基于AquaCrop模型的玉米全膜双垄沟播技术研究

采用以水为驱动力的AquaCrop模型对定西市2016—2020年玉米全膜双垄沟播技术模拟产量进行研究,分别建立I1（裸地种植）、I2（覆膜率为45%的窄膜种植）、I3（覆膜率为81.8%的宽膜种植）、I4（覆膜率为100%全膜双垄沟播技术种植）4种种植模式,对比分析4种模式的产量优越性与环境适应性,得出播种日期以及降雨量与土壤含水率关系。AquaCrop模拟结果表明,该模型适宜模拟定西市旱作农业,I4模式产量模拟值和实测值之间皮尔逊相关系数(r)均大于0.91、均方根误差(RMSE)为0.1~0.24、归一化均方根误差(CV(RMSE))为1.66%~2.10%、纳什效率系数(EF)均大于0.9、一致性指数(d)大于0.94。定西市最佳播种日期选取平均气温稳定在15℃左右（每年4月15—25日左右）,该时段播种后产量最高,种植模式I4产量、地上生物量、水分生产力比种植模式I1分别高84.01%、19.79%、101.13%,比种植模式I2分别高82.26%、19.74%、85.47%,比种植模式I3分别高63.26%、14.80%、82.63%;干旱年种植模式I4土壤总含水率比I1、I2、I3模型均高90%以上,丰水年均高80%以上;2000—2020年间耗水量大于有效降雨量有7a,耗水量小于有效降雨量有13a,模拟结果表明全膜双垄沟播技术耗水量与降雨量持平,不会透支土壤水分。     

基于GLUE和PEST的CERES-Maize模型调参与验证研究

作物模型已逐渐成为干旱和半干旱地区优化农田水肥管理和实施节水灌溉的有力决策支持工具。为了探讨CERES-Maize模型模拟不同生育期受旱情况下夏玉米的生长发育、产量形成和土壤水分状况的模拟精度,进行了2013和2014年连续两季夏玉米田间分段受旱试验。试验将夏玉米整个生育期划分为苗期、拔节、抽雄和灌浆4个主要生长阶段,采用单个生育期受旱其他生育期灌水的方式,形成4个不同的受旱时段水平(D1~D4),又根据夏玉米多年生育期降雨量,设置了70和110 mm两个灌水水平(I1和I2),共形成8个处理,每个处理3次重复,在遮雨棚内按照裂区试验布设,此外设置1个各生育期均灌水110 mm的对照处理(CK)。利用两年试验数据,采用DSSAT-GLUE和PEST两种不同的模型参数估计工具,对CERES-Maize模型的遗传参数进行估计,并对该模型的模拟精度和可靠性进行验证,此外还使用交叉验证法对CERES-Maize模型的整体模拟精度进行评估。结果表明,GLUE和PEST两种调参工具所得的模型参数均有较好的稳定性和收敛性,但PEST调参工具耗时较少,效率较高;CERES-Maize模型能较好地模拟充分灌水条件下夏玉米的生长发育、产量和土壤水分变化,绝对相对误差(ARE)和相对均方根误差(RRMSE)均在6%~8%之间;但是现有CERES-Maize模型无法模拟由于不同生育期受旱造成的夏玉米物候期的差异。此外,交叉验证结果发现夏玉米生长前期(特别是拔节期)受旱处理的数据参与模型校正时,模型的总体平均模拟误差较大,精度较低。CERES-Maize模型模拟前期受旱对玉米籽粒产量的影响时结果不够准确,这可能是由于该模型低估了早期水分胁迫条件下的LAI值,进而使得ET模拟不准确所造成的。总之,CERES-Maize模型对生育期前期(特别是拔节期)受旱条件下夏玉米生长发育、产量形成和土壤水分变化的模拟还存在一定的不足,若将CERES-Maize模型应用于我国干旱和半干旱地区水分胁迫条件下玉米的生产管理和科学研究,应对模型进行相应的修正。     

冬小麦生物量和产量的AquaCrop模型预测

以华北地区冬小麦为研究对象,将AquaCrop作物生长模型应用到滴灌、喷灌、漫灌中,对模型主要参数如气象、土壤、作物特性等进行调整,并对作物产量和生物量模拟的有效方法进行了研究。模拟结果表明,产量和收获时地上部分生物量的模拟值与实测值较为接近且略高于实测值,模型性能指数均高于0.95。产量模拟效果优于生物量,滴灌模拟效果最好。     

