基于遗传算法求解的冬小麦优化灌溉产量模型研究

为了在有限灌溉水量条件下研究作物最大产量与不同生育阶段水量分配的关系，该文以静态的作物水分生产函数Jensen模型为基础，建立基于产量最大的有限灌水量优化灌溉模型，并应用最优保存策略遗传算法对建立的多约束非线性模型进行求解。结果显示遗传算法能在不同的灌溉情况下，搜索到模型的最优解，并且能对有限的灌水量在作物不同生育期进行优化分配。     

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。     

基于RAGA-DP的饲草料作物非充分灌溉制度优化模型

中国北方牧区水资源极其匮乏,灌溉饲草料基地优化配水时,通过对非充分灌溉条件下饲草料作物进行灌溉制度优化可以有效地提高水分利用率及作物产量。该文采用基于实数编码的加速遗传算法（RAGA）与多维动态规划法（DP）相结合,建立了遗传动态规划（RAGA-DP）模型,对内蒙古锡林郭勒典型草原区灌溉饲草料地非充分灌溉条件下青贮玉米、披碱草和苜蓿进行了灌溉制度优化,试验验证结果较好,有效地解决了有限水量条件下不同生育期进行优化配水的问题,并通过相对产量与供水量、水分生产率函数和边际产量的关系得到了3种作物的适宜供水量范围。该模型解决了多维动态规划法在作物非充分灌溉条件下灌溉制度优化过程中的早熟现象及易陷入局部最优而难于求得真正最优解的问题。     

基于最优保留策略遗传算法的玉米小麦优化灌溉模型研究

在综合考虑灌溉水量、作物水分需求、作物种植结构、水分生产函数、降雨量、土壤水分平衡、缺水敏感指数、粮食市场价格、农田灌溉用水价格、最低产量需求和灌溉成本等因素的基础上,建立了适合中国国情的基于灌水收益最大的多作物多约束非线性优化灌溉模型,同时应用遗传算法的搜寻功能,对模型的实数编码解空间进行搜索。求解结果显示该模型很好地解决了玉米和小麦联合种植的优化灌溉问题,遗传算法在求解该模型中显示出了较好的搜寻能力,能在很短时间内搜寻到模型的最优解。     

多作物种植结构和灌溉水量优化模型及算法研究

在综合考虑作物灌溉水量、种植面积、水分生产函数、产量反应系数、水分敏感指数等因素基础上, 以实现灌区作物总产量最大为目标函数, 建立了多作物种植结构和灌溉水量优化分解协调模型, 设计了改进实码遗传算法与分解协调迭代算法相结合的模型求解算法, 并利用中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站多年试验数据, 运用上述模型和算法对玉米、小麦联合种植的种植结构、灌溉水量以及玉米、小麦灌溉制度进行了优化计算。结果表明: 产量反应系数大的作物分配的灌溉水量和种植面积大, 且随灌溉水量增加其增产速度越快; 当作物某些生育阶段灌水前的潜在腾发量与可供利用水量的差值相差不大时, 水分敏感指数大的作物生育阶段获得灌溉水量较多, 反之, 即使水分敏感指数大的作物生育阶段也有可能分配不到更多的灌溉水量。这一结果与作物产量反应系数的几何意识、边际效益递减规律等理论以及节水增收初衷相符合, 充分说明模型在实现灌区有限水资源在多作物间和各作物生育阶段优化分配的同时, 实现了灌区多作物种植结构优化, 具有较强推广价值。改进实码遗传算法克服了传统实码遗传算法计算精度低、易早熟、求解结果不能严格满足等式约束等缺陷, 能够搜索到严格满足约束条件的模型最优解, 表明该改进实码遗传算法在解决这类包含等式和不等式约束的最优化问题上具有一定应用价值。分解协调迭代算法能使模型在允许迭代误差范围内收敛, 能够获得使模型整体效果较为理想的最优解, 表明分解协调迭代算法在求解复杂大系统优化问题上具有很好的应用前景。     

