基于植被遥感信息的作物蒸散量估算模型--以华北平原冬小麦为例

本文基于作物系数法并结合植被遥感信息(MODIS/NDVI),提出一种能反映作物空间分布和土壤供水差异信息的作物蒸散量估算模型。利用该模型得到2000—2013年华北平原冬小麦的蒸散量,模拟结果与遥感蒸散产品吻合度较高(R2=0.952,RMSE=1.3×107 m3),并分析了冬小麦蒸散量和灌溉耗水量的时空变化。结果表明:1华北平原冬小麦蒸散量呈南高北低的格局。基于250 m空间分辨率上来看,山东省、河南省的黄河灌区以及太行山前平原的冬小麦蒸散量可达400 mm以上,中部平原区冬小麦蒸散量350 mm,滨海一带蒸散量200 mm。2冬小麦灌溉耗水量与其蒸散量格局相一致。在太行山前平原、河南省和山东省的引黄灌区,灌溉耗水量可达250 mm以上;河北平原北部由于冬小麦种植比例较低,灌溉耗水量100 mm。3近14年河北平原北部冬小麦播种面积下降明显,区域灌溉耗水量减少,地下水位下降趋势得到明显缓解。本文提出的作物蒸散量估算模型能够较好地用于确定较大区域作物蒸散耗水量,并可应用于区域作物灌溉量的评估与管理中。     

相对蒸散用于冬小麦水分亏缺诊断及灌溉决策初步探讨

在建立农田相对蒸散计算的指数模型基础上，以模型物理意义的分析为手段、以冬小麦对水分亏缺的生物反应为依据，得出了相对蒸散用于冬小麦水分亏缺诊断和灌溉决策的初步指标：（１）相对蒸散≤５０％，冬小麦水分亏缺明显；（２）必须灌溉的指标下限值为相对蒸散＝５０％，节水灌溉的灌溉定额上限值为相对蒸散＝８０％，丰水灌溉的灌溉定额上限值为相对蒸散＝９４％。     

冬小麦-夏玉米轮作体系灌溉制度多目标优化模型

该文针对望都灌溉试验站全年作物种植模式,分别建立冬小麦及夏玉米水分生产函数模型,运用粒子群优化算法(PSO)求解模型中的敏感指数,并以该模型为基础建立冬小麦-夏玉米全周期灌溉制度多目标优化模型,利用改进分组非支配排序遗传算法(GNSGA-Ⅱ)对模型进行求解,得出全年不同可用灌溉水量情况下的灌水日期与灌水量。结果显示,随着可用总灌水量的增加,冬小麦和夏玉米的灌水量与产量均随之增加,但由于受到两种作物不同敏感指数的影响使得二者增加的趋势有所不同。当全年总灌水量为472mm时两种作物均接近充分灌溉,若继续增加灌溉水量,则灌水的边际效益逐渐减小。依据优化结果可在全年合理分配利用有限的水资源以获得较高的作物总产值。     

