高温胁迫下ORYZA2000模型对水稻生殖生长的模拟与改进

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水稻是中国乃至世界重要的粮食作物,水稻物候发育的准确模拟对改善稻田管理、预防水稻气象灾害和保障我国粮食安全具有重要意义。ORYZA2000模型以积温学说为基础,即假设水稻完成某个物候发育阶段需要一定的有效热量(Effective Heat),然后通过累计逐日热效应判断何时完成发育阶段和模拟发育进程。然而,有效热量的计算依赖温度影响函数,该函数的定义和参数值的确定很大程度上决定了模型的模拟精度。本研究拟通过两年试验,改进水稻物候发育模型的温度影响函数和参数,提出适用于供试品种的水稻生育期模拟模型。为此,以“陵两优268”和“两优培九”水稻为供试品种,于2019-2020年在南京信息工程大学农业气象试验站进行分播期试验和人工气候箱控制试验,每年分3期播期。分析高温胁迫对水稻生殖生长阶段物候发育速率的影响,将blackman和beta温度影响函数引入ORYZA2000模型,在参数标定的基础上,替换ORYZA2000模型中水稻发育期模型的温度影响函数,并将水稻冠层温度引入模型,以提高ORYZA2000模型对水稻生殖生长阶段物候发育和其他生长要素的模拟精度。得到的研究结论如下:(1)高温胁迫处理后水稻的最大净光合速率降低,45℃/35℃20d处理后,“陵两优268”和“两优培九”两品种水稻比对照处理分别最大下降了8.3μmol·m-2·s-1、6.4μmol·m-2·s-1。高温胁迫后水稻叶面积指数(LAI)和干物质量降低,45℃/35℃20d处理后,“陵两优268”和“两优培九”品种LAI分别最大下降了1.99、2.04,地上部分干物质总量分别最大减少了5629 kg/ha-1、5746 kg/ha-1。(2)适当的高温胁迫可以加速水稻生殖生长阶段物候发育,但在严重高温胁迫下水稻物候发育速率降低。当热积温分别为115.4℃d和111.8℃d时,“陵两优268”和“两优培九”两品种水稻生殖生长阶段发育速率最快,生殖生长阶段天数分别为61d、68d。当热积温分别增加到211.8℃d和220.0℃d时,两品种水稻生殖生长阶段天数分别延长到77d、83d,分别增加了16d、15d。(3)在多元线性回归模型、BP神经网络模型、支持向量机模型中,支持向量机模型对水稻冠层温度模拟最准确。支持向量机模型对“陵两优268”品种水稻晴天低层冠层温度模拟平均绝对误差最大,为1.48℃,对雨天高层冠层温度模拟平均绝对误差最小,为0.82℃,对“两优培九”品种水稻晴天低层冠层温度模拟平均绝对误差最大,为1.47℃,雨天高层平均绝对误差最小,为0.83℃。在不同天气中,雨天冠层温度模拟最准确,晴天误差最大。在不同冠层高度中,低层误差最大,高层误差最小。(4)在双线性函数、blackman函数和beta函数中,beta函数作为温度影响函数对水稻生殖生长阶段物候发育模拟误差最小,相比双线性函数,对“陵两优268”和“两优培九”两品种水稻生殖生长阶段天数模拟平均绝对误差分别从4.00d、8.83d降低到3.50d、7.83d,降幅分别为12.50%和11.33%。这表明beta函数描述的水稻物候发育速率随温度的变化关系更符合实际,因此作为替换函数,有效降低了ORYZA2000模型对水稻生殖生长阶段物候发育模拟的误差。该研究结果表明,通过改进温度影响函数来改进作物模型对提高特定品种的生长发育模拟精度具有可行性。(5)使用冠层温度模拟水稻生殖生长阶段物候发育比使用环境温度更为准确,利用观测的冠层温度模拟水稻物候发育时,“陵两优268”和“两优培九”品种生殖生长阶段天数模拟的平均绝对误差分别为2.67d、7.33d。利用模拟的冠层温度模拟水稻生殖生长阶段天数的平均绝对误差分别为3.17d、7.50d,误差大于利用观测的冠层温度,但模拟精度仍高于使用环境温度。(6)准确模拟水稻物候发育可以有效提高ORYZA2000模型对水稻LAI和干物质积累的模拟准确性,这是由于模型对LAI和干物质积累的模拟过程与物候发育参数有关。通过提高物候发育模拟精度,可以改善模型对干物质模拟所需的比叶面积(SLA)和干物质分配系数等过程参数的模拟。
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