覆土浅埋滴灌玉米田双作物系数模型参数全局敏感性分析

为深刻了解双作物系数模型参数对覆土浅埋滴灌玉米田蒸散发耗水结构及水分传输过程的影响,采用拓展傅里叶幅度敏感性检验法对模型参数进行全局敏感性分析,筛选出敏感参数,提高调参校准的效率和精准度。结果表明:参数±10%变化时,全生育期土壤蒸发量、作物蒸腾量、蒸散发耗水量最大值较最小值分别高18.72%、25.37%、19.9%。土壤蒸发是表土水分的消耗过程,总量在最大、最小值条件下1 m土层日贮水量动态接近,而作物蒸腾是消耗整个根系层内土壤水,总量变化对1 m土层水分消耗的影响较大。土壤蒸发总量的敏感参数为土壤表层可蒸发水量、生长中期基础作物系数,其全局敏感性指数为0.662、0.321,是不敏感参数均值的33.6~69.4倍。作物蒸腾总量的敏感参数为根系不受水分胁迫的临界土壤贮水量、生长中期基础作物系数、田间持水量,其敏感性指数为0.569、0.485、0.455,是不敏感参数均值的34.5~43倍。敏感参数与蒸发蒸腾的关系为:表土完全湿润后,其可蒸发水量决定干燥过程土壤蒸发量,二者正相关。中期基础作物系数影响蒸发系数,总蒸发量与其负相关。根系不受水分胁迫的临界土壤贮水量越高,玉米根区易利用的水量区间越窄,根系越早发生水分胁迫,作物蒸腾受限,总蒸腾量与其负相关。中期基础作物系数与总蒸腾量正相关,对其影响程度远高于初期、后期基础作物系数。田间持水量高的土壤能在灌溉、降雨量较大时存贮更多水分用于作物蒸腾,总蒸腾量与其正相关。     

ALMANAC作物模型参数的敏感性分析

为了方便模型数据库的组建,降低模拟结果的不确定性,本文根据山东禹城综合试验站2000-2003年的田间试验资料,进行AL-MANAC模型模拟冬小麦和夏玉米的验证。在此基础上采用OTA（即每次只改变其中1个参数）方法,对模型的土壤参数和作物参数进行敏感性分析。验证结果表明,ALMANAC模型能够较好地模拟冬小麦和夏玉米的产量和叶面积指数的动态变化,冬小麦和夏玉米模拟产量的相对误差（RE）为-8.6%~6.0%、-3.5%~7.2%,叶面积指数的RE为-13.1%~14.8%、-13.0%~12.2%;敏感性分析显示,土壤参数中的径流曲线数、土壤容重、田间持水量和土层厚度对模拟结果影响显著,其次为初始含水量和凋萎湿度,再次为粉粒含量、砂粒含量和土壤反射率;作物参数中的收获指数、光能利用率、热量单元指数、叶面积增长期占生长期的比例,对模拟结果影响显著,其次为作物生长最适温度、消光系数、作物生长下限温度、最大根深、最大叶面积指数、群体动态参数,再次为光能利用降低参数、叶面积指数动态曲线参数、叶面积指数衰减速率。     

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。     

CERES-Wheat作物模型参数全局敏感性分析

作物生长模型广泛应用于区域作物估产研究与应用之中,如何选择最佳作物模型优化参数是获得较好模拟预测结果的关键之一。研究选择河南洛阳为试验区,应用扩展傅里叶振幅灵敏度检验（EFAST）法对CERES-Wheat模型作物参数及田间管理参数进行了全局敏感性分析。结果表明,完成一片叶生长所需积温、最适温度条件下通过春化阶段所需天数、光周期参数、最佳条件下标准籽粒质量参数、开花期单位株冠质量的籽粒数参数等指标具有较高敏感性,系为模型参数“本地化”的关键参数。播种日期、播种密度、施肥日期、播种深度、灌溉日期是模型区域化应用的最佳优化变量。研究表明,EFAST敏感性分析是模型参数“本地化”和选择最佳“区域化”优化变量的有效方法。     

