作物模型区域应用两种参数校准方法的比较

区域模拟的目的是利用有限的空间数据模拟出产量等作物性状的时空变异规律.然而站点作物模型应用到区域范围时涉及到数据归一化、参数简化、模型的校准和验证等问题.利用CERES-Rice模型对作物模型在我国的区域应用进行了尝试并对部分参数进行了校准.首先利用田间观测数据在各实验点上对模型进行了详细的站点校准,以验证模型在我国的模拟能力;其次,以我国水稻种植区(精确到亚区)为单位,运用平均值和标准差(RMSE)两种方法进行了区域校准和验证,即找出能反映出品种空间差异的代表性品种参数集;然后分别运用两种方法的校准结果,模拟水稻产量和成熟期,并将模拟结果与实测值进行了比较.结果表明:区域校准能反映出水稻生育期和产量的时空变化规律,其中RMSE法较平均值法效果好.目前作物模型区域应用过程中还存在大量的误差来源,有待进一步研究.     

区域气候模式与作物模型联接的影响评估模拟实验及不确定性分析

利用英国Hadley中心开发的区域气候模式RCMPRECIS(网格分辨率50km×50km),与经过田间试验资料和历史气候资料验证和校准过的CERES系列作物模式相结合,就区域气候模式与作物模式联接的影响评估方法及其不确定性进行了评估。结果表明,相对于大气环流模型来说,区域气候模式与作物模型的结合省去了随机天气发生器的中间环节,减小了不确定性产生的因素。在站点模拟上,该方法在平原地区的模拟效果较好,而山区的模拟效果较差,但如果能用实测天气数据对模拟的天气数据进行验证,模拟效果明显提高。在区域模拟上,该方法可以较好地体现出产量变化的空间分布规律,但由于空间数据的限制,模拟产量与实际产量的偏差较站点水平要大。     

APSIM模型在西南地区的适应性评价——以重庆冬小麦为例

利用重庆市4个代表性站点的小麦田间观测数据和同期逐日气象数据对APSIM模型在重庆小麦产区的适应性进行研究,确定了12个小麦品种的作物参数.结果表明:模拟小麦的播种至出苗、开花和成熟各阶段天数与实测值具有较好的一致性,其均方根误差值分别为0~3、1~8和0~8 d;模拟的12个小麦品种中,模拟与实测地上部分生物量的归一化均方根误差(NRMSE)均低于30%,10个品种模拟与实测产量的NRMSE均低于30%,作物生育期、地上部分生物量和产量的模拟结果均在可接受范围内波动.说明APSIM模型对不同品种冬小麦的生育期、地上部分生物量和产量模拟效果较好,该模型在重庆地区具有较好的适应性,为后续基于模型评估该地区小麦生产提供了基础支撑.     

不同气象数据空间内插对区域玉米生长模拟结果的影响

作物模型区域模拟已成为作物模型应用的一个新方向。运用作物模型进行区域研究时,遇到的问题之一就是输入模型的空间数据质量问题,研究不同空间内插法获得的气象数据对作物模型区域模拟结果的影响,可以为区域模拟对输入数据的敏感性研究提供一定的参考。利用区域校准的CERES-Maize模型,将3类内插方法(几何内插、统计内插、动力模型内插)产生的网格化天气数据分别输入到CERES-Maize模型中,模拟了50km×50km网格水平下1961—1990年我国玉米生产状况,并选取1980—1990年模拟的平均产量与同期农调队调查产量进行比较,以了解区域模拟中,不同空间内插方法所得的逐日气象数据对区域模拟结果的影响。结果表明:(1)作物模型区域应用时,所采用的3种内插方法都能满足作物模型区域模拟对网格化天气数据的要求,采用3种天气数据的区域模拟结果都能反映出玉米平均产量的空间变化特征,与网格调查平均产量之间具有极显著的相关关系,但采用不同内插天气数据对模拟结果造成了8%以内的偏差。(2)采用不同内插天气数据,在进行作物区域模拟时,各方法的模拟结果之间呈极显著的相关关系,但这些模拟结果之间,在全国大部分地区是差异显著。     

