覆土浅埋滴灌玉米分阶段亏水条件下AquaCrop与Dual Crop Coefficient模型精度对比研究

近年来,西辽河流域地下水超采问题日益突出,改进灌溉技术降低农业用水可有效解决这一问题,但该技术缺乏科学的水分管理方法及适宜的理论模型。基于单阶段及多阶段亏水情形试验,对比同类农田水分模型精度,优选阶段性亏水管理辅助模型。研究设置7个玉米分阶段亏水调控处理,于2018、2019年进行田间小区试验,取得2个同类模型的本地化参数并比较其模拟精度。结果表明,AquaCrop和双作物系数模型可相近表达玉米冠层发育到最大而未开始衰减期间土壤水分的消耗过程,而对快速生长期与后期1m土层贮水量的模拟差异大。AquaCrop模型在土壤贮水量偏低时高估其实测值,其他情形正负偏差分布相对均匀,双作物系数模型多数情形低估其实测值。AquaCrop模型描述玉米各阶段蒸散量因亏水情形而变化能力优于双作物系数模型。AquaCrop模型和双作物系数模型的标准均方根误差平均值在模拟1 m土层贮水量时分别为4.494%~8.443%、6.017%~8.626%,在模拟蒸散量时分别为8.158%~9.510%、5.980%~15.022%。综合来看,AquaCrop模型表现更好,推荐作为适宜西辽河流域覆土浅埋滴灌玉米水分管理模型。研究可为该区域覆土浅埋滴灌种植玉米选出适宜的水分管理模型,理解新技术条件下玉米分阶段亏水调控机制及田间灌溉管理优化提供参考。

AquaCrop作物模型研究和应用进展

AquaCrop是由国际粮农组织(FAO)开发并向全球免费推广的一款新的作物生长模型,自从2009年发布以来,已经受到各国研究者的重视,而国内对该模型的应用尚处于起步阶段。为国内同仁更深入的了解该模型以及在中国的进一步验证和应用该模型提供有用的背景和参考信息,对模型原理、模型计算方案、模型应用现状和存在问题进行介绍和探讨。众多研究结果证明,AquaCrop模型有很好的模拟精度,可以辅助灌溉管理决策等。AquaCrop作为一个新发展的模型,其适应性还有待进一步验证,研究领域也有待进一步拓宽。

AquaCrop作物模型应用研究进展

Aqua Crop是FAO于2009年研发的一款新型作物模型,它以输入参数少、界面简单等优点被广泛应用于生产实践中。论文基于Aqua Crop模型原理和特点,深入探讨了Aqua Crop模型国内外应用研究进展。当前,Aqua Crop模型在灌溉策略、气候变化下的情景模拟以及与其他模型联合应用等方面取得了显著进展。但是,该模型在应用过程中还存在若干缺陷。一是模型在保守参数缺少验证的情况下,会使得模拟精度不稳定;二是由于土壤空间变异性的客观存在,模型在由点位向面上扩展时应用效果不佳;三是当前对雨养区作物生长模拟研究还很少,且其非保守参数难以准确确定;四是目前该模型生理、养分和水养互作模块尚不够完善,未考虑作物病虫害和品种遗传差异,当作物生长遭受水分、盐分或温度等严重胁迫时会导致模拟精度下降。今后在模型应用时,可利用多年数据对保守参数进行校正,将区域同一站点多年数据和多站点相关数据相结合调试模型非保守参数;其次,应加强雨养地区模拟研究,从而扩大模型应用范围。开发者应进一步完善Aqua Crop模型子模块,为提高模拟精度和拓宽应用范围提供支撑。

AquaCrop模型在西北胡麻生物量及产量模拟中的应用和验证

为了预测水分和养分对胡麻籽粒产量、生物量与水分生产率的影响,使用FAO研发的水分驱动作物模型AquaCrop对胡麻在不同灌溉与氮磷水平下的生长情况进行模拟和验证。试验分别于2011年、2012年在甘肃省榆中县良种场进行,试验设置4个灌溉水平,3个氮水平,3个磷水平。模型性能的评价采用模型效率(E)、决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)等统计指标。分析结果表明:AquaCrop模型校正的籽粒产量和生物量在不同灌溉与氮磷水平处理下的预测误差统计值为:0.97<E<0.99,0.11<RMSE<0.33,0.11 t·hm 2<MAE<0.42 t·hm 2,与2012年的试验观察数据(0.96<E<0.99,0.11<RMSE<0.42,0.11 t·hm 2<MAE<0.39 t·hm 2)基本一致;同时,群体覆盖(CC)与生物量的模拟结果与测定值也非常拟合。AquaCrop模型在充分灌溉处理下预测胡麻产量,比非充分灌溉处理下具更高的准确性。因而,水分驱动模型AquaCrop在西北胡麻区不同的灌溉与田间管理措施下有较高的模拟精确性,具有广阔的应用前景和价值。

