中国北部冬麦区小麦生育期对生育阶段积温变化的响应

利用1993-2013年中国北部冬麦区19个农业气象观测站的冬小麦生育期及气象资料,研究了冬小麦各生育阶段积温和生育期的时空变异特征。通过皮尔逊相关性分析等方法,探究冬小麦各生育阶段积温变化对生育期的影响。结果表明：（1）播种-出苗、返青-拔节阶段≥0℃积温和越冬期负积温的值呈东高西低的空间分布,拔节-抽穗、抽穗-乳熟、乳熟-成熟和播种-成熟阶段≥0℃积温为东南低西北高,而出苗-越冬开始阶段≥0℃积温则呈东南高西北低的分布;拔节-抽穗和乳熟-成熟阶段≥0℃积温均在21%的站点上显著减少,返青-拔节、抽穗-乳熟和播种-成熟阶段≥0℃积温及越冬期负积温分别在26%、37%、21%和42%的站点上显著增加,而播种-出苗和出苗-越冬开始阶段≥0℃积温的变化较小;（2）播种和出苗期呈东部晚西部早的空间分布,抽穗、乳熟和成熟期则相反;越冬开始期呈东南晚西北早的分布,返青期则相反;拔节早的站点主要位于麦区东部。播种、出苗、返青、拔节、乳熟和成熟期分别在21%、16%、37%、26%、42%和21%站点显著推迟且多位于麦区东部,而越冬开始期和抽穗期仅在5%站点变化显著;（3）相关分析表明,各生育阶段≥0℃积温（或越冬期负积温）与多个生育期的相关性显著,生育阶段积温的变化可能直接或间接影响了冬小麦的生长发育。越冬期负积温与返青、拔节、抽穗、乳熟和成熟期相关性最大,且与冬后多个生育期呈现一致的时空变异特征,其时空变异性可能是造成冬小麦冬后生育期在时空上存在差异的原因。     

基于WOFOST模型的吉林省中西部春玉米灌溉模拟

利用1961?2015年吉林省中、西部气象站资料,采用Peman-Monteith公式计算主要种植区春玉米生长季蒸散量,并确认生育期内有效降水量,得到研究区域春玉米净灌溉量和各生育期灌溉需求指数,据此确定关键灌溉期;再利用WOFOST作物模型模拟代表站点在不同降水年型下各灌溉方案的产量情况,通过模拟产量的结果选取春玉米较优灌溉方案。结果表明：吉林省中西部有效降水量占春玉米需水量的69%左右,乳熟?成熟期、播种?出苗期和出苗?拔节期的灌溉需求指数较高,这3个生育期为春玉米灌溉关键期;吉林省中西部春玉米乳熟?成熟期灌溉效率最高,其次为播种?出苗期,可根据条件加强关键生育期灌溉。     

南京地区小麦不同生育期土壤湿度适宜范围的确定

在小麦的主要生育期进行了不同土壤湿度和不同持续时间的水分胁迫,研究了土壤湿度对小麦产量及产量形成的影响。结果表明:小麦经济产量、叶面积和单株干重与土壤湿度之间存在极显著的二次函数关系;小麦对水分胁迫最敏感的生育期为拔节-开花期;而且不同生育期的适宜土壤湿度范围不同,并据此确定出南京地区小麦不同生育期适宜的土壤湿度范围。其结果对定量评估不同生育期土壤水分胁迫对产量的影响程度和小麦生产中合理控制土壤湿度范围有一定参考价值。     

CERES-Wheat作物模型参数全局敏感性分析

作物生长模型广泛应用于区域作物估产研究与应用之中,如何选择最佳作物模型优化参数是获得较好模拟预测结果的关键之一。研究选择河南洛阳为试验区,应用扩展傅里叶振幅灵敏度检验（EFAST）法对CERES-Wheat模型作物参数及田间管理参数进行了全局敏感性分析。结果表明,完成一片叶生长所需积温、最适温度条件下通过春化阶段所需天数、光周期参数、最佳条件下标准籽粒质量参数、开花期单位株冠质量的籽粒数参数等指标具有较高敏感性,系为模型参数“本地化”的关键参数。播种日期、播种密度、施肥日期、播种深度、灌溉日期是模型区域化应用的最佳优化变量。研究表明,EFAST敏感性分析是模型参数“本地化”和选择最佳“区域化”优化变量的有效方法。     

