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。     

利用亚像元尺度信息改进区域冬小麦生长的模拟

为了探寻遥感观测面尺度与作物模型模拟点尺度不匹配问题的解决方案并改善区域作物生长模拟精度,以河南省鹤壁市为研究区,以冬小麦为研究对象,基于MODIS、Landsat 8遥感数据和Wheat SM作物生长模型,通过MODIS LAI过程线重建、亚像元尺度信息提取、集合卡尔曼滤波同化等方法,进行了冬小麦生长模拟的研究。结果表明:通过MODIS LAI过程线重建并提取亚像元尺度信息,冬小麦纯度在80%以上的遥感反演LAI与冬小麦两个关键生育期实测冠层LAI的均方根误差(RMSE)为0.69,以最近邻域法赋值到整个模拟区域,研究区2013—2017年模拟总产和实际总产相比的RMSE在未同化遥感反演的LAI信息时为6.73×108kg,同化未利用亚像元尺度信息调整的遥感估算LAI时,RMSE上升到8.24×108kg,同化利用亚像元尺度信息分区赋值的遥感LAI时,RMSE下降到3.48×108kg。利用亚像元尺度信息生成与作物模型时空尺度匹配的格点化LAI遥感产品,可提高作物生长模型区域化应用的精度。     

基于地-空遥感耦合的冬小麦叶片氮积累量估算

利用不同冬小麦生态区同步的SPOT-5多光谱遥感影像、地面光谱数据和植株取样数据,提出一种基于波谱响应函数拟合和混合像元分解的纯净像元光谱提取方法,并对比分析了纯净像元光谱、模拟像元光谱和实测像元光谱与冬小麦叶片氮积累量（LNA）的定量关系.结果表明： 模拟像元光谱对叶片氮积累量的反演效果较好,纯净像元光谱反演效果次之,实测像元光谱最差;但基于模拟像元光谱的LNA监测模型不能直接外推至空间尺度.模型检验结果表明,基于纯净像元光谱的LNA监测模型在2个小麦生态区均具有较好的精度和稳定性,该方法综合利用了地-空遥感的优点,可以推广应用到其他不同空间分辨率和光谱分辨率的遥感数据,从而为区域性冬小麦氮素营养状况的遥感监测提供技术依据.     

基于叶面积指数反演的区域冬小麦单产遥感估测

利用定量遥感技术反演的叶面积指数（LAI）在中国北方黄淮海地区典型县市进行冬小麦单产预测研究.为提高数据质量和减少估产误差,利用Savitzky-Golay滤波技术降低云对NDVI数据的影响及数据缺失;通过冬小麦实测LAI进行时序内插,模拟得到实测点每日冬小麦LAI,继而获得实测点主要生育时期平均LAI;在此基础上,建立了冬小麦主要生育时期平均LAI与作物单产关系模型,改变目前利用生育时期内某一时间点LAI代替整个生育时期LAI的方法;在模型择优基础上,得到最佳遥感估产关键期--开花期LAI与单产统计模型;最后,利用MODIS-NDVI经验模型反演得到的开花期平均LAI进行2008年冬小麦单产预测.结果表明：与地面实测的冬小麦单产相比,研究区估产平均相对误差为1.21%,RMSE达到257.33 kg·hm^-2,可以满足大范围估产的要求.利用上述方法可以在研究区冬小麦收获前20～30 d进行准确的单产估计.     