AquaCrop作物模型在松嫩平原春麦区的校正和验证

为了研究AquaCrop作物模型在松嫩平原春麦区的适用性,利用实测的土壤水分、春小麦生长和产量数据,结合气象数据,获得AquaCrop模拟土壤水分和春小麦生长的模型参数,并用往年的作物生长数据对模型进行验证。结果表明,春小麦的产量和生物量的实测值与模拟值的绝对平均误差(MAE)为0.058和0.109、均方根误差(RMSE)为0.06和0.11t/hm2、模拟性能指数(EF)为0.795和0.822、残差聚集系数(CRM)为-0.006 96和0.005 87、一致性系数(IoA)为0.959和0.966;对10cm和20cm土壤体积含水率的实测值与模拟值的MAE为5.23和2.53、RMSE为6.47%和7.95%、EF为-0.277和-0.069、CRM为0.097和0.212、IoA为0.585和0.741。说明AquaCrop模型对春小麦的生物量和产量及生育期土壤体积含水率的模拟结果总体较好,对松嫩平原春麦生产有一定的参考意义。     

基于AquaCrop模型的南疆无膜滴灌棉花灌溉制度优化

为探究AquaCrop模型对南疆地区无膜滴灌棉花种植的适用性、寻求最优灌溉制度,以2018—2019年田间实测数据对模型进行校验,并利用校准模型分别模拟2种不同灌水情景下的棉花冠层覆盖度、生物量及产量的变化规律。结果表明：采用AquaCrop模型模拟2019年冠层覆盖度的均方根误差（RMSE）、拟合指数（d）、标准均方根误差（NRMSE）及决定系数（R2）分别为6.03%、0.12、13.08%和0.97,生物量模拟的各参数分别为810kg/hm2、0.93、6.41%和0.80,产量模拟的各参数分别为751kg/hm2、0.84、14.02%和0.87,说明AquaCrop模型可以较好地模拟南疆地区无膜滴灌棉花的生长与产量。基于1960—2019年的气象数据,利用AquaCrop模型对无膜滴灌棉花进行情景模拟：灌水周期相同时,无膜滴灌棉花产量随灌溉定额的增加呈先增加、后减小的变化趋势,总灌水量为7200m3/hm2时产量达到最大值（5398kg/hm2）,水分利用效率（WUE）为0.75kg/m3;灌溉定额相同时,无膜滴灌棉花产量随灌水周期的增加而增加,总灌水量为5400m3/hm2、灌水周期为5d时,产量达到最大值（5315kg/hm2）、WUE为0.98kg/m3。研究表明,灌水周期5d、灌溉定额540mm的灌溉制度可保证无膜滴灌棉花具有较高的产量和水分利用率,可作为无膜滴灌棉花的参考灌溉制度在南疆地区推广应用。     

基于AquaCrop模型的冬小麦咸淡轮灌制度模拟与评价

为探寻适宜冬小麦的咸水灌溉方法,针对拔节期、抽穗期和灌浆期开展了不同咸淡轮灌方式(淡淡淡（A0）、咸淡淡（A1）、淡咸淡（A2）、淡淡咸（A3）,咸水矿化度为10 dS/m)及单次灌水量(40 mm（I1）、60 mm（I2）、80 mm（I3）、100 mm（I4）)的田间试验,利用AquaCrop模型对咸淡轮灌下土壤水盐和冬小麦生长生产进行校验,并通过情景模拟优化了咸淡轮灌方案。结果表明：AquaCrop模型可以较好地模拟咸淡轮灌下土壤水盐状况及冬小麦生物量和籽粒产量,率定时土壤含水率、土壤含盐量、冠层覆盖度、累积蒸发蒸腾量、生物量和籽粒产量的均方根误差（RMSE）分别为1.06%～2.09%、0.03～0.27 dS/m、4.2%～11.0%、14.95～52.17 mm、0.57～0.86 t/hm²和0.28 t/hm²,验证时最终生物量和籽粒产量的RMSE分别为0.51 t/hm²和0.33 t/hm²,且各指标决定系数（R²）均大于0.70,一致性指数（d）均大于...     

