AquaCrop模型在江苏地区不同播期冬小麦生长模拟研究资料.docx

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AquaCrop模型在江苏地区不同播期冬小麦生长模拟研究资料

学号：

　20131226498　

南京信息工程大学

研究生学位论文开题报告

及论文工作实施计划

所在院（所）

应用气象学院

学科专业

生态学

研究生

吴建生

学位级别

硕士

导师

王连喜李琪

开题报告日期

2014年12月24日

入学年月

2013年9月6日

南京信息工程大学研究生院

2014年12月24日

说明

1、论文开题报告由研究生向院（所）报告后，听取意见并整理成文后填写；

2、论文工作实施计划由指导教师填写；

3、博士生在第六学期结束前完成，硕士生在第三学期结束前完成；

4、本表一式一份，提交研究生院审核盖章后，由学院留存整理归档。

一、论文开题报告

论文题目

AquaCrop模型在江苏地区不同播期冬小麦生长模拟研究

研究方向

生态气象

题目来源

国家

部委

省

市

厂、矿

自选

有无合同

经费数

题目类型

工程技术

应用研究

理论研究

跨学科研究

其它

√

一研究目的和意义

政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的历次报告以来，新的观测数据进一步证明全球气候正在变暖，气候变化已经成为当今世界普遍关注的全球性问题。

据IPCC第五次报告指出[1]，从19世纪起，全球平均地表温度就开始上升，而过去的30年间温度的上升较之前更为明显，并且21世纪的头十年温度上升最为明显。

在结合陆地和海洋温度数据后，得出的线性趋势可以显示在1901-2012年间，全球平均地表温度上升0.89℃（0.69~1.08），而在1951-2012年间，温度上升0.72℃（0.49~0.89），在1998-2012年这15年间，温度上升的速率要比1951-2012年这62年的要低，1998-2012年，温度上升在0.05（-0.05~0.15）℃/10a，而1951-2012年间，温度上升的速率为0.12（0.08-0.14）℃/10a，从地面站点观测得到的全球和局域地表空气温度数据独立分析得出，地表和海洋表面温度都在增加，并且在全球范围内，自1950年以来，全球最高温度和最低温度都已经增加。

随着全球气候变化，中国的气候也发生了相应的变化，气候变暖是气候变化的最明显特征之一，近100年来中国年地表平均气温明显增加，我国气温上升了0.4~0.5℃，其中以冬季气温的上升最为明显。

在全球气候变暖的背景下，由于地理要素的复杂性和气候因子的相互作用，全球变暖还存在明显的不对称性，即冬、春季温度升高幅度大于夏、秋季，高纬度温度升高幅度高于低纬度温度升高幅度[2]，且夜间增温高于白天，日最低温增幅高于日最高温的增幅，日较差逐步降低。

秦大河等[3]研究得出，我国的气候将继续变暖，到2100年，升温将达到3.9℃~6.0℃。

模型和历史资料分析表明，气候变化已经对中国冬小麦生产带来了巨大影响[4-5]。

最新的模型研究表明，全球范围内气候变暖使小麦、玉米、大豆和水稻分别减产，其中小麦减产幅度最大为5.5%[6]。

熊伟等利用模型模拟2080sA2和B2温室气体排放情景下我国小麦生产的影响，认为雨养地区小麦普遍减产，平均减幅为21.7%和12.9%，仅华北和长江中下游冬麦区部分区域增产[7]。

在黄淮海平原地区，秋、冬季适度增温，总体有利于小麦产量提高[8]。

田云录[9]等报道温度升高将提高江淮地区冬小麦的产量，以上研究结果表明，冬小麦在不同地区对气候变化的响应不一致。

江苏地区位于长江三角洲，具有明显的季风气候特征，处于亚热带向暖温带的过渡地带，大致以淮河－苏北灌溉总渠为界，以南属亚热带湿润季风气候，以北属暖温带湿润季风气候。

全省春季西部升温快于东部，秋季南部降温慢于北部[10]。

受全球气候变化影响，江苏的气候也在明显改变，近20年来，江苏省年降水量和洪涝年增多，尤其是梅汛期的降水量增多；日照时数呈下降趋势，近地面温度在近40年内不断升高。

