作物生长模型的应用研究进展

作物生长模型不仅能够进行单点尺度上作物生长发育的动态模拟,而且能够从系统角度评价作物生长状态与环境要素的关系。本文通过梳理当前作物生长模型应用的诸多研究成果,剖析模型在气候变化对农业生产影响研究、作物生长模型区域应用中的关键问题,总结了当前以作物生长模型为核心的农业决策支持系统开发的研究情况,意在促进作物生长模型在生态、农业、区域气候资源和气候变化等研究中更广泛地应用。结果表明,作物生长模型在国内外的研究与应用广泛而深入,在气候变化背景下,应用作物生长模型进行历史时期气候条件和农业气象灾害对作物生产状况和产量的影响研究已相当广泛且相对成熟。利用全球气候模式（GCM）或区域气候模式（RCM）构建未来气候变化情景,再与作物生长模型耦合已发展成为评估未来气候变化对农业生产影响的重要手段。通过集成与整合多作物生长模型、多气候模式集合模拟、优化气候模拟数据订正方法可有效降低气候变化对农业生产影响评估的不确定性。遥感数据同化技术能够将站点模型运用到区域尺度上评价不同环境因子对农业生产的影响,拓宽了作物生长模型的应用尺度范围并有效提高作物产量估算的精度。以作物生长模型为核心的农业决策支持系统的研究与应用越来越多元化,是辅助农业生产管理和决策的重要工具。然而,由于作物生态系统的复杂性,作物生长模型模拟结果仍存在很大的不确定性,今后对作物生长机理及过程间耦合机制的探索还需加强,以便进一步完善和改进模型,促进作物生长模型更广泛地应用。     

基于遥感和作物生长模型的作物产量差估测

传统的作物生长模型很难模拟大田的实际产量,因为大量的数据、复杂的数学运算以及误差传递限制了作物生长模拟模型的运用。目前为止实际产量仅能通过观测和实地调查获得。该文将NOAA-14 AVHRR遥感获取的冠层温度信息引入作物生长模型,利用冠气温差计算作物水分胁迫系数,可以近似地估计区域作物实际生长速率和产量,进而建立了遥感-作物模拟复合模型PS-X,提出了估算区域作物实际产量的方法。PS-X模型可在不同层次模拟作物的生长和产量,在PS-1、PS-2、PS-X水平计算的分别是作物的光温生产潜力、水分限制下的生产力和实际产量。利用该模型,论文分别模拟了邯郸地区1998年夏玉米的光温生产潜力、水分限制下的生产力和实际产量,并通过比较不同模拟水平下产量和农户调查产量进行区域产量差分析。结果表明：PS-1和PS-2水平之间的产量差主要由水分和土壤质地差异造成;PS-2与PS-X水平间的平均产量差异较大,占总产量差（PS-1与PS-X水平之差）的81.4%,主要由田间管理差异造成;对于平原地区,夏玉米产量估测精度可达90%以上;砂质土壤区估算冠层温度和水分胁迫系数比壤质、粘质土壤区要高,因此砂质土壤区模拟作物产量较低,这与PS-2计算结果、农户调查数据一致。研究证实,区域上应用遥感瞬时温度信息建立遥感-作物模拟复合模型进行估产是可行的。     

东北玉米生长模型中土壤水分参数的敏感性分析

为进一步改进和提高东北玉米生长模型评估干旱的能力,并使之更好的在区域尺度上应用,以吉林省为例,对该模型的土壤水分参数进行敏感度分析。通过对榆树(半湿润)和白城(半干旱)两个站点典型干旱年份(2000、2001年)和雨水较丰年份及平年(1998、2002年)的分析,得到以下初步结论:土壤含水量对凋萎湿度、田间持水量、作物系数最敏感,整个根区初始土壤有效含水量等次之;凋萎湿度、田间持水量、整个根区初始土壤有效含水量对土壤水分影响为正效应;上述结果在不同气候区、不同降水年份相对稳定,具有一定的普适性。作物生长模型在区域尺度应用时,上述敏感参数的不当估算所产生的误差将导致土壤水分模拟失真,并进一步影响整个作物生长过程的模拟和模型的区域应用;根据敏感性分析结果,有针对性地改进敏感参数,有望进一步提高土壤水分乃至作物生长的模拟精度。     

