基于CERES-Wheat模型的沧州地区冬小麦需水量分析

作物生长模拟模型的应用为农田水资源分析和水分管理措施的优化提供了新的方法手段。本研究以CERES-Wheat模型为基础,通过情景分析的方法,分析了华北平原沧州地区冬小麦1981—2014年产量、大田蒸散量(ET)、作物蒸腾(EP)、土壤蒸发(ES)、水分生产率(WP)的年际变化特征,并建立了ET与WP定量化关系模型,利用该模型计算出了WP达到最大值的经济蒸散量为435 mm;利用ET多年平均值与多年平均降雨量差值计算出了T0(不灌溉)、T1(拔节期灌水75 mm)、T2(拔节期、扬花期各灌水75 mm)、T3(起身期、孕穗期和扬花期各灌水75 mm)4个水分处理不同产量目标下冬小麦多年平均的需水量分别为189 mm、264 mm、298 mm和319 mm,对应的平均产量分别为4 144 kg?hm?2、7 293 kg?hm?2、7 301 kg?hm?2和8 245 kg?hm?2;采取地膜覆盖等栽培管理措施扣除土壤蒸发,T0、T1、T2、T3水分处理可分别节水80 mm、71 mm、71 mm和70 mm。在此情况下,利用EP多年平均值与多年平均降雨量之间的差值计算出不同水分处理下冬小麦多年平均的需水量分别为109 mm(T0)、193 mm(T1)、227 mm(T2)和249 mm(T3)。以上研究结果可为沧州地区冬小麦水分定量化管理措施的制定提供参考。

不同冠层阻力模型对冬小麦返青-成熟期蒸散量估算的影响

蒸散量是农田水循环的重要组成部分,其准确估算对精准灌溉及农业节水具有重要意义。PenmanMonteith(P-M)模型是常用的估算方法之一,但冠层阻力/表面阻力的准确表达一直是应用中的难点。选取常用的7种冠层阻力模型,根据北京市顺义区2a(2020年和2021年)的波文比实测结果,对不同模型模拟的小麦冠层阻力及P-M估算的小麦蒸散量进行比较,并进一步分析影响小麦冠层阻力的主要因子。结果表明,7种模型均低估了小麦冠层阻力,同时高估了蒸散量。总体而言,Todorovic模型(TD)模拟效果最好,其模拟的冠层阻力和蒸散量的R2均大于0.605,平均偏差(MBE)分别为-82.8s·m^(-1)和10.4W·m^(-2),相应的均方根误差(RMSE)分别为254.4s·m^(-1)和33.5W·m^(-2);其余6种模型表现均较差,所模拟的冠层阻力R2仅0.113~0.241,MBE和RMSE在-236.4~-61.3s·m^(-1)、277.2~373.8s·m^(-1);基于6种模型模拟阻力得到的小麦蒸散量与实测值的R2在0.046~0.184,MBE和RMSE分别在44.5~97.4W·m^(-2)、81.4~147.9W·m^(-2)。7种模型模拟效果排序为TD>FAO56-PM>Katerji-Perrier(KP)>Garc?á-Santos(GA)>idso(IS)>Jarvis(JA)>CO。相关分析表明,净辐射(Rn)对小麦冠层阻力的影响最大,气温(Ta)和冠层温度(Tc)对其影响最小,各因子影响力大小表现为Rn>叶面积指数(LAI)>相对湿度(RH)>饱和水汽压(VPD)>土壤水分(θ)>冠气温差(?T)>Tc>Ta。这一结果较好地解释了TD模型的良好普适性,既考虑了Rn、VPD、?T等影响冠层阻力的关键因子,且不含待校正参数,使用方便。

莆田市林下经济发展的现状及对策

该文通过对福建省莆田市林下经济实地调查,简述了莆田市林下经济发展现状,分析目前发展中存在的主要问题,并提出林下经济发展的对策。主要包括：科学合理规划,构建发展格局;培育龙头企业,发挥示范作用;加大扶持力度,破除发展瓶颈等。

