本文關(guān)鍵詞：基于CERES-Wheat模型的冬小麥動態(tài)水分生產(chǎn)函數(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：作物水分生產(chǎn)函數(shù)是描述作物產(chǎn)量和生長期內(nèi)灌溉水量之間關(guān)系的函數(shù),常用于灌溉制度優(yōu)化和非充分灌溉理論研究。常用的該類函數(shù)中,水分脅迫對產(chǎn)量的影響一般用水分敏感指數(shù)來描述,但該指數(shù)具有較強(qiáng)的時(shí)間和空間變異性,隨氣候、土壤、作物品種的不同,指數(shù)值都會有顯著變化。一般地,作物水分生產(chǎn)函數(shù)要通過專門的小區(qū)受旱試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)回歸方法獲得。但受旱試驗(yàn)往往較為復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力,妨礙了作物水分生產(chǎn)函數(shù)的深入研究和應(yīng)用。本研究利用CERES-Wheat小麥生長模型來推導(dǎo)冬小麥水分生產(chǎn)函數(shù),基本思路是:利用較易獲得的常規(guī)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校正,然后利用校正后的模型上模擬小區(qū)分段受旱試驗(yàn),并以模擬結(jié)果推導(dǎo)所需要的水分生產(chǎn)函數(shù)。本研究進(jìn)行了兩年的遮雨棚下冬小麥分段受旱試驗(yàn),試驗(yàn)將冬小麥整個(gè)生育期劃分為越冬、返青、拔節(jié)、抽穗和灌漿5個(gè)主要生長階段,每相鄰兩個(gè)生長階段連續(xù)受旱,形成4個(gè)不同的受旱時(shí)段水平(D1—D4),根據(jù)小麥生育期的需水量,設(shè)置灌水定額分別為40和80 mm兩個(gè)水平(I1和I2),共形成8個(gè)處理,每處理3次重復(fù),在遮雨棚內(nèi)采用裂區(qū)試驗(yàn)布置,此外在旁邊設(shè)置1個(gè)各生育期全灌水的對照處理,通過對比分析不同分段受旱條件下冬小麥的株高、葉面積指數(shù)、生物量、物候期和產(chǎn)量等生理生態(tài)指標(biāo)的動態(tài)變化過程,探究不同生長階段水分脅迫對旱區(qū)冬小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響;其次,利用上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)對CERES-Wheat模型進(jìn)行了參數(shù)估計(jì)和模型驗(yàn)證,文中設(shè)置了5套不同的參數(shù)估計(jì)和驗(yàn)證方案,利用DSSAT-GLUE參數(shù)估計(jì)模塊得到不同的參數(shù)估計(jì)結(jié)果。通過對比分析冬小麥物候期、單粒重、生物量、產(chǎn)量、以及土壤水分含量的模擬值和實(shí)測值之間的差異,以確定利用DSSAT-CERES-Wheat模型模擬旱區(qū)冬小麥生境過程的精度;最后利用模型模擬了56年(1955.10-2012.6)氣候情境下小麥的生長過程和產(chǎn)量形成,并以模型模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)求解了相應(yīng)的水分生產(chǎn)函數(shù),并與田間試驗(yàn)所得的水分生產(chǎn)函數(shù)進(jìn)行了對比分析,得到了如下主要結(jié)果和結(jié)論:(1)在冬小麥營養(yǎng)生長階段進(jìn)行連續(xù)水分脅迫時(shí),明顯影響小麥的正常生長發(fā)育,越冬期和返青期受旱時(shí)冬小麥的株高和葉面積指數(shù)都最小,但是拔節(jié)后受旱對小麥植株生長影響不明顯,且拔節(jié)期后冬小麥株高和葉面指數(shù)的平均生長速率均為拔節(jié)前的10倍左右;拔節(jié)期前受旱各處理小麥的生物量都沒有明顯的差異,但是拔節(jié)后受旱各處理差異明顯,越冬期和返青期受旱處理的生物量明顯低于其它各處理,并且后期復(fù)水也不能彌補(bǔ)生物量的嚴(yán)重?fù)p失;干旱脅迫能縮短冬小麥的生育期,在同一灌溉水平下,受旱階段D1、D2、D3、D4的抽穗期和開花期比對照處理延遲1-3 d,且受旱時(shí)期越早、脅迫程度越大,則生育期越提前,成熟期最大可提前5 d;相同灌溉水平下,若抽穗和灌漿期受旱(即越冬、返青、拔節(jié)期灌水)可獲得較高的有效穗數(shù)和穗粒數(shù),但千粒重較低;而抽穗和灌漿期灌水,可以提高冬小麥千粒重,但穗數(shù)和穗粒數(shù)較低;在I1和I2水平下,越冬期和返青期受旱處理的產(chǎn)量最低,僅為對照處理產(chǎn)量的42%左右,但I(xiàn)1水平下拔節(jié)期和抽穗期受旱的處理產(chǎn)量最高,約為對照處理的63%,I2水平下返青期和拔節(jié)期受旱的處理產(chǎn)量最高,約為對照處理的75%。