基于非线性参数优化的水稻花前生育期参数估计

水稻生育期模型为复杂的非线性模型,其参数的合理标定是模型应用的重要环节。本文采用两种不同温度响应函数的花前生育期模型（MBETA和MBILN）,利用基于GML（Gauss-Marquardt-Levenberg）算法的模型独立参数优化程序PEST（model-independent parameter estimation）对模型参数进行优化,并在优化中引入参数先验信息和参数初始值扰动方法,以提高参数优化结果的可靠性。结果显示,参数先验信息有效降低了待优化参数的不确定性。最优参数值的95%置信区间较初始值域显著缩小。在优化得到的参数相关系数矩阵中也未显现出高度相关的参数。从目标函数值（?）序列看,MBETA和MBILN的?值最终收敛至相当接近的最小值,分别为11.71和11.82。但该最小值下两个模型的温度、光周期效应等参数值存在一定差异。这种差异平衡了不同温度响应方程与模型其它方程对水稻生育期模拟误差的贡献。在最优参数值组合下,两个模型验证结果表现一致。其中,抽穗开花期模拟值与实测值的相关性均通过了0.01水平的显著性检验。模拟误差主要来自幼穗分化期,与缺少对水稻光周期敏感始期的观测有关。本文优化方法降低了待优化参数收敛于局部小值的几率,对稳定参数优化和提高优化结果的可靠性具有重要作用。     

不同冠层阻力公式在玉米田蒸散模拟中的应用

在我国北方地区,水分供给一直是影响粮食产量的主要因素。玉米作为我国三大粮食作物之一,关乎其水分蒸散的观测和模拟一直是气象、水文、生态等相关学科的重要研究内容。研究玉米蒸散对于粮食安全、节水灌溉、提高作物水分利用效率具有重要意义。作为经典的双源模型,Shuttleworth-Wallace(SW)模型分别考虑土壤蒸发和植被蒸腾,非常适合于稀疏植被的蒸散估算。本文在SW模型中采用不同冠层阻力公式对玉米地蒸散进行模拟,并用涡度相关实测通量数据对模型的模拟效果进行验证。结果表明,采用Jarvis冠层阻力公式的SW1模型与采用Kelliher-Leuning冠层阻力公式的SW2模型模拟的蒸散量都与实测值吻合较好,相关系数均在0.85以上(P0.01),一致性指数都达到0.92以上。敏感性分析表明,SW模型估算蒸散对冠层阻力最敏感。在计算冠层阻力的各个参数中,SW1模型估算蒸散对田间持水量最敏感,其次是最小气孔阻力和有效叶面积指数;SW2模型估算蒸散对最大气孔导度最敏感。传统SW模型中,冠层阻力计算采用Jarvis公式,计算复杂。改用Kelliher-Leuning公式后,在一定程度上简化了模型的计算,更方便模型应用。     

华北平原旱稻作物系数试验研究

该文依据2001～2004年4年田间试验资料,利用Penman-Monteith公式计算了北京地区旱稻出苗～成熟期间参考作物蒸散量,并利用农田水量平衡方程及土壤水分胁迫系数计算了作物实际蒸发蒸腾量,由此计算了旱稻各生育阶段的作物系数,并分析了旱稻作物系数变化规律。结果表明：北京地区旱稻出苗～成熟期间参考作物蒸散量平均为560.1 mm;日平均孕穗～开花期最高为6.8 mm/d,年际变化幅度很小。旱稻作物系数全生育期平均为1.07,在孕穗～开花期最大,为1.49,其次为开花～成熟阶段,平均为1.20,拔节～孕穗最小为0.87;在北京气候背景下,旱稻作物系数与出苗后天数和大于0℃积温具有较好的三次多项式关系。     

