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。     

基于文献计量学的EPIC模型应用综述

[目的]检索1991—2021年EPIC模型的应用情况,进行文献计量和聚类分析,为EPIC模型未来的应用和发展指出方向。[方法]通过检索Web of Science核心数据库,基于检索到的1991—2021年与EPIC模型相关的261篇论文和R软件包bibliometrix文献计量和聚类分析法,分析了EPIC模型的研究热点和历史发展趋势。[结果] 1991—2021年,EPIC模型应用年发文量呈增加趋势,已有研究侧重于水文水资源与气候变化、土壤侵蚀与养分流失、农业干旱和作物生长等4个方面。该模型模拟精度高,能够很好地评价和预测过去、现在和未来的水、土、土壤养分流失和作物产量,但模型也存在参数多,输入数据制备难的缺点。[结论] EPIC模型可应用于多个研究领域,与其他模型及深度学习等方法的耦合,为深入开展“双碳”和水土流失研究、作物生产及对气候变化的响应模拟和预测等工作提供支撑。     

土壤水盐与玉米产量对地下水埋深及灌溉响应模拟

引黄水量的削减将进一步加剧宁夏银北灌区农业用水短缺问题,合理应用地下水进行灌溉对保障作物产量具有重要意义。为探究地下水灌溉条件下土壤水盐与作物生长的互馈机制,该研究修正了HYDRUS-1D的土壤蒸发模块,并嵌入可模拟作物生长与产量的EPIC模块,以此提高该模型在农田水文过程模拟中的适用性。采用2008年银北灌区不同水质灌水处理的玉米田间试验数据对模型进行了率定与验证。进一步应用该模型探寻地下水灌溉条件下,土壤水盐动态及玉米产量对地下水埋深变动及灌溉的响应规律。结果表明,玉米产量随地下水埋深增大呈现先增后减趋势,为保障玉米产量应将地下水适宜埋深控制在140~155 cm,且灌水量不宜低于现状灌水量,即玉米生育期内灌3水,每次900 m3/hm2。该研究对干旱银北灌区农业生产具有重要意义。     

土壤水氮动态及作物生长耦合EPIC-Nitrogen2D模型

为计算农业区不同作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程,该文基于Erosion/Productivity Impact Calculator(EPIC)作物模型建立了作物根系生长子模块,将其进行有限元数值离散,与土壤氮素迁移转化模型Nitrogen2D耦合,使模型能计算作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程。该作物生长模块可计算多种胁迫下作物根系对土壤水分和氮素的动态吸收速率,及作物收获时的生物量和吸氮量。采用武汉大学灌溉排水试验场冬小麦生长条件下土壤水氮试验数据对模型进行了率定,并用于土壤水氮分布和作物生物量预测,土壤含水率、氮素的模拟值与实测值的一致性系数分别为0.86~0.97、0.52~0.98,Nash效率系数为0.59~0.90(含水率)、0.44~0.93(土壤氮素),说明模拟结果与实测值吻合度较高。同时,分别采用该文的作物生长模块和简单根系吸收模块计算根系吸氮过程,结果显示,简单根系吸收模型会显著高估作物吸氮量,而作物生长模型则由于考虑了根系生长和各环境因子的胁迫作用,计算结果更符合作物实际吸氮过程,计算的根系吸氮量相对均方根误差为3.4%~46%。     

基于EPIC模型的冬小麦生长模拟参数全局敏感性分析

模型参数的敏感性分析是模型本地化、区域化过程中不可或缺的重要环节。局部敏感性分析忽略了参数间的相互耦合作用对模型结果的间接影响,从而导致敏感参数选取具有一定的片面性。该研究以河北衡水冬小麦试验区为研究区,使用全局敏感性分析方法分析EPIC模型在冬小麦产量模拟中的敏感参数。研究表明：收获指数（HI）、生长季峰值点（DLAI）、潜在热量单位（PHU）、最大作物高度（HMX）是影响模型本地化最为关键的参数（总敏感指数＞0.1）;作物的播种日期、收获日期及种植密度是影响区域尺度的作物产量估计最为敏感参数（总敏感指数＞0.1）。研究同时表明全局敏感性分析方法可用于作物生长模型本地化、区域化研究,且优于传统局部敏感性分析方法。     