基于遥感和AquaCrop作物模型的多同化算法比较

为了研究不同数据同化方法在AquaCrop(FAO Crop model to simulate yield response to water)模型模拟作物地上生物量(above ground biomass,AGB)、冠层覆盖度(canopy cover,CC)和产量过程的效率,以冬小麦为研究对象,利用2012-2013、2013-2014和2014-2015年冬小麦田间试验数据,将标定的Aqua Crop生长模型与遥感光谱信息相结合开展同化技术分析,应用粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)、模拟退火(simulated annealing,SA)和复合型混合演化(shuffled complex evolution,SCE-UA)3种数据同化算法,以不同生育期、不同水分处理和不同氮肥水平的AGB和CC为双变量开展多同化算法的模拟分析,对3种数据同化算法的运算效率和同化结果进行对比分析。结果表明:1)3种数据同化算法达到的应度值0.26时,SCE-UA同化算法用时最少(833 s),SA数据同化算法用时最多(1433 s),表明SCE-UA同化算法效率最优,SA数据同化算法效率最低;2)不同生育期的同化结果,AGB的同化精度随着生育期的推进而降低,AGB的模拟值在拔节期和挑旗期高于实测值,被高估,在开花期和灌浆期被低估,总的AGB被低估;CC在拔节期和挑旗期被低估,在开花期和灌浆期被高估,总的CC被低估;3)不同水分处理的同化结果,AGB普遍被低估,CC在雨养(W0)条件下被高估,在正常灌溉(W1)和过量灌溉(W2)条件下被低估;产量均被低估;4)不同氮肥水平,AGB的模拟精度随着施N量的增加而降低,并且普遍被低估,CC普遍被高估,产量均被低估。以上结果表明,PSO、SA和SCE-UA 3种数据同化算法均能有效模拟冬小麦的AGB、CC和产量,其中SCE-UA数据同化算法无论在运算效率还是同化结果的精度上均优于PSO和SA数据同化算法。

AquaCrop模型及其研究进展

结合国内外有关AquaCrop模型的研究工作,以研究模型的应用领域为基点,对AquaCrop模型运用成果的特点进行归纳。在此基础上,指出了模型在理论合理性和实际适用性等方面存在的问题,并对AquaCrop模型的发展前景进行了展望,以期为我国作物模型的研究提供借鉴。

AquaCrop作物模型在黄土塬区夏玉米生产中的适用性评价

为评价Aqua Crop作物模型在黄土塬区的适用性,基于Hsiao等人推荐的玉米参数对模型参数进行调试及验证。在陕西长武地区模拟2003、2004、2005、2007、2008、2010年玉米生育期内生物量、蒸发蒸腾量的变化过程及收获时产量、地上部生物量,将模拟值与收集到的实测值进行对比、分析。结果表明,这6年模拟产量与实测产量间的校正决定系数(Adj)R2为0.9270,相对误差在-2.479至11.182之间;模拟地上部生物量与实测地上部生物量间的Adj.R2为0.7842,模型对产量的模拟效果优于对生物量的模拟;2005年和2008年模拟蒸散量与实测蒸散量间的Adj.R2分别为0.6229和0.7973。模拟效果较好,对黄土塬区夏玉米水分优化管理模拟有重要意义。

AquaCrop模型在农业旱灾损失评估中的应用

利用作物生长机理模型——AquaCrop模型,建立作物生长环境要素(气象、土壤水分等)与产量之间的定量关系,以此构建农业旱灾损失定量评估模型,并对云南省曲靖市沾益县一季中稻的旱灾损失进行了实例计算。结果表明,AquaCrop模型能够客观地评估农业因旱损失,为旱灾风险分析计算提供灾损数据支撑。

