在复杂地形气候区域估算太阳辐射和甘蔗潜在产量的方法

摘要

在复杂地形气候区域估算太阳辐射和甘蔗潜在产量的方法，该方法是先进行埃斯川姆日照模型a,b参数的优化并计算太阳辐射日值，然后设置APSIM‑Sugar模型参数并模拟甘蔗潜在产量。本发明基于埃斯川姆日照模型和APSIM‑Sugar甘蔗生长模型，通过代表性站点实测数据统计、模型模拟、参数优化比较等方法，得到了更加适合复杂地形气候区域的太阳辐射和甘蔗潜在产量评估的方法，使得在无法直接获取太阳辐射数据，以及地形气候条件复杂的蔗区，能够提高太阳辐射估算精度，从而获得更精确的甘蔗产量预测结果。

说明书

技术领域

本发明涉及甘蔗农田生产技术领域，具体涉及优化估算太阳辐射和甘蔗潜在产量的方法。

背景技术

太阳辐射是作物生长发育的基本驱动力，准确估算太阳辐射是利用作物生长模型开展相关研究的重要前提条件。前人研究表明，埃斯川姆日照模型(model)是利用日照时数估算太阳辐射的有效方法；作物生长模型则是近年来评估作物产量和气候影响的有力工具。但在云南低纬高原等地形气候条件复杂且缺乏太阳辐射实测数据的蔗区，如直接使用国际农林组织(FAO)推荐的固定参数驱动埃斯川姆日照模型，往往会出现太阳辐射估算值过高(少数地区偏低)，从而导致利用作物生长模型难以获得较精确的甘蔗潜在产量预测结果。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种能更准确的估算太阳辐射和甘蔗潜在产量的方法，以提高太阳辐射日照模型和甘蔗生长模型在地形和气候条件复杂区域的适用性。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

在复杂地形气候区域估算太阳辐射和甘蔗潜在产量的方法，技术如下：

1)进行埃斯川姆日照模型a,b参数优化与局地海拔订正以提高太阳辐射的估算精度：

获取农田周边或当地气象站点的经纬度坐标和海拔高度数据，先根据公式(1)、(2)进行a,b值的海拔订正，然后根据埃斯川姆日照模型公式(3)计算太阳辐射Rs；

a＝1.57×10^-5H+0.1705>

b＝2.01×10^-5H+0.5416>

上述公式中，a,b为模型经验系数；

H为海拔，单位：m；

Rs为太阳辐射，单位：MJ>-2day^-1；

Ra为天顶辐射，单位：MJ>-2day^-1；

n为实际日照时数，单位：h；

N为当地日长，单位：h；

2)进行APSIM-Sugar模型的品种、土壤和管理参数设置并预测甘蔗潜在产量：

将计算得到的太阳辐射R_s和当地的每日气象数据输入APSIM-Sugar甘蔗生长模型，对品种模块、土壤模块和管理模块进行相应设置，在无水肥胁迫的模拟条件下预测甘蔗潜在产量。

本发明所述每日气象数据包括但不限于每日的最高气温、最低气温、降水。

本发明基于埃斯川姆日照模型和APSIM-Sugar甘蔗生长模型，通过代表性站点实测数据统计、模型参数优化和模拟分析比较，得到了更加适合复杂地形气候区域的太阳辐射和甘蔗潜在产量评估的方法。该方法可应用于地形气候复杂且无法直接获取太阳辐射数据的蔗区，从而提高太阳辐射日值的总体估算精度，并获得更精确的甘蔗产量预测结果。

具体实施方式

在复杂地形气候区域估算太阳辐射和甘蔗潜在产量，具体实施方法如下：

1.获取农田周边或当地气象站点的经纬度坐标和海拔高度数据，根据公式(1)、(2)计算a,b值，根据公式(3)计算太阳辐射R_s；式中，a,b为模型经验系数，H为海拔(m)，R_s为太阳辐射(MJ>-2day^-1)，R_a为天顶辐射(MJ>-2day^-1)，n为实际日照时数(h)，N为当地日长(h)：

a＝1.57×10^-5H+0.1705>

b＝2.01×10^-5H+0.5416>

2.将计算得到的太阳辐射日值和当地的每日最高气温、最低气温、降水等气象数据输入APSIM-Sugar甘蔗生长模型，对品种模块、土壤模块和管理模块进行相应设置，在无水肥胁迫条件下运行模型，获取甘蔗潜在产量模拟结果。例如，在地形和气候复杂的云南蔗区，该模型主要模块的本地化初始参数可采用以下参考值，如有条件，请根据实测数据自行订正：

2.1品种参数(以Q117为参考)

2.2土壤参数(以红壤为参考)

2.3管理参数(以云南蔗区为参考)

在APSIM-Sugar模型设置中，打开自动灌溉模块开关，设定当可利用土壤水分相对含量低于100％时进行自动灌水。植期设定在2月中旬～3月中旬，全生育期设定为11～13个月，同时保证450kgha^-1的氮肥供应，分3～5次施肥。从而保证全生育期内无水肥胁迫造成的产量损失。

云南元江蔗区计算实例：第一步，将云南省农科院甘蔗研究所元江甘蔗试验站点的经纬度坐标和海拔数据，代入公式(1)(2)计算得到a＝0.18，b＝0.55；再基于公式(3)，利用元江气象站点2012-2015年的每日日照时数数据，计算出太阳辐射日值R_s，平均16.4MJ>-2day^-1。第二步，将元江站点的太阳辐射日值、每日的最高气温、最低气温、降水等气象数据输入APSIM-Sugar模型气象模块；再分别根据2.1、2.2和2.3所述内容在APSIM-Sugar模型对应模块中设置品种参数、土壤参数和管理参数，然后运行模型，获得元江蔗区2012-2015年的平均甘蔗潜在产量为137.9tha-¹。

本发明比较了不同参数优化方法估算的太阳辐射日值和以此作为甘蔗生长模型输入变量计算得到的甘蔗潜在产量模拟值与实测太阳辐射日值以及相应的产量模拟值之间的差异及其显著性，获得一套适合云南低纬高原等地形气候复杂区域的模型参数优化方法。本发明方法采用的太阳辐射日照模型a,b参数不再使用通用的国际农林组织(FAO)推荐值，而是根据局地海拔进行订正；甘蔗潜在产量的估算不再使用常规的生产潜力逐级订正的经验模型方法进行，而是采用澳大利亚开发的APSIM-Sugar甘蔗生长模型在无水肥胁迫的条件下进行模拟计算。

以日照辐射实测值及其对应的甘蔗潜在产量模拟值为基准，在云南低纬高原不同蔗区站点采用本发明方法计算得到的太阳辐射日值及其对应的潜在产量模拟值与FAO常规方法获得的太阳辐射值及其对应的甘蔗潜在产量模拟值相比，其平均相对均方根误差(NRMSE)分别减少了4％(0.64MJ>-2day^-1)和3％(3tha^-1)，在元江等个别站点可达9.5％(1.5MJ>-2day^-1)和15.2％(20.1tha^-1)。试验结果表明本发明有助于提高局地太阳辐射估算精度和甘蔗潜在产量模拟精度，特别适合应用于云南低纬高原为代表的复杂地形气候区域。