西北旱区玉米对水氮胁迫响应机理与模拟研究

To solve the problem of poor simulation accuracy of crop model under water and nitrogen stress, the response mechanism of maize to water and nitrogen stress and crop modeling in arid Northwest China will be studied. The project takes maize as the object and adopts the method of field experiment combined with model simulation. The different response of water productivity for crop yield (WPY-ET) and final biomass (WPB-ET) to water and nitrogen stress conditions will be understood. A non-linear dynamic normalized water productivity model considering the effect of water and nitrogen stress will be established. The law of the harvest index responding to different water and nitrogen stress will be revealed. A water deficit multiplicative harvest index model modified by nitrogen deficit stress will also be constructed. The valid evapotranspiration model for maize under different water and nitrogen conditions in arid Northwest China will be screened out basing on measured soil water content and ET data. Finally, A daily water-driven dynamic crop model that responses to water and nitrogen stress accurately will be developed, to provide scientific and technological support for saving water and reducing nitrogen of maize production in arid Northwest China.

针对作物生长模拟模型在水氮胁迫下精度下降的问题，在西北旱区开展作物生长与产量对土壤水氮胁迫的响应与模拟研究。本项目以玉米为研究对象，拟采用田间小区试验和模型模拟相结合的研究方法，探明基于产量和最终生物量的水分生产力对水氮胁迫的响应差异，建立考虑水氮胁迫的随生育期非线性变化的标准化水分生产力动态模型；揭示收获指数对水氮胁迫的响应规律，建立氮胁迫修正的不同阶段水分亏缺连乘收获指数模型；利用不同水氮处理土壤含水率和ET实测数据，筛选出适用于西北旱区玉米的蒸发蒸腾量模型；基于选取的蒸发蒸腾量模型、建立的水分生产力模型和收获指数模型，最终构建适用于西北旱区的基于水分驱动准确响应水氮胁迫的日尺度动力学产量模拟模型，为西北旱区玉米节水减氮稳产提供科学理论支撑。

针对作物生长模拟模型在水氮胁迫下精度下降的问题，本项目以玉米为研究对象，在西北旱区开展了作物生长与产量对土壤水氮胁迫的响应与模拟研究。揭示了灌浆期制种玉米在不同水氮条件下叶水势和气孔导度的响应差异，在亏缺灌溉处理下，叶片气孔数量多、气孔宽度小，施氮有利于增大气孔开度、气孔长度，从而提高气孔导度。明确了不同水氮条件下制种玉米各生育期氮分配系数变化规律。揭示了水分生产力和收获指数对水氮胁迫的响应规律，不同水氮胁迫条件下基于生物量的水分生产力和基于产量的水分生产力分别为3.93~4.68 kg m-3和0.65~1.55 kg m-3，并且前者更加稳定。揭示了辐射驱动作物模型DSSAT和水分驱动作物模型AquaCrop在不同灌溉处理下模拟作物耗水与产量方面的优势与劣势，发现在产量模拟方面DSSAT比AquaCrop更具应用潜力，但在有干旱存在的耗水模拟方面AquaCrop适用性强于DSSAT。构建了新的非线性动态标准化水分生产力模型，突破了传统标准化水分生产力全生育期作为固定值的局限性，提高了生物量的模拟精度；有效地将传统水分生产函数的思想嫁接到收获指数模型，新建了不同生长阶段水分亏缺连乘和连加形式的收获指数模型，提高了收获指数的模拟精度；将新建立的水分生产力模型和收获指数模型与AquaCrop模型耦合，得到的AquaCrop-KR产量模拟模型相比于原AquaCrop模型NRMSE降低了10%。此外，构建了耦合作物模型敏感性分析、不确定性量化和参数校准的框架，并在西北旱区4种灌水情景中进行了应用，揭示了模型参数在充分灌溉和水分亏缺条件下的敏感性差异，明确了年际变化和严重的水分胁迫会增加模型残差的方差来削弱参数不确定性对总预测不确定性的贡献，揭示了参数不确定性在过程变量和最终产量模拟中传播的差异，证实了在MCMC迭代中加入过程变量实测值有助于使相关参数的后验分布更可靠。与使用试错法相比，该框架提高了AquaCrop土壤含水量和产量的模拟精度，EF分别从0.364和0.055提高到0.739和0.415，以上研究成果可为西北旱区节水减氮稳产和降低农业决策风险提供支撑。