草本植物物候及其物候模拟模型的研究进展

草地生态系统在全球变化过程中具有不容忽视的作用。为深入了解草本植物物候与气候因素间的相互作用机制,建立精确的草地植被物候动态模型,更好地模拟和预测天然草地生态系统对气候变化的响应,本文对国内外草本植物物候及有关草本植物物候模型研究进行了回顾。已有的研究表明物候变化能在一定程度上反映出气候变化的趋势,且温度、光照和水分等环境因素作为物候的主要驱动力在不同的时期发挥着重要的作用。植物物候模型从简单统计模型,逐渐向可描述生长与环境相互作用过程的动态机理模型发展。但可用于天然草地植被物候模拟的模型较少,仍存在物种单一、适用范围小、缺少机理性研究等问题。针对目前的研究现状,只有加强对天然草地植被物候与非生物因子关系的分析,特别是水分对物候的影响研究,努力探索各个物候期的生理特征,不断验证完善已有物候模型,才能建立起精确的草地植被物候模型服务于全球气候变化的研究。     

植物物候模型研究

植物物候模型是基于植物对环境因子的响应机理而建立的可模拟植物生长发育的数学方程。本文介绍了树木物候模型和作物物候模型,根据对植物休眠解除过程的不同理解,树木物候模型主要有7种不同的类型;根据作物发育规律而建立的作物物候模型也大体相同。同时,还阐述和探讨了研究植物物候模型的意义、研究中存在的问题及其发展趋势。     

土壤条件影响刺槐固氮的回归模型

刺槐（Robinia pseudoacacia L.)根瘤的固氮能力在四川盆地以中性、弱钙质和微酸性土壤为高，强酸性和强钙质土壤上低。土壤条件对固氮能力的影响可用多元回归方程来表达。在方程拟合过程中，作者提出了非线性因子的线性化转换法，并用电脑模拟固氮因素的交互作用。42种试验土壤中，有效磷、以及它们分别与CO2（生物活性）、全磷的结合，是影响固氮的主要因素；其次pH与CaCO3、全磷中的有效磷与有效Mo的配合，对固氮亦有重要贡献。方程可以评价和预测共生体在不同土壤条件的固氮潜力。     

中国华北地区近40年物候春季变化

根据华北地区7个观测站物候资料,分析了华北地区1963-1996年及北京1963-2005年物候春季的变化特征及其与气温的关系。结果表明:华北地区的物候春季有明显提早来临的趋势,而造成这一变化的主要因素是本地区近40 a来冬春季气温的明显上升。其中1963-1996年间华北地区1-3月及4月的平均气温分别上升了2.3℃与1.7℃,物候春季起止日期分别提前了9d和4d,因而使得春季长度也延长了5d;北京1963-2003年间1-3月及4月的平均气温分别上升了3.5℃与2.6℃,物候春季的起止日期分别提前了11d和10d,但春季长度没有明显变化。     

山东地区木本植物春季物候对气候变化的响应

利用山东省境内10个国家级农业气象观测站1981-2009年逐年春季物候序列和同期逐日气象资料,通过一元线性回归、相关分析和突变检验方法,分析了山东地区木本植物春季物候期的趋势变化特征及物候期对气候变化的响应关系。结果表明：（1）1980-2009年山东地区春季气温明显升高,春季水汽压呈增大趋势;（2）山东地区近29a的木本植物春季物候期普遍提前,提前的线性倾向率为0.13～1.11d.a-1;（3）山东地区木本植物春季物候期与其前期活动积温、春季气温和3月份水汽压呈负相关关系,物候前期的活动积温是诱发春季物候现象的重要因子,春季气温升高和3月份水汽压增大是近29a春季物候现象提前的可能原因。     

基于物候模型的作物种植面积变化监测方法

在利用多时相数据进行作物变化监测中,通常根据日历选取同一天或相近日期的遥感数据来减小植物季相变化所导致辐射差异所带来的“伪变化”。但是物候存在着年际变化,且与日历日期并不完全一致,不同年份的作物的生长发育状况可能不同。该文利用气候数据建立了作物物候指标模型,利用该模型计算出的熟度指数作为选择季相差别最小的两时期遥感数据依据,选择了用于顺义地区冬小麦播种面积变化信息提取的两时期数据,并利用NOAA AVHRR/NDVI序列数据对选择结果进行了验证。结果表明利用该物候模型选择的两时期遥感数据季相匹配较好。该方法为消除或减小变化监测过程中植被季相差异所导致的辐射误差提供了新思路并进行了有益探索。该文还利用该方法,以北京顺义地区为研究区,采用图像差值法提取1999～2000年冬小麦播种面积变化信息,其中变化像元提取精度达到90%。     

