基于APSIM模型的不同施氮处理下青贮玉米产量模拟及其敏感性分析.pdf

作物研究()():收稿日期:作者简介:朱家祺()男硕士研究生:通信作者:李广教授博士博士生导师主要从事绩效评价、农业生态系统恢复、作物模拟模型、系统集成和农业信息化研究:基金项目:甘肃农业大学科技创新基金青年导师扶持基金()甘肃省重点研究发展计划()甘肃省重点人才项目()引用格式:朱家祺李广李元航等 基于 模型的不同施氮处理下青贮玉米产量模拟及其敏感性分析 作物研究():基于 模型的不同施氮处理下青贮玉米产量模拟及其敏感性分析朱家祺李广李元航杨欢(甘肃农业大学信息科学技术学院甘肃 兰州 甘肃农业大学林学院甘肃 兰州)摘 要:氮是限制青贮玉米增产潜力的重要因素而氮肥的合理施用是青贮玉米提效增产的有效措施 以河西甘肃华瑞站点 年青贮玉米试验数据对 模型进行参数率定和验证结合敏感性分析探讨施氮处理对青贮玉米的增产效应 结果表明根据 模型模拟青贮玉米在河西地区的生长、发育、产量的生成当中具有较好适应性结合敏感气候分析基于不同的施氮条件模拟敏感参数为生育期平均温度其变化对模拟结果有较大影响 所有施氮处理下(/节氮)产量最佳 研究结果可为该地区农业生产管理措施的制定提供一定的科学依据关键词:青贮玉米 模型施氮产量敏感性分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()():(/):玉米是世界主要粮食作物在全世界的种植面积达到了 至本世纪以来玉米都是全作物研究()年 月球种植面积最大的粮食作物并长期以来保持稳定的产量增长 从玉米的生长发育来看其生长的关键元素为氮素在玉米种植过程当中培育关键在于施氮肥氮素是否饱和影响玉米的品质、产量 我国为提高玉米的产量及质量长期在玉米种植中施用氮肥给农田造成了一定的污染对大气、土壤、水体、生物多样性等都有很大影响 因此在玉米种植过程中如何科学地施用氮肥成为近年的重点研究课题当前许多学者结合大田试验通过对玉米种植进行不同的施氮处理研究不同氮素处理下的产能影响 同时结合 模型对玉米的生长、发育、产量形成过程进行模拟并结合敏感性分析进行研究 但是通过 的模拟模型对差异化青贮玉米施氮处理的产量、气候敏感性研究相对不足 模型作为机理基础较强的模型对作物种植方式、耕种方式、玉米品种等已取得较好的模拟模型构建成果认为 具有较大的使用范围和较高精确表现 本研究拟定试验区土壤类型、玉米品种、试验区气象数据针对不同的施氮量设计探究青贮玉米产量效应并利用农业生产系统 模型模拟 年不同施氮处理下的甘肃河西地区旱地青贮玉米的产量变化过程探究其内部机制及互作效果实现节氮、高产、高效和环境保护的目标并通过气候敏感性分析找出影响青贮玉米产量增加最为敏感的气候因子为实现有效施氮和青贮玉米增产提供相关的科学依据 材料与方法 研究区概况试验区位于甘肃省张掖市民乐县甘肃华瑞牧场()平均海拔 年平均气温 全年总辐射量 /日照 年平均降水量 年平均湿度年总蒸发量 年平均风速 /全年无霜期 该地降雨稀少蒸发量大属于温带大陆性荒漠草原气候农业生产主要以灌溉为主水浇地达到总耕地 以上是典型的绿洲灌溉农业区 土壤类型为砂质土容重为 /土壤全氮、硝态氮、氨态氮、值分别为 /、/、/、田间试验设计试验于 年在甘肃华瑞牧场试验基地进行 供试作物为金岭青贮 号玉米 氮肥施用量分别为(/前期经验)(/节氮)、(/节氮)、(不施氮肥)每个处理组灌水按经验值 /进行 每个水平重复 次随机区组排列 月 日左右播种 月 日左右收获 采用 穴 株的传统种植方式带行穴距为 (株/)模型 模型概述 是一种机理模型 该模型使用通用生长过程对作物的发育、生长进行模拟 本研究应用土地模型对水分、养分等在土壤中的动态流通过程进行仿真模拟 模型调参 所使用的检验指标通常为统计性参数包括:实测值和模拟值间的决定系数、均方根误差()、归一化均方根误差()、一致性指数均方根误差()通过模型所模拟的实测值和模拟值之间的重合度受到精确度、误差等的影响 通过指标、反应模型模拟偏差偏差范围为 其中所得值越接近 则模拟效果越佳越接近 