气候变化影响下作物模型的不确定性

作物生理生长过程准确描述及产量的精确估计在社会食品安全和农业生产中起着至关重要的作用.作物生长模型作为一种监测作物生长的数值模拟方法,已被证明是作物生长、产量预测和情景分析的有力工具.然而,在当前气候变化背景下,气候走向的不确定性以及极端气候事件的增加,都对粮食生产产生了重大影响,如何对作物生长进行准确模拟成为当前的热点关注话题.同时,除了气候变化的不确定性外,由于作物模型本身是实际作物生长过程的简化,物理结构并不完美,同时数据采集的随机性和初始条件的区域异质性,导致模拟结果不确定性较大.因此,在论述作物模型的国内外研究进展的基础上,探讨气候变化的不确定性对作物模型的影响以及作物模型本身的不确定性,概述了模型-数据融合方法的类型及特点,以及区域尺度上作物模型与遥感数据结合所采用的减小不确定性的方法,以期为相关研究提供一定参考.     

覆膜和灌水量对农田水热动态和制种玉米生长的影响

覆膜和节水灌溉是我国西北旱区应对水资源短缺、提高作物水分生产率的主要措施。为了探索覆膜与灌溉制度对农田水热和制种玉米生长的综合影响,揭示农田耗水及水分利用效率的变化规律,于2017年在中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站进行了制种玉米田间试验,设置覆膜与水分2个控制因素,覆膜分别为完全覆膜(M1)与不覆膜(M0)2个水平,水分设置W1、W2、W3、W4和W5 5个水平,分别为当地传统灌溉定额的100%、85%、70%、55%和40%,灌水方式为滴灌,共10个处理。结果表明:相同灌水条件下覆膜相对于不覆膜处理,可减少棵间蒸发,增高生育前期土壤温度,使株高和叶面积指数的增长速率高于不覆膜,提前7~10 d达峰值,增产达6.5%~44.6%,水分利用效率提高16.9%~50.4%。但覆膜可阻滞降雨入渗,以单次典型降雨32.4 mm为例,覆膜较不覆膜降雨入渗百分比降低22.4%。相同覆膜条件下,土壤贮水消耗量随着灌水量的减少而增多,因此土壤贮水量随着灌水量的增加而增加。灌水量越多,制种玉米株高、叶面积指数和最终干物质累积量越高,而水分利用效率则越低。覆膜条件下,W1处理产量最高,W3次之,且两者之间无显著性差异,水分利用效率则为W5处理最高,W3次之。M1W3处理可以在保证较高产量的同时,水分利用效率较MIW1提高17.6%。综上,在当地制种玉米生产中,虽然覆膜可能减少地表降水入渗,但可以使生育期提前、减少棵间蒸发,对于节水增产有一定的促进作用。     

四元联系数在区域水资源与社会经济协调发展评价中的应用

四元联系数是集对分析中同异反联系数的推广,它可更深入地分析系统中的各种复杂因素。将四元联系数应用于区域水资源与社会经济协调发展评价,其结果简便直观,能清晰地反应评价对象和评价标准间的联系。通过对山东省日照市水资源与社会经济协调发展状况进行评价,评价等级为"可持续",与模糊分析法的评价结果一致。因此,四元联系数的集对分析理论为区域水资源与社会经济协调发展评价提供了一种新的思路。     

