基于气候适宜度的东北地区春玉米发育期模拟模型

以春玉米的生理生态发育过程为基础,基于作物生理发育时间恒定原理,建立了可推广应用的作物发育期模拟模型.本文充分考虑光、温、水对作物生育进程的综合影响,设计了基于气候适宜度来动态确定作物生理发育日数的算法,为模型的大范围推广应用奠定了基础.利用东北地区农业气象站2009、2010年观测资料对模型进行了分析和验证,模型运行结果与实际观测情况比较吻合,全生育期的均方根误差(root mean square error,简称RMSE)为3.8d,营养生长阶段发育期模拟结果的相关系数在0.84以上,生殖生长阶段发育期模拟结果的相关系数在0.77以上.模型生物学意义明确、精度较高、数据易获、可操作性强,能够在农业气象业务服务中应用于玉米生育进程的模拟与预测.     

内蒙古河套灌区春玉米苗期光温指标

利用2012-2013年在内蒙古河套灌区巴彦淖尔市的春玉米分期播种试验数据,结合农业气象站多年的作物观测资料,分析了河套灌区光温条件变化对春玉米苗期生长发育的影响,得到不同适宜度光温指标体系,并应用多项式拟合方法将温度指标插值到苗期生长的每一天,形成动态连续温度指标曲线,可以更客观和精细地反映温度对春玉米苗期生长发育的影响.结果表明: 播种 出苗期和出苗 拔节期温度每上升1 ℃,出苗速率和发育速率分别约提升11%和12%,生物学下限温度分别为7.4和11.9 ℃;播种 出苗期适宜温度为16.0～18.0 ℃,三叶期叶面积指数可达0.0172以上;出苗-拔节阶段适宜温度为21.6～23.0 ℃,气温越高,地上部光合作用越强,叶片和植株生长越快,拔节期叶面积指数和株高分别可达2.15和120 cm以上;出苗 拔节阶段日照百分率≥74%、平均日照时数≥11.0 h·d^-1或总日照时数≥540 h,植株叶片干质量可达34 g以上.     

西北干旱区玉米对气候变暖的响应

利用地面观测资料,就西北干旱区河西走廊绿洲作物玉米(Zea mays L.)对变暖的响应进行了初步的探讨.结果表明:近二十多年来,西北干旱区作物玉米对变暖的响应以生长季提前和生长期缩短为主要方式.但是,存在一个临界温度,当玉米生长期间平均气温小于临界温度时,增温使玉米生长期缩短;当玉米生长期间平均温度大于临界温度时,增温使玉米生长期有不再减小的趋势.未来的持续增温可能导致玉米生长期平均气温超过临界温度,从而可能使西北干旱区玉米生长期延长.西北干旱区作物玉米对变暖的响应还表现出一定的阶段差异,增温使玉米拔节期以前的营养生长阶段缩短,抽雄-槭乳熟期的生殖生长阶段延长,乳熟-成熟期的生殖生长阶段缩短.西北干旱区作物玉米对变暖响应的这种特点可能与绿洲的气候特点、作物的生理特性及增温的季节差异有关,而其响应的生物学机制可能与变暖使自然植被秋季生长季延长的生物学机制不同.     

西北干旱区玉米对气候变暖的响应

摘要: 利用地面观测资料,就西北干旱区河西走廊绿洲作物玉米(Zea mays L.)对变暖的响应进行了初步的探讨。结果表明:近二十多年来,西北干旱区作物玉米对变暖的响应以生长季提前和生长期缩短为主要方式。但是,存在一个临界温度,当玉米生长期间平均气温小于临界温度时,增温使玉米生长期缩短;当玉米生长期间平均温度大于临界温度时,增温使玉米生长期有不再减小的趋势。未来的持续增温可能导致玉米生长期平均气温超过临界温度,从而可能使西北干旱区玉米生长期延长。西北干旱区作物玉米对变暖的响应还表现出一定的阶段差异,增温使玉米拔节期以前的营养生长阶段缩短,抽雄-槭乳熟期的生殖生长阶段延长, 乳熟-成熟期的生殖生长阶段缩短。西北干旱区作物玉米对变暖响应的这种特点可能与绿洲的气候特点、作物的生理特性及增温的季节差异有关,而其响应的生物学机制可能与变暖使自然植被秋季生长季延长的生物学机制不同。     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅵ. 黑龙江省三江平原地区降水资源变化特征及其对春玉米生产的可能影响

