楊永輝,武繼承,丁晉利,張潔梅,高翠民,潘曉瑩,王 越,何 方
(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所,河南 鄭州 450002; 2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水原陽科學(xué) 觀測實驗站,河南 原陽 453514; 3.鄭州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院,河南 鄭州 450044)
玉米是我國最主要的糧食和經(jīng)濟(jì)作物之一。在河南西部地區(qū),光熱資源充足,玉米生長期內(nèi)降雨量和蒸發(fā)量均較高,水分無效損耗較大,不利于降水資源的充分利用,而保護(hù)性耕作及增施有機(jī)肥等措施能夠改善土壤的物理特性,提高土壤的蓄水保墑能力,降低水分的無效蒸發(fā),促進(jìn)降水資源的就地利用。秸稈還田有利于改土保墑,提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤肥力[1],改善土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[2],增加土壤孔隙度,并改善土壤孔隙的連通性[3],促進(jìn)作物產(chǎn)量的提高[4]。與秸稈覆蓋相比,秸稈施入土壤后更有利于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提高[5]。而深松能夠提高土壤耕層厚度,改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和土壤孔隙狀況,提高土壤蓄水保墑與儲水能力[6],有利于作物根系利用深層土壤水。施用有機(jī)肥可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),提高土壤蓄水保墑能力,促進(jìn)作物產(chǎn)量和水分利用率的提高[7-8]。
DSSAT模型是當(dāng)前世界上應(yīng)用最廣泛的作物模型之一,其主要用于農(nóng)業(yè)試驗分析、作物產(chǎn)量預(yù)報、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的風(fēng)險評估、氣候條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響評價等[9]。DSSAT模型可模擬作物光溫和降水生產(chǎn)潛力,優(yōu)化作物栽培方案等,為選擇合理的農(nóng)業(yè)技術(shù)提供決策與預(yù)測[10]。CERES-Maize模型是DSSAT中專門用于模擬玉米的模型[11],已廣泛應(yīng)用于各類農(nóng)業(yè)研究[12-17]。相關(guān)研究表明,CERES-Maize模型可在水分充足的條件下準(zhǔn)確地模擬玉米生長過程中的土壤含水率、葉面積指數(shù)、生物量及產(chǎn)量[11,18]。Dejonge等[19]通過田間試驗與模型模擬對比發(fā)現(xiàn),CERES-Maize模型雖然對產(chǎn)量模擬較為準(zhǔn)確,但在水分虧缺條件下模擬效果較差,需要進(jìn)行改進(jìn)。以往關(guān)于DSSAT模型研究多集中于干旱或半干旱地區(qū)[20],且多是關(guān)于小麥方面[21-25]或玉米水分或施肥等方面[26-27]的研究。而CERES-Maize模型能否應(yīng)用于河南豫西褐土區(qū)長期保護(hù)性耕作與土壤改良措施下夏玉米的生產(chǎn)和管理,能否模擬因長期保護(hù)性耕作與土壤改良措施引起的土壤剖面物理參數(shù)的變化進(jìn)而引起模擬結(jié)果之間的差異,需要對CERES-Maize模型模擬長期保護(hù)性耕作與土壤改良措施下玉米的生長發(fā)育以及產(chǎn)量形成過程中的精度進(jìn)行系統(tǒng)評估。鑒于此,基于長期定位保護(hù)性耕作與土壤改良措施中夏玉米試驗的觀測數(shù)據(jù),運(yùn)行DSSAT模型對玉米遺傳參數(shù)等進(jìn)行估計,并對模型進(jìn)行驗證,旨在系統(tǒng)模擬豫西褐土區(qū)長期不同耕作與土壤改良措施條件下土壤水分環(huán)境和玉米生長過程的差異,為DSSAT模型在該區(qū)的廣泛應(yīng)用提供有力的科學(xué)依據(jù)。
