基于作物生长模型的华北夏玉米水分效率研究

摘要

夏玉米是我国华北地区的主要农作物之一,其对全国玉米生产都具有举足轻重的意义。华北地区夏玉米生育期间虽逢雨季,但降水变率大,因而不同时间尺度的干旱仍频繁发生。加之灌溉面积扩大和工农业用水矛盾加剧,农业用水不足的问题日益突出。为此,需要弄清作物生长发育及产量形成与水资源消耗之间的关系。水分利用效率是研究作物和水分间关系的一个重要参数,是协调高产与耗水矛盾的重要途径。本研究对国外作物生长模型WOFOST进行了适应性调整,并尝试改进模型中水分胁迫对夏玉米干物质分配的影响过程,探讨了利用WOFOST模型描述玉米水分利用效率的方法,并基此开展华北夏玉米水分利用效率模拟研究,分析了水分利用效率的时空变化规律。主要研究结论有:
　　 (1)利用实测数据、默认值以及“试错法”确定了WOFOST模型生长参数的取值；根据华北地区代表站点发育参数的空间分布特征,结合地形地势,并参照我国玉米气候区划结果,确定了发育参数的分区及取值。依据中国土壤类型图确定了土壤参数的分区及取值。模拟检验表明,WOFOST模型基本能够反映华北地区夏玉米的生长发育过程以及农田土壤水分动态,从而实现了WOFOST模型的本地化和区域应用。
　　 (2)利用田间试验数据初步建立了水分胁迫玉米干物质分配的子模式。模拟检验发现,加入该子模式对WOFOST模拟穗重的效果略有改善,但对生物量和土壤水分动态的模拟能力未有明显改进,尚需进一步研究。
　　 (3)利用WOFOST模型模拟的潜在生产条件下CO2总同化速率、蒸腾速率,以及水分胁迫下贮存器官干重、地上总干重、蒸腾量和蒸发量定义了叶片、群体和产量等不同水平上的水分利用效率。
　　 (4)华北夏玉米与GASS有关的水分利用效率WUE1随发育进程略有减小趋势,但总体上变化较小；与TAGPw有关的WUE2与WUE3的变化趋势基本一致,在玉米发育初期逐渐增大,在吐丝前后达到最大,随后又逐渐减小；与WSO有关的WUE4与WUE5的变化趋势也基本相同,在DVS在1.3到1.8时维持在较高水平上。水分利用效率的全区域平均在年代际上的变化较小,仅在80年代略高,而华北不同区域水分利用效率的年代际变化则更明显。研究表明,玉米水分利用效率主要与净初级生产力有关,而LAI是诀定水分利用效率随发育期变化的主要因子。
　　 (5)华北地区夏玉米水分利用效率在空间上呈现由北向南递减的分布形式。二十世纪60年代夏玉米水分利用效率的南北差异最明显,70年代华北南部得到一定程度的提高,80年代在北京以北和河南北部地区继续提高,而90年代以来华北中部地区有所降低。水分利用效率在空间上的分布形式主要受地上总干重影响。

目录

文摘

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第一章 引言

1.1 研究背景

1.2 国内外研究进展

1.2.1 水分对玉米生理生态过程影响的研究进展

1.2.2 玉米水分利用效率研究进展

1.2.3 作物生长模型研究及应用进展

1.2.4 水分影响作物生长发育的建模研究进展

1.3 研究目标、内容和技术路线

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.2 技术路线

第二章 研究数据和模型

2.1 研究区域

2.2 研究数据及其处理

2.2.1 气象数据

2.2.2 作物数据

2.2.3 土壤数据

2.3 WOFOST模型简介

2.3.1 发育进程

2.3.2 光合作用过程

2.3.3 呼吸作用过程

2.3.4 干物质积累与分配

2.3.5 叶的生长与衰老

2.3.6 水分胁迫对作物生长的影响

第三章 WOFOST玉米模型在华北地区的适应性研究

3.1 WOFOST模型的参数校准

3.1.1 发育参数确定和分区

3.1.2 生长参数校准

3.1.3 土壤参数分区

3.2 WOFOST模型的模拟检验

3.2.1 发育进程模拟检验

3.2.2 生长模拟检验

3.2.3 土壤水分模拟检验

3.3 水分胁迫对夏玉米干物质分配的影响及模拟改进

3.3.1 水分胁迫对夏玉米干物质分配的影响

3.3.2 WOFOST在水分胁迫方面的改进

3.4 小结

第四章 华北夏玉米水分利用效率的时间变化及影响因子

4.1 水分利用效率的定义

4.2 华北夏玉米生长量与耗水量随发育期的变化

4.2.1 华北夏玉米生长量随发育期的变化

4.2.1 华北夏玉米耗水量随发育期的变化

4.3 华北夏玉米水分利用效率随发育期的变化

4.4 华北夏玉米水分利用效率的影响因子

4.5 华北夏玉米水分利用效率的年代际变化

4.6 小结

第五章 华北夏玉米水分利用效率的空间变化

5.1 华北夏玉米生长量的空间变化

5.2 华北夏玉米耗水量的空间变化

5.3 北夏玉米水分利用效率的空间变化

5.4 小结

第六章 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.2 存在问题和下一步工作展望

参考文献:

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致谢