基于APSIM的旱地小麦叶面积指数模拟模型构建

为了解旱地小麦叶片生长规律,建立基于APSIM的小麦叶面积潜在生长率模型和叶面积水、氮协同生长率模型,并在田间试验修订参数的基础上,连接到APSIM平台,模拟小麦叶面积指数动态变化过程,采用相关性分析方法定量分析小麦叶面积指数的变化规律。结果表明：基于APSIM的小麦叶面积潜在生长率模型和叶面积水、氮协同生长率模型对旱地小麦生长指标LAI的模拟有较高精度。小麦全生育期内叶面积指数模拟值与实测值呈显著正相关,相关系数(R)为0.996,归一化均方根误差(NRMSE)范围在3.08%～9.38%,模型有效性指数(M_E)为0.594～0.956,均大于0.5。     

基于APSIM模型旱地小麦叶面积指数相关参数的优化

【目的】 模型的有效应用依赖于参数的快速、准确估算。本研究拟解决作物生长模型参数本土化率定过程中运算量大、耗时长、精度低、效率低的问题。【方法】 依据甘肃省定西市安定区2个试验点（李家堡镇麻子川村和凤翔镇安家沟村）,多年（2002—2005年和2015—2017年）大田试验数据以及定西市安定区1971—2017年气象资料,利用混合蛙跳算法智能的迭代搜索原理,对APSIM模型旱地小麦叶面积指数相关参数进行了优化,并采用相关性分析方法对模型校正结果进行检验。【结果】 利用青蛙群体即相对独立又合作协调的子群内局部深度搜索与子群间全局信息交流生物进化学习策略,有效提高了运算的速度,实现了对APSIM模型中与旱地小麦叶面积指数相关参数的快速、准确估算。相关参数主要包括：主茎上节出现所需的热时间间隔、小麦出苗后初始化的节数、小麦出苗后初始化的叶片数、小麦出苗后初始化的叶面积指数、某日正在生长的节数和最大比叶面积。分别使用穷举试错法所得参数值和混合蛙跳算法所得参数值模拟叶面积指数,参数优化后,叶面积指数模拟值和实测值之间的RMSE（root mean square error）平均值由0.069降低到0.027,NRMSE（normalized root mean square error）平均值由8.09%降低到4.56%,M_E（model effective index）平均值由0.979提高到0.993。【结论】 相对于参数率定常用穷举试错法,混合蛙跳算法具有自发学习特征的智能迭代行为,实现了参数的自动率定,提高了效率。基于该算法进行APSIM模型旱地小麦叶面积指数相关参数的优化,使得模型对叶面积指数的模拟精度显著提高,证明该算法的使用对作物生理生态系统复杂模型的校正效果良好,为改善模型参数率定过程存在的运算量大、耗时长、精度低、效率低的缺点提供了一种行之有效的方法。     

补灌量和覆盖量变化对旱地春小麦叶面积指数的影响

免耕覆盖中补灌量和秸秆覆盖量变化对叶片生长有较大影响,以甘肃省定西市安定区1979—2019年历史气象数据为基础,运用APSIM模型对补灌量与覆盖量耦合变化时旱地春小麦的叶面积指数进行模拟,并采用方差分析、二次多项式回归、单因素分析等方法,研究补灌量和覆盖量对旱地春小麦叶面积的影响机制。结果表明：在试验设计范围内,旱地春小麦叶面积指数随着补灌量变化在分蘖—拔节期呈开口向下的二次抛物线先增后减变化,补灌量在252.09 mm时春小麦叶面积指数出现最大值为1.83,其他各个时期均呈开口向上的二次抛物线递增变化。随着秸秆覆盖量变化,叶面积指数在出苗—分蘖期,呈开口向下的二次抛物线先增后减变化,试验设计范围内秸秆覆盖量为2397.09 kg/hm²时春小麦叶面积指数出现最大值为0.59,分蘖—拔节期呈开口向下的二次抛物线递增变化;其他各个时期均呈开口向上的二次抛物线递增变化。相同阶段下,补灌量每增加50 mm,春小麦叶面积指数最大增幅13.95%;秸秆覆盖量每增加1000 kg/hm²,春小麦叶面积指数最大增幅3.7%。补灌量对春小麦叶面积指数的影响...     