胡麻产量对干旱的响应研究及其在潜力计算中的应用

该文利用盆栽试验结果，通过分析胡麻在不同生育阶段对不同强度干旱的产量反应，得出：胡麻各生育期的授旱缺水指数ｒｉ，减产指数Ｒｉ，及产量反应系数ｋｙｉ，认为，胡麻不同生育期对干旱的敏感次序为，开花期〉现蕾期〉纵形期〉苗期〉成熟期，且籽粒产量较生物产量敏感，胡麻生育期耗水强度由弱→强→弱，以现雷期日耗水量最大，苗期日耗水很小，在受旱情况下，水分生产率以现蕾期最小，苗期最大，并以现蕾期受旱的减产率最大，达     

水分胁迫对冬小麦氮素营养效率的影响

试验研究盆栽控制水分条件下冬小麦不同生育期水分胁迫对其N素营养的效应结果表明,小麦生育期水分胁迫影响其N素的吸收、运转及产量,其影响程度依次为拔节～抽穗期＞抽穗～灌浆初期＞灌浆初期～成熟期＞返青～拔节期,拔节～抽穗期水分胁迫极显著地降低冬小麦的N素营养效率.     

宁夏河套灌区主栽水稻品种遗传参数调试

利用CERESRice模型开展宁夏河套灌区水稻低温冷害影响定量化评估,需要确定河套灌区主栽水稻品种的遗传参数。采用1996-2013年中卫、永宁国家一级农业气象试验站水稻试验观测资料,结合同期气象和稻田土壤属性数据,对河套灌区宁粳28号（晚稻）、富源4号（中稻）、宁粳16号（晚稻）3个主栽水稻品种进行遗传参数调试,并以水稻开花期、成熟期、籽粒产量、地上部生物量和最大叶面积指数进行误差验证。结果表明：中稻富源4号遗传参数调试效果最好,开花期、成熟期和产量一致性指标分别为0.86、0.77和0.84;晚稻宁粳16号遗传参数调试效果较好,开花期、成熟期和产量一致性指标分别为0.86、0.64和0.91;晚稻宁粳28号开花期、成熟期和产量的一致性指标分别0.58、0.77和0.92;对成熟期、地上部生物量和最大叶面积指数模拟效果一般,对开花期和产量模拟效果较好。表明主栽水稻品种遗传参数调试总体效果较好,3个主栽品种遗传参数适于河套灌区水稻生长发育,可用于低温冷害对水稻影响的定量化评估模拟研究。     

不同灌水水平下CROPGRO棉花模型敏感性和不确定性分析

基于过程的作物模型使用大量的品种和土壤参数来模拟作物生长和土壤水分变化。对于新的作物品种或新的环境,这些参数往往需要重新率定,然而许多参数难以通过实测获得。敏感性分析(sensitivity analysis,SA)可以量化模型输入参数对模型输出的影响,通过筛选出敏感性较大的参数进行率定,而把敏感性较小的参数设为固定值,可以极大简化参数率定过程,提高工作效率和模型模拟精度。为了给DSSAT-CROPGRO-Cotton模型应用于新疆地区进行棉花灌溉制度优化提供本地化的模型参数,对该模型进行了敏感性分析和不确定性分析。该文依据新疆石河子的棉花大田试验资料,应用Morris法和扩展傅里叶幅度敏感性检验(extend Fourier amplitude sensitivity test,EFAST)法对DSSAT-CROPGRO-Cotton模型3个灌水处理(60%ETC、80%ETC和100%ETC,ETC为作物蒸发蒸腾量crop evapotranspiration)下6个输出结果(初花天数、成熟天数、籽棉产量、地上干物质量、最大叶面积指数和蒸发蒸腾量)对于品种和土壤参数进行敏感性分析,并比较了2种方法的相关关系,最后对EFAST法的输出结果进行不确定性分析。相关分析结果显示,对于地上干物质量和最大叶面积指数,Morris法和EFAST法相关性介于0.87~0.93,对于模型结果成熟天数、籽棉产量和蒸发蒸腾量,2种方法相关性介于0.66~0.81。敏感性分析和不确定性分析结果显示,模型模拟灌水处理对初花天数无明显差异,且模拟初花天数和最大叶面积指数存在参数敏感性过于单一现象。模型参数敏感性随土层而不同:对于成熟天数,40~80 cm土壤参数的敏感性更强;对于地上干物质量和蒸发蒸腾量,80~120 cm土壤参数的敏感性更强,这可能是由于该地区气候干旱,下层土壤水分充足程度直接影响作物受到水分胁迫的程度,进而影响作物生长发育和蒸发蒸腾量。模型输出结果最大叶面积指数和蒸发蒸腾量存在一定程度的高估。该研究可提高CROPGRO-Cotton模型在新疆地区的模拟效率和模拟精度。     

