利用AquaCrop模型模拟旱作覆膜春玉米耗水和产量

为检验AquaCrop模型在晋中地区作物生产力模拟效果,于2011—2013年在农业部寿阳旱作农业与环境野外科学观测试验站进行了覆膜和露地春玉米种植对比试验。首先,利用2013年大田数据对模型进行参数校正和率定,使产量、地上生物量模拟值与实测值的相对误差均在5%以内;然后,利用2011—2012年大田数据验证模型;最后,对模型参数进行敏感性分析。结果表明,AquaCrop模型能较好地模拟0~120cm土壤含水率、农田蒸散和冠层覆盖度(CC)的动态变化,其模拟值和实测值间相关的决定系数(R2)分别高于0.86、0.86和0.96,均方根误差值(RMSE)分别小于0.92%、0.88 mm/d和9.78%,模型性能指数(EF)分别在0.51~0.86、0.43~0.76和0.92~0.99之间。不同处理的最终生物量和经济产量模拟值与实测值的相对误差分别为2.83%~4.42%和3.13%~9.58%。模型敏感分析显示,达到最大冠层覆盖度CCx时间、冠层衰老时间、开花日期、凋萎系数、田间持水率和土壤初始含水率为敏感参数,相对敏感度在0.13~0.58之间变化。该模型能较好地模拟寿阳地区旱作覆膜春玉米的耗水、生长和产量形成过程。     

冬小麦生物量和产量的AquaCrop模型预测

以华北地区冬小麦为研究对象,将AquaCrop作物生长模型应用到滴灌、喷灌、漫灌中,对模型主要参数如气象、土壤、作物特性等进行调整,并对作物产量和生物量模拟的有效方法进行了研究。模拟结果表明,产量和收获时地上部分生物量的模拟值与实测值较为接近且略高于实测值,模型性能指数均高于0.95。产量模拟效果优于生物量,滴灌模拟效果最好。     

基于粒子滤波和多变量权重的冬小麦估产研究

为了构建能够反映作物长势的综合性指标以及准确估测作物产量,采用粒子滤波算法同化CERES-Wheat模型模拟和基于Landsat数据反演的叶面积指数(Leaf area index,LAI)、地上生物量和0~20 cm土壤含水率,获取冬小麦主要生育期以天为尺度的变量同化值,分析不同生育时期的LAI、地上生物量和土壤含水率同化值与实测单产的相关性,并应用熵值的组合预测方法确定不同状态变量影响籽粒产量的权重,进而生成综合性指数,并分析其与实测单产的相关性。结果表明,LAI、地上生物量和土壤含水率同化值和田间实测值间的均方根误差(Root mean square error,RMSE)以及平均相对误差(Mean relative error,MRE)均低于这些变量模拟值和实测值间的RMSE和MRE,说明数据同化方法提高了时间序列LAI、地上生物量和土壤含水率的模拟精度。基于不同状态变量的权重生成的综合性指数与实测单产间的相关性大于单个变量与实测单产间的相关性;基于综合性指数构建小麦单产估测模型,其估产精度(R2=0.78,RMSE为330 kg/hm2)分别比基于LAI、地上生物量和土壤含水率建立模型的估产精度显著提高,表明构建的综合性指数充分结合了不同变量在作物估产方面的优势,可用于高精度的冬小麦单产估测。     

