为明确水氮调控对春小麦(Triticum aestivum)产量的影响,研究自然降水条件下小麦产量达到最佳所需含氮量,将田间试验数据与农业生产系统模拟模型(Agricultural Production System Simulator,APSIM)结合,分别设定降水和施氮梯度为春小麦的产量变化的影响因素,并对模型予以检验。APSIM模型对春小麦产量模拟精度较高,决定系数(R2)、归一化均方根误差(NRMSE)、模型一致性指标(D)分别为0.95、27.36%和0.91。随降水量或施氮量的增加,整体产量表现出先增后减趋势;其次,在所有组合中降水增加到20%,施氮量为157.5 kg·hm~(–2)的处理较好,平均产量最高达到5 406.64 kg·hm~(–2);最后,根据产量变化曲面拟合方程得出产量最佳方案:当自然降水增加55%,施氮量增加到257.25 kg·ha~(–1),产量达到最佳,为5 988 kg·hm~(–2)。

该文利用IPCC AR4模式资料和基于多年观测资料生成的格点数据,建立降水、最高/最低气温的统计降尺度关系,获取华北地区高分辨率未来气候情景空间分布;利用作物模型模拟IPCC-B1情景下冬小麦生长期和产量变化。结果表明:最高/最低气温模拟结果与观测值比较,相关系数(R2)大于0.70;降水模拟结果与观测值比较,相关系数最小为0.63;IPCC-B1情景下,华北地区冬小麦生长期总体上变短,产量下降。

冬小麦是黄淮海地区的主要农作物。精确模拟冬小麦产量能够帮助生产者获得更好的经济效益。根据实验资料调整了ALMANAC作物生长模型部分参数后,用其对该地区的冬小麦生长进行了模拟,结果显示ALMANAC模型能够较好地模拟冬小麦的叶面积指数和产量。叶面积指数的模拟结果与实测结果的比值为1.0552,可决系数R2为0.7021;生物量模拟的最大误差为-6.01%,经济产量模拟的最大误差为-5.41%。模型还可以揭示影响冬小麦生长的主要胁迫因素。

【目的】定量分析陇中黄土丘陵沟壑区旱地春小麦不同生育阶段温度变化对小麦产量的影响,为陇中黄土丘陵沟壑区制定合理种植模式提供理论指导和决策依据。【方法】基于灰色关联度分析不同生育阶段温度与旱地春小麦产量间的关联性,确定影响旱地春小麦产量的关键生育阶段。应用APSIM(Agricultural Production System Simulator)模型模拟不同生育阶段温度变化条件下春小麦的产量,通过二次多项回归分析、单因素边际效应分析方法研究旱地春小麦产量对不同生育阶段温度变化的响应机制。【结果】(1)APSIM模型对模拟陇中黄土丘陵沟壑区不同播种期旱地春小麦的产量和生育期具有较高的适用性,模拟产量和生育期的均方根误差(RMSE)平均值分别为39.95kg·hm~(-1)和2.78 d,归一化均方根误差(NRMSE)平均值分别为1.55%和1.87%,模型有效性指数(ME)平均值分别为0.73和0.83;(2)陇中黄土丘陵沟壑区旱地春小麦全生育期平均温度总体呈上升趋势,但不同生育阶段的温度增幅各不相同,播种—出苗、出苗—分蘖、分蘖—拔节、拔节—孕穗、孕穗—开花、开花—灌浆和灌浆—成熟阶段的平均气温倾向率分别为0.44℃·(10a)~(-1)、0.34℃·(10a)~(-1)、0.17℃·(10a)~(-1)、0.41℃·(10a)~(-1)、0.49℃·(10a)~(-1)、0.52℃·(10a)~(-1)和0.35℃·(10a)~(-1);(3)不同生育阶段温度变化对旱地春小麦产量的影响大小依次为灌浆—成熟、开花—灌浆、播种—出苗、孕穗—开花、拔节—孕穗、出苗—分蘖、休闲和分蘖—拔节阶段;(4)在其他生育阶段温度不变的条件下,播种—出苗阶段温度每提高0.5℃,春小麦产量平均增加0.45%;孕穗—开花阶段温度每提高0.5℃,春小麦产量平均减少0.34%。开花—灌浆阶段温度每提高0.5℃,春小麦产量平均减少0.65%;灌浆—成熟阶段温度每增加0.5℃,春小麦产量平均减少1.09%。【结论】APSIM模型对陇中黄土丘陵沟壑区不同播种期旱地春小麦的产量和主要生育期有较好的模拟效果。研究区旱地春小麦全生育期平均温度总体呈上升趋势,但不同生育阶段温度增幅不同。不同生育阶段温度变化对春小麦生长和发育影响不同。播种—出苗阶段增温倾向于增产,其他阶段增温倾向于减产。