利用黑龙江省三江平原地区1959—2007年降水资料和1983—2007年春玉米生育期资料,采用百分位法确定了各站点的极端降水阈值,结合极端降水频次、强度、最长连续（无）降水日数、极端降水贡献率等指标,分析了三江平原地区极端降水的年际间变化特征、不同等级的降水量变化以及春玉米各生育阶段极端降水的分配特征.结果表明：1959—2007年间,研究区域年降水量呈略微减少趋势,且年降水日数的减幅远大于降水量,年内降水量分布更趋于集中;极端降水频次和强度均呈减少趋势,极端降水频次的年际间波动大于极端降水强度;年极端降水量占全年降水量的比例略有减少,减少趋势不显著;年小雨日数极显著减少,而年中雨日数和年内大到暴雨日数的减少趋势不显著.三江平原地区春玉米各生育阶段的极端降水分配比例由高到低依次为生殖生长阶段、营养生长与生殖生长并存阶段、营养生长阶段和出苗前;春玉米生长季内降水量占年降水量的比例显著减少,导致春玉米生长季缺水的风险加大;春玉米生长季内最长连续无降水日数呈极显著增加趋势,增幅达1.1 d·(10 a) ^-1,而最长连续降水日数却呈极显著下降趋势,减幅为0.5 d·(10 a)^-1,说明研究区自然降水条件下春玉米生长季干旱风险有所加大.     

甘肃省黄土高原旱作玉米水分适宜性评估

运用甘肃省天水、西峰农业气象试验站1981—2008年玉米观测资料及两地相应时段的气象资料,利用FAOPenman-Monteith公式及作物系数对玉米各生育阶段的需水量进行估算,建立了玉米水分适宜度计算模型,对1981—2008年玉米全生育期及各生育阶段的水分适宜度进行了计算,分析了玉米产量与水分适宜度的相关性。结果表明,甘肃省黄土高原种植玉米的水分条件比较优越,年平均水分适宜度均在0.50以上。陇西黄土高原(天水)与陇东黄土高原(西峰)水分适宜度相关程度较好,变化趋势比较一致。1995年是水分适宜度的转折年份,1981—1995年陇西黄土高原水分适宜度以0.12/10a的趋势降低,陇东黄土高原以0.11/10a的趋势下降;1995—2008年陇西黄土高原水分适宜度以0.18/10a的趋势升高,陇东黄土高原以0.06/10a的趋势上升。水分适宜程度以成熟期较好,降水量可满足玉米需水的70%以上,旺盛生长阶段水分适宜程度较差,降水量只能满足玉米生理需水的49%—55%,初始生长阶段耗水较少,大气降水对需水的满足程度在50%以上。出苗期—七叶期、拔节期—抽雄期、抽雄期—乳熟期、乳熟期—成熟期的水分适宜度呈20世纪80年代较高,90年代较低,21世纪初较高的趋势变化;七叶期—拔节期水分适宜度从20世纪80年代到21世纪初持续降低。陇东黄土高原各个生长阶段的水分适宜度比陇西黄土高原偏高约0.1。除成熟生长阶段外,陇西黄土高原的需水量均大于陇东黄土高原。水分适宜度与玉米产量相关性最显著的时期为七叶期—拔节期,其次为拔节期—抽雄期,出苗期—七叶期、抽雄期—乳熟期及乳熟期—成熟期的水分适宜度与玉米产量相关性不显著。利用建立的水分适宜度模型可对甘肃省黄土高原旱作玉米的水分适宜性进行评价,为当地玉米种植区划及科学管理提供依据。     