基于AquaCrop模型的玉米全膜双垄沟播技术研究

采用以水为驱动力的AquaCrop模型对定西市2016—2020年玉米全膜双垄沟播技术模拟产量进行研究,分别建立I1（裸地种植）、I2（覆膜率为45%的窄膜种植）、I3（覆膜率为81.8%的宽膜种植）、I4（覆膜率为100%全膜双垄沟播技术种植）4种种植模式,对比分析4种模式的产量优越性与环境适应性,得出播种日期以及降雨量与土壤含水率关系。AquaCrop模拟结果表明,该模型适宜模拟定西市旱作农业,I4模式产量模拟值和实测值之间皮尔逊相关系数(r)均大于0.91、均方根误差(RMSE)为0.1~0.24、归一化均方根误差(CV(RMSE))为1.66%~2.10%、纳什效率系数(EF)均大于0.9、一致性指数(d)大于0.94。定西市最佳播种日期选取平均气温稳定在15℃左右（每年4月15—25日左右）,该时段播种后产量最高,种植模式I4产量、地上生物量、水分生产力比种植模式I1分别高84.01%、19.79%、101.13%,比种植模式I2分别高82.26%、19.74%、85.47%,比种植模式I3分别高63.26%、14.80%、82.63%;干旱年种植模式I4土壤总含水率比I1、I2、I3模型均高90%以上,丰水年均高80%以上;2000—2020年间耗水量大于有效降雨量有7a,耗水量小于有效降雨量有13a,模拟结果表明全膜双垄沟播技术耗水量与降雨量持平,不会透支土壤水分。     

WOFOST作物模型在拉林河流域的适用性研究

为了解WOFOST作物模型对拉林河流域春玉米的适用性,以东北地区哈尔滨、双城、尚志、扶余等地春玉米为研究对象,建立模型运行所需的气候、土壤、作物数据库,模拟2013年春玉米发育期日序变化、2009年土壤含水率的变化、2009年哈尔滨站春玉米生物量累积过程以及2009―2013年春玉米产量,并与实测值进行对比分析。结果表明,生育期平均绝对误差MAE=1.57d,标准差σ=1.54d,均方根误差RMSE=1.85d;土壤含水率MAE在1.38%~1.75%之间,RMSE在1.87%~2.33%之间,模型效率指数MEI在0.48~0.73之间;叶干质量、茎干质量、穗干质量的MEI在0.82~0.94之间,产量RMSE和MEI分别为0.72 t/hm~2和0.15。各适用性指标均在可信范围内,表明经过参数校准后的WOFOST模型在拉林河流域具有一定的适用性。     

砒砂岩改良风沙土对作物产量影响的RZWQM2模型模拟

基于2012—2013年陕西省榆林市榆阳区小纪汗乡玉米大田试验结果,利用不同复配比例的砒砂岩改良风沙土(砒砂岩与风沙土按体积比1∶1(T1)、1∶2(T2)、1∶5(T3)混合)处理下土壤水分、地上部生物量、叶面积指数和产量数据对RZWQM2(Root zone water quality model 2)模型进行校正和验证,然后利用验证后的模型模拟不同复配比的土壤水分动态和玉米产量变化。模型校正和验证结果表明,土壤分层含水量模拟值和实测值之间的均方根误差(RMSE)分别在0.011~0.042 cm~3/cm~3和0.008~0.029 cm~3/cm~3范围内变化;地上生物量模拟值和实测值之间的RMSE分别在512~1 245 kg/hm~2和598~1 461 kg/hm~2之间变化;作物产量的模拟值与观测值之间的RMSE变化范围分别为84~249 kg/hm~2和71~485 kg/hm~2。模型模拟结果表明,RZWQM2模型能够较好地模拟砒砂岩改良风沙土对作物产量的影响,3种砒砂岩改良风沙土配比中,砒砂岩与风沙土的体积比为1∶2处理(T2)下玉米产量最高,1990—2013年的平均产量为3 527 kg/hm~2,变化范围为880~7 206 kg/hm~2。因此,砒砂岩与风沙土的体积比为1∶2复配模式下对玉米增产的效果较优,该复配模式可作为该地区砒砂岩改良风沙土复配比例的推荐选择。     

