中国西南地区干旱对玉米产量影响评估方法

为研究干旱对西南地区玉米产量的影响,该文根据气候相似、发育期相近、农业生产水平相当的原则将西南地区玉米种植区分成6个亚区,利用1961-2010年西南地区63个代表站点逐日气象资料,计算逐旬水分盈亏指数,建立逐旬干湿指数,并基于旬干湿指数建立玉米干旱累积指数,同时结合玉米单产资料,构建玉米干旱产量损失评估模型。结果表明,玉米生育期内旬干湿指数与该旬的土壤湿度相关性较好;西南6个亚区玉米干旱产量损失评估模型均通过0.05水平的F检验,通过代表站、西南干旱年玉米干旱累积指数与干旱产量损失间的统计分析,两者之间具有显著的相关性,检验水平F均在0.05以上。模型能较准确地评估玉米发生干旱时的产量损失,具有一定的应用和深入研究价值。     

响应气候变化的棉花生长模拟与县域尺度产量评估

为评估气象变化对棉花生长和县域尺度产量的影响,使用校正的CROPGRO-Cotton模型实现棉花生长模拟和响应气候变化的年际籽棉产量评估。2018年和2019年的田间试验数据被用于校正和验证CROPGRO-Cotton模型,结果表明校正的CROPGRO-Cotton模型对物候发育期模拟精度较好,出苗期、开花期、结铃期和吐絮期的模拟误差分别为+1、+3、+1和-2 d。模拟的生长期地上总产量(TAGP)和叶面积指数(LAI)与实测值吻合较好,D值为0.99,模拟的RMSE值分别为718 kg·hm^-2和0.29 m²·m^-2, 显示了较高的TAGP模拟精度(10%D值为0.55,NRMSE值为15.8%。不同年际籽棉产量评估的平均D值和NRMSE值分别为0.48和15.6%,不同区域的籽棉产量评估的平均D值和NRMSE值分别为0.44和16.8%,校正的模型均获得了较高的年际和区域产量评估精度(NRMSE≤20%)。研究结果可为分析气候变化对棉花生长和产量的影响提供一种定量分析方法。     

气候变化对河南省夏玉米主栽品种发育期的影响模拟

为模拟气候变化对夏玉米发育期影响,本文将河南省划分为4个夏玉米主栽区,分区进行主栽品种遗传参数调试验证,确定各区域品种平均遗传参数。将未来气候变化情景(A2和B2)下,2020s、2050s和2080s各时段的温度和降水增量加上基准值,模拟未来气候变化对河南省夏玉米发育期的影响。模型调参验证结果表明：各区域品种遗传参数存在一定差异,豫西地区当前种植品种播种-开花所需积温高于其它地区,而豫北和豫东当前种植品种开花-成熟所需积温高于其它地区;各区开花期调参和验证误差RMSE为2～4d,相对误差NRMSE均小于10%;各区域成熟期调参误差RMSE均小于4d,验证误差RMSE为3～7d,除豫西区外,各区域调参及验证期间的成熟期相对误差NRMSE均小于10%。表明CERES-Maize模型对河南省各区域夏玉米发育期模拟精度均较高。未来气候变化影响模拟结果表明：A2和B2情景下,夏玉米营养生长期平均缩短4.7d和3.1d,全生育期平均缩短12.9d和8.6d。夏玉米生育期缩短日数与各时段增温幅度趋势一致,全省4个区域中豫西区生育期日数缩短最多。     

基于聚类法筛选历史相似气象数据的玉米产量DSSAT-CERES-Maize预测

根据陕西杨凌、合阳、长武3个站点各2 a玉米试验,在对玉米生长模拟模型CERES-Maize进行调试、验证的基础上,探索在生育期内进行动态产量预测的方法并验证.研究将目标生育期内未知气象数据分别用试验地的多年历史同期数据代替,结合生育期实时数据对应生成多个完整的气象数据序列运行模型预测产量.随着生育期的推进,逐日在气象数据序列中融入目标年实测的气象数据,从播种至收获动态模拟玉米产量.此外该研究使用改进前后的K-NN算法从历史气象年份中筛选目标年的气象相似年份进而预测产量.通过对3种方法预测精度及预测效率对比,确定改进的K-NN算法最优.研究表明,玉米生育前期产量预测可靠性和准确率均较差,抽雄后预测精度迅速提高;利用改进的K-NN算法在3个站点全生育期预测产量的平均绝对相对误差的均值分别为9.9%、19.8%、17.9%,抽雄后预测产量的平均绝对相对误差在0.2%~12.6%之间,相比于使用全部历史年份数据进行全生育期产量预测,模拟所需时间从61 min缩短至25 min.对该方法中降雨因子的筛选进一步改进可提高预报精度,未来有望达到业务应用水平.     