气候变化背景下东北三省春玉米产量潜力的时空特征

以东北三省春玉米种植区为研究区域,利用当地地面气象观测资料、农业气象观测站春玉米多年试验资料和县级春玉米实际产量资料,使用验证后的农业生产系统模拟模型(APSIM-Maize),分析研究区域春玉米1961—2015年不同水平产量潜力及实际产量的时空分布特征,并解析气候波动对产量潜力的影响.结果表明: 1961—2015年,研究区域春玉米潜在产量平均值为12.2 t·hm^-2,且呈现明显的经向和纬向空间分布,即由南向北递减、西部高于东部.研究区域春玉米可获得产量平均值为11.3 t·hm^-2,与潜在产量呈相似的分布特征.在目前农户的栽培水平下,春玉米农户潜在产量和农户实际产量全区多年平均值分别为6.5和4.5 t·hm^-2.在品种和栽培管理措施不变的条件下,研究区潜在产量、可获得产量和农户潜在产量总体呈显著减少趋势,减幅分别为0.34、0.25和0.10 t·hm^-2·(10 a)^-1.农户实际产量呈增加趋势,增幅为1.27 t·hm^-2·(10 a)^-1.气候波动使东北三省春玉米潜在产量、可获得产量和农户潜在产量年际间波动范围分别为10.0～14.4、9.8～13.3和4.4～8.5 t·hm^-2.     

浙江省茶叶生长的气候适宜性

定量评估茶叶生长季气候适宜度特征及其对气候变化的响应具有重要意义.本文基于1971—2010年浙江省逐日气象资料,应用模糊数学方法,结合茶叶气象指标,建立了旬尺度的温度、降水和日照适宜度模型,并应用几何平均法建立了茶叶综合气候适宜度模型.结果表明: 研究期间,浙江省茶叶生长季内气候适宜度较高,均超过0.6;研究区茶叶的温度适宜度最高,降水适宜度次之,日照适宜度略低;茶叶气候适宜度具有明显的时间变化特征,20世纪70年代呈下降趋势,80年代变幅平缓,90年代之后表现为明显的上升趋势;春茶气候适宜度变化趋势与年度气候适宜度相似,均呈两头高、中间低,春茶气候适宜度的变幅更大,夏茶和秋茶气候适宜度均表现为下降趋势.     

基于控制试验的植株数量及空气温湿度与负离子的关系

空气负离子(NAI)作为评价大气环境质量的重要指标,以往研究侧重于野外观测试验,关于控制条件下的NAI研究甚少.本研究于2018年9-10月在浙江钱江源森林生态站杭州虎山试验基地人工气候室内控制相同气候条件下,对枫香和红豆杉不同植株数量的NAI浓度进行连续定位监测;在其他条件一致的情况下,分别设置空气温度和相对湿度的不同梯度,监测NAI浓度变化,旨在为探究森林植被和气象因子对NAI作用机理提供理论依据.结果表明: 两种植物显著提高NAI浓度.植株数量与NAI浓度呈极显著正相关,二者在0~50株范围内最符合二次函数关系,枫香、红豆杉的NAI浓度与株数的拟合方程分别为y=-0.0484x²+4.7005x+345.7(R²=0.62)、y=-0.0207x²+1.9189x+365.91(R²=0.34).NAI浓度与空气温度在5~30 ℃范围内呈极显著正相关,拟合方程为y=0.4139x²-9.2229x+89.919(R²=0.92).NAI浓度与空气相对湿度在56％~87％范围内呈极显著正相关,拟合方程为y=3.6508e^{0.0526x(R2=0.94).}     

华北平原冬小麦和夏玉米气候适宜性

作物气候适宜度研究有利于应对气候变化对作物生产的影响,合理开发利用农业气候资源,保障粮食生产安全。本研究运用气候适宜度理论构建作物气候适宜度模型,利用华北平原多站点气象和物候观测数据计算1981—2017年典型作物冬小麦和夏玉米不同生育期气候适宜度,并分析其时空变化特征。结果表明:华北平原冬小麦全生育期光照、温度、降水和综合气候适宜度分别为0.69、0.63、0.50和0.58,生育期内降水资源不足是华北平原冬小麦生长的限制因子,而夏玉米生育期内光照、温度、降水和综合气候适宜度均高于0.60;冬小麦全生育期温度、降水和综合气候适宜度变化趋势不明显,光照适宜度以0.020(10 a~(-1))趋势下降;夏玉米全生育期内仅光照适宜度下降趋势明显,温度、降水和综合气候适宜度变化趋势均不显著;空间上,冬小麦全生育期光照适宜度呈现出自西南向东北升高的空间分布趋势,温度适宜度大致为北低南高,降水和综合气候适宜度自北向南逐渐升高;夏玉米全生育期光照适宜度呈现出自西南向东北升高的分布趋势,温度适宜度大体上自东向西降低,降水适宜度自西北向东南升高,综合气候适宜度呈现出自西向东逐渐升高的"阶梯状"空间分布特征。     