限水灌溉冬小麦冠层氮分布与转运特征及其对供氮的响应

以高产冬小麦品种周麦18为材料,在大田春灌1水条件下,设置不同供氮水平和氮肥运筹处理试验,研究并探讨了在华北地区限水灌溉条件下氮肥施用对冬小麦冠层叶片氮素时空分布与转运及氮肥利用的影响。结果表明,冬小麦适量施氮可显著增产,2008-2009年以施氮量180 kg/hm²时(N21)产量最高,为8749 kg/hm²;2009-2010年以施氮量270 kg/hm²时(N32)产量最高,但施氮量210 kg/hm²(N22)处理与N32处理产量无显著差异,分别为8340 kg/hm²和8558 kg/hm²。氮肥利用效率和氮肥偏生产力均随施氮量增加而降低;氮肥利用率与氮肥农学效率均随施氮量的增加呈先升后降的趋势,分别在N21和N22处理时最高。冠层叶片氮素含量和积累量随叶层层次自上而下降低而下降,垂直梯度分明,各时期冠层叶片氮素垂直梯度随施氮量的增加总体呈先增大后减小的趋势。冠层叶片氮素转运量、转运率和对籽粒的贡献率均呈现为:第1层>第2层>第3层>第4层。相关分析表明,冠层叶片氮素梯度与叶片氮素转运率呈显著正相关关系(R²=0.722^*),与贡献率呈极显著正相关关系(R²=0.975^**)。适量施氮(120-210 kg/hm²)增大了叶层间氮素垂直分布梯度,促进了氮素在植株内的运移分配,有利于叶片氮素向外转运,提高了叶片氮素转运量和对籽粒贡献率,保持了较高的氮素利用率。施氮过多(330 kg/hm²)减小了叶层间氮素垂直分布梯度,减弱了氮素在植株内的再利用,叶片氮素转运不畅,导致叶片氮素转运量和对籽粒贡献率下降,氮素利用率显著降低。连续两年试验结果显示,通过适量氮肥调控可以增大冠层叶片氮素垂直梯度,有利于叶片中的氮素输出,促进氮素的再分配、再利用,从而提高氮素利用率,并可获得较高的籽粒产量和蛋白质含量。     

全膜双垄沟覆盖条件下不同施氮量对春玉米氮素吸收利用及分配的影响

通过田间试验研究了黄土旱塬旱作全膜双垄沟覆盖栽培条件下,不同施氮量（0、100、200、250、300及400 kg/hm²）对春玉米氮素吸收、利用及分配的影响,为提高春玉米氮素利用效率及合理施氮提供理论依据。结果表明:（1）春玉米植株及籽粒含氮量、氮素累积量随施氮量增加而提高,但当施氮量超过250 kg/hm²后增加效果不显著。（2）春玉米植株含氮量随生育期推进而降低,但氮素累积量则随生育期推进而增加。（3）玉米叶片及茎+叶鞘氮素转移量及对籽粒氮素贡献量高于其他器官。（4）春玉米籽粒产量随施氮量增加先增加后降低,并在施氮量为250 kg/hm²时产量最大（11 932 kg/hm²）,此时氮素收获指数最大（69.12%）并显著高于其余处理,氮肥农学效率也显著高于施氮量为300、400 kg/hm²的处理。因此,从春玉米产量、氮素利用角度考虑,该试验条件下的合理施氮量为250 kg/hm²。     

遥感信息应用于区域尺度水分限制条件下作物生长模拟的研究进展

第2生产水平(即水分限制条件)下的大范围作物生长动态模拟研究具有十分重要的现实意义.目前,区域尺度上水分限制条件下作物生长模拟存在一定的难度,而遥感信息与作物生长模拟模型的结合,可以为区域尺度水分限制条件下作物生长发育模拟及产量估算提供了一条行之有效的途径.本文简要回顾了遥感与作物生长模拟模型结合研究的发展概况,指出了区域尺度水分限制条件下作物生长模拟需要解决的问题,并在已有遥感反演土壤水分状况研究的基础上,简述了遥感信息应用于区域尺度水分限制条件下作物生长模拟的研究方法,并探讨了当前该领域研究的其他可能途径及需要进一步研究和解决的科学问题.     

甘蔗//大豆间作和减量施氮对甘蔗产量、 植株及土壤氮素的影响

通过田间试验探讨了甘蔗//大豆1 ∶ 1、1 ∶ 2间作模式和施氮(300 kg/hm²,525 kg/hm²)水平对甘蔗鲜重产量、甘蔗单株氮含量、土壤硝态氮、铵态氮以及微生物量氮的影响。结果表明:减量施氮(300 kg/hm²)水平下,间作甘蔗鲜重产量较单作显著下降,但间作的土地当量比均大于1,且大豆产量为1.52和3.25 t/hm²。不同施氮水平对甘蔗鲜重无显著影响,施氮水平和种植模式对甘蔗单株氮吸收量、甘蔗收获后土壤硝态氮和微生物量氮均无显著影响。土壤氮素随甘蔗大豆的不同生长时期而变化,在甘蔗分蘖末期(大豆收获期)达到最低值,此时期减量施氮水平下甘蔗//大豆间作模式(1 ∶ 1)土壤硝态氮显著高于单作。综合以上结果,从提高土地利用率和保护农业生态环境考虑,甘蔗//大豆间作模式下减量施氮具有一定的可行性。     