基于改进双链量子遗传算法的投影寻踪调亏灌溉综合评价

针对调亏灌溉方案优选过程中存在单项指标的灌溉优劣评估结果单一和难以客观评价灌溉综合效益等问题,该文提出了基于双链量子遗传算法的投影寻踪综合评价模型。该模型利用双链量子遗传算法优化投影指标函数寻求最佳投影方向,同时通过矢量距浓度筛选进入搜索空间的量子染色体,以及在进化过程中逐步优化、压缩搜索空间对双链量子遗传算法进行改进。将改进双链量子遗传算法的投影寻踪模型对玉米各调亏灌溉方案进行综合评价,评价结果表明苗期水分亏缺程度为田间持水量50%～60%的处理是最佳调亏灌溉方案,产量与水分利用效率比正常灌溉处理分别提高了6.4%、10.8%。改进后的模型全局搜索能力与优化效率得到了显著提高。     

考虑地面灌水技术制约的灌溉制度优化

制定作物灌溉制度不仅要考虑补充根层土壤水分以满足作物需求，还应考虑灌水方法对灌水量的限制。为研究我国华北地区地面灌溉条件下冬小麦－夏玉米连作的节水灌溉制度，在河北省雄县进行了连续3年不同灌水处理试验，用水量平衡模型ISAREG对各处理进行数值模拟，从而验证了选定的模型和参数。采用该模型模拟了不同水文年冬小麦－夏玉米连作的多种灌溉制度，对各方案的灌水次数、灌水量、降雨和灌溉水量损失以及作物产量等因素进行了对比，并对现行灌溉制度进行了评价。结果显示：雄县现行灌溉定额大大超过了灌溉需水量，主要原因是地面灌水技术的制约，如田面不平、进地流量过小或畦块过大等，造成难以控制小水量灌溉。为研究既能满足作物基本需水要求，又使灌溉水量损失最小的最佳灌水定额，用模拟地面灌溉水流运动的SRFR模型模拟不同生长阶段的灌溉，得到了每次灌溉时不同流量条件下的最小灌水量，以及灌水效率与灌水量的关系，据此提出了与灌水技术改进措施相结合的不同水文年的灌溉制度优化方案。     

灌水量对半干旱区土壤水盐分布特征及冬小麦产量的影响

通过冬小麦小区灌溉试验，研究了灌水量对水分利用效率、土壤水盐分布及冬小麦产量的影响。结果表明灌溉水量决定土壤水分含量高低，随着灌水量的增加，边际土壤含水率先增大后减小，水分利用效率递减，土壤表层含盐量先减小后增加。当表层土壤的含盐量在0.07%~0.09%范围内，产量随着表土含盐量的增加先增大后减小。综合节水、抑盐、高产等因素得出当地淡水灌溉的最优灌水量。     

不同灌溉上限对温室黄瓜结瓜期生长动态、产量及品质的影响

对不同土壤灌溉上限处理、不同栽培季节温室黄瓜结果期生长发育动态、产量、品质及水分利用效率进行了研究。结果表明，90％田间持水量为黄瓜结果期较适宜的节水灌溉上限指标，较100％田间持水量灌溉上限处理而言，春茬和秋茬均单瓜重增加、品质好、产量和水分利用效率高。     

不同灌溉上限对温室黄瓜结瓜期生长动态、产量及品质的影响

对不同土壤灌溉上限处理、不同栽培季节温室黄瓜结果期生长发育动态、产量、品质及水分利用效率进行了研究。结果表明,90%田间持水量为黄瓜结果期较适宜的节水灌溉上限指标,较100%田间持水量灌溉上限处理而言,春茬和秋茬均单瓜重增加、品质好、产量和水分利用效率高。     

Optimization of irrigation management and environmental assessment using the water cycle algorithm