则模拟效果越差 指标能够更敏感地反馈模拟误差 用于反馈绝对误差也就是实测值和模拟值之间的误差量数值越小则模拟评价一致性越好 一般模拟评价为:(很好)(较好)(差)、指数 计算方法:()()()()()()()()()()()()式中:模拟值实测值数据实测均值数据模拟均值样本数量第 卷第 期朱家祺等:基于 模型的不同施氮处理下青贮玉米产量模拟及其敏感性分析为了最大化实现模型的模拟误差降低一般通过“试错法”来调整参数确定的作物遗传参数如表 所示 其中出苗期至拔节期结束积温、光周期临界值、光周期斜率和开花至成熟所需有效积温用来调试青贮玉米的开花期及成熟期每植株最大籽粒数和灌浆速率用来调试青贮玉米地上部分生物量及产量表 作物(金岭青贮 号)参数 ()品种参数名称 定义值出苗到拔节结束积温/()光周期临界值/光周期斜率/()开花成熟所需有效积温/()每株最大籽粒数 灌浆速率/()敏感性分析结合 的模型模拟为更好地分析青贮玉米生长中不同施氮量对其产量的影响探究影响产量的敏感性因素在本研究中利用 年 月的模拟研究结果通过 的敏感性分析分析影响玉米产量的条件 本研究选择的敏感因子包括生育期降水量及温度并对生育期降水量设置、对生育期平均温度设置的范围 将变化后的敏感因子参数代入到模型当中定量比较分析玉米产量在不同施氮条件下的模拟结果通过敏感指数()对输入不同因子影响青贮玉米产量变化的敏感性进行量化()/()式中:、分别代表不同输入参数下的最大、最小、平均模拟结果、分别代表最大、最小、平均的参数输入值 越大则代表对应敏感因子有较高敏感性表现当且当 输入的参数和模型的模拟结果呈线性正相关当且当 其中 处理的玉米产量明显高于其他 种处理说明施氮 /对青贮玉米具有较好的增产效益同时 施氮 /()和施氮 /()的青贮玉米产量相对接近并且都相对偏低 处理的产量略大于 说明过量施氮和过量节氮都不能有效地促进玉米增产反而大量投放氮肥会对环境和土壤造成破坏和污染 在 种施氮处理中不施氮肥()的处理使青贮玉米产量急剧下降说明氮素对玉米增产必不可少 气候敏感性分析玉米在过高温度下生长会出现气孔关闭、光合作用降低的情况影响玉米的灌浆期及灌浆速率最终影响其产量 而降水量则会影响作物的土壤环境对玉米产量产生间接性影响 在影响青贮玉米产量的众多气象因子中选取温度和降水量两个模型参数进行敏感性分析 由表 可知通过对输入参数的敏感性分析不同梯度施氮处理下生育期平均温度对青贮玉米产量的影响度高于生育期降水量图 年青贮玉米模拟产量图 表 敏感性分析 参数基础测试范围敏感指数温度 降水量 模拟结果显示:以基础情景生育期平均温度()为标准调整区间为 其中当温度区间在 时各施氮处理下青贮玉米产量上升温度调整为 时各施氮处理下青贮玉米产量下降如图()所示 以基础情景生育期降水量()为基准点设定的降水量区间基于不同程度的施氮处理青贮玉米呈现幅度不明显的线性产量增加如图()甘肃华瑞牧场位于甘肃省河西走廊干旱地区主要依赖于灌溉降雨较为缺乏由于大量灌溉第 卷第 期朱家祺等:基于 模型的不同施氮处理下青贮玉米产量模拟及其敏感性分析使青贮玉米水分充足故此降水对青贮玉米产量的影响不明显 结合表 通过对不同程度施氮下 的变化对比可得出气候因素当中影响青贮玉米产量的敏感参数为温度两者之间呈线性正相关图 气候变化对青贮玉米产量影响的模拟结果 讨论本研究基于 年甘肃华瑞牧场大田试验数据和站点实测气象数据对 模型进行验证 结果显示 模型可较准确地反映不同施氮处理对当地青贮玉米产量的影响 本研究发现当施氮量为 /()时该试验区青贮玉米产量最佳在此范围内青贮玉米的产量随着施氮量的减少而增加产量范围有增加的趋势呈现为正效应当超过这一最优值时继续减少氮肥则会造成青贮玉米产量降低 王兴强等认为施氮作为重要性影响因素合理使用是影响玉米产量的重要因素 其次过量使用氮肥不仅造成严重的资源浪费还对生态环境造成一定破坏 苗三明等认为一定程度上合理减少氮肥施用可以有效地提高玉米产量当达到最优值后继续减少氮肥的施用玉米产量将呈现下降趋势 这与本试验结果相同通过 