牛场肥水灌溉对冬小麦产量与氮利用效率及土壤硝态氮的影响

【目的】本研究利用田间小区试验,研究牛场肥水灌溉对冬小麦产量、 氮利用效率及土壤硝态氮的影响,以期为提高灌溉肥水中氮利用效率,降低养殖肥水灌溉的氮损失提供理论依据。【方法】通过田间小区定位试验,以华北平原典型冬小麦种植系统为研究对象,定量研究牛场肥水灌溉对冬小麦产量、 氮素积累、 氮效率及土壤硝态氮的影响。试验共设5个处理,分别为: 不施肥、 小麦各生育期进行清水灌溉(CK); 在冬小麦生育期内进行2次牛场肥水灌溉(越冬期和灌浆期,肥水灌溉带入氮量为160 kg/hm2),其他生育期清水灌溉(T1); 在冬小麦生育期内进行3次牛场肥水灌溉(越冬期、 拔节期、 灌浆期,肥水灌溉带入氮量为240 kg/hm2),其他生育期清水灌溉(T2); 在冬小麦生育期进行4次牛场肥水灌溉(越冬期、 拔节期、 抽穗期和灌浆期,肥水灌溉带入氮量为320 kg/hm2),不进行清水灌溉(T3); 农民习惯施肥,冬小麦播种时施复合肥(15-21-6)375 kg/hm2、 拔节期追肥尿素600 kg/hm2(氮投入量为332 kg/hm2),全生育期灌溉清水(CF)。每个处理重复3次,冬小麦全生育期灌水4次,灌水定额为830 m3/hm2,灌水量用超声波流量计计量。【结果】牛场肥水灌溉对冬小麦产量和氮的影响主要有以下几个方面: 1)连续三年冬小麦产量均随牛场肥水灌溉次数的增加表现为先增加后降低的趋势,肥水灌溉带入氮为240 kg/hm2(灌溉3次)时,冬小麦产量最高。2)牛场肥水灌溉显著增加冬小麦植株地上部氮积累量。2011年和2012年肥水灌溉的三个处理之间及与习惯施肥处理之间差异不显著,2013年T2和T3处理植株氮吸收量显著高于T1处理和习惯施肥处理。3)冬小麦肥水氮利用率和农学效率随肥水灌溉带入氮量的增加而降低。三年均以T1最高,分别为48.57%和37.15 kg/kg。4)每季冬小麦收获后,随着灌溉带入氮量的增加,0100 cm土层NO-3-N积累量增加。肥水灌溉带入氮为320 kg/hm2时,0100 cm剖面NO-3-N积累量显著高于肥水灌溉带入氮为160~240 kg/hm2处理。【结论】牛场肥水灌溉显著增加冬小麦产量,随肥水灌溉带入氮的增加冬小麦产量呈先增加后降低的趋势。冬小麦肥水氮表观利用率和农学效率均随肥水灌溉带入氮量的增加而降低,肥水灌溉带入氮为320 kg/hm2,80100 cm土层有大量NO-3-N累积,且有向下淋溶的趋势。本试验条件下,综合产量、 冬小麦植株氮积累量及氮效率等方面考虑,牛场肥水灌溉冬小麦适宜氮带入量为160~240 kg/hm2。     

基于模拟技术及遗传算法的作物灌溉制度优化方法

通过土壤水量平衡模型对作物生育期内的土壤含水率及田间腾发过程进行动态模拟，并利用作物水分生产函数的Jensen模型估算作物产量，建立了以灌溉日期为决策变量、最大相对产量为决策目标的灌溉制度优化模型，并采用保留最佳个体的遗传算法求解作物最优灌溉制度。结合山西潇河灌区2003年冬小麦返青后的实际气象状况，用上述模型对冬小麦灌溉制度进行了优化与分析。对动态规划、单纯形搜索法及遗传算法的求解结果进行了比较，表明保留最佳个体的遗传算法能搜索到全局最优解，且结果稳定。不同情况下的灌溉制度优化结果表明抽穗初期是冬小麦的生长关键期，其次是拨节期。随着灌溉水量的增加，最优灌溉制度下的田间腾发量及冬小麦产量也相应增加，但增加幅度逐渐减小。     

R-K蒸散模型用于华北平原冬小麦农田的参数校正与评价

为了解华北平原冬小麦田蒸散特征,并对蒸散估算模型在冬小麦田的适用性和稳定性进行分析,该文利用涡度相关系统对2013-2015年冬小麦田的蒸散量进行观测,以气象数据为基础对估算模型Rana和Katerji模型(简称R-K模型)进行修正;利用修正后模型对日蒸散量进行预测;并与FAO-PM模型的预测值及涡度相关系统的测量值进行对比,来说明R-K模型在冬小麦田的适用性。结果表明冬小麦田蒸散量有明显的季节变化,日蒸散量在1月底最小,返青期开始逐渐增大,于4、5月份达到最大值;2个冬小麦生长季总蒸散量分别为436.3和334.8 mm。统计参数的对比说明修正后R-K模型对冬小麦田日蒸散量的预测效果优于FAO-PM模型。敏感性分析说明R-K模型对气象因素不敏感,稳定性良好。R-K模型对冬小麦不同生长阶段的蒸散量预测效果在后期表现最佳,其次为发育期、中期和初期,越冬期表现最差。该研究可为利用模型估算蒸散量及指导农田精确灌溉提供参考。     