因此,灌水定額和受旱階段具有明顯的交互作用,返青期和灌漿期為旱區(qū)冬小麥田間水分管理的關(guān)鍵時(shí)期,生產(chǎn)中需加強(qiáng)這兩個(gè)生長階段的田間水分管理以確保高產(chǎn)。(2)CERES-Wheat模型的遺傳參數(shù)P1V(最適溫度條件下通過春化階段所需天數(shù))和G3(成熟期非脅迫下單株莖zB標(biāo)準(zhǔn)干重)具有較強(qiáng)的變異性,變異系數(shù)分別為19.07%和16.34%,受基因型-環(huán)境互作的影響較大,而其它參數(shù)的變異性則較弱,變異系數(shù)均小于10%;DSSAT-GLUE參數(shù)估計(jì)工具具有較好的收斂性,不同參數(shù)估計(jì)方案所得的參數(shù)值具有一定的一致性;不同的參數(shù)估計(jì)方案所得的模型輸出結(jié)果有較大差異,其中參數(shù)估計(jì)方案1(利用兩季試驗(yàn)中的充分灌溉處理CK數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì),其它不同階段受旱處理數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證)的模型校正和驗(yàn)證精度最高,其中模型校正的絕對相對誤差(Absolute relative error,ARE)和相對均方根誤差(Relative root mean squared error,RRMSE)分別為4.89%和5.18%。在冬小麥抽穗期和灌漿期受旱時(shí),CERES-Wheat模型可以較好地模擬小麥的生長發(fā)育過程以及土壤水分的動態(tài)變化,但是在越冬期和返青期受旱時(shí),模擬結(jié)果相對較差,并且隨著受旱時(shí)段提前和受旱程度的加重,模擬精度將變得更低。此外,該模型無法模擬由不同水分脅迫造成的冬小麥物候期差異,需要對模型進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。交叉驗(yàn)證(Cross validation)表明CERES-Wheat模型模擬本研究中不同水分脅迫條件下冬小麥生長和產(chǎn)量的總體性誤差約在15-18%左右。總之,CERES-Wheat模型在模擬旱區(qū)冬小麥生境過程時(shí)存在著一定的局限性,若要更廣泛地將該模型應(yīng)用在我國干旱半干旱地區(qū)的冬小麥生產(chǎn)管理和研究,有必要對冬小麥營養(yǎng)生長階段前期的水分脅迫響應(yīng)機(jī)制和模擬方法進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。(3)基于兩年度田間分段受旱試驗(yàn)的Jensen、Stewart和Blank模型的水分敏感指數(shù)都在越冬期和灌漿期較大,拔節(jié)期最小,而Minhas模型的水分敏感指數(shù)在越冬期、拔節(jié)期和灌漿期都較大;基于56年度(1955.10-2012.6)CERES-Wheat模型模擬結(jié)果的冬小麥Jensen、Blank、Stewart和Minhas模型的水分敏感指數(shù)都在返青期和灌漿期較大,拔節(jié)期次之,越冬期最小。CERES-Wheat模型模擬水分脅迫條件下的小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程還存在一定的缺陷,為了提高CERES-Wheat模型在干旱和半干旱地區(qū)的模擬精度,就必須對該模型進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。此外,冬小麥的水分生產(chǎn)函數(shù)是在完全控水條件下,并沒有考慮到實(shí)際雨養(yǎng)的情況,在以后的研究中,我們將著眼于雨養(yǎng)條件下的水分生產(chǎn)函數(shù),并對其進(jìn)行驗(yàn)證,最終將不同情境的水分生產(chǎn)函數(shù)程序化,嵌入到DSSAT-CERES-Wheat模型之中。
【關(guān)鍵詞】：水分生產(chǎn)函數(shù) 水分脅迫 CERES-Wheat模型 模型驗(yàn)證 產(chǎn)量 冬小麥
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S512.11
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-21
• 1.1 研究背景、目的和意義13-14
• 1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展及存在的問題14-19
• 1.2.1 分段受旱對冬小麥影響的研究進(jìn)展14-15
• 1.2.2 作物模型研究進(jìn)展15-17
• 1.2.3 作物水分生產(chǎn)函數(shù)研究進(jìn)展17-18