东北玉米叶面积指数动态模拟模型研究

利用2009年沈阳玉米叶面积指数(LAI)及相关数据资料,通过Matlab软件中的cftool拟合出模型参数,建立叶面积指数动态变化模拟模型,并提出了相对叶面积指数( RLAI)和相对积温(RDD)的概念.用2008年吉林和2010年沈阳的相关数据资料进行检验,标准误差RMSE(root mean squared error)以及决定系数r2(determinants of coefficient)分别在0.21和0.98左右,在误差范围内;总体看,模型可较好地模拟东北玉米不同生育阶段叶面积指数的动态变化,也可用于作物生长、产量模拟以及对作物的生长监测和遥感估产.     

有效叶面积指数与真实叶面积指数的模型转换

介绍了叶面积指数主要的测量方法(直接法和间接法),并分析了各种方法的优缺点。同时针对LAI-2000测量的有效叶面积指数较真实值偏小的问题,以小兴安岭林地为研究区,利用外业调查得到的有效叶面积指数,以及根据生物量之间的关系计算得到真实叶面积指数,建立了有效值和真实值二者的线性回归模型,并进行了精度验证,结果表明,该方法可行,精度较高。     

玉米叶面积指数的普适增长模型

建立了1个模拟叶面积指数动态变化的扩充的Logistic模型,利用禹城、沈阳的玉米叶面积指数(LAI)实测资料进行了拟合,结果表明,此模式是模拟叶面积指数随地理位置、品种、播期、密度变化的统一模型,对叶面积指数与积温间关系的分析,综合了不同地理位置、不同品种、不同播期、不同密度的叶面积指数资料,得到1条相对叶面积指数变化曲线,可反映特定区域作物叶面积指数的动态变化,也可用于区域作物产量模拟和遥感估产的研究.     

基于粒子群神经网络模型反演玉米、小麦叶面积指数

基于高分1号遥感影像,分别采用粒子群神经网络模型、神经网络模型和植被指数回归模型3种方法,反演廊坊市玉米、小麦叶面积指数(LAI)。结果表明,粒子群神经网络模型反演玉米、小麦LAI的精度要高于其他方法,其模型的决定系数R²均高于0.9,均方根误差均低于0.196,可满足反演精度的要求。本研究提出的基于高分1号影像的粒子群神经网络模型反演玉米和小麦LAI的方法具有一定的普适性。     

小麦群体叶面积的动态模型

根据作物生理生态学原理,建立了小麦群体叶面积指数动态模型,用小麦品种８９５００４在南京叶区种植时的试验和当年气象资料对其进行检验,表明小麦群体叶面积动态模型是可行的。     

烤烟叶面积指数增长的优化模型研究

以不同土壤水分处理条件下烤烟叶面积指数的变化为基础,对烤烟叶面积指数增长模型进行了优化研究。结果表明,不同土壤水分处理条件下,烤烟叶面积指数的变化呈单峰曲线,各处理间无明显差异。用普适增长模型可较好地模拟叶面积指数变化,而用修正的指数增长模型模拟的效果更好,模拟值与实测值间的相关系数高于普适增长模型,可作为模拟烤烟叶面积指数增长的优化模型。     

玉米叶面积指数的普适增长模型

建立了1个模拟叶面积指数动态变化的扩充的Logistic模型,利用禹城、沈阳的玉米叶面积指数(LAI)实测资料进行了拟合,结果表明,此模式是模拟叶面积指数随地理位置、品种、播期、密度变化的统一模型．对叶面积指数与积温间关系的分析,综合了不同地理位置、不同品种、不同播期、不同密度的叶面积指数资料,得到1条相对叶面积指数变化曲线,可反映特定区域作物叶面积指数的动态变化,也可用于区域作物产量模拟和遥感估产的研究。     

