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。     

陇东地区几种旱作作物产量对降水与气温变化的响应

研究作物产量对气候变化的响应,对于指导区域农业生产,保障粮食安全和生态安全具有一定的理论指导意义。结合大田试验与农业生产系统模拟模型(Agricultural Production Systems Simulator,APSIM),在验证模拟研究区冬小麦、玉米和紫花苜蓿产量可靠性的基础上,分析5个降水变化梯度(降水量不变、降低10%和20%、升高10%和20%)和5个气温变化梯度(不变、降低1.5和1℃、升高1.5和1℃)组合情景下3种作物的产量变化趋势。结果表明:APSIM模型在试验点对3种作物籽粒产量和生物量的模拟精度较高,决定系数R2在0.80~0.93之间,归一化均方根误差在11.35%~22.48%之间,模型有效系数在0.53~0.91之间。冬小麦、玉米和紫花苜蓿在气温升高、降水量减少的情景下减产,减产的最大幅度分别为38.7%、40.3%和41.8%;冬小麦、紫花苜蓿的在气温降低、降水量增加时增产,增产的最大幅度分别为29.8%和51.7%;玉米在降水量增加、温度不变的情景下增产幅度最大,为22.0%。总之,在研究范围内,3种作物的产量随降水的增加而增高;玉米的产量随气温升高先增高后降低,另2种作物的产量随气温的升高而降低;紫花苜蓿适应气候变化的能力最强。结果对明确黄土高原地区主要作物的生产走势,制订农业布局、管理措施等具有一定意义。     

WOFOST模型的发展及应用

作物生长模拟模型已经成为一门新兴的科学,可以为农业资源的管理利用、农业最大收益的获取提供科学的依据。WOFOST(W orld Food Stud ies)模型是荷兰瓦根宁农业大学和世界粮食研究中心共同开发研制的,是模拟特定的土壤和气候条件下一年生作物生长的动态的、解释性模型。WOFOST模型已经在欧洲、非洲以及亚洲的一些地区得到了运用和验证,可用于水稻、玉米、小麦等多种一年生作物的模拟。WOFOST模型可用来分析作物产量风险,不同年份产量的变化,土壤类型及气候变化对产量变化的影响;确定播种策略以及农业机械使用的关键时期;该模型还可用于估计某种作物最大潜在产量,提高灌溉和施肥的增产效益,对生长在不利条件以及地区的作物产量进行预测等。该模型对可持续农业的发展具有积极的指导作用。     

基于APSIM的黄土丘陵区旱地小麦气候适宜性评价

为提高旱地小麦气候适宜程度动态分析的能力,利用黄土丘陵典型区域定西1971-2005年逐日气象资料及大田资料,建立小麦日气候适宜度模型,计算各生长阶段(营养生长阶段、营养与生殖生长并进阶段、生殖生长阶段)及全生育期综合气候适宜度,确定气候适宜性综合评价标准。通过本土化APSIM(Agricultural Production System Simulator)平台,模拟小麦逐日生物量,采用动态逼近误差平方和方法,确定气候适宜性诊断分析标准。通过等级百分比比较的方法,检验诊断分析标准,并定量、动态分析2002-2005年旱地小麦各生长阶段及全生育期气候适宜程度。结果表明,基于APSIM的诊断分析标准评价结果与基于综合评价标准的结果相比,气候适宜性等级相同和级差为1的占86%~90%;2002-2005年旱地小麦各生长阶段及全生育期诊断分析结果均为较适宜,与研究区实际情况基本相符。该优化方法为旱地小麦气候适宜性分析的动态跟踪提供了一定技术支持。     

灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时空分布量化分析

作物生产水足迹度量作物生产过程对不同类型水资源的消耗,为实现农业水资源管理与评价提供了更全面的新视角。该研究通过耦合土壤水分动态平衡模块,考虑输配水损失,构建灌区蓝、绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度分布式量化模型;以宝鸡峡灌区为例,定量评价不同典型年灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度演变规律。结果表明:宝鸡峡灌区蓝绿水资源总量在2008-2017年呈上升趋势。各作物对绿水资源利用效率均持续上升,而小麦蓝水资源利用效率呈下降趋势;玉米、小麦生产总水足迹整体呈上升趋势,多年平均值分别为573和779 m3/t;作物生产绿水足迹在拔节-灌浆期占比较高,成熟期占比较低;作物生产水足迹在日尺度波动幅度最大;平水年、丰水年灌区用水存在不合理现象,枯水年作物生产单产水平最高,总水足迹最低,水资源利用效率最高。该研究所构建模型可移植适用于无排水渠系灌区水文模拟,准确量化灌区农业生产耗水,解析日-月尺度作物生产水足迹演变特征,有助于明确灌区作物耗水规律,进而高效利用绿水资源,合理配置蓝水资源,提高作物产量,实现高效生产。     

气候变化对农业影响敏感性的评价

多数形式的农业对气候影响是敏感的,特别是雨养农作物生产更是如此。这类作物约占全球耕地面积的80%,占农业总产量的50—60%(世界资源研究所和国际环境和发展研究所,1986年)。农业生产是建立在三大类型资源(包括气候资源,但不局限于气候)的基础上,即自然资源(如气候、土壤、地形、遗传特性)、生产资料资源(如肥料、畜力和机械)、人力资源(如劳动力投入、管理技能、市场状况)。气候可以影响自然环境,也可以影响生产资料和人力资     

基于GIS的作物生产管理信息系统

在区域作物生产数据库支持下,以MapInfo5.5为系统开发平台,利用MapBasic和VB程序设计语言,建立区域作物生产管理地理信息系统(CPMGIS),CPMGIS包含信息查询、种植区划、系统预测和精确管理4个子系统,把与区域作物生产有关的农业信息与具体的实物地图相结合进行空间分析处理,并通过相关的模型运算进行作物气候区划、生长预测、栽培管理和作物精确管理方案设计等,并以地图或专题地图、数据表格、图形及文字论述3种形式进行结果输出。     

作物生产系统及其管理系统

概述了作物生产系统概念、特点、结构与组成,指出现代作物生产管理系统是计算机科学、农业科学和自动化科学相互交叉的产物,其理论基础是系统论(作特模拟模型或称为人工作物)、控制论(作物管理专家系统)和优化决策论(作物管理优化决策模型),其未来发展方向是高度集成化和自动化等,要综台运用作物模拟技术、知识工程技术、地理信息系统、全球定位系统和遥感技术等现代技术,建立集成的作物生产管理系统。     

华北平原不同等级干旱对冬小麦产量的影响

华北平原是中国重要的粮食生产基地,其中冬小麦播种面积和产量均居中国首位,在国家粮食安全中具有重要作用,干旱是影响该区域冬小麦产量的最主要农业气象灾害。该研究基于华北平原44个气象站点1981—2017年的逐日气象数据以及作物、土壤和田间管理资料,以作物水分亏缺指数为农业干旱指标,基于调参验证后的农业生产系统模型(Agricultural Production Systems Simulater,APSIM),评估了冬小麦生长发育中后期各生育阶段不同等级干旱对冬小麦单产和总产的影响。结果表明,冬小麦拔节-开花和开花-成熟阶段干旱造成冬小麦减产率空间上均呈北高南低的分布特征,且开花-成熟阶段干旱引起的减产率(26.8%)高于拔节-开花阶段干旱引起的减产率(19.1%),区域间比较均表现为干旱对京津冀地区冬小麦单产影响最大,对河南省冬小麦单产影响最小;随着干旱等级的加重减产率增大,开花-成熟阶段轻旱、中旱和重旱的减产率分别为16.5%、32.8%和44.9%,拔节-开花阶段轻旱、中旱和重旱的减产率分别为10.3%、18.8%和28.6%。结合冬小麦实际播种面积得到各生育阶段干旱对总产的影响,区域间比较均表现为干旱对山东省冬小麦总产影响最大,对河南省冬小麦总产影响最小。     