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。     

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。     

麦季牛场肥水灌溉对冬小麦–夏玉米轮作土壤氮素平衡的影响

规模化畜禽养殖废弃物已成为当前重要的污染来源,为有效控制畜禽养殖污水面源污染,将处理后的养殖肥水作为水、氮资源进行农田灌溉,在华北冬小麦–夏玉米轮作灌溉区,连续3 a进行牛场肥水灌溉田间定位试验,研究冬小麦季牛场肥水灌溉对作物产量、氮表观利用率、土壤无机氮残留及轮作体系氮平衡的影响。结果表明,肥水灌溉能显著提高作物产量,肥水灌溉处理(冬小麦生育期内肥水灌溉带入氮为160、240和320 kg/hm2)冬小麦和夏玉米3 a产量平均增幅分别为36.78%和40.82%。随着牛场肥水灌溉年限的推移作物增产效果逐渐明显,冬小麦–夏玉米轮作体系作物累计氮利用率逐年升高,6季作物收获后氮累计利用率达47.87%~67.63%,肥水氮后效明显。肥水灌溉增加了100 cm土体内无机氮残留,NO3--N残留量显著高于NH4+-N。对冬小麦–夏玉米轮作体系氮平衡分析表明,随牛场肥水灌溉带入氮量增加,作物氮累计吸收增加,在冬小麦生育期内肥水氮带入量为160 kg/hm2夏玉米生育期内不施氮处理(T1),氮表观利用率显著高于其他肥水灌溉处理(T2和T3),100 cm土体无机氮残留率和氮表观损失率均显著低于T3处理,与T2处理差异不显著。该试验条件下,综合产量、氮累计利用率及土壤无机氮残留考虑,冬小麦–夏玉米轮作体系肥水灌溉适宜氮带入量为160~240 kg/hm2。适量牛场肥水灌溉冬小麦–夏玉米能够增加作物产量,增加作物对肥水氮的利用率,减少氮在土壤中的积累。     

基于水分供需关系的冬小麦夏玉米节水灌溉模式研究

节水灌溉是解决水资源短缺问题的重要途径之一。在长期田间试验的基础上, 运用Hydrus-1D模型对研究区冬小麦 夏玉米轮作条件下的田间水分运移过程进行了模拟分析, 探讨适宜的节水灌溉模式。结果表明, 表征土壤水分实测值与模拟值精度关系的Nash-Suttcliff效率系数Ens为0.652~0.903, 均大于0.5, 模型效果良好; 在灌水量为520 mm的传统灌溉模式下, 1.6 m土层深层土壤水分无效渗漏量为189 mm, 占地表总入渗补给水量的22.3%, 土壤水分无效渗漏大, 且与降雨和灌溉关系密切; 根据作物水分供需状况及土壤水分状况得出夏玉米、冬小麦季的灌溉量分别为50 mm、320 mm, 比传统灌溉模式共节水100 mm。改进后的灌溉模式对于土壤水分渗漏具有良好的控制作用, 土壤水分渗漏峰值明显降低, 根据作物供需与土壤水分状况提出的节水灌溉模式能减少土壤水分渗漏, 提高灌溉水利用效率。     

基于CROPWAT-DSSAT关中地区冬小麦需水规律及灌溉制度研究

明确关中地区作物需水规律可为合理制定灌溉制度提供理论前提,从而为合理开发和高效利用农业水资源提供帮助。该文基于CROPWAT-DSSAT模型模拟分析了关中地区近30年来冬小麦生长季期间的有效降水量、作物需水量等季节变化特征,并模拟不同降水年型不同灌溉制度下作物产量的变化趋势,分析了多次灌水对产量及经济效益的影响,以确定不同降水年型下的最优灌溉方案。结果表明:关中地区冬小麦生长季期间有效降水量不足其需水量的50%,不同降水年型的季节特征有所不同,总体表现为越冬及返青拔节期缺水较为严重。冬小麦生长期间,越冬水、返青水、拔节水及灌浆水4水中以返青水最为关键,其次为拔节水,灌浆水对产量的贡献作用最小;丰水年、平水年、枯水年冬小麦最佳灌溉定额分别为75 mm、125 mm及150 mm;枯水年需在越冬期、返青期和拔节期分别灌水25 mm、75 mm和50 mm,此时冬小麦产量和经济收益均最高;平水年需在越冬期、返青期、拔节期分别灌水50 mm、50 mm和25 mm,此时冬小麦产量最高,越冬水灌溉量减半后经济效益最高;丰水年则需在越冬期、返青期和拔节期均灌溉25 mm为宜,此时冬小麦产量和经济效益均最高。     

