基于CERES-Maize模型春玉米水分优化管理决策

在完成DSSAT(4.0.1.0)中CERES-Maize模型参数的校正和验证之后,利用30年(1976-2005年)的气象资料针对北京地区的春玉米生产进行模拟.结果表明,在充分灌溉的条件下,春玉米4月底播种多年平均产量为11.5 t/hm2,当播期推迟至5月底时产量平均提高了4.1%.推迟播期后,春玉米生育期内降雨分布更加均匀,4月底播期的推荐灌溉量多年平均为150 mm,推迟播期后推荐灌溉量减少了50 mm,水分利用率提高了14.9%,在仅灌底墒水及雨养条件下,推迟播期后WUE则分别提高了25.4%和35.6%.5月底播种时,仅灌底墒水在67%的年份里产量达到充分灌溉的水平,即使在雨养条件下仍在50%的年份里和自动灌溉持平.     

播期对春玉米生长发育与产量形成的影响

以"郑单958"和"鲁单984"为材料,比较研究了两个播期(4月24日和5月15日)条件下春玉米的生长发育和产量形成,探讨了春玉米生长发育与气候条件的关系.结果表明,不同播期的春玉米生长发育和产量都存在显著差异.与4月24日播期相比,5月15日播期的春玉米产量(干重)提高2 157 kg·hm-(郑单958)和1 137 kg·hm-2(鲁单984).粒重在播期间,品种间及播期与品种互作问差异均不显著.穗粒数在品种问不显著,但在播期间差异达显著水平,第2个播期穗粒数提高幅度达37.8%(郑单958)和11.2%(鲁单984).通过对不同播期间气象因子的分析发现,降雨是影响华北平原春玉米生长发育和产量形成的最重要气象因子.降雨主要通过对穗粒数的调节来影响产量.开花期降雨过多所带来的低温寡照影响玉米的受精授粉与结实:拔节至大喇叭口期降雨通过调节叶面积大小影响作物干物质积累,进而影响籽粒的发育情况.本试验中,5月15日是春玉米获得高产的最佳播期.合理安排播期,重视降雨对春玉米生长发育及产量形成的影响,是华北平原春玉米获得高产的重要措施.     

CERES-Maize模型在中国主要玉米种植区域的适用性

选取北方春玉米区、黄淮海春夏播玉米区、西南山地丘陵玉米区、南方丘陵玉米区、西北内陆玉米区五个区域中70个站点,利用1998-2000年玉米生长的田间试验资料和气象台站的气象观测资料,研究CERES-Maize模型在主要玉米种植区域对玉米生育期、产量的模拟能力.选用符合度指数D、RMSE等统计指标进行评价.结果表明:玉米生育天数模拟的D值为0.58～0.95,产量模拟的D值为0.66～0.88,说明CERES-Maize模型可以较好地模拟出区域内玉米生育期和产量观测值的分布趋势;生育期的模拟误差小于产量的模拟误差;区域尺度的统计分析可以更准确的表示模型的模拟效果.     

基于CERES-Maize模型的吉林西部玉米干旱脆弱性评价与区划

自然灾害风险(risk)是灾害损失的可能性,主要取决于致灾因子、脆弱性、暴露性以及防灾减灾能力4个因素。脆弱性(vulnerability)衡量承灾体遭受损害的程度,是灾损估算和风险评估的重要环节,是致灾因子与灾情联系的桥梁。在全面收集研究区气象、土壤、土地类型、田间管理数据等资料的基础上,基于自然灾害风险和气候变化领域对脆弱性的定义,在考虑到扰动、敏感性和适应能力的基础上建立干旱脆弱性评价模型。以吉林省西部的玉米干旱灾害作为研究对象,选取2004年、2006年和2007年3个典型干旱年,运用CERES-Maize模型逐日逐网格对玉米的生长过程进行模拟,并且计算出不同生育期干旱脆弱性;对相应年份的玉米因旱减产率与不同生育期脆弱性的相关分析表明,二者存在指数相关性,并且每个生育期都通过了?=0.05的F检验,说明利用上述模型对玉米干旱脆弱性的评价与区划是合理的;从相关系数的大小中可以看出,玉米因旱减产损失与抽雄—乳熟期和拔节—抽雄期脆弱性相关性较大,其次是乳熟—成熟期和出苗—拔节期。将不同生育期玉米干旱脆弱性指数划分为4个等级,借助GIS技术绘制了玉米干旱脆弱性区划图。结果表明:吉林省西部玉米干旱脆弱性较强的区域主要集中在白城、洮南、镇赉等地区,玉米干旱脆弱性较弱的区域主要集中在松原、扶余等地区。运用此模型可以评价和预测玉米不同生育期干旱脆弱性以及因干旱造成的玉米产量损失,本研究结果可以为研究区农业干旱灾害风险评估以及防灾减灾提供一定的依据。     