水分利用效率与用水有效性: 基于气孔视角的稳定同位素应用研究

澳大利亚多年降水较少并且分布不均,同华北平原相似,水资源短缺是制约粮食生产和作物产量的限制因子,水资源消耗中,农业用水所占比例最大,提高植物(作物)的水分利用效率和用水有效性对于实现水资源和农业生产的可持续利用和发展具有重要意义。本文针对澳大利亚和华北平原的农业生产和水资源现状,基于植物气孔角度在以下3个方面进行论述:1水分利用效率与用水有效性的概念;2基于气孔视角的水分利用效率和用水有效性的分析;3不同作物品种水分利用状况的同位素判别与应用。除此之外,也对华北平原目前农业水分利用情况提出相应建议。     

基于作物生产水足迹的陕西省水资源压力评价

作物生产水足迹可以反映农业生产过程中的水资源利用效率及其真实占用量,对作物生产水足迹的量化可为各地区明确农业生产过程的用水情况,根据当地水资源禀赋合理调整农业种植结构,提高用水效率提供理论支撑。以陕西省为研究区域,在构建了考虑渠系水面蒸发损失的水足迹量化方法的基础上,对陕西省主要作物生产水足迹(WFP)进行量化,并构建了反映水足迹与区域水资源关系的水资源压力指数(βt)和蓝水资源压力指数(βb),分析了陕西省2000—2012年作物生产水足迹与水资源压力指数的时空分异特征。结果显示:作物生产水足迹在作物间、区域间均有较大差异,且在研究时段内均呈现下降趋势,全省综合作物生产水足迹由1.382 m3·kg-1减小到0.931 m3·kg-1;全省年均作物水足迹总量为127.39×108 m3,绿水比例为50.22%;陕西省βt、βb多年均值分别为0.255、0.187,渭南市、咸阳市两地βt、βb分别为0.610和1.200左右,是水资源压力最为严重的地区;除陕南地区外,陕西省其他区域均面临着水资源不可持续的挑战。     

DSSAT作物系统模型的发展与应用

作物模型对人们认识作物生长过程以及对生长的调控提供了一种高效的工具。针对农业技术推广决策支持系统DSSAT（Decision Support System for Agrotechnology Transfer）作物系统模型的发展历程、模型结构、数据输入输出、研究进展等进行了综述,为该模型在我国的应用提供参考。     

气候变化背景下武川主要作物生产水足迹变化分析

生产水足迹(WFP)是指生产单位产品所消耗的水资源,一般用单位质量农产品所需要的水的体积来表示作物生产水足迹。气候变化对生产水足迹的影响是农业生产者关心的重要科学问题。本文以内蒙古自治区武川县主要作物马铃薯、春小麦为例,基于1983-2010年气象数据及生育期资料,修正作物系数,应用CROPWAT模型,计算作物生产水足迹,分析气候变化对作物生产水足迹的影响。结果表明：（1）近28a来,武川县气候呈干暖化变化趋势,马铃薯和春小麦生产水足迹呈显著下降趋势（P<0.05）;（2）气候变化对作物生产水足迹影响显著,生育期平均相对湿度、平均气温和平均日较差对马铃薯生产水足迹影响较大,生育期平均风速和平均日较差对春小麦生产水足迹影响较大;（3）1983-2010年马铃薯平均生产水足迹为1.37m3·kg-1,春小麦平均生产水足迹为2.51m3·kg-1,说明在当地生产单位质量的干物质,春小麦比马铃薯消耗更多水分。在该地区适当增加马铃薯播种面积,对提高水资源利用效率,促进地区农业发展具有重要作用。     

