基于CERES-Wheat模型的冬小麦动态水分生产函数研究

发布时间：2017-04-12 12:50

  本文关键词：基于CERES-Wheat模型的冬小麦动态水分生产函数研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作物水分生产函数是描述作物产量和生长期内灌溉水量之间关系的函数,常用于灌溉制度优化和非充分灌溉理论研究。常用的该类函数中,水分胁迫对产量的影响一般用水分敏感指数来描述,但该指数具有较强的时间和空间变异性,随气候、土壤、作物品种的不同,指数值都会有显著变化。一般地,作物水分生产函数要通过专门的小区受旱试验和统计回归方法获得。但受旱试验往往较为复杂、费时费力,妨碍了作物水分生产函数的深入研究和应用。本研究利用CERES-Wheat小麦生长模型来推导冬小麦水分生产函数,基本思路是:利用较易获得的常规田间试验数据进行模型校正,然后利用校正后的模型上模拟小区分段受旱试验,并以模拟结果推导所需要的水分生产函数。本研究进行了两年的遮雨棚下冬小麦分段受旱试验,试验将冬小麦整个生育期划分为越冬、返青、拔节、抽穗和灌浆5个主要生长阶段,每相邻两个生长阶段连续受旱,形成4个不同的受旱时段水平(D1—D4),根据小麦生育期的需水量,设置灌水定额分别为40和80 mm两个水平(I1和I2),共形成8个处理,每处理3次重复,在遮雨棚内采用裂区试验布置,此外在旁边设置1个各生育期全灌水的对照处理,通过对比分析不同分段受旱条件下冬小麦的株高、叶面积指数、生物量、物候期和产量等生理生态指标的动态变化过程,探究不同生长阶段水分胁迫对旱区冬小麦生长发育和产量形成的影响;其次,利用上述试验数据对CERES-Wheat模型进行了参数估计和模型验证,文中设置了5套不同的参数估计和验证方案,利用DSSAT-GLUE参数估计模块得到不同的参数估计结果。通过对比分析冬小麦物候期、单粒重、生物量、产量、以及土壤水分含量的模拟值和实测值之间的差异,以确定利用DSSAT-CERES-Wheat模型模拟旱区冬小麦生境过程的精度;最后利用模型模拟了56年(1955.10-2012.6)气候情境下小麦的生长过程和产量形成,并以模型模拟数据为基础求解了相应的水分生产函数,并与田间试验所得的水分生产函数进行了对比分析,得到了如下主要结果和结论:(1)在冬小麦营养生长阶段进行连续水分胁迫时,明显影响小麦的正常生长发育,越冬期和返青期受旱时冬小麦的株高和叶面积指数都最小,但是拔节后受旱对小麦植株生长影响不明显,且拔节期后冬小麦株高和叶面指数的平均生长速率均为拔节前的10倍左右;拔节期前受旱各处理小麦的生物量都没有明显的差异,但是拔节后受旱各处理差异明显,越冬期和返青期受旱处理的生物量明显低于其它各处理,并且后期复水也不能弥补生物量的严重损失;干旱胁迫能缩短冬小麦的生育期,在同一灌溉水平下,受旱阶段D1、D2、D3、D4的抽穗期和开花期比对照处理延迟1-3 d,且受旱时期越早、胁迫程度越大,则生育期越提前,成熟期最大可提前5 d;相同灌溉水平下,若抽穗和灌浆期受旱(即越冬、返青、拔节期灌水)可获得较高的有效穗数和穗粒数,但千粒重较低;而抽穗和灌浆期灌水,可以提高冬小麦千粒重,但穗数和穗粒数较低;在I1和I2水平下,越冬期和返青期受旱处理的产量最低,仅为对照处理产量的42%左右,但I1水平下拔节期和抽穗期受旱的处理产量最高,约为对照处理的63%,I2水平下返青期和拔节期受旱的处理产量最高,约为对照处理的75%。因此,灌水定额和受旱阶段具有明显的交互作用,返青期和灌浆期为旱区冬小麦田间水分管理的关键时期,生产中需加强这两个生长阶段的田间水分管理以确保高产。(2)CERES-Wheat模型的遗传参数P1V(最适温度条件下通过春化阶段所需天数)和G3(成熟期非胁迫下单株茎zB标准干重)具有较强的变异性,变异系数分别为19.07%和16.34%,受基因型-环境互作的影响较大,而其它参数的变异性则较弱,变异系数均小于10%;DSSAT-GLUE参数估计工具具有较好的收敛性,不同参数估计方案所得的参数值具有一定的一致性;不同的参数估计方案所得的模型输出结果有较大差异,其中参数估计方案1(利用两季试验中的充分灌溉处理CK数据进行参数估计,其它不同阶段受旱处理数据进行验证)的模型校正和验证精度最高,其中模型校正的绝对相对误差(Absolute relative error,ARE)和相对均方根误差(Relative root mean squared error,RRMSE)分别为4.89%和5.18%。在冬小麦抽穗期和灌浆期受旱时,CERES-Wheat模型可以较好地模拟小麦的生长发育过程以及土壤水分的动态变化,但是在越冬期和返青期受旱时,模拟结果相对较差,并且随着受旱时段提前和受旱程度的加重,模拟精度将变得更低。此外,该模型无法模拟由不同水分胁迫造成的冬小麦物候期差异,需要对模型进行相应的改进。交叉验证(Cross validation)表明CERES-Wheat模型模拟本研究中不同水分胁迫条件下冬小麦生长和产量的总体性误差约在15-18%左右。总之,CERES-Wheat模型在模拟旱区冬小麦生境过程时存在着一定的局限性,若要更广泛地将该模型应用在我国干旱半干旱地区的冬小麦生产管理和研究,有必要对冬小麦营养生长阶段前期的水分胁迫响应机制和模拟方法进行进一步的深入研究。