Modelling the timing of the early development of winter wheat

The early apical development of Avalon winter wheat was modelled using data from a multisite survey of crops grown in the U.K. in one year. Parameter values defining the duration of the emergence to double-ridges and double-ridges to terminal spikelet phases were optimized with respect to the weather data. Different models were compared in terms of the scaled residual variation between crops in the accumulated value of the development index.The development sub-model of the whole crop model ARCWHEAT was taken as a starting point, though daily mean temperature was used instead of sinusoidal variation of diurnal temperature. Compared with the original parameter values, the optimized values indicated greater sensitivity to photoperiod, and less sensitivity to temperature and vernalization. Non-linear responses to temperature and photoperiod were examined, but none represented a consistent improvement over linear responses for these data. The sub-model of ARCWHEAT, which expresses development rate as the product of separate responses to temperature, photoperiod and vernalization, was compared with various alternative models. Whilst none of these fitted better than the ARCWHEAT formulation, some were not distinguishably worse with respect to these data. When tested against independent data, the optimized parameter values predicted double-ridges more accurately, and terminal spikelet as accurately as the original parameter values.     

气象要素对陇东塬区玉米产量影响的通径分析

采用通径分析方法分析了陇东塬区玉米产量构成因素中单株籽粒重、百粒重、果穗长、双穗率与光、热、水三要素的关系。结果表明：单株籽粒重和果穗长共同对产量的贡献最大,决定系数为0.3052;其次是单株籽粒重,决定系数为0.2538;果穗长位居第三,决定系数为0.2114。不同发育期各气象因子对单株籽粒重和果穗长影响不同,降水和平均气温在抽雄以前对果穗长和单株籽粒重贡献的直接效应最大;≥10℃积温在播种-拔节期通过平均气温和日照时数对果穗长的贡献以间接效应为主,在拔节-抽雄期对果穗长和单株籽粒重贡献以直接效应为主;日照时数在播种-拔节期对果穗长的影响以直接效应为主,在拔节-抽雄期对果穗长和单株籽粒重的贡献以间接效应为主;抽雄-成熟期各气象要素对果穗长和单株籽粒重影响较小。气象因子对产量构成因素影响主要是在苗期和穗期,灌浆期对其影响明显下降,因此重视田间管理和合理密植等非气象因子也是获取高产的关键。     