水稻模型ORYZA2000在湖南双季稻区的验证与适应性评价

校准与验证水稻生长模型ORYZA2000,为模型本地化、区域化研究应用提供依据。本文采用湖南双季稻区作物田间观测数据,结合栽培管理措施、土壤以及同期逐日气象数据等资料对ORYZA2000进行参数校正,调试确定了早稻、晚稻有代表性品种的作物参数;利用独立的数据资料,对双季稻生育期、叶面积指数、生物量、产量等指标的模拟结果进行了详细地验证与适应性评价。结果表明：模型对双季稻品种的生育期模拟较好,开花期和成熟期的相对模拟误差为1—2d;早稻和晚稻叶面积指数的归一化均方根误差（NRMSE）均为24%,地上部总生物量、绿叶生物量、茎生物量和穗生物量的NRMSE值分别为18%、22%、22%、24%和19%、24%、28%、28%,产量的NRMSE值分别为11%和16%。校验的作物参数反映了湖南早稻和晚稻品种的生物学特性,参数值合理、有效。通过校准作物参数,ORYZA2000可较为准确地模拟双季稻生长发育及其生物量的动态累积过程,适应性较强,能够应用于双季稻生产。     

WOFOST模型在内蒙古河套灌区模拟玉米生长全程的适应性

在河套灌区引入成熟的作物模型并进行适应性验证,可为进一步开展玉米生长监测及估产提供依据和基础。本文利用河套灌区巴彦淖尔农业气象试验站2012年玉米观测数据,结合当地气象、土壤资料对荷兰瓦赫宁根大学开发的WOFOST模型进行参数校准,并利用2013年玉米观测数据和2001—2011年农业气象观测资料对模型的区域适用性进行验证,获得了玉米的基本作物参数,包括各发育阶段比叶面积、最大CO2同化率、单叶光能利用率等。结果表明:通过校准作物参数,WOFOST模型可以较好地模拟LAI扩展、生物量的动态积累过程,LAI、各器官生物量及最终产量的模拟值与实测值吻合较好;独立样本检验中,模型模拟LAI的绝对偏差平均值为0.75,叶生物量、茎生物量、贮存器官生物量、地上部总生物量、产量的归一化均方根误差分别为33%、26%、17%、18%和13%;模拟2001—2011年玉米产量的归一化均方根误差为7.5%。参数校准后的模型对LAI、各器官生物量、产量的模拟结果较为符合实际,WOFOST模型能够适用于河套地区玉米生产过程生理、生态因子诊断、评估等。     

未来气候变化对福建省水稻产量影响的模拟

为了科学评价未来气候变化对福建省水稻产量的影响,将福建省划分为3个稻区,选取66个样点,7个代表性品种,以及2种典型浓度路径(中端稳定路径RCP4.5和高端路径RCP8.5),利用BCC_CSM(Beijing Climate Center Climate System Model)气候模式,基于这2种典型浓度路径情景RCP(Representative Concentration Pathway)下的气候预估结果,结合作物生长模型CERES-Rice,分雨养与灌溉两种情形,模拟分析气候变化对水稻生产的影响。结果表明:未来气候变化情景下福建省各站点水稻生育期将明显缩短,生育期内平均温度均有所升高;不考虑CO2肥效作用时,无论早稻、后季稻、单季稻,其产量相对于基准年份均普遍减产,减产幅度不超过12%,其中雨养水稻的减产幅度略高于灌溉水稻;不同情景下水稻产量变化也有所差别,其中RCP8.5情景下水稻的减产幅度明显大于RCP4.5情景;而在考虑CO2肥效作用时,模拟结果比较乐观,各研究站点普遍表现为增产,最大增产幅度可达15.2%。     

温室环境不同灌水水平条件下DSSAT-CROPGRO-Tomato模型的调参与验证

在沈阳地区日光温室试验的基础上,利用番茄生长模型DSSAT-CROPGRO-Tomato模拟了不同灌水水平条件下温室番茄的生长发育和产量形成过程,并确定了参数估计和模型验证的最优方案.试验设4个处理,全育期的灌水上限均为计划湿润层田间持水率,灌水下限分别为计划湿润层田间持水率的50%(W₁)、60%(W₂)、70%(W₃)和80%(CK).利用DSSAT-GLUE参数估计模块得到遗传参数的不同估计结果,通过对比分析番茄物候期、冠层高度、地上干物质量、鲜果产量、叶面积指数(LAI)、土壤含水率的模拟值与实测值之间的差异,来确定该模型模拟精度.结果表明: 番茄遗传参数--最优条件下最终果实负载所需光热时间(PODUR)的估计值具有较大变异性,变异系数为11.5%,将CROPGRO-Tomato模型应用于不同地区日光温室时,应对此参数进行充分估计,否则会影响其模拟精度.在模型应用过程中,应选用充分灌水处理的观测数据进行遗传参数估计,可以提高模型的模拟精度.此时的绝对相对误差和标准均方根误差值分别为8.7%和10.5%.对作物LAI和土壤含水率动态模拟结果可以看出,灌水水平越高,模型模拟精度越高.留一交叉验证法的总体模拟误差在10.5%～12.5%.说明DSSAT-CROPGRO-Tomato模型可以较为准确地模拟沈阳日光温室不同灌水水平条件下番茄生长发育和产量形成过程.     