Contributions of climatic and crop varietal changes to crop production in the North China Plain,since 1980s

The North China Plain (NCP) is the most important agricultural production area in China. Crop production in the NCP is sensitive to changes in both climate and management practices. While previous studies showed a negative impact of climatic change on crop yield since 1980s, the confounding effects of climatic and agronomic factors have not been separately investigated. This paper used 25 years of crop data from three locations (Nanyang, Zhengzhou and Luancheng) across the NCP, together with daily weather data and crop modeling, to analyse the contribution of changes in climatic and agronomic factors to changes in grain yields of wheat and maize. The results showed that the changes in climate were not uniform across the NCP and during different crop growth stages. Warming mainly occurred during the vegetative (preflowering) growth stage of wheat and maize, while there was a cooling trend or no significant change in temperatures during the postflowering stage of wheat (spring) or maize (autumn). If varietal effects were excluded, warming during vegetative stages would lead to a reduction in the length of the growing period for both crops, generally leading to a negative impact on crop production. However, autonomous adoption of new crop varieties in the NCP was able to compensate the negative impact of climatic change. For both wheat and maize, the varietal changes helped stabilize the length of preflowering period against the shortening effect of warming and, together with the slightly reduced temperature in the postflowering period, extend the length of the grain‐filling period. The combined effect led to increased wheat yield at Zhengzhou and Luancheng; increased maize yield at Nanyang and Luancheng; stabilized wheat yield at Nanyang, and a slight reduction in maize yield at Zhengzhou, compared with the yield change caused entirely by climatic change.     

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。     

气候变化背景下中国南方地区季节性干旱特征与适应Ⅳ.基于作物水分亏缺指数的玉米干旱时空特征

基于1959－2008年中国南方地区249个气象台站的地面观测资料,以作物水分亏缺指数为玉米干旱指标,计算其干旱频率和干旱站次比,分析中国南方地区春玉米和夏玉米各生育阶段发生干旱的时空分布特征.结果表明: 从干旱发生频率的空间分布看,春玉米在淮北、云南北部和华南南部发生的干旱较严重,在其他地区的干旱相对较轻;除了长江中下游地区、华南北部和西南东部的夏玉米在生育后期干旱较严重,研究区域内夏玉米在其生育前期和中期干旱较轻.从干旱面积和强度的变化趋势看,长江中下游地区春玉米在七叶到拔节阶段的干旱强度明显增加,在吐丝后到乳熟阶段的干旱面积和强度呈减小趋势;夏玉米在拔节后期到抽雄阶段以及吐丝后到乳熟阶段的干旱都呈减轻趋势.西南地区春玉米、夏玉米的干旱强度和范围没有明显趋势.从干旱面积和范围的年际和年代际变化看,长江中下游地区夏玉米的变化较大,而西南地区差异较小.     

基于WOFOST作物生长模型的冬小麦干旱影响评估技术

为了反映作物与干旱的相互关系,人为再现干旱灾害对作物产量的影响程度,选择华北地区冬小麦干旱灾害为研究对象,对作物生长模型WOFOST在区域上进行适应性进行分析、检验的基础上,然后利用区域作物模型实现干旱灾害对作物影响定量分析和动态评估。以减产率和气象条件作为灾害严重程度划分的标准,利用数值模拟试验,确定导致减产的主要气象因子及其量值,对研究区干旱灾害进行影响评估,包括典型灾害年份影响评估和年代际灾害影响评估,并给出了评估结果。     