农业灌溉水资源优化配置研究进展

水资源短缺是制约农业可持续发展的关键因素,因此农业灌溉水资源的优化配置对于保障粮食安全和水安全具有重要意义。该研究基于农业灌溉水资源优化配置的主要类型,对单一作物灌溉优化决策、多作物水土资源优化配置和灌溉渠系水资源优化调度3个方面的研究进展进行了系统综述。同时指出了当前农业灌溉水资源优化配置中存在的主要问题和未来研究方向,研究认为当前的农业灌溉水资源优化配置应在如下4个方面进行完善：1）建立更具生理意义的作物水分-产量-品质模型;2）在气候变化和人类活动的情景下实现农业灌溉水资源的优化配置;3）构建全面考虑水源、渠系、灌区面积、作物配置以及生育阶段的系统性农业灌溉水资源优化配置模型;4）建立以棵间蒸发最小为目标的动态灌溉优化决策模型。研究可为中国的粮食安全和水安全提供理论指导。     

气候变化对非洲水资源和农业的影响

尽管非洲是世界上温室气体排放总量或人均排放量最少的地区,但在承受气候变化造成的恶劣影响方面首当其冲。气候变化已经给非洲的水资源、农业、生物多样性、人类健康和国家安全等带来诸多严重影响,粮食生产和水资源一直是非洲长期面临的两大难题,也是深受气候变化影响的两大领域还较欠缺,需要在未来的研究中进一步加强,以探寻减缓气候变化对非洲水资源和农业不利影响的有效途径。本文系统梳理了气候变化对非洲水资源系统和农业生产影响的研究成果和不足,以期为非洲气候变化影响评估工作提供一定参考和借鉴。已有的观测结果表明,气候变化导致非洲许多山脉冰川面积正在大范围缩减、大部分地区降水量有所减少,降雨的年际间分布也更为不稳定,通过水文模型的模拟预测,未来气候变化将进一步影响降水量和非洲部分地区河流的径流量,导致非洲水资源供给压力加大。同样,气候变化也给非洲农业生产带来了巨大的挑战,无论是观测结果分析,还是统计模型和作物模型等对不同气候情景和时间尺度下非洲农业的模拟研究,都显示气候变化对非洲农业以负面影响为主,导致非洲干旱加剧、生长季改变和粮食产量下降,并可能危及非洲的粮食安全。然而,现有研究结果还存在较多不确定性,其主要集中在未来气候情景数据、研究方法、数据的质量和数量等方面。与世界其它地区相比,非洲气候变化影响研究无论是研究的深度和广度都     

基于基因表达式编程的作物水分生产函数构建

作物水分生产函数的确定是农业水资源优化配置的关键。该研究采用农业水文生态系统模型（Agro-Hydrological & Chemical and Crop systems simulator, AHC）与基因表达式编程（Gene Expression Programming, GEP）相结合的方法构建作物水分生产函数。以河套灌区3种主要作物（葵花、玉米、小麦）为研究对象,采用AHC模型模拟作物产量等,构建基于GEP算法的作物水分生产函数,探讨考虑盐分胁迫的作物水分生产函数构建的思路与方法。结果表明：1）作物模拟产量与地下水埋深、地下水矿化度和灌水量等因素有关。2）构建作物水分生产函数的最优输入因子组合为地下水埋深、灌溉量、蒸散发、地下水矿化度、土壤根层盐分对作物胁迫因子、土壤根层含水率。3）应用作物水分生产函数估算不同灌溉定额条件下作物产量（预测产量）,并与AHC模型计算的产量（模拟产量）进行比较,玉米、葵花、小麦预测产量与模拟产量具有很好一致性,其决定系数分别是0.96、0.93、0.96,平均相对误差均小于5%,满足计算精度要求。因此,该研究所构建的作物水分生产函数可以较准确地估算盐分胁迫下作物产量,为农业节水与灌溉水高效利用提供科学参考。     

基于图像识别的作物分类种植面积车载测算系统设计

获取作物种植面积是农情监测的主要工作。车载系统进行作物面积测算是作物面积抽样调查的方法之一。文章提出了一种基于图像识别的作物分类种植面积车载测算系统CAOES(Crop Acreage Onboard Estimation System)，分析了其原理与组成，并进行了系统面积测算的视觉测距模型的推导和试验验证。试验验证结果表明：1)镜头焦距定为8 mm能够兼顾纵向视野和图像细节两方面的要求；2)光圈和曝光系数通过软件自适应调节可以满足图像分析需求；3)经验测距模型较之二次多项式回归模型相关系数更大，预测更稳定；4)该系统用于作物面积抽样调查可进一步降低野外调查结束后的工作量，并最大限度地减少人为因素的影响，提高调查的客观性和时效性。     