施肥和覆膜垄沟种植对旱地小麦产量及水氮利用的影响

通过大田试验研究了施肥和覆膜垄沟种植对旱地冬小麦群体动态、产量构成及水氮利用的影响。结果表明,覆膜垄沟种植和追肥处理可显著提高旱地冬小麦穗数,追肥处理可减少后期无效分蘖;覆膜垄沟种植和追肥处理产量分别比农户模式提高了11.73%和13.91%,穗数和穗粒数是其产量提高的关键因素;覆膜垄沟种植方式可减少土壤水分损耗,水分利用率为11.60 kg · hm^-2 · mm^-1,显著高于其他处理;追肥处理能有效促进小麦生育中后期对氮素的吸收利用,在基施氮量165 kg/hm²上再追肥30 kg/hm²,地上部分吸氮总量增加15.45 kg/hm²,追肥氮的利用率显著高于底肥氮利用率,为51.5%。     

施氮量对麻疯树幼苗生长及叶片光合特性的影响

采用盆栽土培的方法,研究了不同施氮量(对照N₀ 0 kg N/hm²、低氮N_L 96 kg N/hm²、中氮N_M 288 kg N/hm²、高氮N_H 480 kg N/hm²)对麻疯树幼苗生长、叶片气体交换及叶绿素荧光参数的影响。结果表明,麻疯树幼苗叶片氮含量、可溶性蛋白含量、株高、地径、叶片数量、叶面积、根长、各组分生物量、叶片净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、蒸腾速率(T_r)和水分利用效率(WUE)均随施氮量的增加先升高后降低,N_M处理下麻疯树幼苗长势最好,各气体交换参数值最高;施氮对麻疯树地上部分的促进作用远大于地下部分,施氮后根冠比显著降低;此外,麻疯树叶绿素含量、PSⅡ最大光化学量子产量(Fv/Fm)、PSⅡ有效量子产量(F'v/F'm)、PSⅡ实际光化学效率(Φ_PSⅡ)、电子传递速率(ETR)和光化学淬灭系数(qP)均随施氮量的增加而升高,非光化学淬灭系数(NPQ)随施氮量增加而降低。适量施氮可通过增强叶绿体光化学活性、气孔导度和羧化能力而提高麻疯树幼苗的光合能力,促进生长;过高施氮对麻疯树幼苗光合与生长的促进效应降低。试验条件下,当年生麻疯树幼苗的最适施氮量为288 kg N/hm²。     

不同作物对旱地农田残留硝态氮的利用差异

在黄土高原南部娄土上,通过2a田间试验研究了小麦和苜蓿对土壤中不同累积量的残留硝态氮的利用差异。研究包括0—3 m土壤残留硝态氮累积量(设N1、N2、N3、N4、N5和N6共6个水平,残留硝态氮量依次增加)和作物种类(冬小麦和苜蓿)2个因素,分别采用冬小麦-夏休闲-冬小麦和苜蓿连作种植方式。结果表明,不施用氮肥条件下,冬小麦-休闲-冬小麦轮作周期与苜蓿连作2a内,土壤残留硝态氮的消长有明显差异。在第1季小麦生长期间,小麦的氮素携出量(63.9—130.3 kg/hm2)、氮素携出量占播前残留硝态氮量的比例(18%—27%)及氮素携出量占该生长季硝态氮减少量的比例(29%—62%)均显著高于同期的苜蓿处理。在第2个生长季内,苜蓿的氮素携出量是小麦当季氮素携出量的近6倍,但由于苜蓿固氮作用强烈,至第2生长季结束后,0—3 m土壤硝态氮量与苜蓿播前相比平均只减少了72.4 kg/hm2,而麦田0—3 m土壤硝态氮量与小麦播前相比减少了158.3 kg/hm2。在短期内如果通过种植作物消耗土壤剖面的残留硝态氮,冬小麦比苜蓿更有优势。第1季小麦氮素携出量与小麦播前0—2 m(r=0.920**)和0—3 m(r=0.857*)土层残留硝态氮量呈显著或极显著正相关,与0—1 m土层残留硝态氮量没有显著相关性;第1生长季苜蓿氮素携出量与播前0—1 m土壤硝态氮累积量呈显著正相关关系(r=0.846*),而与0—2 m和0—3 m土壤硝态氮累积量的相关性并不显著。小麦比苜蓿能利用更深土层中的硝态氮。随着播前0—3 m土壤残留硝态氮的增加,小麦和苜蓿地上部氮素携出量呈增加的趋势,硝态氮表观损失也显著增加。     