为量化分析秸秆覆盖量和施氮量对旱地春小麦的产量效应和协同作用，在APSIM模型中，设置秸秆覆盖量和施氮量2因素5个变化梯度，组合交叉设计25个处理，利用模型模拟25个处理的春小麦产量；于2016—2018年在甘肃省定西市安定区开展小麦大田试验，得到早播(ESW)、正常播(NSW)、晚播(LSW)春小麦产量的实测值，利用APSIM模型模拟2016—2018年春小麦的产量，将模拟值与实测值进行对比，对模型的适用性和模拟精度进行分析；对春小麦产量与秸秆覆盖量、施氮量的耦合关系进行二次多项回归和通径分析，利用Matlab计算春小麦的最大产量及对应的秸秆覆盖量和施氮量。结果表明：不同处理下产量的模拟值与实测值均位于15%置信带内，模型模拟精度较高，归一化均方根误差值为4.64%～12.22%，表明该模型在研究区具有良好的适用性；秸秆覆盖量和施氮量的增长对春小麦的产量效应为正效应，相应关系表现为开口向下的二次抛物线变化关系；ESW、NSW和LSW模拟情景下，春小麦最大产量分别为3 548.64、3 149.59、2 507.58 kg/hm~2;ESW模式下，最佳秸秆覆盖量和施氮量分别为7 062.04、194.91 kg/hm~2;NSW模式下，最佳秸秆覆盖量和施氮量分别为8 211.31、218.81 kg/hm~2;LSW模式下，最佳秸秆覆盖量和施氮量分别为6 215.15、162.01 kg/hm~2。

为量化分析秸秆覆盖量和施氮量对旱地春小麦的产量效应和协同作用，在APSIM模型中，设置秸秆覆盖量和施氮量2因素5个变化梯度，组合交叉设计25个处理，利用模型模拟25个处理的春小麦产量；于2016—2018年在甘肃省定西市安定区开展小麦大田试验，得到早播(ESW)、正常播(NSW)、晚播(LSW)春小麦产量的实测值，利用APSIM模型模拟2016—2018年春小麦的产量，将模拟值与实测值进行对比，对模型的适用性和模拟精度进行分析；对春小麦产量与秸秆覆盖量、施氮量的耦合关系进行二次多项回归和通径分析，利用Matlab计算春小麦的最大产量及对应的秸秆覆盖量和施氮量。结果表明：不同处理下产量的模拟值与实测值均位于15%置信带内，模型模拟精度较高，归一化均方根误差值为4.64%～12.22%，表明该模型在研究区具有良好的适用性；秸秆覆盖量和施氮量的增长对春小麦的产量效应为正效应，相应关系表现为开口向下的二次抛物线变化关系；ESW、NSW和LSW模拟情景下，春小麦最大产量分别为3 548.64、3 149.59、2 507.58 kg/hm~2;ESW模式下，最佳秸秆覆盖量和施氮量分别为7 062.04、194.91 kg/hm~2;NSW模式下，最佳秸秆覆盖量和施氮量分别为8 211.31、218.81 kg/hm~2;LSW模式下，最佳秸秆覆盖量和施氮量分别为6 215.15、162.01 kg/hm~2。

【目的】模型的有效应用依赖于参数的快速、准确估算。本研究拟解决作物生长模型参数本土化率定过程中运算量大、耗时长、精度低、效率低的问题。【方法】依据甘肃省定西市安定区2个试验点(李家堡镇麻子川村和凤翔镇安家沟村),多年(2002—2005年和2015—2017年)大田试验数据以及定西市安定区1971—2017年气象资料,利用混合蛙跳算法智能的迭代搜索原理,对APSIM模型旱地小麦叶面积指数相关参数进行了优化,并采用相关性分析方法对模型校正结果进行检验。【结果】利用青蛙群体即相对独立又合作协调的子群内局部深度搜索与子群间全局信息交流生物进化学习策略,有效提高了运算的速度,实现了对APSIM模型中与旱地小麦叶面积指数相关参数的快速、准确估算。相关参数主要包括:主茎上节出现所需的热时间间隔、小麦出苗后初始化的节数、小麦出苗后初始化的叶片数、小麦出苗后初始化的叶面积指数、某日正在生长的节数和最大比叶面积。分别使用穷举试错法所得参数值和混合蛙跳算法所得参数值模拟叶面积指数,参数优化后,叶面积指数模拟值和实测值之间的RMSE(root mean square error)平均值由0.069降低到0.027,NRMSE(normalized root mean square error)平均值由8.09%降低到4.56%,M_E(model effective index)平均值由0.979提高到0.993。【结论】相对于参数率定常用穷举试错法,混合蛙跳算法具有自发学习特征的智能迭代行为,实现了参数的自动率定,提高了效率。基于该算法进行APSIM模型旱地小麦叶面积指数相关参数的优化,使得模型对叶面积指数的模拟精度显著提高,证明该算法的使用对作物生理生态系统复杂模型的校正效果良好,为改善模型参数率定过程存在的运算量大、耗时长、精度低、效率低的缺点提供了一种行之有效的方法。

