小麦生长模型对拔节期和孕穗期低温胁迫响应能力的比较

【目的】作物生长模型是预测和评估气候变化对作物生产力影响的重要量化工具,明确典型作物生长模型对小麦拔节期和孕穗期低温胁迫响应能力的不足,可以为进一步改进低温胁迫对小麦生产力影响的模拟算法提供指导。【方法】本研究将来自4套国际知名小麦生长模型（美国密歇根州立大学的CERES-Wheat、美国华盛顿州立大学的CropSyst、荷兰瓦赫宁根大学的WOFOST和法国国家农业科学研究院的STICS模型）的典型低温胁迫效应算法,与本课题组研发的小麦生长模拟模型WheatGrow相耦合,利用2012—2013年南京和2013—2015如皋不同品种（扬麦16和徐麦30）、不同温度水平（最低至-6℃）和持续时间（2、4、6 d）的人工气候室低温盆栽试验资料,检验和评价了原WheatGrow模型和耦合后低温胁迫效应算法的WheatGrow模型在拔节期和孕穗期低温胁迫下对小麦叶面积指数动态、茎生物量、地上部总生物量、籽粒产量等指标的预测能力。【结果】拔节—孕穗期低温胁迫明显降低了小麦叶面积指数、地上部生物量积累和籽粒产量,且随低温水平的降低和持续时间的增加降低幅度呈明显升高趋势。比较不同处理时期和品种发现,小麦生长发育及产量对孕穗期低温处理较拔节期低温处理更加敏感,扬麦16较徐麦30对低温胁迫更为敏感。耦合了4种低温胁迫效应算法的WheatGrow模型在模拟叶面积指数动态上较原WheatGrow模型有所改善,但模拟误差仍然较大,其中对孕穗期低温处理的模拟误差大于拔节期处理。4种低温胁迫算法均低估了低温胁迫对茎生物量以及成熟期地上部生物量积累的不利影响。综合比较4种低温胁迫算法的预测能力可以看出,对于叶面积指数和地上部生物量的动态模拟,CropSyst模型中的低温胁迫效应算法表现最好;对于茎生物量的动态模拟,WOFOST模型中的低温胁迫效应算法表现最好,特别是孕穗期低温处理;对于籽粒产量的模拟,STICS模型中的低温胁迫效应算法表现最好,其次是CropSyst模型。【结论】耦合低温胁迫效应算法后的WheatGrow模型,在模拟叶面积指数、茎生物量、地上部生物量和籽粒产量上均好于原WheatGrow模型,且在弱低温条件下的模拟效果好于强低温条件,但是4套算法由于没有考虑低温胁迫对茎秆的直接伤害、低温胁迫对干物质分配的影响以及低温胁迫后的恢复和补偿效应,因此在模拟茎生物量积累,以及模拟不同低温持续时间下的地上部生物量积累存在明显不足。此外,4套低温效应算法引入参数较多,为模型的参数化带来一定的困难,有待今后进一步改进和完善。研究结果对改进小麦生长模型对低温胁迫响应,降低气候变化背景下作物生产力的预测预警的不确定性具有重要意义。     

作物生长模型（CropGrow）研究进展

农业信息技术是基于信息技术与农业科学的交叉融合而形成的新兴技术,催生了数字农业和智慧农业的快速发展。作物生长模型作为其核心内容之一,可以动态模拟作物生长发育过程及其与气候因子、土壤特性和管理技术之间的关系,从而有效克服传统农业生产管理研究中较强的时空局限性,为不同条件下的作物生产力预测预警与效应评估等提供量化工具。本文重点介绍笔者团队在作物生长模型的构建与应用方面形成的总体技术方法、最新研究进展及未来发展思考。通过20多年系统深入的探索和实践,本团队以小麦、水稻等作物为主要对象,以“生理机制解析-模型算法构建-生产力动态预测-效应定量评估-模拟平台研发”为主线,综合运用系统分析、动态建模、虚拟现实、情景模拟及决策支持等方法,开展了作物生长模型CropGrow的构建与应用研究。首先,利用系统分析方法与动态建模技术,构建了机理性与预测性兼备的综合性作物生长模型（CropGrow）,包括阶段发育与物候期、器官发生与建成、光合生产与物质积累、同化物分配与产量品质形成、养分动态、水分平衡以及作物三维形态建成与虚拟显示等子模型,可数字化、可视化表征不同条件下作物生长发育与生产力形成过程;然后,结合地理信息系统（GIS）和遥感（RS）技术,构建了基于模型、GIS和RS有效耦合的区域作物生产力预测技术;进一步量化了气候变化、品种更新、土壤改良、措施优化对区域作物生产力形成的影响,拓展了适宜方案生成、理想品种设计、气候效应评估、耕地利用评价以及农业政策制定等应用技术;最后,运用构件化程序设计思想,基于作物生产数据库、作物模型构件库等,集成开发了基于模型的数字化、可视化作物生长模拟系统与决策支持平台,实现了数据管理、参数优化、生长模拟、遥感耦合、区域预测、方案设计、效应评估、安全预警、产品发布等综合功能。未来作物模拟研究将在完善基础数据库的基础上,进一步提升预测能力、量化基因效应、拓展智能决策、耦合多功能模型等,为粮食生产的预测预警、情景效应的量化评估、生产管理的智能决策、作物品种的优化设计等提供数字化支撑,对于保障国家粮食安全和推进数字农业发展具有重要意义。     