干旱胁迫对玉米物候及产量组成的影响及模拟研究

为了研究产量关键期干旱胁迫对玉米物候及产量和产量组成的影响,评估作物生长模型对干旱胁迫下玉米物候和产量模拟的效果,基于锦州农业气象试验站2011-2015年分期播种试验玉米产量和产量组成观测资料,尤其是2014年和2015年天然干旱胁迫试验数据和2015年玉米开花、吐丝物候加密观测资料,分析了产量关键期干旱胁迫对玉米物候及产量和产量组成的影响,评估了CERES-Maize模型对不同降水年型玉米产量和产量组成的模拟效果,提出了模型改进的方向。结果表明,2014年和2015年辽宁省西部地区在玉米开花期前后经历了较严重的干旱胁迫过程,干旱胁迫导致玉米吐丝延迟程度大于开花,90%以上的植株能到达开花阶段,但仅有45%~88%的植株能到达吐丝阶段,直接影响株籽粒数（不同播期下的玉米株籽粒数相差32%）及最终产量（产量下降33%~78%）。CERES-Maize模型对正常年玉米产量及产量组成的模拟效果较好,对干旱年的模拟效果较差,部分原因在于模型在模拟玉米物候时不对开花和吐丝期加以区别,只考虑了温度对花期的影响,而没有考虑干旱胁迫下玉米因开花-吐丝间隔增大、雌穗发育异常、物候期推迟而造成的减产作用。因此,玉米产量关键期干旱胁迫直接影响玉米物候（开花-吐丝期）,进而影响玉米穗粒数及最终产量;为提高干旱胁迫下作物模型的模拟评估能力,亟待开展干旱胁迫下基于冠层吐丝动态的玉米产量模拟研究。     

ORYZA2000模型模拟安徽地区不同播期水稻的适应性分析

以2010-2011年安徽宣城两个水稻品种(两优6326,南粳44)3个播期(5月5日、15日、25日)水稻生长发育观测数据为基础,结合当地气象、土壤等数据,将2010年数据作为校准数据对ORYZA2000模型进行参数校正,调试决定作物基本参数,以2011年数据作为检验数据,对水稻生育期、叶面积指数、生物量及产量等指标进行模拟并将结果进行统计验证与评价.结果表明,对水稻生育期发育速率的模拟显示,两优6326的大部分生育期发育速率稍高于南粳44,第三播期两优6326基本营养阶段及生殖生长阶段的发育速率最大,第三播期南粳44穗分化阶段的发育速率最小;水稻生育期模拟值均比实测值小,其差异为2 ～7d.生育期长度的归一化均方根误差(NRMSE)为3.4％ ～7.5％;两组数据所得地上总生物量的NRMSE为16％ ～22％、绿叶生物量的NRMSE为20％ ～25％、茎生物量的NRMSE为17％ ～21％、穗生物量的NRMSE为19％ ～ 25％、叶面积指数的NRMSE为24％～26％,其总生物量及产量的NRMSE分别为6％ ～ 13％和5％ ～ 14％.模拟结果表明ORYZA2000模型可以通过校准作物参数,较准确地模拟水稻发育期、发育速率及其生物量的动态积累过程.     

不同发育期干旱对冬小麦灌浆和产量影响的模拟

为探明不同强度干旱对农作物生长过程所产生的影响,本文基于作物生长模型WOFOST,采用数值模拟方法,模拟分析了河南省郑州地区冬小麦在拔节期、抽穗期和灌浆期分别发生不同程度干旱、两个发育期以及3个发育期都发生不同程度干旱对冬小麦灌浆过程和产量的影响。结果表明,当单一发育期供水减少10~30 mm时,干旱导致小麦灌浆强度在正常灌浆后的第14~18 d下降,可使小麦减产1.34%~12.5%,且以抽穗期干旱影响最大,其次是灌浆期干旱,拔节期干旱影响最小;当两个发育期供水都减少10~20 mm时,干旱导致小麦灌浆强度在正常灌浆后的第10~17 d下降,可使小麦减产4.94%~21.88%,且以抽穗期和灌浆期干旱影响为最大,其次是拔节期和灌浆期干旱,拔节期和抽穗期干旱影响最小;当3个发育期供水都减少5~15 mm时,干旱导致小麦灌浆强度在正常灌浆后的第11~16 d下降,可使小麦减产3.93%~24.84%。可见,干旱致使土壤水分亏缺,影响了作物正常的灌浆强度,进而导致作物减产。干旱发生时段与程度不同,造成作物的减产率也不尽相同,多个发育期干旱导致小麦的减产率往往大于单一发育期干旱相叠加的效应。     