試驗在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院節(jié)水農(nóng)業(yè)禹州試驗基地(113°03′~113°39′E,33°59′~34°24′N)進(jìn)行,海拔116.1 m,多年平均降水量674.9 mm且60%以上集中在夏季;土壤為褐土,該地區(qū)地勢平坦,肥力均勻,耕層有機(jī)質(zhì)含量為12.3 g/kg、全氮含量為0.80 g/kg、水解氮含量為47.82 mg/kg、速效磷含量為6.66 mg/kg、速效鉀含量為114.8 mg/kg。該區(qū)為小麥—玉米輪作區(qū)。
長期定位試驗始于2006年,以其中2013年和2015年2 a(2個年度6—9月夏玉米生長和降雨量較為一致,且這2 a的玉米品種相同及觀測數(shù)據(jù)較為齊全)的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行本研究的模擬和驗證。
試驗共設(shè)置常規(guī)耕作、深松(深度30 cm)、秸稈還田(小麥單季秸稈直接全部還田旋耕,還田量為10 500 kg/hm2)、有機(jī)肥(雞糞750 kg/hm2,氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.5%、1.2%、0.8%)4個處理。玉米播種前施用過磷酸鈣(P2O5105 kg/hm2)、鉀肥(K2O 75 kg/hm2)及氮肥(純N 75 kg/hm2),一次性底施。除深松處理外,其他處理耕作深度均為15 cm。有機(jī)肥處理中施用的氮、磷、鉀無機(jī)肥用量分別扣除了雞糞原有的氮、磷、鉀施用量,以保證每個處理的養(yǎng)分用量一致。玉米品種為鄭單958。小區(qū)面積為32 m2。2013年玉米于6月5日播種,6月10日出苗,6月23日定苗,9月30日收獲;2015年玉米于6月6日播種,6月11日出苗,6月22日定苗,9月30日收獲。玉米種植密度約為70 500株/hm2,株行距為20 cm×70 cm。
1.3.1 土壤體積含水率 土壤體積含水率采用中國電子科技集團(tuán)27所生產(chǎn)的DZN2-1型自動測定儀測定,測定深度分別為0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60、60~70、70~80、80~100 cm,共9個層次,每處理3個重復(fù)。
1.3.2 葉面積指數(shù) 在玉米定苗后,每個小區(qū)在中間區(qū)域隨機(jī)標(biāo)記2行長勢較為一致的植株作為最后的測產(chǎn)區(qū)域,每個小區(qū)標(biāo)記2株玉米進(jìn)行葉面積的測量,10 d左右測量1次,根據(jù)植株的葉面積計算小區(qū)葉面積指數(shù)[28]:
VLAI=SLA×D/10 000
式中:VLAI表示葉面積指數(shù),SLA表示單株玉米總?cè)~面積(m2/株),D表示種植密度(株/hm2)。
1.3.3 生物量 在玉米不同生育時期(7月3日、7月17日、7月25日、8月3日、8月14日、8月22日、8月29日、9月4日、9月12日、9月18日、9月23日、9月30日)選取長勢較為一致的植株2株測定生物量,并根據(jù)玉米種植密度折合成公頃生物量。
1.3.4 產(chǎn)量 玉米收獲后,每小區(qū)采集2行玉米,脫粒,風(fēng)干,稱量計產(chǎn)。
