利用冬小麦作物生长模型对产量气候风险的评估

以北京地区冬小麦生产为例，介绍了两种作物生长模型——小麦生长模拟模型WheatSM和农业生产模拟系统(小麦模型)APSIM-Wheat在作物生产气候风险评估中的应用研究。在对WheatSM和APSIM-Wheat进行参数调试和验证的基础上，用北京地区1955～2000年的历史时期气候资料，以日为时间步长，进行多年冬小麦生产的模拟，分析不同气候年型下冬小麦产量的风险。其中，利用WheatSM的模拟结果评估了北京地区热害对冬小麦产量造成的风险，结果表明，5月平均气温≥21℃时为灌浆期高温年型，热害造成的减产至少在13.1%以上；利用APSIM-Wheat的模拟结果评估了北京地区干旱造成的冬小麦产量风险，结果表明，当全生育期降水量<100 mm，缺水量>169.40 mm时，北京冬小麦全生育期严重干旱，冬小麦产量在4 t·hm^-2以下。以上研究结果符合生产实际，可为北京地区不同气候年型下冬小麦生产的动态决策和减轻灾害损失提供科学依据和技术支持。     

不同水氮处理对冬小麦生长及产量影响的田间试

该文以促进农业用水增效为目的,开展了作物水肥生理调控技术研究,选用主要农作物冬小麦,进行不同水肥耦合的灌溉试验,对冬小麦生理指标(株高、干物质质量、叶面积指数、光合作用和籽粒产量等)进行了统计分析,初步探索了冬小麦对水肥(氮)需求影响的规律。通过对冬小麦生理生育指标的统计分析及比较可知各个处理之间各生物指标的生长趋势相同,而200kg/hm2氮处理的各生物指标普遍优于100kg/hm2氮处理的各生物指标,这表明在低肥力条件下适当的增施氮肥,可以提高产量,不过各个处理下冬小麦籽粒产量和总生物量并无显著性差异。在水分处理上灌浆水和返青水很关键,只是在灌灌浆水时已进入雨季,可以减少灌溉水量而充分利用雨水。为减少对环境的污染,建议在生产上考虑选择100kg/hm2氮肥量,并不显著影响冬小麦的生长及最终产量。     

土壤水氮资源的利用与管理Ⅲ.冬小麦夏玉米水氮管理措施的优化

本文应用了非线性目标规划模型 ,用线性化逼近法求解 ,对冬小麦 夏玉米种植制度下 ,不同降雨年型的水氮管理措施进行了优化。以灌水和施氮总量为决策变量。以产量和土壤水和氮资源利用效率为优化目标 ,其中以经济产量为第一优先层 ,以土壤水、氮资源利用效率为第二优先层。根据作物 土壤联合模型模拟所得的目标函数 ,得到了不同降雨年型下小麦和夏玉米单季和中等降雨年型小麦 夏玉米周年的优化水氮管理措施方案。     

基于密切值法和水氮管理模型的华北平原农田水氮优化管理

优化农田水氮管理措施可为实现粮食高产、资源高效及环境友好的目标提供科学依据。该研究以华北平原泰安地区为例,利用农田生态系统水热碳氮过程耦合模型(soil water heat carbon and nitrogen simulator,WHCNS)分别对冬小麦季设置的165个水肥组合和夏玉米季设置的55个水肥组合进行了情景模拟分析,在综合考虑农学、环境和经济效益的基础上,采用密切值法优化了农田水肥管理方案。结果表明:受到华北地区年内降雨分配不均的影响,冬小麦产量随着灌水量的增加呈先增加后稳定的趋势;而夏玉米产量与灌水量没有明显的关系。冬小麦和夏玉米产量均随着施肥量的增加而增加,后保持稳定。水分渗漏和氮素淋洗量均随着灌水量或施肥量的增加而显著增加。在研究区作物秸秆全部还田及高累积氮的条件下,冬小麦季灌水240 mm和施肥60 kg/hm~2(以N计,下同),夏玉米季不灌溉和施肥90 kg/hm~2分别为研究区当年冬小麦季和夏玉米季最佳的水肥管理方案。在所有水肥组合情景中,优化的水肥管理方案不仅能保证冬小麦-夏玉米最大周年产量的97%、具有较高的水氮利用效率和最佳的产投比,而且氮素淋洗和气体损失分别比最大值降低了77%和71%。因此,该方法可以用来优化华北平原农田的水肥管理措施。     