不同氮素水平下辣椒叶面积指数动态模型

为给辣椒生产中氮素优化管理提供理论依据,选用3个辣椒品种(‘黔辣10号’‘黔椒5号’‘中椒6号’)基于5个氮素水平(N0~N4:0.00、51.75、103.50、155.25和241.50 kg/hm²)小区试验数据,定量分析了不同氮素水平下辣椒叶面积指数与生理发育时间的动态变化,构建了辣椒叶面积指数动态变化模型,并量化了模型参数与氮素水平间定量关系。结果表明:1)辣椒叶面积指数随生理发育时间呈单峰曲线变化,随氮素水平提高先上升后降低。辣椒叶面积指数变化速率随生理发育时间整体呈单峰曲线变化;2)采用分段函数模拟辣椒叶面积指数动态变化,检验结果显示:决定系数R²均在0.95以上,相对根均方差(RRMSE)均<20%,模拟效果较好;3)模型参数PDT_half表征叶面积指数峰值出现的时间顺序,与氮素水平呈线性正相关,其余参数与氮素水平呈二次回归函数关系;4)辣椒最大叶面积指数和平均叶面积指数随氮素水平提高呈先上升后降低趋势。本研究构建的辣椒叶面积指数动态模型预测效果较好,具有更强的生物学意义和一定的实用性,可为辣椒优质高产栽培提供理论基础。     

不同施肥水平春小麦硝酸盐累积特性研究

为了研究不同施肥水平小麦硝酸盐累积效应,采用随机区组设计的方法,对小麦植株根系、茎秆、籽粒的硝酸盐累积特性进行了研究,结果显示：小麦扬花初期茎秆、根系吸收、累积硝酸盐的能力要高于籽粒,茎秆和根系中的硝酸盐累积量变化呈波浪形,而籽粒中的硝酸盐含量随着籽粒的形成表现出缓慢增长的趋势,籽粒完全成熟以后,其硝酸盐的含量逐渐超过茎秆及根系中的含量而达到一个新的峰值;氮素是对小麦植株硝酸盐积累影响最大的营养元素,施用氮肥以后提高了全株特别是茎叶及根系的硝酸盐含量及累积量,有机肥、磷肥和钾肥对小麦植株体内硝酸盐的累积没有明显的影响效果。     

不同耕作措施对旱地春小麦旗叶光合特性的影响

研究了不同耕作措施下春小麦旗叶光合生理特性的变化.结果表明:不同耕作措施下旗叶光合速率(Pn)从孕穗到完熟期均呈逐步下降的趋势,但免耕结合秸秆覆盖(NTS)、传统耕作结合地膜覆盖(TP)和免耕(NT)处理的Pn在乳熟期有小幅度的回升.与处理T(传统耕作)相比,NTP(免耕结合地膜覆盖)、TP、NTS、NT以及TS(传统耕作结合秸秆覆盖)的平均Pn分别提高了15.17%1、1.26%8、.97%4、.08%和9.46%,平均蒸腾速率(Tr)分别提高了14.40%、16.00%、8.00%3、.20%和12.80%,但是保护性耕作措施(除NT外)下旗叶的平均水分利用效率(WUE)均小于传统耕作T.不同耕作措施对Pn、Tr和WUE影响最为显著的生育时期分别是乳熟期、孕穗期和乳熟期;生育时期对Pn、Tr和WUE的影响大于耕作措施对其的影响.     

基于高光谱的水浇地与旱地春小麦拔节期叶绿素含量估测模型对比研究

测定拔节期水浇地与旱地春小麦冠层光谱、叶绿素含量、覆盖度、苗高和叶宽,采用回归分析方法建立春小麦叶绿素含量高光谱估测模型,并对模型精度进行检验。结果表明: 阳坡和双面坡地春小麦拔节期叶绿素含量与原始光谱反射率在可见光和近红外波段均呈正相关,水浇地和阴坡地在723 nm以前相关系数为负,723 nm以后为正。各地类春小麦叶绿素含量与各高光谱变量的相关性均较好,均达到了极显著水平(P<0.01)。无论在可见光还是近红外波段,水浇地春小麦叶绿素含量均与倒数之对数lg(1/R)的相关性最好,相关系数最大值可达0.98;阴坡地则与一阶微分的相关性最好,最大为0.94;而与阳坡和双面坡地相关性最好的高光谱指数为归一化植被指数。在 各个波段,倒数之对数模型lg(1/R)、一阶微分模型(p′)和归一化植被指数模型(N)分别是估测水浇地、阴坡地、阳坡和双面坡地春小麦叶绿素含量的最佳模型。虽然各模型R²均超过0.90,精确度均大于0.91,但阴坡地、阳坡和双面坡地的模型精确度和准确度略低于水浇地。以上模型的建立可为今后估测水浇地与旱地春小麦的健康状况提供参考。     

