覆膜条件下对AquaCrop模型冬小麦生长动态和土壤水分模拟效果的评价分析

【目的】通过评价AquaCrop模型对覆膜条件下冬小麦的生长发育、土壤水分、产量以及水分利用效率的模拟效果,为AquaCrop模型在覆膜条件下的校准和应用提供科学的方法和理论依据。【方法】试验设臵不覆盖(CK)和白色地膜覆盖(PM)两个处理,于2013年10月至2016年6月年在陕西杨凌进行田间试验,利用2014—2015年度试验数据对AquaCrop模型进行参数校准,利用2013—2014年度和2015—2016年度的冬小麦观测数据对AquaCrop模型进行验证。【结果】AquaCrop模型较好地模拟了冬小麦冠层覆盖度,冠层覆盖度模拟值和实测值之间的决定系数(R2)为0.86—0.99,均方根误差(RMSE)为2.1%—8.1%。AquaCrop模型也较好地模拟了冬小麦生物量和土壤贮水量,其中地上部生物量的模拟值和实测值之间的R2均大于0.95,RMSE为0.814—1.933 t·hm-2;CK土壤贮水量模拟值和实测值间的相关系数均大于0.85,PM土壤贮水量模拟值和实测值间的相关系数均大于0.75,CK和PM土壤贮水量模拟值和实测值的均方根误差表现为9.2 mmRMSE17.6 mm,标准均方根误差(NRMSE)小于5.5%。冬小麦产量实测值和模拟值相对误差(RE)为-4.4%—9.0%,PM产量实测值和模拟值的平均值较CK分别提高40.5%和40.3%,表现出较好的一致性,处理间成显著性差异。水分利用效率实测值和模拟值RE为-10.4%—-1.5%,PM水分利用效率实测值和模拟值的平均值较CK分别提高54.1%和47.5%,同样表现出较好的一致性,处理间成显著性差异。在冠层覆盖度、地上部生物量、产量和水分利用效率方面,模型模拟值和实测值的变化趋势基本一致,且PM模拟值和实测值间均较CK表现出显著性差异。【结论】AquaCrop模型能够较好地模拟覆膜条件下冬小麦生长发育过程,可以用于覆膜条件下作物生产力的模拟和预测,为AquaCrop模型的推广应用提供了可靠的数据支持。     

基于AquaCrop模型的马铃薯灌溉制度优化研究

通过评价AquaCrop模型对马铃薯的生长发育、土壤水分动态变化、产量及水分利用效率的模拟效果,为AquaCrop模型在宁夏中部干旱带马铃薯种植的应用提供科学方法和理论依据。试验设置5d、7d、10 d、13 d和15 d共5个灌水周期,于2018年在宁夏中部干旱带进行田间试验,对马铃薯冠层覆盖度、地上生物量、土壤储水量、产量及其构成指标进行测定。结果表明,AquaCrop模型可较好地模拟马铃薯冠层覆盖度的变化、地上生物量和土壤储水量,其实测值和模拟值的相对误差(RE)为0.06%～7.51%、0.95%～13.33%和0.15%～4.35%,均方根误差(RMSE)为1.04%～3.36%、0.092～0.335 t/hm~2、1.68～4.1mm;马铃薯产量实测值和模拟值RE为0.10%～2.22%,RMSE为294.45 kg/hm~2,腾发量和水分利用效率等指标的模拟也有类似的结果,表现出较好的一致性,但AquaCrop模型在灌水量较大或者较小时对各指标的模拟效果较差。总体来看,AquaCrop模型对各指标的模拟结果均较好,其结果可作为马铃薯适宜生长区域划分及特定条件下产量的预测。     

