基于水氮因子的宁夏引黄灌区紫花苜蓿生长模拟模型

针对苜蓿生长模型ALFAMOD在动态水分平衡模拟和氮素平衡模拟方面的不足,提出一种基于水氮因子的紫花苜蓿生长模拟模型(alfalfa growth simulation model based on water and nitrogen factors,ALFSIM-WN)。该模型以宁夏引黄灌区紫花苜蓿为研究对象,采用模块化设计方法,划分为作物动态模拟子模型、水分平衡模拟子模型和氮素平衡模拟子模型,对紫花苜蓿的产量进行模拟和估算。通过连续2 a(2016-2017)的田间试验,获取气象数据、土壤数据和田间管理数据,利用2016年数据确定了模型参数,并预测了2017年4茬次紫花苜蓿生长期、叶面积指数、土壤水分动态和产量,对模型模拟值和实际观测值进行了对比。结果表明:宁夏引黄灌区紫花苜蓿每年能收割3～4茬,与当地以饲草收割为目的的生长期相符,综合2017年4茬次数据发现模型模拟叶面积指数的平均相对误差在2.3%～17.6%,模拟土壤水分动态的平均相对误差在2.3%～17.6%,产量预测数据的平均相对误差在1.7%～16.2%。叶面积指数、土壤水分动态和产量的均方根误差分别在0.09～0.44、0.009～0.039 cm3/cm3和0.3～2.3 t/hm2。模型模拟精准度较高,说明该模型在宁夏引黄灌区适用性良好,可以作为一个有效的紫花苜蓿生长模拟预测工具在饲草种植中应用。     

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。     

分布式水文模型在陕西省冬小麦产量模拟中的应用

利用分布式水文模型和作物模型模拟了不同深度的土壤含水量,以及在连接分布式水文模型和不连接分布式水文模型两种方式下,利用作物模型分别对冬小麦叶面积指数、干物重增量和产量进行了模拟,最后采用连接分布式水文模型的作物模型模拟了全流域内冬小麦产量的空间分布。模拟结果经对比检验表明,分布式水文模型在土壤水分模拟方面准确性高于作物模型;连接分布式水文模型的作物模型对冬小麦生长过程和产量的模拟结果准确性均高于作物模型独立模拟的结果;连接分布式水文模型的作物模型在流域内对冬小麦产量的空间分布模拟结果也与农业试验站观测产量和社会统计产量基本一致,高产区、低产区分布与实际基本相吻合。这为分布式水文模型和作物模型耦合应用,以及通过引进分布式水文模型来推动作物模型和产量预报研究进一步发展提供了基本的试验支持。     

土壤湿度驱动WOFOST模型及其适应性

WOFOST作物生长模型是以日降水量表征降水输入参数,通过推算土壤相对湿度实现作物生长模拟。由于日降水量随机性较大,很难通过控制日降水量实现不同土壤干旱等级情景设置,限制了WOFOST作物生长模型在不同水分胁迫下对作物生长的模拟,也影响了模拟试验的精度。本文提出以土壤相对湿度直接驱动WOFOST作物生长模型,并以Compaq Visual Fortran 6.5为开发平台,采用Fortran语言对WOFOST作物生长模型的源代码进行修改,将驱动模块中的日降水量文件替换为土壤相对湿度驱动文件。以2013年山东省夏津农业气象试验站玉米出苗-拔节期和抽雄-成熟期水分胁迫和整个生育期自然降水处理（对照）的试验数据为例,对修改后的WOFOST作物生长模型进行了模拟试验。结果显示,采用修订后的模型输出的实测鲜叶干重、鲜茎干重、营养器官干重、地上物质总重和叶面积指数等生物量指标均较原模型输出结果,不仅精度明显提高,而且,由于土壤湿度变化较平稳,较容易地实现了不同水分胁迫情景设置,进而实现不同土壤干旱等级条件下玉米生长的模拟,为分析不同程度干旱对玉米生长的影响及确定其生长发育指标提供了便利条件。     

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。     

作物生长模型与定量遥感参数结合研究进展与展望

作物生长模型与定量遥感参数的结合,不仅满足前者实现区域应用的需求,也有助于提高后者的反演精度,在生态、农业、资源调查与全球气候变化等研究上意义重大。该文从作物生长模型空间应用拓展的角度,对国内外主流作物生长模型、定量遥感参数以及两者结合的参数与方法进行了概述,分析了典型作物生长模型的主要模拟过程及其驱动、初始化、输出等参数,总结了当前定量遥感正反演结果可为作物生长模型区域应用提供的参数数据;建立了作物生长模型模拟过程与定量遥感参数的对应关系,对比分析了作物生长模型与定量遥感参数的不同结合方式。基于以上内容,对作物生长模型面应用的限制因素及其与定量遥感参数的关系、作物生长模型面应用时参数尺度效应的影响、作物生长模型与定量遥感参数耦合方法的发展3个方面展开了讨论,以期为作物生长模型与定量遥感参数开展更好的结合研究提供参考。     