基于WOFOST模型的东北地区春小麦水分平衡模拟与验证

对WOFOST模型进行了本地化参数校正,并对输入模型的参数进行了敏感性分析,选取出对结果影响较大的几个参数进行调整,建立相应的模型运行数据库,对东北春麦区具有代表性的哈尔滨、绥化、嫩江、呼玛和牙克石地区2012年、2013年春小麦生育期内土壤水分含量情况进行了模拟及精度分析,最终评价WOFOST模型在东北地区春小麦生长过程中水分平衡模拟的适应性及准确性。结果表明:WOFOST模型对2012年、2013年各地春小麦生育期内土壤水分含量变化模拟值与实测值的绝对平均误差为2.43%~8.75%,均方根误差RMSE为6.75%~13.75%,模拟性能指数EF为-0.844~0.245,残差聚集指数CRM为-0.272~0.084,一致性系数IoA为0.457~0.789,在可信区间内。从整体看,该模型对土壤水分含量的模拟具备一定的参考价值;同时利用校正后的模型对2012年、2013年各地春小麦作物蒸腾、土壤蒸发与作物需水量进行了模拟,实现了利用较少参数达到作物蒸腾与土壤蒸发分离的目的。     

不同滴灌施肥水平对北疆棉花水分利用率和产量的影响

为探讨不同滴灌施肥策略对棉花生长、产量、水分利用效率和肥料偏生产力的影响,在新疆石河子,于2012年和2013年棉花生长季,设置5个N-P2O5-K2O施肥水平150-60-30、200-80-40、250-100-50、300-120-60和350-140-70 kg/hm2(分别记为F0.6、F0.8、F1.0、F1.2和F1.4)和3个灌溉水平(60%ETC:W1、80%ETC:W2、100%ETC:W3,ETC是作物蒸发蒸腾量),研究水肥互作对棉花株高、叶面积指数(leaf area index,LAI)、干物质质量、籽棉产量、水分利用效率和肥料偏生产力的影响。2 a的大田试验表明:2 a的W1灌水水平下各施肥处理株高均低于60 cm且叶面积指数小于3.2,除2013年W2F0.6处理外,W2和W3灌水水平下各施肥处理株高介于60~71 cm且叶面积指数介于3.4~4.2,其中W3F1.0,W3F1.2和W3F1.4处理2 a有效铃数均在6.8个/株以上且籽棉产量差异不显著。棉花有效铃数比百铃质量对水肥更加敏感。水分利用效率最高的处理为W2F1.0,2 a分别为1.65和1.52 kg/m3,比产量最高的W3F1.0处理高12%和6%,但其产量比W3F1.0下降约5%。在北疆棉花膜下滴灌施肥条件下,灌水量在100%ETC,施肥量在250-100-50 kg/hm2时,可以获得最高的籽棉产量。灌水量在80%ETC,施肥量在250-100-50 kg/hm2时,可以获得低于最高籽棉产量约5%的籽棉产量和最高的水分利用效率。从节水和生态可持续发展角度来看,灌水量80%ETC、N-P2O5-K2O 250-100-50 kg/hm2为最佳滴灌施肥策略。该研究可为北疆棉花实施有效的膜下滴灌施肥管理提供理论依据。     

基于全局敏感性分析和贝叶斯方法的WOFOST作物模型参数优化

作物模型参数的敏感性分析、标定和验证可以提高模型的效率和精准度,进而为模型应用做好准备工作。该研究结合参数全局敏感性分析方法以及贝叶斯后验估计理论的马尔科夫蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)方法,以华北栾城站三年的冬小麦观测数据(叶面积和地上生物量)为参照,对WOFOST模型的55个品种参数进行了敏感性分析、筛选和优化。发现:1)对叶面积影响较大的参数为:生育期为0、0.5、0.6和0.75时的比叶面积、生育期为1.5时的最大光合速率、叶面积指数最大增长率;对地上干物质影响较大的参数为:生育期为1.5时的最大光合速率、生育期为0时的比叶面积、35℃时叶面积的生命周期、生育期为0时的散射消光系数、生育期为1.8时的最大光合速率、储存器官的同化物转换效率。2)潜在和雨养产量水平下,最大叶面积和地上生物量对参数的敏感性差异不大。3)马尔科夫蒙特卡洛方法(MCMC)可以对WOFOST模型品种参数较好地优化;设计的3种校正-验证方案中,第1种方案(用1998-1999年作为校正年份,1999-2000年,2000-2001年作为验证年份)模拟效果最好。4)优化后的参数,模型对潜在产量水平模拟较好,一致性指数均大于0.9,相对均方根误差小于20%;而对有水分胁迫的雨养情况下比潜在产量水平的模拟结果差,表明模型对水分胁迫的模拟不足。该研究为WOFOST模型区域应用和模型调整优化提供科学理论依据。     