不同CO2浓度变化下干旱对冬小麦叶面积指数的影响差异

叶面积指数是作物生长状况的一个重要表征参数,也是研究陆地生态系统的一个重要的参数.当今世界温室气体排放逐年上升,气候变暖趋势明显,对气候变化敏感的农业将受到影响.在全球变化的背景下,采用农业技术转移决策支持系统(DSSAT)系统,通过在黄淮海平原典型站点模拟3种CO2浓度条件下冬小麦在水分充足和水分亏缺2种情境下的生长过程,分析不同CO2浓度下水分亏缺对冬小麦叶面积指数的影响差异.研究发现,CO2浓度升高对叶面积指数增长有促进作用,且在干旱情况下对叶面积指数的正效应比湿润情况下更为明显,在CO2浓度倍增条件下,发生水分亏缺的作物叶面积指数数倍增长.研究结论有助于分析CO2浓度变化对农作物生长过程的影响,为农田水分管理提供依据,又为估算叶面积指数提出了一种模型的方法.     

Determination of critical nitrogen dilution curve based on leaf area index for winter wheat in the Guanzhong Plain,Northwest China

Excessive use of nitrogen(N) fertilizers in agricultural systems increases the cost of production and risk of environmental pollution. Therefore, determination of optimum N requirements for plant growth is necessary. Previous studies mostly established critical N dilution curves based on aboveground dry matter(DM) or leaf dry matter(LDM) and stem dry matter(SDM), to diagnose the N nutrition status of the whole plant. As these methods are time consuming, we investigated the more rapidly determined leaf area index(LAI) method to establish the critical nitrogen(N_c) dilution curve, and the curve was used to diagnose plant N status for winter wheat in Guanzhong Plain in Northwest China. Field experiments were conducted using four N fertilization levels(0, 105, 210 and 315 kg ha-1) applied to six wheat cultivars in the 2013–2014 and 2014–2015 growing seasons. LAI, DM, plant N concentration(PNC) and grain yield were determined. Data points from four cultivars were used for establishing the N_c curve and data points from the remaining two cultivars were used for validating the curve. The N_c dilution curve was validated for N-limiting and non-N-limiting growth conditions and there was good agreement between estimated and observed values. The N nutrition index(NNI) ranged from 0.41 to 1.25 and the accumulated plant N deficit(N_(and)) ranged from 60.38 to –17.92 kg ha~(-1) during the growing season. The relative grain yield was significantly affected by NNI and was adequately described with a parabolic function. The N_c curve based on LAI can be adopted as an alternative and more rapid approach to diagnose plant N status to support N fertilization decisions during the vegetative growth of winter wheat in Guanzhong Plain in Northwest China.     

免耕和秸秆覆盖对旱作区土壤氮素、水分和春小麦产量的影响

采用随机区组设计进行大田试验,设置传统耕作(CT)、免耕(NT)、传统耕作+秸秆覆盖(TS)、免耕+秸秆覆盖(NTS)4种处理,研究不同处理下旱作区春小麦田的土壤容重、含水量、全氮含量、铵态氮含量、硝态氮含量和小麦产量。结果表明:不同处理实施2 a后,NT和NTS处理的0～10 cm土层土壤容重显著(P<0.05)高于CT和TS处理;TS和NTS处理较CT处理增加了土壤含水量和土壤表层(0～40 cm)全氮含量,就2 a试验平均值而言,TS、NT和NTS处理的土壤含水量较CT处理分别增加8.33%、3.17%和3.82%,TS和NTS处理的土壤全氮含量分别较CT处理显著(P<0.05)增加1.78%和3.48%;但TS、NT和NTS处理的土壤铵态氮和硝态氮含量较CT处理显著(P<0.05)降低。从2 a试验平均值看,与CT处理相比,TS和NTS处理的春小麦产量明显增加,而NT处理的春小麦产量下降。     

不同氮肥调控对水稻分蘖数和叶面积指数的影响

为明确氮肥施用量对水稻分蘖数和叶面积指数的影响,以广东省主栽品种粤农丝苗和合美占为供试材料,设置5个进行开展了氮肥施用量梯度试验。结果表明,在同一生育期内,水稻植株的总茎蘖数、无效分蘖和叶面积指数均随着施氮量的增大而增大;其中,施氮量、分蘖数和叶面积指数三者之间分别呈显著的正相关关系(r0.8)。适当的施氮量能增加水稻的分蘖数和叶面积指数,促进其生长发育,但过量增施氮肥会增加无效分蘖数,降低氮肥利用率。