基于辐射捕获与利用的玉米大豆间作群体生长和产量模型

基于辐射捕获与利用的玉米大豆间作群体生长和产量模型

在世界范围内，随着人口的快速增加、耕地的持续减少以及水资源的日益稀缺，食品安全受到了严重威胁。为保证粮食供给,不仅需要提高单位面积单季的粮食产量,还需要提高复种指数,使有限的农业资源得到更充分的利用。间作是一种在时间和空间上实现种植集约化的种植方式,能够充分利用太阳辐射、水、肥、耕地等自然资源,从而提高单位面积产出率。由于间作具有充分利用资源和高产高效的特点,将在未来农业持续发展中占有越来越重要的地位。在发展中国家,尤其在水资源有限的情况下,谷类/豆类间作在粮食生产中起重要作用。谷类作物的冠层结构和根系不同于豆类作物,在大多数谷类豆类间作系统中,谷类作物形成高于豆类作物的冠层结构,且谷类作物根系深于豆类作物,使间作群体内作物对资源如辐射、水分和养分可能有不同的时空利用,利用效率高于单作。当不受水分、养分、虫害和杂草等因素限制时作物产量主要取决于作物截获的辐射量。在作物生育期内辐射截获率是变化的,取决于冠层叶面积。对于单作和间作系统,作物生物量都与辐射截获量呈正相关。对于单作系统已经建立了很多作物模型,但能很好地模拟间作作物的模型很少。本研究建立并验证了玉米/大豆间作条件下作物的生物量积累模型,为探讨间作系统的生物量积累与分配、建立间作种植的高产栽培措施提供理论依据。1材料和方法1.1玉米与大豆种植时间试验于2006~2008年在商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站(34.27°N,115.4°E)进行。该站海拔51m,多年平均降雨量705.1mm,多年平均蒸发量1751mm。土壤为潮土,成土母质为黄河冲积后的沉淀物。耕层土壤含有机质9.8g·kg-1、全氮0.78g·kg-1、碱解氮56.4mg·kg-1、速效磷10.5mg·kg-1、速效钾52.6mg·kg-1。供试玉米(Zeamays)品种为“郑单958”,大豆(Glycinemax)品种为“豫豆22”。玉米和大豆同时播种,播种日期为2006年4月22日、2007年4月16日和2008年4月16日;玉米收获日期为2006年8月20日、2007年8月18日和2008年8月20日,大豆收获日期为2006年8月27日、2007年8月25日和2008年8月27日。试验设2种间作种植模式,分别为玉米/大豆1∶3种植(I13)和玉米/大豆2∶3种植(I23),重复4次,试验小区面积为6m×10m。玉米行与大豆行相距30cm,玉米行距30cm,玉米株距30cm,大豆行距30cm,穴距20cm。试验在大田条件下进行,灌水、施肥及作物管理按当地习惯进行,以充分保证作物生长发育需求为基础。1.2玉米和大豆样品的采集生育期内每7~10d测定1次地上部生物量,每个小区每种作物分别取5株作为1个样本。玉米样本进一步分解为叶片、茎秆、穗分别测定,大豆样本分解为叶片、茎秆、豆荚分别测定。采集的鲜样品先在105℃下杀青1h,然后在80℃条件下烘24h后称重。利用实验站的自动气象站(Davis,USA)观测气温、相对湿度、风速、辐射、降雨量等气象因子。1.3统计分析式中,xi和yi分别为观测值和计算值,n为成对数据的个数。xi′=xi-x,yi′=yi-y,x和y为观测值的平均值。2作物冠层能量转化Sinclair和Gardner指出作物的生长与产量形成可分为如下4个过程:第1,作物冠层截获辐射为作物生产提供能量;第2,截获的辐射转化为作物生物量的效率决定作物的生物量;第3,作物生物量的累积时间决定作物的总生物量;第4,累积的生物量分配到果实部分的比例影响作物的产量。2.1玉米生长与林木生长的关系利用Tsubo等提出的基于辐射截获与利用的作物模型模拟间作群体的总生物量和产量:营养生长阶段:生殖生长阶段:式中,BM为地上部生物量(g·m-2),RUE为辐射利用效率(g·MJ-1),PAR为光合有效辐射(Photosyntheticallyactiveradiation,MJ·m-2·d-1),F为PAR截获率,i为出苗后天数,k为开花日期(用出苗后天数表示),Y为玉米和大豆的籽粒产量(g·m-2),n为成熟日期(用出苗后天数表示)。