草地牧草物候发育模型的应用研究——以锡林郭勒草原为例

天然草地牧草生长发育受环境条件影响很大,牧草的发育期年际间和年内有很大变化。利用多年牧草物候观测资料,分析了影响草地牧草生长发育的主要气象要素并建立了锡林郭勒草原主要牧草物候发育模型。     

冬小麦物候期对土壤水分胁迫的响应机制与模拟

作物模型在农业生产管理和决策中发挥着重要作用,而物候期模拟是作物模型正确模拟作物生长发育和产量形成过程的基础。作物模型模拟物候发育的常用算法一般是基于积温的计算,同时也考虑光周期和春化作用的影响,但是水分胁迫对物候发育的次级影响却较少被考虑在内。该研究以连续2季(2013-2014和2014-2015)的遮雨棚下土柱试验和连续3季(2012-2013、2013-2014和2014-2015)的遮雨棚下大田试验数据和前人研究成果为基础提出了冬小麦物候期对水分胁迫的响应机制理论假设,并以土壤相对有效含水率为水分胁迫指标校正冬小麦物候期水分胁迫响应函数。该研究以2014-2015生长季土柱试验各处理试验数据来建立冬小麦物候期水分胁迫响应函数,确定发育加速点A、发育减速点D和发育停止点S所对应的相对有效含水率值分别为0.30、0.10和0。结果发现拔节期和开花期模拟值和观测值之间的均方根误差(root mean square error,RMSE)分别为0.8和1.7 d,绝对相对误差(absolute relative error,ARE)分别低于0.68%和2.09%。然后用2013-2014生长季土柱试验各处理数据进行验证,结果发现拔节期和开花期模拟值和观测值之间的RMSE分别约为0.9和1.1 d,ARE分别在1.37%和1.68%以下。最后再用3年独立大田试验数据对上述修正后的冬小麦物候期算法进行验证,结果发现开花期和成熟期的模拟值与观测值之间的RMSE分别约为2.4和2.0 d,ARE分别低于4.21%和2.67%;与DSSAT-CERES-Wheat模型的模拟结果进行比较,发现修正算法能反映出水分胁迫对冬小麦物候期造成的差异(有提前也有推迟),而DSSAT-CERES-Wheat模型无法体现这种差异,且开花期和成熟期的模拟值与观测值之间的RMSE分别约为4.0和5.5 d,误差最大分别为8和6 d。这表明校正后的冬小麦物候期算法模拟精度得到了较大提高,能在一定程度上描述和量化水分胁迫对冬小麦物候期的影响机制,可用来模拟不同水分胁迫条件下不同品种冬小麦的物候期。     

近40年中国东部木本植物秋季叶全变色期变化

根据中国物候观测网络17个站点的物候资料和气象资料,分析了近40a中国东部地区木本植物秋季叶全变色期变化及其对气候变化的响应。结果表明:近40a,中国东部地区木本植物秋季叶全变色期变化总体表现为推迟的趋势,推迟的幅度为3.7d.(10a)-1;从年代上看,20世纪80年代后木本植物叶全变色期的推迟趋势明显;最低气温每升高或降低1℃,植物叶全变色期平均推迟或提前约3d;气候增暖可能是导致植物叶变色期推迟的主要原因之一。结果对丰富物候与全球气候变化关系研究具有重要意义。     

河西走廊东部不同类型植物物候对气候变化的响应

基于甘肃省武威市气象局1980-2004年对多年生植物旱柳和中国槐物候期、1981-2008年对一年生植物春小麦和玉米发育期的观测资料,运用线性倾向估计法、膨化相关、SPSS统计软件进行逐步回归和方差分析,建立了关键物候期的气候预测模型。结果表明：（1）在分析期内,多年生木本植物相同物候期最晚与最早出现日期相差达20～38d,一年生草本植物达11～30d,反映出物候期对气象条件年际变化非常敏感。（2）分析期内多年生植物春季多数物候期提前（线性倾向率-2.008～-3.246d/10a,P〈0.05）,秋季物候期推迟（线性倾向率6.631～7.108d/10a,P〈0.01）。一年生植物的春、夏季物候期均有提前的趋势（线性倾向率-1.494～-4.122d/10a,P〈0.05）,秋季物候期推后不显著。（3）从各物候间隔期变化看,多年生植物绿叶期延长速率为1.046～7.738d/10a,营养生长期延长速率为0.877～8.454d/10a,干物质积累期延长速率为4.392～7.738d/10a,秋季生长期延长速率为0.477～3.015 d/10a。一年生植物春季营养生长期缩短速率为2.17～3.41d/10a,秋季生殖生长期延长速率为3.322d/10a。（4）对多年生植物而言,平均气温、平均最低气温、平均最高气温和20cm、80cm、160cm地温是影响春、夏、秋季物候期的主要气象因子,温度越高春季物候期越提前,夏、秋季物候期越推迟。对一年生植物而言,平均气温、平均最低气温、平均最高气温和20cm、80cm、160cm地温也是主要影响因子,气候变暖,春、夏、秋季物候期均提前。     