气候变化背景下华北平原夏玉米花期高温热害特征及适宜播期分析

利用华北平原夏玉米种植区55个气象站点1981-2017年逐日地面观测资料,以日最高气温≥35℃持续3、4、5d,且相对湿度≤70%为一次轻、中、重度高温热害,从年代际尺度、年尺度、旬尺度分析37a来华北平原不同播期下夏玉米花期高温热害的时空变化特征;以开花期避开中度高温热害为标准,推算夏玉米花期规避高温的适宜播期。结果表明:6月上旬播种,夏玉米花期遭遇高温热害的频率最大,河南省南部的信阳、固始等地区遭遇高温热害频率超过20%;6月中旬播种,夏玉米花期遭受高温热害频率为9%～12%。2011年以来华北平原夏玉米花期高温热害加重,发生频率高于P1-P3时段(1981-2010年)。华北平原早熟玉米平均适宜播种期在6月15日-7月5日,中熟玉米平均适宜播种期在6月15-27日,晚熟玉米平均适宜播种期在6月15-20日。在各适宜播种期范围内,华北平原南部应适当晚播,北部则应适当早播。     

黄土旱塬Hybrid-Maize模型适应性及春玉米生产潜力估算

通过对Hybrid-Maize玉米高产模型进行田间验证,应用该模型对黄土旱塬春玉米生产潜力进行初步估算。结果表明,Hybrid-Maize模型在黄土旱塬表现出较好模拟效果,总生物量、秸秆生物量和籽粒产量模拟值与实测值间具有极显著线性相关性,其决定系数分别为0.9469、0.8164和0.9650,回归系数分别为1.0198、0.9787和1.1844,接近于1。黄土旱塬区多年光温生产潜力和气候生产潜力因品种不同有所差别,对多年平均光温籽粒和总生物量生产潜力,紧凑型玉米品种分别为13.25和22.45t/hm2,平展型玉米品种分别为12.32和20.62t/hm2,年际变化小;对多年平均气候籽粒和总生物量生产潜力,紧凑型玉米品种分别为11.97和19.94t/hm2,平展型玉米品种分别为11.37和18.63t/hm2,年际波动大。在黄土旱塬区,玉米产量潜力挖掘的主要途径应集中在提高密度和水分限制条件下,Hybrid-Maize玉米模型在指导玉米高产栽培上具有较好应用。     

基于作物模型与最佳季节法的锦州地区玉米最佳播种期分析

为了探究锦州地区平均气候状态下玉米最佳播期,同时检验作物模型法和最佳季节法确定最佳播期的适用性,利用辽宁锦州农田试验站3a分期播种试验数据,在对作物生长模型CERES-Maize进行参数校正与模拟效果检验的基础上,应用模型模拟不同播期下玉米30a（1981-2010年）的产量,同时应用最佳季节法分析该地区的玉米最佳播期,结合作物模型法的研究结果,提出对最佳季节法的改进办法。结果表明：CERES-Maize模型能够较好地模拟不同播期玉米的物候期和产量,其归一化均方根误差（NRMSE）小于10.3%,对不同播期下30a的产量模拟结果显示,当播期从4月10日推迟至5月10日,玉米平均产量增加6%,当播期从5月10日推迟至5月30日,玉米产量中值从9112kg·hm-2降至8619kg·hm-2,4月25日和4月30日播种玉米的平均产量与5月10日播种的玉米产量无显著差异。结果显示最佳季节法确定的锦州地区玉米最佳播期较为滞后,与作物模型法的研究结果及实际生产的播期有较大出入,因此,提出了对最佳季节法的改进办法即将灌浆期间的不利气温条件考虑在内,改进后得到的最佳播期与作物模型法研究结果较一致。从30a平均气候状况看,该地区玉米的最佳播期在4月25日-5月10日,作物模型法有较好的适用性,最佳季节法经过改进后也可实际应用。     

