作物气候产量潜力的分析方法

摘要

本发明提供一种作物气候产量潜力的分析方法，包括：构建作物气候产量潜力分析模型；当需要分析棉花生育期内指定时间长度所对应的总气候产量潜力时，向步骤1构建得到的气候产量潜力分析模型中输入起始时间数据和截止时间数据；输出被分析时间段内的总气候产量潜力。优点为：(1)采用函数逼近计算得到的日需水量、日水分供需结余量和日降水订正系数，更符合作物生长过程中日需水量的实际情况；(2)通过日气候产量潜力的累积得到总气候产量潜力，可反映作物气候产量潜力的形成过程，精确地反映作物干物质积累状态，提高气候产量潜力的精确性和客观性。

说明书

技术领域

本发明属于农业资源研究技术领域，具体涉及一种作物气候产量潜力的分析方 法。

背景技术

作物气候产量潜力是指在充分和合理利用当地的光、热、水气候资源，而其他条 件，如土壤、养分等处于最适宜状况时单位面积土地上获得的最高生物学产量或农业产量。 因此，太阳辐射能量、作物光合作用特性、气温条件成为作物产量形成的基本因素。气候产 量潜力反映了某地区在特定气候背景下农业生产所具备的基础潜力，可定量表征区域气候 资源状况及其气候要素的配置，是科学衡量区域粮食生产力、农业发展和人口承载力的重 要指标之一。

传统气候产量潜力的计算方法为：

Y_w＝Y_T*f(W)；

其中，Y_w为作物生育期内总的气候产量潜力；Y_T为作物生育期内总的光温产量潜 力；f(W)为水分修正系数。

可见，在计算气候产量潜力时，水分修正系数的确定属于关键。而传统水分修正系 数f(W)通过以下方法确定：

$f\left(W\right)=\left(\begin{array}{cc}R/E_0& R\le E_0\\ 1-(R-E_0)/3E_0& E_0<R<4E_0\\ 0& R\ge 4E_0\end{array}\right)$

其中，R为作物生育期内总降水量，单位为mm，E₀为作物生育期内总蒸发量，单位为 mm。

由此可见，传统水分修正系数的计算中，由于考虑的参数为作物生育期内总降水 量和作物生育期内总蒸发量，因此，计算得到的水分修正系数实际上是作物生育期总修正 系数，无法反应出由于每天供水状态演变而对气候产量潜力的渐变影响过程，与作物干物 质生产积累过程不符，所以，采用传统方法得到的气候产量潜力的准确性非常有限，常常与 实际情况偏差严重。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种作物气候产量潜力的分析方法，可有 效提高分析得到的气候产量潜力的准确性和客观性。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种作物气候产量潜力的分析方法，包括以下步骤：

步骤1，构建作物气候产量潜力分析模型，所述作物气候产量潜力分析模型表示 为：

Y_w＝ΣY_wi(1)

其中：

Y_wi＝r_i·y_i(2)

$r_i=1-{\log }_{25}^{(1+|p_i\left|\right)}---\left(3\right)$

p_i＝0.6p_i-1-w_i+d_i（4）

$w_i=w_m+(w_{m+1}-w_m)·{\log }_{31}^n---\left(5\right)$

其中：Y_w-分析时段长度内总气候产量潜力；

Y_wi-分析时段长度内的日气候产量潜力；

r_i-日降水订正系数；

y_i-日光温产量潜力；

p_i-日水分供需结余量；

p_i-1-昨日水分供需结余量；

w_i-日需水量；

w_m-当月首日需水量；

w_m+1-下月首日需水量；

n-月内日序，其值最大不超过31；

d_i-当日实际降水量；

步骤2，当需要分析棉花生育期内指定时间长度所对应的总气候产量潜力时，向步 骤1构建得到的气候产量潜力分析模型中输入起始时间数据和截止时间数据；

步骤3，气候产量潜力分析模型接收起始时间数据和截止时间数据后，将起始时间 到截止时间的时间段内任意一天记为第j月第i天，然后，读取预存储的当月首日需水量w_m和下月首日需水量w_m+1的值，并代入公式(5)中，计算得到日需水量w_i；其中，n＝i；

步骤4，读取到当日实际降水量d_i和昨日水分供需结余量p_i-1，将日需水量w_i、当日 实际降水量d_i和昨日水分供需结余量p_i-1代入公式(4)，计算得到日水分供需结余量p_i；此 处，对于被分析时间段的第1天，令昨日水分供需结余量为0；

步骤5，将日水分供需结余量p_i代入公式(3)，计算得到日降水订正系数r_i；

步骤6，读取预存储的日光温产量潜力y_i，将日光温产量潜力y_i和日降水订正系数 r_i代入公式(2)，计算得到日气候产量潜力Y_wi；

步骤7，重复步骤3-步骤6，计算得到被分析时间段内每天的日气候产量潜力，然 后，基于公式(1)，将计算得到的各天的日气候产量潜力做求和运算，即得到被分析时间段 内的总气候产量潜力；