基于PEST的土壤-作物系统模型参数优化及灵敏度分析

农业生产管理系统模型输入参数多,参数率定过程十分耗时费力,大大限制了其推广应用。该研究以华北平原2 a的冬小麦-夏玉米田间试验观测数据为基础,使用PEST(parameter estimation)参数自动优化工具对土壤-作物-大气系统水热碳氮过程藕合模型(soil water heat carbon and nitrogen simulator,WHCNS)的土壤水力学参数、氮素转化参数和作物遗传参数进行自动寻优,同时计算分析模型参数的相对综合敏感度,并将优化结果与土壤实测水力学参数和试错法的模拟结果进行比较。参数敏感度分析结果表明,18个模型参数的相对综合敏感度较高,其中土壤水力学参数普遍具有较高的敏感度,以饱和含水率敏感度最高;作物参数中,作物生长发育总积温和最大比叶面积具有较高的综合敏感度;而氮素转化参数的敏感度远低于土壤水力学参数和作物参数。评价模型模拟效果的统计性指标(均方根误差、模型效率系数和一致性指数)表明,PEST法比实测水力学参数的模拟精度有所提高,其中土壤含水率、土壤硝态氮含量、作物产量和叶面积指数的均方根误差分别降低了61.8%、23.5%、73.6%和23.3%。同时PEST法比试错法对土壤水分和作物产量的模拟精度也有较大提高,但对土壤氮素和叶面积指数的模拟精度提高不明显。由于该方法大大节约了模型校准时间,在较短的时间内获得了明显高于试错法的模拟精度,因此PEST软件在WHCNS模型参数自动优化中是一个值得推广的工具。     

基于GIS的区域作物生长模拟模型

利用VB程序语言改写SUCROS作物生长模型,将其模块法并改进了水分平衡和作物系数算法。通过试验数据对参数的校验,模型可以较准确模拟主要作物生长变量和预测产量。以GIS与作物生长模拟模块紧密集成的方式,采用ArcGIS Engine控件开发了区域作物模拟模型(RCGM),可用以模拟区域作物生长和产量时空分布。建立空间数据库管理区域作物生长模拟所需空间数据。以河北省栾城县为例,应用RCGM进行县域冬小麦生长模拟和产量预测,模拟产量平均相对误差为12.51%,表明区域模型模拟也有较高准确性。     

基于Dualex氮平衡指数测量仪的作物叶绿素含量估算模型

作物叶绿素含量的实时、无损及快速的监测,对及时掌握作物的胁迫状况、营养水平及环境适应性,进而对农田管理进行科学指导具有重要的意义。该研究论证是否可以通过Dualex氮平衡指数测量仪构建通用的叶绿素含量估算模型,以期实现叶绿素含量的快速及无损监测和估算。结果表明：1）Dualex估测叶绿素质量分数（Chl-M）和单位面积的叶绿素质量（Chl-S）具有较好的精度（决定系数R2分别为0.77和0.88）,与SPAD叶绿素仪的估算模型（R2分别为0.66和0.79）相比,模型精度更高;2）Dualex估测Chl-S的精度明显高于Dualex对Chl-M的估测精度,Dualex与Chl-M的关系需要考虑叶片厚度的影响,而Dualex与Chl-S的线性关系更加一致;3）构建的Chl-S通用模型的R2,均方根误差和标准均方根误差分别为0.88,4.80 mg/dm2和8.33%,模型的精度较高,并且通用模型的数据范围为12.2～105.6 mg/dm2,较大的数据范围适用于冬小麦和玉米各关键生育期Chl-S的估算。该研究为Dualex实现冬小麦和玉米叶绿素含量监测和估算提供校准模型,为及时了解作物养分状况及作物营养诊断提供了参考。     

土壤水氮迁移转化与作物生长耦合模拟

定量描述农田土壤-作物系统中水氮迁移转化规律,对水氮资源高效利用和水土环境保护具有重要的意义。以土壤水、热和溶质迁移转化动力过程为基础,综合考虑气象因素变化和土壤水氮动态变化及其对作物生长的影响,构建了土壤水、热、氮迁移转化与作物生长耦合模拟模型。并应用该模型对2007－2008年冬小麦生育期内的土壤水分、氮素转化运移以及冬小麦产量、生物量、腾发量（ET）进行模拟,模拟结果与实测数据均吻合良好。可应用该模型模拟不同作物种类、不同灌水施肥条件下土壤水分与氮素动态变化过程和作物生长状况,进而获得农田水肥优化管理模式。     