气候变化对东北地区玉米生产潜力的影响与调控措施模拟——以吉林省为例

本研究以我国吉林省为例,采用5个典型研究站点1981—2010年的气象观测数据、土壤数据、田间管理资料及玉米产量实测值,应用作物生长模型CERES-Maize对5个不同品种玉米生产潜力进行了模拟,在分析气候因素对生产力影响的基础上,模拟、校准与验证遗传参数,实现应对气候变化、提高作物生产力的调控技术模拟,以期指导作物生产.结果表明: 玉米播种-开花、开花-成熟两个生长阶段天数模拟值和单产的模拟值与实际值极为吻合,归一化均方根误差分别为2.96%、3.40%、9.37%,偏离指数范围为-10.6%～15.2%,玉米光温生产潜力模拟值年均为7799.60～12902.83 kg·hm^-2,每10年下降128.6～880.3 kg·hm^-2;相关性分析表明,影响该地区玉米光温生产潜力下降的主导因素是气候变化,即玉米生育期内温度升高造成的生长期缩短和太阳辐射总量的显著下降.据此模拟的主要调控技术分别是改良玉米品种的耐热性与推迟玉米播种期.遗传参数调控模拟结果表明,玉米光温生产潜力随品种敏感参数P5(灌浆期特征参数,指吐丝至生理成熟大于8 ℃的热量时间)值的增大而呈线性增加趋势,P5值每增加10 ℃·d,玉米光温生产潜力提高154.44～261.10 kg·hm^-2.推迟玉米播期模拟结果表明,除梅河口外,敦化、辽源站点在玉米播期推迟5 d时,光温生产潜力增幅最大,分别为0.47%、1.32%;桦甸、榆树站点在玉米播期推迟15 d时,光温生产潜力增幅最大,分别为1.10%、4.06%.     

不同空间尺度下的ALMANAC模型验证

ALMANAC模型最早作为EPIC模型的一部分,用于模拟土壤侵蚀导致的土地生产力的下降．它将试验数据的统计过程和作物生长的机理过程结合起来,是一种典型的基于过程模拟的应用型作物生长模型．如能在不同的空间尺度上验证模型的适用性,无疑会大大扩展模型的应用范围．从这一目的出发,利用美国得克萨斯州19个试验田和9个县的玉米和高粱产量资料及其相关的作物、土壤、田问管理等数据,模拟了1998年田间尺度,1989～1998年县级尺度的平均作物产量．模拟结果表明,ALMANAC模型能够很好地模拟两种不同空间尺度的作物产量,其相对误差在田问尺度上分别为8．9％(高粱)和9．4％(玉米),在县级尺度上分别达到2．6％(玉米)和—0．6％(高粱)．该模型在进行产量预测、掌握作物生长动态,指导农业生产管理和土地利用等方面具有很好的应用前景．     

Impacts of climate change on paddy rice yield in a temperate climate

The crop simulation model is a suitable tool for evaluating the potential impacts of climate change on crop production and on the environment. This study investigates the effects of climate change on paddy rice production in the temperate climate regions under the East Asian monsoon system using the CERES‐Rice 4.0 crop simulation model. This model was first calibrated and validated for crop production under elevated CO₂ and various temperature conditions. Data were obtained from experiments performed using a temperature gradient field chamber (TGFC) with a CO₂ enrichment system installed at Chonnam National University in Gwangju, Korea in 2009 and 2010. Based on the empirical calibration and validation, the model was applied to deliver a simulated forecast of paddy rice production for the region, as well as for the other Japonica rice growing regions in East Asia, projecting for years 2050 and 2100. In these climate change projection simulations in Gwangju, Korea, the yield increases (+12.6 and + 22.0%) due to CO₂ elevation were adjusted according to temperature increases showing variation dependent upon the cultivars, which resulted in significant yield decreases (?22.1% and ?35.0%). The projected yields were determined to increase as latitude increases due to reduced temperature effects, showing the highest increase for any of the study locations (+24%) in Harbin, China. It appears that the potential negative impact on crop production may be mediated by appropriate cultivar selection and cultivation changes such as alteration of the planting date. Results reported in this study using the CERES‐Rice 4.0 model demonstrate the promising potential for its further application in simulating the impacts of climate change on rice production from a local to a regional scale under the monsoon climate system.     