作物单产估算模型研究进展与展望

作物单产估算是服务现代农业的一项重要内容,也是农业监测的难点之一,及时准确的产量模拟对国家农业决策、农田生产管理、粮食仓储安全等都有重要意义。利用模型对作物生长发育和产量形成过程进行动态模拟是当前产量估算的主流方式。本文通过对比当前主流模型构建的理论基础,将估产模型分为经验统计模型、作物生长模型、光能利用率模型和耦合模型4种类型,并对比分析4种模型的优缺点,得到了各个模型的优势和不足。同时分别分析了遥感技术在4种估产模型中的应用,对模型中遥感数据的使用方法、限制因素、解决办法等进行了总结,并分析了遥感技术在作物估产模型方面使用的优势、不足和应用前景。分析了模型发展过程中存在的问题和限制因素,最后对模型的研究热点和发展趋势进行了展望,总结了遥感数据的使用方法、不同模型的耦合、现有模型的优选3个作物估产模型研究需要重点关注的方向。     

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。     

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。     

毛乌素沙地青贮玉米和紫花苜蓿作物系数研究

作物系数是估算作物需水量的一个重要参数,科学地确定作物系数对准确计算农田作物耗水量、制定科学合理的灌溉制度及水利工程规划设计等具有重要的意义和实际应用价值。通过Penmman-Monteith公式、ENVIdata-DT草地蒸腾自动测量系统确定充分灌溉条件下毛乌素沙地青贮玉米及紫花苜蓿的逐日参考作物蒸散ET0与实际蒸散ETc,计算青贮玉米及紫花苜蓿的逐日作物系数,得出青贮玉米在整个生育期的作物系数均值为0.91,且在各生长阶段相差较小。苜蓿第一茬及第二茬作物系数随着时间的推进呈现递增的规律,且在6月27日第一茬收割之后,作物系数大幅减小,第一茬的作物系数均值为0.87,第二茬为0.85。并通过播后天数、累积积温逐日模拟苜蓿及青贮玉米生育期内的作物系数,结果显示,在以播种后天数、生育期累积积温为自变量的拟合模型中,决定系数R2介于0.59~0.72,拟合效果较好。     

半干旱区草粮轮作田土壤水分恢复效应

采用野外实地观测和作物模型模拟相结合的方法,研究了不同轮作模式黄土高原半干旱区长期种植苜蓿地农田土壤水分恢复状况。结果表明：长期连作苜蓿地土壤干燥化进程与不同轮作模式下土壤湿度恢复的进程均表现为前期快后期慢;8～10 m深层土壤湿度恢复困难,6～8年生苜蓿草地翻耕后适宜采用PPW轮作模式（马铃薯→马铃薯→春小麦）以恢复土壤水分,种植16～20 a粮食作物后可以再次种植苜蓿。该研究结果可为黄土高原半干旱区苜蓿草地的土壤水分利用和恢复提供参考。     

作物模型应用与遥感信息集成技术研究进展

作物模型和遥感技术以各自独有的优势在作物生产监测、评估及未来预测等方面发挥着关键作用。作物模型与遥感信息集成技术在大尺度、高精准的农业生产监测、评估与预测上具有明显的应用优势和广阔的发展前景。为了促进这些技术在区域尺度上的作物产量预测、农业气象灾害影响评估及农业应对气候变化决策等方面更加广泛地应用,本文采用文献综述的方法,系统归纳了欧洲、美国、澳大利亚及中国作物模型的发展与应用,总结了当前主流的数据集成方法的原理、特点和不足,概述了作物模型与遥感信息集成技术的实际应用,探讨了提升数据集成精度存在的问题,并对未来研究方向进行展望。结果表明,国内外对于作物模型及其与遥感数据集成的研究与应用广泛而深入,利用同化方法能够有效提高作物模型模拟精度,为作物模型实现区域尺度作物生长及产量评估、气候变化对产量影响、农田管理决策等提供技术支撑。作物模型模拟结果及遥感反演数据的不确定性、数据同化策略的多样性以及尺度效应是进一步提高集成系统精度与效率的限制因素。因此,遥感数据多源融合、同化过程多变量协同、作物模型多类型耦合以及数据高性能并行计算是未来作物模型与遥感数据集成研究的发展趋势。     