RZWQM2模型对裸燕麦作物生长模拟的适用性研究

为评估RZWQM2模型在我国北方农牧交错带典型地区裸燕麦作物生长模拟研究中的适用性,优化裸燕麦生长过程研究的完整作物模型参数,通过北方农牧交错带典型区——河北坝上地区2018年和2019年两个完整生育期内裸燕麦田间试验,对该地区裸燕麦生长模拟参数在RZWQM2(Root Zone Water Quality Model2)模型中进行本土化校准.结果表明:优化后的模型参数,可使不同土层深度(0～80 cm)土壤水分的模拟值与实测值的决定系数系数(R2)值在0.70～0.95之间,均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MRE)分别为1.73％、1.96％和21.20％、25.00％;叶面积指数模拟的决定系数(R2)值分别为0.98和0.76;生物量、株高的模拟值与实测值的R2值均大于0.80.本研究开发出的裸燕麦作物生长模拟参数在河北坝上这一区域具有较好的普适性,校准后的RZWQM2模型可适用于北方农牧交错带相似区域裸燕麦田间水分管理、作物生长等相关研究.     

基于RZWQM模型的冬小麦—夏玉米水氮管理评价

利用2010和2011年在中国科学院通州农田水循环与现代节水灌溉试验基地获取的冬小麦-夏玉米轮作条件下不同水肥管理时的试验数据,对RZWQM(Root zone water quality model)模型中的土壤水分、氮素和作物模块进行率定和验证,模型验证结果表明各土层土壤含水率的均方根误差(RMSE)和相对误差(MRE)分别在0.015~0.026 cm3/cm3和-6.66%~5.83%之间变化,土壤贮水量模拟值与实测值一致;冬小麦和夏玉米产量、吸氮量的模拟值与实测值的相对误差(RE)小于25%。该结果表明率定和验证后的RZWQM模型能够用来模拟华北地区冬小麦-夏玉米轮作条件下土壤水、氮及作物动态变化。利用率定和验证后的模型分析对比了常规施氮条件下,不同喷灌灌水频率和传统灌溉方式对作物产量和氮素渗漏的影响。结果表明在灌溉总水量相同的条件下,当20 cm蒸发皿累积蒸发量为30~70 mm时开始灌溉,其作物产量高且氮素渗漏量和损失量小。综合考虑作物产量和环境效应,推荐较优的喷灌灌溉频率为累积蒸发量为30~70 mm时开始灌溉。     

DNDC模型在华北平原冬小麦区的率定和验证

为了研究DNDC模型在华北平原典型作物-冬小麦的适用性,利用DNDC模型对冬小麦不同灌溉制度下小麦生长进行模拟和验证,并对模型精度进行评价。基于2015和2016年冬小麦生育期实测数据,建立了不同灌溉制度下冬小麦DNDC模型,分析了不同作物参数对冬小麦生育期的生物量和产量的敏感性排序,率定和验证了DNDC模型参数,并对模型精度进行了评价。结果表明,作物需水量对产量和地上部生物量的敏感性较大;不同灌溉制度下冬小麦生育期的土壤水分、地上部生物量以及产量的实测值与模拟值的各项评价指标均在可接受范围内,DNDC模型可以较好的模拟华北地区冬小麦生育期间的土壤含水量、地上部生物量和产量,对冬小麦的生产有一定的指导意义。     

苏南丘陵地区茶树蒸散发估算模型的适用性评估

根据波文比能量观测系统在2017—2020年间的ET_c观测数据,分别对FAO-56作物系数模型(S-k_c)与Priestley-Taylor(PT-α)模型进行参数率定及修正,分析了茶树ET_c在各生育期内对气象因子的响应特性,并评估了修正后的S-k_c与PT-α模型对于苏南丘陵地区茶园的应用效果.研究表明:S-k_c模型的作物系数k_c在茶树生长初期为0.83、中期为1.19、后期为1.06,PT-α模型系数α年均值为1.09;气温、水汽压差及土壤体积含水率对ET_c的影响在0.05的水平下具有统计学意义,且各气象因子对ET_c的相关性均表现为在茶树生长中期高度相关,生长后期偏低;以波文比能量观测系统的ET_c观测数据作为参照,修正后的S-k_c模型高估了茶树ET_c,PT-α模型低估了ET_c,但PT-α模型的误差(R²=0.91)稍低于S-k_c模型(R²=0.88),S-k_c模型的模拟效果在茶树快速生长期(MAE=0.72 mm/d,RMSE=0.99 mm/d)和生长中期(MAE=0.36 mm/d,RMSE=0.48 mm/d)较好,PT-α模型的模拟效果在茶树生长后期(MAE=0.35 mm/d,RMSE=0.23 mm/d)较好.该研究明确了苏南丘陵地区茶树各生育期ET_c的变化特征和模拟手段,对于苏南丘陵地区茶树实现科学生产具有重要参考价值.     