基于CERES-Rice模型的湖南省一季稻极端高温损失评估及适应性措施

以湖南省4个农业气象站点的一季稻为研究对象,基于1990-2012年逐日气象数据,精细的土壤以及田间管理记录,分析了过去23年极端高温的变化趋势,并利用校准后的CERES-Rice模型评价了高温热害的致损率,着重探讨了不同的适应性措施对缓解高温热害的作用,以期提出科学合理的减灾措施来保障我国的粮食安全。结果表明：（1）CERES-Rice能很好地捕捉本研究区不同天气和管理条件下的水稻物候期和产量,除桑植站开花期外,其余各参数的模拟误差均小于10%。（2）一季稻生育期内极端高温频发且在本世纪有增强趋势,灾损率由高到低依次为古丈 > 桑植 > 怀化 > 靖州,分别为10.4%,8.2%,7.5%和4%。随着气候变暖的加剧,一季稻生产将面临着日趋严重的高温热害风险。（3）选用耐高温品种产量最大可提升29.8%,但在极端高温年份,提高品种高温抗性的方法收效甚微。调节播种期会导致-25%-20%的产量波动,其中提前10 d或5 d种植均可缓解极端高温的危害。增加灌溉的贡献为1%-8%,其中6-8 cm灌水量效果最佳。极端高温期间增施氮肥的贡献稳定且显著,平均增产2%-20%,80-100 kg/hm²的施氮量能带来较为理想的避热增产效果。     

基于更新和同化策略相结合的遥感信息与水稻生长模型耦合技术的研究

将遥感与作物模型耦合有利于提高作物模型在区域尺度应用时的精度。基于集合平方根滤波算法(Ensemble Square RootFilter,EnSRF)和粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO),以叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)和叶片氮积累量(Leaf Nitrogen Accumulation,LNA)共同作为同化耦合点和过程更新点,将同化与更新策略相结合,研究建立了基于遥感信息与水稻生长模型(RiceGrow)耦合的水稻生长与产量预测技术。结果表明,将更新和同化策略结合后,利用RiceGrow模型模拟的水稻生长指标和产量结果更接近于实测值。其中LAI、LNA和产量与实测值间的RMSE分别为0.94、0.47 g/m2和320.15 kg/hm2;RiceGrow模型直接模拟LAI、LNA和产量的RMSE为1.25、1.24 g/m2和516.83 kg/hm2;而单纯基于同化策略模拟LAI、LNA和产量的RMSE为1.01、0.59 g/m2和335.70 kg/hm2。此外,基于该技术的模型区域尺度预测结果能较好地描述水稻生长和产量的时空分布状况,生长指标及区域总产量的模拟相对误差均小于20%。显示基于更新和同化策略相结合的遥感与模型耦合技术具有较高的预测精度,从而为区域尺度作物生长和产量预测提供了技术支撑。     

两种温室气体排放方案下我国水稻产量变化模拟

利用最新的温室气体和SO₂排放方案,即政府间气候变化委员会(IPCC)排放情景特别报告(SRES)的A2和B2方案,通过区域气候模式PRECIS和作物模型CERES-Rcie相嵌套,在50 km×50 km网格尺度下,模拟了未来2080年我国水稻产量的变化.结果表明,两种温室气体排放方案下,我国水稻的年平均单产水平各地有增有减,增产地区主要集中在长江及长江流域以南地区,其中四川和湖北交界的山区增产幅度最大,减产地区主要集中在华北平原和东北平原;由于CO₂的肥效作用,A2温室气体排放方案对我国水稻单产的正面影响大于B2方案,A2排放方案下,我国水稻总产呈现一定程度的上升趋势,B2排放方案下,水稻总产表现为少量下降.     

Uncertainties in predicting rice yield by current crop models under a wide range of climatic conditions

Predicting rice (Oryza sativa) productivity under future climates is important for global food security. Ecophysiological crop models in combination with climate model outputs are commonly used in yield prediction, but uncertainties associated with crop models remain largely unquantified. We evaluated 13 rice models against multi‐year experimental yield data at four sites with diverse climatic conditions in Asia and examined whether different modeling approaches on major physiological processes attribute to the uncertainties of prediction to field measured yields and to the uncertainties of sensitivity to changes in temperature and CO₂ concentration [CO₂]. We also examined whether a use of an ensemble of crop models can reduce the uncertainties. Individual models did not consistently reproduce both experimental and regional yields well, and uncertainty was larger at the warmest and coolest sites. The variation in yield projections was larger among crop models than variation resulting from 16 global climate model‐based scenarios. However, the mean of predictions of all crop models reproduced experimental data, with an uncertainty of less than 10% of measured yields. Using an ensemble of eight models calibrated only for phenology or five models calibrated in detail resulted in the uncertainty equivalent to that of the measured yield in well‐controlled agronomic field experiments. Sensitivity analysis indicates the necessity to improve the accuracy in predicting both biomass and harvest index in response to increasing [CO₂] and temperature.     