Obtaining high crop yields with limited water consumption requires optimal irrigation strategies based on comprehensive studies of the parameters of plant–environment interactions. Here, we used a structural equation modelling (SEM) to assess the relationships among input irrigation factors and moderate factors to find an optimum water use efficiency (WUE) response factor, for outdoor and greenhouse cultivation of eggplant (Solanum melongena). The input irrigation factors (including irrigation interval, water salinity and environment) and the moderate factors (evapotranspiration, soil salinity, plant parameters, fruit parameters and crop yield) were used in water cycle algorithm (WCA) and genetic algorithm (GA) methods to optimize the water use efficiency. The optimization process included finding the best combination of irrigation factors and optimized eggplant cultivation. The structural equation modelling results indicate that irrigation interval negatively affected water use efficiency with a more dominant effect on plant parameters. Water salinity negatively affected the water use efficiency with a more dominant effect on soil salinity, crop yield and fruit parameters. Low salinity water was more effective than full irrigation to optimize the water use efficiency. The water cycle algorithm revealed that for outdoor cultivation, the optimal range of irrigation interval was 2–5 days and water salinity in the range of 0.8–2.2 ds/m. These factors optimized evapotranspiration (346.23–738.19 mm), soil salinity (4.16–9.45 ds/m), fruit parameters (33.81–35.12 cm) and crop yield (1715.7–2190.8 g/plant), as well as increasing the water use efficiency (3.08–4.89 g/(plant-mm)). Both the water cycle algorithm and genetic algorithm yielded very close to optimal values. Two years of repeated experiments and the closeness of the optimal values using the algorithms confirmed that the optimal amounts are reliable.     

华北平原小麦－玉米两熟制节水潜力与灌溉对策

利用详细校正的农业系统模型可以综合土壤、气候及作物等因素综合评价节水灌溉制度,为农田水分优化调控提供理论和技术支持。该文利用根系水质模型（RZWQM-CERES）模拟分析了华北平原2个代表性站点（禹城和栾城）小麦-玉米两熟制下作物产量、农田蒸散和灌溉需水量多年的变化特征（1961－1999）,结果表明栾城站小麦季农田最大蒸散量与灌溉需水量多年平均分别为632和496 mm,明显高于禹城站,而玉米季最大蒸散量相近,分别为395和384 mm。2个站点灌溉需水量都集中在小麦季（3－5月）,但在栾城站播种期（6、10月）灌溉需水量较高。由于2站点气候和土壤条件的差异,作物产量对水分胁迫的响应特征明显不同,在获得相似目标产量时,禹城站灌溉需水量低于栾城站。以作物水分胁迫指数为基础的节水灌溉制度模拟评价表明2个站点冬小麦水分敏感期为孕穗期,但播前灌溉的产量效应差异明显。综合以上结果初步建立了2个站点高效用水和环境友好型的节水灌溉策略。     

蒸散视角下护坡植被滴灌技术评价

为探明以复合型人造土壤为边坡种植土的植物蒸散对于高陡边坡生态恢复评价体系制定及水资源利用的重要意义，以黑麦草、高羊茅、早熟禾和"黑麦草+高羊茅+早熟禾"混合草种为研究对象，采用壤中滴灌技术，通过改进后的Penman-Monteith公式研究草本植物实际蒸散量与作物系数，以此评价壤中滴灌技术的生态效益。结果表明：高羊茅的作物实际蒸散量和作物系数最大，黑麦草其次，早熟禾最小，拟合的决定系数不小于0.847；养护初期各植物蒸散量相差较小，均保持在4.2 mm/d左右；养护结束后混合草种的蒸散量最大，早熟禾最小，分别约6.2、5.7 mm/d；养护前20 d，除早熟禾外，黑麦草、高羊茅、混合草种实际蒸散量均差异不显著，养护20 d后黑麦草、早熟禾、混合草种开始发生显著变化；30 d后各草种蒸散量均差异不显著；4类草本植物蒸散量差值随时间递增，前期混合草种蒸散量低于黑麦草、高羊茅，后期有明显的提升，50 d起混合草种作物系数大于单草种作物系数。以30 d为界，30 d作物系数相近；生长初期的作物系数变幅最明显，且月增幅随时间呈下降趋势，但黑麦草和高羊茅的作物系数在任意时段均相近。边坡模型试验前期，以坡面喷灌方式灌溉的植物生态值较高，植物生长情况优于壤中滴灌方式，但自养护中期开始，壤中滴灌技术在生态效益上凸显优势，比坡面喷灌技术高出40.7%～1 444.0%的生态值。     