基于光合产物动态分配的玉米生物量模拟

光合产物分配是作物生长发育及生物量形成的关键环节,也是作物生长模拟的重要内容.本研究依据光合产物分配机理,结合玉米不同生长阶段的光合产物分配特点,构建了玉米光合产物分配模型.与WOFOST模型的CO₂同化模块相结合,实现了对玉米各器官生物量动态的逐日模拟.利用锦州农田生态系统野外观测站5年的春玉米大田试验资料对模拟效果进行了验证.结果表明: 模型能解释总生物量变化的95.4%;对营养器官生物量变化的解释率达87.0%;对叶、根、茎生物量变化的解释率分别达85.3%,67.9%和76.5%;对穗生物量变化的解释率达87.5%.模型可实现玉米各器官的生物量动态的准确模拟.     

Changes of China agricultural climate resources under the background of global climate change. VI. Change characteristics of precipitation resource and its possible effect on maize production in Sanjiang Plain of Heilongjiang Province

Based on the 1959-2007 daily precipitation data and 1983-2007 spring maize phenologyical data, the thresholds of extreme precipitation at different places in Sanjiang Plain of Heilongjiang Province were calculated by percentile method, and, in combining with the indices involving the frequency and intensity of extreme precipitation, longest consecutive wet (dry) days, and contribution rate of extreme precipitation, the annual change characteristics of extreme precipitation, quantitative change of different grade precipitation, and distribution characteristics of extreme precipitation at each growth stage of spring maize were analyzed. In 1959-2007, the annual precipitation in Sanjiang Plain showed a slight decreasing trend, and the decreasing amplitude of precipitation days was much larger than that of precipitation. Accordingly, the annual distribution of precipitation tended to be more concentrated. The frequency and intensity of extreme precipitation declined, and the annual fluctuation of the frequency was bigger than that of the intensity. There was a slight decrease in the proportion of annual extreme precipitation to annual precipitation, but the decreasing tendency was not significant. The annual light rain days had a significant decreasing trend, but the annual moderate and heavy rain days didn't have. During spring maize growth season, the distribution ratio of extreme precipitation from high to low was reproductive growth stage, coexistence stage of vegetative growth and reproductive growth, vegetative growth stage, and premergence stage. There was a significant decrease in the proportion of the precipitation during spring maize growth season to annual precipitation, resulting in an increasing risk of precipitation scarcity during the growth season. The longest consecutive dry days during spring maize growth season showed a significant increasing trend, with the increment averaged 1.1 d x (10a)(-1), while the longest consecutive wet days showed a significant decreasing trend, with the decrement averaged 0.5 d x (10a)(-1). Under natural precipitation, the spring maize drought risk in the study region increased.     

干旱条件下夏玉米地-气温差的影响因素及其模拟

地-气温差指标表征作物水分亏缺状况已经被广泛研究,但地-气温差随作物生育进程的变化特征及其影响因子的观测研究仍较少,制约着地-气温差的准确模拟.基于夏玉米2014年三叶期和2015年拔节期的5个灌溉水分控制试验资料的研究表明: 随着夏玉米生育进程的推进,土壤水分的变化显著影响了夏玉米农田的地-气温差,土壤水分亏缺越严重,地-气温差越高.在整个水分处理期间,归一化植被指数是地-气温差的主要影响因子且两者呈显著的线性关系,但不同生育期地-气温差还受其他因子的影响:三叶期后受冠层吸收光合有效辐射比影响且呈显著的线性关系,三叶期至拔节期则受土壤相对湿度和空气相对湿度的影响且呈显著的线性关系.在此基础上,基于2014年试验资料建立了夏玉米全生育期地-气温差模拟模型、营养生长期地-气温差模拟模型和生殖生长期地-气温差模拟模型,并利用2015年夏玉米拔节期5个灌溉水分控制试验资料进行了模型验证,结果表明,夏玉米全生育期地-气温差模型可以解释2015年地-气温差变异的63%,但地-气温差分生育期模拟模型,即营养生长期地-气温差模拟模型和生殖生长期地-气温差模拟模型综合的模拟结果则可解释2015年地-气温差变异的79%.研究结果为基于地-气温差的作物干旱指标定量评估作物干旱提供了依据.