黄淮海农作区冬小麦需水量时空变化特征及气候影响因素分析

鉴于作物需水量变化趋势对制定灌溉策略与区域水资源配置的重要作用,本文依据黄淮海农作区50个气象台站近50年(1960—2009年)的逐日气象数据,利用SIMETAW模型计算了研究区域7个亚区冬小麦生育期需水量、适宜灌溉量的时空变化趋势,各主要气象因子时空变化趋势以及需水量与气象因子的相关性。结果表明:近50年来,冬小麦生育期需水量呈下降趋势,其中在1970—1999年间显著下降9.21~18.90mm.10a 1;冬小麦需水量多年平均值为452.4 mm;灌溉需要量在不同亚区间变化不同,其中在汾渭谷地水浇地二熟旱地一熟兼二熟区和豫西丘陵山地旱坡地一熟水浇地二熟区呈上升趋势,每10年上升10.02~13.48 mm;生育期降水耦合度仅为0.40。生育期需水量、灌溉需要量在空间上呈现两边多、中间少的分布,在豫西丘陵山地旱坡地一熟水浇地二熟区最高,分别为457.32 mm、335.33 mm;在海河低平原缺水水浇地二熟兼旱地一熟区最低,分别为363.24 mm和247.51 mm。50年来,黄淮海农作区气温显著上升,降水量不显著下降,风速、相对湿度、太阳辐射显著下降;冬小麦需水量下降主要受太阳辐射、温度、平均风速、平均相对湿度、降水的综合影响,其中最主要的气象原因为太阳辐射量下降,温度、日照时数、平均风速与冬小麦需水量呈显著正相关,相对平均湿度与其呈显著负相关。     

石河子地区冬小麦生育期需水量变化特征及其气候成因

[目的]探究作物生育期需水量的变化趋势及其与气象因子的关系,为气候变化下农作物灌溉排水决策提供理论基础。[方法]基于联合国粮农组织(FAO)推荐的参考作物蒸散计算方法和相关作物系数,利用石河子地区1954—2012年逐日气温、降水、日照时数、风速、相对湿度等资料,计算石河子地区冬小麦近59a作物需水量和灌溉需水量,并探究其气候趋势变化的影响。[结果](1)过去50a,石河子垦区冬小麦需水量总体呈增加趋势,越冬—返青期增势最为明显(气候倾向率为2.65mm/10a);拔节—抽穗期冬小麦需水量最大,为130.23mm。(2)灌溉需水量总体呈减少趋势,其中拔节—抽穗期灌溉需水量最大(平均值为88.65mm)且减少趋势最为明显(气候倾向率为-3.11mm/10a)。(3)气象因子对冬小麦不同生育期的需水量和灌溉需水量有很强的相关性,其中冬小麦生育后期需水量与气象因子有极强的相关性;气象因子中,降水对于灌溉需水量影响最大。[结论]气候变化下,石河子地区冬小麦作物需水量呈增加趋势,但降雨量的增加趋势下,灌溉需水量总体呈减少趋势。     

新乡地区冬小麦缺水量适宜估算模式研究

作物缺水量是确定灌溉需水量和制定灌溉制度的基础依据。利用新乡地区连续两个冬小麦生长季(2005~2006年、2006~2007年)田间试验资料建立了冬小麦生育期叶面积指数增长模型、需水量估算模型和土壤入渗模型。在此基础上, 根据新乡地区51年(1951~2001年)的逐日气象资料, 采用土壤水分平衡法, 综合考虑作物蒸散、降水和灌溉等因素, 模拟冬小麦各生长季降水有效利用状况, 分析研究该地区连续50个冬小麦生长季降水量与相应时间段有效降水量间的相互关系, 确定不同时间尺度下有效降水量估算模式。最后, 以确定的作物需水量和有效降水量估算模式为基础, 提出河南新乡地区不同时间尺度下的冬小麦缺水量适宜估算模式。     