[目的]探讨生物结皮层覆盖后对土壤水分入渗特征的影响。[方法]于2018年7-8月,以位于陕北黄土高原神木市六道沟小流域的生物结皮覆盖的黄绵土和风沙土为研究对象,以相邻的无结皮黄绵土和风沙土为对照(距离在10 m以内),采用双环法和土柱法分别对其水分入渗特征进行测定,计算饱和导水率(K_s)、土壤水分入渗速率及土壤水分入渗参数(稳定入渗速率、平均入渗速率和累积入渗量),并采用Philip模型、Kostiakov模型和Horton模型对水分入渗过程进行模拟。[结果](1)无论是黄绵土还是风沙土,生物结皮均能降低不同土层土壤的K_s,且生物结皮对黄绵土的影响高于风沙土。在0～20 cm土层,与无结皮对照相比,生物结皮覆盖的黄绵土和风沙土上K_s平均分别下降了42.1%和25.6%。(2)基于双环法和土柱法的测定结果显示,在积水入渗条件下,生物结皮覆盖黄绵土的稳定入渗速率(0.29～0.55 mm/min)、平均入渗速率(0.57～0.58 mm/min)和累积入渗量(3.63～3.69 cm)与无结皮黄绵土相比分别减少了27.5%～45.0%,32.6%～58.4%和31.8%～61.0%;生物结皮覆盖风沙土的稳定入渗速率(3.30～4.13 mm/min)、平均入渗速率(3.06～4.25 mm/min)和累积入渗量(19.22～26.76 cm)与无结皮风沙土相比分别减少了2.4%～11.3%,1.6%～27.8%和5.5%～26.3%,且基于双环法测定的土壤水分入渗参数整体上略高于土柱法。相对黄绵土,生物结皮对风沙土水分入渗参数的影响较小。(3)不同模型的模拟结果表明,Horton模型对生物结皮覆盖土壤水分入渗过程的拟合效果整体优于Philip模型和Kostiakov模型。[结论]生物结皮层的覆盖降低了0～20 cm土层的渗透性,土壤水分入渗过程可以使用Horton模型进行拟合。

为探究不同下限基点温度对作物发育阶段积温稳定性和对发育期模拟效果的影响,本研究基于一个下限温度的线性生长假设,以1990—2015年北京密云冬小麦抽穗至成熟期为例,统计设定下限温度5.0~15.0℃不同基点温度的阶段活动积温和有效积温,分析活动积温和有效积温这2种积温模型的阶段积温及其标准偏差和变异系数随下限温度的变化情况,并以模拟均方根误差和模拟准确率为指标对比分析下限温度指标对积温模型模拟效果的影响。结果表明:阶段积温随下限温度而变化,有效积温随下限温度升高而降低的趋势和程度比活动积温更快;阶段活动积温大于有效积温,且两者差值随着下限温度的升高而增大;在一定的下限温度范围内,以标准偏差为指标时有效积温绝对稳定度优于活动积温,而以变异系数为指标时则活动积温相对较有效积温相对稳定;以均方根误差检验模拟效果,则阶段活动积温模拟效果优于有效积温;以发育期模拟误差在2d以内表征模拟准确率时,2种积温模型的模拟效果随下限温度而变化,下限温度在5.0~12.5℃时,有效积温的模拟准确率高于活动积温的,而当下限温度≥12.5℃时,活动积温的模拟准确率大于有效积温的。

以森林模型整体化理论思路为基础,利用vb6.0编程软件开发出独立的林木林分生长和收获模型模拟系统,在解决不同水平模型之间相容性、一致性及内部结构的问题,在生态模拟中有一定的应用价值。