基于水氮管理与种植结构优化的作物丰产高效管理策略

河西走廊农业生产受到水资源短缺与农业资源利用效率低的限制,制约着该地区的种子、粮食生产与农业可持续发展战略。该研究构建了考虑作物水氮需求量、降雨量、土壤初始含氮量的水氮管理制度优化方法,并结合所构建的考虑空间尺度作物产量与水氮利用效率的多目标种植结构优化方法,为河西走廊制种玉米、大田玉米和小麦制定丰产高效的水氮管理与种植结构调整策略,从而实现作物产量和水氮利用效率的协同提升。结果显示：优化的水氮管理制度相比管理现状可减少单位面积灌水量9.1%～27.3%、施氮量26.6%～50.0%;以作物产量和水氮利用效率最大为目标,以种植面积、产量需求和水氮投入量为约束,调整制种玉米、大田玉米和小麦的种植面积与空间分布,优化后制种玉米和小麦种植面积减少、大田玉米种植面积增加,总种植面积减少4 874.8 hm2,且作物种植空间分布较优化前差异明显;水氮管理与种植结构优化协同作用可以在水氮用量分别减少0.29×109 m3和3.36×107 kg的情况下,作物总产量提升0.16×109 kg,区域灌溉水生产力和氮肥利用效率分别提升0.62 kg/m3和18.97 kg/kg。该研究可以为产粮区和缺水区的作物丰产高效和农业可持续发展提供科学指导与决策参考。     

冬小麦田间墒情预报的经验模型

基于土壤水分变化率与贮水量成正比这一假定,得出了土壤水分的指数消退关系。在此基础上,建立了冬小麦生育期土壤墒情预报的经验递推模型,并对模型进行了检验,表明模型预报效果较好。该模型的特点是模型简单且参数较少;其主要局限性是模型中土壤水分消退系数地域、时域性较强     

不同水肥管理对冬小麦灌浆影响的模拟研究

在河北省衡水市中国-加拿大合作研究试验站,结合田间试验对不同水肥管理条件下冬小麦的灌浆过程进行了研究。结果表明,小麦粒重的大小主要取决于灌浆时间和强度,子粒的灌浆过程可较好地用Logistic函数描述。小麦生长前期的水分胁迫有利于加快其发育进程,促使早抽穗灌浆。灌浆期适宜的水分状况可延缓小麦的灌浆进程,由于较大灌浆速率持续的时间较长,增加千粒重的潜力较大。小麦的群体密度是影响收获粒重的主要因素之一,随着穗密度的增大,灌浆速率和千粒重逐渐降低。随着施氮量的增加,小麦的干粒重下降,这主要与施氮的增穗作用有关。     

渭北旱塬不同田间管理措施下冬小麦产量及水分利用效率

水分是限制旱地作物产量最主要的因素,提高自然降水利用效率是增加旱地作物产量的有效途径。2001～2003年在渭北旱塬粉砂壤土上的田间试验研究表明,不同田间管理措施对冬小麦的产量及水分利用效率有显著的影响。秸秆覆盖不仅增加雨水入渗,提高上层土壤含水量,而且促进水分向下运输。在覆盖第二年小麦产量较常规种植显著增加,同时覆盖下土壤有机质含量有较快增加的趋势。夏季休闲期种植填闲作物将不影响下一季作物的水分状况,短期内填闲作物对土壤有机质,小麦产量及水分利用效率也没有影响。     

基于生长模拟模型的冬小麦生理过程水份胁迫影响因子效应的定量研究

A deep understanding of crop-water eco-physiological relations is the basis for quantifying plant physiological responses to soil water stress. Pot experiments were conducted to investigate the winter wheat crop-water relations under both drought and waterlogging conditions in two sequential growing seasons from 2000 to 2002, and then the data were used to develop and validate models simulating the responses of winter wheat growth to drought and waterlogging stress. Thee xperiment consisted of four treatments, waterlogging (keep 1 to 2 cm water layer depth above soil surface), control (70%-80% field capacity), light drought (40%-50% field capacity) and severe drought (30%-40% field capacity) with six replicates at five stages in the 2000-2001 growth season. Three soil water content treatments (waterlogging, control and drought) with two replicates were designed in the 2001-2002 growth season. Waterlogging and control treatments are the same as in the 2000-2001 growth season. For the drought treatment, no water was supplied and the soil moisture decreased from field capacity to wilting point. Leaf net photosynthetic rate, transpiration rate, predawn leaf water potential, soil water potential, soil water content and dry matter weight of individual organs were measured. Based on crop-water eco-physiological relations, drought and waterlogging stress factors for winter wheat growth simulation model were put forward. Drought stress factors integrated soil water availability, the sensitivity of different development stages and the difference between physiological processes (such as photosynthesis, transpiration and partitioning). The quantification of waterlogging stress factor considered different crop species, soil water status, waterlogging days and sensitivity at different growth stages. Data sets from the pot experiments revealed favorable performance reliability for the simulation sub-models with the drought and waterlogging stress factors.     