区域种植业气候适宜度及其对种植活动的响应——以四川省盐亭县为例

在分析盐亭县近63年来(1950—2012)种植业生产发展的基础上,选取该县农村社会经济条件相对稳定的近32年(1981—2012)为研究时段。运用农业生态气候适宜度方法,依据水稻、红薯、玉米、小麦和油菜等5种主要作物生育期的光、热、水等气候条件,分别估算各种作物的资源适宜指数、效能适宜指数和利用指数,构建小尺度区域种植业气候适宜度模型和种植活动对区域种植业气候适宜度的影响度模型,进行小尺度区域种植业气候适宜度以及种植活动对种植业气候适宜度的影响度估算,并对种植业生产对气候变化的适应进行探讨。研究结果表明,(1)近32年来盐亭县大春作物的平均资源适宜指数、效能适宜指数和利用指数(分别为0.578、0.281和48.37%)均大于小春作物(分别为0.304、0.128和42.24%),大春作物的气候适宜度高于小春作物,且作物间的气候适宜度差异较大。(2)受季风气候波动的影响,该县作物气候适宜度有明显的年际波动;该县近32年来气候变化对大春作物气候适宜度有轻微不利影响,而对小春作物气候适宜度趋于有利。(3)盐亭县近32年来种植业平均的资源适宜指数为0.466、效能适宜指数为0.212、利用指数为45.49%;受5种作物资源适宜指数、效能适宜指数,以及作物播种面积与产量年际波动的综合影响,该县种植业气候适宜度亦有明显的年际波动;气候变化对该县种植业气候适宜度总体上有不利影响。(4)近32年来该县种植活动对种植业气候适宜度的影响度平均值为0.00092,其年际波动较大。通过作物种植组合结构的调整,在20世纪90年代中期前对种植业气候适宜度的提高有微弱的正向影响,对气候变化有一定程度的适应;而后期则有负向作用。     

Support vector machine-based open crop model (SBOCM): Case of rice production in China

Existing crop models produce unsatisfactory simulation results and are operationally complicated. The present study, however, demonstrated the unique advantages of statistical crop models for large-scale simulation. Using rice as the research crop, a support vector machine-based open crop model (SBOCM) was developed by integrating developmental stage and yield prediction models. Basic geographical information obtained by surface weather observation stations in China and the 1:1000000 soil database published by the Chinese Academy of Sciences were used. Based on the principle of scale compatibility of modeling data, an open reading frame was designed for the dynamic daily input of meteorological data and output of rice development and yield records. This was used to generate rice developmental stage and yield prediction models, which were integrated into the SBOCM system. The parameters, methods, error resources, and other factors were analyzed. Although not a crop physiology simulation model, the proposed SBOCM can be used for perennial simulation and one-year rice predictions within certain scale ranges. It is convenient for data acquisition, regionally applicable, parametrically simple, and effective for multi-scale factor integration. It has the potential for future integration with extensive social and economic factors to improve the prediction accuracy and practicability.     

Pan-European regional-scale modelling of water and N efficiencies of rapeseed cultivation for biodiesel production

The energy produced from the investment in biofuel crops needs to account for the environmental impacts on soil, water, climate change and ecosystem services. A regionalized approach is needed to evaluate the environmental costs of large-scale biofuel production. We present a regional pan-European simulation of rapeseed ( Brassica napus ) cultivation. Rapeseed is the European Union's dominant biofuel crop with a share of about 80% of the feedstock. To improve the assessment of the environmental impact of this biodiesel production, we performed a pan-European simulation of rapeseed cultivation at a 10 × 10 km scale with Environmental Policy Integrated Climate (EPIC). The model runs with a daily time step and model input consists of spatialized meteorological measurements, and topographic, soil, land use, and farm management practices data and information. Default EPIC model parameters were calibrated based on literature. Modelled rapeseed yields were satisfactory compared with yields at regional level reported for 151 regions obtained for the period from 1995 to 2003 for 27 European Union member countries, along with consistent modelled and reported yield responses to precipitation, radiation and vapour pressure deficit at regional level. The model is currently set up so that plant nutrient stress is not occurring. Total fertilizer consumption at country level was compared with IFA/FAO data. This approach allows us to evaluate environmental pressures and efficiencies arising from and associated with rapeseed cultivation to further complete the environmental balance of biofuel production and consumption.