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。     

AquaCrop模型对旱区冬小麦抗旱灌溉的模拟研究

【目的】根据干旱情况及时采取灌溉措施,对旱区抗旱以及提高水分利用效率具有重要意义。从大田农业的实际情况出发,研究AquaCrop模型在旱区的适用性及干旱年份抗旱灌溉模拟,为实现抗旱保产提供依据。【方法】于2012-2014年,在旱区陕西杨凌及杨凌周边区域进行冬小麦大田试验,采用2013-2014年揉谷试验区的冬小麦观测数据进行模型的参数调试,采用2012-2013年揉谷试验区和2013-2014年武功试验区的冬小麦观测数据进行模型的验证,从而获得AquaCrop模型在陕西杨凌及周边地区的模型参数。模型参数包括影响冠层生长的冠层增长系数、冠层衰老系数和最大冠层覆盖度,影响生物量积累的水分生产力,影响产量形成的参考收获指数等。然后根据调查的干旱年份2012-2013年的灌溉情况制定出4种灌溉情景,并利用参数本地化后的AquaCrop模型模拟2012-2013年4种灌溉情景对冬小麦生物量和产量的影响,通过模拟结果得出最优灌溉策略。最后比较2012-2013年揉谷试验区、2013-2014年揉谷试验区和武功试验区冬小麦的产量水分利用效率。【结果】在冬小麦冠层覆盖度方面,AquaCrop模型模拟的冠层覆盖度和实测值之间的决定系数（R²）与均方根误差（RMSE）分别为0.464和8.0%。在冬小麦生物量模拟方面,AquaCrop模型模拟的生物量和实测值之间的R²和RMSE分别为0.889和1.622 t·hm^-2。在冬小麦产量模拟方面,AquaCrop模型模拟的产量与实测产量之间的RMSE为0.377 t·hm^-2。2013年为干旱年份,在播种后第77天进行冬灌并且在播种后第172天的拔节期再进行灌溉的两种情景获得最大的生物量;在播种后第77天进行冬灌、播种后第172天拔节期和播种后第200天抽穗期再分别灌溉,小麦产量最高,达到6.451 t·hm^-2。2012-2013年揉谷试验区、2013-2014年揉谷试验区和武功试验区冬小麦的产量水分利用效率分别为1.84、1.69和1.82 kg·m^-3。【结论】AquaCrop模型能够较好地模拟旱区冬小麦的生物量和产量,并且AquaCrop模型模拟的干旱年份下不同灌溉策略的生物量和产量,基本可以说明不同灌溉时间和灌溉次数对冬小麦最终产量的影响。同时说明2012-2013年增加的2次灌溉使干旱年份冬小麦的产量水分利用效率超过正常年份。以上研究符合当地农业生产实际情况,说明AquaCrop模型可以为旱区抗旱保产提供依据。AquaCrop模型具有很好的应用前景,正逐渐成为一个重要的田间决策工具。     

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。     

基于DSSAT模型的宁夏玉米-土壤氮循环及其产量敏感性分析

为探明农田玉米-土壤小尺度上无机态的氮循环规律,以及土壤含氮量和玉米产量对初始土壤含水量、初始土壤无机态氮含量及后期追施氮肥的敏感程度,利用DSSAT模型对玉米植株含氮量动态变化过程进行模拟,用RMSE对结果进行评价,并在不同初始条件和施氮量组合下对土壤无机态氮和玉米产量进行了模拟,对其敏感性进行分析。结果表明,玉米在生育前期全氮含量较高,可以达到3.5%~4.5%;随着玉米的生长,全氮含量逐渐降低,到玉米成熟期全氮含量降到最低,为1%~2%;DSSAT模型模拟值和实测值基本接近,误差很小。在N_2施氮量条件下,当土壤含水量提高时,特别是土壤初始含水率大于0.25 cm~3/cm~3时,玉米产量迅速提高。     

武汉市日光温室冬季温湿度环境的神经网络模拟

选取武汉市农业气象试验站聚氯乙烯(polyvinyl chloride,简称PVC)温室的小气候观测数据及台站资料,以PVC温室外的气温、相对湿度、风速、太阳辐射为输入变量,温室内温度、相对湿度为输出变量,分别建立典型天气状况下PVC温室温湿度环境的逆向反馈(back propagation,简称BP)神经网络预测模型。结果表明:气温模拟值与实测值的标准误差(root mean squared error,简称RMSE)为1.1~1.4℃,相对误差为4.0%~5.7%,相对湿度的RMSE为2.1%~3.4%,相对误差为1.7%~3.0%;气温预测值与实测值的气温RMSE为1.5~2.4℃,相对误差为0.7%~1.7%,相对湿度RMSE为1.5%~4.2%,相对误差为1%~3%。模型模拟效果良好,可为PVC温室内温湿度环境的合理调控提供科学依据。     

yaofuwang@163.com

 采用两因素裂区试验设计，研究了水氮耦合对烟田土壤水分动态变化的影响。结果表明，在灌水量一定的条件下随氮肥用量增加，烟田土壤含水量、土壤贮水量和水分产值率增大，当氮用量达到67.5kg/hm2时开始下降；灌水与氮用量之间存在显著的互作效应，灌水量在225~450m3/hm2范围内，施氮22.5~45.0kg/hm2既可满足烤烟生长的需要又可增强其对土壤水分的利用。     