河北省木本植物物候变化特征及其对气候变暖的响应

以1981-2006年河北省10个国家农业气象观测站的木本植物物候观测资料和47个气象站的地面观测资料为基础,运用线性倾向估计、Pearson相关系数、EOF和REOF等统计学方法,研究了河北省木本植物物候期的变化特征及其对气候变暖的响应。结果表明：河北省木本植物展叶始期总体呈提前趋势,其中东部沿海平原提前趋势最大,中南部平原次之,西北部山区最小;叶初变色期主要表现出推迟趋势,生长季长度以延长趋势为主;春季气温对展叶始期的影响最显著,河北省春季气温每上升1℃,木本植物展叶始期提前4.6d;各站点生长季倾向率与年均温倾向率呈显著正相关,即年均温升幅大的站点,生长季延长的幅度也较大。研究结果对丰富河北省物候与气候变化关系研究具有一定意义。     

晋南地区不同海拔高度典型木本植物物候特征及其对气候变化的响应

基于1983-2016年临汾市不同海拔高度上3个农业气象观测站(尧都区、隰县、安泽县)的6种典型木本植物物候期和温度的观测资料,统计分析其变化特征及相互影响。结果表明:(1)研究区年及四季气温整体呈上升趋势,尧都区增温幅度最大,春季增温极显著;月平均气温除隰县个别月份略有下降外,大多以增温趋势为主,其中3月增温极显著(P<0.01),是年平均气温升高的主要因素。(2)研究区内木本植物物候期最早和最晚平均相差1～2个月,物候期变化呈现较强的区域性特征,尧都区和安泽的木本植物春季物候期提前,秋季物候期推迟,植物生长季延长;隰县木本植物春季物候期推迟,秋季物候期提前,植物生长季呈缩短趋势。(3)木本植物展叶始期对年、春季及展叶前1～2个月的平均气温响应显著,随着气温升高,木本植物展叶始期表现为一致提前趋势;木本植物落叶末期在尧都区和安泽县随着气温的升高表现为明显的推迟趋势,受年、秋季及落叶前1个月的平均气温影响显著,在隰县随气温的升高表现为普遍提前趋势,受年均气温变化影响显著;随着气温升高尧都区和安泽县的木本植物生长季延长,隰县木本植物生长季变化不明显。说明晋南地区不同海拔高度的气温及...     

刺槐萌生林与实生林的生长比较

刺槐是我国重要用材树种和生态公益林树种。针对刺槐萌生林生长状况出现下降等问题,在山东省沂山林场(E 118°36’,N 36°10’)和泰山药乡林场(E 117°19,N 36°17’),选取具有代表性的刺槐实生一代林和萌生二代林林分为研究对象,对林分结构特征、立木生长进程、干形等因子进行调查分析。结果表明:1)刺槐萌生二代林树高在前22年、材积总生长量和材积平均生长量在前17年、材积连年生长量在前14年均大于实生一代林,但随后各个指标生长量均小于实生一代林。2)刺槐实生一代林树干通直,而刺槐萌生二代林绝大部分树干弯曲,难以成材。3)提出用树干弯曲指数描述干形弯曲程度,并根据干形弯曲指数大小,将刺槐萌生二代林立木干形弯曲程度划分为无弯曲、极小弯曲、轻度弯曲、中度弯曲、重度弯曲5级。发现,刺槐萌生二代林中,树干中度和重度弯曲林木约占整个刺槐林的34.8%;树干无弯曲的树木极少,只占0.86%;树干极小弯曲的树木占33.8%。通过分析讨论刺槐连续无性更新林分生长迟缓、干形不良、不能成材成林的原因,认为刺槐无性更新问题是一个值得引起关注和研究的重要问题。     

