耦合土壤墒情的气候适宜度指数在山东省冬小麦产量动态预报中的应用

利用山东省1981-2011年历年冬小麦生育期及产量资料、14个气象站点的逐日气象资料、1992-2011年冬小麦生长季逐旬20cm土壤墒情资料,分别构建考虑和不考虑土壤墒情的冬小麦不同生长阶段的气候适宜度指数计算模型,通过与气象产量进行相关和回归分析,建立了基于两种气候适宜度指数的3-5月逐旬产量动态预报模型,并进行历史回代检验和动态外推预报。结果表明:考虑土壤墒情的气候适宜度指数能够更客观地反映山东省冬小麦生长期间气象条件和土壤水分对其产量形成的影响,构建的气候适宜度指数与冬小麦气象产量的相关系数均通过0.01水平的显著性检验,相关性高于不考虑土壤墒情的气候适宜度指数。产量动态预报模型对1992-2009年历史回代检验的平均准确率均在95.0%以上,标准化均方根误差RMSE均小于6%。对2010-2011年外推预报准确率最高达99.4%,最低为95.4%,说明预报准确率较高,建立的产量动态预报模型可以在业务上推广应用。     

基于气候和土壤水分综合适宜度指数的冬小麦产量动态预报模型

利用河北省16个农气观测站1981-2010年逐日气象资料、土壤水分观测资料、冬小麦生育期观测资料、灌溉记录和8个冬小麦主产市产量资料,根据土壤水分平衡原理和模糊数据理论,建立了综合反映冬小麦生长期气象条件和土壤水分状况的气温-日照-土壤水分适宜度评价模型,并以旬为时间步长,建立了基于气温-日照-土壤水分适宜度指数的冬小麦产量动态预报模型.结果表明,气温-日照-土壤水分适宜度指数克服了气温-日照-降水适宜度指数仅考虑水分状况中降水条件的不足,能够客观反映冬小麦生长期的气象条件和土壤水分状况,与冬小麦产量变化量呈极显著相关(P＜0.01),相关性高于气温-日照-降水适宜度指数;动态产量预报模型对1981-2008年历史拟合检验和2009-2010年预报试验的平均相对误差分别为6.1％和1.2％,误差较小,表明建立的冬小麦产量动态预报模型能够满足业务需求,具有较高应用价值.     

基于气候适宜度指数预报玉米产量时旬权重系数的确定方法

利用吉林省1980-2016年春玉米作物资料、50个气象站的逐日气象资料,构建春玉米生长季各旬的气候适宜度模型。分别采用绝对值法、归一化法和相关系数法确定各旬气候适宜度权重系数,进而计算4月上旬-预报日前一旬的气候适宜度指数,分析不同方法得到的气候适宜度指数与春玉米产量气象影响指数的相关性,并进行回归分析,建立产量动态预报模型,对吉林省春玉米单产进行预报。结果表明：三种方法研究的权重系数之间存在一定差异,但总体上随生育期的变化趋势基本一致。利用1981-2012年资料回归分析建立的产量丰歉预报模型多数通过0.05水平的有效性检验,各预报模型历史拟合平均准确率均在85.0%以上,归一化均方根误差NRMSE均小于17.0%,丰歉趋势预报准确率普遍在60.0%～80.0%,三种方法差异不明显。利用模型对2013-2016年春玉米单产进行外推预报,各预报时间准确率存在波动,但绝对值法、归一化法和相关系数法所有预报时间的平均准确率分别为93.5%、90.8%、87.2%,预报结果准确率的标准差分别为32.6、69.4、116.1。且绝对值法各预报时间平均准确率均在85.0%以上。可见绝对值法预报结果的准确率和稳定性均较高,可以满足业务服务需要。     