有植被土壤潜水蒸发的模型研究

在农业生产上,潜水蒸发的水分可以补给作物根层土壤,供作物吸收利用。在地下水矿化度较高的地区,随着潜水水分的蒸发,盐分也随之向上运动,并积聚于土壤表层。如果积盐达到一定程度,将影响作物的正常生长。深入研究潜水蒸发的机理、潜水蒸发量的大小、变化规律及有植被土壤潜水蒸发的模型等,用该拟合公式可以估算辽宁省中部地区不同土质的月潜水蒸发系数,进而估算潜水蒸发量。有植被土壤潜水蒸发的模型的研究,对水资源评价、盐碱地治理、水利建设和指导农业生产等都具有十分重要的意义。     

未来主要气候情景下黄淮海地区参考作物蒸散量时空分布

探索未来主要气候情景下参考作物蒸散量(reference evapotranspiration,ET0)的时空分布可为农业水资源科学配置,科学应对气候变化对农业生产的影响提供基础数据支撑。该文利用黄淮海及周围88个站点1961-2010年逐日气象数据,Penman-Monteith公式估算的ET0为因变量,采用非线性回归分析方法对Hargreaves公式进行参数属地化订正,基于1961-2005年温度日序列,利用统计降尺度模型(statistical downscaling model,SDSM)以及大气环流模型(general circulation models,GCMs)中加拿大地球系统模式(the second generation of Canadian Earth System Model,Can ESM2)得到代表性浓度(representative concentration pathways,RCPs)4.5和8.5两种排放情景下2010-2100年温度日序列,通过率定的Hargreaves公式预测黄淮海地区ET0,并采用普通克里格(ordinary Kriging)方法进行空间化处理。结果表明:率定后的Hargreaves公式与Penman-Monteith公式的相关指数波动范围为0.65~0.85,平均值为0.80,SDSM模拟的最低温度、最高温度率定期和验证期的确定性系数都在0.95以上;未来两种气候情景下,黄淮海地区ET0整体上均呈增加趋势;RCP4.5情景下ET0从河北与山东、河南交界处形成的"勺"状向周围逐渐减小,在河北唐山与乐亭、江苏东台、河南驻马店附近达到最小值;RCP8.5情景下黄淮海地区2020 s(2011-2040年)、2050 s(2041-2070年)ET0的空间分布和RCP4.5非常相似,但2080 s(2071-2100年)ET0的空间分布差异较大,最高值主要分布在山东惠民县附近、河南新乡附近、安徽蚌阜和江苏盱眙附近。如不采取科学的应对措施,未来ET0的增加,可能会进一步加剧该区水资源短缺程度,该研究可为黄淮海地区水资源的优化管理和灌溉制度制定提供科学参考。     

基于生长模型的油菜管理决策支持系统

基于生长模型的作物管理决策支持系统是数字化农作技术研究的重要内容。在气象因子、土壤条件、品种特征和栽培管理数据库的支持下，利用作物生长模拟技术、计算机软构件技术，构建了基于生长模型的油菜管理决策支持系统(GMDSSRSM)，包括单机版(GMDSSRSM^A)和网络版(GMDSSRSM^W)，其中单机版系统利用VB和VC++语言编程实现，网络版系统在.net平台上用C#语言开发。该系统实现了数据管理、模拟预测、方案评估、因苗预测、时空分析、敏感性分析、专家咨询和系统帮助等功能，具有机理性强、预测性好、通用性强、功能全面等特点。该研究为油菜生长与生产系统的动态预测和管理决策提供了定量化和数字化工具，可为数字化油菜农作系统的构建奠定技术基础。