河北低平原冬小麦长期咸水灌溉矿化度阈值研究

在研究咸水灌溉对土壤和作物的影响过程中,对土壤盐分监测相对困难,而监测灌溉水的盐分更简单易行,但作物不同时期灌溉咸水的矿化度阈值较难确定。本文以2007—2015年在河北省衡水旱农节水试验站进行的长期咸水灌溉试验数据(灌溉水设置1 g·L~(-1)、2 g·L~(-1)、4 g·L~(-1)、6 g·L~(-1)和8 g·L~(-1)共5个矿化度;冬小麦生长期间灌溉3次水)为基础,以矿化度为1 g·L~(-1)灌溉水为淡水对照,调查不同处理小麦的相对出苗率、相对籽粒产量及土壤盐分等作物生长、产量和环境变化指标,并采用FAO分段函数方法,分析了‘石家庄8号’冬小麦多年咸水灌溉的矿化度阈值及其影响因素。结果表明,采用4 g·L~(-1)和6 g·L~(-1)咸水灌溉,多年平均小麦出苗率相当于淡水的93.8%(P0.05)和70.4%(P0.05),多年平均产量相当于淡水灌溉的86.0%(P0.05)和65.3%(P0.05),用小于4 g·L~(-1)的咸水灌溉,籽粒产量(产量变化小于15%)和出苗率不是影响咸水灌溉矿化度阈值的限制因素。经计算冬小麦多年咸水灌溉矿化度阈值为2.14~3.95 g·L~(-1),平均值为3.19 g·L~(-1),变异系数为21.1%。综合考虑产量和土壤盐分累积风险确定河北低平原冬小麦长期灌溉咸水矿化度阈值为2.47 g·L~(-1)。矿化度阈值与播前1 m土壤盐分有一定负相关关系(相关系数-0.587),与淡水灌溉产量呈一定正相关关系(相关系数0.516)。土壤盐分累积风险分析结果表明,按照灌溉咸水矿化度与土壤平均盐分拟合的指数方程预测,采用2.47 g·L~(-1)咸水连续9年灌溉,0~20 cm耕层土壤未达到盐渍化水平(平均土壤盐分预测值0.98 g·kg~(-1)),而1 m土体出现轻度盐渍化(平均盐分含量预测值1.17 g·kg~(-1)),土壤盐分稍有累积,但未对冬小麦产量造成明显影响。由此来看,以2.47 g·L~(-1)咸水长期灌溉造成土壤严重盐渍化的风险较小。     

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。     

华北平原地下水压采区冬小麦种植综合效应探讨

华北平原冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式为维护国家粮食安全发挥了重要作用。但冬小麦生长期正处于华北平原降水较少的干旱季节,实现高产依赖于灌溉,是华北平原地下水超采的主导因素之一。随着国家地下水限采政策的实施,在地下水超采区如何稳定冬小麦的种植面积和产量是面临的一个重要问题。本文通过综述以往研究并结合典型地点田间试验结果,从冬小麦种植可减少休闲期土壤蒸发损失、具有的深根系系统可充分利用土壤储水、可利用微咸水替代淡水灌溉、通过限水灌溉发展优质麦生产、冬春形成覆盖层美化和防沙尘效应等方面论述了华北平原种植冬小麦的优势,提出华北平原冬小麦生产需要转变传统高耗水高产量理念,充分发挥冬小麦抗旱、耐盐能力强的特点,在不实施大规模压缩冬小麦种植面积条件下,通过冬小麦限水灌溉和微咸水利用满足对地下水压采需求,充分发挥华北平原冬小麦种植冬春防风沙、美化环境的生态功能,同时满足区域口粮安全的保障功能。     

微咸水非充分灌溉对土壤水盐分布与冬小麦产量的影响

为了实现高效用水,缓解北方地区水资源紧缺的状况,根据河北省中科院南皮生态农业试验站2003－2005年的冬小麦微咸水非充分灌溉田间试验资料,研究了微咸水非充分灌溉对土壤含盐量、冬小麦产量和产量构成因素以及水分利用效率的影响。结果表明,从拔节前到麦收后的冬小麦主根区土壤含盐量随着生育期的发展呈明显升高趋势;随着缺水阶段的后移,0～100 cm深度土壤积盐程度逐渐增大;穗粒数对缺拔节水敏感程度最高,缺抽穗水对单位面积穗数的影响最大,缺灌浆水对千粒重的负效应最大;总的来说产量随着缺水阶段的后移,水分胁迫的负效应逐渐减小,水分利用效率随着缺水阶段的后移有所提高,微咸水非充分灌溉的灌水优先顺序应为拔节水、抽穗水和灌浆水。该研究为黄淮海地区冬小麦在微咸水非充分灌溉下的适宜灌溉次数和灌溉水量的确定提供了科学依据,有利于合理开发利用当地微咸水资源。     

冬小麦水分利用效率与最优灌溉制度的研究

针对不同水分处理对冬小麦产量和耗水特性的影响，在大田生产条件下对冬小麦进行了非充分灌溉试验，以冬小麦大田试验数据为基础，采用最小二乘法拟合了冬小麦水分生产函数；通过耗水资料的分析整理，揭示了冬小麦的水分效应及耗水规律；依据动态规划原理，建立了冬小麦最优灌溉制度动态模型，提出了两种水文年型(50%和75%)的冬小麦节水灌溉模式，对北方冬麦区田间管理具有一定的指导意义。