河套灌区不同水肥处理对玉米生长影响的AquaCrop模型模拟

为探究内蒙古河套灌区玉米生长适宜的水肥管理方案,开展了不同灌水与施肥水平玉米田间试验。利用田间实测数据对AquaCrop模型进行了率定与验证,以此为基础,采用AquaCrop模型模拟分析了不同灌水和施肥条件下玉米产量和水分利用效率的变化规律。结果表明:(1)模型率定和验证过程中冠层覆盖度和生物量模拟值与实测值的R~2分别介于0.74～0.99,0.87～0.99;NRMSE分别介于4.55%～12.32%,5.77%～27.07%;E_(NS)分别介于0.90～0.99,0.85～0.99;各处理产量模拟值与实测值间R~2分别为0.99,0.97;NRMSE分别为4.59%,3.42%,E_(NS)分别为0.95,0.97;水分利用效率模拟值与实测值间R~2分别为0.81,0.86;NRMSE分别为6.75%,13.85%,E_(NS)分别为0.96,0.83。说明AquaCrop模型在河套灌区具有很好的适用性。(2)利用校验后的模型模拟了不同施肥水平下灌水量变化对玉米产量和水分利用效率的影响,当灌水量达270 mm后,继续增加灌水量,玉米产量和水分利用效率基本保持不变,甚至有所降低。(3)以稳产高效为目标,中肥条件下,灌水270 mm时玉米产量和水分利用效率均为各灌水量中的最优值。因此,推荐灌水270 mm、施肥375 kg/hm~2为研究区保障玉米稳产高效的最优灌溉施肥组合。     

利用水分盈亏指数评估四川盆地玉米生育期干旱状况

干旱一直是制约四川盆地玉米生长发育和产量形成的主要因素。为评估四川盆地玉米生育期干旱状况,并为相关部门制定相应的防灾减灾措施提供科学依据,通过综合考虑降水量、同期作物需水量,利用基于水分亏缺原理的玉米干旱监测模型,对比分析典型年份干旱指数与相应干旱资料,确定了四川盆地玉米干旱等级指标,利用ArcGIS分析了近50a四川盆地玉米不同生育期、不同强度干旱发生频率的时空分布特征。结果表明：从不同生长阶段看,四川盆地玉米生育期干旱频率较高的时段主要为拔节-乳熟阶段,且发生面积最广。按空间分布特征把盆地划分为3大干旱区,其中大巴山以南、涪江及沱江流域在玉米全生育阶段出现干旱的频率最高,普遍都在50%以上。     

钟模型法建立甘蔗发育期模拟模型

基于作物发育动态理论模型原理及钟模型方法构建甘蔗发育期模拟模型（SDSM,sugarcane development simulation model）,模拟新植蔗和多年宿根蔗不同发育期。利用广西甘蔗主产区（宜州、沙塘、来宾、扶绥、贵港）的甘蔗发育期多年观测资料及同期气象数据,结合甘蔗各发育阶段的三基点温度指标,通过试错法确定甘蔗发育期模拟模型（SDSM）参数,模拟新植蔗、宿根蔗各发育期（播种-出苗、出苗-分蘖、分蘖-茎伸长、茎伸长-工艺成熟)。通过模拟值与实测值对比分析,对模拟效果进行评价。结果表明：模型具有较强的机理性,模型中基本发育函数部分反映了品种的基因特性,模型能够有效模拟甘蔗的发育期。新植蔗各发育阶段NRMSE在5.2%～26.31%,播种-出苗阶段模拟值与实测值相差8.1d,出苗-分蘖相差7.4d,分蘖-茎伸长相差4.6d,茎伸长-工艺成熟相差7.4d;宿根蔗各发育阶段NRMSE在6.52%～21.66%,上一年工艺成熟-发株阶段模拟值与实测值相差8.8d,发株-分蘖相差8.7d,分蘖-茎伸长相差7.5d,茎伸长-工艺成熟相差9.9d。说明模拟值与实测值具有较好的一致性与相关性,模型可以实现对甘蔗发育期的预测。     