农田水盐运移与作物生长模型耦合及验证

合理定量描述土壤水盐动态及作物生长过程对于干旱灌区制定适宜的农业用水措施具有重要意义。该文以SWAP(soil water atmosphere plant)模型为基础,采用变活动节点法实现了对土壤融化期的水盐运移模拟,并在根系吸水计算中引入了基于S形函数的水盐胁迫计算方法,以修正原SWAP模型对根系吸水的模拟。进一步嵌入了参数与输入数据较少且可以模拟作物生长过程及实际产量的EPIC(environmental policy integrated calculator)作物生长模型,构建了改进的农田尺度土壤水盐动态与作物生长耦合模拟模型-SWAP-EPIC。分别采用宁夏惠农灌区春小麦和春玉米田间试验数据,对SWAP-EPIC模型田间适用性进行了检验。对比分析各层土壤水分与盐分浓度、作物生长指标(叶面积指数、地上部生物量)的模拟值与实测值,结果表明:春小麦和春玉米试验中土壤水分的平均相对误差MRE和均方根误差RMSE均接近于0且模型Nash效率系数NSE值趋近于1,水分模块模拟精度较高,盐分浓度模拟存在略微差异但总体上一致性较好,并且作物生长指标匹配良好;同时,模拟的产量和蒸散发均较为接近实际值,春小麦和春玉米产量模拟相对误差分别为4.9%和3.3%。综上,该文改进的SWAP-EPIC模型可良好地应用于寒旱区农田尺度土壤水盐运移与作物生长耦合模拟。     

分布式水文模型在陕西省冬小麦产量模拟中的应用

利用分布式水文模型和作物模型模拟了不同深度的土壤含水量,以及在连接分布式水文模型和不连接分布式水文模型两种方式下,利用作物模型分别对冬小麦叶面积指数、干物重增量和产量进行了模拟,最后采用连接分布式水文模型的作物模型模拟了全流域内冬小麦产量的空间分布。模拟结果经对比检验表明,分布式水文模型在土壤水分模拟方面准确性高于作物模型;连接分布式水文模型的作物模型对冬小麦生长过程和产量的模拟结果准确性均高于作物模型独立模拟的结果;连接分布式水文模型的作物模型在流域内对冬小麦产量的空间分布模拟结果也与农业试验站观测产量和社会统计产量基本一致,高产区、低产区分布与实际基本相吻合。这为分布式水文模型和作物模型耦合应用,以及通过引进分布式水文模型来推动作物模型和产量预报研究进一步发展提供了基本的试验支持。     

CERES-Rice模型在江汉平原的验证与适应性评价

基于江汉平原武汉、荆州农业气象试验站双季早、晚稻及单季中稻多年田间试验数据和同期逐日气象数据,在利用GLUE参数估计模块结合"试错法"对模型参数标定基础上,对CERES-Rice模型叶面积指数及生物量动态、发育期、成熟时地上部生物量、产量等的模拟能力进行了验证。结果表明,模型对水稻发育期模拟较好,开花期和成熟期的模拟误差在3d以内,其中对感光性较弱的早稻模拟最好,感光性较强的晚稻模拟最差;生育期内叶面积指数和生物量动态模拟良好,一致性指数分别达0.98和1.0;模拟产量和地上部总生物量的相对均方根误差分别为8.72%和5.91%,总体效果较好,其中生殖关键期遭遇寒露风的晚稻产量NRMSE为11.16%,模拟效果偏差。说明CERES-Rice模型在无明显异常天气条件下对江汉平原地区水稻模拟具有较好的适应性,CERES-Rice模型可为江汉平原水稻生育期预测提供技术支撑,在考虑极端天气条件胁迫产量形成过程的基础上,可应用于该地区气象影响评价及产量预报业务。     