江苏气候变暖尤为突出，以1959~2004年江苏冬季气温平均值2.9℃为标准，1986以来，已连续18年出现暖冬[11]，江南较江北更加暖湿，江苏地区升温的原因为最低温度的升高，江南温度比江北温度升高的原因为江南地区最高气温的升高。

春季升温最为明显，其中最低温度的升高最显著[12]。

侯伟芬[13]指出1949年来，江南地区冬季气温呈上升趋势，气温增长率为0.29℃/10年，特别是20世纪80年代中期以后暖冬现象十分显著。

周曾奎[14]分析了南京地区50a冬夏的气温特征，指出南京盛夏高温减少，暖冬几率增加。

潘文卓[15]研究表明，在全球气候变暖的背景下，56a来南京平均气温明显上升，尤其是春、冬季升温显著，且春季升温大于冬季升温。

小麦是江苏省仅次于水稻的第二大粮食作物，常年种植面积达到220万hm2[16]，气候变化会对江苏冬小麦生产带来深远的影响。

吴新胜指出[17]，20世纪90年代以来，淮北冬小麦全生育期总积温增加了120~280℃，越冬前积温增加了50～100℃；越冬期缩短了23d左右，越冬期平均气温升高了1.5℃左右，淮北地区冬小麦适宜播期比常年推迟7～10d。

由于全球气候变暖以及品种和栽培方式的改变，各地区小麦生长发育期间的生态环境条件发生了很大的变化，若生产中仍采用传统的播期，势必会限制小麦产量进一步提高[20-22]，因此需要加强对当前小麦播期的研究。

小麦播期对小麦的产量影响很大，冬小麦播种过早，不但造成冬前分蘖过多，也易造成冬前旺长甚至冬前拔节，冬季出现严重冻害；播种过晚，分蘖少甚至不能分蘖，不但造成密度不足，同时弱苗也不利于越冬[18]。

适期播种可充分利用光、热、水等资源[19]，选择适宜播期是一项重要的增产措施，因此在气候变暖情景下，研究不同播期对江苏地区冬小麦生产具有重要意义。

运用AquaCrop模型以及江苏省的气候、土壤、产量等相关资料，模拟不同播期对冬小麦生长发育的影响，对冬小麦的生理、形态过程的变化以及生长发育的准确量化具有重要意义。

二国内外研究概况

1.播期对冬小麦影响的研究进展

在影响小麦产量形成的众多因素中，播期是一个非常重要的因素。

播期影响着小麦生长发育与温、光、水等生态环境因子时空分布的关系协调。

研究发现，播期对小麦群体茎蘖数量消长具有很大的影响[23-24]，因而成为影响小麦群体质量和产量的重要因素。

适期播种可以使小麦植株充分利用冬前光热资源，有利于培育壮苗[25-26]。

杨月[27]通过试验结果表明，适宜的播期有利于提高分蘖成穗率，过早或过晚播种均不利于分蘖成穗，王夏等[28]研究也表明适期播种有利于提髙群体茎蘖数。

1.1播期对小麦生长发育的影响研究进展

RobertoF[29]等研究了播期和氮肥对硬粒小麦干物质和氮含量变化动态的影响，其中，播期对籽粒产量影响较大。

闫翠萍等[30]从生理生态角度出发，研究了持续暖冬的气候条件下，播期对不同基因型优质小麦的产量调控效应。

胡焕焕[31]等认为播种期对3个产量构成因素（穗数、穗粒数和千粒重）的影响均不显著，但对籽粒产量的影响显著。

冬小麦过迟播种会最终影响小麦的产量。

薛正平[32]分析在小麦产量与气象条件的关系后，表明小麦全生育期光、温资源利用减少是晚播小麦单产下降的主要原因。

刘艳阳[33]指出，春性品种在不同播期间拔节期变化大，且随播期的推迟，播种至拔节期所需的天数明显延长，拔节-抽穗所需的天数明显缩短，抽穗-成熟天数有所缩短但相对稳定。

