作物生长温度效应的非线性模型及其比较研究

通过严密的数学证明,发现了前人关于作物生长温度效应非线性模型之间的内在联系,修正了有关学者对模型参数定义的局限性,提出了一个通用的作物生长温度效应非线性模型,本研究还将该模型与笔者最近提出的基于高斯方程的非线性模型进行了比较研究,介绍了应用SAS软件求取两个模型相关参数的方法,并以马铃薯生育期模拟为例进行了实证研究,表明这两个模型均有良好的适用性。     

马铃薯生育期和干物质积累的动态模拟研究

根据三年的田间试验数据和有关气象资料,提出了马铃薯生育期和干物质积累的模拟模型、用高斯方程计算每天的温度条件对马铃薯生育期和干物质积累的生理效应,改进了前人的生育期模型和温度条件对干物质积累影响系数的计算方法．以每天的单位叶面积变化、群体上方的有效辐射和温度变化模拟群体的干物质积累、结果表明,本研究的模型有明确的机理性和较高的精度．用Visual Basic 6．0界面表达每日生态条件变化对群体光合生产和干物质积累的影响,模拟结果具有直观的机理性,从而克服了同类研究中的缺陷。     

DSSAT模型对吉林省梨树县部分主要作物的适用性

明确DSSAT作物模型对东北地区主要作物生长发育和产量模拟适用性,对进一步开展东北地区DSSAT模型应用推广研究进而保障粮食安全具有重要意义。以吉林省梨树县春小麦、大豆、谷子和马铃薯4种主要作物为研究对象,利用3年田间试验资料对DSSAT模型进行了系统评价。结果表明：DSSAT模型中春小麦、大豆、谷子和马铃薯的生育期、叶面积指数、地上生物量、茎部生物量、叶片生物量和产量的模拟值与实测值的决定系数分别为0.94～0.99、0.92～0.99、0.96～0.99和0.97～0.98,归一化均方根误差分别为12.21%～26.01%、1.67%～33.24%、1%～15.34%和3.2%～28.08%,D值均在0.994以上;其中,春小麦生育期及产量拟合程度最高,其次为叶面积指数;大豆及谷子产量及叶面积指数拟合程度最高,其次为生育期;马铃薯生育期及产量拟合程度最高,其次为叶面积指数;而作物叶面积指数、叶片生物量、茎部生物量及地上部总生物量的生长动态过程模拟结果显示,春小麦、大豆、谷子和马铃薯的决定系数均在0.84以上,归一化均方根误差分别为24.5%～38.2%、28.7%～47.4%、9....     

基于生理发育时间的日光温室茄子发育模拟模型

本研究将温度对茄子发育速率影响效应的大小用相对热效应(RTE)来衡量,通过研究Beta函数的性质提出基于幂函数的模型来描述RTE与温度之间的关系.采用生理发育时间(Physiological Development'Time,PDT)作为定量发育进程的尺度,建立了温室茄子发育模拟模型.利用模型对日光温室2年3茬茄子生长发育期资料进行检验的结果表明:模型能较好地预测各个发育期(发芽、苗期、开花座果、结果和采收期)的出现时间和持续时间,各生育期模拟值与观测值的回归估计标准误差(RMSE)分别为1.0d,1.73d,0.82d,1.41d,2.38d,显著优于以有效积温模拟模型的预测精度(其生育期模拟的RMSE分别为2.38d,7.14d,1.73d,5.07d,8.25d).     

向日葵和马铃薯间作的生育期模拟模型

向日葵和马铃薯间作是我国北方农牧交错带的一种重要种植方式,准确模拟其间套作的发育时期对评价和优化间套作种植具有重要意义,以生理发育时间为基础建立了向日葵和马铃薯单作、间作的生育期模拟模型,并利用2010-2011年的大田试验数据对模型进行检验.结果表明:生育期模拟值与观测值的符合度较好,播种—出苗期、出苗—开花期、开花—成熟期和全生育期的均方差根(RMSE)分别为1.2、2.9、2.4和2.6d,误差＜5％.模型既有较强的机理性,又有较好的适用性,为探索间套作条件下作物的生长发育规律提供了良好工具.     

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.     

