应用气象学专业农学类课程实践教学改革与探索

根据高等教育培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才的要求,结合南京信息工程大学应用气象学专业的农业气象特色,从学科方向定位与专业人才培养目标、农学特色课程体系设置与更新、农学专业实践能力培养方面探讨了应用气象学专业农学类实践教学的改革,并介绍了改革探索取得的成绩,以期为应用气象专业本科生实践能力培养提供参考。

基于作物水分亏缺指数的江苏省冬小麦生长季干旱时空特征

近年来,江苏地区季节性干旱频发,很大程度上制约了冬小麦产量的增长。研究作物生长季干旱发生的时空规律,对于采取有效防灾减灾措施具有重要意义。基于江苏省1981—2010年14个气象站点的逐日气象资料、冬小麦生育期及产量资料,利用作物水分亏缺指数(CWDI),分析近30年江苏省冬小麦生长季干旱的时空变化规律。结果表明,CWDI值在冬小麦各生育期均表现为江苏北部高于南部,2个地区的CWDI多年均值在年代间变化趋势大体一致,20世纪90年代是剧烈波动期。从各等级干旱发生站次数的年代变化来看,30年里冬小麦拔节至抽穗期的干旱发生站次数为持续增加趋势,其他3个生育阶段呈现先增后减的单峰变化,峰值均出现在20世纪90年代,说明30年里旱情总体在加重,最严重的时期是20世纪90年代,21世纪初有所缓和。干旱发生概率的空间分布规律基本一致,总体为由苏南向苏北逐渐增大。在冬小麦各生育阶段,苏北的赣榆区、徐州市、宿迁市是干旱频率的高值区,干旱频率随着干旱等级的升高而降低。江苏省冬小麦生长中后期干旱灾害发生的可能性较大,徐州市更是干旱灾害的高发区,须加强对干旱灾害的预警和预防。

江苏省雪灾对越冬作物和设施农业的影响研究和风险区划

为探究雪灾对江苏省越冬作物和设施农业的危害程度及分布规律,本文利用1978—2020年江苏省71个国家级气象观测站逐日最低温度、积雪深度等气象资料,数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)数据,以及小麦、油菜和设施农业生产相关的社会经济资料,使用层次分析法与CRITIC法相结合的方法(Analytic Hierarchy Process-CRITIC)构建江苏省雪灾对越冬作物和设施农业的风险评估模型,进行雪灾风险等级划分。结果表明:江苏省降雪过程最低温度由西北向东南递减,积雪日数由西向东逐渐减少,最大积雪深度与距海洋距离呈正相关;雪灾高风险地区集中在淮北西部,较高风险地区为江淮之间地区的西部,中风险地区分布在淮北和江淮之间地区的中部及苏南西部,低风险和较低风险地区分布在沿海和苏南东部地区。

不同基流分割方法在秦淮河流域的应用

基流可以反映流域地下水的变化过程,是研究流域水量平衡、地下水对气候变化与人类活动响应及预测的关键因子,因此选择合适的基流分离方法对研究流域内地下水变化特征有着重要的意义.本文基于秦淮河流域武定门闸实测逐日流量数据,选用数字滤波法、基流指数法(BFI)和HYSEP法3类6种基流分割法对流量的基流部分进行了分离.结果表明:6种方法均可以实现对基流的自动分割,方法较为简便,可以克服人工法的主观性,但是得到的基流过程线却有一定差异.HYSEP法中固定步长法和滑动步长法分割出的基流过程基本没有反映出汛期径流随地下水流动过程消退的现象,与径流曲线的变化情况对应较差;BFI法虽能够实现对地下径流的自动分割,但是不能很好地反映真实的产汇流规律;而数字滤波法和局部最小值法得到的基流过程线更为平滑,更加符合水文气象学中降雨-径流在流域汇流时的阻尼和迟滞效应.总之,从极值比、变幅和基流过程变化而言,数字滤波法标准差较小,分割结果较为稳定,且其基流分割过程线更加合理,是6种方法中较为可靠的分割方法,更适用于秦淮河流域的基流分割.运用数字滤波法对秦淮河流域近十年基流进行分析,结果表明,流域的年基流指数均大于0.35且呈现增长趋势.

