1961—2010年气候变化对西南冬小麦潜在和 雨养产量影响的模拟分析

利用农业气象试验站作物资料及土壤资料,评价 APSIM-Wheat 模型在西南地区的适应性,应用该模型分析该地区1961—2010年冬小麦潜在和雨养产量的时空变化特征,通过逐步回归分析揭示小麦生长季主要气象因子对潜在产量和雨养产量的影响及相对贡献率。研究结果表明： APSIM 模型对该区5个常用小麦品种的模拟效果较好,模拟与实测生育期的均方根误差(RMSE)在7.0 d 以内,地上部分生物量和产量模拟值与实测值的归一化均方根误差(NRMSE)均低于25%,模型在西南地区具有较好的适应性。1961—2010年研究区域36%的站点冬小麦生长季总辐射显著降低,其中北部、东南部和南部中区最显著;68%的站点生长季≥0℃有效积温显著增加,西部增温显著;30%的站点生长季平均气温日较差显著减小,南部中区最显著;全区生长季总降水大面积减少但不显著,减少区主要位于最南端和东南部。模拟的冬小麦潜在产量在65%的站点呈显著减产趋势,南部中区和北部变化最明显;雨养产量在25%的站点显著降低,北部地区较明显,全区减产趋势较弱。减产显著的站点中,生长季辐射降低、温度升高、气温日较差减小对潜在产量降低的贡献率分别为45%、36%和2%,对雨养产量降低的贡献率分别为36%、39%和－8%,而降水减少对雨养产量降低的贡献率为7%。西南冬小麦生长季辐射降低、温度升高及降水减少共同导致了冬小麦潜在和雨养产量的显著下降,而气温日较差的降低对冬小麦潜在和雨养产量的影响分别表现为负作用和正作用,整体上辐射和温度的影响程度最大。     

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。     

陇东地区几种旱作作物产量对降水与气温变化的响应

研究作物产量对气候变化的响应,对于指导区域农业生产,保障粮食安全和生态安全具有一定的理论指导意义。结合大田试验与农业生产系统模拟模型(Agricultural Production Systems Simulator,APSIM),在验证模拟研究区冬小麦、玉米和紫花苜蓿产量可靠性的基础上,分析5个降水变化梯度(降水量不变、降低10%和20%、升高10%和20%)和5个气温变化梯度(不变、降低1.5和1℃、升高1.5和1℃)组合情景下3种作物的产量变化趋势。结果表明:APSIM模型在试验点对3种作物籽粒产量和生物量的模拟精度较高,决定系数R2在0.80~0.93之间,归一化均方根误差在11.35%~22.48%之间,模型有效系数在0.53~0.91之间。冬小麦、玉米和紫花苜蓿在气温升高、降水量减少的情景下减产,减产的最大幅度分别为38.7%、40.3%和41.8%;冬小麦、紫花苜蓿的在气温降低、降水量增加时增产,增产的最大幅度分别为29.8%和51.7%;玉米在降水量增加、温度不变的情景下增产幅度最大,为22.0%。总之,在研究范围内,3种作物的产量随降水的增加而增高;玉米的产量随气温升高先增高后降低,另2种作物的产量随气温的升高而降低;紫花苜蓿适应气候变化的能力最强。结果对明确黄土高原地区主要作物的生产走势,制订农业布局、管理措施等具有一定意义。     

多模式集合模拟气候变化对玉米产量的影响

气候模式驱动作物模型是气候变化影响评估的主要手段。但是,单一气候模式输出和作物模型的结构差异使得研究结果存在不确定性。多模式集合的概率预估可以有效减少研究结果的不确定性。为此,本文利用1981—2009年东北地区海伦、长岭、本溪3地区农业气象站的历史气象资料和玉米作物数据,分别建立了作物统计模型并验证了APSIM机理模型在研究区域的适用性。在此基础上,与CMIP5在RCP4.5情景下的8个全球模式结合,尝试基于多模式集合评估了未来2010—2039年时段和2040—2069年时段气候变化对玉米产量的可能影响(相对于1976—2005年基准时段)。研究结果表明,APSIM模型对玉米生长发育和产量形成有很好的模拟能力。玉米生育期的模拟误差(RMSE)为3~4 d,产量的RMSE为0.6~0.8 t?hm~(-2)。建立的产量统计模型表明,玉米出苗阶段(5月中旬)的温度增加对产量增加有积极作用,而开花到成熟阶段(7月中旬到9月上旬)的温度和降水的增加、光照的不足均不利于产量增加。与1976—2005年基准时段相比,气候因素影响下2010—2039年玉米产量减少3.8%(海伦)~7.4%(本溪),减产的概率为64%(长岭)~73%(本溪);2040—2069年时段减产6.4%(海伦)~10.5%(本溪),减产的概率为74%(海伦)~83%(本溪)。未来2010—2039年时段和2040—2069年时段基于机理模型模拟的产量降低分别为6.6%(海伦)~8.9%(本溪)和9.7%(海伦)~13.7%(本溪),均高于相应时段基于统计模型得到的0.9%(海伦)~6.0%(本溪)和2.0%(长岭)~7.3%(本溪)减产结果。     

