基于作物生长模型的水稻适宜播期模拟研究

摘要

水稻（Oryza sativaL.）是我国最重要的粮食作物之一，全国有65％以上的人口以稻米为主食，因此因地制宜制定适宜当地生产的栽培管理方案对于保障国家粮食安全起着关键作用。播期是最简单有效的栽培措施，它直接决定着水稻生长季内温光资源能否得到较好的利用，是水稻高产、优质的基础。适宜播期可以有效利用温光资源，充分发挥水稻品种的产量潜力。因此，选择适宜的播种时期将能有效并高效的利用当地的温光资源，充分发挥品种产量潜力，进而达到提高水稻产量的目的。播期有什么作用;本研究运用实验室已有水稻生长模型RiceGrow以及目前国际上水稻模拟研究最常见的ORYZA2000与CERES-Rice作为研究工具，研究了我国单、双季稻区不同生态点播期对水稻生育进程及产量的影响，以及未来气候条件下最适播期的变化趋势。首先，本研究获取了我国单、双季稻主产区水稻自1981至2011年多年田间试验资料，并且筛选得到2000年至2011年种植次数超过6次的单、双季稻品种各34个、24个（早稻）和20个（晚稻），运用水稻生长模型RiceGrow、ORYZA2000与CERES-Rice对所选品种生育期及产量参数进行调试与检验;其次，对单季稻区326与双季稻区183个生态点，通过设置不同的播期进行播期模拟，分析不同播期对单、双季稻水稻生育期和产量的影响;同时，采用CMIP5中的HadGEM2-ES气候模式生成的未来的气候资料结合水稻生长模型结合对2030年代（2020-2040年），2050年代（2041-2060年）及2070年代（2061-2080年）单季稻、早稻与晚稻进行播期模拟，研究分析未来气候条件下最适播期的变化规律。 利用单、双季稻区筛选水稻品种2000-2011年不同年份、不同生态点的田间试验数据，对水稻生长模型RiceGrow、ORYZA2000与CERES-Rice进行检验和评价。结果表明RiceGrow模型单季稻区开花期RMSE（根均方差）与NRMSE（标准根均方差）分别为2.91d和1.32％;成熟期的RMSE与NRMSE分别为2.94d和1.13％;产量的RMSE与NRMSE分别为675.60kg ha-1和7.81％;双季早稻与晚稻开花期的RMSE与NRMSE分别为2.14d，1.24％和3.25d，1.24％，成熟期早稻与晚稻的RMSE与NRMSE分别为2.80d，1.40％和2.79d，0.94％，早稻产量的RMSE为522.14kg ha-1，NRMSE为6.75％;晚稻产量的RMSE为542.814kg ha-1，NRMSE为8.54％。综上，水稻生长模型RiceGrow、ORYZA2000与CERES-Rice对我国单季稻区与双季稻区不同生态点、不同年份、不同品种以及不同播期条件下水稻生产模拟效果较好。 利用我国单季稻水稻区254个气象站点的逐日气象资料，利用水稻生长模型（RiceGrow模型、ORYZA2000模型和CERES-Rice模型），对单季稻区316个站点1981-2011年进行播期模拟，最终确定我国单季稻区不同生态点的最适播期和适宜播期范围。进一步采用CMIP5中的HadGEM2-ES气候模式生成的未来的气候资料结合水稻生长模型结合对2030年代（2020-2040年），2050年代（2041-2060年）及2070年代（2061-2080年）未来气候条件下最适播期进行模拟预测。结果表明，由于温度及辐射量差异的原因，最适播期呈现由南至北，由西向东逐渐推迟的变化规律。滇南河谷盆地单季稻亚区(Ⅰ2)，长江中下游平原单、双季稻亚区(Ⅱ1)，川陕盆地单季稻两熟地亚区(Ⅱ2)，黔东湘西高原山地单、双季稻亚区(Ⅲ1)，滇川高原岭谷单季稻两熟亚区(Ⅲ2)黑吉平原河谷特早熟亚区(Ⅴ1)，辽河沿海平原早熟亚区(Ⅴ2)各个亚区最适播期三个模型模拟平均值分别为:3月10日、5月8日、3月21日、4月2日、3月30日、4月15日和4月10日。相应的各亚区最适播期产量平均值分别为:10600.6kg ha-1、10641.8kg ha-1、11183.6kg ha-1、9599.7kg ha-1、10726.8kg ha-1、10484.9kg ha-1和109892kgha-1;相比实际播期模拟产量分别增产30.5％、12.0％、17.5％、19.9％、24.5％、13.7％和22.5％。另外，HadGEM2-ES全球气候模式下2030s、2050s、2070s年代各个亚区播期分别提前:Ⅰ2亚区3.5天、5.8天和8.4天;Ⅱ1亚区6.7天、12.5天和18.6天;Ⅱ2亚区0.5天、2.7天和4.9天;Ⅲ1亚区2.3天、4.8天和7.6天;Ⅲ2亚区1.32天、2.80天和5.01天;Ⅴ1亚区1.3天、2.8天和5.0天;Ⅴ2亚区2.3天、3.9天和6.7天。与各个亚区实际播期相对比，模拟所得最适播期较实际播期不同程度提前，仅在部分地区最适播期较实际播期晚，比较实际播期模拟产量与最适播期模拟产量发现，通过调整播期可以达到提高产量的目的，在不同的生态点增产潜力不同。 利用1981-2011年双季稻区126个气象站点的逐日气象数据，运用水稻生长模型（RiceGrow模型、ORYZA2000模型、CERES-Rice模型）模拟了早稻与晚稻各183个站点1981-2011年不同播期对早稻和晚稻生育期及产量的影响。进一步分析确定了在不同生态点早稻和晚稻播种的最适播期及适宜播期范围。最后采用CMIP5中的HadGEM2-ES气候模式生成的未来的气候资料就未来气候变化对早稻和晚稻最适播期影响进行了模拟研究。结果表明，由于温度及辐射量差异的原因，早稻最适播期呈现由南至北逐渐推迟的变化规律。Ⅰ1与Ⅱ3各个亚区最适播期三个模型模拟平均值分别为:3月2日、3月1日、2月28日与3月21日、3月20日、3月25日;对晚稻而言，最适播期则是南至北逐渐提前的变化规律。Ⅰ1与Ⅱ3各个亚区最适播期三个模型模拟平均值分别为:7月9日、7月8日、7月11日与6月23日、6月22日、6月24日。相应的各亚区早稻最适播期产量平均值分别为:9885.0kg ha-1和10024.3kgha-1;相比实际播期模拟产量分别增产35.4％和20.1％;各亚区晚稻最适播期产量平均值分别为:8971.8kgha-1与9408.0kg ha-1;相比实际播期模拟产量分别增产30.2％和17.9％。另外，HadGEM2-ES全球气候模式下2030s、2050s、2070s年代各个亚区早稻与晚稻播期分别提前:1.3天、3.5天、5.6天和4.2天、7.1天、10.1天;2.1天、4.2天、6.4天、5.1天、7.4天、9.8天。研究结果将对各品种的推广应用和其他品种适宜播期的确定具有一定的指导和借鉴意义。