天津棉花气候适宜度变化特征及其产量动态预报

通过参数修订建立了适合天津地区的棉花各生育期温、光、水气候适宜度评价模型,计算了历年天津棉花3种气候因子的适宜度指数,在分析其变化规律的基础上,建立了可以在棉花不同生育期进行的产量动态预报模型。结果表明,1964-2009年天津地区棉花生育期的气温适宜度指数呈上升趋势,增幅为0.016/10a;日照适宜度指数呈下降趋势,降幅为0.025/10a;降水适宜度指数的线性变化趋势不显著,但具有明显的阶段性特点。利用1995-2009年资料回归分析建立的产量动态预报模型,除播种期外,其它4个生育期(苗期、现蕾期、花铃期和吐絮期)模型均通过0.05水平的显著性检验;对模型进行历史资料回代表明,2000年以后准确率较高,87.5%的年份回代准确率在80%以上,各生育期平均准确率均在88%以上;利用模型对2010、2011年棉花产量进行动态预报验证,准确率均在95.5%以上,表明模型预报效果较好,能够满足业务服务需要。     

气候变暖对河北省冬小麦产量的影响

根据河北省多年冬小麦产量和冬麦区气候资料,采用改进的气候产量分离方法,分析气候变暖对小麦产量的影响。结果发现：河北省冬麦区冬季气温呈上升趋势,平均每10a上升0．5℃,春季气温也是升高的,但不如冬季升温明显,平均每10a上升0．3℃;冬小麦产量与冬季、春季降水量相关不明显,而与冬季、春季气温存在显著的正相关关系。河北省冬小麦实际单产呈逐年增加趋势,每10a约增加1125kg／hm^2;而气候产量与冬小麦实际单产变化明显不同,随着气候变暖,气候产量波动性逐年增大,近年气候产量波动幅度达到±300kg／hm^2.从总体看,随着气候变暖,气候产量呈下降趋势,平均每10a减少52．7kg／hm^2。气温造成小麦产量波动幅度一般在±10％之间,但随着小麦实际单产逐年提高,气候变暖对小麦单产所造成的损失越来越大。     

降水量和积温变化对天津冬小麦产量的影响

利用天津1960-2008年冬小麦单产资料,采用统计方法分析了影响冬小麦产量变化的主要气象因子及其变化趋势。结果表明:3个时段(全生育期、拔节-灌浆期、播种前)的降水量以及越冬前正积温是影响天津冬小麦产量的两种主要气象因子。趋势分析表明,49a中天津地区3个时段的降水量呈先减少后增加的变化趋势,越冬前正积温呈直线增加趋势;根据分别建立的冬小麦气象产量与影响时段降水量、越冬前正积温的回归方程,计算得出全生育期降水量达到122mm、拔节-灌浆期降水量达到41mm、播种前降水量达到36mm和越冬前正积温达到511~627℃.d是天津冬小麦气象产量为正值的水分和温度临界指标;据此标准,49a中,3个时段降水亏缺概率为22%~80%,但由于灌溉能力的提高,降水对产量的影响作用减小;冬小麦越冬前遭遇低温的概率为10%~50%,遭遇高温的概率为8%,并随年代增加呈上升的趋势,积温对产量的影响作用逐渐增强。     

内蒙古地区玉米螟发生的气象条件适宜度预报

利用内蒙古地区1971-2005年的气象数据和玉米螟发生资料,结合玉米螟的生理气象指标,运用相关分析方法选取影响玉米螟发生的关键气象因子,假设玉米螟发生的气象条件适宜度为各气象因子确定的适宜等级与相应权重乘积的总和,建立了内蒙古地区玉米螟发生的气象条件适宜度预报方程;2006-2010年的试报结果表明,预报等级与实际发生程度基本一致,说明所建立的预报方程可以用于当地玉米螟发生程度的预报和预测。     

基于历史产量丰歉影响指数的黑龙江省水稻产量动态预报

水稻是黑龙江省主栽作物之一,开展水稻产量动态预报对黑龙江省粮食生产具有重要意义。利用黑龙江省水稻主产区产量资料、发育期资料、日最高气温、日最低气温、日降水量和日照时数等资料,根据历史年水稻产量丰歉气象影响指数,建立黑龙江省水稻产量丰歉趋势动态预报模型。另外,采用相关分析的方法,确定影响产量的关键气象因子,建立相应的产量预报模型,对产量丰歉趋势动态预报模型进行修订。通过对1997-2006年水稻产量进行动态预报,结果表明,5月31日、6月30日、7月31日和8月31日预报的水稻产量增减趋势的预报正确率平均为90%、70%、90%和80%,产量预报准确率为84%、90%、94%和93%,预报准确率较高,能够满足业务服务的需要。     