夏玉米气孔导度模型适用性分析

气孔导度的准确估算对理解作物的水分利用生理机制、预测实际蒸散发量具有重要意义。基于北京大兴试验基地2016-2017年夏玉米气孔导度观测数据,分析了环境因子不同形式或不同组合对Jarvis模型模拟精度的影响效应,对比了5种气孔导度模型(包括Jarvis多因子模型、Jarvis双因子模型、Ball-Woodrow-Berry (BWB)模型、Ball-Berry-Leuning (BBL)模型和统一气孔优化(USO)模型)的模拟效果,提出了模型在不同尺度下的适用性建议。结果表明：环境因子响应函数的形式与组合方式均较大程度影响Jarvis模型的模拟精度;5种气孔导度模型整体模拟精度为USO模型>BBL模型>BWB模型>g_sd-3模型>g_s-2模型。Jarvis双因子模型输入数据较少且数据获取方便,在区域尺度适用性更好;BWB和BBL模型精度更高而输入数据获取较难,适用于农田尺度的估算;USO模型输入数据少且易于参数率定,在农田尺度和区域尺度均有较好的适用性。在实际应用中应综合比选环境因子的组合形式及模型结构,将更有利于提升...     

新疆地区潜在蒸散量计算模型适用性评价

[目的]评价不同潜在蒸散量模型计算结果的准确性以及模型在不同地区的适用性,提出适合于新疆不同区域的潜在蒸散量计算模型.[方法]基于新疆16个站点1970-2015年的实测气象资料,以实测蒸发为基准,采用综合法、辐射法、质量传输法、温度法4类模型计算了潜在蒸散量;通过随机森林模型分析了潜在蒸散量的主要影响因素,并利用多属...     

石羊河流域太阳辐射总模型适用性评价及基于天气类型的模型率定研究

石羊河流域光照资源充足,太阳辐射强,准确估算其太阳总辐射对石羊河流域农业生产具有重要意义。为了对常见太阳辐射总模型在石羊河流域的模拟精度进行评价,确定适合石羊河流域太阳总辐射估算的模型,本研究基于中国农业大学石羊河实验站2014-2018年的气象数据资料,选取5种太阳总辐射模型,采用决定系数R2、平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE、一致性指数d以及整体评价指标GPI共5个指标进行适用性评价,并进行了基于不同天气类型的太阳总辐射模型模拟与评价。结果表明：基于日照百分率、日平均温度、相对湿度的综合模型具有最佳的模拟效果;晴天天气下,三次函数型A-P模型具有最佳模拟效果;多云天气下,综合模型模拟效果最佳,提出了基于天气组合的石羊河流域太阳总辐射估算模型,为石羊河流域太阳总辐射估算提供了进一步的模型支持。     

应用Shuttleworth-Wallace模型对夏玉米农田蒸散的估计

根据夏玉米生长季内逐时波文比系统观测资料和主要生育期的作物资料,以波文比-能量平衡法(BREB法)得到的蒸散量为实测值,对比研究了Shuttleworth-Wallace模型(以下简称S-W模型)、Penman-Monteith模型(以下简称P-M模型)对蒸散估计的差异。S-W模型因考虑了土壤蒸发,估算的逐时逐日蒸散值均比P-M模型有更好的精度。在作物生长前期,LAI(<2.0)较低,应用S-W模型在稀疏冠层下估算的蒸散量高于P-M方程,更接近于实测值,与实测值的相关系数更高,RMSE值低。随着LAI的增大,冬小麦冠层密闭,S-W模型和P-M方程估算的蒸散与实测值均相接近,二模型均有良好表现。对S-W模型的各阻力参数进行敏感性分析,分析结果表明,应用S-W模型时,模型对阻力参数冠层气孔阻力最为敏感,土壤表面阻力次之,作物冠层高度与参考高度间空气动力学阻力敏感程度居中,对地表与冠层高度间空气动力学阻力、冠层内边界阻力不敏感。在应用已有经验关系式时,特别需要注意对冠层气孔阻力、土壤表面阻力这二阻力参数中经验系数的合理确定。     

Validation and testing of the AquaCrop model under full and deficit irrigated wheat production in Iran