不同水肥管理对冬小麦灌浆影响的模拟研究

在河北省衡水市中国-加拿大合作研究试验站,结合田间试验对不同水肥管理条件下冬小麦的灌浆过程进行了研究。结果表明,小麦粒重的大小主要取决于灌浆时间和强度,子粒的灌浆过程可较好地用Logistic函数描述。小麦生长前期的水分胁迫有利于加快其发育进程,促使早抽穗灌浆。灌浆期适宜的水分状况可延缓小麦的灌浆进程,由于较大灌浆速率持续的时间较长,增加千粒重的潜力较大。小麦的群体密度是影响收获粒重的主要因素之一,随着穗密度的增大,灌浆速率和千粒重逐渐降低。随着施氮量的增加,小麦的干粒重下降,这主要与施氮的增穗作用有关。

不同栽培措施下冬小麦灌浆模拟研究

1994年在河北省衡水市邓庄中加合作试验站 ,结合田间试验对不同管理措施下冬小麦的灌浆过程进行了研究。结果表明 :粒重的大小主要取决于灌浆时间和灌浆强度 ,小麦子粒的灌浆过程可用Logistic函数描述。小麦生长前期的水分胁迫有利于加快其发育过程 ,促使早抽穗灌浆。灌浆期较好的水分状况可延缓小麦的灌浆进程 ,但较大灌浆速率持续的时间较长 ,千粒重的潜力值较大。小麦的群体密度是影响收获千粒重的主要因素之一 ,随着穗密度的增大 ,灌浆速率和千粒重逐渐降低。随着施N量的增加 ,小麦的千粒重降低 ,这主要与施N的增穗作用有关。

不同尺寸蒸渗仪测定作物蒸散的田间试验研究

称重式蒸渗仪测定作物蒸散量(ET)是公认的一种标准测定方法。大型称重式蒸渗仪因单点独立安装而无法进行不同处理的重复试验,小型蒸渗仪则可解决该问题,但目前对于小尺寸蒸渗仪的适用性尚无统一结论。本文利用1m2(SL)、2m2(ML)和4m2(LL)3种不同面积的蒸渗仪在冬小麦(2012年11月21日播种,2013年6月20日收获)和水稻(2013年6月22日移栽,2013年10月28日收获)整个生长季进行连续蒸散量观测,筛选无有效降水日的数据进行对比分析。结果表明:(1)在冬小麦和水稻生长季内,SL(小)蒸渗仪所测蒸散量日内变化均表现出较大的变化幅度,ML(中)蒸渗仪所测蒸散量日内变化趋势均与LL(大)蒸渗仪所测一致,日内变化比较平稳;(2)ML蒸渗仪所测日蒸散量与LL所测结果的相关性最好(P<0.01);(3)SL蒸渗仪所测水稻日平均蒸散量和蒸散总量与LL接近,所以可将SL蒸渗仪替代LL测定水稻日平均蒸散量和蒸散总量;ML所测冬小麦和水稻的日平均蒸散量及蒸散总量均比LL明显偏小,蒸散总量偏小主要由于拔节后较大的日蒸散量偏差导致。

喷灌对农田小气候的影响研究

试验研究喷灌对农田小气候的影响结果表明 ,喷灌影响灌水当时冠层附近空气温度与湿度 ,且整个喷灌周期均对其产生影响。喷灌作物冠层上方出现的逆温时间较长 ,冠层附近温度较低且湿度较大。喷灌地表温度日变幅明显小于地面灌处理且随土层深度的增加 2种灌水处理地温日变幅迅速减小。喷灌和地面灌处理冬小麦全生育期总耗水量分别为 43 6.5mm和 459.4mm ,产量分别为 643 0kg/hm2 和 4455kg/hm2 ,水分利用效率分别为1.47kg/m3 和 0 .97kg/m3 ,喷灌比地面灌水分利用效率高 52 %。

冬小麦干旱指标及干旱预测模型研究

干旱是河北省冬小麦生长期内主要的气象灾害之一。准确监测、预测干旱发生程度,可以为防灾、减灾、救灾提供科学的决策依据。本研究以位于河北省南部冬小麦区的南宫县为例,选取1991～2007年冬小麦全生育期农业气象观测数据及常规气象资料,基于Jensen模型得到冬小麦返青～拔节、拔节～抽穗、抽穗～乳熟、乳熟～成熟4个生育阶段的水分敏感系数;在减产百分率标准的基础上,确定了冬小麦返青后4个生育阶段以相对蒸散表示的轻旱、中旱、重旱、严重干旱4个等级冬小麦干旱指标值;并应用回归分析方法,建立了4个生育阶段的干旱预测模型。结果表明:考虑冬小麦不同发育阶段对水分的敏感程度,确定的冬小麦干旱指标值比较客观地反映了干旱程度。建立的干旱预测模型均通过了0.05的显著性检验。模型的拟合正确率70.8%,预测正确率75.0%,平均正确率71.4%;经简化干旱等级,即轻旱为1个等级,中旱、重旱、严重干旱为1个等级,则模型的拟合正确率达81.3%,预测正确率达75.0%,平均正确率达80.4%,模型预测结果可信。

冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究Ⅰ:模型

本文开展了冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移的耦合研究,建立了可以同时动态模拟冬小麦生长过程与SPAC水热运移过程的动力学模型WheatSPAC模型。模型中,采用有限元差分格式进行土壤水热运移的数值模拟;采用双层模型进行冠层水热运移的模拟;采用改进的Feddes根系吸水模型及负指数分布形式的根系密度模型,实现土壤与冠层的耦合;通过生育阶段、干物质生产、干物质分配等过程的模拟,建立了冬小麦生长的机理性模型;通过对冬小麦叶面积指数、株高、根系分布的模拟,实现冬小麦生长与SPAC水热运移的耦合。

用分时段修正双源模型估算南京地区冬小麦生育期蒸散量

冬小麦是南京地区重要的粮食作物,模拟冬小麦蒸散量(evapotranspiration,ET)并研究其对气象因素的响应可为冬小麦田间水分管理提供参考。该文基于大型称重式蒸渗仪实际测定值分析了冬小麦ET变化规律,分别采用单源模型(Penman-Monteith,PM)和双源模型(Shuttleworth-Wallace,SW)模拟不同时期冬小麦ET,并探讨分时段修正SW模型的模拟方法,在此基础上,分析了ET对气象因素的响应。结果表明,生育初期,冬小麦的ET逐步增加,进入越冬期则逐步降低并保持在较低水平。返青期和拔节期ET迅速增加,开花和成熟期又保持稳定。2011-2012和2013-2014年分时段采用SW模型估算整个生育期冬小麦的蒸散量比整个生育期采用单一估算模型能够减小模拟平均绝对误差0.01~0.04 mm/h。小麦乳熟成熟期采用最小气孔阻力150 s/m计算的修正SW模型可以比整个生育期用单一最小气孔阻力的SW模型降低冬小麦蒸发蒸腾量的估算平均绝对误差0.03~0.13 mm/h。冬小麦蒸发蒸腾量与气象因素密切相关,与净辐射、空气温度和饱和水汽压差等环境因素决定系数顺序为净辐射>饱和水汽压差>空气温度>风速。这表明南京地区冬小麦蒸发蒸腾量主要决定因素为净辐射。该研究能够为冬小麦蒸散量的模拟方法以及田间水分管理提供参考。

基于SIMDual_Kc模型的豫北地区麦田土壤水分动态和棵间蒸发模拟

利用2a实测的冬小麦田间土壤剖面含水率和棵间蒸发数据,修正了基础作物系数和土壤物理参数等指标,率定了SIMDual_Kc双作物模型,并验证了其在豫北地区冬小麦田的适用性。结果表明,修订后的SIMDual_Kc模型模拟豫北地区冬小麦有效根层的土壤含水率和棵间蒸发量与实测值具有很好的一致性,误差较小。冬小麦整个生育期的棵间蒸发量占总腾发量的比例约为35%,分时期计算,此比值在生育前期明显高于生育后期。生育前期棵间蒸发量占总腾发量的比例高达73%,快速生长期该比例降至约30%,生育中期棵间蒸发比例最低,约为7.5%,生育后期棵间蒸发比例又升至约35.5%。研究结果可为地表覆盖、节水灌溉方式和适宜灌溉频率等减少棵间蒸发的技术措施研发与应用提供必要的理论支持。