基于多因素模型重构陕西苹果主要物候数据序列

苹果生长发育受气象因素影响较大,陕西高低温灾害发生频率的增加对苹果的产量和品质有很大影响。物候期的确定是指导果业生产、进行灾害风险管理的重要依据。目前,物候期观测数据十分匮乏,通过构建物候模型可对历史物候期进行重构。在陕西的四个果区,分别选取物候资料记录相对全面的两个代表站点,礼泉和凤翔（关中果区）、旬邑和长武（渭北西部果区）、铜川和白水（渭北东部果区）、延长和洛川（延安果区）。在各果区的两个代表站点中,选取历史物候期记录时间序列更长的站点,利用SPSS软件对该站点物候期日序与所选气象指标进行逐步回归分析,建立多个单项或多项物候期预测模型,再通过回代检验和预测检验两种方法选取最优模型。采用平均绝对误差（MAE）、物候期模拟值与实际值相差0～3d的相对准确率（RA）评估检验结果,并选择最优模型。结果表明：（1）萌芽期模型MAE为0.8～2.4d,RA为84.6%～100%;花期模型MAE为2.5～3.4d,RA为55.6%～75%;果实发育期模型MAE为0.9～2.8d,RA为63.2%～100%;成熟期模型MAE为2.2～3.2d,RA为69.2%～72.2%;模型模拟效果由好到差依次为萌芽期、果实发育期、成熟期和花期。（2）重构1981−2019年延安果区、渭北东部果区、渭北西部果区和关中果区苹果萌芽期年日序分别为72−98、70−88、73−98和71−85,花期年日序分别为102−116、86−107、100−125和84−115;1981−2019年延安果区、渭北东部果区和关中果区苹果果实发育期年日序分别为114−122、89−118和87−117,成熟期年日序为260−301、276−297和224−348。（3）重构物候期的空间分布,1981−2019年延安果区和渭北东部果区萌芽期由东南向西北逐渐推迟,关中果区和渭北西部果区自西向东推迟;花期整体自南向北越来越晚;果实发育期从南向北逐步推迟;延安果区和渭北东部果区成熟期从东向西逐步推迟,关中果区和渭北西部果区自西向东逐步推迟。本研究构建的物候模型的模拟效果总体较好,所重构的苹果物候期数据序列可为苹果生产管理和灾害风险防范提供基础性支撑,对果树物候期模型的研发具有借鉴意义。     

基于花前物候利用灰色关联分析法建立油菜花期预报模型

采用相关分析法确定与油菜始花期显著相关的冬季气候因子和用灰色关联分析法确定与始花期关联最大的花前物候期因子,分别建立多元回归线性方程,并进行回代检验,以探索简便易操作的油菜始花期预测方法。利用均方根误差（RMSE）和相对误差（RE）对模型的模拟效果进行评价。结果表明：（1）与油菜始花期显著相关的冬季气象因子为1月平均最低气温、2月平均最低气温和2月日照时数,相关系数分别为−0.404、−0.556和−0.478。三个自变量因子不存在共线性关系,建立的回归模型具有统计学意义且通过显著性检验。（2）油菜花前各物候期以抽薹期和现蕾期与始花期关联度大,相关系数分别为0.656和0.634。建立的回归模型同样具有统计学意义并通过显著性检验。（3）分别对两种方法建立的模型进行检验与评价,回代检验表明两种方法建立的模型拟合精度总体上较接近。基于气候因子的模型RMSE气候因子为7.16,RE气候因子为11.2%;基于物候因子的模型RMSE物候因子为6.50,RE物候因子为3.87%。皮尔逊相关分析表明,实际值与两种方法拟合值的相关系数R物候因子和R气候因子分别为0.738和0.658,均通过了0.01水平的显著性检验。R物候因子＞R气候因子,综合各项指标分析认为,灰色关联分析法建立的模型预测油菜始花期比利用气候因子建立的模型更可靠。     

基于自适应差分进化算法的水稻物候期预测模型参数自动校正

进化算法在作物模型参数校准领域已有广泛应用。由于作物模型的结构包括多组常微分方程,具有非线性、不连续、多峰值特点,因此针对作物模型特点选择合适的进化算法尤为重要。同时,进化算法自身参数对算法性能有较大影响,这些参数选择往往靠经验得出,增加了优化算法在模型参数校准过程中的不确定性。该文针对进化算法应用到作物物候期模型参数校准过程中存在着算法选择和算法参数不确定性问题,以水稻RiceGrow物候期模型为应用对象,分析比较了3类进化算法应用的精度、收敛速度以及稳定鲁棒性。比较的进化算法包括差分进化系列算法（标准差分进化算法和自适应控制参数改进差分进化算法）,协同进化遗传算法系列（个体优势遗传算法、M-精英协同进化算法）以及粒子群算法系列（标准粒子群算法、基于自主学习和精英群的多子群粒子群算法）。研究利用武育粳、雪花粘等5个品种在江苏宜兴、兴化和广东高要等不同生态点的多年田间试验资料展开量化分析。结果表明：1）利用自适应控制参数改进差分进化算法校准水稻物候期模型的品种参数准确性较高,算法自身参数易于确定。物候期模型校准以后在拔节期、抽穗期、成熟期的RMSE为1.7～4.6 d、NRMSE为1.8%～5.8%、MAD 为 1.4～3.3 d、R2为 0.977～0.997,比GA系列平均分别小0.634 d、0.608%、0.453 d、0.09%,比PSO系列平均小1.399 d、1.35%、1.039 d、0.23%。 2）自适应控制参数改进差分进化算法在水稻物候期模型参数校准问题上表现出良好的收敛速度及稳定鲁棒性。重复校准试验100次的目标函数标准偏差趋近于0,每次校准得到的品种参数值标准偏差较其他算法最小。在达到同样精准度的情况下,比标准差分算法收敛速度平均快117代,适用于实际应用实践。     