油菜绿色面积指数动态模拟模型

准确模拟绿色面积指数是作物生长模拟模型可靠预测作物生长和产量的关键。该研究的目的是以生理生态过程为基础,构建油菜(Brassica napus)叶面积指数和角果面积指数变化动态的模拟模型。油菜叶面积指数模型综合考虑了库或源限制下的叶面积增长模式,其中库限制下叶面积指数的增长呈指数方程,且受到温度、水分和氮素因子的影响;源限制下叶面积指数增长用比叶面积法来模拟。油菜角果面积指数由比角果面积和角果干物重来决定。比叶面积和比角果面积均为生理发育时间的函数。利用不同类型品种的播期试验及氮肥试验资料分别对模型进行了校正和检验,结果表明模型能较好地模拟不同条件下油菜叶面积指数和角果面积指数。     

三种光温模型在模拟水稻生育期中的应用与比较

为准确模拟水稻发育进程,本研究根据水稻发育对光温的反应,以双季早稻‘五优157’及双季晚稻‘优选10号’为试材,于2012—2013年在南京信息工程大学农业气象试验站设计水稻大田分期播种试验,同时收集江西省南昌站点2002—2008年双季早稻‘G98-202’以及南康站点2002—2008年双季晚稻‘金优207’的生育期观测数据及同期气象数据,校正光温效应模型、水稻钟模型和有效积温模型以获取模型参数,用独立数据对模型进行检验。结果表明:光温效应模型在模拟水稻播种期-拔节期、拔节期-抽穗期、抽穗期-灌浆期、灌浆期-成熟期的预测值与实测值基于1-1线的决定系数(R2)分别为0.994、0.994、0.988、0.989,且标准回归估计误差(RMSE)均小于4 d;光温效应模型对水稻品种‘五优157’、‘G98-202’、‘优选10号’、‘金优207’从播种期-成熟期的模拟精度比有效积温分别提高了2.42%、4.55%、8.74%和3.16%。研究认为,光温效应模型在模拟江西早稻和晚稻的生育期精度略高于水稻钟模型,有效积温模型精度最差,本研究结果为水稻生育期预测方法的选择提供了参考。     

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.     

土壤干旱胁迫对作物影响的模拟研究进展

用于模拟土壤干旱胁迫对作物影响的模型分为两类,一是水分管理模型,此类模型并不模拟作物的生长发育,但可以用于灌溉管理;二是作物生长模拟模型,这类模型模拟作物生长的主要过程(如叶片生长、生物量的积累与分配等),通常以实际蒸腾与潜在蒸腾的比值估算土壤干旱胁迫对作物光合的影响,近年来发展的耦合模型将植物的碳同化、蒸腾、能量平衡以及气孔行为相耦合,使得土壤干旱胁迫对作物影响的模拟更具机理性。本文从不同模型模拟土壤干旱对作物影响的原理入手,阐述了水分管理模型(FAO水分生产函数模型)、作物生长模型(Aqua Crop模型、CERES-Maize模型、WOFOST模型、EPICphase模型、耦合模型)等具有代表性模型是如何模拟土壤干旱胁迫对作物生长发育和(或)产量影响的,提出了作物模型模拟土壤干旱胁迫影响时应着力解决的问题:完善干旱对作物物候的影响模拟;考虑花期不遇对作物产量影响的模拟;考虑后续持续影响的模拟机制;发展更加基于物理和生理过程的模型。提出:作物模型的发展还需要多领域如模型程序员、田间试验、植物生理学家的相互协同与发展,田间试验研究是作物模型发展不可或缺的数据来源与坚实基础。     

Temperatures and the growth and development of maize and rice: a review

Because of global land surface warming, extreme temperature events are expected to occur more often and more intensely, affecting the growth and development of the major cereal crops in several ways, thus affecting the production component of food security. In this study, we have identified rice and maize crop responses to temperature in different, but consistent, phenological phases and development stages. A literature review and data compilation of around 140 scientific articles have determined the key temperature thresholds and response to extreme temperature effects for rice and maize, complementing an earlier study on wheat. Lethal temperatures and cardinal temperatures, together with error estimates, have been identified for phenological phases and development stages. Following the methodology of previous work, we have collected and statistically analysed temperature thresholds of the three crops for the key physiological processes such as leaf initiation, shoot growth and root growth and for the most susceptible phenological phases such as sowing to emergence, anthesis and grain filling. Our summary shows that cardinal temperatures are conservative between studies and are seemingly well defined in all three crops. Anthesis and ripening are the most sensitive temperature stages in rice as well as in wheat and maize. We call for further experimental studies of the effects of transgressing threshold temperatures so such responses can be included into crop impact and adaptation models.     

