山东省水稻产区生态评价与产量预测模型研究

发布时间：2020-09-25 21:32

　　 当前我国水稻生产依然面临着粮食安全、气候变化、面源污染等一系列问题。从水稻生产角度剖析,水稻生长强烈依赖于气候、土壤等自然条件以及施肥、灌溉、栽培等管理措施。山东省水稻品质优良,单产水平高,尤其是在山东湖洼地带、沿黄(河)地区和滨海盐碱区域,水稻是一种生态适宜作物,具有其他作物无法替代的优势。为了进一步发掘山东水稻生产优势,探索环境友好型水稻绿色生产模式,本研究在对山东省水稻产区的生态环境质量进行系统评价的基础上,开展了水稻生产潜力及产量预测模型的研究,获得如下主要研究结果:(1)山东省水稻产区生态评价。本研究针对山东省水稻主要产区的生产条件、气候资源、土壤肥力及环境质量进行系统评价。结果表明山东省整体生态条件适宜性良好,水稻生长季光照时数平均达到1172.8 h,有效积温达到4094℃,光温条件优越;土壤有机质和养分含量水平较高,重金属污染元素含量低。这些优越的生态环境条件使山东省成为我国北方重要的优质高产水稻产区,但受制于水资源总量限制,山东省水稻种植面积呈现连年下降趋势。此外,在山东稻麦两熟地区(临沂库灌稻区),化肥施用量较高,茬间和稻作季存在氮磷施肥不平衡现象,面源污染风险突出,是目前山东水稻生产中的最主要问题。(2)基于改进的潜力递减法的山东省水稻生产潜力研究。在气候生产潜力的基础上,考虑土壤肥力相关因子,对山东省水稻生产潜力进行挖掘,研究结果表明,自然降水条件下的山东水稻生产潜力约占灌溉条件下水稻生产潜力的50%,因此灌溉是保证山东水稻稳产高产的重要措施。当前山东水稻单产仅占稻田土壤生产潜力的67.5%,品种杂乱、病虫草害防控技术不到位、机械化简易化生产技术不完善、稻米产品品牌创建滞后是制约山东水稻可持续发展的主要因素。(3)基于智能算法优化神经网络的时间序列产量预测模型研究。对山东水稻的产量前景进行预测研究,研究综合了遗传算法、人工蜂群算法和粒子群算法,并对BP神经网络进行了优化,建立了BP(1)、GA-BP、PSO-BP和ABC-BP等四个水稻产量预测模型。实验结果表明,四个产量预测模型的MAPE值分别是5.72%、5.15%、4.93%和5.32%,RMSE%值分别是7.42%、6.74%、6.14%和6.6%,Theil IC值分别是3.48%、3.16%、2.88%和3.15%。研究表明,与BP(1)算法模型相比,经过智能算法优化后的神经网络,其预测效率、预测精度和预测稳定性明显提高,其中表现最好的是PSO-BP模型。采用PSO-BP模型对未来3年的水稻产量进行预测的结果表明,山东水稻产量依然有明显下降趋势,需要引起有关部门的重视。(4)基于粗糙集优化神经网络的山东省水稻产量预测模型研究。研究采用粗糙集优化神经网络结构,对影响山东水稻产量的众多因子进行了约简,通过消除冗余,简化结构,分别建立水稻产量预测模型BP(2)和RS-BP,实验结果表明,预测模型BP(2)与RS-BP的MAPE值分别为10.22%、4.00%,RMSE%值分别为12.05%、4.28%,Theil IC值分别为5.70%、2.02%。RS-BP模型在预测速度和精度方面,明显优于BP(2),也优于基于BP(1)的时间序列预测模型GA-BP、PSO-BP和ABC-BP。(5)山东省水稻信息管理及产量预测系统的设计与开发。基于对山东省水稻产区生态环境现状的调查数据和产量预测模型研究结果,设计与开发了山东省水稻信息管理及产量预测系统。该系统应用面向对象程序设计原理,采用编程语言实现系统架构和界面定制,实现了水稻信息管理、生产潜力计算与产量预测模型与计算机技术的耦合,建立的水稻综合服务平台可为山东省水稻生产管理和科研部门提供数据查询、潜力估算、产量预测等服务功能。
【学位单位】：湖南农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S511
【部分图文】：

中期主要进行山东省水稻生产状况研究、气候资源特征演变研究、稻作区土壤及土壤环境质量评价研究、山东省水稻生产潜力估算及山东省稻作区水稻产量预型构建及验证等；后期主要针对相关研究，构建山东省水稻信息管理及产量预测系统，并提出山稻作区水稻生态评价与绿色增产对策及建议。本研究的详细技术路线如图 1-4 所示。

光热资源充沛，夏季降雨集中，年均气温 11℃日照时数 2300～2900 h，自然生态条件优越，适宜水稻国典型的北方水稻高产区之一，属于单季粳稻产区，，单稻种植区域分布在济宁、临沂、日照、菏泽、济南、德壤类型省第二次土壤普查资料统计，山东省土壤总面积为 1211 77.03％。土壤类型主要包括棕壤、褐土、潮土、砂姜黑积分别是：棕壤，14.09％；褐土，14.66％；潮土，38.5，3.1％；水稻土，1.1％，具体如图 2-1 所示。

图 2-2 山东省水稻种植区域土壤类型分布Fig. 2-2 Soil types of rice cultivation in Shandong Province品种资源源分布广，种类齐全。经过长期的自然选择和人工培育，，代表品种有曲阜香稻、明水香稻、水牛皮等[186]。近年稻高产品种圣稻 17[187]、直穗型中晚熟耐盐碱性品种圣稻稻 19[189]。种植区域北单季黄淮稻作带，水稻种植主要沿河湖及涝洼地分布，为济宁滨湖稻区、临沂库灌稻区、沿黄稻区和盐碱稻区。：主要包括济宁市郊、鱼台、嘉祥、微山、枣庄市的台临南四湖，温热条件较好，可种植中晚熟品种，生育期在42

本文编号：2827095