基于高光谱遥感的小麦叶干重和叶面积指数监测

生物量和叶面积指数(LAI)是描述作物长势的重要参数, 叶干重和LAI的实时动态监测对小麦(Triticum aestivum)生长诊断和管理调控具有重要意义。为分析多种高光谱参数估算小麦叶干重和LAI的效果, 建立小麦叶干重和LAI的定量监测模型, 该研究连续3年采用不同小麦品种进行不同施氮水平的大田试验, 于小麦不同生育期采集田间冠层高光谱数据并测定叶片叶干重和LAI。试验结果显示, 小麦叶干重和LAI随施氮水平的提高而增加, 随生育进程呈单峰动态变化模式。小麦叶干重和LAI与光谱反射率间相关性较好的区域主要位于红光波段(590~710 nm, r<-0.60)和近红外波段(745~1 130 nm, r>0.69)。对于不同试验条件下的叶干重和LAI, 可以使用统一的光谱参数进行定量反演, 其中基于RVI (810, 560)、FD755、GM1、SARVI (MSS)和TC3等光谱参数的方程拟合效果较好。经不同年际独立试验数据的检验表明, 以参数RVI (810, 560)、GM1、SARVI (MSS)、PSSRb、(R_750-800/R_695-740) -1、VOG2和MSR705为变量建立的叶干重和LAI监测模型均给出较好的检验结果。因此, 利用关键特征光谱参数可以有效地评价小麦叶片生长状况, 尤其是光谱参数RVI (810, 560)、GM1和SARVI (MSS)可以对不同条件下小麦叶干重和LAI进行准确可靠的监测。     

氮肥运筹对晚播冬小麦氮素和干物质积累与转运的影响

氮素平衡对干物质积累与分配的影响是农业生态系统研究的重要内容,在保障产量前提下减少氮肥施用量可减少环境污染与温室气体排放。以晚播冬小麦为研究对象,设置4个施氮量水平:0 kg/hm2(N0)、168.75 kg/hm2(N1)、225 kg/hm2(N2)、281.25 kg/hm2(N3),每个施氮量水平下设置2个追氮时期处理:拔节期(S1)、拔节期+开花期(S2),研究了氮肥运筹对晚播冬小麦氮素和干物质积累与转运及氮肥利用率的影响。结果表明:拔节期追施氮肥(S1)条件下,在225 kg/hm2(N2)基础上增施25%氮肥(N3)对开花期氮素积累总量和营养器官氮素转运量无显著影响;拔节期+开花期追施氮肥(S2)条件下,随施氮量增加,开花期氮素积累总量和花后营养器官氮素转运量升高;S2较S1显著提高成熟期籽粒及营养器官氮素积累量、花后籽粒氮素积累量及其对籽粒氮素积累的贡献率。同一施氮量条件下,S2较S1提高了成熟期的干物质积累量、开花至成熟阶段干物质积累强度和花后籽粒干物质积累量。同一追氮时期条件下,籽粒产量N2与N3无显著差异,氮肥偏生产力随施氮量增加而降低;同一施氮量条件下,S2较S1提高了晚播冬小麦的籽粒产量和氮肥吸收利用率。拔节期+开花期追施氮肥,总施氮量225kg/hm2为有利于实现晚播冬小麦高产和高效的最优氮肥运筹模式。     