春玉米干物质积累和产量对播期调控下水热变化的响应

为探究春玉米(Zea mays L.)干物质积累和产量对播期调控下水热变化的响应,在河北科技师范学院试验基地,于2017—2020 年进行了4年的播期试验,以京农科728和MC812为材料,分析了播期(5月1日、5月10日、5月20日、5月30日)引起的春玉米干物质积累量、产量构成因素、产量以及水分利用率的变化。结果表明,受温度与降水影响,春玉米干物质积累量在生育前、中期随播期的推迟而下降,而灌浆后期至成熟期以5月30日播种春玉米干物质积累量最多。春玉米干物质积累动态符合Logistic模型,5月30日播种春玉米干物质积累的总持续时间和快增期持续时间均最长。有效穗数、穗粗、轴粗、穗行数和出籽率不受温度与降水的影响,但穗粒数、千粒重、穗长、行粒数受其影响显著,各指标随播期延迟先下降再上升,并以5月20日播种的春玉米最低。产量与千粒重呈显著正相关,5月30日播种的春玉米产量最高。另外,随播期的推迟,总耗水量减少,水分利用效率提高。综上可知,合理安排播期,重视降雨对春玉米生长发育及产量形成的影响,是冀东地区春玉米获得高产的重要措施。本研究为冀东地区春玉米播期选择提供了理论依据和技术支持。     

华北平原春玉米季土壤硝态氮动态及氮素矿化的特征

为进一步明确推荐施氮的优势所在,并为春玉米制定合理的施氮策略,本文在高肥力土壤条件下,通过设计不同氮肥管理模式.研究了春玉米季0—150 cm土体土壤NO_3~-—N动态和氮素矿化的特征。结果表明,经验施氮0—90 cm土层NO_3~-—N含量呈单峰曲线变化,峰值一般在400 kg/hm~2以上,90—150 cm土层则富积了大量的NO_3~-—N,潜在淋洗量很大。不施氮条件下,土壤表现出较强的净矿化势,并且净矿化速率和玉米生长速率有较好的协同性,二者同在大喇叭口至吐丝期达到最大值,但土壤供氮能力逐年下降。推荐施氮使得0—90 cm土层NO_3~-—N总体保持在100～200 kg/hm~2范围内,既确保作物的吸收又减少了氮素淋洗损失。研究表明,三年来推荐施氮共节省氮肥475 kg/hm~2,氮肥利用率提高了14%。     

华北平原浅层地下水可持续利用潜力分析

浅层地下水是华北平原最重要的水资源,对农业、经济和社会发展具有制约性作用。本文基于"华北平原地下水可持续利用调查评价"项目研究资料与成果,以行政区为单元,计算了华北平原浅层地下水开采资源量,评价了其资源潜力,在此基础上定性分析了浅层地下水的可持续利用潜力。研究结果表明,华北平原浅层地下水总开采资源量为202.94×108m3·a-1,开采资源模数为14.58×104m3·a-1·km-2,区域分布不均,呈西部山前平原及沿黄平原高、中东部平原低的规律。浅层地下水开采潜力系数为1.15,总体上采补平衡,开采潜力一般,但空间分布不均,最高值为滨州地区的5.16和天津地区的4.18,较低的为石家庄地区的0.72和廊坊地区的0.75。可持续利用潜力分析表明,华北平原浅层地下水已基本无开发利用潜力,尤其浅层淡水,局部地区超采现象严重,可持续利用潜力不容乐观;但微咸水、咸水开采潜力(较)大,其中河北平原咸水、微咸水开采资源潜力近35×108 m3·a-1,在开发利用技术条件允许的情况下可以进一步增大开发利用率,提高区内浅层地下水可持续利用潜力。该研究可为实现华北平原的水资源优化配置、农业与经济社会的可持续发展提供指导。     

