一种玉米昼夜生长差异和产量的估算方法

本发明涉及农业工程，尤其涉及一种玉米昼夜生长差异和产量的自动估算方法。

背景技术：

1、玉米相比于传统的水稻和小麦，具有很强的耐寒性、耐寒性和适应性。此外，该作物是我国畜牧业、养殖业的重要饲料来源，也对食品、医疗卫生、轻工业的发展具有重要作用。

2、由于通过试验量化玉米生长速率耗时耗力，且难以精确掌握玉米生长动态。而采用数理模型量化作物生长速率是行业内惯用方法。当前，主流玉米生长速率估算方法主要包括swap、aquacrop、dssat、dndc模型等。上述方法具有各自优点，均能在特定条件下反映出真实玉米生长情况，对于研究玉米生长具有重要推动作用。然而，swap、aquacrop、dssat模型均未考虑昼夜环境变化对玉米生长的影响，仅量化了玉米日平均生长速率，难以精确地量化玉米昼夜生长动态。

3、由于昼夜间大气湿度和温度均存在明显差异，特别在干旱区，昼夜温差高达10℃。昼夜间大气积温的不同势必会造成玉米昼夜生长速率出现差异。如果仅粗略考虑玉米日平均生长速率，将会导致水氮管理制度不合理，造成水氮利用效率较低，水氮资源浪费。而为了提高玉米农田水氮利用效率，亟需量化玉米昼夜生长速率。因此，有必要发明一种能够精确量化玉米生长昼夜生长的方法。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术仅粗略考虑玉米日平均生长速率，将会导致水氮管理制度不合理，造成水氮利用效率较低，玉米昼夜生长速率无法量化的缺点，本发明的主要目的在于提供一种玉米昼夜生长差异和产量的自动估算方法，为制定一个合理的日间和夜间水氮管理制度提供理论和技术支撑。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，一种玉米昼夜生长差异和产量的自动估算方法，包括以下步骤：

3、建立数据库，所述数据库包括土壤数据、气象数据以及作物数据；

4、根据所述数据库，建立作物－土壤－大气系统关键数据快速监测与识别体系，实时采集数据信息并更新所述数据库；

5、根据所述数据库提供实时检测数据，且基于积温驱动机理，引入水－热-氮-盐胁迫系数，考虑多因素胁迫条件下昼夜间作物光合作用与呼吸速率差异，构建玉米昼夜生长估算模型；

6、根据所述作物－土壤－大气系统关键数据快速监测与识别体系获取作物生长过程的相关参数，基于相关参数通过所述玉米昼夜生长估算模型进行计算，得到日间玉米生长速率和夜间玉米生长速率；

7、根据所述玉米昼夜生长及产量估算模型，结合日间玉米生长速率和夜间玉米生长速率，获得玉米的有效碳水化合物；

8、对有效碳水化合物求和得到地上生物量ab，引入日收获指数hii，将地上生物量ab和日收获指数hii相乘获得玉米产量cy。

9、玉米生长速率k与叶面积存在线性相关，具体公式如下：

10、

11、其中，a为叶面积，单位为cm2；t为时间，单位为h；k为单位叶面积生长速率，单位为d-1；

12、a′＝ekt  (3)

13、其中，a′为单位初始面积内的标准化叶面积，cm2；当t＝0时，初始面积假设为均一；

14、玉米生长速率(k)计算公式如下：

15、k＝kd+kn  (4)

16、

17、

18、其中，kd为日间玉米生长速率，kn夜间玉米生长速率，α为经验常数；a为用于光呼吸的能量比例；b为用于玉米同化的能量比例；c为单位光呼吸同化量；r为单位叶面积上呼吸消耗的碳水化合物；g'为玉米吸氮量对玉米生长速率的修正因子，由下式计算得到：

19、

20、其中，c0、c1、c2、c3为经验系数，分别取值1.29、1.97、0.27、5.0；nc为玉米吸氮量，g·g-1；

21、可知，玉米生长速率(k)与呼吸速率有关，呼吸速率假设为大气温度和有效碳水化合物的函数：对于玉米的日间呼吸速率rd和夜间呼吸速率rn的公式为：

22、

23、g＝0.003857+0.003829ta (9)

24、其中，ta为大气温度，℃；h为叶和茎有效碳水化合物，g为大气温度函数；

25、夜间呼吸速率假设为日间呼吸速率的80％：则：

26、

27、地上生物量ab计算公式如下：

28、

29、其中，β为单位叶片形成的生物量占总地上生物量的比值；hdi为第i天日间形成的有效碳水化合物；hni为第i天夜间形成的有效碳水化合物；

30、玉米的叶和茎有效碳水化合物h通过能量方程获得：

31、

32、假设玉米茎叶器官为统一系统，用于呼吸和同化的有效碳水化合物全被储存在木髓和茎韧皮部组织中；其中：dc/dt为光呼吸所增加碳水化合物量；dr/dt为呼吸作用消耗碳水化合物量；bcdr/dt为同化消耗碳水化合物量；dh/dt为转移到根系碳水化合物量；

