水稻潛在產(chǎn)量模擬和氮肥優(yōu)化決策支持系統(tǒng)研究.pdf

1、作物生長模擬的研究始于20世紀60年代，是隨著系統(tǒng)分析方法和計算機技術(shù)在作物科學(xué)中的應(yīng)用而興起的。作物生長發(fā)育的動態(tài)模擬將作物及其生態(tài)環(huán)境因子作為一個整體，對作物生長發(fā)育、產(chǎn)量形成及其與環(huán)境和管理技術(shù)之間的動態(tài)關(guān)系加以理論概括和數(shù)量分析，建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。作物生長模擬已經(jīng)涉及到很多種作物，包括水稻、小麥、玉米、大麥、棉花、大豆、馬鈴薯和高粱等。其中水稻生長發(fā)育模擬是作物模擬研究中的一個重要內(nèi)容。 水稻是我國的主要糧食作物之一

2、，在稻田生態(tài)系統(tǒng)中，氮素往往又是水稻生產(chǎn)的重要限制性因素。我國水稻生產(chǎn)現(xiàn)狀是氮肥施用量過大，氮肥利用率低。基于水稻生理生態(tài)過程建立的動態(tài)模擬模型為不同生態(tài)條件下水稻生長的氮肥管理提供了一條新途徑。 本文查閱了國內(nèi)外水稻生長模擬領(lǐng)域的研究進展，總結(jié)了近年來在浙江開展的水稻肥料田間試驗，修正了WOFOffT(World Food Study)模型的部分參數(shù)，利用經(jīng)過校正的WOFOST模型模擬了水稻的動態(tài)生長過程和潛在產(chǎn)量，分析了目前

3、水稻產(chǎn)量遠低于潛在產(chǎn)量的主要原因；并在養(yǎng)分決策支持系統(tǒng)NuDSS(NutrientDecision Support System)的基礎(chǔ)上組建了水稻氮肥優(yōu)化決策支持系統(tǒng)ONIR(ADecision Support System for Optimization ofNitrogen to Irrigated Rice)。利用該系統(tǒng)推薦浙江水稻的最佳氮肥施用方案，為提高水稻的氮肥利用率和水稻產(chǎn)量，防止氮肥過量使用具有重要指導(dǎo)意義。本文的主

4、要研究結(jié)果如下： (1)探索了水稻群體生長特性及產(chǎn)量形成規(guī)律。利用雜交稻兩優(yōu)培九和常規(guī)稻秀水994作為研究材料，對水稻的產(chǎn)量組成、葉面積、干物質(zhì)生產(chǎn)以及群體生長率(CGR)的研究表明，每穗實粒數(shù)以及生物學(xué)產(chǎn)量均與稻谷產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(0.9561<'*>，0.9573<'*>)，但產(chǎn)量與收獲指數(shù)關(guān)系不密切。葉面積系數(shù)(LAI)與移栽后的天數(shù)均呈極顯著的二項式相關(guān)。兩優(yōu)培九的最高LAI達到8.24，而秀水994只有6.93。隨著水

5、稻群體總干物質(zhì)的增長，不同時期分別有不同的分配中心：移栽期～幼穗分化期的分配中心是葉片，幼穗分化～抽穗期的分配中心是葉鞘和莖，抽穗～生理成熟期的分配中心是穗；CGR(Crop Growth Rate)在幼穗分化～抽穗期達到最大值，抽穗～生理成熟期的CGR則與產(chǎn)量顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達0.9696<'*>，其余時期相關(guān)不顯著。 (2)實施了水稻氮肥優(yōu)化田間試驗。2001～2002年早稻和中稻的氮肥優(yōu)化田間試驗表明，在施肥次數(shù)固定的情

6、況下，金早22和汕優(yōu)63生長后期從植株轉(zhuǎn)移到穗的干物質(zhì)(Post-DMR)和氮素(Post-NR)隨著施肥量的增加而增加，但氮肥回收率(RE)、農(nóng)學(xué)利用率(AE)、生理利用率(PE)降低。抽穗期植株的高氮濃度和高氮積累是水稻生長后期干物質(zhì)生產(chǎn)和氮再分配的基礎(chǔ)，但是高氮濃度會加劇后期氮的揮發(fā)，從而降低水稻的氮肥利用率(NUE)。氮肥集中在前期施用的農(nóng)民常規(guī)施肥(FFP)幼穗分化期的干物質(zhì)積累(DMA)和氮積累(NA)顯著高于實地氮肥管理(