基于WOFOST模型的中国主产区冬小麦生长过程动态模拟

大区域尺度WOFOST(world food studies)模型的动态模拟是作物模型区域应用的重要基础。该文以中国冬小麦主产区为研究对象,利用中国冬小麦主产区内174个农业气象站多年观测数据以及气象站点观测数据,重点优化WOFOST模型中与品种相关的积温参数,即出苗至开花有效积温与开花至成熟有效积温。在冬小麦主产区分区的基础上,以2012—2015年气象数据驱动WOFOST模型,在站点尺度进行冬小麦的物候期、叶面积指数(leaf area index,LAI)和单产动态模拟和精度分析。结果表明:WOFOST模型模拟出苗至开花天数的决定系数R2为0.89~0.94,均方根误差RMSE为7.87~11.52 d,模型模拟开花至成熟天数的R2为0.63~0.77,RMSE为2.99~4.65 d;模型模拟LAI的R2为0.70~0.83,RMSE为0.89~1.46 m2/m2;灌溉区WOFOST模拟的单产精度R2为0.45~0.59,RMSE为734~1 421 kg/hm2;雨养区WOFOST模拟的单产精度R2为0.48~0.61,RMSE为1 046~1 329 kg/hm2。结果表明,WOFOST模型在全国尺度取得了较高模拟精度,为区域尺度作物模型的农业应用提供了坚实的过程模型基础。     

应用WOFOST模型模拟低温与干旱对玉米产量的综合影响

在玉米苗期和抽雄期利用人工气候箱对不同水分条件下的玉米植株分别进行低温处理，通过控制试验分析了低温、干旱以及二者合并对玉米生产的影响，在此基础上应用WOFOST作物模型模拟分析了低温、干旱以及二者合并对东北地区玉米产量的影响。试验与模拟结果均表明，低温、干旱以及低温和干旱并发都会使玉米的产量下降，而且低温和干旱并发的影响都要比单一灾害发生条件下大，减产幅度在34．5％左右。同时也很好地验证了WOFOST作物模型应用于低温和干旱对玉米产量影响的适应性。     

不同发育期干旱对玉米籽粒形成与产量的影响模拟

利用作物生长模型模拟苗期和拔节期发生不同时长干旱（用连续无雨日数表示）时玉米的生长过程,分析单一发育期干旱和两个发育期同时发生干旱对玉米籽粒形成和产量的影响。结果表明：（1）苗期或拔节期分别发生10～40d的持续干旱,均会对玉米籽粒灌浆产生负面影响,并最终导致产量下降,且干旱持续时间越长对灌浆的影响越早,减产越严重。当玉米苗期和拔节期分别发生持续10d干旱时减产率分别为3.24%和3.5%,持续20d干旱时分别减产7.89%和8.31%,持续干旱30d时分别减产12.33%和13.71%,持续干旱40d时分别减产达21.6%和23.94%。（2）当玉米苗期和拔节期均发生持续时间为5、10、15、20d干旱时,分别减产1.77%、9.02%、18.93%和31.28%。可见,拔节期同等程度干旱造成的玉米减产幅度均大于苗期干旱,两个发育期同时发生干旱导致的减产率远大于单一发育期干旱相叠加产生的效应。     

小麦模型算法集成平台在华北平原区的适应性评价

为评价小麦模型算法集成平台（wheat model algorithms integration platform, WMAIP）在华北平原区的适应性,该研究利用华北平原区4个典型试验站多年试验数据,对WMAIP组成的16个模型进行调参和验证,并利用归一化均方根误差（normalized root mean squared error, NRMSE）选择最优模型,最后评价WMAIP集成模型在华北平原区的适应性。WMAIP中组合的16个模型均能有效地模拟土壤水分动态和冬小麦生长发育指标。发育期模拟误差小于4.2%;2 m土层土壤贮水量模拟误差小于7.0%;生物量和产量模拟误差分别在17.3%～23.7%和10.8%～20.8%之间。单个模型的模拟性能不稳定,调参与验证结果的最优模型存在差异。模型集成可降低华北平原区冬小麦产量的模拟误差,用于集成的模型数量越多,模拟误差越小,选择6个模型进行集成就可获得近似田间试验的模拟误差。以16个组合模型模拟结果的均值作为集成模型的结果,得到生物量和产量的模拟误差分别为18.7%和11.8%。结果表明,WMAIP在华北平原区有较好的适应性,可用于华北平原区小麦生产管理和气候变化影响评估。     