DSSAT模型主要包括氣象氣候、作物管理、土壤及作物遺傳特性4個模塊。在模型模擬運(yùn)算前,需要建立4個模塊的基本數(shù)據(jù)庫及其參數(shù)體系。本研究所用的氣象資料均來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。模型運(yùn)行的最基本氣象數(shù)據(jù)包括逐日太陽輻射[kJ/(m2·d)]、逐日最高最低氣溫(℃)、逐日降水量(mm/d)。作物的管理數(shù)據(jù)主要包括播種日期、耕作方式及日期、施肥量、收獲日期及收獲方式等,對于本研究,輸入的參數(shù)主要包括土地耕作方式、秸稈還田量、有機(jī)肥施用量及耕作深度。需要輸入的土壤參數(shù)主要包括土壤容重、土壤有機(jī)碳含量、土壤飽和導(dǎo)水率、飽和含水量、田間持水量和永久萎蔫點等。DSSAT模型利用作物品種自身的遺傳特性參數(shù)來描述品種的特性,用以控制作物生長發(fā)育的進(jìn)程、植株形態(tài)及產(chǎn)量的形成。因此,需要建立玉米的遺傳特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫。
將2013年實測的長期不同耕作與土壤改良措施下的土壤容重、土壤有機(jī)碳含量、土壤飽和導(dǎo)水率、飽和含水量、田間持水量和永久萎蔫點等作為初始條件輸入到模型中,并對模型進(jìn)行調(diào)參,通過比較分析不同土層土壤體積含水率、葉面積指數(shù)及生物量等的模擬效果,采用試錯法對土壤剖面水力學(xué)參數(shù)值(土壤飽和導(dǎo)水率、飽和含水量、田間持水量和永久萎蔫點等)進(jìn)行調(diào)整,確保模型的率定結(jié)果在允許的誤差范圍內(nèi)。對于作物的品種參數(shù),利用DSSAT模型中自帶的Glue參數(shù)調(diào)試程序進(jìn)行玉米參數(shù)P1、P2、P5、G2、G3和PHINT的調(diào)試。首先在原程序給定的某個參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)的率定,然后根據(jù)其提供的最佳參數(shù)組合縮小參數(shù)的范圍,之后繼續(xù)進(jìn)行參數(shù)的率定,1次率定最高可進(jìn)行10 000次隨機(jī)搜索,通過不斷縮小參數(shù)的范圍,最終得到最滿意的參數(shù)組合。經(jīng)過調(diào)試后,優(yōu)化后的作物品種參數(shù)見表1。在參數(shù)率定的基礎(chǔ)上,利用2015年實測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證。
表1 調(diào)試后的玉米品種參數(shù)
模型的校正和驗證過程均采用模擬值與實測值間的相對均方根誤差(RRMSE)與絕對相對誤差(ARE)進(jìn)行誤差評價,RRMSE與ARE可以進(jìn)行模擬值與實測值相對差異程度的度量,且為無量綱統(tǒng)計量,可進(jìn)行不同變量之間的比較[22]。RRMSE與ARE值越小,表示模型模擬的精度越高。
(1)
(2)
(3)
式中,RMSE—均方根誤差;Si—第i個模擬值;Oi—第i個觀測值;O—觀測值的平均值;n—模擬值的樣本數(shù)。
當(dāng)RRMSE<10%時,模型的模擬值與實測值的誤差極低,二者具有極好的一致性;10%≤RRMSE<20%時,模型的模擬值與實測值的誤差較低,二者具有較好的一致性;20%≤RRMSE≤30%時,模型的模擬值與實測值的誤差低, 二者的一致性達(dá)到中等
水平;RRMSE>30%時,模型的模擬值與實測值的誤差較大,二者的一致性較差。
不同指標(biāo)值均為3次重復(fù)的算術(shù)平均值,應(yīng)用Excel和SPSS對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