RCP情景下基于AquaCrop模型的河南省夏玉米减产风险评估

本研究基于AquaCrop模型研究rcp4.5和rcp8.5两种代表性浓度路径情景下河南省不同区域未来气候变化下的夏玉米减产风险的变化特征,准确的评估未来气候变化对作物单产的影响,为最大限度的避免作物减产和制定适应性措施提供理论依据。结果表明,在rcp4.5和rcp8.5情景下,较历史时期2000~2019年相比,河南省各地区最高温度、最低温度和降雨均呈现出显著波动上升趋势,在空间上气温和降雨增加速率呈现出相反的变化特征。基于AquaCrop模型分别模拟rcp4.5和rcp8.5情景下不同区域夏玉米产量损失率,分别为18.3%~42.9%、22.9%~44.8%。产量损失率呈现出明显的空间差异性,其中,豫北-安阳和新乡产量损失率最高,豫南-驻马店产量损失率最低。在rcp4.5和rcp8.5情景下,河南省各区域减产风险指数整体上均呈现出增加的趋势,平均减产风险指数分别为0.353(rcp4.5)和0.368(rcp8.5),减产风险高值区主要位于河南西北部和中部地区,减产风险低值区主要在河南省南部地区。

AquaCrop作物模型应用研究进展

介绍了Aqua Crop模型的基本原理以及研究和应用进展,重点介绍了Aqua Crop模型的应用情况。Aqua Crop模型在作物灌溉管理、种植制度、未来气候情景模拟中的应用已取得了较好成果。总结了Aqua Crop模型当前应用应注意的问题,指出:Aqua Crop模型的研究集中于单点尺度,在国内的研究多集中于模型的校正与验证,模型参数在我国的适用性还有待进一步验证;在严重水分胁迫条件下,会影响Aqua Crop模型的模拟性能。最后,提出了未来发展的几点建议,以期为Aqua Crop模型今后在我国的农业生产实践中起到指导作用。

甜菜生长模型研究进展

为探求适合中国区域化的甜菜生长模型,并加强自身模型的开发能力,本文对国内外甜菜生长模型的研究与发展综述可知,甜菜生长模型主要为3种:DSSAT-CERES-Beet模型、AquaCrop-Beet模型和APSIM模型,均可评价甜菜种植制度、管理措施、不同气候变化对产量的影响,监测土壤水分平衡包括潜在蒸散、实际土壤蒸发、植物蒸腾、根系吸水、径流、土壤渗漏以及不同土层的土壤水流等。这对国内甜菜生产潜力、农业管理和农业风险评估方面都有着重要的指导意义。

旱作覆膜玉米生长和水分利用对气候变化的响应

基于3a连续冬小麦-夏玉米覆膜轮作试验校准和验证AquaCrop模型的适用性,模拟研究了气候变化对夏玉米生长、产量和水分利用的影响,分析了覆膜措施对气候变化的应对效果。结果表明:关中地区(以武功、宝鸡和西安地区为例)年平均温度呈逐年递增趋势,温度增加幅度由高到低依次为宝鸡、西安和武功,增温速率分别为0.20、0.12℃·10a^-1和0.09℃·10a^-1;降雨量呈逐年递减趋势,减少幅度大小依次为西安、宝鸡和武功,减小量分别为3.59、3.23 mm·10a^-1和2.64 mm·10a^-1。AquaCrop模型在关中地区表现出了良好的适用性,可以较好地模拟连续覆膜条件下作物的产量指标、水分利用和生长的动态变化,冠层覆盖度模拟值和实测值之间的均方根误差(RMSE)介于1.1%~15.3%,生物量模拟值和实测值之间的RMSE介于0.626~2.540 t·hm^-2,土壤贮水量模拟值和实测值之间的RMSE介于12.6~47.4 mm。模拟研究表明,上世纪60年代以来,随着气温不断升高,武功、宝鸡和西安地区的夏玉米生育期均呈逐年缩短趋势,特别是1980s以来,减少幅度达2.76、4.82 d·10a^-1和5.94 d·10a^-1;在不同的降水年型下,覆膜处理产量均高于裸地处理,且其变异系数较小;在干旱气候条件下,覆膜处理依然可以获得一定的籽粒产量,与裸地处理相比,覆膜处理表现出了较好的稳产效应。同时,覆膜处理有效减少了玉米苗期土壤表层蒸发(平均减少7.6 mm),从而在土壤中保蓄更多的降雨;覆膜处理虽然增加了土壤耗水量,但其通过保蓄土壤水分,稳定作物产量,有效提高了玉米的水分利用效率。因此,关中地区旱作覆膜可以有效适应当地气候变化,在一定程度上应对干旱气候,具有较好的增产稳产效应。