土壤水氮动态及作物生长耦合EPIC-Nitrogen2D模型

为计算农业区不同作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程,该文基于Erosion/Productivity Impact Calculator(EPIC)作物模型建立了作物根系生长子模块,将其进行有限元数值离散,与土壤氮素迁移转化模型Nitrogen2D耦合,使模型能计算作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程。该作物生长模块可计算多种胁迫下作物根系对土壤水分和氮素的动态吸收速率,及作物收获时的生物量和吸氮量。采用武汉大学灌溉排水试验场冬小麦生长条件下土壤水氮试验数据对模型进行了率定,并用于土壤水氮分布和作物生物量预测,土壤含水率、氮素的模拟值与实测值的一致性系数分别为0.86~0.97、0.52~0.98,Nash效率系数为0.59~0.90(含水率)、0.44~0.93(土壤氮素),说明模拟结果与实测值吻合度较高。同时,分别采用该文的作物生长模块和简单根系吸收模块计算根系吸氮过程,结果显示,简单根系吸收模型会显著高估作物吸氮量,而作物生长模型则由于考虑了根系生长和各环境因子的胁迫作用,计算结果更符合作物实际吸氮过程,计算的根系吸氮量相对均方根误差为3.4%~46%。     

作物模型研究进展

作物模型的研究和应用有利于科研成果的综合集成、作物种植管理决策的现代化和辅助国家决策,是农业研究中的重要工具。一个完整的作物模型一般包括作物生长模块、水分运动模块与氮素迁移转化模块。这三者相互联系,相互影响。本文对上述3个模块的发展历程以及应用比较广泛、综合性比较强的几个模型进行综述,对比各自的优缺点,指出了作物模型今后的发展方向。     

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。     

土壤-作物根际系统中离子的迁移

本文通过田间对比和温室根陆试验,研究不同条件下土壤－作物根陆系统中离子的迁移规律。     

作物残体去向与利用及对土壤氮素转化的影响

近年来,作物残体还田受到了很大的关注,一方面它可以改进土壤氮素的动态变化,减少硝态氮淋失;另一方面可作为提高耕地土壤作为潜在氮储库的一种手段。作物残体是碳、氮的重要源和库,因此还田后会影响土壤中的氮素循环。本文综述了作物残体还田后对土壤氮素转化的影响及残体氮素的利用与去向问题。具体阐述了以下几个方面内容:作物残体的降解过程及影响因素,残体氮素的利用率及去向问题,以及作物残体对土壤无机氮库、有机氮库、微生物特征的影响。     

利用冬小麦作物生长模型对产量气候风险的评估

以北京地区冬小麦生产为例，介绍了两种作物生长模型——小麦生长模拟模型WheatSM和农业生产模拟系统(小麦模型)APSIM-Wheat在作物生产气候风险评估中的应用研究。在对WheatSM和APSIM-Wheat进行参数调试和验证的基础上，用北京地区1955～2000年的历史时期气候资料，以日为时间步长，进行多年冬小麦生产的模拟，分析不同气候年型下冬小麦产量的风险。其中，利用WheatSM的模拟结果评估了北京地区热害对冬小麦产量造成的风险，结果表明，5月平均气温≥21℃时为灌浆期高温年型，热害造成的减产至少在13.1%以上；利用APSIM-Wheat的模拟结果评估了北京地区干旱造成的冬小麦产量风险，结果表明，当全生育期降水量<100 mm，缺水量>169.40 mm时，北京冬小麦全生育期严重干旱，冬小麦产量在4 t·hm^-2以下。以上研究结果符合生产实际，可为北京地区不同气候年型下冬小麦生产的动态决策和减轻灾害损失提供科学依据和技术支持。     

棕壤中肥料钙迁移与转化模拟

采用室内模拟方法研究棕壤中肥料钙的迁移与转化，结果表明７００ｍｍ的降水下全耕层施钙时，肥料钙淋失强烈，其为１２．５％￣７５．５％，其中砂壤质棕壤〉壤质棕壤性土〉粘质棕壤，施硝酸钙时钙淋失大于硫酸钙；６０ｍｍ降水下表施钙肥时，硫酸钙集中分布在０￣６ｃｍ土层，迁移深度为６或９ｃｍ，而硝酸钙的迁移可达１２或１２ｃｍ以下，说明后者更有利于全耕层的钙素供应。将土壤钙划分为水溶态、吸附态、非交换态和非酸溶态等     