利用混合蛙跳算法优化基于APSIM的旱地小麦产量形成模型参数

模型参数的快速、准确估算是产量形成模型应用的重要前提。在基于APSIM (agricultural production systems simulator)的旱地小麦产量形成模型参数本土化率定过程中, 存在体量大、耗时长、精度低、效率低的缺点, 本研究利用智能算法优化模型参数, 试图解决上述问题。依据甘肃省定西市安定区李家堡镇麻子川村2002—2005年、凤翔镇安家沟村2015—2016年大田试验数据以及定西市安定区1971—2016年气象和产量资料, 运用混合蛙跳算法分组轮换和全局信息交换的智能策略, 对基于APSIM的旱地小麦产量形成模型参数进行了优化, 并采用相关性分析方法检验。该优化方法利用青蛙智能的群体生物进化学习策略, 可实现对小麦产量形成模型参数的估算, 较APSIM平台参数本土化率定常用的穷举试错法, 参数优化后产量模拟精度显著提高, 均方根误差(RMSE)平均值由79.13 kg hm ^-2降低到35.36 kg hm ^-2, 归一化均方根误差(NRMSE)平均值由5.97%降低到2.63%, 模型有效性指数(M_E)平均值由0.939提高到0.989。该方法全局优化能力强, 收敛速度快。     

Productivity and residual benefits of grain legumes to sorghum under semi-arid conditions in south-western Zimbabwe: Unravelling the effects of water and nitrogen using a simulation model

The APSIM model was used to assess the impact of legumes on sorghum grown in rotation in a nutrient-limited system under dry conditions in south-western Zimbabwe. An experiment was conducted at Lucydale, Matopos Research Station, between 2002 and 2005. The model was used to simulate soil and plant responses in the experiment. Sequences of cowpea (Vigna unguiculata), pigeonpea (Cajanus cajan), groundnut (Arachis hypogaea) and sorghum (Sorghum bicolor) were used in the rotations. Legumes accumulated up to 130 kg of N ha⁻¹ which was potentially available for uptake by sorghum in the following season. The APSIM model predicted total biomass, grain and N yields of the legume phase within the experimental error and performed well in predicting sorghum yield and N supplied in the rotation after cowpea and groundnut. The model generally under-predicted sorghum total biomass and grain yield after pigeonpea. Observed patterns of crop water use, evaporative losses during the dry season and re-charge of soil profile at the start of the rainy season were generally well predicted by the model. An assessment of output on sorghum N and water stresses in the rotation indicated that the legume–cereal rotation is more driven by soil nitrogen availability than water availability even under semi-arid conditions. Further legume–cereal rotation analysis using the model will assist in the understanding of other processes in the rotations in dry environments.     

降水量和气温变化对定西地区旱地春小麦产量的影响

为定量评估甘肃省定西市旱地春小麦‘定西35号’产量对各生育阶段降水量和气温变化的响应,以研究区1971—2017年逐日降水量和气温数据为基础,利用APSIM模型对小麦生育期和产量进行模拟,对近47年来研究区降水量和气温变化与春小麦产量的相关性进行了分析,并用二次多项式回归法分析了气候变化对小麦产量的影响。结果表明：8个生育阶段中,与小麦产量显著相关的6个气候因子分别为灌浆–成熟期的降水量、日均温和日均最高温,拔节–孕穗期的降水量、日均温和日均最高温;主效应分析显示,灌浆–成熟期的日均最高温、降水量、日均温和拔节–孕穗期的日均最高温、日均温、降水量对春小麦产量的直接贡献依次降低;单因素效应分析结果表明,拔节–孕穗期的降水量与产量呈开口向上的二次抛物线上升趋势,灌浆–成熟期的降水量与产量呈开口向下的二次曲线变化,小麦产量随拔节–孕穗期日均温的升高呈二次抛物线下降变化,随灌浆–成熟期日均温的升高呈二次曲线上升变化;小麦产量随着拔节–孕穗期日均最高温的升高而增加,但产量在达到某一峰值后随着温度的升高出现报酬递减;灌浆–成熟期日均最高温对产量的直接贡献率为负效应,但二次项偏回归系数为正值,表示为叠加正效应。     