高德荣[34]指出迟播不仅导致小麦生育期缩短，积温、光照时数减少，营养生长不足，难以形成高产群体基础。

戎全虎[35]等通过实验分析指出，过迟播种会对小麦产生诸多不利影响，出苗率、高峰苗、穗粒数、千粒重、实粒数均随着小麦播期的延迟而下降，尤其是出苗率、穗粒数下降较快，但成穗率明显提高。

温明星[36]通过实验分析表明，随着播期的推迟，产量、面团形成时间和稳定时间、湿面筋含量均呈现先升后降趋势。

1.2播期对小麦群体叶层结构的影响研究进展

叶片是进行光合作用，制造有机物的重要器官，LAI的大小直接影响光合速率的高低，决定着产量的高低[37]。

随着播期的延迟，冬小麦叶面积指数减小，影响了冬小麦的光合作用，从而影响籽粒产量。

周晓虎[38]研究表明，不同播期内小麦LAI呈现相同的变化趋势，整个生育期的LAI均呈抛物线形。

陈素英[39]指出，小麦生长前期不同播期间的LAI差异较显著，随着小麦进入旺盛生长后不同播期间的LAI差异减小，到成熟前期不同处理间的差异又逐渐增大。

刘万代等[40]研究表明：

小麦播期延迟后，由于冬前积温不足，个体发育不足，容易引起低密度群体的LAI偏小；早播条件下，各密度处理下的叶面积指数均在孕穗后开始快速减小。

张向前[41]通过实验研究发现，小麦抽穗期和成熟期的群体干物质积累量随播期的推迟呈先增后降的趋势，小麦灌浆中期LAI呈先增后降的趋势。

2.AquaCrop模型研究进展

AquaCrop模型是FAO于2009年组织来自不同国家和研究中心的气候、作物、土壤、灌溉、水资源等领域的科学家、专家以及国际农业研究磋商小组研发的一种新型的作物模型。

自AquaCrop模型发布以来，国外对该模型的开发和应用研究较多，内容涉及模型的综述，模块设计开发，参数调整及验证，模拟应用等等。

而在国内，对于该模型的验证与研究尚属于起步阶段，研究成果较少。

2.1AquaCrop模型概述研究

2009年PasqualeSteduto等[42]在《农学杂志》对AquaCrop模型的概念和基本原则作了详细的介绍；DirkRaes等[43]详细阐述了模型的运行机理和模型的应用性，TheodoreC.Hsiao等[44]介绍了模型参数化过程并对AquaCrop模型的玉米模块进行了校准。

朱秀芳[45]、韩健[46]介绍了AquaCrop模型的基本原理、计算方案以及模型的参数，郝志鹏[47]、尹海霞[48]、项艳[49]介绍了模型的主要特点、功能以及运行流程，王亮[50]对AquaCrop模型运用成果的特点进行归纳，在此基础上，指出了模型在理论合理性和实际适用性等方面存在的问题，并对AquaCrop模型的发展前景进行了展望。

以上研究成果为更深入的了解该模型以及在中国的进一步验证和应用提供有用的背景和参考信息。

众多研究结果证明，AquaCrop模型有很好的模拟精度，AquaCrop作为一个新发展的模型，其适应性还有待进一步验证，研究领域也有待进一步拓宽。

2.2模型对作物产量、生物量的模拟研究

B.Andarzian等[51]在充分以及亏缺水资源条件下，评估了伊朗南部干热环境AquaCrop模型模拟小麦性能的能力，研究了不同的灌溉情景（作物生长阶段水资源的供应以及供水量）对小麦产量的影响。

