马铃薯灌水量智能决策模型的研究

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马铃薯是张家口坝上地区的主要粮食作物,而水资源短缺成为制约当地马铃薯产业发展的重要因素,因此,该文基于Aqua Crop模型对马铃薯灌水量的智能决策进行了研究,了解马铃薯的需水规律,预测马铃薯灌溉日期及灌溉定额,从而达到智能决策灌溉用水的效果,提高水的利用率。本研究引用的Aqua Crop模型,能够追求简单性、准确性和稳健性之间的最佳平衡,较其它机理模型更适合现场试验,该试验深入考虑Aqua Crop模型中排水性和根区含水量等因素,运用两年经过设定不同灌溉频率和灌溉定额所获得的田间试验数据,对马铃薯的水分利用情况、冠层覆盖度、产量和生物量等进行了模拟和验证。主要研究内容如下:(1)数据分析。从获取的两年田间数据中可以看出,在产量方面,三种灌溉处理中两年均是高频灌溉处理的产量明显高于其他两种灌溉处理的产量,低频灌溉处理次之;在作物生育期需水量方面,芽条生长期和苗期需水量相对较低,块茎形成期和块茎膨大期作物需水量快速增长,并在这期间内达到最大值,成熟之后马铃薯需水量逐渐减少,两年的数据变化趋于一致。(2)对Aqua Crop模型中的非保守性参数进行调参。以生物量和产量为目标函数,对马铃薯参数和土壤参数进行了敏感度分析,根据敏感度分析结果,对参数进行调整。(3)模型参数率定。利用2020年的田间数据对Aqua Crop模型的参数率定之后,三种灌溉处理的冠层覆盖度实测值和模拟值RMSE在2.14%~3.36%之间,决定系数R~2在0.635~0.713之间;土壤含水量的实测值和模拟值的决定系数R~2在0.63~0.79之间,均方根误差RMSE的范围在1.608~2.673mm之间;生物量的高频灌溉处理的实测值和模拟值的RMSE范围在0.195~0.335t/hm~2之间,总体来说上述各处理模拟值和实测值的均方根误差RMSE和决定系数R~2均在可接受范围之内。(4)模型的验证。用2021年的试验数据对率定之后的模型进行验证,验证结果为,Aqua Crop模型对本试验三种不同灌溉处理的马铃薯冠层覆盖度实测值和模拟值的决定系数R~2均在0.8以上,均方根误差RMSE值的范围在1.04%~3.36%之间;土壤含水量的模拟值和实测值决定系数R~2均达到0.7以上,均方根误差RMSE在1.37~2.67mm之间;生物量方面,模拟值和实测值相对误差在0.41%~6.97%范围内变化。所测得数据误差都在可承受范围内,能比较准确的反映在不同灌水条件下马铃薯的生长变化。因此,经过本地数据校准之后的马铃薯智能灌溉决策模型,能够在输入当地的气象、土壤、作物、田间管理等数据之后,准确预测出马铃薯的需水规律,并确定灌水时间及灌溉定额等。
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