苏南地区典型作物冠层阻力参数及潜热通量的模拟

准确测算和模拟农田潜热通量对农业生产有着重要意义。该研究基于波文比能量观测系统对苏南地区夏玉米和冬小麦生育期内潜热通量进行连续观测,采用Katerji-Perrier(KP)和Todorovic(TD)两种方法来确定Penman-Monteith(P-M)模型中冠层阻力参数,探究两种冠层阻力参数子模型的估算误差及成因。结果表明:冬小麦生育期内主要气象因子呈现相似变化趋势,净辐射日均值呈现出波动上升趋势。两种冠层阻力参数子模型对冬小麦潜热通量模拟均取得良好的模拟效果,模拟R2不小于0.84,纳什系数不小于0.86,但KP模型精度稍高于TD模型。KP模型对冬小麦和夏玉米潜热通量均有高估,而TD模型高估了夏玉米潜热通量,饱和水汽压差是影响KP和TD两种冠层阻力参数子模型误差的主要因素,且饱和水汽压差越大绝对误差越大。研究为当地农业用水管理提供科学依据。

塑料暗管排降条件下麦田土壤水分变化规律模拟

应用非饱和土壤水分运动原理 ,对塑料暗管排水条件下分层土壤的水分运动进行了数值模拟 ,建立了数学模型。结果表明 ,模型计算的土壤水分分布结果和田间实测的土壤剖面水分数据一致 。

黄河下游大型引黄灌区蒸散发长期变化特性

采用生态水文模型模拟黄河下游大型引黄灌区———位山灌区1984—2006年的水量平衡过程,分析蒸散发量的长期变化规律。结果表明:位山灌区多年平均蒸散发量为596mm,占降雨和灌溉总量的82%;小麦和玉米生长期内多年平均蒸散发量分别为284mm和314mm,分别占降雨和灌溉总量的99%和71%;降雨量的年际变异性较大,但受灌溉的影响蒸散发量的年际变异性较小,且无显著的时间变化趋势;作物主要生长期内蒸散发量的年际变化主要与潜在蒸发量有关;蒸散发量的季节变化主要受潜在蒸发量和作物生长过程的控制。

砂石覆盖条件下冬小麦蒸散量的单、双作物系数法估算

农田蒸散(ETc)是农业系统能量平衡和水分平衡的关键要素,砂石覆盖条件下ETc的估算对于评价砂石覆盖对农田作物的影响非常重要。为准确估算砂石覆盖条件下冬小麦ETc,在陕西杨凌建立了遮雨棚下的蒸渗仪动态观测系统。利用FAO-56的Penman-Monteith(PM)模型和单、双作物系数法对冬小麦ETc进行估算,并基于两年度不同砂石覆盖量下冬小麦实测ETc数据,对单、双作物系数法进行改进和修正,得到适用于砂石覆盖条件下单、双作物系数与砂石覆盖量的关系。结果表明:(1)冬小麦不同生长阶段的单作物系数与砂石覆盖量具有很好的线性关系,进一步结合估算的参考作物腾发量(ET0)计算,能很好地模拟两年度不同砂石覆盖量下的冬小麦ETc。(2)基于冬小麦实测ETc对双作物系数进行修正,可得到其修正系数A与砂石覆盖量之间的线性关系,进一步结合ET0可准确估算两年度不同砂石覆盖量下的冬小麦各生长阶段ETc。(3)不同砂石覆盖量下,双作物系数法比单作物系数法和PM模型估算冬小麦ETc的精度更高。总体上,单、双作物系数法在估算砂石覆盖条件下的冬小麦ETc中仍有一定的适用性,但需经实测数据进行修正。

双叶模型在冬小麦田冠层CO_2通量多层模拟中的应用

综合考虑农田生态系统中水、热、CO2输送所涉及的大气、水文、生物等生物物理过程,以Farquhar等提出的叶片尺度光合作用生物化学过程机理模型为理论基础,对其进行空间尺度扩展,并改进冠层分层方法,建立了均匀农田与大气之间物质输送和能量交换的多层模式,在模式中运用双叶模型,同时考虑叶片氮素水平垂直差异,对2008年4—5月华北平原冬小麦生长旺季农田生态系统中冠层CO2通量进行了模拟研究,并利用涡度相关观测的通量数据对模型的有效性加以验证,结果表明:在冠层多层空间,小麦拔节至孕穗期和开花至乳熟期叶片氮含量随冠层高度的衰减系数分别为0.793(R2=0.698)和1.374(R2=0.728),冠层内叶片氮含量的空间分布可以用以相对累积叶面积指数为自变量的函数来描述;模型分别计算各层阴、阳叶的光截取、气孔传导、光合作用等,最终计算冠层上方CO2通量,冬小麦农田净生态系统生产力模拟值与实测值相关显著(R2=0.78),模拟的CO2通量日变化特征晴天昼间比阴雨天和夜间的效果好;在考虑丛聚影响的叶片非随机分布的密集农田中,阴叶对总初始生产力的贡献率在35.7%左右,对生产力贡献很重要。分层统计显示,作物最终产量的形成主要依赖上部叶片,对总初始生产力贡献率在80%以上,模型估算的试验期冬小麦净初始生产力累计约为626.3g/m2。