SodduA等[52]基于意大利1995-2012年气候的变化（最高气温的升高和降雨量的增加）进行撒丁岛南部小麦产量的预测，模型整体表现良好，尤其在1995年极其干旱并出现水分胁迫的情况下，模拟效果亦较好；HamidrezaSalemi等[53]用AquaCrop模型获得了一个产量-水分的二阶函数，用于模拟冬小麦的产量，并对其进行了敏感性分析，并证明模型能够极好的模拟冠层覆盖、作物产量、水分利用效率。

杜文勇[54]等以华北平原冬小麦为研究对象，最终获得预测冬小麦产量和生物量的平均相对误差最低分别为12.39%和14.1%，模型的性能指数均高于0.95，验证了模型的可靠性。

张铁楠[55]等用AquaCrop模型模拟了东北春小麦冠层的生长，结果表明，正常年景比其他年景模拟效果要好。

郝志鹏[47]研究表明，AquaCrop模型对于不同灌水处理下的关中地区冬小麦、常规耕作措施下渭北旱塬区春玉米收获时产量、地上部生物量和生育期内蒸发蒸腾量和生物量的变化过程有很好的模拟精度。

付驰[56]研究表明，AquaCrop模型对松嫩平原春小麦的生物量和产量及生育期土壤体积含水率的模拟结果总体较好。

尹海霞[48]通过模型模拟的春小麦的冠层覆盖度、产量、生物量、土壤水分含量和实测值有很好的相关性，证明AquaCrop模型在定西市有很好的适用性。

在AquaCrop模型的作物模块和田间管理模块中包含了播种、出苗（移栽）、开花等多种农事时间和田间管理措施信息，为研究不同农事时间对产量的影响，探讨不同耕作时间和耕作方式提供了良好的平台[57]。

在优化播种日期的研究中，Araya等[57]利用AquaCrop模型对不同水分条件和不同播种日期下大麦的生长进行了模拟分析。

在优化播种方式的研究中，Erkossa等[58]开展了4年的连续试验评价不同宽度的苗床和不同播种日期对小麦产量的影响，在试验中AquaCrop模型用来估算小麦用水需求，并以此为基础计算和对比分析不同试验中的小麦水生产力，得出苗床宽度与播种日期的最优组合。

三主要研究内容

本研究基于AquaCrop模型，根据江苏省的历史气象资料、土壤资料、冬小麦历史产量资料、田间观测和实验资料等，校准模型的关键参数，对AquaCrop模型在江苏地区冬小麦的适应性进行验证和评价；并利用不同播期试验资料模拟研究冬小麦的生长发育和产量形成。

具体研究内容包括以下几个方面：

1、江苏省气候变化分析

　　收集江苏省不同气象站点的多年历史地面气象和冬小麦产量资料，利用统计检验方法对江苏省近年来气候变化进行分析，以及气候变化对冬小麦产量的影响。

2、AquaCrop生长模型有关参数的调整及适应性评价

根据收集到的资料，建立气象数据库.CLI、作物数据库.CRO、土壤数据库.SOL、管理数据库.MAN，输入AquaCrop模型，结合观测数据和查阅文献，对模型非保守参数进行调试和验证，并且评估模型的适应性，确定符合江苏省冬小麦的AquaCrop生长模型。

3、冬小麦不同播期的模拟研究

　　利用所测得的不同播期的冬小麦数据，与AquaCrop作物模型相连接，结合江苏省气候变化趋势分析结果，利用AquaCrop生长模型模拟不同播期种植条件对江苏省冬小麦生长发育和产量的影响，探索冬小麦冠层覆盖度、水分利用效率以及土壤含水量、土壤蒸发、作物蒸腾的变化。