转基因水稻是一个涉及我国的主粮安全、食用安全和生态安全等敏感问题的争议作物品种。本文基于对我国转基因水稻技术创新的分析,以转BT基因水稻为例,参考了当前转基因水稻生产效应的相应研究,设置两种情景并运用CGE模型测度了转基因水稻产业化的动态影响,提出要从国家战略需求和公众市场需求两个层面判断转基因水稻产业化的发展方向以及相关策略。

为了研究气候变暖与日本鲭(Scomberjaponicus)个体生活史及其种群动态变化之间的关系,本研究基于动态能量收支预测理论(dynamic energy budget, DEB)和积分投影模型(integral projection model, IPM)构建了东、黄海日本鲭动态能量收支积分投影模型(DEB-IPM),以探究气候变暖对其生长、繁殖、存活及种群状态的影响机制。本研究结果表明:(1)气候变暖会增大日本鲭早期阶段(年龄<220d)的生长速率,减小成鱼最大体重,并增加其绝对繁殖力,同时将加大自然死亡。因此,气候变暖将导致日本鲭个体将同化能量更多地分配给繁殖,限制日本鲭种群大个体的生长和数量,使个体趋于小型化;(2)日本鲭种群增长率随温度呈单峰变化,即随温度增加,种群增长率先增加后降低;(3)日本鲭早期阶段中小型个体(200～600 g)的生长及繁殖始终是扰动其种群动态变化的关键,但气候变暖会改变日本鲭生长和繁殖对种群增长最优能量分配的敏感性贡献,使敏感性贡献峰值对应的体重随温度升高呈减小趋势,因此,更应加强对日本鲭早期阶段的保护和研究。尽管本研究的模型参数估计及设置存在一定的不确定性,但DEB-IPM模型能模拟气候变暖对日本鲭个体生活史特征和种群动态变化的影响,将能为东、黄海日本鲭在气候变暖条件下的科学管理提供理论与模型工具支持。

作物生长与气候的互馈是当前气候变化研究的热点之一。陆面模型作为一项重要的研究工具，其模型框架、算法设计及参数化方案的不同会直接导致模拟结果的不确定性。为探究陆面模型DLM(dynamic land model)和CLM5(community land model)在作物生长及农田热通量模拟方面的差异及原因，评估2个模型在华北平原作物研究中的适用程度，论文开展了冬小麦—夏玉米轮作站点的模拟对比研究。结果显示，DLM的夏玉米叶面积指数和生态系统总初级生产力的模拟值更高，与观测值更为接近；CLM5模型则在冬小麦模拟中略优。DLM的潜热模拟值与观测值的相关性普遍更高，可能反映了DLM采用的彭曼公式、双叶策略比CLM5采用基于水势梯度质量守恒、大叶策略的潜热计算方法更具优势。对于产量，模型当前的估测能力并不理想。总的来说，在默认设定下，2个模型的模拟结果能基本反映研究区农田站点内夏玉米和冬小麦的生长规律，但与实测值存在一定偏差。模型在该区域的适用性可能需要通过添加农田管理措施、算法优化和参数本地化等方式进一步提高。

在林火蔓延模拟过程中,为技术基础林火蔓延模型模拟空间精度评价是一个十分重要的问题。以林火蔓延模拟、地理信息系统和计算机图形学为技术基础,以林火蔓延的边界位置、面积和轮廓形状为主要指标,提出了一套林火模型模拟空间精度的评价方案,并通过模拟实验验证了该方案的可行性。结果表明,这一方案可以满足林火蔓延模型模拟空间精度评价的需要,为多模型林火蔓延模拟中模型的选择提供了依据。

【目的】针对环渤海区域冬小麦/夏玉米轮作系统氮肥施用量过大,环境效应逐渐增大的实际情况,研究不同氮肥施用量下长期和区域环境效应,明确冬小麦/夏玉米的减氮潜力和区域。【方法】利用定位试验和生物地球化学模型相结合的研究方法。【结果】冬小麦/夏玉米不同氮素施用量15年的模拟结果表明,随着氮肥施用量的增加,作物产量逐渐增加,到两季作物施氮量达到240—300 kg N.hm-2以上时,作物产量增加能力有限,而氮淋溶损失量则逐渐加大,土壤中残留的无机氮素也逐渐增加。与当前区域氮肥施用量364×104t相比,区域氮肥总量减少30%和优化施肥两种调控方案下环渤海地区总氮素平衡的各个输出项都有不同程度的降低,...