秒尺度温室番茄作物-环境互作模型构建与验证

为了解决现有温室模型时间尺度不统一的问题,该研究建立了一个时间尺度统一的温室番茄作物-环境互作模型,描述作物与环境之间的相互作用,提高模型的精准性。首先,将番茄作物生长模型拆分成SUPPLY、PARTITION、GROWTH3个子模块,针对3个模块在由天数量级时间尺度到秒数量级时间尺度变换时存在的问题,通过模型替换、结构改造、参数辨识等方法对时间尺度进行了转换,并利用EFAST敏感性分析算法将模型中的不确定参数分为敏感参数和不敏感参数两类。然后,在秒时间尺度番茄作物生长模型的基础上,考虑番茄作物对温室环境的实时反馈,结合小气候模型形成包含未知参数的"通用"的互作模型结构。最后,利用贝叶斯优化方法及番茄生产温室的实际数据,分别对互作模型中生长模型和小气候模型的未知参数进行参数辨识,确定互作模型全部结构与参数,得到可用的互作模型。利用该研究得到的秒时间尺度生长模型对2015—2018年上海崇明A8温室番茄产量进行模拟,其与真实产量值间的均方根误差在7.34～18.85 g/m~2之间,平均相对误差在5.8%～18%之间,均小于TOMGRO模型与Integrated模型,可以更好地预测产量变化。含作物反馈的小气候环境模型经参数辨识后,模拟番茄作物3个不同生长时期(幼苗期、开花坐果期、结果期)的环境因子(温室内温度、湿度、CO_2浓度)变化的平均相对误差均在3%～6%之间,且相较于未考虑作物反馈的一般小气候模型有更好的模拟效果。互作模型的建立将作物与温室小气候环境统一成一个模型,可以为温室环境控制提供模型基础。     

基于PEST的土壤-作物系统模型参数优化及灵敏度分析

农业生产管理系统模型输入参数多,参数率定过程十分耗时费力,大大限制了其推广应用。该研究以华北平原2 a的冬小麦-夏玉米田间试验观测数据为基础,使用PEST(parameter estimation)参数自动优化工具对土壤-作物-大气系统水热碳氮过程藕合模型(soil water heat carbon and nitrogen simulator,WHCNS)的土壤水力学参数、氮素转化参数和作物遗传参数进行自动寻优,同时计算分析模型参数的相对综合敏感度,并将优化结果与土壤实测水力学参数和试错法的模拟结果进行比较。参数敏感度分析结果表明,18个模型参数的相对综合敏感度较高,其中土壤水力学参数普遍具有较高的敏感度,以饱和含水率敏感度最高;作物参数中,作物生长发育总积温和最大比叶面积具有较高的综合敏感度;而氮素转化参数的敏感度远低于土壤水力学参数和作物参数。评价模型模拟效果的统计性指标(均方根误差、模型效率系数和一致性指数)表明,PEST法比实测水力学参数的模拟精度有所提高,其中土壤含水率、土壤硝态氮含量、作物产量和叶面积指数的均方根误差分别降低了61.8%、23.5%、73.6%和23.3%。同时PEST法比试错法对土壤水分和作物产量的模拟精度也有较大提高,但对土壤氮素和叶面积指数的模拟精度提高不明显。由于该方法大大节约了模型校准时间,在较短的时间内获得了明显高于试错法的模拟精度,因此PEST软件在WHCNS模型参数自动优化中是一个值得推广的工具。     

基于时间序列LAI和ET同化的冬小麦遥感估产方法比较

为了评估同化时间序列叶面积指数(leaf area index,LAI)和蒸散发(evapotranspiration,ET)产品对冬小麦产量估测的有效性和适用性,该文选择陕西省关中平原冬小麦为研究对象,以SWAP为作物生长动态模型,利用冬小麦关键生育期的遥感观测和SWAP模拟LAI、ET趋势变化信息构建代价函数,以SCE-UA作为优化算法最小化代价函数,重新初始化SWAP模型中的出苗日期和灌溉量2个参数。重点比较了基于向量夹角和一阶差分2种代价函数的冬小麦单产估测精度。结果表明,同化MODIS LAI和ET后,冬小麦产量的估测精度比未同化精度(r=0.57,RMSE=1 192 kg/hm2)有显著提高,并且基于向量夹角代价函数法同化策略的单产估测精度(r=0.75,RMSE=494 kg/hm2)高于一阶差分代价函数法(r=0.73,RMSE=667 kg/hm2)的估测精度。该方法为其他区域的水分胁迫模式下遥感与作物模型双变量数据同化提供了参考。     