步骤8，输出步骤7得到的被分析时间段内的总气候产量潜力。

优选的，步骤3中，预存储的各月首日需水量的值见表1：

表1棉花各月首日需水量

其中，由于棉花的生育期为5-9月，所以表1只存储5-9月中各月首日需水量。

优选的，步骤3中，所读取到的日光温产量潜力y_i通过以下方法得到：

步骤3.1，读取预存储的被分析月三基点温度，分别为棉花在当前时期的适宜温度 T₁、能够承受的最低温度T₂以及能够承受的最高温度T₃；再读取到日实际平均气温T_i；

步骤3.2，将T_1、T₂、T₃和T_i代入公式(6)，计算得到日温度修正系数F_i；

$F_i=\frac{(T_i-T_2){(T_3-T_i)}^B}{(T_1-T_2){(T_3-T_1)}^B}---\left(6\right)$

其中，B＝(T₃-T₁)/(T₁-T₂)；

步骤3.3，读取预存储的日最高实际气温T_u，将日最高实际气温T_u代入公式(7)，计 算得到日最高气温修正系数V_i；

V_i＝(1-l_i²)²⁵-29l_i²

其中：

$l_i={\log }_{26}^{T_u}(1-{\log }_{26}^{T_u})---\left(7\right)$

步骤3.4，将日最高气温修正系数V_i和日温度修正系数F_i代入公式(8)，计算得到光 温产量潜力日修正系数t_i；

t_i＝0.3V_i+0.7F_i(8)

步骤3.5，读取预存储的日光合产量潜力h_i，将t_i和h_i代入公式(9)，计算得到日光 温产量潜力y_i；

y_i＝t_i·h_i(9)。

优选的，步骤3.5中，所读取到的日光合产量潜力h_i通过以下方法得到：

步骤3.5.1，建立生育期内各月首日权重系数表；

步骤3.5.2，读取所述各月首日权重系数表，获得当月首日权重v_m和下月首日权重 v_m+1，然后将当月首日权重v_m和下月首日权重v_m+1代入公式(10)，计算得到日权重v_i：

$v_i=v_m+(v_{m+1}-v_m)·{\log }_{31}^n---\left(10\right)$

其中，n为月内日序，n＝i；

步骤3.5.3，读取预存储的日辐射G，将日辐射G和日权重v_i代入公式(11)，计算得 到日光合产量潜力h_i：

h_i＝v_i·G(11)。

优选的，步骤3.5.1，所建立的各月首日权重系数表见表2：

表2棉花光合潜力月首日权重

其中，v₄、v₅、v₆、v₇、v₈、v₉和v₁₀分别为4月份首日权重、5月份首日权重、6月份首日权 重、7月份首日权重、8月份首日权重、9月份首日权重和10月份首日权重。

本发明提供的作物气候产量潜力的分析方法具有以下优点：

(1)采用函数逼近计算得到的日需水量、日水分供需结余量和日降水订正系数，更 符合作物生长过程中日需水量的实际情况；

(2)通过日气候产量潜力的累积得到总气候产量潜力，可反映作物气候产量潜力 的形成过程，精确地反映作物干物质积累状态，提高气候产量潜力的精确性和客观性。

附图说明

图1为传统方法和本发明方法形成的水分修正系统的对比曲线图；

图2为本发明提供的棉花气候产量潜力区划图；

图3为本发明提供的棉花光温产量潜力区划图；

图4为本发明提供的棉花光合产量潜力区划图；

图5为本发明提供的1971-1975年棉花气候产量潜力的变化图；

图6为本发明提供的2002-2006年棉花气候产量潜力的变化图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合 附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种作物气候产量潜力的分析方法，包括以下步骤：

步骤1，构建作物气候产量潜力分析模型，所述作物气候产量潜力分析模型表示 为：

Y_w＝ΣY_wi(1)

其中：

Y_wi＝r_i·y_i(2)

$r_i=1-{\log }_{25}^{(1+|p_i\left|\right)}---\left(3\right)$

p_i＝0.6p_i-1-w_i+d_i(4)

$w_i=w_m+(w_{m+1}-w_m)·{\log }_{31}^n---\left(5\right)$

其中：Y_w-分析时段长度内总气候产量潜力；

Y_wi-分析时段长度内的日气候产量潜力；

r_i-日降水订正系数；

y_i-日光温产量潜力；

p_i-日水分供需结余量；

p_i-1-昨日水分供需结余量；

w_i-日需水量；

w_m-当月首日需水量；

w_m+1-下月首日需水量；

n-月内日序，其值最大不超过31；

d_i-当日实际降水量；

步骤2，当需要分析棉花生育期内指定时间长度所对应的总气候产量潜力时，向步 骤1构建得到的气候产量潜力分析模型中输入起始时间数据和截止时间数据；

步骤3，气候产量潜力分析模型接收起始时间数据和截止时间数据后，将起始时间 到截止时间的时间段内任意一天记为第j月第i天，然后，读取预存储的当月首日需水量w_m和下月首日需水量w_m+1的值，并代入公式(5)中，计算得到日需水量w_i；其中，n＝i；