目录

声明

摘要

第一章文献综述

1水稻生长模型研究进展

1．1 作物生长模型概念及特征

1．2作物生长模型发展历程

1．3 国内外水稻生长模型研究进展及模型介绍

2基于作物生长模型的水稻适宜播期模拟研究

2．1 播期对水稻生育期的影响研究进展

2．2播期对水稻产量影响的研究进展

2．3气候变化对水稻播期影响的研究进展

3研究目的与意义

第二章材料与方法

1研究思路和技术路线

1．1研究思路

1．2技术路线

2研究区域及水稻亚区区划

3数据资料

3．1水稻历史种植信息

3．2气象数据

3．3土壤数据

3．4数据分析方法

4水稻生长模拟模型简介

4．1 RiceGrow水稻生长模型

4．2 ORYZA2000水稻生长模型

4．3 CERES-Rice水稻生长模型

参考文献

第三章我国单季稻区水稻适宜播期的模拟研究

1材料与方法

1．1研究区域

1．2数据及处理

1．3水稻生长模型介绍

1．4模型校准和验证

1．5播期研究方法

2结果与分析

2．1 单季稻区历史水稻种植生育期变化特征

2．2单季稻区适宜播期确定及不同层次播期比较

2．3单季稻区播期对水稻生育期及产量的影响

2．4未来气候条件下单季稻区适宜播期的变化

3讨论与结论

参考文献

第四章我国双季稻区水稻适宜播期的模拟研究

1材料与方法

1．1研究区域

1．2数据及处理

1．3水稻生长模型介绍

1．4模型校准和验证

2结果与分析

2．1 双季稻区历史水稻种植生育期变化特征

2．2双季稻区适宜播期确定及不同层次播期比较

2．3 双季稻区播期对双季稻生育期及产量的影响

2．4未来气候条件下双季稻区适宜播期的变化

3讨论与结论

参考文献

第五章讨论与结论

1 讨论

1．1稻生长模型的检验和评价

1．2期对水稻生育期影响的模拟

1．3播期对水稻产量影响的模拟

1．4本研究的特色与创新

1．5今后的研究设想

2结论

参考文献

在学期间发表或拟投稿论文

在学期间参加的研究课题

致谢