桃源县水稻产量的气候影响分析

为了解区域气候要素对水稻产量的影响,通过长期(1990-2005年)定位稻田试验结果,对湖南省桃源县早、晚稻气候产量与气候要素的关系进行了解析.结果表明,早稻气候产量与抽穗-成熟期≥10℃的有效积温之间呈显著的正相关关系,而生育期日照时数的波动和日均最低气温的改变是导致晚稻气候产量年际大幅波动的主要原因.针对当地产量与气候的响应关系,提出了相应的水稻栽种应对措施.     

适宜耕作模式提高黄淮海平原冬小麦产量并改善土壤水肥状况

为了探索黄淮海小麦生产适宜的耕作模式,该研究设计长期定位试验（2017年—2022年）对比了简化耕作模式深耕（deep tillage, DT）、轮耕（rotational tillage, RT）和免耕（no-tillage, NT）对冬小麦产量和土壤水肥状况的影响。结果表明：RT处理显著提高了冬小麦苗期0～20 cm土层土壤水分吸收利用情况,冬小麦孕穗期、灌浆期RT处理0～20、>20~40 cm土层土壤含水量显著高于DT、NT处理。RT处理0～20、>20～40 cm土壤全氮、有机质含量和碳氮比含量较DT、NT处理显著提高, 2021—2022年0～20 cm土壤全氮、有机质含量、碳氮比RT处理较DT和NT处理分别显著提高40.45%和31.58%、56.66%和45.34%、11.62%和9.91%。2020—2021年和2021—2022年RT处理冬小麦产量较DT、NT处理分别显著提高20.20%、13.39%和20.35%、18.74%。RT处理显著增加了冬小麦千粒质量,其产量变异系数最低,产量可持续指数最高,说明RT处理有助于增加冬小麦生产力稳定性和可持续性,可以实现黄淮海冬小麦高产稳产。研究可为黄淮海平原冬小麦生产应用一年深耕、两年免耕的轮耕耕作模式提供理论指导与技术支撑。     

基于PCA-SVR的冬小麦土壤水分预测

土壤含水量状况是影响农作物生长的重要因素,对农作物生长关键期土壤水分的精准预测是田间管理的重要内容。研究选取宝鸡市2014年至2016年冬小麦种植区3—5月的气象、地形和土壤属性3个方面共15个预测因子,建立基于主成分分析(principal component analysis,PCA)的支持向量回归机(support vector regression,SVR)模型预测0~20 cm和20~40 cm土层的土壤水分,并同时采用随机森林(random forest,RF)回归模型对同质数据进行预测分析,以对比分析PCA-SVR模型的预测效果。结果表明:PCA-SVR模型对宝鸡市冬小麦土壤水分的预测在0~20 cm和20~40 cm土层的平均预测精度分别为92.899%和92.656%,RMSE分别为7.521和8.011;随机森林回归预测模型在0~20 cm和20~40 cm土层的平均预测精度为87.632%和87.842%,RMSE分别为10.759和11.042。因此,PCA-SVR模型对宝鸡市冬小麦土壤水分具有更好的预测能力,且模型在0~20 cm土层的预测效果略优于20~40 cm土层。     

水肥(氮)条件对小麦产量综合效应研究

通过水、肥(氮)条件对小麦产量综合效应研究,综合评价作物产量、氮肥利用率、水分利用率和经济效益。从最佳水肥投入产出的经济效益分析来看,在所有各水肥组合处理中,以W3N3经济效益最高,其次为W3N2,再次为W4N3。因此在土壤含水量控制为22%,施氮量为12kg/亩,生育期灌水312mm/亩时,才能获得最佳的经济效益。     