基于COSIM模型的新疆棉花产量动态预报方法

该文在对棉花生长模拟模型COSIM进行模型调试、验证实现本地化应用的基础上,探讨运用作物模型进行棉花产量动态预报的方法,重点解决未知气象数据替代问题。作物模型应用于产量预报时,未来天气的不确定性是影响预报准确率的关键因子,该影响随着当年实际天气数据增多而减小。该文以近50 a的气象数据,依次替代预报日至收获期的气象数据(即预报日之前使用预报年当年气象数据,预报日之后使用替代年气象数据),模拟棉花生长发育和产量形成过程,以近50、40、30、20、10、5 a历史气候数据依次替代预报日之后的逐日数据获得的模拟产量平均值作为预报产量,根据对预报准确率进行比较,最终确定以近10 a实测数据替代获得的模拟产量平均值作为最终预报产量。经验证该预报方法对不同播种时间棉花产量动态预报的准确率在81.3%~99.6%,预测精度较好。作为案例分析,该文仅进行每月1次预测分析,实际应用中可进行逐日替代动态预报,经过进一步改进,提高预报精度,未来可望达到业务应用水平。     

温室甜椒生长与产量预测模型

基于光温的作物生长模拟模型是进行温室作物和环境优化调控的有力工具。通过不同品种、不同生态地点的温室播期试验,定量分析辐射和温度对甜椒干物质分配和果实采收指数的影响,以及果实干物质量增长和鲜质量增长的关系,建立以辐热积为预测指标的甜椒干物质分配模型,并将其与光合作用驱动的干物质生产模型以及果实干物质量增长和鲜质量增长的定量关系相结合,建立温室甜椒生长动态与产量预测模型。利用与建模相独立的试验资料对模型进行检验,结果表明,模型对Venlo型连栋温室和日光温室中种植的不同品种甜椒的干物质生产与分配和产量的预测结果较好,建立的模型参数少且易获取,实用性较强,可以为中国温室甜椒生产中光温的管理提供决策支持。     

美国堪萨斯州不同天气事件与土壤类型条件下作物产量预测

Computer simulation was used for predictive analysis of the effects of weather and soil type on crop yield in the U.S.crop insurance program.The Environmental Policy Integrated Climate (EPIC) model was modified to include hail weather events,which completed the modifications necessary to simulate the four most frequent causes of crop yield loss (hail,excessive wet,excessive cold,and excessive dry) associated with soil type in Kansas,USA.At the region level,per hectare yields were simulated for corn,wheat,soybean,and sorghum.We concluded that it was possible to predict crop yields through computer simulation with greater than 93% accuracy.The hail damage model test indicated EPIC could predict hail-soil-induced yield losses reasonably well (R² > 0.6).The investigation of soil type influence on dryland sorghum and wheat production indicated that Wymore silty clay loam soil and Kenoma silt loam produced the highest sorghum yields statistically;Kuma silt loam,Roxbury silt loam,Crete silty clay loam,and Woodson silt soils produced the second highest sorghum yields statistically;and Richfiled silt loam,Wells loam,and Canadian sandy loam produced the lowest sorghum yields.By contrast,wheat production showed less sensitivity to soil type variation.The less sensitive response of wheat yields to the soil type could be largely due to the unconsidered small-scale variability of soil features.     