Accurate crop development models are important tools in evaluating the effects of water deficits on crop yield or productivity and predicting yields to optimize irrigation under limited available water for enhanced sustainability and profitable production. Food and Agricultural Organization (FAO) of United Nations addresses this need by providing a yield response to water simulation model (AquaCrop) with limited sophistication. The objectives of this study were to evaluate the AquaCrop model for its ability to simulate wheat (Triticum aestivum L.) performance under full and deficit water conditions in a hot dry environment in south of Iran, to study the effect of different scenarios of irrigation (crop growth stages and depth of water applied) on wheat yield. The AquaCrop model was evaluated with experimental data collected during the three field experiments conducted in Ahvaz. The AquaCrop model was able to accurately simulate soil water content of root zone, crop biomass and grain yield, with normalized root mean square error (RMSE) less than 10%. The analysis of irrigation scenarios showed that the highest grain yield could be obtained by applying four irrigations (200 mm) at sowing, tillering, stem elongation and flowering or grain filing stages for wet years, four irrigations (200 mm) at sowing, stem elongation and flowering stages for normal years and six irrigations (300 mm) at sowing, emergence, tillering, stem elongation, flowering and grain filing stages for dry years. The least amount of irrigation water to provide enough water to response to evaporative demand of environment and to obtain high WUE for wet, normal and dry years were 100, 200 and 250 mm, respectively.     

Test of AquaCrop model in simulating biomass and yield of water deficient and irrigated barley (Hordeum vulgare)

With the current water shortage in East Africa improving crop water use is vital especially in the arid and semi-arid regions of Ethiopia. To understand the response of barley to water and to simulate the biomass and grain yield of barley under various water inputs and planting dates, we tested the FAO AquaCrop model versions 3.0 using independent data sets during the cropping seasons of 2006, 2008 and 2009 at Mekelle site in northern Ethiopia. We found that the model is valid to simulate the barley biomass and grain yield under various planting dates in the study site. AquaCrop model can be used in the evaluation of optimal planting time. Out of the tested planting dates, planting on July 4 (early sowing) was found to maximize barley biomass, grain and water use efficiency. The model can also be used in the evaluation of irrigation strategies. Barley showed slightly lower performance under mild water stress condition compared to full irrigation condition. However, the model has indicated the possibility of obtaining more biomass and grain yield from a relatively larger barley field under (deficit irrigation) mild stress condition.     

苏南丘陵地区茶树蒸散发估算模型的适用性评估

根据波文比能量观测系统在2017—2020年间的ET_c观测数据,分别对FAO-56作物系数模型(S-k_c)与Priestley-Taylor(PT-α)模型进行参数率定及修正,分析了茶树ET_c在各生育期内对气象因子的响应特性,并评估了修正后的S-k_c与PT-α模型对于苏南丘陵地区茶园的应用效果.研究表明：S-k_c模型的作物系数k_c在茶树生长初期为0.83、中期为1.19、后期为1.06,PT-α模型系数α年均值为1.09;气温、水汽压差及土壤体积含水率对ET_c的影响在0.05的水平下具有统计学意义,且各气象因子对ET_c的相关性均表现为在茶树生长中期高度相关,生长后期偏低;以波文比能量观测系统的ET_c观测数据作为参照,修正后的S-k_c模型高估了茶树ET_c,PT-α模型低估了ET_c,但PT-α模型的误差(R²...     

有机无机氮配施对玉米产量和硝态氮淋失的影响

为获取玉米高产和减少氮素淋失的合理有机无机配施模式,通过田间试验和脱氮-分解模型(DeNitrification-DeComposition,DNDC)模拟,研究了有机氮替代不同比例无机氮对玉米产量和硝态氮淋失的影响。玉米田间试验在内蒙古河套灌区进行,设置了6个处理,包括不施氮（CK）、单施无机氮（U1）以及用有机氮替代25%、50%、75%和100%无机氮（U3O1、U1O1、U1O3、O1）。利用2018—2020年的U1处理对模型进行了校准,用其他处理进行验证。结果表明,该模型能较好地模拟作物产量（标准均方根误差小于5%）和硝态氮淋失量（标准均方根误差小于15%）。此外,利用该模型模拟评估不同管理措施对玉米产量和硝态氮淋失量发现,在U1处理的基础上,增加无机氮施用量会导致作物产量下降,同时也会显著增加硝态氮淋失量;增加有机氮施用量、灌水量、无机氮分施次数会增加玉米产量和硝态氮淋失量。在等施氮量240kg/hm2条件下,随着有机氮施入比例增加,玉米产量呈先升后降的趋势,硝态氮淋失量呈逐渐降低的态势。综合来看,有机无机氮配施比例为3∶2时,作物产量达到最高值（12578kg/hm2）,硝态氮淋失量（15.7kg/hm2）也在可接受水平,可确定为该地区较优有机无机氮配施模式。