基于作物生长模型参数调整动态估测夏玉米生物量

针对如何利用作物生长模型定量解析区域夏玉米生物量动态变化的热点问题,该文在沿东海岸的江苏省盐城市大丰区设置大田夏玉米生物量估测试验,在构建夏玉米生物量过程模拟模型的基础上,对夏玉米多个生育阶段的生物量(指地上部生物量)及其变化特征进行分析,并结合试验实测数据探讨利用实测叶面积指数和生物量数据调整生物量模拟模型参数的可行性。结果表明:夏玉米生物量过程模拟模型可以对夏玉米从出苗到灌浆期间的多个生育阶段生物量动态变化进行估测。出苗到拔节前的生长阶段,生物量积累主要来源于叶片形成,模拟模型可以对生物量进行有效预测,预测值与实测值之间的均方根差(root mean square error,RMSE)为18.31 kg/hm~2,相对误差为3.35%。拔节到抽雄前的生长阶段,由于茎节伸长与节数增加,生物量积累加快,预测值与实测值之间的差异较大。拔节初期生物量预测值为535.5 kg/hm~2,实测值为480 kg/hm~2,相对误差11.56%。抽雄前生物量预测值为7 036.46 kg/hm~2,实测值为5 794 kg/hm~2,相对误差21.44%。拔节到抽雄前生长阶段预测值与实测值之间的RMSE为825.94 kg/hm~2。经过模型参数调整,抽雄前生物量预测值为6 036 kg/hm~2,与实测值较为接近,RMSE为219.43 kg/hm~2,相对误差4.18%。利用参数调整后的模拟模型继续对抽雄到灌浆前生长期间生物量进行预测,预测值与实测值较为一致,灌浆期生物量预测值为11 156 kg/hm~2,实测值为10 785 kg/hm~2,相对误差3.44%,而参数调整前预测值为12 492 kg/hm~2,相对误差15.83%。在玉米拔节期进行模型参数调整,对拔节到抽雄和抽雄到灌浆2生长阶段的生物量预测效果较好。该研究可为县域夏玉米不同生长阶段生物量及其动态变化预测提供参考,可辅助县域农业管理部门进行适时生产措施调整。     

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。     

基于生长模型的玉米三维可视化研究

为了实现对玉米形态结构的定量化和可视化描述,提出了基于生长模型的玉米形态模拟及三维可视化的技术框架。通过资料收集和田间观测研究,构建了可描述不同玉米品种叶片、叶鞘和节间等器官的主要形态结构参数随叶序变化的形态知识模型。在玉米生长模型框架内,整合玉米形态知识模型和基于形态特征参数的器官几何模型,使玉米生长模型可输出玉米拓扑结构和各器官的形态特征参数,实现了对玉米形态建成过程的定量化模拟,并进一步驱动几何模型进行玉米植株和冠层的三维重建。根据上述“生长模型-形态模型-数学模型-显示模型”的思路,模拟了玉米“农大108”的三维形态建成过程及冠层的三维形态,具有较强的真实感,为玉米形态结构研究提供了新的思路和手段。     

黄土旱塬Hybrid-Maize模型适应性及春玉米生产潜力估算

通过对Hybrid-Maize玉米高产模型进行田间验证,应用该模型对黄土旱塬春玉米生产潜力进行初步估算。结果表明,Hybrid-Maize模型在黄土旱塬表现出较好模拟效果,总生物量、秸秆生物量和籽粒产量模拟值与实测值间具有极显著线性相关性,其决定系数分别为0.9469、0.8164和0.9650,回归系数分别为1.0198、0.9787和1.1844,接近于1。黄土旱塬区多年光温生产潜力和气候生产潜力因品种不同有所差别,对多年平均光温籽粒和总生物量生产潜力,紧凑型玉米品种分别为13.25和22.45t/hm2,平展型玉米品种分别为12.32和20.62t/hm2,年际变化小;对多年平均气候籽粒和总生物量生产潜力,紧凑型玉米品种分别为11.97和19.94t/hm2,平展型玉米品种分别为11.37和18.63t/hm2,年际波动大。在黄土旱塬区,玉米产量潜力挖掘的主要途径应集中在提高密度和水分限制条件下,Hybrid-Maize玉米模型在指导玉米高产栽培上具有较好应用。     