旱地小麦在不同氮肥处理下叶面积指数变化的模拟模型研究

【目的】为了解旱地小麦叶片生长规律、研究旱地小麦地上部主要器官的生长规律提供科学依据.【方法】采用单株叶面积最大值作为品种遗传参数,用两段非线性方程构建了不同氮肥处理条件下旱地小麦叶面积指数变化的模型.试验采用裂区设计,获取2013-2015年兰州和定西两地试验田间不同氮肥施入和不同品种的试验数据,并对模型予以检验.【结果】在适中量氮肥施入方案下,模型对两个品种的模拟值与实测值都表现出更好的一致性和相关性;在低氮和高氮施入方案下,模型指标处在可接受范畴,其中,RMSE为0.107~0.596;R2为0.761~0.983;Me值均大于0.5.【结论】在旱地小麦全生育期的8个阶段,通过模型计算的模拟值与实测值呈显著正相关,模拟效果较好;就施肥方案而言,在适中量氮肥施入方案下,模型更加贴近实际数据,更具普适性;就品种而言,模型计算数据对‘西旱2号’的实际数据解释程度更高、有效性更强.     

利用TDR对不同盐分土壤水分含量的测定

通过室内模拟设定不同盐分含量土柱,比较TDR输出电压值和烘干法测定的水分含量值,探讨土壤盐分含量对TDR测定土壤水分含量的内在影响。结果表明：随着土壤中盐分含量的增加,TDR测定数值明显增大;土壤电导率（σ）<2.56 dS/m时,TDR测定电压与烘干法测得水分含量显著正相关(r>0.882);σ>3.2 dS/m 时,测定数值不能很好地反映土壤水分含量变化。比较TDR测定低盐条件下土壤水分含量发现,当土壤水分含量较大时,TDR测定相对误差较小,土壤水分含量较小时,TDR测定相对误差较大。根据分析结果构建TDR测定土壤水分的综合模型,结合大田验证,并对模拟值和实测值进行精度比较分析,表明该综合模型能够较好的模拟农田墒情状况。     

化肥减施下粪水替代对设施白菜氮利用与土壤氮盈余的影响

为促进丹江口水源涵养区绿色发展,提升氮素利用率,控制农业面源污染,利用田间小区试验,研究化肥减施及减施下粪水替代对设施白菜产量、土壤无机氮累积量及氮素盈余的影响。结果表明,化肥减施20%对设施白菜产量影响不显著,相同施氮量下粪水替代白菜产量显著高于化肥减施处理,可以提高白菜对氮的利用能力。土壤硝态氮累积量随种植茬数的增加呈增加趋势,且显著高于土壤铵态氮累积量。化肥减施处理氮素盈余量较常规施肥处理降低了23.38%,化肥减施粪水替代处理氮素盈余量比常规施肥处理降低了29.24%~30.65%,氮素盈余量与土壤有机质含量和土壤硝态氮累积量呈显著正相关。研究表明,化肥减施下粪水替代在保证设施白菜产量的同时,提高了氮素利用率,是降低氮素盈余的有效措施。     

基于水分驱动的AquaCrop模型及其研究进展

介绍了AquaCrop模型的原理及基本参数,从模型的校验与应用两方面阐述了该模型的研究进展。指出目前仍缺乏实测数据验证AquaCrop模型对蒸发及蒸腾的模拟效果;AquaCrop模型在严重水分及盐分胁迫下模拟结果精度较差;已开展的模拟研究地域范围窄;由于缺少更复杂的生理子模块,AquaCrop模型不能很好解释水分胁迫对光合产物向籽粒运输分配过程的影响。为了提高模型的模拟精度并进一步延伸模型的应用范围,应完善模型水分及盐胁迫模块,并在较广范围内获取丰富的实测数据对模型开展进一步的校验研究。     