夜间增温对南京地区冬小麦生产的影响

以扬麦13和徐麦31为试验材料,采用开放的田间增温系统对冬小麦进行全生育时期夜间增温处理,模拟气候变暖增温情景,探讨夜间增温对冬小麦生长发育过程和产量的影响机制。结果表明,夜间增温使冬小麦物候期提前,总生育时期天数缩短,且对偏暖年型的影响更为显著。夜间增温使冬小麦穗长、总小穗数和结实小穗数下降,不孕小穗数增加,不利于穗粒数形成,同时夜间增温使冬小麦有效穗数和千粒质量下降,最终导致产量的三要素共同下降,导致了冬小麦的减产,且在偏暖年型下,减产幅度更大。另外,夜间增温条件下,强筋冬小麦产量的减幅大于弱筋冬小麦。

UV-B辐射增强对不同大麦品种生理特性的影响

通过大田试验,研究了UV-B辐射增强对不同生育期3个大麦(Hordeum vulgare)品种光合和蒸腾生理特性的影响。试验设对照(自然光)和辐射增强(辐照强度14.4 kJ.m-2.d-1)2个UV-B辐射水平。结果表明,UV-B辐射增强明显抑制大麦光合作用和蒸腾作用。与对照相比,UV-B辐射增强可降低叶片叶绿素含量、气孔导度、净光合速率和蒸腾速率,但对胞间CO2摩尔分数基本没有影响。不同大麦品种对UV-B辐射增强响应的敏感性存在差异,单2号对UV-B辐射增强较为敏感,而苏啤4号较不敏感。

利用鱼眼影像技术反演不同株型水稻的冠层结构参数

快速、可靠、精确地评估植被冠层结构参数在大气-植被相互作用的研究中起着举足轻重的作用。为探明鱼眼影像在水稻冠层结构研究中的应用前景,本研究选择3种不同冠层结构的水稻品种作为研究对象,利用带有鱼眼镜头的数码相机在冠层的8个不同高度分别拍摄冠层影像,通过对影像的预处理提取冠层间隙度参数,根据冠层内辐射环境与冠层结构之间的定量化关系,利用Beer-Lambert定律反演水稻冠层的叶面积指数（leaf area index, LAI）和平均叶倾角（mean leaf angle, MLA）。研究结果表明,鱼眼影像反演的LAI均方根误差（root mean square error, RMSE）为1.2～1.5,相对误差（relative error, RE）为18.6%～22.5%,仅比人工测定结果低估7.6%～13.1%,优于 Sunscan 的测定结果。反演的MLA与人工测定结果之间有较好的一致性,相关系数为0.9205＊＊, RMSE为11.7°176;, RE为16.1%。研究结果表明,鱼眼影像反演水稻冠层结构是可行的方法。