基于土壤-作物系统模拟模型的冬小麦田间水氮优化管理

将作物生长模型与土壤水氮管理过程模块相结合,构建了土壤-作物系统水分养分模拟模型。以灌水、施氮总量为决策变量,冬小麦生物量、水分和氮肥利用效率为优化目标,将冬小麦按生长发育时期分为6个阶段,建立了多目标的动态规划模型。在土壤-作物系统过程模型的基础上,用动态规划的方法对田间水、氮资源管理措施进行优化。通过对作物水分胁迫系数和氮肥胁迫系数的模拟计算,可获得最佳的灌水、施肥时间及用量。算例结果表明：在养分供应充足仅水分胁迫的条件下,优化方案的灌水量较对照处理平均节约了25%,水分利用效率比对照处理平均高出约1     

土壤水氮资源的利用与管理 Ⅰ.土壤水氮条件与根系生长

本文从提高土壤水分和养分资源利用效率出发,研究与此有关的土壤水氮条件与作物根系生长的关系, 以及适宜的水氮范围。根据冬小麦、夏玉米试验结果表明,根长（ Ｌｒ） 发展动态,根长密度（ Ｌｒ Ｄ） 及其垂直分布和根长／ 冠重比值（ Ｌｒ／ Ｄ Ｍｐ） ,均受土壤水氮条件的影响。水氮的严重胁迫,都会使根系发展受抑制,而 Ｌｒ／ Ｄ Ｍｐ 却加大。在水分稍有亏缺条件下,土层中部根长密度增加,但后期衰亡速率也较快。 Ｌｒ 和 Ｌｒ／ Ｄ Ｍｐ 的综合评价,可用以衡量根系状况。本文运用 Ｌｒ 和 Ｌｒ／ Ｄ Ｍｐ 与水氮条件关系的等值线图的叠加法,将两图高值区的重叠区,作为作物在该生育阶段的适宜指标范围和适宜的水氮范围。     

基于冠层光谱植被指数的冬小麦作物系数估算

目前针对局地气候条件下某一作物类型的作物系数及其年际变化已开展了较多分析,但适于区域尺度运用的作物系数估算方法的研究还比较缺乏,这是将FAO 56作物系数法成功应用于区域作物实际蒸散量估算的关键环节。该文基于2008-2009和2009-2010年度2个冬小麦生长季的大田试验数据,研究了作物系数（Kc）、基本作物系数（Kcb）与8种常用冠层光谱植被指数（VIs）的相关关系以及水分和氮素胁迫对其的影响,分析了基于VIs估算作物Kc、Kcb的可行性,并对其估算精度进行了验证。结果表明,高氮水平下Kcb较大而土壤蒸发系数（Ke）较小,低氮水平下Kcb较小而Ke较大,不同施氮水平下Kc无明显规律性差异。冬小麦Kc与VIs相关性较弱（决定系数R2＝0.094～0.150,p<0.01,n＝195）,而Kcb与VIs则具有很强的相关性（决定系数R2＝0.511～0.685, p<0.01,n＝195）;施氮水平不影响 Kcb-VIs 关系,而不足以使冠层光谱出现明显表征的水分胁迫可使 Kcb-VIs相关关系减弱。利用VIs估算的冬小麦实际生长条件下的Kcb值与FAO 56确定的Kcb值均具有很好的线性回归关系（R2＝0.765～0.864,n＝150）,其中增强型植被指数（EVI）的估算精度最好。但在不足以使冠层光谱出现明显表征的水分胁迫条件下,利用该法可能会产生较大误差,还需要结合其他途径获取的水分胁迫信息来准确确定。     

基于遥感数据与作物生长模型同化的作物长势监测

遥感观测和作物生长模型模拟是进行农作物长势监测的2种有效手段,并具有较好的互补性,构建二者的同化系统是目前农业遥感研究领域的热点。同化涉及多学科的交叉集成,十分有必要将同化方法中的模型、算法、数据进行集成,构建基础作物模型同化系统平台,降低科学研究和应用的难度。采用模块化结构设计,将同化系统构建所需的主要模型、算法、数据等进行有机结合和无缝集成,实现基于极快速模拟退火算法的遥感数据与CERES-Wheat作物生长模型的同化原型系统构建。此外,通过所开发的系统利用地面高光谱作为遥感数据,通过同化小麦叶面积指数对同化系统进行了检验和初步应用。同化LAI与实测结果较好的拟合度,表明所开发的同化系统基本可行,能为遥感技术与作物模型的基础研究和应用提供一个平台。     

遥感信息与作物生长模型的区域作物单产模拟

利用外部数据同化作物生长模型提高区域作物单产模拟精度是近年来的研究热点.该文以遥感反演的叶面积指数(LAI)作为结合点,以黄淮海粮食主产区典型县市夏玉米为研究对象,在区域尺度利用全局优化的复合形混合演化( SCE-UA)算法进行了遥感反演LAI信息同化EPIC (environmental policy integra...     