基于SIMDualKc模型估算非充分灌水条件下温室番茄蒸发蒸腾量

为了探讨SIMDual Kc模型在西北地区温室环境不同水分处理的适用性,以番茄为材料,于2013-2015年在陕西省杨凌区温室内进行亏水处理试验,设置全生育期充分灌水处理、仅发育期亏水50%处理、发育期中期连续亏水50%和全部亏水50%共4种水分处理,通过2013-2014年试验数据对SIMDual Kc模型进行率定,采用2014-2015年试验数据对模型进行验证,并通过模型将土壤蒸发量和番茄蒸腾量分开,利用模拟结果分析不同水分处理对土壤蒸发量和番茄蒸腾量的影响。结果表明:模型模拟不同水分处理蒸发蒸腾量与实测值有较好的一致性,其绝对误差为0.22~0.33 mm/d,均方根误差为0.26~0.48 mm/d、决定系数为0.51~0.81。该模型可以准确的将不同水分处理土壤蒸发量和作物蒸腾量分开,且土壤蒸发量模拟值与实测值有较好的一致性,其绝对误差为0.016~0.024 mm/d,均方根误差为0.013~0.034 mm/d和决定系数为0.63~0.84;通过模拟得到的番茄蒸腾量计算不同水分处理的水分亏缺系数,研究表明水分亏缺系数随亏水时间的增加而降低,复水后水分亏缺系数有不同程度的增加,且发育期、中期和后期连续亏水50%时,后期时水分亏缺系数降到最低,为0.63。因此该模型在西北地区温室环境下非充分灌溉条件下有一定的适用性。除此之外,研究通过模拟结果分析非充分灌水下番茄的响应及复水后的补偿机制,为非充分灌水条件下番茄栽培提供理论依据。     

灌区遥感应用

随着遥感技术本身的发展及其在各领域、各种尺度应用的逐步推广,其在灌区的应用也正在并且将会发挥更大的作用,这主要表现在三个方面,一是有关灌区背景信息获取即水土资源环境的调查,如土地利用类型及其变化、灌区生态状况及其变化、地表及地下水资源调查等,二是灌区农作物信息获取,如农作物种植结构及种植面积调查、农作物长势监测、作物估产、作物灾情监测,三是灌区水平衡要素方面,如作物蒸腾发、区域降雨量、土壤湿度等最终可以服务于农作物需水量估算,辅助灌区灌溉配水方案决策.     

北疆膜下滴灌棉花产量及水分生产率对灌水量响应的模拟

膜下滴灌技术是一种节水高产的灌溉技术,在新疆棉花种植中得到了广泛的应用。灌溉是影响新疆棉花产量的重要因素。为研究棉花产量和水分生产率对灌水量的响应,该文首先采用2010年和2011年新疆棉花膜下滴灌田间试验数据验证二维土壤水与作物生长耦合模型模拟棉花产量和耗水量可靠性。结果表明,二维土壤水与作物生长耦合模型能够可靠地模拟土壤含水率、叶面积指数、地上部分干物质量、籽棉产量和耗水量。土壤含水率模拟值与实测值的标准均方根误差(normalized root mean square error,n RMSE)为4.6%~23.4%,一致性指数为0.677~0.974;叶面积指数和地上部分干物质量n RMSE分别为6.3%~15.7%和7.2%~14.1%;籽棉产量和耗水量的模拟值与实测值之间相对误差分别仅为1.1%~6.7%和0.3%~9.2%。利用率定和验证后的模型参数进一步模拟10种灌水量情景下的棉花籽棉产量和水分生产率,结果表明籽棉产量随着灌水量的增加而增加,二者呈抛物线关系,而水分生产率则随着灌水量的增加而减小。综合考虑产量和水分生产率,北疆地区膜下滴灌棉花优化灌水量为280~307 mm。该研究可为北疆地区棉花灌水实践提供科学依据。     

A model to predict the dry matter and yield of rapeseed under salinity and deficit irrigation

In this investigation, a model was developed to predict dry matter, seed yield and other crop parameters of rapeseed under deficit irrigation and salinity by using soil water and salt budget and other simple plant physiological relationships. Two-year experimental data were used. In calibration and validation of the presented model, results indicated that the model was able to estimate evapotranspiration, soil water content, leaf area index, evaporation, crop transpiration, dry matter and seed yield of rapeseed properly. The advantage of this model is its simplicity and easy calibration in other areas and climate conditions and it can be used to estimate yield and other crop parameters with common measurable data in the field. Prediction of crop yield by this model can be used for better management of agronomic systems to reduce administrative costs and in different environmental conditions. Finally, under scarce data, arid and semi-arid environments, this model is proposed to be used by irrigation managers and agricultural advisors.     