基于遥感信息的作物模型重新初始化/参数化方法研究初探

作物模型与遥感信息的结合有助于利用遥感监测的大范围植被信息解决作物模型区域应用时模型初始状态和参数值难以确定的问题。该文借助叶面积指数(LAI)将经过华北冬小麦(Triticum aestivium)适应性调整的WOFOST模型与经参数调整检验的SAIL-PROSPECT模型相嵌套,利用嵌套模型模拟作物冠层的土壤调整植被指数(SAVI),在代表点上借助FSEOPT优化程序使模拟SAVI_s与MODIS遥感数据合成SAVI_m的差异达到最小,从而对WOFOST模型重新初始化。结果表明,借助于遥感信息,出苗期的重新初始化使模拟成熟期与按实际出苗期模拟的结果相差在2天以内,模拟的LAI和总干重的误差比按实际出苗期模拟结果的误差降低3~8个百分点;返青期生物量的重新初始化使模拟LAI和地上总干重在关键发育时刻的误差降至16%以内,模拟LAI和贮存器官重在整个生育期内都更加接近实测值;对返青期生物量的动态调整显示返青到抽穗期间较少次数的遥感数据即能有效地提高作物模型的模拟效果。与国外同类研究相比,该文在作物模型本地化、重新初始化变量和优化比较对象的选择上都有所不同,而利用遥感数据动态调整作物模型初始状态或参数值更具有新意。该文对区域尺度上利用遥感信息优化作物模型的研究具有基础性、探讨性意义。     

黑龙港流域夏玉米产量提升限制因素

从产量构成因素及物质生产着手分析了黑龙港流域夏玉米产量进一步提高的限制因子.分析结果显示:穗数、穗粒数和千粒重均与产量显著相关,说明该地区夏玉米仍有继续增产的潜力;但在再高产过程中,单纯依靠穗数增加,产量增产幅度较小,应稳定在一定适宜的密度下,注重单位面积穗粒数和粒重的提高,但在穗数确定的情况下,穗粒数相对稳定,增加粒重成为再高产重要因素.因此,采取措施增强灌浆速率和延长灌浆时间是关键,即增强或稳定叶片在花后的有效光合能力.结果表明,增加叶片数量对产量贡献很小,而改善叶片质量、提高叶片功能,进而增加花后同化物合成至关重要.因此,茎秆和叶片的质量是再高产实现的关键技术突破点.同时,提高茎秆的花前物质转运比例也有助于提高于粒重,促进产量提升.在生产实践中,进一步挖掘产量必须搞清楚地上和地下两方面的关系,但目前对“根系-土壤”复合体的结构和功能研究相对较少.不合理耕作方式造成了土壤耕层太浅,严重影响了玉米根系生长发育,使生育后期吸收功能减弱,不利于产量形成.加之,吐丝前后阴雨寡照,造成穗粒数形成决定期的“源”不足,同时也限制了灌浆速率,提前播期,躲避灾害天气或推迟收获时期,延长灌浆时间等逆境栽培措施就显得尤为重要.     

播期对春小麦生长发育及产量的影响

为了给陇中半干旱区春小麦高产栽培提供依据,2010年在甘肃定西进行了春小麦分期播种试验,并对不同播期条件下春小麦生长发育及产量形成进行了分析。结果表明:随着播期的推迟,春小麦播种-抽穗期日数减少、全生育期明显缩短;5月下旬之前,越早播种的春小麦LAI越大,5月下旬之后,播种愈晚春小麦LAI越大。早播春小麦LAI峰值靠前,晚播峰值滞后;6月下旬之前,播期早的春小麦叶绿素含量高于播期晚的,6月下旬之后播期愈早叶绿素含量下降愈快;不同播期春小麦群体生长率和净同化率在孕穗-抽穗期后差异显著,表现为3月18日播期最大,4月7日播期最小。各播期干物质累积在拔节期后表现为快速递增趋势。在拔节期前,早播处理的干物质积累速率较慢。随着播期的推迟,单株干物质最大积累速率出现时间提前,籽粒最大灌浆速率出现时间推迟,千粒重表现为先升后降;灌浆3个阶段各参数受播期影响比较显著;早播春小麦产量最高。