EPIC模型中土壤氮磷运转和作物营养的数学模拟

土壤侵蚀和生产力影响估算模型EPIC是国际上较有影响的水土资源管理和作物生产力评价动力学模型。本文简要介绍了EPIC模型中描述土壤氮磷养分运转与作物氮磷营养的基本原理及其主要数学方程。在作物和土壤微生物等生物因素,热量、降水等气候因素,施肥、灌溉和土壤耕作等管理因素的影响下,农田土壤氮素和磷素不断发生空间运移和形态转化。EPIC模型能够逐日定量描述土壤中氮磷养分的矿化与固定、硝化与反硝化、淋洗与挥发、流失与吸收、矿质磷循环、豆科作物固氮等运移、转化及作物吸收过程的变化速率和数量,揭示出土壤剖面氮磷运移、转化和作物营养的动态变化规律,可供农田土壤管理和作物营养定量评价研究中借鉴。     

基于作物模型与叶面积指数遥感影像同化的区域单产估测研究

通过对作物光合、呼吸、蒸腾、营养等一系列生理生化过程的定量模拟,作物生长模型已经被成功应用于田间尺度的作物单产研究。为了进一步将作物模型扩展应用于区域尺度,提高区域作物单产的模拟精度,该文探讨了将作物模型与多时相叶面积指数(LAI)遥感影像同化以改善区域单产估测的方法。研究首先通过地理信息系统将美国农业部开发的“考虑气候的作物环境决策模型”——EPIC模型,扩展为空间模型。然后,通过基于Landsat TM影像差值植被指数DVI与田间观测叶面积指数构建的最优回归模型,反演了研究区域的多时相叶面积指数影像。最后通过优化算法实现了空间EPIC模型与影像信息的同化,并将系统应用于河北石家庄地区2004年冬小麦的单产估测。结果表明,通过数据同化校正部分关键参数后的空间作物模型的单产模拟精度得到有效提高,但要达到业务运行精度仍有待进一步改善。     

黄土高原旱塬区高产玉米田土壤干燥化与产量波动趋势模拟研究

为研究黄土高原旱作高产玉米田土壤干燥化与产量波动趋势,利用EPIC模型对黄土高原南部旱塬区玉米水分生产潜力和土壤水分动态进行中期(12a)和长期(30a)定量模拟研究。结果表明,在12a实时气象条件下的模拟时段内,旱塬地玉米水分生产潜力随降水量变化呈现波动性降低趋势,3m土层土壤有效含水量也表现为剧烈波动性和逐渐下降趋势,土壤干燥化趋势明显;在30a模拟气象条件下的模拟时段内,旱塬地玉米水分生产潜力呈现明显波动性轻微降低趋势,3m土层土壤有效含水量季节性和年际间波动性剧烈,从长时段看土壤有效含水量呈现略微上升趋势;在降水量减少幅度不显著的情况下,旱塬玉米地土壤干燥化现象只是一种短期过程,通常不会导致长期性土壤强烈干燥化现象发生,但玉米产量随降水量变化的波动性不可避免。     

遥感信息与作物生长模型的区域作物单产模拟

利用外部数据同化作物生长模型提高区域作物单产模拟精度是近年来的研究热点.该文以遥感反演的叶面积指数(LAI)作为结合点,以黄淮海粮食主产区典型县市夏玉米为研究对象,在区域尺度利用全局优化的复合形混合演化( SCE-UA)算法进行了遥感反演LAI信息同化EPIC (environmental policy integra...     

基于聚类法筛选历史相似气象数据的玉米产量DSSAT-CERES-Maize预测

根据陕西杨凌、合阳、长武3个站点各2 a玉米试验,在对玉米生长模拟模型CERES-Maize进行调试、验证的基础上,探索在生育期内进行动态产量预测的方法并验证.研究将目标生育期内未知气象数据分别用试验地的多年历史同期数据代替,结合生育期实时数据对应生成多个完整的气象数据序列运行模型预测产量.随着生育期的推进,逐日在气象数据序列中融入目标年实测的气象数据,从播种至收获动态模拟玉米产量.此外该研究使用改进前后的K-NN算法从历史气象年份中筛选目标年的气象相似年份进而预测产量.通过对3种方法预测精度及预测效率对比,确定改进的K-NN算法最优.研究表明,玉米生育前期产量预测可靠性和准确率均较差,抽雄后预测精度迅速提高;利用改进的K-NN算法在3个站点全生育期预测产量的平均绝对相对误差的均值分别为9.9%、19.8%、17.9%,抽雄后预测产量的平均绝对相对误差在0.2%~12.6%之间,相比于使用全部历史年份数据进行全生育期产量预测,模拟所需时间从61 min缩短至25 min.对该方法中降雨因子的筛选进一步改进可提高预报精度,未来有望达到业务应用水平.     