海南南繁区水稻基因飘流的最大阈值距离及其时空分布特征

【目的】陵水、三亚、乐东三县(市)是各类水稻(包括转基因水稻)冬季南繁的主要基地或中心。计算并绘制海南南繁区乡镇尺度水稻基因飘流的最大阈值距离图,为南繁水稻育种设置合理的隔离距离提供参考。【方法】采用已建立的水稻基因飘流模型和阈值分析方法,依托南繁区自动气象站资料,计算了该区域乡、镇尺度向不育系和栽培稻基因飘流的最大阈值距离(the maximum threshold distances of gene flow,MTDs),分析其时、空分布特征和影响因子。参照中国农业部有关水稻种子生产的质量标准,阈值分别设为1%和0.1%。【结果】南繁区向不育系的MTD1%平均值为(110±31)m,最短为53 m,最长为195 m。向不育系的MTD0.1%平均值为(169±44)m,最短为75 m,最长为271 m。向栽培稻的MTD1%均小于1 m;MTD0.1%平均值为(3.4±1.1)m,最短为0.6m,最长为5.8 m。向不育系和栽培稻的MTD0.1%两者相差近50倍。南繁区MTDs有2个高值区和4个高值点,3个低值区和5个低值点。以陵水、三亚、乐东为主体的南繁区,地处热带,三面临海,北面有五指山为屏障。冬季盛行东北季风,春季和初夏盛行南太平洋的东南季风和印度洋的西南季风。因此,南繁区的沿海陆地平原大都风速较大;沿海陆地与五指山区之间为中、低山丘陵地带,丘陵的走向和高度决定了该区的风向和风速;五指山南坡附近的丘陵地区,风速会因屏障效应而明显减小。【结论】地形特征和大气环流影响风向和风速,决定了南繁区MTDs空间分布的基本格局:高值区主要分布在该地区的东翼、西翼和南部沿海平原;低值区主要分布在五指山南麓的屏障区域。

北方地区叶面积指数变化对蒸散和产水量的影响

越来越多的证据表明伴随植树造林/再造林等工程实施,我国北方地区叶面积指数(LAI)近年来变化明显。但有关植树造林等引起的LAI变化对水循环的影响仍存在争议。本研究利用卫星遥感LAI数据和生态过程模型(BEPS)评价了2000—2014年北方地区LAI变化对蒸散和产水量的影响。首先评价了北方地区LAI的变化趋势;在此基础上采用"去趋势"法去除LAI变化趋势而仅保留其年际变化;而后分别基于原始和去趋势后LAI序列驱动BEPS模拟北方地区蒸散;最后基于两种情景比较分析LAI变化对蒸散和产水量的影响。结果表明,北方地区LAI发生显著变化的地区占北方地区面积的20.2%,其中LAI显著升高和显著降低地区面积分别占18.8%和5.5%。在像元尺度上,LAI升高会促进蒸散并降低产水量,LAI降低则相反。在区域尺度上,LAI升高分别对蒸散和产水量产生了显著的正负效应;LAI变化对水循环影响取决于研究区覆盖范围和研究区内LAI升高和降低的比例。考虑到LAI升高对产水量可能产生的负效应和北方地区的缺水危机,未来植树造林活动或许应该考虑更多集中于南方地区。

UV-B辐射增强和免耕对冬小麦冠层反射光谱特性的影响

通过田间模拟UV-B辐射增强,并采用FieldSpec Pro FR光谱仪进行田间观测,对UV-B辐射增强20%(U)条件下免耕(Z)和深耕(C)两种耕作方式对冬小麦冠层反射光谱和一阶导数光谱的影响进行研究,试验以无UV-B辐射增强(N)为对照,共设4个处理,分别为ZU、ZN、CN、CU。结果表明,冬小麦冠层光谱能有效监测UV-B辐射增强和两种耕作方式的复合作用。各处理间小麦冠层反射光谱的差异主要体现在近红外高台,灌浆期是最佳监测生育期。在灌浆期,U处理导致小麦冠层光谱近红外高台反射率明显降低,Z处理的近红外高台反射率明显低于C处理,且其受U处理的影响小于C处理,表明免耕具有延缓叶片衰老的作用。进一步采用一阶导数光谱分析发现,各处理在开花期和灌浆期均有显著差异。U处理导致红峰高度在灌浆期显著降低。Z处理的红峰高度明显低于C处理,红边位置比C处理偏红,并出现多峰情况。在未来UV-B辐射增强情景下,研究结果可为不同耕作方式下冬小麦采用冠层光谱进行无损检测的可行性提供理论参考。