干旱区膜下滴灌条件下洋葱水分生产函数与优化灌溉制度

为探索西北内陆旱区膜下滴灌条件下洋葱节水、高产和高效的灌溉制度,开展了2 a田间试验,分析了洋葱的耗水规律及其影响因素,建立了洋葱的水分生产函数,并对洋葱的灌溉制度进行了优化。结果表明：膜下滴灌条件下洋葱的耗水量为170.1～395.7 mm,产量随灌水量和耗水量的增加而增加,水分利用效率则随灌水量的增加而降低。苗期和成熟期亏水对洋葱产量和水分利用效率无显著影响。洋葱水分敏感指数在鳞茎膨大期最大,发叶期次之,苗期和成熟期较小。膜下滴灌条件下,西北旱区干旱年洋葱全生育期灌水量为375 mm时,可获得较高的产量;其优化灌溉制度为苗期灌水30～40 mm,发叶期灌水130～140 mm,鳞茎膨大期灌水170～190 mm,成熟期灌水25 mm,灌水间隔可采用5 d。该优化灌溉制度对西北内陆旱区洋葱的节水灌溉实践具有一定参考价值。     

基于基因表达式编程的作物水分生产函数构建

作物水分生产函数的确定是农业水资源优化配置的关键。该研究采用农业水文生态系统模型（Agro-Hydrological & Chemical and Crop systems simulator, AHC）与基因表达式编程（Gene Expression Programming, GEP）相结合的方法构建作物水分生产函数。以河套灌区3种主要作物（葵花、玉米、小麦）为研究对象,采用AHC模型模拟作物产量等,构建基于GEP算法的作物水分生产函数,探讨考虑盐分胁迫的作物水分生产函数构建的思路与方法。结果表明：1）作物模拟产量与地下水埋深、地下水矿化度和灌水量等因素有关。2）构建作物水分生产函数的最优输入因子组合为地下水埋深、灌溉量、蒸散发、地下水矿化度、土壤根层盐分对作物胁迫因子、土壤根层含水率。3）应用作物水分生产函数估算不同灌溉定额条件下作物产量（预测产量）,并与AHC模型计算的产量（模拟产量）进行比较,玉米、葵花、小麦预测产量与模拟产量具有很好一致性,其决定系数分别是0.96、0.93、0.96,平均相对误差均小于5%,满足计算精度要求。因此,该研究所构建的作物水分生产函数可以较准确地估算盐分胁迫下作物产量,为农业节水与灌溉水高效利用提供科学参考。     

基于负压灌溉系统的温室番茄蒸发蒸腾量自动检测

针对目前关于作物蒸发蒸腾量测量方法中存在测定成本高、工作强度大及精确度差等问题,设计了一种测量作物蒸发蒸腾量的负压灌溉系统(negative pressure irrigation,NI)。为验证测量结果的精确性,以水量平衡法为对照(CK),采用田间小区定位试验,研究了NI条件下日光温室番茄周年土壤水分动态变化,并对比分析了温室番茄蒸发蒸腾量及水分利用效率。结果表明:NI条件下的温室番茄0~20 cm土壤含水率及0~100 cm土体贮水量变化稳定,周年变化幅度分别为21.4%~23.8%和322.2~333.3 mm。负压灌溉系统测量的春茬番茄蒸发蒸腾量呈单峰曲线变化,季节变化幅度为0.46~5.68 mm,最高值出现在5月20日;秋茬番茄的蒸发蒸腾量季节变化幅度小于春茬番茄,仅为0.56~3.43 mm,最高值出现在10月12日。NI测定的番茄周年蒸发蒸腾量为533.4 mm,低于CK计算结果(541.6 mm),但并无显著性差异(P0.05)。2种方法测定的周年蒸发蒸腾量呈极显著线性正相关关系(P0.01),相对误差绝对值的平均仅为3.83%~7.71%,绝对误差绝对值的平均也只有2.14~5.08 mm。2种方法得到的温室番茄水分利用效率也无显著性差异。综合分析,负压灌溉系统能够实现温室番茄蒸发蒸腾量的计算,其结果不仅与水量平衡法无显著差异,而且简便快捷、使用成本低、测定结果可靠,为温室作物的蒸发蒸腾量测量提供了新的技术手段。