基于APSIM模型的大气气溶胶直接辐射效应对我国玉米产量的影响评估

在大气气溶胶污染日益严重的时代背景下,气溶胶对农作物生长发育的影响越来越不可忽视。本文以全球气溶胶监测网（AErosol RObotic NETwork,AERONET）中具有常年观测数据的我国北京、香河和太湖为研究站点,利用AERONET多年观测资料以及MODIS地表反照率数据,借助6S（Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum）辐射传输模式,计算出2001-2014年研究站点的气溶胶直接辐射效应,评估了APSIM（Agricultural Production Systems Simulator）作物模型的适用性,运用验证适用的APSIM模型分析了气溶胶直接辐射效应对我国玉米产量的影响。结果表明：1）验证后的APSIM玉米模型在我国北京、香河和太湖玉米产区具有较好的适用性。APSIM模型在模拟玉米的发育期以及产量中的模拟结果较好,其中各站点产量的相对均方根误差（NRMSE）为1.55%~6.24%,一致性指标（D）为0.80~0.99,决定系数（R²）为0.75~1.00。2）气溶胶使得太阳直接辐射降低;降低的趋势主要受气溶胶的净辐射通量的影响。2001-2014年期间北京、香河和太湖总辐射量分别降低31.95%、14.74%和28.30%。3）气溶胶直接辐射效应造成玉米减产。2001-2014年期间气溶胶直接辐射效应使得北京、香河和太湖玉米产量分别减少28.44%、14.89%和13.43%。总体来说,2001-2014年期间大气气溶胶直接辐射效应使得我国北京、香河和太湖3个高污染区的玉米产量减少13.43%~28.44%。     

基于WOFOST模型的内蒙古河套灌区玉米低温冷害评价

利用内蒙古河套灌区玉米生长发育观测资料,结合已有研究成果,对WOFOST模型进行本地化及适应性检验;利用研究区内12站1961-2010年逐日气象资料,分区作物参数,模拟玉米生长发育过程,确定抽雄期延迟日数、灌浆指数为玉米低温冷害指标,贮存器官干物重波动百分率为减产情况评价指标,对历史低温冷害年及减产情况进行分析。结果表明：本地化的WOFOST模型在内蒙古河套灌区的应用效果较好,可以用于该地区玉米生长的模拟;WOFOST模型能够较好地模拟玉米发育程度对低温冷害的响应,以抽雄期延迟日数和灌浆指数为冷害指标评估的历史冷害发生状况基本符合实际情况,1961-2010年研究区12个站点共发生不同程度低温冷害260站次,其中重度冷害占37.3%,轻中度占62.7%,在发生严重冷害的年份中,84.7%的年份表现为减产的趋势。本文结论与传统方法相比,玉米低温冷害评价的生物学意义更加明确,本地化的WOFOST模型可以在河套灌区玉米低温冷害监测、评估等业务中应用。     

中国西南地区石漠化对玉米旱灾风险的影响

为做好喀斯特地区农业旱灾风险防范,揭示石漠化程度对作物旱灾风险的影响机制。该文基于灾害系统理论,引入基于物理过程的农作物模型EPIC(erosion productivity impact calculator),考虑西南喀斯特地貌背景,以水分胁迫累加值作为致灾因子,与玉米产量损失进行脆弱性曲线模拟,基于此开展不同石漠化程度区玉米旱灾产量的致灾和成灾损失风险评估。结果显示,中国西南喀斯特地区玉米受旱减产的风险呈现从西北到东南增加的趋势。在4种风险水平(2、5、10、20年一遇)下,面积占比最大的产量损失率主要集中分布在0.4~0.5区间内,这主要由地形地势、降水差异和承灾体的脆弱性所共同决定的;受石漠化影响,土层厚度为40 cm时,4种风险水平对应的减产率分别为5.8%、6.1%、7.8%、8.2%;该研究可以为中国第三大玉米主产区-西南山地玉米区的农业灾害预警和保障国家粮食安全提供重要的科学依据和技术支持。     

中国作物生长模拟监测系统构建及应用

该文系统阐述了中国作物生长模拟监测系统（Crop Growth Simulating and Monitoring System in China, CGMS-China）的构建方法及其在国家级农业气象业务中的应用。CGMS-China是基于WOFOST、Oryza2000、WheatSM、ChinaAgroys 4个作物模型构建的系统,在作物长势监测评估、农业气象灾害影响评估、作物产量预报等农业气象业务中均有应用。该系统可进行作物长势监测、产量预报、农业气象灾害影响评估。利用CGMS-China模拟输出的地上生物量、叶面积指数、穗质量,建立作物长势评估指标,可对小麦、玉米、水稻进行实时长势监测与评估。通过CGMS-China对2014年8月中旬华北黄淮夏玉米的干旱产量损失评估和2016年6月22日早稻高温热害的产量损失预估表明,CGMS-China对农业气象灾害影响评估的效果较好。利用CGMS-China对2014年冬小麦主产省进行产量预报,各省的平均预报相对误差为7%。与此同时,在CGMS-China中利用遥感数据同化方法,对山西洪洞县进行产量预报,预报相对误差小于11%。该系统在国家级农业气象业务中具有良好的应用前景。