基于潜力衰减模型的东北-华北平原旱作区耕地生产力评价

在中国耕地资源日益紧缺、粮食安全问题愈发严峻的背景下,耕地生产力研究具有重要的现实意义。该研究以东北-华北平原旱作区为研究区域,以主要粮食作物玉米的光温生产潜力空间分布数据及相关县域统计数据为基础,结合土地利用、降水、土壤、社会经济等数据,运用潜力衰减模型,研究评价了东北-华北平原旱作区1995-2015年耕地生产力时空格局及其影响因素。结果表明:研究区光温-水生产力、光温-水-土生产力、光温-水-土-社会经济生产力均整体呈现东北平原旱作区高于华北平原旱作区的空间格局,且在东北平原旱作区和华北平原旱作区内部也均表现出南高北低的宏观趋势;通过分析各环境因子的订正系数发现,人为社会经济投入对当前耕地生产力的保障极为重要,特别是在耕地自然条件逐渐变差的华北平原旱作区表现的尤为显著;水分因子产量差在空间上整体呈现南低北高、东低西高的分布格局,土壤因子产量差明显呈现南高北低的空间格局,社会经济因子产量差呈现明显的北高南低空间格局,这与中国水热条件的地带性分布、东北平原地区优质的土壤条件及较高的自然禀赋等因素有关;研究区社会经济因子产量差>土壤因子产量差>水分因子产量差,且社会经济因子产量差在华北平原旱作区整体较小、土壤因子产量差在东北平原旱作区整体较小,进一步说明了社会经济投入是维系华北平原旱作区耕地生产力的最重要因素,而耕地本身的立地条件是保障东北平原旱作区耕地生产力的最主要原因。潜力衰减模型的应用对大尺度区域耕地生产力研究的方法创新方面有所裨益,评价结果可为不同农业区保持高产、稳产及耕地保育等方面提供科学参考。     

华北平原夏玉米潜在产量时空演变及其对气候变化的响应

华北平原是我国的粮食主产区,为探讨气候变化可能对该地区粮食产量产生的影响,本文以中国科学院青藏高原研究所的中国区域地面气象要素数据集为基础,对作物生长模型WOFOST(WOrld FOod STudy)进行面域化,模拟华北平原1979—2015年夏玉米的生长情况;利用一元线性回归、经验正交分解(EOF)分析了华北平原夏玉米潜在产量的时空变化,利用逐个栅格相关性分析、奇异值分解(SVD)分析了华北平原不同区域夏玉米潜在产量与全生育期、吐丝前和吐丝后平均温度及日均太阳总辐射的相关性。结果表明,研究区夏玉米潜在产量大致呈现从南向北逐渐升高的特点,大部分地区夏玉米潜在产量为7 000~9 000 kg?hm~(-2);研究区西北部夏玉米潜在产量波动较大,波动较小的地区在北京南部、天津以及河北中部一带,标准差在500 kg?hm~(-2)以下;研究区西北部及河北唐山北部以及山东半岛东部夏玉米潜在产量呈上升趋势,这些地区的夏玉米潜在产量上升幅度大部分在200~600 kg?hm~(-2)?(10a)~(-1);研究区的其余大部分地区夏玉米潜在产量呈下降趋势,其中河北中南部、天津、鲁西北以及皖北的部分区域下降较明显,变化幅度在-250 kg?hm~(-2)?(10a)~(-1)左右。河北西部和东北部、北京西北部以及山东中部和东部等地区的夏玉米潜在产量与气温具有较显著的相关关系,相关系数在0.9以上,这些地区的夏玉米潜在产量在过去37年呈上升趋势,表明这些地区夏玉米潜在产量的增加可能是由气温上升导致的。北京东部和南部、天津、河北中南部及秦皇岛唐山南部、山东、河南东部、皖北和苏北等地区的夏玉米潜在产量与太阳总辐射具有较好的相关关系,相关系数在0.8左右,其中,吐丝后通过显著性检验的区域较吐丝前大,相关系数也较吐丝前大,该区域大部分地区夏玉米潜在产量呈下降趋势,可能是由该区域太阳总辐射下降导致的,且总辐射的下降主要对夏玉米的生殖生长阶段构成影响。总的来说,研究区夏玉米潜在产量上升的区域与温度的上升有关,温度的变化是这些地区夏玉米潜在产量变化的主导因子;研究区夏玉米潜在产量下降的区域与太阳总辐射的下降有关,太阳总辐射的变化是这些地区夏玉米潜在产量变化的主导因子。因此,气候变化背景下针对华北平原不同地区制定不同的合理应对措施显得尤为重要。     