西北旱区不同覆膜和灌溉水平下的玉米冠层氮含量垂直分布及高光谱反演

为探究不同覆膜和灌溉水平下玉米叶片氮含量垂直分布特征及其遥感反演规律,2020年在甘肃省武威绿洲农业高效用水国家野外科学观测研究站进行大田试验,设置3种灌水量水平(春玉米灌溉需水量的100%(W₁₀₀)、70%(W₇₀)和40%(W₄₀))和3种覆膜处理(不覆膜(M₀)、普通塑料膜(M₁)和生物可降解膜(M₂)),测定春玉米在不同灌水量和覆膜条件下叶片氮含量垂直分布、冠层反射特征和反射率与叶片氮含量等指标,并采用随机森林法构建氮含量估测模型分析垂直分布的叶片氮含量。结果表明,相同灌水处理的玉米冠层叶片中氮含量由高到低为M₀>M₂>M₁,M₀比M₂的上、中、下部位叶片氮含量分别增加6.78%、5.11%、2.55%,M₂比M₁的上、中、下部位叶片氮含量分别增加7.14%、5.24%、5.39%。相同覆膜条件下玉米冠层叶片氮含量由高到低为W₁₀₀>W₇₀>W₄₀,W₁₀₀比W₇₀的上、中、下部位叶片氮含量分别增加6.84%、6.23%、7.74%,W₇₀比W₄₀的上、中、下部位叶片氮含量分别增加4.41%、3.32%、9.49%。在M₀W₁₀₀处理中,玉米冠层叶片氮含量从上到下依次减小,上部比中部叶片氮含量增加7.44%,中部比下部叶片氮含量增加7.60%。在相同覆膜条件下,在可见光波段范围内,冠层反射率随着灌水量的增加而降低;在近红外波段范围内,冠层反射率随着灌水量的增加而增加。综上,基于随机森林的春玉米不同垂直部位叶片中氮含量估算模型均与实测结果相吻合(验证的R²>0.5),上部叶片中氮含量估算精度最高(R²为0.63,RMSE为1.66 g/kg,RPD为1.57),其次为中部叶片(R²为0.73,RMSE为1.66 g/kg,RPD为1.30),精度最低的下部叶片(R²为0.00)。     

不同覆膜处理下春玉米叶面积指数高光谱估算

为实现快速、无损、实时监测不同覆膜处理下春玉米的叶面积指数（Leaf area index,LAI）,研究覆膜因子对LAI及冠层反射率的影响,借助高光谱遥感技术获取了各生育期春玉米的冠层反射率,在对光谱数据进行预处理后,经相关性分析提取各覆膜处理LAI的敏感单波段、敏感植被指数和特征指数,据此构建了全生育期各覆膜处理下LAI的高光谱估算模型。结果表明,覆膜对LAI的影响主要在抽雄期之前,相同施肥水平下覆膜与无覆膜处理之间LAI的差异随生育期的推进呈先减小、后增大的趋势,其中苗期差异最大,覆膜比无覆膜处理LAI增加78%以上;各覆膜处理冠层反射率之间的差异由大到小为生育中期、生育末期、生育初期,覆膜主要影响玉米对绿光和红光的吸收。基于3个指标构建各覆膜处理下LAI的估算模型,以特征指数为因变量建立的模型对LAI的反演结果精度较高,其拟合和验证决定系数R2均在0.8以上,均方根误差RMSE为0.45~0.65cm2/cm2,剩余预测偏差RPD均大于2,由于覆膜的影响,无覆膜处理LAI反演精度高于覆膜处理。以特征指数NI(722,731)为自变量建立的所有处理的混合LAI估算模型表现了反演的优越性,能降低覆膜对LAI反演的影响。     

计算潜水蒸发系数的反Logistic公式

根据新疆叶尔羌河流域地下水均衡场裸地潜水蒸发的试验观测资料,提出了进行潜水蒸发系数计算的反Ｌｏｇｉｓｔｉｃ公式,同时采用可变多面体法对公式进行了非线性拟合。该公式较全面地反映了潜水蒸发系数的变化规律,简单实用,适于当地潜水蒸发量的估算     