基于密度联网试验和Hybrid-Maize模型的内蒙古 玉米产量差和生产潜力评估

采用科学方法对内蒙古玉米产量差与生产潜力进行定量化研究,对合理规划内蒙古玉米增产途径及产业发展具有重要意义。本研究采用品种×密度联网试验和Hybrid-Maize模型模拟相结合的方法,利用2006年以来内蒙古各生态区历年高产攻关田的最高实测产量和各区域农户平均产量,对内蒙古全区和6大生态类型区的玉米产量差和生产潜力进行了系统分析。结果表明,各生态区的模拟产量、高产纪录、试验产量、农户产量皆表现为从东到西逐步提高。内蒙古玉米模拟产量潜力为14.9 t×hm~(-2),高产纪录产量为14.4 t×hm~(-2),试验产量为11.1 t×hm~(-2),农户产量分别实现了模拟产量潜力的49%、高产纪录产量的51%和试验产量的66%。基于模型模拟的产量差(YGM)、基于高产纪录的产量差(YGR)和基于试验产量的产量差(YGE)分别为7.5 t×hm~(-2)、7.0 t×hm~(-2)和3.8 t×hm~(-2)。基于YGE的短期生产潜力达3 525.2万t,是当前总产水平的1.6倍,短期增产潜力为1 191.9万t。其中,内蒙古东部的呼伦贝尔、兴安盟、通辽、赤峰4盟市对全区的增产贡献率将达61%,西部的呼和浩特市、巴彦淖尔市为16%。造成较大YGE主要原因是栽培管理措施不当,缩小YGE需要针对限制各生态区玉米增产的实际问题,通过栽培技术综合改良、技术简化和技术入户来逐步实现。     

基于GIS的区域作物生产系统潜力分析

在区域气候数据库和作物生产数据库支持下，通过光、温、水、土、施肥、灌溉、社会等因子的逐步衰减，建立基于GIS的作物生产潜力的估算方法，并定量分析江苏地区作物单产潜力、潜力系数和总产潜力及区域作物生产的开发优势。结果表明：江苏省作物开发优势由北向南逐渐增大。就作物而论，棉花开发优势最大，油菜最小，粮食居中。就经济区而论，粮油棉开发优势不同，粮食：太湖区>沿江区>沿海区>宁镇扬区>两淮区>徐连区，棉花：太湖区>沿海区>沿江区>宁镇扬区>徐连区>两淮区，油料：太湖区>宁镇扬区>沿江区>沿海区>两淮区>徐连区。就同一经济区而论，粮油棉的开发优势也不同，徐连区：棉花>粮食>油料；两淮区：棉花最大，粮食和油料相当；宁镇扬区：油料最大，粮食和棉花相当；沿江区：粮油棉的开发优势相当；太湖区：棉花最大，粮食、油料相当；沿海区：棉花>粮食>油料。     

基于CERES-Maize模型的华北平原玉米生产潜力的估算与分析

在对DSSAT4.0中CERES-Maize模型进行参数校正和验证的基础上,进一步利用华北地区具有代表性的10个气象站30年(1976～2005年)的气象资料以及华北地区典型的土壤数据展开模拟.结果表明,在一年一季的生产条件下,华北平原各地区玉米多年平均光温生产潜力为13.53～22.56 t/hm2;各地区玉米产量在4月下旬至6月中旬的播期范围内均呈随播期的延迟而增加的趋势,对这一趋势和各气象指标进行相关分析表明,在华北北部主要驱动因子是灌浆期平均日辐射量,而华北中南部主要驱动因子是灌浆期的温度.华北平原自北向南,优化播期呈逐渐推迟的趋势:北部怀来地区5月上旬播种较为适宜,北京、乐亭和天津地区以5月下旬至6月初播种产量最高;中南部以6月中上旬播种(夏播)较适宜.     

黑龙江省林口林业局森林的潜在生产力

 依据气象资料及森林资源数据,利用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型,对黑龙江省林口林业局的森林潜在生产力进行估算,得出了潜在生产力与温度和降水量的关系,并对林口林业局森林实际生产力进行了评价。结果表明:林口林业局水分条件较好,但热量不足,温度是森林生产力的主要限制因子,其森林潜在生产力为9.3812.64 m³/（hm².a）;森林实际生产力为2.22m³/（hm².a）,仅为潜在生产力的17.56%23.67%,森林生产力水平低的主要原因是幼龄林比例过大;森林潜在生产力处于黑龙江省中上游水平,在同纬度地区处于下游水平。研究结果对林口林业局制订人工林培育方案,优化森林结构,保护与利用森林资源具有参考意义。     

基于耕地生产潜力评价确定作物目标产量

为了进一步完善作物目标产量预测技术,以江苏省仪征市种植水稻为例,采用耕地生产潜力指数法以地块为单位确定水稻目标产量,通过田间试验、示范及农户跟踪调查结果检验表明,耕地的水稻生产潜力指数及应用该指数估算的目标产量均与水稻实际单产显著正相关,决定系数R2达（124个样本）0.6134、0.5241。生产潜力指数能够客观地反映耕地的生产潜力,可用于测土配方施肥工作中作物目标产量的确定。     