1981—2019年全球陆地生态系统碳通量变化特征及其驱动因子

陆地生态系统碳汇显著降低大气CO_(2)浓度上升和全球变暖的速率,受人类活动和气候变化的影响,陆地生态系统碳通量具有强烈的时空变化,其估算结果仍存在较大的不确定性,不同因子的贡献尚不清晰。为此,利用遥感驱动的陆地生态系统过程模型BEPS模拟分析了1981—2019年全球陆地生态系统碳通量的时空变化特征,评价了大气CO_(2)浓度、叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)、氮沉降、气候变化对全球陆地生态系统碳收支变化的贡献。1981—2019年全球陆地生态系统总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)、净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)和净生态系统生产力(Net Ecosystem Productivity,NEP)的平均值分别为115.3、51.3和2.7 Pg·a^(-1)(以碳质量计,下同),上升速率分别为0.47、0.21和0.06 Pg·a^(-1)。全球大部分区域GPP和NPP显著增加,NEP显著上升(p<0.05)的区域明显少于GPP和NPP。1981—2019年,全球NEP累积为105.2 Pg,森林、稀树草原及灌木、农田和草地的贡献分别为76.4、15.8、9.4和3.6 Pg。CO_(2)浓度、LAI、氮沉降和气候变化各自对NEP的累积贡献分别为58.4、20.6、0.7和-43.6 Pg,全部4个因子变化对NEP的累积贡献为39.8 Pg,其中CO_(2)浓度上升是近40 a全球陆地生态系统NEP上升的主要贡献因子,其次为LAI。

不同方法测定设施番茄蒸腾的结果比较及相关性分析

以番茄品种金粉5号为试材,同步采用称质量法、微气象法及茎流仪法对设施番茄蒸腾速率进行测定,对不同方法的测定结果进行比较,并分析称质量法与微气象法、称质量法与茎流仪法之间的相关关系。结果表明,3种方法测得的设施番茄蒸腾速率日变化趋势基本一致,微气象法和称质量法的测量结果比较接近,而茎流仪法的测量结果大于其他2种方法;以称质量法测量结果为对照,微气象法和茎流仪法测得的设施番茄日总蒸腾量分别偏高25%和71%。称质量法(y)与微气象法(x1)、茎流仪法(x2)测量的设施番茄蒸腾速率均存在显著的线性相关关系,表达式分别为y=0.79x_1+0.05,r=0.93;y=0.66x_2-1.18,r=0.84。因此,微气象法和茎流仪法的测量结果可通过称质量法进行订正,从而获得较为准确的设施番茄蒸腾速率连续观测数据。

散射辐射比例与冬小麦光能利用率和总初级生产力的关系

利用冬小麦拔节-乳熟期(2004-04-01—05-20和2005-04-10—05-31)在田间观测的每30min涡度相关和小气候数据,计算散射辐射比例(DF)与光能利用率(LUE)和总初级生产力(GPP)之间的数量关系,以期为提高LUE模型和作物模型的模拟准确度提供依据。结果表明:冬小麦拔节-乳熟期DF与LUE间呈极显著的线性正相关关系(P<0.001),DF与GPP间为极显著的抛物线关系(P<0.001),即随着DF的增加,LUE呈线性增长,而GPP呈先增加后降低的变化趋势。2004年和2005年观测实验表明,中等太阳辐射条件下,即DF和光合有效辐射(PAR)的均值分别为0.57和27.7mol?m-2?d-1时,冬小麦GPP达到最高。2004年与2005年相比较,DF与LUE、DF与GPP关系均存在较大差异,这主要归因于两年间冬小麦拔节-乳熟期PAR水平和DF分布频率的差异。