本步骤中，预存储的各月首日需水量的值见表1：

表1棉花各月首日需水量

其中，由于棉花的生育期为5-9月，所以表1只存储5-9月中各月首日需水量。

步骤4，读取到当日实际降水量d_i和昨日水分供需结余量p_i-1，将日需水量w_i、当日 实际降水量d_i和昨日水分供需结余量p_i-1代入公式(4)，计算得到日水分供需结余量p_i；此 处，对于被分析时间段的第1天，令昨日水分供需结余量为0；

步骤5，将日水分供需结余量p_i代入公式(3)，计算得到日降水订正系数r_i；

步骤6，读取预存储的日光温产量潜力y_i，将日光温产量潜力y_i和日降水订正系数 r_i代入公式(2)，计算得到日气候产量潜力Y_wi；

步骤7，重复步骤3-步骤6，计算得到被分析时间段内每天的日气候产量潜力，然 后，基于公式(1)，将计算得到的各天的日气候产量潜力做求和运算，即得到被分析时间段 内的总气候产量潜力；

步骤8，输出步骤7得到的被分析时间段内的总气候产量潜力。

例如，当需要统计2015.5.1到2015.9.1这一时间段中某一地区的总气候产量潜力 时，只需要向作物气候产量潜力分析模型输入起始时间为2015.5.1，截止时间为2015.9.1 这两个数据，作物气候产量潜力分析模型即可自动计算得到这一区间的总气候产量潜力。 具体计算方法为：

(1)对于任意一日，如2015.8.3，首先通过公式5计算日需水量。

8.3这一天的日需水量＝2015.8.1需水量+(2015.9.1需水量-2015.8.1需水量)

从上述公式可以看出，采用公式5计算日需水量时，对于同一个月各日的日需水 量，从当月首日开始，日需水量以函数抛物线形式逐渐增加，并不断逼近下月首日的日需水 量。采用这种计算方法，更符合棉花生长阶段对需水量的实际需求。

(2)然后，计算2015.8.3这一天的日水分供需结余量，即：

2015.8.3这一天的日水分供需结余量＝0.6(2015.8.2这一天的日水分供需结余 量)-2015.8.3的日需水量+2015.8.3的日实际降水量。

(3)采用公式3计算2015.8.3这一天的日降水订正系数。

(4)将2015.8.3这一天的的日光温产量潜力和日降水订正系数代入公式2，计算得 到2015.8.3这一天的日气候产量潜力。

(5)对于2015.5.1到2015.9.1这一时间段，采用上述方法计算得到每天的日气候 产量潜力，再求和，即得到这一时间段的总气候产量潜力。

在同样的供水量情况下，如果采用传统的水分修正系数的计算方法，可得到图1中 折线曲线；而如果采用本发明的方法，日降水订正系数为图1中抛物线形式。观察图1，可以 看出，传统方法有3个缺点：第一、采用大阶段降水量，如每月每旬降水，而不是每天降水，从 而阻断了实时跟踪计算产量潜力的可能性；第二、大阶段降水累加，相当于使用平均降水 量，完全没有反映出供水状态的演变，与作物干物质生产积累环境不符；第三、采用阈值区 间划分固定修正系数，如区间内固定一个值区间外统一为0，也不符合作物干物质生产积累 实际。而本发明的改进方法完全克服了上述三个缺陷，可真实反映水分供给环境变化带来 的产量潜力的变化。

本发明提供的作物气候产量潜力的分析方法，创新点如下：

(1)采用函数逼近计算得到的日需水量，更符合作物生长过程中日需水量的实际 情况；

(2)逼近计算日水分供需结余量，计算结果更符合作物生长过程中日水分供需结 余的实际情况；

(3)逼近计算水分偏离最佳状态引起的伤害，即真实计算日降水订正系数；

(4)通过日气候产量潜力的累积得到总气候产量潜力，可反映作物气候产量潜力 的形成过程，精确地反映作物干物质积累状态，提高气候产量潜力的精确性和客观性。

(5)由于可计算到每天的日气候产量潜力，便于每天实时计算监测等自动化应用；

(6)适用于作物产量监测、农业生产资源评估、资源演变与预警等领域。

此外，本发明具有以下两大创新：

创新一：日光温产量潜力

在上述步骤3中，所读取到的日光温产量潜力y_i通过以下方法得到：

步骤3.1，读取预存储的被分析月三基点温度，分别为棉花在当前时期的适宜温度 T₁、能够承受的最低温度T₂以及能够承受的最高温度T₃；再读取到日实际平均气温T_i；