2.1.1 土壤體積含水率模擬 應(yīng)用DSSAT模型對玉米整個生育期不同處理各土層的土壤體積含水率動態(tài)進(jìn)行模擬,得出不同土層土壤體積含水率的動態(tài)變化特征,不同處理DSSAT模型模擬結(jié)果與實測值的RMSE為0.022~0.164 cm3/cm3(表2),通過計算得出模型的ARE介于4.9%~9.5%。隨土層的加深,模擬值與實測值的RMSE逐漸降低,且常規(guī)耕作模擬效果最佳。
表2 不同處理土壤體積含水率動態(tài)的DSSAT模型模擬值與實測值的RMSE(2013年) cm3/cm3
注:表中數(shù)據(jù)為整個生育期該指標(biāo)的均值,表5同。
以常規(guī)耕作為例對土壤體積含水率動態(tài)模擬結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果如圖1所示。隨著玉米的生長,不同土層的土壤體積含水率均呈下降趨勢。0~10 cm土層的土壤體積含水率變化最為劇烈,模擬值與實測值誤差較大。10~20、20~30 cm土層較表層土壤水分變化平緩,但10~20 cm土層土壤體積含水率模擬值與實測值誤差仍較大。表層(0~10 cm)和亞表層(10~20 cm)的土壤體積含水率因受外界環(huán)境因素的影響較大,故較深層土壤體積含水率的實測值準(zhǔn)確性低。 而深度在20 cm以上的土層, 特別是50 cm以上土層土壤體積含水率的模擬值與實測值整體較為一致,且土壤體積含水率變化趨勢基本一致,其模擬值和實測值的RMSE在0.022~0.036,模型的ARE介于4.5%~8.3%。說明DSSAT模型在玉米生長過程中對于50 cm以上土層土壤水分的模擬更為準(zhǔn)確。
2.1.2 葉面積指數(shù)模擬 從圖2A可知,玉米葉面積指數(shù)的模擬值和實測值十分接近。在玉米播種后60 d內(nèi),不同措施對葉面積指數(shù)的影響基本上沒有差異;播種60 d后,有機(jī)肥處理和深松處理的玉米葉面積指數(shù)明顯高于其他處理,秸稈還田處理居中,常規(guī)耕作處理最低。從表3可知,不同措施處理的葉面積指數(shù)模擬結(jié)果和田間實測結(jié)果在總體上表現(xiàn)出較好的一致性,其ARE介于5.8%~8.7%,RMSE介于0.011~0.184,秸稈還田、常規(guī)耕作、有機(jī)肥、深松處理的葉面積指數(shù)模擬結(jié)果和田間實測結(jié)果的RRMSE分別為0.4%、0.9%、5.7%、6.2%。
2.1.3 生物量模擬 玉米生物量的模擬值與實測值對比如圖2B所示,玉米生物量的模擬值與實測值非常接近,且玉米生長前期不同處理的生物量差異不顯著。隨玉米生育時期的推進(jìn),不同處理生物量差異逐漸增大,且以有機(jī)肥處理和深松處理明顯高于其他處理,秸稈還田處理居中,常規(guī)耕作處理最低。模擬結(jié)果和田間實測結(jié)果一致性較好,其ARE介于2.0%~6.2%,RMSE介于306~419 kg/hm2,有機(jī)肥、深松、秸稈還田、常規(guī)耕作處理的生物量模擬結(jié)果和田間實測結(jié)果的RRMSE分別為3.1%、4.2%、4.3%、5.3%(表3)。
圖1 常規(guī)耕作處理不同土層土壤體積含水率的模擬值與實測值對比
圖2 玉米葉面積指數(shù)和生物量的模擬值與實測值比較
處理葉面積指數(shù)實測值模擬值A(chǔ)RE/%RMSERRMSE/%生物量實測值/(kg/hm2)模擬值/(kg/hm2)ARE/%RMSE/(kg/hm2)RRMSE/%常規(guī)耕作3.963.735.80.0210.915752149155.34195.3深松4.944.518.70.1846.217250169042.04134.2秸稈還田4.664.317.50.0110.416875158336.23994.3有機(jī)肥4.834.536.20.1695.717625172582.13063.1
注:表中葉面積指數(shù)為玉米吐絲期時的數(shù)值,生物量為玉米生育期結(jié)束后的數(shù)值,表6同。