33、当ta<25℃时，转移到根系碳水化合物量近似于呼吸速率；

34、当ta≥25℃时，dh/dt可由下式计算得到：

35、

36、q＝0.1-0.003829(ta-25) (14)

37、其中，q为根系呼吸速率。

38、dc/dt被假设为总净辐射量和有效碳水化合物的比例函数，则：

39、

40、

41、其中，p为有效碳水化合物；rn为总净辐射量，单位为w·m-2；

42、由于夜间无光合作用，故日间累积碳水化合物可作为夜间玉米消耗的初始值：

43、

44、

45、玉米生长过程会受到土壤中水-热-氮-盐等因素协同胁迫影响，当土壤含水率低于凋萎点土壤含水率时，玉米将停止生长；

46、关于水的胁迫系数计算公式如下：

47、

48、关于热的胁迫系数计算采用noilhan和planton提出的方法，公式如下：

49、

50、关于盐分的胁迫系数计算采用三段式，计算公式如下：

51、

52、其中，s为与盐分胁迫相关的减产系数，即每提高单位ece相对玉米产量所降低的值；eces为玉米生长开始受到盐分胁迫影响时的土壤电导率；ecem为玉米生长完全被抑制时的土壤电导率；采用fao-29推荐的玉米耐盐指标，即eces和ecem分别为1.7和10ds·m-1，s为0.12。

53、关于氮的素胁迫系数可采用下式计算得到：

54、

55、其中，sc为与氮胁迫相关的减产系数，即每提高单位nc相对玉米产量所降低的值；ns为玉米生长开始受到氮胁迫抑制时的玉米吸氮量；nm为玉米生长完全被抑制时的玉米吸氮量。根据实际玉米产量与玉米吸氮量关系，拟合得到ns和nm分别为280和320kg ha-1，sc为2.5×10-2；

56、日间和夜间玉米干物质同化速率和生长速率可分别由下式求得：

57、

58、

59、由于夜间无光合作用，故日间累积碳水化合物可作为夜间玉米消耗的初始值：

60、

61、

62、所述日收获指数得计算公式如下：

63、

64、其中：hiinitial为收获指数初始值；hi0为参考收获指数；k′为收获指数增长率，即参考收获指数和稳产时长的比值；

65、关于ab计算公式如下：

66、

67、其中，β为单位叶片形成的生物量占总地上生物量的比值，β取0.0267。

68、玉米昼夜生长模型考虑到土壤水分对于玉米生长的影响，通过建立土壤水阻力块和玉米生长速率的关系，实现精准地模拟玉米生长过程；

69、

70、其中，rw为土壤水阻力，为4ω；p′为土壤水阻力系数。

71、其中，ta大气温度与裸地土壤温度ts关系如下公式所示：

72、ts＝tasl+tfmax(1-sl)  (30)

73、

74、其中，ts为裸地土壤温度，单位为℃；sl为表层土壤有机质含量，ls为土壤有机碳含量；tfmax为覆膜后最高土壤温度，单位为℃；

75、由公式(20)可得，以ts为主要因子的ta计算公式如下：

76、

77、

78、其中，tf为覆膜区土壤温度，单位为℃；dh为覆膜后增加的热量，单位为j；c为土壤质量热容量，j单位为kg-1·℃-1；m为覆膜区土壤质量，单位为kg；土壤质量热容量c为土壤体积热容量和表层土壤湿容重的比值，公式如下：

79、

80、其中，cv为土壤体积热容量，单位为j·cm-3·℃-1；ρ1为表层土壤湿容重，单位为g·cm-3；表层土壤湿容重ρ1计算公式为：

81、ρ1＝ρs+θρw  (35)

82、其中，ρs为土壤干容重，单位为g cm-3；ρw为水密度，单位为g cm-3。

83、土壤体积热容量cv可由下式求得：

84、cv＝ρscs+ρwcwθ  (36)

85、其中，cs为土壤矿物质的比热，单位为j·cm-3℃-1；cw为水的比热，单位为j·cm-3·℃-1；

86、覆膜后增加的热量dh与覆膜区和裸地土壤温度差、地膜厚度和地膜导热率相关，计算公式如下：

87、dh＝δtfdftcfdt  (37)

88、其中，△tf为覆膜区土壤温度和裸地土壤温度差值，单位为℃-1；df为地膜厚度，单位为mm；tcf为地膜导热率，单位为j·m-1·s-1·℃-1；

89、由于可降解地膜覆盖面积会随着地膜破损而改变，因此m是一个动态参数，可由地膜覆盖度、地膜破损率、土层深度和土壤湿容重等计算得到：

90、

91、其中，af为地膜覆盖度；τ为地膜破损率；zf为覆膜区土层深度，单位为cm。

92、与现有技术相比较，本发明的有益效果为：本发明可提高玉米生长速率估计精度66.6％—76.9％，可为制定一个合理的日间和夜间水氮管理制度提供理论和技术支撑。