AquaCrop模型在华北平原夏玉米水分研究中的应用

为将AquaCrop模型应用于华北平原夏玉米水分研究中,于2011-2012年在中国科学院栾城农业生态系统试验站进行了夏玉米水分处理试验,在参数率定与模型验证的基础上对华北平原水量平衡及水分利用效率的现状进行了分析。结果表明,AquaCrop模型能够较好地模拟夏玉米的产量、生物量、冠层发育过程以及表层土壤水储量的动态变化。从生物量角度来看,夏玉米的水分利用效率在8月中旬达到最大,可达10 kg/m3左右,其整个生长季水分利用效率为4.9-5.8 kg/m3;从产量角度来看,水分利用效率为2.3-3.0 kg/m3,且在整个生长季土壤水储量呈增加趋势。研究阐明了AquaCrop模型在华北平原地区有较好的适用性,可以应用于夏玉米耗水与水分利用效率方面的研究。     

AquaCrop作物模型应用研究进展

Aqua Crop是FAO于2009年研发的一款新型作物模型,它以输入参数少、界面简单等优点被广泛应用于生产实践中。论文基于Aqua Crop模型原理和特点,深入探讨了Aqua Crop模型国内外应用研究进展。当前,Aqua Crop模型在灌溉策略、气候变化下的情景模拟以及与其他模型联合应用等方面取得了显著进展。但是,该模型在应用过程中还存在若干缺陷。一是模型在保守参数缺少验证的情况下,会使得模拟精度不稳定;二是由于土壤空间变异性的客观存在,模型在由点位向面上扩展时应用效果不佳;三是当前对雨养区作物生长模拟研究还很少,且其非保守参数难以准确确定;四是目前该模型生理、养分和水养互作模块尚不够完善,未考虑作物病虫害和品种遗传差异,当作物生长遭受水分、盐分或温度等严重胁迫时会导致模拟精度下降。今后在模型应用时,可利用多年数据对保守参数进行校正,将区域同一站点多年数据和多站点相关数据相结合调试模型非保守参数;其次,应加强雨养地区模拟研究,从而扩大模型应用范围。开发者应进一步完善Aqua Crop模型子模块,为提高模拟精度和拓宽应用范围提供支撑。     

施用氮钾肥对大葱产量和经济效益的影响

为了明确氮、钾肥对大葱产量和经济效益的影响,开展了多年施用不同数量的氮、钾肥对大葱产量和经济效益的影响试验。结果表明,增施钾肥对大葱生长发育有明显的促进作用,并能显著提高产量。白庙和黄岭地区试验在氮肥(纯N)水平为225、300 kg/hm~2时,大葱经济产量分别增加11.9%～16.8%和13.2%～21.1%,平均分别增长13.9%、16.7%,大葱产量均随钾肥施用量的加大而提高。在氮肥低用量条件下,适当增加氮肥施用量,也能有效提高大葱的经济产量,不同钾肥(K2O)用量下施氮肥大葱可增产9.9%～14.8%,平均增产12.5%;其中,白庙地区大葱产值增收26 160～41 900元/hm~2,产投比为20.22～43.21。     

豆科绿肥及施氮量对旱地麦田土壤主要肥力性状的影响

通过2a田间定位试验,研究渭北旱塬地区夏闲期插播并翻压不同豆科绿肥(长武怀豆、大豆和绿豆)以及小麦生长季不同施氮量(0,108,135,162 kg/hm2)对麦田土壤肥力性状的影响,以期为提高旱地土壤质量提供理论依据.试验结果表明:(1)种植豆科绿肥能显著提高土壤有机质、活性有机质和全氮含量,增加土壤碳库管理指数(CPMI),对土壤速效钾含量没有显著影响;(2)绿豆还田量高于长武怀豆和大豆,然而土壤培肥效果逊于长武怀豆和大豆;(3)夏闲期种植绿肥明显消耗了土壤水分,导致绿肥翻压前、小麦播前直至收获后,0-200 cm土壤贮水量显著低于休闲处理,但耗水量与休闲没有明显差异,由于小麦产量显著增加,因此豆科绿肥显著提高了水分生产效率;(4)与不施氮相比,小麦生长季施用氮肥能显著增加土壤水分生产效率,却对土壤各肥力性状的影响均不显著.夏闲期种植并翻压豆科绿肥是旱地培肥土壤、提高水分生产效率的有效途径.     

