单909为材料,在玉米9展叶时期叶面喷施100mg/L ALA,以喷施等量清水为对照,在大田条件下研究ALA对不同密度春玉米群体（45 000、75 000、105 000株/hm ²）的作用效果。结果表明：ALA处理下,玉米45 000和75 000株/hm ²密度群体产量分别比对照增加9.7%和4.9%,75 000株/hm ²密度群体千粒重和收获期单株干物质积累量分别增加3.7%和4.3%,花后叶面积指数平均增加6.8%,SPAD值比对照分别平均增加2.5%,净光合速率平均比对照高15.7%。综上所述,ALA处理改善了大田玉米的群体结构,延缓了叶片衰老进程,提高了地上部分干物质积累量,进而提高了玉米单产水平,因此可作为东北春玉米高产稳产的技术措施。     

中单808和丹豆14间作系统生理生态指标及产量的比较分析

通过对中单808(玉米)、丹豆14(大豆)4∶2和4∶4型间作系统在灌浆期生理生态指标、产量及主要农艺性状的分析,表明间作群体系统中玉米内部各项指标得到改善,农艺性状优化,产量显著增加;而间作大豆产量和农艺性状有不同程度下降,但随着大豆行比的增加逐渐得到改善。经产量差异比较和经济效应分析,认为4∶4型间作模式群体正负迭加后的优势大于4∶2型间作和清种模式,为发挥玉米高产潜能,提高大豆产量,以玉米大豆4∶4型间作模式较好。     

玉米大豆间作种植密度耦合数学模型及其优化方案研究

云南省大豆的种植主要以与玉米间作为主,适宜的种植密度是获得高产的前提,为研究种植密度对群体产量和经济产值的影响,找到最佳种植密度组合。采用二次饱和D-最优设计,分别在云南嵩明县（A）、会泽县（B）和鲁甸县（C）等3个点进行试验。研究了玉米和大豆种植密度对群体产量和经济产值的影响,并分别建立二元二次数学模型。结果表明：玉米和大豆密度对间作群体产量和经济产值影响显著,均呈凸抛物线型变化,在低密度水平下,群体产量和经济产值随密度的增加而增加。通过模型解析表明,玉米+大豆密度组合分别为64 110株/hm ²+147 013株/hm ²（A）、63 068株/hm ²+147 116株/hm ²（B）、64 059株/hm ²+145 077株/hm ²（C）时,各试验点可分别达到最高群体产量。玉米+大豆密度组合分别为62 909株/hm ²+149 852株/hm ²（A）、61 499株/hm ²+151 807株/hm ²（B）、62 762株/hm ²+147 108株/hm ²（C）时,各试验点可分别达到最高产值。经模拟得出,在本试验条件下,各试验点玉米大豆间作群体产量≥12 270kg/hm ²、经济产值≥24 000元/hm ²的最佳密度组合分别为玉米59 251~66 437株/hm ²、大豆140 075~161 495株/hm ²（A）,玉米58 927~65 366株/hm ²、大豆144 159~169 203株/hm ²（B）,玉米58 821~66 703株/hm ²、大豆139 315~154 886株/hm ²（C）。合理的密度搭配能有效提高群体产量,获得较高经济产值。     

农杆菌介导玉米遗传转化影响因子的研究

以东北春玉米自交系7922、340、78599、921及美国杂交种H99等幼胚愈伤组织为受体,利用农杆菌介导法转化Bt(CryIA.)基因,研究菌液预处理、愈伤组织状态、侵染培养基、侵染时间及共培养条件等因素对转化频率的影响。根据转化愈伤组织的除草剂(Basta)抗性筛选结果评估转化率,表明继代培养3￣5d的愈伤组织适于转化,其中以继代5d的7922愈伤组织转化率最高,为46.6%;不同基因型对农杆菌转化率存在差异,H99的抗性愈伤组织率为34.57%,7922为26.27%、340为21.36%、78599和921抗性愈伤组织率仅为8.02%和6.78%。基因型间差异显著;浸染培养基中加入(AS100￣200mg/L)抗性愈伤转化率明显提高;菌液浓度OD6000.5￣0.6、侵染时间5￣10min、共培养时间3d最佳。     

应用数字图像技术对不同株型夏玉米进行高温胁迫诊断

以受高温胁迫程度不同的夏玉米为研究对象,利用数码相机获取玉米吐丝-授粉期冠层的数字图像,同时利用叶绿素荧光仪探测植株受胁迫的程度,研究利用数码相机的可见光光谱进行夏玉米受逆境胁迫程度诊断的可行性。结果表明,红光标准化值与叶片叶绿素荧光值(Fv/Fm)成负相关关系(r=-0.35),而绿光标准化值、蓝光标准化值均与Fv/Fm成正相关关系,其相关系数r分别为0.57、0.70。由此可以得出,绿光标准化值、蓝光标准化值能反映夏玉米受胁迫程度,其中蓝光标准化值是能够较好地反映夏玉米受高温胁迫程度的光谱参数。