根系带水质量模型参数灵敏度分析与标定的研究

利用收集的河南省新乡试验站田间试验数据对根系带水质量模型(ROOt Zone Water Quality Model,RZWQM)输入参数进行灵敏度分析和标定.结果表明,通过参数的灵敏度分析结果对RZWQM进行调参,节省参数校核时间,提高精度.参数标定后模拟值与实测值的对比显示,土壤含水量的模拟均方根差和平均相对误差分...     

AquaCrop模型的适用性及应用初探

AquaCrop模型是FAO新推出的以水分为驱动的作物生长模型。为了评价其在华北地区的适用性,于2009-2010年在中国水利水电科学研究院大兴试验站进行了夏玉米水分处理试验,其中2010年的试验数据用于参数率定,2009年的试验教据用于模型验证,并在此基础上对模型参数进行敏感性分析。结果表明,AquaCrop模型能够...     

Evaluation of CERES-Wheat and CropSyst models for water–nitrogen interactions in wheat crop

Crop simulation models can provide an alternative, less time-consuming and inexpensive means of determining the optimum crop N and irrigation requirements under varied soil and climatic conditions. In this context, two dynamic mechanistic models (CERES (Crop Environment REsource Synthesis)-Wheat and CropSyst (Cropping Systems Simulation Model)) were validated for predicting growth and yield of wheat (Triticum aestivum L) under different nitrogen and water management conditions. Their potential as N and water management tool was evaluated for New Delhi representing semi-arid irrigated ecosystems in the Indo-Gangetic Plains. The field experiment was carried out on a silty clay loam soil at the Research Farm of the Indian Agricultural Research Institute, New Delhi, India during 2000–2001 to collect the input data for the calibration and validation of both the models on wheat crop (variety HD 2687). The models were evaluated for three water regimes [I4 (4 irrigations within the growing season), I3 (3 irrigations within the growing season) and I2 (2 irrigations within the growing season)] and five N treatments (N₀, N₆₀, N₉₀, N₁₂₀ and N₁₅₀). Both the models were calibrated using data obtained from the treatments receiving maximum nitrogen and irrigations, i.e., N₁₅₀ and I4 treatments. The models were then validated against other water and nitrogen treatments. For performance evaluation, in addition to coefficient of determination (R²), root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE) and Wilmot's index of agreement (IoA) were estimated. Both CERES-Wheat and CropSyst provided very satisfactory estimates for the emergence, flowering and physiological maturity dates. For CERES-Wheat overall prediction (pooled result of the three water regimes) of grain yield was satisfactory with significant R² values (0.88). The model, however, under estimated the biomass under all water regimes and N levels except for N₀ level, under which biomass was overpredicted. CropSyst predicted yield and biomass of wheat more closely than CERES-Wheat. The combined RMSE for the three water regimes between predicted and observed grain yield was 0.36 Mg ha⁻¹ for CropSyst as compared to 0.63 Mg ha⁻¹ for CERES-Wheat. Similarly, RMSE between observed and predicted biomass by CropSyst was 1.27 Mg ha⁻¹ as compared to 1.94 Mg ha⁻¹ between observed and predicted biomass by CERES-Wheat. Wilmot's index of agreement (IoA) also indicated that CropSyst model is more appropriate than CERES-Wheat in predicting growth and yield of wheat under different N and irrigation application situations in this study.     

RZWQM2模型对河北坝上地区大白菜模拟适用性评价

为明析根区水质模型(RZWQM2)对河北坝上地区蔬菜作物的适用性,以该地区膜下滴灌大白菜为研究对象,建立模型运行的气象、土壤及作物数据库,模拟2018年和2019年大白菜生育期内田间土壤水分动态变化、作物株高变化及最终产量,并通过实测值进行对比分析.结果表明:①经过对该模型参数的校准,得到各土层(20 cm、40 cm...     