• 1.2.4 存在問題18-19
• 1.3 研究內(nèi)容、方法及技術(shù)路線19-21
• 1.3.1 研究內(nèi)容19
• 1.3.2 研究方法19
• 1.3.3 技術(shù)路線19-21
• 第二章 不同生長階段水分脅迫對冬小麥生長和產(chǎn)量的影響21-31
• 2.1 材料與方法21-23
• 2.1.1 試驗(yàn)區(qū)概況21-22
• 2.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)22
• 2.1.3 試驗(yàn)測定項(xiàng)目與方法22-23
• 2.1.4 統(tǒng)計(jì)分析23
• 2.2 結(jié)果與分析23-28
• 2.2.1 分段受旱對冬小麥株高和葉面積的影響23-25
• 2.2.2 分段受旱對冬小麥生物量的影響25-26
• 2.2.3 分段受旱對冬小麥物候期的影響26-27
• 2.2.4 分段受旱對冬小麥產(chǎn)量的影響27-28
• 2.3 討論28-30
• 2.4 小結(jié)30-31
• 第三章 DSSAT-CERES-Wheat模型的校正和驗(yàn)證31-47
• 3.1 材料與方法31-36
• 3.1.1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)31
• 3.1.2 CERES-Wheat模型的水分脅迫因子31-32
• 3.1.3 模型輸入數(shù)據(jù)32-34
• 3.1.4 模型校正、驗(yàn)證及交叉驗(yàn)證34-36
• 3.2 結(jié)果與分析36-43
• 3.2.1 不同校正-驗(yàn)證方案所得模型參數(shù)的比較36
• 3.2.2 不同方案模型校正和驗(yàn)證結(jié)果比較36-39
• 3.2.3 方案1下動態(tài)變量模擬結(jié)果比較39-42
• 3.2.4 基于留一交叉驗(yàn)證法的模型預(yù)測精度分析42-43
• 3.3 討論43-45
• 3.3.1 不同模型校正-驗(yàn)證方案的比較43-44
• 3.3.2 CERES-Wheat模型模擬受旱條件下冬小麥生境過程的適用性評價(jià)44-45
• 3.4 小結(jié)45-47
• 第四章 基于CERES-Wheat模型的冬小麥水分生產(chǎn)函數(shù)47-59
• 4.1 基于田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的水分生產(chǎn)函數(shù)求解47-55
• 4.1.1 階段耗水量的計(jì)算47
• 4.1.2 水分生產(chǎn)函數(shù)的選擇及求解方法47-49
• 4.1.3 利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算水分敏感指數(shù)49-55
• 4.2 基于CERES-Wheat模型的水分生產(chǎn)函數(shù)求解55-56
• 4.2.1 CERES-Wheat模型數(shù)據(jù)庫55-56
• 4.2.2 基于模型多年模擬數(shù)據(jù)的水分生產(chǎn)函數(shù)求解56
• 4.3 作物水分生產(chǎn)函數(shù)的評價(jià)56-57
• 4.4 小結(jié)57-59
• 第五章 結(jié)論與展望59-61
• 5.1 主要結(jié)論59-60
• 5.1.1 分段受旱對冬小麥生長和發(fā)育和影響59
• 5.1.2 CERES-Wheat模型校正和驗(yàn)證59
• 5.1.3 水分生產(chǎn)函數(shù)的求解59-60
• 5.2 研究展望60-61
• 參考文獻(xiàn)61-68
• 附錄68-79
• 附錄A 試驗(yàn)區(qū)概況68-69
• 附錄B 田間管理69-72
• 附錄C 物候期觀測72-74
• 附錄D DSSAT模型運(yùn)行界面及原理圖74-78
• 附錄E Matlab數(shù)據(jù)提取程序78-79
• 致謝79-80
• 作者簡介80

【參考文獻(xiàn)】

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7 姜志偉;武雪萍;華珞;蔡典雄;逄煥成;吳會軍;姜濤;鄭妍;李銀坤;;洛陽孟津冬小麥生產(chǎn)潛力長周期定量模擬與評價(jià)[J];中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào);2009年05期

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1 魏遠(yuǎn)莉;冬小麥水分生產(chǎn)函數(shù)建模方法研究[D];清華大學(xué);2004年

  本文關(guān)鍵詞：基于CERES-Wheat模型的冬小麥動態(tài)水分生產(chǎn)函數(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：301249