华北平原冬小麦/夏玉米轮作体系对氮素环境承受力分析

通过田间试验研究了华北地区冬小麦/夏玉米轮作体系对氮素的环境承受力。结果表明,冬小麦和夏玉米达到最高产量时的施氮量分别是112和180.kg/hm2。氮肥利用率和农学利用率随施氮量的增加而降低,生理利用率表现出抛物线的趋势。在农户习惯施氮条件下,冬小麦和夏玉米的氮肥利用率分别是10%和6%,每千克氮肥分别增产2和3千克。灌水和集中降雨是引起土壤硝态氮明显下移的主要因素。氮素平衡计算的结果表明,低施氮量时,氮素盈余以残留Nmin为主,高量施氮则以表观损失为主。将收获后090.cm土壤中的硝态氮的量控制到150kg/hm2,可以在兼顾环境的前提下获得较高的产量;此时冬小麦季的施氮量是122.kg/hm2,产量(干物重)达到最高产量4331.kg/hm2;夏玉米季的施氮量是145.kg/hm2,产量(干物重)是7965.kg/hm2,达到最高产量的97%。     

基于AMSR-E数据估测华北平原及东北地区土壤田间持水量

对田间持水量的遥感获取方法进行了探讨,基于传统的田间持水量测定方法--围框淹灌法的思路,利用AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer,即高级微波扫描辐射计)数据高时间分辨率的特点,提出了基于AMSR-E数据估测田间持水量的方法,并采用2003~2007年的AMSR-E数据制作了我国华北平原及东北地区的田间持水量分布图。结果显示东北地区北部、河南东部、安徽北部以及江苏北部等地区的田间持水量较高;由AMSR-E数据获取的田间持水量明显小于气象站点的测定值,与实测值的相关系数R2为0.522,与实测值有显著的相关关系,表明AMSR-E数据具有正确反映田间持水量的潜力。     

基于PS123作物生长模型的黑龙江海伦市玉米生产潜力计算

在概括国内外作物生产潜力研究方法的基础上,对PS123模型进行方法的改进,将PS123作物生长模型与常规方法相结合,计算黑龙江省海伦市玉米生产潜力,寻求一种更为客观、科学的生产潜力计算方法,也为PS123模型在东北地区不同作物中的应用奠定基础。选取海伦市1999～2001年数据进行计算,取平均值代表近年来该地区玉米生产潜力。结果显示：修正的PS123模型科学、合理,计算简便;海伦市玉米的光合、光温、气候、气候－土壤生产潜力分别为：54008、11998、9531、8006 kg/hm²。与实际产量相比,光能、光温、气候资源利用率以及农业自然潜力利用率分别为：10.7％、48.3％、60.9％、72.4％,海伦市玉米生产仍然有较大的潜力。     

华北地区滴灌灌水频率对春玉米生长和农田土壤水热分布的影响

针对华北地区春玉米田间灌溉和降雨相结合的灌溉模式,以北京为典型试验区,在保证作物最优土壤水分下限和灌溉定额相同的基础上,研究了滴灌灌水频率对土壤水、热分布及春玉米根系分布和产量的影响.试验结果表明:在春玉米抽雄期以前阶段实施的滴灌各处理中,高频滴灌下土壤平均含水率和不同深度处的土壤基质势波动幅度较小,高频滴灌下土壤水分能保持在一个比较稳定的范围;土壤温度受灌水过程、土壤含水率及作物生育阶段的影响较明显,滴灌能显著延迟气温对土壤温度的影响:灌水频率对春玉米根系分布存在一定影响,高频灌溉能显著促进春玉米根系在上层土壤(0～40 cm)中的分布;此外,在这种典型的灌溉和降雨相结合灌溉模式下,不同灌水频率下玉米产量差异不显著.因此,建议华北地区春玉米滴灌模式采用低频滴灌.