鲁西南木本植物物候期对气候变暖的响应

以鲁西南地区9种木本植物为研究对象,采用统计分析方法研究其物候期对气候变暖的响应规律.结果表明：（1）研究区气温呈上升趋势,尤以冬季升温最显著,在春、秋、冬季及年际水平的气温变化中,平均最低气温的上升趋势明显高于平均气温和平均最高气温.（2）随着气候变暖,木本植物春季物候期普遍提前,秋季物候期推迟,其中旱柳的整个物候期及毛白杨和榆树的春季物候期均呈极显著提前（P＜0.01）,榆树的落叶期和梧桐的叶全变期和落叶末期呈极显著推迟（P＜0.01）.（3）春季物候期与前1～2个月平均气温及年平均气温呈负相关,秋季物候期主要与其前2旬的平均最低气温呈正相关.9种木本植物中,旱柳对气候变暖的响应最明显,其次是毛白杨和榆树,合欢和梧桐对气候变暖的响应则较迟钝.研究结果可为气候变暖背景下城市绿化及农时预报提供参考.

环境因子对水稻叶片水分利用效率的影响

在水稻不同生育期测定了不同环境因子控制下的水稻叶片光合速率、蒸腾速率,并计算出其叶片水分利用效率,分析了CO2浓度、高温、光强、土壤水分等环境因子变化对水稻叶片水分利用效率的影响,结果表明:水稻LWUE随CO2浓度增加呈极显著的二次曲线变化,CO2浓度增加有利于水稻LWUE的提高。当光强高于1 000μmol/(m2·s)时,随着光强的增强,两优培九的LWUE降低幅度比南粳44大。2个水稻品种LWUE各时期日变化规律较为相似,曲线总体呈"L"形。适当的土壤水分亏缺有利于提高水稻LWUE。

内蒙古半干旱区蒸散估算和归因分析

蒸散(Evapotranspiration,ET)是生态系统水循环中的重要一环,决定了生态系统水分和热量传输。从区域尺度对蒸散及其蒸腾(Transpiration,T)和蒸发(Evaporation,E)组分进行量化,认识环境因素对其的影响机制,有助于合理利用、分配水资源,为研究气候变化对区域生态系统水文循环的影响提供参考。基于生态系统生产力模拟(Boreal ecosystem productivity simulator,BEPS)模型,验证模型在研究区域的适用性,量化1981—2018年内蒙古半干旱区的ET及其组分的变化情况,并对其进行归因分析。结果表明:经不同数据验证,BEPS模型计算结果能够精确反应研究区域ET及其组分的分布情况和变化趋势。1981—2018年研究区草地、农田和森林多年平均ET分别为278.22 mm、362.50 mm和308.81 mm。E、T和ET多年呈显著上升趋势,上升速率分别为0.42 mm·a^(-1)、0.63 mm·a^(-1)和1.05 mm·a^(-1)。ET与T在全区域内空间分布格局相似,与E相反,ET年际波动主要受到T年际波动的影响。综合影响因子的变化和E、T、ET对因子的敏感性,研究区域草地和农田T和ET以及森林的ET主要受到饱和水汽压差(VPD)和平均气温(TEMP)变化的控制。农田和森林归一化植被指数(Normalized difference vegetable index,NDVI)都呈减小趋势,但森林环境T对NDVI的变化更加敏感,因此负贡献更大。

基于多源碳卫星融合产品的中国地区XCO_(2)与人为CO_(2)排放时空变化

准确评估大气CO_(2)浓度和人为CO_(2)排放时空变化对于减缓温室气体排放导致的气候变化至关重要,因此,本文基于GOSAT和OCO-2卫星数据融合生成的全球长时间序列、时空连续的Mapping-XCO_(2)产品,研究2010~2020年中国大气CO_(2)柱浓度(XCO_(2))时空变化特征以及卫星监测人为CO_(2)排放能力.结果表明:Mapping-XCO_(2)与中国大气本底站观测存在较高的一致性,具有良好的适用性;2010~2020年中国XCO_(2)呈现东高西低的空间分布,年均XCO_(2)为400.4×10^(-6),年增长速率为2.47×10^(-6);非生长季XCO_(2)异常可刻画人为CO_(2)排放时空变化,各省级行政区非生长季XCO_(2)异常与人为排放清单EDGAR和ODIAC的相关系数分别为0.71、0.67;2010~2020年京津冀、长三角、珠三角等三个城市群人为CO_(2)排放增长率分别为0.12×10^(-6)/a、0.08×10^(-6)/a、0.08×10^(-6)/a.研究结果表明卫星遥感在监测大气CO_(2)浓度和人为CO_(2)排放时空变化方面的有效性.