(3)基于两年度田间分段受旱试验的Jensen、Stewart和Blank模型的水分敏感指数都在越冬期和灌浆期较大,拔节期最小,而Minhas模型的水分敏感指数在越冬期、拔节期和灌浆期都较大;基于56年度(1955.10-2012.6)CERES-Wheat模型模拟结果的冬小麦Jensen、Blank、Stewart和Minhas模型的水分敏感指数都在返青期和灌浆期较大,拔节期次之,越冬期最小。CERES-Wheat模型模拟水分胁迫条件下的小麦生长发育和产量形成过程还存在一定的缺陷,为了提高CERES-Wheat模型在干旱和半干旱地区的模拟精度,就必须对该模型进行相应改进。此外,冬小麦的水分生产函数是在完全控水条件下,并没有考虑到实际雨养的情况,在以后的研究中,我们将着眼于雨养条件下的水分生产函数,并对其进行验证,最终将不同情境的水分生产函数程序化,嵌入到DSSAT-CERES-Wheat模型之中。
【关键词】：水分生产函数 水分胁迫 CERES-Wheat模型 模型验证 产量 冬小麦
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S512.11
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 研究背景、目的和意义13-14
• 1.2 国内外研究进展及存在的问题14-19
• 1.2.1 分段受旱对冬小麦影响的研究进展14-15
• 1.2.2 作物模型研究进展15-17
• 1.2.3 作物水分生产函数研究进展17-18
• 1.2.4 存在问题18-19
• 1.3 研究内容、方法及技术路线19-21
• 1.3.1 研究内容19
• 1.3.2 研究方法19
• 1.3.3 技术路线19-21
• 第二章 不同生长阶段水分胁迫对冬小麦生长和产量的影响21-31
• 2.1 材料与方法21-23
• 2.1.1 试验区概况21-22
• 2.1.2 试验设计22
• 2.1.3 试验测定项目与方法22-23
• 2.1.4 统计分析23
• 2.2 结果与分析23-28
• 2.2.1 分段受旱对冬小麦株高和叶面积的影响23-25
• 2.2.2 分段受旱对冬小麦生物量的影响25-26
• 2.2.3 分段受旱对冬小麦物候期的影响26-27
• 2.2.4 分段受旱对冬小麦产量的影响27-28
• 2.3 讨论28-30
• 2.4 小结30-31
• 第三章 DSSAT-CERES-Wheat模型的校正和验证31-47
• 3.1 材料与方法31-36
• 3.1.1 田间试验设计31
• 3.1.2 CERES-Wheat模型的水分胁迫因子31-32
• 3.1.3 模型输入数据32-34
• 3.1.4 模型校正、验证及交叉验证34-36
• 3.2 结果与分析36-43
• 3.2.1 不同校正-验证方案所得模型参数的比较36
• 3.2.2 不同方案模型校正和验证结果比较36-39
• 3.2.3 方案1下动态变量模拟结果比较39-42
• 3.2.4 基于留一交叉验证法的模型预测精度分析42-43
• 3.3 讨论43-45
• 3.3.1 不同模型校正-验证方案的比较43-44
• 3.3.2 CERES-Wheat模型模拟受旱条件下冬小麦生境过程的适用性评价44-45
• 3.4 小结45-47
• 第四章 基于CERES-Wheat模型的冬小麦水分生产函数47-59
• 4.1 基于田间试验数据的水分生产函数求解47-55
• 4.1.1 阶段耗水量的计算47
• 4.1.2 水分生产函数的选择及求解方法47-49
• 4.1.3 利用试验数据计算水分敏感指数49-55
• 4.2 基于CERES-Wheat模型的水分生产函数求解55-56
• 4.2.1 CERES-Wheat模型数据库55-56
• 4.2.2 基于模型多年模拟数据的水分生产函数求解56
• 4.3 作物水分生产函数的评价56-57
• 4.4 小结57-59
• 第五章 结论与展望59-61
• 5.1 主要结论59-60
• 5.1.1 分段受旱对冬小麦生长和发育和影响59
• 5.1.2 CERES-Wheat模型校正和验证59
• 5.1.3 水分生产函数的求解59-60
• 5.2 研究展望60-61
• 参考文献61-68
• 附录68-79
• 附录A 试验区概况68-69
• 附录B 田间管理69-72
• 附录C 物候期观测72-74
• 附录D DSSAT模型运行界面及原理图74-78
• 附录E Matlab数据提取程序78-79
• 致谢79-80
• 作者简介80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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中国硕士学位论文全文数据库 前1条

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  本文关键词：基于CERES-Wheat模型的冬小麦动态水分生产函数研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：301249