适宜微喷灌灌水频率及氮肥量提高冬小麦产量和水分利用效率

为明确微喷水肥一体化条件下灌溉次数和氮肥用量对冬小麦产量形成和水分利用的影响,该试验在灌水定额1 500 m3/hm2下设置微喷2次(拔节期750 m3/hm2+开花期750 m3/hm2)、3次(拔节期450 m3/hm2+开花期750 m3/hm2+灌浆期300 m3/hm2)、4次(拔节期450 m3/hm2+孕穗期300 m3/hm2+开花期450 m3/hm2+灌浆期300 m3/hm2)和氮肥追施45、90、135 kg/hm2处理,N肥随灌水等量分次施入,考察群体光合特性、物质生产和水分利用特征。结果表明:微喷3次和4次相比于微喷2次,产量提高了5.3%~18.9%,水分利用效率提高了5.3%~27.8%,但微喷3次与4次之间差异不显著。适当增加微喷次数提高了开花期和灌浆期群体绿色叶面积指数,延缓了叶片衰老,提高了生育后期干物质积累,增加了千粒质量,进而提高了籽粒产量;多次微喷(3次或4次)降低了总耗水量和开花前耗水比例,提高了开花后耗水比例;适当增施氮肥能进一步提高花后物质积累和花后耗水比例。综合来看,1 500 m3/hm2灌溉定额下微喷4次,追施氮肥90 kg/hm2产量和水分利用效率较高。     

不同施肥长期定位试验地夏玉米冠层光谱特征研究

以黄淮海地区典型冬小麦-夏玉米轮作区的长期定位施肥试验为研究对象,筛选对氮、磷、钾三种营养元素及产量最敏感的波段和生育期,为监测不同时期作物营养胁迫情况和估产提供依据。系统分析了氮、磷、钾单一养分缺乏和两种或两种以上营养元素同时缺乏时典型生育期夏玉米冠层反射光谱特征、收获后秸秆和子粒氮、磷、钾及产量的变化规律。结果表明,缺素使冠层光谱反射率在可见光波段增加,在近红外波段降低。作物秸秆、子粒含氮量和含钾量及产量与可见光波段反射率呈负相关,与近红外区域7601~300 nm反射率呈正相关;秸秆含磷量与各反射率的相关性不明显,子粒含磷量与冠层光谱之间无明显规律。整体上,560和810 nm分别为收获期作物含氮量在可见光和近红外两个区域的敏感波段,开花期为夏玉米氮素诊断的敏感时期;夏玉米钾素在可见光和近红外区域的敏感波段分别为680和810 nm,拔节期为诊断钾素的敏感时期。整个生育期各单波段反射率与产量均呈极显著相关关系,拔节期关系最密切。说明在明确主导养分限制的前提下,利用作物冠层光谱来监测氮素和钾素的丰缺以及准确估产是可行的。     

黄淮冬麦区南片气象因子对不同品种小麦籽粒特性的影响

2020/2021年度在黄淮冬麦区南片的4个省份分别设置大田试验,选择周麦18、周麦36及爱民蓝麦1号3个不同品质类型的冬小麦品种,分析比较不同气象因子对3个品种小麦产量及品质的影响。结果表明：不同小麦品种特性和试验点生态环境对小麦籽粒长宽、产量及品质的影响均达到显著水平,其中籽粒长度、株高及产量受环境条件的影响大于品种基因型,而籽粒宽度、产量三要素、籽粒淀粉、蛋白质和纤维素含量受品种基因型的影响大于环境条件。从不同试验点气象因子来看,籽粒长宽和千粒重表现一致,主要受抽穗−灌浆中期水分的正向调控和拔节−成熟期气温的负向调控;株高主要受拔节期水分和气温的正向调控;产量和穗粒数主要受抽穗期水分和气温、灌浆中期水分的正向调控;有效穗数主要受拔节−抽穗期日照时数的正向调控。籽粒淀粉含量受拔节后气温、水分的正向调控,受扬花后期日照时数的负向调控,籽粒蛋白质含量则与其相反,纤维素主要受抽穗−灌浆中期水分的正向调控。综上所述,不同小麦品种特性和试验点生态环境对小麦籽粒长宽、产量及品质均存在显著影响;拔节后的平均气温、总供水量及总日照时数对小麦籽粒表型、产量及品质性状的影响存在差异。