基于WOFOST模型的春玉米生长模型精细化及其应用

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玉米是我国主要粮食作物之一,玉米生产对改善国民生活水平和国家粮食安全都起着重要的作用。随着气候变化的不断加剧,农业气象灾害对粮食生产的影响日益严重。因此,开展研究玉米的生长状况监测情况以及农业气象灾害对玉米生长的影响是具有十分重要的现实意义。因此依托作物生长模型,构建精细化玉米生长监测评估模型,实现对玉米长势的动态监测和对干旱灾害的定量化和精细化评估具有重要意义。本文利用1981~2015年辽宁省62个国家站的逐日气象要素和15个农业气象站的玉米发育期观测资料等分析了辽宁省近35年春玉米生长季内的气温、降水和日照时数的时空变化规律。基于WOFOST作物生长模型利用MLR插值方式等技术构建了辽宁省精细化春玉米生长模型,实现对全省春玉米长势的动态监测。同时利用水分亏缺距平指数和精细化春玉米生长模型对2015年夏季干旱进行定量化、精细化评估,主要结论如下:(1)1981~2015年辽宁省春玉米全生育期内逐年气温上升趋势明显,气候倾向率为0.213℃/10a,逐年降水量变化趋势不明显,总体呈波动分布,逐年日照时数波动较大,总体呈下降趋势,但下降趋势不显著。空间分布上,气温的大值区位于辽宁中部和环渤海一带,低值区位于朝阳建平高原和辽宁东部山区,降水量由西北到东南逐渐增多,日照时数总体呈现由西北到东南逐渐减少的趋势。研究各生育期内的气象条件变化可知,播种~三叶期内气温升高显著,气候倾向率为0.37℃/10a。其他时段内气温波动性较大,上升趋势不明显。降水和日照时数在各生育期内的变化不显著。空间分布上,各生育期内气温总体呈现西部高于东部、沿海高于内陆的特点。降水和日照时数的变化情况与生长季内降水和日照时数变化情况大体一致。(2)利用锦州气象试验站2010~2014年气象资料和玉米发育期资料对WOFOST模型的积温等参数进行调整,并对调整后的WOFOST模型进行检验。利用调整后的WOFOST模型模拟了2015~2016年锦州站春玉米的生长发育过程,并通过与人工观测数据比较,模型模拟的出苗日期比实际观测值平均偏早1.5天,开花期比实际观测值平均偏晚2.0天,成熟期比实际观测值平均偏早7天。利用辽宁省DEM高程数据提取经度、纬度、海拔、坡度和坡向等地理信息和地形要素。利用气象要素与其做相关性分析发现,最高气温、最低气温、降水量、水汽压和太阳辐射与地理信息存在显著性相关,近地面2米平均风速未通过0.05信度检验。最后将WOFOST模型所需的气温、降水量、水汽压、风速和太阳辐射等气象要素利用MLR混合插值法和反距离加权法插值到100米×100米的网格点,实现WOFOST模型的区域化和精细化。利用Gdal和Matlab技术实现对空间网格点的提取和回归方程的拟合,并结合WOFOST模型构建精细化春玉米生长模型,并实现了对春玉米生长的动态监测。(3)利用作物水分亏缺距平指数研究了2015年辽宁省各气象站逐日干旱发生情况。研究表明,2015年春玉米生长季内辽宁省农业干旱时段呈双峰型。选取7月1日~7月28日的干旱过程作为研究对象,利用精细化春玉米生长模型对干旱过程进行定量化评估。从单站分析,此次干旱过程对朝阳影响最小、本溪次之、旅顺最大。叶面积指数分别减少了1.8%、5.2%和7.4%,地上部分总干物质重分别减少了2.0%、8.3%和8.7%。空间分析来看,干旱过程对辽宁省的玉米产量均有影响。辽宁东部和南部减产率最大,均在4.0%以上;辽宁西部减产率次之,在3.0%~4.0%之间;辽宁北部减产率最小,低于2.0%。综上所述,此次干旱过程对辽宁省东部和南部的影响最大、西部次之、北部最小。
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