非水分胁迫条件下作物腾发的模拟研究

建立了一个充分供水条件下的作物腾发量计算模型ＮＷＳＥ（Ｎｏｎ－Ｗａｔｅｒ Ｓｔｒｅｓｓ Ｅｖａｐｏ－ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ）并用田间实验资料进行了验证。模型将作物冠层蒸腾和土壤蒸发作为一个耦联的整体来考虑,可以同时计算棵间蒸发和作物蒸腾。田间实验资料对ＮＷＳＥ模型验证结果表明地表温度模拟值与观测值吻合良好。利用ＮＷＳＥ模型和Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ公式以及常规气象资料分别计算了作物的最大腾发量。计算结果比较表明,在叶面积指数较小时,ＮＷＳＥ模型计算结果与Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ计算结果存在差别。在叶面积指数较大时,二者的一致性较好。     

玛纳斯河流域ET0影响因子分析及对Hargreaves法的修正

准确估算作物蒸发蒸腾量对于农业水资源的规划和指导农田灌溉非常重要。该文以具有典型内陆河特征的玛纳斯河流域为例,根据1953-2008年的气象资料,采用Penman-Monteith(PM)法计算了流域内参考作物蒸发蒸腾量,并对影响参考作物蒸发蒸腾量的各气象因子进行了通径分析,结果表明在玛纳斯河流域温度是影响参考作物蒸发蒸腾量的最主要因子。以PM法计算得到的参考作物蒸发蒸腾量为标准值,对Hargreaves法计算的参考作物蒸发蒸腾量进行比较分析,结果表明Hargreaves法计算结果偏差较大,在4-10月尤为明显。基于35 a气象资料,采用贝叶斯方法对Hargreaves公式进行修订,采用另外21 a气象资料对修订的Hargreaves公式进行验证,结果显示修正后的Hargreaves公式满足精度要求,且计算简便,可为内陆河流域参考作物蒸发蒸腾量的计算提供参考。     

基于PEST的土壤-作物系统模型参数优化及灵敏度分析

农业生产管理系统模型输入参数多,参数率定过程十分耗时费力,大大限制了其推广应用。该研究以华北平原2 a的冬小麦-夏玉米田间试验观测数据为基础,使用PEST(parameter estimation)参数自动优化工具对土壤-作物-大气系统水热碳氮过程藕合模型(soil water heat carbon and nitrogen simulator,WHCNS)的土壤水力学参数、氮素转化参数和作物遗传参数进行自动寻优,同时计算分析模型参数的相对综合敏感度,并将优化结果与土壤实测水力学参数和试错法的模拟结果进行比较。参数敏感度分析结果表明,18个模型参数的相对综合敏感度较高,其中土壤水力学参数普遍具有较高的敏感度,以饱和含水率敏感度最高;作物参数中,作物生长发育总积温和最大比叶面积具有较高的综合敏感度;而氮素转化参数的敏感度远低于土壤水力学参数和作物参数。评价模型模拟效果的统计性指标(均方根误差、模型效率系数和一致性指数)表明,PEST法比实测水力学参数的模拟精度有所提高,其中土壤含水率、土壤硝态氮含量、作物产量和叶面积指数的均方根误差分别降低了61.8%、23.5%、73.6%和23.3%。同时PEST法比试错法对土壤水分和作物产量的模拟精度也有较大提高,但对土壤氮素和叶面积指数的模拟精度提高不明显。由于该方法大大节约了模型校准时间,在较短的时间内获得了明显高于试错法的模拟精度,因此PEST软件在WHCNS模型参数自动优化中是一个值得推广的工具。     