步骤3.2，将T_1、T₂、T₃和T_i代入公式(6)，计算得到日温度修正系数F_i；

$F_i=\frac{(T_i-T_2){(T_3-T_i)}^B}{(T_1-T_2){(T_3-T_1)}^B}---\left(6\right)$

其中，B＝(T₃-T₁)/(T₁-T₂)；

步骤3.3，读取预存储的日最高实际气温T_u，将日最高实际气温T_u代入公式(7)，计 算得到日最高气温修正系数V_i；

V_i＝(1-l_i²)²⁵-29l_i²

其中：

$l_i={\log }_{26}^{T_u}(1-{\log }_{26}^{T_u})---\left(7\right)$

步骤3.4，将日最高气温修正系数V_i和日温度修正系数F_i代入公式(8)，计算得到光 温产量潜力日修正系数t_i；

t_i＝0.3V_i+0.7F_i(8)

步骤3.5，读取预存储的日光合产量潜力h_i，将t_i和h_i代入公式(9)，计算得到日光 温产量潜力y_i；

y_i＝t_i·h_i(9)。

创新二：日光合产量潜力

步骤3.5中，所读取到的日光合产量潜力h_i通过以下方法得到：

步骤3.5.1，建立生育期内各月首日权重系数表；

步骤3.5.1，所建立的各月首日权重系数表见表2：

表2棉花光合潜力月首日权重

其中，v₄、v₅、v₆、v₇、v₈、v₉和v₁₀分别为4月份首日权重、5月份首日权重、6月份首日权 重、7月份首日权重、8月份首日权重、9月份首日权重和10月份首日权重。

步骤3.5.2，读取所述各月首日权重系数表，获得当月首日权重v_m和下月首日权重 v_m+1，然后将当月首日权重v_m和下月首日权重v_m+1代入公式(10)，计算得到日权重v_i：

$v_i=v_m+(v_{m+1}-v_m)·{\log }_{31}^n---\left(10\right)$

其中，n为月内日序，n＝i；

步骤3.5.3，读取预存储的日辐射G，将日辐射G和日权重v_i代入公式(11)，计算得 到日光合产量潜力h_i：

h_i＝v_i·G(11)。

试验例1

对于黄淮海地区，统计51个站点1971-2006年的逐日气候资料，分别计算出各站点 的光温产量潜力、光合产量潜力和气候产量潜力，然后根据距离倒数和邻近相似原则扩展 计算其余383个县市级行政区的光温产量潜力、光合产量潜力和气候产量潜力。计算结果用 ArcMap作图，形成相应区划图。结果见图2、图3和图4，分别为棉花气候产量潜力区划图、棉 花光温产量潜力区划图、棉花光合产量潜力区划图。

观察图2、图3和图4，可以看出，区内气候产量潜力最小值1506kg·hm^-2，最大值 1874kg·hm^-2，差异不大。气候产量潜力值的总体趋势是除胶东半岛外从西南向东北方向逐 步增加，与光温产量潜力区划图和光合产量潜力区划图的变化趋势相近，并且与实际的气 候产量变化趋势一致，从而验证了本发明提供的气候产量潜力分析方法的精确性。

试验例2

根据黄淮海地区1971-2006年期内前后5年逐日气象数据，分别计算1971-1975年 和2002-2006年两时间段内气候产量潜力，对比分析这两个时间段的气候产量潜力的演变 情况，如图5所示，为1971-1975年棉花气候产量潜力的变化图；如图6所示，为2002-2006年 棉花气候产量潜力的变化图。

对比图5和图6可以看到，黄淮海地区最高气候产量潜力区向东北部方向转移。最 佳气候产量潜力值从1971-1975年的2042kg·hm^-2下降到2002-2006年的1930kg·hm^-2，同 时，最低气候产量潜力从1971-1975年的1479kg·hm^-2下降到2002-2006年的1328kg·hm^-2， 分别下降5.5％和10.2％。其中地面辐射最大值下降8.6％，最小值下降12.8％；光合产量潜 力最大值下降7.6％，最小值下降17.2％；光温产量潜力最大值下降10.4％，最小值下降 13.4％。从产量潜力的地域变动情况看，其与实际棉花生产布局演变趋势基本一致。

黄淮海地区棉花气候产量潜力的研究，不仅能对地区气候生态适宜性进行有效评 价，而且能深入揭示地区不同气候因子对生产的影响程度，从而对区域棉花生产的发展以 及生产布局的演变做出前瞻性评估，对国家农业及棉花生产具有重要指导作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视本发明的保护范围。