冬小麦根层土壤水量平衡的系统动力学模型

为获取冬小麦根系层水量转化情况,该文采用系统动力学的建模思想和Vensim软件构建了冬小麦一维逐日土壤水量平衡模型。模型将2m土层概化为十个串联的水箱,计算了灌溉降雨后的土壤水分下渗、土壤蒸发、作物蒸腾、毛管上升补给和水分重分配等物理过程。利用河北省石津灌区军齐干渠北二支一斗渠2007－2009年两季冬小麦的田间试验资料对模型进行了率定和验证,结果显示率定期和验证期的平均残差比例和分散均方根比例均在15%以内。三种极端条件测试和六种参数的敏感性测试以及与Hydrus-1模型的比较表明模型假定合理,没有发生结构性错误。对灌区两季冬小麦生育期的土壤水分转化进行模拟,结果表明降雨和灌溉是主要供水水源,毛管水上升量很小,底部渗漏较大,而土壤储水量变化很小。     

基于多源数据的县域冬小麦氮肥调控管理分区

为便于对县域尺度冬小麦进行精确氮肥调控,该文以安阳县冬小麦种植区为研究对象,在3S技术的支持下,利用定性和定量相结合的分析方法,分别对影响冬小麦氮肥调控的重要因子,如地形、土壤类型、土壤养分和光谱信息等多源数据,进行聚类和综合叠加分析,以确定最终的县域氮肥调控管理分区。基于土壤养分和产量的管理分区划分结果评价表明,各级分区土壤养分和产量的变异系数均有所减低,其中三级分区的21个子区为最终分区结果,其管理分区之间的土壤理化性质差异显著,有机质、碱解氮和产量变异系数均值分别降低70%、53%、66%。基于光谱数据的管理分区划分结果评价表明,不同分区内归一化植被指数(NDVI)的集中程度明显提高。分区结果可以作为冬小麦氮肥调控的决策单元,为精确农业管理提供有效途径。     

间作种植模式下冬小麦棵间蒸发变化规律及估算模型研究

采用微型蒸渗仪(Micro-lysimeter)观测了单作和间作两种不同种植模式下冬小麦棵间土壤蒸发,分析了两种不同种植模式下棵间土壤蒸发的变化规律,探讨了影响麦田棵间土壤蒸发的主要因素,在此基础上对单作和间作麦田采用多元回归分析,建立了两种种植模式下估算棵间土壤蒸发的数学模型,所建模型模拟精度较高,模拟值与实测值吻合较好。     

秸秆覆盖麦田水分动态及水分利用效率研究

试验研究表明,秸秆覆盖可改变作物耗水规律。即前期能抑制土壤蒸发,减少土壤水分无效消耗;后期则增强植株蒸腾,促进干物质积累,使农田耗水由物理过程向生物学过程转化,有利于提高产量和作物水分利用效率。不同覆盖期和不同土壤水分条件下覆盖效果不同,土壤含水量55%～70%的麦田覆盖效果最佳,覆盖时间以冬小麦进入越冬期停止生长时覆盖为宜。     

基于WOFOST模型的中国主产区冬小麦生长过程动态模拟

大区域尺度WOFOST(world food studies)模型的动态模拟是作物模型区域应用的重要基础。该文以中国冬小麦主产区为研究对象,利用中国冬小麦主产区内174个农业气象站多年观测数据以及气象站点观测数据,重点优化WOFOST模型中与品种相关的积温参数,即出苗至开花有效积温与开花至成熟有效积温。在冬小麦主产区分区的基础上,以2012—2015年气象数据驱动WOFOST模型,在站点尺度进行冬小麦的物候期、叶面积指数(leaf area index,LAI)和单产动态模拟和精度分析。结果表明:WOFOST模型模拟出苗至开花天数的决定系数R2为0.89~0.94,均方根误差RMSE为7.87~11.52 d,模型模拟开花至成熟天数的R2为0.63~0.77,RMSE为2.99~4.65 d;模型模拟LAI的R2为0.70~0.83,RMSE为0.89~1.46 m2/m2;灌溉区WOFOST模拟的单产精度R2为0.45~0.59,RMSE为734~1 421 kg/hm2;雨养区WOFOST模拟的单产精度R2为0.48~0.61,RMSE为1 046~1 329 kg/hm2。结果表明,WOFOST模型在全国尺度取得了较高模拟精度,为区域尺度作物模型的农业应用提供了坚实的过程模型基础。