晋西黄土区刺槐和油松树干液流比较

应用TDP(Thermal Dissipation Probe)热扩散探针技术,通过对晋西黄土区刺槐和油松进行一个生长季(2010-04-10)的野外实地定位观测,结合同步测定的大气相对湿度、大气温度、太阳总辐射等气象因子,研究刺槐、油松树干液流的日变化及季节变化规律.结果表明:1)刺槐在5月上旬仅产生微弱液流,日均液流速率小于油松,无明显昼夜变化规律,到5月下旬,日均液流速率超过油松,并与油松呈现相同的昼夜变化规律,2树种夜间存在一定的树干液流,液流速率均于09:00开始快速上升,到12:00左右达到峰值;2)8月刺槐日均液流速率均大于油松,2树种液流速率连日变化规律基本相同,液流速率开始快速上升和达到峰值的时间与5月基本一致,峰值分别为5月的1.79和1.49倍,月平均值分别为5月的3.01和1.48倍;3)剌槐、油松树干液流和月耗水量呈现明显的季节性变化规律,耗水旺季集中在6-9月,4月达到最小值,7月达到最大值,在整个生长季(4-10月),油松林的总耗水量是刺槐林的1.63倍.经回归分析可知,影响刺槐、油松液流速率的主要因子均为太阳总辐射.     

二倍体与四倍体刺槐组培苗形态和生理性状比较

为了比较二倍体与四倍体刺槐组培苗不同无性系之间的差异,本研究分别测定二倍体刺槐组培苗和人工诱导四倍体刺槐组培苗的形态及生理指标,并进行相关分析.结果表明,多数四倍体刺槐无性系的长势、抗逆性优于二倍体;二倍体与四倍体刺槐不同无性系以及不同形态、生理指标之间存在丰富的变异,其中四倍体刺槐的变异更为丰富;各测定指标之间存在较...     

似然函数形式对水稻物候期模型品种参数校正的影响

针对传统高斯正态似然函数(Gaussian likelihood function,GLF)在观测数据存在测量误差和模型算法结构复杂时无法描述模型残差异方差特点,造成马尔科夫链蒙特卡洛(Markov chain Monte Carlo,MCMC)算法进行模型参数校正时结果存在偏差的问题,通过引入变异系数(coefficient of variation,CV)变换的高斯似然函数(GLF with CV transformation,GLF-CV)和BC(Box-Cox)变换的高斯似然函数(GLF with BC transformation,GLF-BC)对观测数据和模型结构造成的异方差进行特征描述,并比较了参数校正效果及模型不确定度(uncertainty ratio,UR)。以2004—2009年高要雪花粘(早熟)、2001—2004年兴化武育粳3号(中熟)、1991—2004年六安汕优63号(晚熟)3个生态点的田间栽培试验数据为基础,RiceGrow和Oryza2000物候期模型为对象,利用仿射不变马尔科夫链蒙特卡洛集成采样(ensemble sampling for affin...     

晋西黄土区刺槐人工林林冠截留模拟

为探讨晋西黄土区刺槐人工林生态水文过程和影响机制,以2007和2008年7-10月的19场降雨和气象及林分结构资料,用修正的Gash林冠截留模型,对刺槐人工林林冠截留进行模拟.结果表明:刺槐人工林林冠持水能力和树干持水能力分别为0.55和0.1091 mm,使林冠达到饱和的降雨量为0.75 mm,使树干达到饱和所必需的降雨量为8.70 mm;修正的Gash模型可以较好地模拟晋西黄土区刺槐人工林的林冠累计截留量,林冠累计截留量相对误差最小值为0.76％,最大值为12.60％,平均林冠累计截留量相对误差为6.40％,林冠累计截留量模拟值小于实测值,截流率比实测值低2.64％.