2.1.4 產(chǎn)量模擬 不同措施處理玉米產(chǎn)量的模擬值和實測值如表4。2013年常規(guī)耕作、深松、秸稈還田及有機(jī)肥處理玉米產(chǎn)量模擬值與實測值的RMSE分別為433、412、1 288、584 kg/hm2,ARE分別為5.8%、4.5%、14.9%、6.5%,RRMSE分別為6.2%、4.9%、15.1%、6.7%,除秸稈還田處理外,其他措施處理的產(chǎn)量模擬值與實測值一致性較佳。不同處理產(chǎn)量的實測值表現(xiàn)為有機(jī)肥處理>秸稈還田處理>深松處理>常規(guī)耕作處理,模擬產(chǎn)量表現(xiàn)為有機(jī)肥處理>深松處理>秸稈還田處理>常規(guī)耕作處理,說明不同處理間玉米產(chǎn)量的實測值與模擬值變化趨勢存在一定差異。
表4 不同處理玉米產(chǎn)量實測值與模擬值統(tǒng)計比較(2013年)
2.2.1 土壤體積含水率動態(tài)模擬驗證 從表5可知,經(jīng)過驗證,利用DSSAT模型對常規(guī)耕作、深松、秸稈還田、有機(jī)肥處理各土層(0~100 cm)土壤體積含水率的模擬值與實測值相近,其RMSE介于0.004~0.069 cm3/cm3,模型的ARE介于2.3%~5.1%,模擬結(jié)果隨土層的加深而更佳。
表5 不同處理土壤體積含水率動態(tài)的DSSAT模型模擬值與實測值的RMSE(2015年) cm3/cm3
以常規(guī)耕作處理土壤體積含水率實測值與模擬值進(jìn)行驗證,如圖3。2015年的土壤體積含水率實測值與模擬值的誤差較小,且隨土層的加深,實測值與模擬值更為接近。0~40 cm土層的土壤體積含水率在玉米不同生育時期的波動較大,但實測值與模擬值具有較佳的一致性??梢姡珼SSAT模型對土壤體積含水率的模擬驗證效果較佳。
2.2.2 葉面積指數(shù)模擬驗證 從圖4A可知,2015年玉米葉面積指數(shù)的實測值與模擬值十分接近,且仍以有機(jī)肥處理和深松處理明顯高于其他處理,秸稈還田處理居中,常規(guī)耕作最低。其ARE介于3.6%~7.6%,RMSE介于0.062~0.079,RRMSE介于2.5%~3.3%(表6),誤差較小,模型模擬值與實測值具有較好的一致性。
圖3 常規(guī)耕作處理不同土層土壤體積含水率模擬值與實測值的驗證比較
圖4 玉米葉面積指數(shù)和生物量的模擬值與實測值驗證比較
處理葉面積指數(shù)實測值模擬值A(chǔ)RE/%RMSERRMSE/%生物量實測值/(kg/hm2)模擬值/(kg/hm2)ARE/%RMSE/(kg/hm2)RRMSE/%常規(guī)耕作3.283.076.40.0723.213532128714.95787.3深松3.943.647.60.0712.915101159045.36216.6秸稈還田3.363.483.60.0793.315881154752.65606.2有機(jī)肥3.933.657.10.0622.515301159514.22823.0
2.2.3 生物量模擬驗證 從圖4B可知,2015年玉米生長過程中的生物量實測值與模擬值仍保持較高的一致性,且以有機(jī)肥處理和深松處理的生物量明顯高于其他處理,秸稈還田處理居中,常規(guī)耕作最低。其ARE介于2.6%~5.3%,RMSE值介于282~621 kg/hm2,RRMSE介于3.0%~7.3%(表6),誤差較小,模型模擬值與實測值具有較好的一致性。
2.2.4 產(chǎn)量模擬驗證 不同措施處理玉米產(chǎn)量的模擬值和實測值相近(表7)。2015年常規(guī)耕作、深松、秸稈還田、有機(jī)肥處理產(chǎn)量的RMSE分別為872、101、453、501 kg/hm2,模型的ARE分別為12.4%、0.8%、5.5%、6.8%,RRMSE分別為12.6%、1.3%、5.7%、6.9%。深松處理玉米產(chǎn)量率定效果較其他措施更佳。不同處理產(chǎn)量實測值表現(xiàn)為秸稈還田處理>深松處理>有機(jī)肥處理>常規(guī)耕作處理,模擬的產(chǎn)量表現(xiàn)為有機(jī)肥處理>深松處理>秸稈還田處理>常規(guī)耕作處理,說明不同處理間玉米產(chǎn)量的實測值與模擬值變化趨勢仍存在一定差異。