模型进行生长模拟可以对气候、土壤、作物参数、田间管理等进行综合考虑是研究农作物生长的一种有效手段但模型模拟毕竟不能周全各种影响性因素与现实生态仍然存在差异 在本研究中仅考虑了氮素对作物产量的影响而现实的作物生长当中病虫草害、气象灾害等因素都会影响作物生长需要在以后的研究中加以完善 结论利用 模型探讨不同施氮处理对河西青贮玉米产量的影响并根据研究区 年的站点大田试验修改青贮玉米的属性参数对模型的有效性进行检验决定系数()分别为 、归一化均方根误差()分别为 、模型一致性指标()分别为 、研究结果表明:玉米产量的实测值和模拟值之间呈线性正相关关系归一化均方根误差、有效参数均满足模型检验表明该模型在研究区域内具有较好的模型拟合和适应能力 基于甘肃华瑞牧场气象数据模拟结果表明 处理相较于其他几种施氮处理对青贮玉米有较好的增产效应最佳产量时所需的施氮量为 /其次年平均温度是模型模拟青贮玉米产量在不同施氮处理下最敏感的影响因子其各处理敏感性指数呈正相关参考文献:/./宁堂原焦念元李增嘉等 施氮水平对不同种植制度下玉米氮利用及产量和品质的影响 应用生态学报():姜佰文高强王春宏等 氮素形态调控对春玉米生长发育、产量和品质的影响 东北农业大学学报():刘新宇巨晓棠张丽娟等 不同施氮水平对冬小麦季化肥氮去向及土壤氮素平衡的影响 植物营养与肥料学报():(下转第 页)第 卷第 期钱雪松等:移栽期对云烟 碳代谢产物及其关键酶活性的影响粉酶和转化酶活性动态变化 中国烟草科学():张新要刘卫群易建华等 红壤、水稻土上不同氮素形态配比对烤烟碳氮代谢关键酶活性的影响云南农业大学学报():师会勤 烤烟叶片中主要酶活性变化规律的研究进展 南昌高专学报():徐安传胡巍耀王超等 应用近红外技术直接检测烟丝常规化学成分的研究 激光与红外():拓阳阳 延边烤烟碳氮代谢及其与品质关系研究郑州:河南农业大学 叶沁鑫 生物有机肥与无机肥配施对烤烟氮素供应及烤烟生长、品质的影响 雅安:四川农业大学 任竹赵会纳曾陨涛等 不同生态区烤烟蔗糖代谢关键酶活性的变化 贵州农业科学():周俊成吴晶晶陈小翔等 移栽期对云烟 烤后烟叶碳氮代谢产物及感官质量的影响 特产研究():曾文龙陈爱国周道金等 移栽期对烤烟品质及香气前体物含量的影响 江西农业学报():卢鹏宇刁朝强周建云等 移栽期对贵烟 号产质的影响 南方农业():李峥潘飞龙方明等 烟叶发育过程中糖代谢相关酶活性及基因的表达分析 中国农业科技导报():史宏志韩锦峰 烤烟碳氮代谢几个问题的探讨烟草科技():郜军艺邱忠智周俊成等 移栽期对云烟 碳代谢关键酶活性及基因表达分析/分子植物育种:/鲁黎明曾孝敏张永辉等 施氮量对烤烟糖代谢关键酶活性及其基因表达的影响 中国烟草科学():(上接第 页)张丽娟巨晓棠张福锁等 土壤剖面不同层次标记硝态氮的运移及其后效 中国农业科学():王朝辉李生秀王西娜等 旱地土壤硝态氮残留淋溶及影响因素研究 土壤():():王寅冯国忠张天山等 控释氮肥与尿素混施对连作春玉米产量、氮素吸收和氮素平衡的影响 中国农业科学():徐芳 利用 模型研究气候变化对玉米生产的影响机制和应对措施 杨凌:西北农林科技大学 马瑞丽李广王钧等 基于 模型的不同施肥处理下春玉米产量模拟及气候敏感性分析 玉米科学()():谢明君李广马维伟等 水分对河西青贮玉米土壤化学计量比及稳态性的影响 干旱区研究():黄明霞王靖唐建昭等 基于 模型分析播期和水氮耦合对油葵产量的影响 农业工程学报():茹晓雅李广闫丽娟等 基于 模型模拟水氮调控对旱地春小麦产量的影响 草业科学():戴嘉璐李瑞平李聪聪等 河套灌区不同水肥处理对玉米生长影响的 模型模拟 水土保持学报():姚瑶李广王钧等 不同耕作措施下旱作春小麦农田二氧化碳排放模拟及敏感性分析 干旱地区农业研究():刘刚 浅析温度对玉米产质量的影响 农家参谋():王兴强郭丽琢王红艳 不同、配方施肥对玉米干物质积累及产量的影响 农业科技与信息():陈妮娜纪瑞鹏米娜等 春玉米生长发育、产量和籽粒品质对减量施氮的响应 气象与环境学报():苗三明党久占赵晓宇等 河套灌区玉米一穴双株间作大豆种植模式最佳施氮量研究 北方农业学报():