作物发育温度非线性效应Beta模型的特征分析

Beta模型在反映温度对作物发育非线性效应方面被广泛采用.为使该函数满足在设定的最适温度下函数值取值最大的条件,得到Beta模型的特殊形式.分析认为,该模型满足温度对作物发育影响的三基点规律、较好地反映发育速率对温度变化的响应特征、温度三基点在模型中应比较明确的3个规范性要求,具有较强的变化特征表达能力,可以近似表达二次函数、高斯函数等函数的变化.分析了Beta模型与积温法计算结果的关系.通过对Beta模型一阶和二阶导数的分析,明确了其变化特征,指出已有研究对参数P生物学意义解释的不妥之处,提出作物发育速度对温度的非线性响应是感温性的本质特征的观点,并从新的视角肯定了参数P在一定程度上可以作为作物感温性强弱的度量.     

Improving the use of aerobiological and phenoclimatological data to forecast the risk of late blight in a potato crop

The paper describes phenological and aerobiological monitoring conducted during 6 years on a potato crop. The progression of the phenological stages in relation with thermal time [growing degree-days (GDD) and physiological days (P-days)] was analyzed. The growing cycle for Kennebec variety required less than 120 days and mean values of 1700 GDD and 720 P-days to complete the phenological development. The presence of Phytophthora infestans in the environment was common in each crop cycle, but the maximum peaks of sporangia were detected a few days after the emergence of the plants. The growing cycles with lower maximum temperature had the highest presence of sporangia. Thus, significant negative correlations between mean temperature, maximum temperature, accumulated growing degree-days, accumulated physiological days and the concentration of P. infestans in the environment were found. Maximum temperature and accumulated growing degree-days of 5 previous days were the parameters that best estimated the P. Infestans concentration in the regression model applied, with an explained variance of the data of 33 and 34%.     

Climate change and voltinism of Mythimna sequax: the location and choice of phenological models matter

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Developmental Base Temperature in Different Phenological Phases of Wheat (Triticum aestivum)

The linear relationship between temperature and developmentrate has been widely recognized and it has been suggested thatthermal units (the summation of daily mean temperature abovea base temperature) can predict the phenological developmentof a crop. The aim of this paper was to determine the base temperaturefor different phenological phases of wheat. Two mediterraneanwheat cultivars and five sowing dates were used to obtain differentmean temperatures during development and different developmentalrates. The linear regression of development rate against meantemperatures for each period indicated that there were no uniquebase temperatures for all stages of the life span and valuesclose to 4°C and to 9·5°C were found to be bestfits for base temperatures before and after the terminal spikeletstage of both cultivars. A model to predict wheat developmentwas validated with another data set, which included differentwheat cultivars and sowing dates. Estimates of the error indevelopmental prediction by using a single base temperatureof 0°C is discussed as a function of separate developmentstages. Key words: Wheat development, base temperature, thermal time, Triticum aestivum     

灌溉水稻生长发育和潜力产量的模拟模型

本文提出的HDRICE模型是灌溉水稻生长的生理生态模型,它由相互衍接的水稻形态发育、干物质积累和叶面积发育三模块组成。形态发育模块用以模拟逐日温度和日长对水稻发育的影响,其参数可反映水稻品种的基本营养性、感温性和感光性;干物质积累模块用以模拟冠层CO_2同化、作物的维持呼吸和生长呼吸及干物质分配等过程;叶面积发育模块用以模拟叶面积指数的动态。本文还讨论了模型的输入参数和模型检验。模型可应用于模拟水稻的生长发育,预测水稻品种潜在产量及为取得潜在产量所必需的群体数量指标。     

Flowering plant phenology and weather in Alberta,Canada

Plant phenology can be used for biomonitoring climate change. The flowering of certain temperate zone plant species occurs in response to accumulated heat. Networks of observers presently provide data on the timing of the growth of native and crop plants to Agro-meteorological Departments in Europe and the United States. In Alberta, a phenological survey which began in 1987 records flowering times for 15 native plants, with about 200 volunteers contributing observations annually. Six years of data have been summarized and correlated with temperature measurements. The Alberta phenological data can provide a key to sound decision-making in two ways: by providing proxy data on key variables to which vegetation responds, and by providing a model for transforming simple weather data into biologically meaningful zones.