表7 不同處理玉米產(chǎn)量實測值與模擬值統(tǒng)計比較(2015年)
此外,產(chǎn)量模擬值與實測值相關(guān)性較佳(圖5),二者的回歸方程線性斜率為0.964 2(P=0.035 1<0.05),R2為0.541 6,說明不同耕作處理下的作物模擬產(chǎn)量與實測產(chǎn)量較一致[29]。
圖5 不同處理玉米產(chǎn)量模擬值與實測值的相關(guān)關(guān)系
研究表明,DSSAT模型可較好地模擬豫西褐土區(qū)小麥生長發(fā)育及土壤水分動態(tài)變化過程,其在豫西旱作區(qū)具有良好的適宜性,可為該地區(qū)的保護(hù)性耕作研究提供理論支持[30]。而對玉米而言,本研究發(fā)現(xiàn),DSSAT模型對玉米生長過程中的葉面積指數(shù)、生物量、土壤水分動態(tài)及產(chǎn)量等的模擬中,其模擬值與實測值總體表現(xiàn)出較佳的一致性,ARE和RRMSE較小,特別是在深松條件下,玉米產(chǎn)量的模擬值與實測值A(chǔ)RE僅為0.8%,RRMSE為1.3%。就整個模擬效果而言,DSSAT模型能夠較佳地模擬不同耕作與土壤改良措施對玉米的影響。
長期保護(hù)性耕作和土壤改良措施會對作物生長及土壤水分環(huán)境產(chǎn)生重要影響,主要是因為長期進(jìn)行不同保護(hù)性耕作會對土壤剖面結(jié)構(gòu)及物理特性產(chǎn)生一定影響[31],進(jìn)而影響作物的生長環(huán)境及其產(chǎn)量構(gòu)成。因此,要科學(xué)地分析與評價保護(hù)性耕作和土壤改良措施影響作物生長及其水分動態(tài)變化的過程,需從不同措施引起的土壤物理(參數(shù))性質(zhì)變化方面來分析作物生長狀況及產(chǎn)量的差異,土壤物理參數(shù)作為DSSAT模型輸入的初始參數(shù)會對模型的運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響,而應(yīng)用DSSAT模型才能合理地預(yù)測與評價長期保護(hù)性耕作與土壤改良措施對作物生長與農(nóng)田環(huán)境產(chǎn)生的影響。相關(guān)研究[11-12]表明,DSSAT模型對水分虧缺條件下玉米生長發(fā)育的模擬不夠準(zhǔn)確,而對于水分較為充足時模擬效果較佳。在豫西褐土區(qū),玉米生長季節(jié)降雨量較為充足,出現(xiàn)水分脅迫的概率較低,本研究選用玉米生長季節(jié)降雨量較為充分的2013年和2015年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的率定與驗證,均達(dá)到了可信的誤差范圍,模擬值和實測值較一致,不同措施不同年份產(chǎn)量的模擬值和實測值相近,尤其是對深松處理的模擬精度更高;而秸稈還田處理雖然率定時的誤差大于其他處理,但其驗證結(jié)果較佳。說明長期不同耕作措施在DSSAT模型的率定與驗證中存在一定的差異。但在水分虧缺情況下,DSSAT模型對各處理的模擬效果如何需要進(jìn)一步研究。
通過模型模擬與實際觀測對比發(fā)現(xiàn),在2013年,長期不同耕作措施處理的玉米實測產(chǎn)量與模擬產(chǎn)量的增產(chǎn)趨勢存在一定差異,但均以有機(jī)肥處理最高,其實測產(chǎn)量較常規(guī)耕作處理提高24.7%;在2015年,玉米實測產(chǎn)量與模擬產(chǎn)量的增產(chǎn)趨勢仍存在一定差異,模擬產(chǎn)量仍以有機(jī)肥處理增幅最大,而實測產(chǎn)量則以秸稈還田處理最高,較常規(guī)耕作處理提高15.8%。說明長期保護(hù)性耕作和土壤改良措施均具有明顯的增產(chǎn)效果,但不同措施不同年際間的增產(chǎn)幅度存在一定的差異。
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