黄淮海平原典型区冬小麦水分胁迫规律与灌溉策略

黄淮海平原区是中国主要的水分亏缺区,进行合理的灌溉,充分提高水分利用效率是近些年该地区农业研究的重要课题。该文利用环境政策综合气候模型（environmental policy integrated climate,EPIC）,通过模拟黄淮海平原典型区河北沧州地区冬小麦在3种灌溉情景下的生长过程探索合理的灌溉策略。首先通过雨养（无灌溉）情景模拟,分析在当地气候条件下冬小麦生长期内水分胁迫的变化规律,然后通过自动灌溉,调整单次灌溉最大量来分析产量、水分利用效率的变化规律,并根据灌溉实施过程探索合理的人工灌溉方式进行手动灌溉模拟。研究发现：该地区冬小麦在生长期内缺水严重,存在4个主要的水分胁迫期,分别位于分蘖期、返青期、拔节期和灌浆期;通过分析自动灌溉结果,冬小麦在播种期需灌溉10 mm,分蘖期40 mm,返青期35 mm,拔节期35 mm,灌浆期10 mm,能在提高产量的同时保证水分利用效率在一个较高的水平;试验证明,利用EPIC模型可较好地进行作物的水分胁迫与灌溉策略研究。     

Comparing simulated crop yields with observed and synthetic weather data

Stochastic weather generators have been used in the development of climate scenarios which are input to agricultural simulation models that assess the climate impacts on crop growth and production. The synthetic data generated by a stochastic weather generator only mimic the observed weather data, thus discrepancies between the synthetic and the observed weather data often exist. For example, interannual variability in the synthetic data is often found to be weaker than in the observed data, i.e., the common problem of overdispersion. Here, we evaluate if the climate impact models are sensitive to such discrepancies. A stochastic weather generator (AAFC-WG) was used to generate 300 years long synthetic weather data for five Canadian locations, based on observed weather data for the baseline period of 1961−1990. The Decision Support System for Agrotechnology Transfer (DSSAT) v4.0 was employed to simulate crop growth and yield. Five major crops were simulated by the DSSAT model for three major soil types at each location, with 30-yr observed data and 300-yr synthetic data as weather input, respectively. Statistical tests were performed to investigate whether differences (both in mean and variance) of the simulated crop yields between the simulations with observed and synthetic weather data were statistically significant or not. Results showed that the differences in simulated crop yields were not statistically significant when synthetic weather data were used to substitute the observed data. Standard deviations of crop yield and biomass in simulations with synthetic weather data were, in 5 and 19% of all cases, respectively, found to be smaller by more than 20% to those simulated with observed weather. However, with only one exception, the differences in variances were not statistically significant. We conclude that reliable crop yield estimates can be obtained by combining the AAFC weather generator with the DSSAT crop growth models at the studied sites in Canada.     

利用作物模拟模型辅助决策小麦新品种推广初探

在田间试验和前人研究的基础上，以比较成熟的CERES-WHEAT模型为研究工具，以我国的主要作物小麦为研究材料，探讨了作物模型在区域试验和良种评价方面的潜在应用。目的在于应用作物模型的动态性和预测性功能，通过利用品种已有生理和遗传参数以及各地的气象、土壤资料，对冬小麦不同品种同一地点和同一品种不同地点的生育期、物候期、产量和产量构成因素进行模拟，并与实测值进行比较，最后对品种的生态适应性进行了综合评价。最终在品种产量表现和生态适应性等方面为品种区域试验和良种推广提供决策的依据，试图尝试用一条新的途径，辅助