遥感与作物生长模型数据同化应用综述

遥感是获取大面积地表信息最有效的手段,在农业资源监测、作物产量预测中发挥着不可替代的重要作用;作物生长模型能够实现单点尺度上作物生长发育的动态模拟,可对作物长势以及产量变化提供内在机理解释。遥感信息和作物生长模型的数据同化有效结合二者优势,在大尺度农业监测与预报上具有巨大的应用潜力。该文系统综述了遥感与作物生长模型的同化研究,概述了遥感与作物生长模型数据同化系统的构建,在归纳国内外研究进展的基础上,总结了当前主流同化方法的特点以及在不同条件下的同化效果。进而具体分析影响同化精度的关键环节,明确了相关科学概念,并相应指出改善精度的策略或者方向。最后从多参数协同、多数据融合、动态预测、多模型耦合以及并行计算环境5个方面展望了遥感与作物生长模型数据同化的未来研究重点和发展趋势,同时结合农业应用现实需求,介绍一种数据同化与集合数值预报结合的应用框架,为大区域、高精度同化研究提供新的思路与借鉴。     

氮素对冬小麦生长发育及产量的亏缺和补偿效应

通过盆栽试验研究了正常灌水条件下不同生育阶段氮素亏缺对冬小麦生长发育及产量的影响。结果表明,越冬期不施氮能明显减少冬小麦的分蘖数和地上、地下部生物量,对地上部影响大于地下部,使根冠比增大;越冬期和拔节期不施氮能显著降低冬小麦的产量,而后期缺氮对产量的影响不大;越冬期不施氮能明显降低冬小麦的有效穗数,拔节期不施氮对千粒重影响较大;而抽穗期和成熟期不施氮则对穗粒数具有显著的影响。总的来看,冬小麦对氮素的亏缺敏感期在越冬期和拔节期,补偿有效期在拔节期。     

土壤-作物-大气系统水热碳氮过程耦合模型构建

定量描述农田生态系统中土壤水分动态、碳氮循环过程和作物生长发育规律,对水氮资源高效利用、作物生产决策和环境保护具有十分重要的意义。该文在总结前人研究成果的基础上,引用了联合国粮食及农业组织的气象模块、荷兰的PS123作物模型和丹麦的Daisy模型的碳氮循环模块;借鉴了RZWQM和Hydrus-1D的水分溶质运移模块的相关理论,并在其基础上进行了修改与完善,构建了土壤-作物-大气系统水热碳氮耦合模拟模型WHCNS(soil water heat carbon and nitrogen simulation)。该模型以天为步长,考虑了气象条件、作物生物学特性和田间管理驱动。土壤水分入渗和再分布过程分别采用Green-Ampt模型和Richards方程来描述。土壤氮素运移使用对流-弥散方程来描述,源汇项中考虑碳氮循环的各个过程(有机质矿化、生物固持、尿素水解、氨挥发、硝化、反硝化和作物吸收等),在根系吸水吸氮源汇项中引入了补偿性吸收机制。有机质模块完全来自Daisy模型,将有机质库划分为3个快库和3个慢库。利用改进的荷兰PS123模型实现了作物生长发育进程、干物质生产、干物质分配及作物产量的模拟,通过水氮胁迫校准因子来实现水氮限制下作物产量的模拟。最后应用华北地区(山东泰安)冬小麦-夏玉米轮作体系2 a的田间观测数据对该模型进行了校验。结果表明,剖面土壤水分和硝态氮浓度、叶面积指数、作物产量与实测值均吻合良好,模拟误差均在合理范围之内,特别是对产量的模拟较好,均方根误差为206~319 kg/hm2,相关系数为0.90,模型效率值均大于0.75,一致性指数值均大于0.9。WHCNS模型能够较好地模拟土壤水分动态、氮素运移及去向、作物生长发育等过程,表明该模型适用于中国华北地区高度集约化的农田生产系统。