河北省夏玉米生长季干旱时空特征及对夏玉米产量的影响

河北省作为夏玉米主要生产地,由于降水时空分布不均,干旱频发,威胁粮食安全。基于1961—2014年河北省19个气象站点降水数据,计算标准化降水指数(standardized precipitation index,简称SPI),通过Arc GIS得到干旱的空间分布,并对SPI进行MK趋势检验,研究夏玉米生长季干旱特征。运用SPSS软件,对SPI与夏玉米产量进行相关性分析。结果表明,短时间尺度的SPI指数能够较好地描述河北省干旱实际情况。20世纪90年代后干旱发生次数多于20世纪90年代前。生长季内,6—9月干旱频率分别为15.8%、16.4%、16.3%、14.7%,7—8月干旱发生情况较为严重,且SPI呈下降(变干)的趋势,干旱趋势显著。在空间分布上,张家口、遵化、南宫站干旱发生频率较高,均达到17.6%以上。邢台、承德、围场则较为湿润,干旱发生频率在13.9%以下。总体来看,河北省东北部和南部干旱发生频率小,西北部和中部干旱频率较高。玉米产量与SPI在7—8月相关性显著。

石羊河流域植被生态质量时空变化动态监测

基于遥感和GIS技术,以MODIS NDVI为数据源,应用DEM和土地利用分类图,采用转移矩阵、一元线性回归模型等方法,对石羊河流域2000-2020年植被生态质量指数(Q)的时空变化特征进行研究,并对Q值基于不同海拔高度、坡度、坡向和植被类型的分布特征进行分析。结果表明:(1)2000-2020年石羊河流域的平均Q值为9.8,南北差异较大,Q值与海拔高度和坡度呈正相关;(2)分析Q转移矩阵,流域植被生态质量处于改善之中,2000-2010年植被生态质量改善和退化面积占总面积的比例分别为30.0%和2.2%,2010-2020年分别为13.7%和10.9%;(3)2000年以来流域Q值平均每10a增加1.2,呈增加趋势(Slope>0.0)的区域面积占整个研究区面积的90.3%;(4)Q值呈增加趋势的面积随着海拔高度的增大呈波动变化,随着坡度的增大先增加后减小;(5)森林、草地和灌木丛植被类型Q值呈增加趋势所占比例均在60.0%以上;(6)研究区Q值与气温、降水的相关系数分别为0.352和0.281,气温是植被生长的主要影响因素。

昼夜不同增温处理对小麦生长发育和产量的影响

以扬麦13号为材料,采用开放式的田间增温系统对麦田进行不同增温处理(从出苗到收获),研究不同增温处理对小麦生长发育及产量的影响,设置全天增温(AW,全天冠层平均增温1.9℃)、白天增温(DW,白天冠层平均增温2.1℃)、夜间增温(NW,夜间冠层平均增温1.7℃)3个增温处理,以不增温为对照(CK)。结果表明:与对照相比,AW、DW、NW处理下小麦各生育时期均提前,AW处理下小麦提前时间最多,其次为DW处理,最后为NW处理;小麦各生育时期中,拔节期提前时间最多。3种增温处理下小麦株高基本大于CK,AW处理下小麦株高最高,这主要由于增温导致小麦生育时期提前,越冬期缩短,有利于小麦营养生长。AW处理下小麦LAImax值出现最早,这与日平均温度高低、昼夜温差大小等密切相关。DW、AW处理下小麦增产,NW处理下小麦减产。