在作物营养生长阶段,RUE定义为BM与PAR截获量的比值。在生殖生长阶段,如果RUE定义为Y与PAR截获量的比值,则Y可用下式计算:2.2作物出苗日期的计算用生长度日(Growingdegreedays,GDD,℃-day)确定作物的出苗、开花与成熟时期。作物的出苗取决于可利用土壤水量与温度。GDD用下式计算:式中,j为播后天数(Daysafterseeding,DAS),m为出苗日期,Tmax和Tmin分别为最高和最低温度(℃),Tbase为基准温度(生长发育停止的最低温度,℃)。GDD有两种计算方法:(2)如果Tmax<Tbase,则Tmax=Tbase;如果Tmin<Tbase,则Tmin=Tbase;如果Tmax>Tupper,则Tmax=Tupper。式中,Tupper为作物正常生长的上限温度(℃)。对于谷类和豆类作物,Tbase和Tupper分别设定为10℃和30℃。本文采用方法(2)计算GDD。可以用GDD确定作物的出苗日期。从播种到出苗,C3作物的平均GDD为60.0℃,C4作物的平均GDD为49.4℃。用Allen等提出的生育周期和Angus等给出的从播种到出苗的平均GDD估算玉米和大豆的GDD值。玉米和大豆的播种日期均定为4月15日。根据2006年和2007年的试验数据可得出,玉米从出苗到开花的GDD为810℃,从开花到成熟的GDD为1019℃;大豆出苗到开花的GDD为760℃,从开花到成熟的GDD为1068℃。2.3par/sr的变化通常可以根据PAR与太阳辐射(Solarradiation,SR)的比例来估算PAR。大气上方PAR约为SR的40%,当SR进入大气层后,PAR/SR的比例有所增加。一些研究表明PAR/SR的值在0.45~0.50之间。PAR/SR受气象因素的影响较大,不同地区、不同时间的PAR/SR值存在差异。根据辐射的观测值,可以建立PAR的估算公式:式中,FPAR和FSR分别为每日的PAR和SR(MJ·m-2·d-1),ηPAR为PAR/SR值。ηPAR不是一个常数,不同地点、不同季节、不同天气条件下ηPAR值不同。图1a给出了试验点2008年4~7月间ηPAR的变化过程,ηPAR的平均值为0.47。ηPAR随气象因子变化而变化,可用下式进行计算:式中,E*=E×P0/P,E为水汽压(hPa),P0为海平面处的标准气压(hPa),P为试验点处实际气压(hPa),a和b为拟合系数,a=0.2956,b=0.0555(图1b)。2.4玉米叶面积指数的计算对于玉米/大豆间作群体,冠层可分为上下两层,上层只包括玉米,下层包括玉米和大豆。上层玉米的辐射截获率(FM-upper)为:式中,LM-upper为上层玉米的叶面积指数,KM为玉米的消光系数。根据Keating和Carberry提出的方程,下层玉米和大豆截获的辐射率(FM-lower和FB)为:式中,LM-lower和LB为下层内玉米和大豆的叶面积指数。式(11)和(12)考虑了高秆作物玉米对低秆作物大豆的遮阴。假定叶片随机分布,可用下式计算LM-upper和LM-lower:式中,hM和hB为玉米和大豆的株高(cm)。3玉米生物量模型图2给出了I13和I23处理玉米和大豆生物量模拟值与观测值的对比,其相关系数在0.85以上。模型模拟I13处理玉米生物量的MBE为38.95,RMSE为46.44,d为0.97;模拟I13大豆生物量的MBE为2.38,RMSE为4.39,d为0.98。模型模拟I23处理玉米生物量的MBE为47.74,RMSE为53.26,d为0.96模拟I23大豆生物量的MBE为1.18,RMSE为4.26,d为0.98。在营养生长阶段和生殖生长阶段模型均高估了I13和I23处理玉米生物量;在营养生长阶段,模型高估了I13和I23处理大豆生物量。对PAR的估算以及消光系数的选用是该模型主要的误差源。当天气从晴变为多云时,ηPAR由小变大。本研究中ηPAR取平均值0.47,在估算PAR时会产生一定的误差。冠层消光系数受入射辐射、行距和株距和作物密度等因素的影响,本文玉米和大豆的消光系数取值分别为0.45和0.60。消光系数的大小影响冠层的辐射截获量,进而影响作物的生物量及产量,最终影响模型的