长短期记忆神经网络在多时次土壤水分动态预测中的应用

基于长沙站2016—2019年10 cm深度土壤水分自动观测小时数据集,利用长短期记忆神经网络(LSTM)模型结合随机采样学习方法,开展了土壤水分多时次预测,结果表明:LSTM模型对6、12、24、48h后的土壤体积含水量预测均方根误差(RMSE)分别为0.22%、0.28%、0.38%、0.54%,决定系数(R2)分别为0.99、0.99、0.98、0.96,除6 h预测步长外,准确率均优于自回归整合滑动平均(ARIMA)模型,且误差稳定、无异常值出现,预测准确率远优于相关研究。该结果证实了基于LSTM模型精准预测土壤水分动态的可行性,为精准灌溉和干旱预警提供了计算机技术及手段支撑,为政府及科研部门水资源管理政策的制定提供了数据支持。     

冬小麦气象产量分析

采用多年滑动平均法和曲线模拟法计算河南省五二农场小麦的趋势产量及气象产量，发现小麦气象产量波动振幅越来越大。本文试引入年份序数作为时间放大因子，以10月气象因子为例进行多元回归计算，结果表明此方法能明显提高计算的相关系数。     

基于实时含水率数据的土壤墒情动态建模及预测

实时准确地预测墒情是进行灌溉预报,实现农田水分精准化管理,提高水分利用效率的重要措施。基于根区（0−60cm土层）水量平衡原理,利用泰勒级数对根区下界面水分通量和作物蒸腾量进行了线性化处理,并以实时根区平均土壤含水率为自变量构建了动态的土壤墒情预测模型。采用天津市武清区西吕村无线土壤墒情监测系统（包含3个监测点）实时监测数据（地表下30cm和60cm处的土壤含水率）,分别选取5d、10d、15d和20d作为建模系列长度进行回归分析,确定模型参数,对10d和15d两种预见期进行了土壤墒情预测精度分析。结果表明：（1）实时预测模型拟合程度较好,三种建模系列长度条件下的确定性系数均达到0.80以上（样本数均大于550）;（2）15d建模系列长度下相对误差最小;（3）15d建模系列长度、15d预见期、10%相对误差界限值条件下,3个监测点的墒情预测合格率分别达到98%、100%和89%。由此可见,研究提出的实时墒情预测模型预测精度较高,便于建模分析,为土壤墒情的预测提供了新方法。     

黑土坡耕地土壤湿度时空演变及其与大豆产量空间相关性分析

利用经典统计学和地统计学方法对典型黑土坡耕地土壤湿度时空演变特征以及大豆产量与海拔高度和不同时期土壤湿度的空间关系进行了分析。结果表明:黑土坡耕地土壤含水量具有较强的空间异质性,有效空间相关距离为159.3~506.6m,而且它们随着降雨和农田管理措施作用而改变。干旱加剧,土壤水分空间异质性加强,农田管理可降低土壤含水量的空间异质性。大豆产量同播种前后的土壤含水量存在显著的空间相关关系。     

休闲期不同耕作方式对洛阳冬小麦农田土壤水分的影响

采用连续5a的田间定位试验资料，研究了洛阳地区休闲期4种不同耕作方式对冬小麦农田土壤水分变化、水分利用效率及作物产量的影响。结果表明：休闲期不同耕作方式对冬小麦播种前底墒具有明显的影响，与传统耕作方式相比，免耕和深松覆盖处理可以显著增加土壤含水率，具有良好的保墒作用；各处理以深松覆盖作物产量和水分利用效率最高，其次为免耕处理，深翻处理效果较差。因此，洛阳地区采用深松覆盖保护性耕作方式比较有利。     

河南雨养农业区土壤水分与气候变化的关系

利用河南省8个农业气象观测站1981—2005年的气象和土壤水分观测资料进行分析，结果表明：①河南省近25a来的年平均气温以0.05℃／a的速度上升，年降水量变化不明显；②土壤水分与气温呈极显著的负相关关系，而与降水呈极显著的正相关关系。得出：受气候变暖的影响，近25a来河南省雨养农业区土壤水分呈明显下降趋势。