山区播种机开沟装置的设计研究

为了满足山区、雨养地的播种农艺要求,以山地播种机的研究为中心,设计了一种新型的垂直分层种施开沟装置。该开沟装置成功地实现了种肥垂直种施,更好地满足了山地、旱地耕作的要求。     

陕北黄土区微地形土壤水分对降水特征的响应

利用标准化降水指数分析了吴起县1957—2012年的全年、生长季的降水特征,以及缓坡和陡坡不同微地形土壤水分在2008—2012年生长季的动态变化特征,结果表明:吴起县1957—1986年的降水波动较大,出现极端、严重干旱和湿润年份,但1987年以来则表现为轻微干旱、湿润或正常;生长季标准化降水指数与各点土壤水层厚度变化值呈正相关关系,与塌陷、缓坡的相关程度(R2)低于0.8,与切沟、缓台及浅沟的相关程度介于0.8~0.9之间,与其他各点的相关程度大于0.9;生长季各点土壤水层厚度变化值存在显著差异,且缓坡、塌陷和缓台的值显著高于其他各点。     

区域气候模型数据修订方法及其在作物模拟中的应用

【目的】建立一种修订区域气候模型所生成数据的方法,为作物模型在未来气候情景下的应用研究提供技术支持。【方法】 选取徐州、淮安、郑州、潍坊、石家庄5个生态点,利用各地点1960—1993年的历史气象数据,对区域气候模型RegCM3所生成的1994—2010年降雨频率、逐日降雨量、太阳辐射、最高气温、最低气温等气象要素进行修订。【结果】与修订前的RegCM3数据相比,修订后的RegCM3月平均降雨量、温度、太阳辐射等气象要素与实际观测数据更加一致;修订后5个生态点1994—2010年的逐月降雨量、温度、太阳辐射等气象要素参数以及逐日降雨量、温度、太阳辐射等数据的概率分布,与实际观测数据更加吻合,尤其是RegCM3生成数据中的极端高温和高频率降水得到了较好的修正,反映降雨频率的连续干旱天数与实测数据也更趋一致。基于修订后RegCM3逐日气象数据在5个生态点的WheatGrow模型模拟产量与实测产量之间的决定系数和标准根均方差分别达0.72和10.5%,比修订前分别增加了0.35、降低8.2%左右。【结论】采用本研究所构建的方法来修订RegCM3生成的未来气象数据,并将修订后的气象数据输入作物模型,可以提高未来情景下作物模型预测的可靠性。     

基于WheatGrow和CERES模型的区域小麦生育期预测与评价

【目的】研究小麦生长模型在区域应用中的关键技术,并利用WheatGrow和CERES-Wheat两套模型模拟区域小麦生育期,以检验和评价模型区域应用方法的有效性。【方法】首先利用薄盘样条法（thin plate spline,TPS）对各站点逐日气象数据进行空间插值,得到研究区域气象要素表面数据;其次利用TPS方法对各站点历史多年小麦播种期进行空间插值,并将插值后的结果进行多年平均得到研究区域播种期表面数据;进一步将Markov Chain Monte Carlo（MCMC）方法与生长模型相结合,利用典型站点历史多年小麦生育期实测数据,估算出典型站点的品种参数,并将其作为各省份的代表性生态型品种参数;最后将生成的气象要素和播种期表面数据以及生态型品种参数等输入到WheatGrow和CERES-Wheat模型中,并以栅格为单元进行研究区域小麦生育期的模拟,进一步结合不同站点历史年份的生育期观测资料,检验和评价模型区域应用方法的有效性,并量化区域生育期模拟结果的不确定性。【结果】两个模型在区域尺度上的生育期预测效果均较好,区域尺度上拔节期、抽穗期、成熟期的预测值和观测值之间的R2分别为0.85、0.87和0.86（WheatGrow）,0.87、0.85和0.82（CERES）;RMSE分别为9.6、7.2和6.3 d（WheatGrow）,9.4、7.8和6.6 d（CERES）。另外,WheatGrow模型对抽穗期和成熟期区域预测的准确度略高于CERES-Wheat,但由品种参数导致的区域模拟结果的不确定性也相对较高。【结论】通过气象数据和小麦播期数据的TPS插值技术结合MCMC方法的品种参数估计技术,将基于机理的生育期模型拓展到区域尺度,较好地预测区域小麦生育期,量化了由品种参数导致模拟结果的不确定性,研究结果可为进一步量化中国小麦主产区的区域生产力提供技术支撑。     