咸水畦灌农田土壤水热盐动态及油葵生长的试验与模拟

为探究中国西北旱区咸水畦灌条件下农田土壤水热盐动态及其对作物生长的影响,采用大田试验和WASH-C模型(Layered Soil Water-Solute-Heat Transport and Crop Growth Model,土壤水热盐迁移和作物生长耦合的模拟模型)模拟相结合的方法,分析油葵全生育期内不同灌水量和矿化度处理下土壤剖面水盐分布特征、温度变化及油葵生长规律。试验设置包括2个灌水量水平(分别为油葵畦灌需水量的100%、50%)和3种畦灌水矿化度(分别为0.7、4.0、8.0 g/L)。结果表明,土壤剖面的水、盐、热分布在根区(0～40 cm)的变动幅度要大于深层(40～100 cm),灌水量越多,水分、盐分变幅越大。随着灌水次数的增加,土壤剖面在0.7 g/L矿化度下出现脱盐现象,4.0、8.0 g/L矿化度下出现积盐现象,并且灌水量越大,相应的脱、积盐率越高。试验前期各层地温变化幅度较后期大,温度变化幅度随土壤深度增加而减小。0.7g/L、100%油葵需水量下的作物LAI和产量最大,8g/L、50%油葵需水量下最小,两处理的LAI分别为8.41、3.80 cm~2/cm~2,产量分别为5.49、3.08t/hm~2,差异显著(P0.05)。模拟结果表明,WASH-C能够较好地模拟各时期土壤中根区、深层含水率的分布特征,所有模拟结果的R2不低于0.53。在咸水矿化度小于等于3g/L的情景模拟下,作物根区不会产生明显的积盐现象。合理的咸水畦灌制度有利于充分利用咸水资源并提高油葵的水分利用效率和产量。     

西北灌区地下水矿化度变化及其对作物的影响

地下水矿化度的时空变化是影响地下水资源质量和作物生长的重要因素,尤其是对主要依靠抽取地下水用于灌溉的农业地区。该文以石羊河流域为例搜集了武威、昌宁、民勤共21个灌区1981－2003年间观测站点的地下水矿化度数据,选用反距离加权法（IDW）进行空间插值处理。并结合自然因素和人类活动的影响,分析其时空变化趋势,结果显示：流域内年平均矿化度（TDS）整体呈增加趋势,且从上游向下游逐渐增高,矿化度的年际波动也从上游向下游逐渐增大。该文还分析了矿化度变化对当地主要作物的安全生长影响,研究了当地两种典型作物春小麦和棉花的适合种植范围,得出：适合两种作物的种植面积略有缩小趋势。该研究表明在一些需要采用地下水进行灌溉的西北干旱灌区,应加强对地下水矿化度的监测与控制。     

区域地下水位插值的整体-局部组合方法

利用趋势面分析法进行空间插值时估值趋势面光滑,对局部数据起伏较大的区域插值精度不理想。针对这一问题,该文基于非平稳地下水位数据,在用趋势面分析法进行空间插值的基础上,运用Yamamoto提出的修正的普通克里金法对区域残差进行了空间插值。将趋势面分析法的估计值与残差估计值相加,得到区域地下水位的空间分布规律。结果表明,采用这种整体与局部结合的组合插值方法,地下水位插值的结果比趋势面分析结果更接近实际情况,在保证全局最优的同时较好地解决了估值趋势面光滑、局部插值精度低的问题,更能真实地反映区域地下水位空间分布特征。     

基于SHAW模型的南疆典型灌区适宜盐分淋洗定额空间分布

明晰西北旱区休闲期土壤盐分淋洗定额的空间分布特征,对于水资源有效利用、土壤盐渍化防控具有重要意义。受制于土壤盐分、土壤质地的空间变异性,在某一点尺度获得的盐分淋洗定额难以全面反映区域的情况。该研究以南疆阿拉尔灌区为例,采用统计学和空间插值相结合的方法,确定灌区土壤盐分、土壤质地的空间分布特征,并通过划分模拟单元,建立基于SHAW(the simultaneous heat and water)模型的灌区尺度分布式模型,得到了不同灌水模式下适宜的盐分淋洗定额空间分布特征。结果表明：阿拉尔灌区土壤盐分呈现出“西多东少,南多北少”的分布特征;不同深度土壤颗粒含量均以砂粒和粉粒为主,土壤质地主要为粉壤土和砂壤土(占比约36.81%和19.44%);土壤含盐量和土壤砂粒含量是影响盐分淋洗定额的主要因素,3种灌水模式(只冬灌、只春灌、冬灌+少量春灌)中,冬灌+少量春灌(300 m³/hm²)处理综合权衡了冬灌和春灌的优势,灌区内适宜冬灌定额主要介于1 500～2 250 m³/hm²之间,最有利于节水灌溉和作物...