根据分析结果针对可能产生的不利影响，提出相应的适应性措施与对策建议。

四资料来源和研究方法

AquaCrop模型需要输入或确定的参数包括气象参数、作物参数、田间管理参数、土壤参数。

作物参数和田间管理资料利用项目组已有的试验数据和查找相关文献获取。

模型所要求输入的气象参数包括降雨量、参考作物蒸发蒸腾量（ET0）、气温、CO2浓度。

其中对降雨量、参考作物蒸发蒸腾量、气温数据要求为逐日数据或以10天为步长的数据或逐月数据，CO2浓度数据为模型推荐值。

ET0由FAO组织发布的ET0Calculator软件进行计算。

作物参数包括：

生长发育参数（种植方式，种植密度，冠层覆盖率参数，根系参数，胁迫程度

），蒸发蒸腾量参数，产量形成参数；

田间管理参数包括灌溉制度（灌溉次数、灌溉时间、灌水量），灌溉方式（漫灌、畦灌、沟灌、滴管、喷灌），土壤肥力（无限制、接近理想情况、肥力适中、土壤贫贱、土壤极度贫瘠），地表覆盖情况（秸秆覆盖、地膜覆盖），是否产生地表径流；

土壤参数包括：

各土层土壤的永久性凋萎点、饱和导水率、田间持水量等。

本研究方法如下：

1、试验方法

本研究拟开展大田试验，地点在南京信息工程大学农业气象与生态试验站。

以当地常规种植冬小麦品种为供试作物，采用完全随机试验设计。

设置五期处理：

11月7日、12日、17日、22日、12月4日。

每种处理均有四个重复的试验小区，共有4×5=20个试验小区。

每个试验小区面积3m×3m，相邻试验小区之间间隔距离30cm。

播种时间、播种量和肥料管理措施与当地常规方法相同。

测定项目

（1）主要生育期记载

系统的追踪各播期小麦，记载各播期播种期、出苗期、拔节期、抽穗期、拔节期、孕穗期、开花期、乳熟期、成熟期的准确日期。

（2）冠层覆盖度（CC）的观测：

首先用植物冠层分析仪LAI-2000计算出冬小麦的叶面积指数，作物冠层覆盖度再根据下式求得：

CC=1.005[1-exp（-0.6LAI）]1.2

（3）主要生育期生物量的积累

生物量的积累：

在冬小麦不同的生育期测定一次，每次选出2-3株有代表性的作物植株，从茎基部剪下，获得完整的冠部，将茎、叶和果实器官分开并编号，在105℃下杀青30min，用恒温（80℃）烘至恒重后称重。

将每次取样株数的平均值作为单株各器官的干物质重。

。

（4）产量测定

测定穗数、穗粒数及千粒重，实收核产。

2、模型模拟

验证AquaCrop模型在江苏地区的适用性，模型有效性（ME）、均方根误差法（RMSE）、标准化的均方根误差法（NRMSE）、协同系数（d）等用来比较参数的模拟值和实测值，评估模型的有效性及适用性。

利用AquaCrop模型进行冬小麦生长发育的模拟研究。

本研究技术路线：

五研究目标

1、基于AquaCrop模型，结合江苏省的历史气象资料、土壤资料、小麦历史产量资料、田间观测和实验资料等，确定适用江苏省的冬小麦生长模型，利用AquaCrop生长模型模拟江苏省冬小麦生长发育、产量、冠层覆盖度、水分利用效率以及土壤含水量、土壤蒸发、作物蒸腾的变化；

2、收集江苏省不同气象站点的多年历史地面气象和冬小麦产量资料，利用统计检验方法对江苏省近年来气候变化进行分析，以及气候变化对冬小麦产量的影响。

六拟解决的关键问题

1、作物模型适用性研究中本地化参数值的获得；

2、验证AquaCrop模型对江苏地区冬小麦生长模型的适应性：

校准模型的关键参数，使模型的模拟值与实测值吻合程度良好；

3、模拟江苏地区冬小麦变化情况，探讨不同播期对江苏地区冬小麦的影响。

七特色与创新点

选取江苏为研究区域，以冬小麦为研究对象，对AquaCrop模型进行参数调试及模型评估，验证模型在江苏地区的适用性，并模拟研究冬小麦不同播期对冬小麦生长发育和产量的影响，探索冬小麦冠层覆盖度、水分利用效率以及土壤含水量、土壤蒸发、作物蒸腾的变化。

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