冬小麦产量性状的遗传效应分析

以农大139等7个冬小麦品种进行4×3不完全双列杂交，采用加性-显性及其与环境互作的遗传模型对亲本、F_1和F_2的株高、主穗穗长、单株穗数、主穗小穗数、千粒重和单株粒重6个性状进行遗传分析．结果表明，株高和主穗长主要受加性效应控制，而单株穗数、主穗小穗数、千粒重和单株粒重主要受显性×环境互作效应影响．矮2杂交后代易选到矮株，奥里生杂交后代易得到大穗材料，农林10号和奥里生的杂交后代分蘖力将加强，814的杂交后代小穗数增多，814杂交后代千粒重增高．所有产量性状未表现明显的杂种优势．

农田“五水”相互转化的动力学模式及其应用

通过对麦田水分微循环规律的研究，提出了描述降水（灌水）入渗、地下潜水蒸发（或补给）、根区土壤水分传输、根系吸水和蒸发蒸腾等五个子系统的麦田“五水”（大气水、地面水、地下水、土壤水和植物水）转化动力学模式。论述了模型参数的测取方法。经大田初步试验表明，该模型对于模拟麦田水分动态和“五水”转化关系具有较高的精度。

时段划分对冬小麦作物水模型影响的研究

引入逻辑斯蒂函数描述水分敏感指数随时间的变化过程,对Jensen模型（模型一）进行了改进,使得改进后的作物水模型（模型二）的参数固定为4个,避免了模型一参数随时段数增加而增加的缺陷。采用山西水利职业技术学院试验基地2007年和2008年冬小麦田间试验资料,将冬小麦全生育期等间隔地划分为23、21、19、17、……、3共11个时段,利用非线性规划的方法求得了相应的模型参数,进行了比较分析。结果表明,采用模型一时,相对腾发量划分的时段数以5左右为宜,不宜超过7;采用模型二时,则不受时段数的限制;模型二的修正复相关系数Ra随时段数的增加略有增大的趋势,均在0.84以上,F值均在16以上,大于F0.001=12.56,达到极显著水平,能够用于模拟供水对产量的影响;模型二的标准误随时段数的增加上下波动,变化于0.100~0.108之间,小于模型一的标准误,模拟精度高于模型一;采用模型二模拟产量时宜尽量使用较大时段数的参数,且腾发量划分的时段数与参数的时段数应尽可能一致。

麦田O3干沉降过程及不同沉降通道分配的模拟

利用涡度相关系统对南京地区冬小麦田和裸土期O_3干沉降过程进行观测的基础上,引入Surfatm-O_3干沉降模型,对其叶片气孔阻力(R_s^(leaf))、土壤阻力(R_(soil))和表面阻力(R_(cut))的公式进行参数化修订和验证,开展了冬小麦主要生育期的总O_3通量(F_(O3))、干沉降速率(V_d)及其不同沉降通道分配的模拟,并间接分析了土壤排放的NO与O_3的化学反应对O_3干沉降过程的影响.结果表明:冬小麦田FO_3和V_d的实测值与模拟值趋势相似,平均实测和模拟V_d值分别为0.39和0.37cm/s,模拟值比实测值低估5.3%,其中每一个独立阻力公式的模拟效果均较好.平均非气孔沉降(表面沉降和土壤沉降)是O_3干沉降主要的沉降通道,占总O_3通量的68.8%,表面沉降占非气孔沉降的46.7%;平均绿叶和黄叶气孔沉降分别占总O_3通量的28.6%和2.6%.白天非气孔沉降比例减小至占总O_3通量的58.8%,绿叶和黄叶的气孔沉降比例比值增大,分别占总O_3通量的37.7%和3.5%.夜晚表面沉降和土壤沉降分别占总O_3通量的64.3%和35.7%.土壤排放的NO会与O_3产生化学反应,对O_3干沉降过程产生影响,需要在今后的O_3干沉降模型中考虑.