基于Hybrid-Maize模型的黑龙江春玉米灌溉增产潜力评估

区域灌溉增产潜力研究是建设灌溉设施的基础,该文利用Hybrid-Maize模型研究了黑龙江省不同区域玉米通过灌溉措施可获得的增产潜力。田间验证结果表明,Hybrid-Maize模型对黑龙江省灌溉和雨养玉米均表现出很好的模拟效果。为了研究黑龙江省春玉米灌溉增产潜力(充分灌溉和雨养产量潜力之间的产量差),利用Hybrid-Maize模型结合实际的生产要素(品种、密度和生育期)及多年气象数据对黑龙江全省玉米的产量潜力进行了模拟,结果表明,黑龙江省第1积温带灌溉增产潜力较大,第3、4、5积温带灌溉增产潜力小;第1与第2积温带西部代表站点灌溉增产潜力大于东部。区域模拟分析表明,黑龙江省西南部充分灌溉条件下的玉米产量潜力最高,达到15000kg/hm2以上,而东部地区雨养产量潜力最高,达到14000～14799kg/hm2;自西南向东、向北,灌溉增产潜力逐渐变小,西南部的灌溉增产潜力最大,达到1600kg/hm2以上,而东部与北部最小,灌溉增产潜力小于300kg/hm2。当生育期内降雨量在350mm以下、全年降雨量在430mm以下时灌溉增产潜力变异最大。因此,黑龙江省玉米灌溉条件的建设应综合考虑积温和降雨2个要素,优先考虑积温较高(第1与第2积温带)、降雨较低(生育期降雨量在350mm以下、全年降雨量在430mm以下)的区域。该研究可为黑龙江建立合理的水利灌溉设施提供参考。     

基于潜力衰减模型的东北-华北平原旱作区耕地生产力评价

在中国耕地资源日益紧缺、粮食安全问题愈发严峻的背景下,耕地生产力研究具有重要的现实意义。该研究以东北-华北平原旱作区为研究区域,以主要粮食作物玉米的光温生产潜力空间分布数据及相关县域统计数据为基础,结合土地利用、降水、土壤、社会经济等数据,运用潜力衰减模型,研究评价了东北-华北平原旱作区1995-2015年耕地生产力时空格局及其影响因素。结果表明:研究区光温-水生产力、光温-水-土生产力、光温-水-土-社会经济生产力均整体呈现东北平原旱作区高于华北平原旱作区的空间格局,且在东北平原旱作区和华北平原旱作区内部也均表现出南高北低的宏观趋势;通过分析各环境因子的订正系数发现,人为社会经济投入对当前耕地生产力的保障极为重要,特别是在耕地自然条件逐渐变差的华北平原旱作区表现的尤为显著;水分因子产量差在空间上整体呈现南低北高、东低西高的分布格局,土壤因子产量差明显呈现南高北低的空间格局,社会经济因子产量差呈现明显的北高南低空间格局,这与中国水热条件的地带性分布、东北平原地区优质的土壤条件及较高的自然禀赋等因素有关;研究区社会经济因子产量差>土壤因子产量差>水分因子产量差,且社会经济因子产量差在华北平原旱作区整体较小、土壤因子产量差在东北平原旱作区整体较小,进一步说明了社会经济投入是维系华北平原旱作区耕地生产力的最重要因素,而耕地本身的立地条件是保障东北平原旱作区耕地生产力的最主要原因。潜力衰减模型的应用对大尺度区域耕地生产力研究的方法创新方面有所裨益,评价结果可为不同农业区保持高产、稳产及耕地保育等方面提供科学参考。     

稻草还田对春玉米生长发育与产量的影响

连续4年进行晚稻稻草异茬还田,以提供春玉米生长所需钾肥的定位试验,结果表明:(1)第1年由于稻草未能完全腐解而影响玉米的生长发育,玉米的生物学产量和经济产量均有所下降;从第2年开始,化肥 稻草处理(NPS)的生物学产量和经济产量均明显高于化肥处理(NPK),4年平均增产7.3%和7.6%。(2)在玉米生长的拔节期前,NPS处理的生长发育往往不如NPK处理,但拔节期之后,NPS处理能明显促进玉米的生长发育,其出叶速度、叶面积指数、株高等指标均明显高于NPK处理,抗旱能力增强,穗长、穗行数、百粒重等产量构成指标亦明显提高,空秆率和秃顶度等显著降低。