7、SSNM)和實時氮肥管理(RTNM)，但是水稻生長后期的DMA則比較低。SSNM和RTNM策略顯著提高了兩個品種的RE、AE和PE。原因是FFP幼穗分化前干物質(zhì)和氮的積累多，這樣會造成比較多的無效分蘗，同時也會引起水稻中后期氮肥供應(yīng)的不足。農(nóng)民常規(guī)施肥引起浙江稻田低的氮肥利用率的主要原因一方面是氮的大量投入，另一方面是氮肥施用時間的不合理，氮肥施用與水稻的生理需求不一致。相對于目前的施氮量來說，氮的施用量降低15％(金早22)和45％(

8、汕優(yōu)63)不會造成產(chǎn)量損失。由于RTNM策略下，汕優(yōu)63的氮肥施用量僅為60kg ha<'-1>，遠遠低于成熟期植株的氮肥積累量，這會對土壤肥力造成負面影響。因此SSNM策略優(yōu)于其它氮肥管理策略。 (3)水稻生長模型WOFOST的校正及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用。WOFOST模型是荷蘭瓦赫寧根農(nóng)業(yè)大學(xué)和世界糧食研究中心共同開發(fā)研制的，是模擬特定的土壤和氣候條件下一年生作物生長的動態(tài)的、解釋性模型。該模型在中國水稻管理方面的應(yīng)用還是空白。本

9、研究利用2001-2003年在金華市和2004年在杭州市的水稻田間試驗以及大量的文獻資料，對WOFOST模型的部分參數(shù)進行了修正，并利用修正后的模型對浙江水稻生長動態(tài)進行了模擬和驗證。研究結(jié)果表明，經(jīng)過校正后的WOFOST模型基本適用于浙江地區(qū)水稻生長的模擬分析，可以成功地用于浙江主要水稻品種生長過程的模擬以及潛在產(chǎn)量的計算。由WOFOST模型計算得到浙江中部地區(qū)秀水11、協(xié)優(yōu)46、兩優(yōu)培九和汕優(yōu)63的潛在產(chǎn)量分別為9.5、10、13和

10、12.5 t ha<'-1>，與水稻的實際產(chǎn)量存在很大的差距。這種差異的產(chǎn)生可能與當?shù)剞r(nóng)民施肥重前期，輕中后期有關(guān)。這種施肥模式往往會造成水稻前期養(yǎng)分過多，后期養(yǎng)分供應(yīng)不足的情況。因此，有必要對目前水稻的田間管理措施進行重新審視。 (4)創(chuàng)建了浙江水稻氮肥優(yōu)化決策支持系統(tǒng)ONIR。該系統(tǒng)是利用NuDSS與自創(chuàng)的NSAM(N Splitting.Application Model)有機結(jié)合而成的。NuDSS是近年來國際水稻研究所以

11、QUEFTS(QUantitative Evaluation of the Fertility of TropicalSoils)模型和實地養(yǎng)分管理(SSNM)技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的養(yǎng)分決策支持系統(tǒng)，該模型可以確定目標產(chǎn)量下水稻最佳需肥總量；氮肥分次適用模型NSAM(Nitrogen Splitting Application Model)是我們根據(jù)水稻生長發(fā)育規(guī)律和養(yǎng)分平衡供應(yīng)原理建立的，目的是確定各生育期的氮肥施用量，也就是氮肥的分次

12、施用量。系統(tǒng)驗證結(jié)果表明，模擬值與實測值均落在直觀圖1∶1線附近，線性回歸t檢驗半均大于0.05，斜率α在0.847～1.034之間，相關(guān)系數(shù)R<'2>在0.85～0.99之間。絕對均方根(RMSE absolute)為1～138kg ha<'-1>，規(guī)范均方根(RMSE normalised)為9～24％。依據(jù)WOFOST模擬的水稻潛在產(chǎn)量，浙江晚稻和中稻目前合理的目標產(chǎn)量可以分別設(shè)定為7.3和8.3 tha<'-1>。利用ONIR推