Validation and testing of the AquaCrop model under full and deficit irrigated wheat production in Iran

Accurate crop development models are important tools in evaluating the effects of water deficits on crop yield or productivity and predicting yields to optimize irrigation under limited available water for enhanced sustainability and profitable production. Food and Agricultural Organization (FAO) of United Nations addresses this need by providing a yield response to water simulation model (AquaCrop) with limited sophistication. The objectives of this study were to evaluate the AquaCrop model for its ability to simulate wheat (Triticum aestivum L.) performance under full and deficit water conditions in a hot dry environment in south of Iran, to study the effect of different scenarios of irrigation (crop growth stages and depth of water applied) on wheat yield. The AquaCrop model was evaluated with experimental data collected during the three field experiments conducted in Ahvaz. The AquaCrop model was able to accurately simulate soil water content of root zone, crop biomass and grain yield, with normalized root mean square error (RMSE) less than 10%. The analysis of irrigation scenarios showed that the highest grain yield could be obtained by applying four irrigations (200 mm) at sowing, tillering, stem elongation and flowering or grain filing stages for wet years, four irrigations (200 mm) at sowing, stem elongation and flowering stages for normal years and six irrigations (300 mm) at sowing, emergence, tillering, stem elongation, flowering and grain filing stages for dry years. The least amount of irrigation water to provide enough water to response to evaporative demand of environment and to obtain high WUE for wet, normal and dry years were 100, 200 and 250 mm, respectively.     

绿州灌区麦田节水高产适宜土壤水分指标研究

土壤水分适宜指标是节水高产栽培的基础。本文采用二次回归旋转设计和回归分析方法,研究了麦田土壤水分的变化特征及其与主要水分生理因子的相关性,认为０～６０ｃｍ 是影响春小麦生长和产量的主要层次,并与叶水势、蒸腾强度和气孔阻力之间存在极显著的相关关系。在此基础上,研究提出了产量高于１２０００ｋｇ／ｈｍ ２ 和水分生产率大于１２．４５ｋｇ／ｍ ｍ ．ｈｍ ２ 时不同生育阶段适宜土壤水分下限指标。经示范印证,具有很强的可行性     

农田水盐运移与作物生长对亏水滴灌的响应和模拟研究

为探究西北干旱地区农田水盐运移与作物生长对亏水滴灌的响应以及层状土壤中水分溶质运移和作物生长耦合模型(Layered soil water-solute transport and crop growth model,LAWSTAC)的适用性,设置3种水分处理W100、W70、W40,分别表示灌溉需水量的100%、70%和40%,于2018年在农业农村部作物高效用水武威科学观测实验站进行了大田试验。结果表明:在制种玉米生长苗期,单次灌水后,浅层(0~20 cm)土壤含盐量降低;经全生育期灌溉后,灌水量越大,浅层脱盐和深层积盐现象越明显。3种水分处理下灌水量越多的处理,制种玉米叶面积指数(LAI)和最终地上生物量越高,作物长势越好。LAWSTAC模型能较好地模拟农田水盐运移和制种玉米的生长过程;各处理LAI模拟值与实测值之间的决定系数R^2均为0.99,RMSE为0.20~0.87 cm^2/cm^2;各处理地上生物量的模拟值与实测值的R^2均为0.99,RMSE为1.62~3.57 t/hm^2,说明LAWSTAC模型可以较为准确地模拟制种玉米LAI、地上生物量的动态变化。0~80 cm土层贮水量的模拟结果表明,各处理R^2为0.41~0.61,RMSE为12~21 mm;0~80 cm土壤盐分质量浓度的模拟结果表明,各处理R^2为0.53~0.60,RMSE为1.37~2.56 g/L,效果较好。因此,LAWSTAC模型可为当地复杂土壤条件的农田进行生产力的初步预测与评估。