陕北半干旱黄土区林分混交模式对沙棘生长的影响

通过调查陕北半干旱黄土区不同立地类型下不同混交林中沙棘的各项生长指标,研究不同混交模式对沙棘生长的影响,以期为该地区沙棘人工林的稳定性评价和改良提供依据。结果表明:(1)在阴坡沙棘混交林的林分结构比纯林好,尤其是刺槐沙棘混交林和山杏沙棘混交林,而阳坡沙棘纯林的林分结构较合理;阴坡和阳坡枯立木密度与林分总密度相关性都较强,均随着林分密度的增大而增大。(2)阴坡沙棘新梢生长量的大小顺序为:山杏沙棘混交林、刺槐沙棘混交林、沙棘纯林、油松沙棘混交林,阳坡为油松沙棘混交林最高、沙棘纯林最低;沙棘林的累积生物量在阴坡和阳坡分别以山杏沙棘混交林和刺槐沙棘混交林最大,都以油松沙棘混交林最小,与当年新梢生长量相关性系数分别为0.898、0.585。(3)沙棘林分更新阴坡以沙棘纯林和刺槐沙棘混交林较好,阳坡以刺槐沙棘混交林和山杏沙棘混交林较好,与沙棘林分结构和生长状况的规律不一致。以上研究结果表明:无论在阴坡还是阳坡,沙棘与刺槐混交均有利于沙棘的生长,且更新能力较强,可以做为沙棘纯林的改造目标,促进沙棘群落持续稳定发育。     

陕北黄土区衰退沙棘人工林改良土壤的作用

为研究衰退沙棘人工林对土壤的改良功能,对陕北黄土区衰退沙棘人工林分轻度、中度、重度3种衰退类型进行了研究。结果表明:(1)3种衰退类型沙棘人工林0—60cm土层土壤速效磷、速效钾含量较对照均有提高。(2)轻度衰退沙棘人工林对40—60cm土层土壤有效氮,0—20cm速效磷含量有显著提高作用。对20—40cm土层土壤有效氮含量有极显著提高作用(由14.23mg/kg增至22.39mg/kg)。中度衰退沙棘人工林对20—60cm土壤有机质、有效氮有显著提高作用。重度衰退沙棘人工林对0—20cm土壤全氮含量的提高作用显著低于对照坡面。(3)3种衰退类型沙棘人工林对20—40cm土层速效磷含量的作用表现为中度衰退沙棘人工林最大,其次是轻度衰退沙棘林。其他土层则表现为随着衰退程度加深,沙棘人工林对土壤改良作用减弱。     

利用花生壳替代基质培育番茄穴盘苗的研究

以常用的草炭、珍珠岩育苗基质为对照,研究了3种花生壳替代基质配方的理化性质、对番茄幼苗生长的影响,从而筛选出可部分替代草炭的基质配方。试验结果表明,配方T1(草炭∶珍珠岩∶花生壳=1∶1∶1)的混合基质,具有容重小、孔隙度大的特点,且其盐浓度、pH值均在番茄幼苗生长的适宜范围内,其培育的番茄穴盘苗的形态指标和生理指标均与对照(草炭∶珍珠岩=2∶1)的无显著差异,而配方T2(草炭∶蛭石∶花生壳=1∶1∶1)、T3(珍珠岩∶花生壳=1∶2)的混合基质的育苗效果不如对照,因此可利用花生壳代替部分草炭培育番茄穴盘壮苗,其中以T1(草炭∶珍珠岩∶花生壳=1∶1∶1)的配方为最优。     

基于高斯函数的水稻叶曲线动态模拟

【目的】以高斯函数为基础构建空间曲线模型,模拟研究水稻叶曲线空间变化特征。【方法】基于不同年份与施氮水平的水稻桶栽试验,定期利用三维激光扫描仪FastScan获取水稻主茎不同叶位叶曲线空间坐标数据,并利用动态建模技术构建水稻主茎不同叶位叶曲线动态模拟模型。【结果】水稻主茎不同叶位叶曲线末端与y轴正方向的夹角（AH）随生长度日（GDD）呈快-慢-快的变化趋势,符合S型曲线;从第1叶到第7叶,AH的最大值随叶位增加而增加,随后随叶位增加而减小;鞘叶夹角∠BFC与AH呈极显著线性关系。本文利用Logistic方程分别描述了不同施氮水平下水稻主茎各叶位叶曲线对应的AH以及叶曲线模型参数Sm随生长度日GDD的变化;使用分段函数描述了AH最大值随叶位的变化;将适宜施氮条件下水稻主茎第7叶位叶曲线末端与y轴正方向的夹角作为品种参数量化品种对叶曲线的影响,引入氮素影响因子量化不同氮素水平对叶片披垂度的影响。利用独立田间试验资料对所建立的模型进行检验后显示,不同施氮水平下主茎不同叶位叶曲线实测点到模拟曲线的改进Hausdorff距离（LTS-HD）的均值在分蘖中期和拔节期分别低于0.88 cm和1.18 cm。【结论】模型对水稻主茎叶曲线的空间动态变化过程具有较好的预测性,研究结果为进一步提高水稻叶片及植株的可视化效果提供了技术支持。