黄土高原丘陵沟壑区土壤物理性质对苜蓿 种植年限的响应

西部黄土高原丘陵沟壑区是中国乃至世界上水土流失最严重的区域,以禾谷类作物单播为主的传统农业生产系统和过度耕作是引致水土流失的最主要原因。紫花苜蓿作为优良豆科牧草,在区域生态环境建设和产业结构调整中发挥着重要作用。因此,本研究通过设置在陇中黄土高原半干旱区的长期定位试验,以苜蓿草地(3 a、10 a、12 a)和农田(马铃薯地)为主要研究对象,探讨了土壤物理性质对于苜蓿种植年限的响应,为黄土高原雨养农业系统紫花苜蓿适宜种植年限的选择及苜蓿草地的可持续利用提供科学依据。结果表明,随着紫花苜蓿种植年限的加长,土壤表层呈容重降低、孔隙度增加的变化趋势,而下部土层变化不明显。苜蓿种植可以提高耕层0~30 cm土壤0.25 mm水稳性团聚体含量、平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD),同时降低团聚体破坏率(PAD),且随种植年限的延长效果愈加明显。苜蓿种植一定年限后土壤总有机碳(TOC)和易氧化有机碳(ROOC)与农田差异明显,其中种植苜蓿土壤易氧化有机碳占总有机碳的比例为44%~57%,农田土壤易氧化有机碳比例占52%~68%,表明种植苜蓿不仅提高了土壤总有机碳含量,且改变了土壤有机碳的组成比例。与农田相比,苜蓿种植可改善土壤水分入渗性能,表现为随种植年限的延长呈现先增加后降低的趋势。黄土高原沟壑区种植苜蓿可以改善土壤有机质形态和物理结构,提高土壤渗透能力,但苜蓿种植年限以10 a为宜,10 a之后应该进行轮作换茬以维持雨养农业系统的可持续发展。     

黄土高原半干旱偏旱区苜蓿-粮食轮作土壤水分恢复效应

该文测定和分析了黄土高原半干旱偏旱区不同生长年限苜蓿草地以及轮作不同年限粮食作物后0～1000 cm深层土壤水分变化规律.结果表明:随着苜蓿生长年限的延长,苜蓿草地土壤干层厚度逐渐增加,3年生苜蓿草地土壤干层深度达到760 cm,6、7、10年生苜蓿草地土壤干层深度均超过1000 cm,6年生苜蓿地1000～1500 cm土层仍为干燥层,土壤平均湿度为9.68%;采用草粮轮作能明显减小苜蓿草地干层的厚度和范围,0～1000 cm土壤水分较10年生苜蓿草地都有不同程度的恢复,轮作2、6、8、12和18 a粮田平均土壤水分恢复速率25.2 mm/a,年均累积恢复土层厚度123.1 cm,0～300 cm土层水分恢复程度较高,且轮作年限愈长,土壤水分恢复效果越好,轮作18 a粮食作物后0～660 cm土层土壤水分恢复量达到了531.1 mm;苜蓿草地适宜翻耕年限为5～6 a,且6年生苜蓿草地0～1000 cm土壤水分恢复到当地土壤稳定湿度值需要23.8 a,该地区适宜的苜蓿-粮食轮作模式为"5～6年生苜蓿→24年粮食作物".     

玉米生长三维显示模型研究初探

动态显示玉米的生长、发育和产量形成过程,有利栽培管理。本研究主要目的是建立一个基于生长模拟模型的可视化系统,从而反映玉米生长、发育和产量形成的实时动态。有关玉米生长、发育和产量形成的基本算法与品种、环境和生产水平密切相关,其主要来自于现有文献和研究数据。基于生长模型的逐日输出,耦合玉米种子、根、茎、叶和穗等的形态建成和生长规则,从而建立了玉米形态变化的数学模型。通过计算机图形学、Visual C＋＋和OpenGL,本文建立了基于生长模拟模型和三维动画技术的玉米可视化模型系统,其能基本反映玉米生长、发育和产量形成规律,并具有结构简单、界面友好和图像真实等优点。     

整株干物质量分配指数模型模拟冬小麦各器官形态参数

作物生长机理模型可以定量描述作物生长发育及其与环境因子的动态关系,具有通用性、动态性和预测性的特点,但基于生长机理模型模拟结果的作物虚拟技术与方法尚缺乏研究。针对基于生理过程的小麦功能模型与三维结构模型之间不能很好衔接的问题,该文开展越冬期后不同小麦品种的主茎干物质量在不同器官之间的分配研究,以有效积温和干物质量为连接纽带,构建小麦叶片、叶鞘、茎秆、穗各器官的几何特征模拟模型,并用独立数据进行了验证。结果显示:穗干物质量分配指数模拟效果最好,RRMSE值和EF值分别为6.58%和0.98;叶片、叶鞘和茎秆的分配指数模拟效果较好,RRMSE值分别为13.86%、10.83%和14.87%,EF值分别为0.98、0.97和0.91。麦穗形态参数模型和叶鞘长度模型具有非常好的模拟性能;叶片长度和最大叶宽模型、茎秆长度和直径模型具有较好的模拟性能;叶鞘形态参数模型对于叶鞘展开宽度的模拟效果一般,需要在后续研究中对拟合方程和模型参数进一步修正。该系列模型以干物质量为参数输入,能够生成小麦主茎三维形态模拟所需的各器官逐日几何特征参数,参数反映了品种特性、生长环境及气象因素对作物生长的影响,是一种实现小麦功能模型与结构模型实际结合的有效方法。