A simulation model assisted study on water and nitrogen dynamics and their effects on crop performance in the wheat-maize system: (II) model calibration, evaluation and simulated experimentation

The test on the model with data collected from two years’ field experiments revealed an ability to satisfactorily simulate crop parameters such as LAI, biomass accumulation and partitioning, yield, and variables influencing crop growth and development as nitrogen uptake by crops and partitioning in different organs, and dynamics of soil water and nitrogen including infiltration and leaching. With the model, crop yield, water use efficiency (WUE), nitrogen use efficiency (NYE) and water-nitrogen leaching at specific soil layers under various water and nitrogen management practices were simulated to provide data used as references for designing sustainable nitrogen and water management practices. The outputs of the simulated experiment with various treatments of irrigation and nitrogen application indicated that crop yield was closely related to water and nitrogen application, crop water use was positively related to irrigation amount, and nitrogen fertilization could improve the crop water use and WUE within certain limits. This is a valuable evidence to be considered in water-saving farming. Nitrogen uptake had a positive relation to nitrogen application, while irrigation to some extent improved its uptake by crops and hence increased NYE. Additionally, irrigation and fertilization had great effects on nitrogen leaching. Thus, in order to improve WUE and NYE, the model showed how nitrogen application and irrigation should be well coordinated.     

绿肥配施减量化肥对土壤固氮菌群落的影响

为了探讨绿肥配施减量化肥对土壤固氮菌的影响,以开展八年的紫云英配施减量化肥的长期定位试验站为平台,选取不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、紫云英配施80%化肥(MF80)、紫云英配施60%化肥(MF60)和紫云英配施40%化肥(MF40)共5个处理,于水稻分蘖期采集土样,采用荧光定量PCR和Illumina Miseq高通量测序技术,分析了不同施肥制度下土壤固氮菌nif H基因丰度和多样性的变化规律。结果表明:与单施化肥相比,翻压紫云英的减量施肥处理水稻产量与其无显著差异,从化肥用量和产量综合考虑,MF60处理是一种适宜的施肥制度。翻压绿肥处理土壤全氮明显增加;碱解氮含量(除MF60处理)与NPK处理无显著差异。翻压紫云英配施减量化肥的施肥处理(除MF40处理)土壤固氮菌丰度明显高于NPK处理,且固氮菌丰度与土壤碱解氮、硝态氮和p H呈显著正相关。翻压紫云英后土壤固氮菌Shannon指数明显低于NPK处理,各施肥处理间OTU指数差异不明显。各施肥处理的土壤固氮菌均以变形菌门为绝对优势菌门,翻压紫云英的减量施肥处理变形菌门丰度显著低于单施化肥处理。主坐标分析表明,翻压紫云英配施减量化肥的3个施肥处理与CK、NPK处理的土壤固氮菌的群落结构差异较明显。研究表明,紫云英配施减量化肥有利于提升土壤肥力和固氮菌的数量,紫云英的施用和化肥用量都是影响土壤固氮菌群落结构的重要因素。     

不同施肥处理对棕壤无机态氮含量的影响

为了研究不同施肥处理对棕壤耕层土壤无机态氮含量的影响。以玉米品种丹玉16为试材,采用长期定位施肥试验(1979~2003年),设不施有机肥区(CK)、低量有机肥区(M1)和高量有机肥区(M2),有机肥施肥量分别为13.50、27.00 t/(hm2.a),研究不同施肥处理对玉米不同时期耕层土壤硝态氮、铵态氮含量变化的影响。播种前有机肥可以显著提高耕层土壤硝态氮、铵态氮的含量,这种规律在玉米施肥后以及抽穗期较为明显。多种化肥配合施用也可以提高土壤硝态氮含量,土壤硝态氮含量在作物播种前、施肥后、苗期、抽穗期都明显高于单施氮肥处理。在拔节期施用高量氮肥处理土壤硝态氮含量最高。有机肥与化肥配合施用土壤硝态氮含量和铵态氮含量在玉米整个生长期都高于其他处理。该研究探明了不同施肥处理对土壤无机态氮含量影响的季节变化规律,为玉米合理施肥,提高氮肥利用率提供理论依据。