气候变化背景下播期对东北三省春玉米产量的影响

为探究气候变化背景下东北三省(黑龙江省、吉林省和辽宁省)春玉米适宜播期的变化程度,本文以东北三省春玉米潜在种植区为研究区域,基于1981—2015年气象资料,1981—2012年农业气象观测站玉米生育期、产量资料以及土壤资料,分气侯区对农业生产系统模型(APSIM)进行调参和验证,建立适用于东北三省10个不同气候区的模型相关参数,在各气候区利用调参验证后的APSIM-Maize模型设置不同播期,模拟各年代不同播期下春玉米潜在产量和气候生产潜力,综合高产和稳产性指标,明确了不同区域各年代不同条件下适宜播期范围。研究结果表明,APSIM模型对于东北三省7个春玉米品种开花和成熟两个关键生育期以及产量模拟结果与实测结果具有较好的一致性,表明APSIM模型能够较好地模拟研究区域春玉米生育期和产量。充分灌溉条件下,研究区域内适宜播期范围从4月16日至5月19日,空间上呈纬向分布南早北迟的特征; 20世纪90年代和21世纪00年代玉米适宜播期较20世纪80年代有提前趋势,其中20世纪90年代提前趋势更明显;第1、第3、第5、第7和第9气候区雨养条件下较充分灌溉条件下适宜播期有推迟趋势,推迟天数为3～6 d。雨养条件下各年代不同气候区理论上的适宜播期较目前生产中实际播期下的产量提高2.84%～9.96%。以上结果为进行未来气候变化对东北三省春玉米影响及其适宜播期等研究提供了技术支撑。     

基于APSIM模型模拟水氮调控对旱地春小麦(Triticum aestivum)叶面积的影响

本研究针对水氮调控对旱地春小麦(‘定西42号’)叶面积的影响,采用大田试验数据与农业生产系统模型(agricultural production system simulator, APSIM)的结合,分别设定不同降水和施氮梯度对叶面积的变化趋势进行研究,试验获取2015-2017年定西田间试验不同水氮肥施入的试验数据,并对模型予以检验。APSIM模型对叶面积模拟精度较高,决定系数(R2=0.96)、归一化均方根误差(NRMSE=27.37%)、模型一致性指标(D=0.91)。结果表明:(1)随施氮量的增加,叶面积指数呈现先增后减的趋势;(2)随降水量的增加,叶面积整体呈现单一增长趋势;(3)水氮耦合作用中,降水量在自然降水基础上增加20%,施氮量为157.5 kg/hm2时,叶面积指数最高达2.766。本研究为田间试验水氮肥的施入量提供科学依据,为旱地春小麦增产提供了理论参考。     

Cultivar selection can increase yield potential and resource use efficiency of spring maize to adapt to climate change in Northeast China

Northeast China (NEC) is one of the major maize production areas in China.Agro-climatic resources have obviously changed,which will seriously affect crop growth and development in this region.It is important to investigate the contribution of climate change adaptation measures to the yield and resource use efficiency to improve our understanding of how we can effectively ensure high yield and high efficiency in the future.In this study,we divided the study area into five accumulated temperature zones (ATZs) based on growing degree days (GDD).Based on the meteorological data,maize data (from agrometeorological stations) and the validated APSIM-Maize Model,we first investigated the spatial distributions and temporal trends of maize potential yield of actual planted cultivars,and revealed the radiation use efficiency (RUE) and heat resource use efficiency (HUE) from 1981 to 2017.Then according to the potential growing seasons and actual growing seasons,we identified the utilization percentages of radiation (P_R) resource and heat resource (P_H) for each ATZ under potential production from 1981 to 2017.Finally,we quantified the contributions of cultivar changings to yield,P_R and P_H of maize.The results showed that during the past 37 years,the estimated mean potential yield of actual planted cultivars was 13 649 kg ha~(–1),ranged from 11 205 to 15 257 kg ha~(–1),and increased by 140 kg ha~(–1) per decade.For potential production,the mean values of RUE and HUE for the actual planted maize cultivars were 1.22 g MJ~(–1) and 8.58 kg (℃ d)~(–1) ha~(–1).RUE showed an increasing tendency,while HUE showed a decreasing tendency.The lengths of the potential growing season and actual growing season were 158 and 123 d,and increased by 2 and 1 d per decade.P_R and P_H under potential production were 82 and 86%,respectively and showed a decreasing tendency during the past 37 years.This indicates that actual planted cultivars failed to make full use of climate resources.However,results from the adaptation assessments indicate that,adoption of cultivars with growing season increased by 2–11 d among ATZs caused increase in yield,P_R and P_H of 0.6–1.7%,1.1–7.6% and 1.5–8.9%,respectively.Therefore,introduction of cultivars with longer growing season can effectively increase the radiation and heat utilization percentages and potential yield.