不同气候区和不同产量水平下APSIM-Wheat模型的参数全局敏感性分析

量化作物模型的参数敏感性和模拟结果的不确定性对模型的标定和应用具有重要意义。为了探讨小麦生长模型(APSIM-Wheat)在不同气候区和不同产量水平下参数的敏感性,以及由于参数造成模拟结果的不确定性,以华北栾城、黄土高原长武、四川盐亭和新疆乌兰乌苏4个不同气候区下的典型冬小麦生产地为分析对象,运用扩展傅里叶幅度检验法(extended Fourier amplitude sensitivity test,EFAST)的全局敏感性分析方法,量化了小麦生长模型(APSIM-Wheat模型)在3种产量水平下(潜在、雨养和实际产量)的开花期、成熟期、产量、生育期的蒸散(evapotranspiration,ET)对品种、土壤和生化等33个参数的敏感性和不确定性。发现:1影响开花期和成熟期较为敏感的参数依次是:始花期积温、出苗到拔节积温、春化指数、光周期因子、灌浆期积温;2影响产量较敏感的参数依次为:春化指数、出苗到拔节积温、每茎谷粒质量、潜在灌浆速率、光周期指数、最大谷粒质量和辐射利用效率(radiation use efficiency,RUE);影响生育期蒸散较为敏感的参数依次为:春化指数、出苗到拔节积温、光周期指数、始花期积温;3不同产量水平下,参数敏感性差异不大,4个不同气候类型下的冬小麦开花期、成熟期、产量和生育期的蒸散对参数的敏感性基本一致;4不同气候区下,开花期和成熟期对模型参数敏感性差异很小,但产量和生育期的蒸散对参数敏感性有差异。该研究为APSIM-Wheat模型的区域应用和模型调参提供了科学指导依据。     

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。     

覆膜滴灌棉田蒸散量的模拟研究

通过综合考虑影响作物蒸散量的土壤、作物、大气3方面因子,结合新疆滴灌棉田覆膜栽培的生产实际,设计了不同覆盖度和品种试验,以Penman－Montieth方程估算参考作物蒸散量,确定了不同覆盖度及品种条件下的作物系数,并在此基础上实现了覆膜滴灌棉田蒸散量较为准确地估计。试验结果认为覆膜滴灌棉田全生育期蒸散量在540～620 mm之间,全生育期蒸散量和作物系数都随着覆盖度的增加而减小,叶面积指数与日蒸散量及作物系数关系密切,品种间由于品种特性的差异而引起的叶面积指数变化,最终导致了品种间作物系数K_c的不同。     

RZWQM2模型模拟地膜覆盖时间对南疆棉田水分利用效率及产量的影响

为准确预知地膜覆盖与作物的匹配情况,该研究针对南疆棉田,在大田试验基础上应用根区水质模型(Root Zone Water Quality Model-version 2,RZWQM2),对2016-2017年籽棉产量及水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)等数据进行模型参数率定与验证,利用验证后的模型模拟地膜覆盖时间55～105 d下以3 d为间隔的地上部生物量、籽棉产量和水分利用效率,并对2018年和2019年不同地膜覆盖时间下棉花生长状况进行预测。结果表明,各层土壤含水率模拟值和实测值之间的均方根误差和均方误差分别在0.02～0.04cm3/cm3、5.90%～28.66%之间,地上部生物量和籽棉产量的一致性指数分别为0.70～0.93和0.80～0.94。2 a间地上部生物量随地膜覆盖时间的延长而增加,籽棉产量和水分利用效率呈先上升后下降的趋势,其峰值分别出现在91～93 d和97～99 d。因此,在南疆地区选用适宜的地膜覆盖时间为91～99 d,有利于降低残膜污染风险,保持较高的籽棉产量和水分利用效率。     

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.     

基于动态规划理论的棉花根长生长模拟方法

作物根系生长不仅取决于生理因素,还取决于生态环境因素,而土壤水分环境与作物根系生长之间的关系则是局部灌溉技术设计的理论依据之一。为了进一步探索影响棉花根系生长的主要因素,本文在根?冠水量平衡的基础上,结合作物系数与叶面积的关系模型、根长密度分布函数以及根系吸水效率函数,应用动态规划理论,建立了棉花根系生长模型,并以桶栽棉花试验结果进行验证。结果表明,该模型纳入了土壤水分环境、大气蒸腾力和叶面积等影响根系生长的因子,具有揭示根系生长耗水机理的作用。该模型模拟出的棉花总根长变化趋势与实测结果基本一致,当以多年月平均参考蒸散量(ET0)作为输入条件时,模拟结果总体误差为15.41%,可以用于工程设计。对模型敏感性分析结果表明,所建模型能够反映棉花根?叶生长的同步性,以及进入生殖生长期以后根—叶之间的水量平衡关系。棉花根系生长对土壤水分环境变化的敏感性高于对叶面积变化的敏感性,体现了棉花根系生长的机理,建模方法可行。本文研究成果对完善局部灌溉技术中灌溉制度的设计理论具有重要意义。