作物学报 ›› 2018, Vol. 44 ›› Issue (8): 1229-1236.doi: 10.3724/SP.J.1006.2018.01229
聂志刚1,2(),李广3,*(),雒翠萍2,马维伟3,代永强2
Zhi-Gang NIE1,2(),Guang LI3,*(),Cui-Ping LUO2,Wei-Wei MA3,Yong-Qiang DAI2
摘要:
模型参数的快速、准确估算是产量形成模型应用的重要前提。在基于APSIM (agricultural production systems simulator)的旱地小麦产量形成模型参数本土化率定过程中, 存在体量大、耗时长、精度低、效率低的缺点, 本研究利用智能算法优化模型参数, 试图解决上述问题。依据甘肃省定西市安定区李家堡镇麻子川村2002—2005年、凤翔镇安家沟村2015—2016年大田试验数据以及定西市安定区1971—2016年气象和产量资料, 运用混合蛙跳算法分组轮换和全局信息交换的智能策略, 对基于APSIM的旱地小麦产量形成模型参数进行了优化, 并采用相关性分析方法检验。该优化方法利用青蛙智能的群体生物进化学习策略, 可实现对小麦产量形成模型参数的估算, 较APSIM平台参数本土化率定常用的穷举试错法, 参数优化后产量模拟精度显著提高, 均方根误差(RMSE)平均值由79.13 kg hm -2降低到35.36 kg hm -2, 归一化均方根误差(NRMSE)平均值由5.97%降低到2.63%, 模型有效性指数(ME)平均值由0.939提高到0.989。该方法全局优化能力强, 收敛速度快。
[1] | 邹薇, 刘铁梅, 孔德艳, 汤亮, 曹卫星 . 大麦产量构成模型. 应用生态学报, 2009,20:396-402 |
Zou W, Liu T M, Kong D Y, Tang L, Cao W X . Simulation model on barley yield formation. Chin J Appl Ecol, 2009,20:396-402 (in Chinese with English abstract) | |
[2] |
郑秀琴, 冯利平, 刘荣花 . 冬小麦产量形成模拟模型研究. 作物学报, 2006,32:260-266
doi: 10.3321/j.issn:0496-3490.2006.02.018 |
Zheng X Q, Feng L P, Liu R H . A simulation model for yield components and final yield in winter wheat. Acta Agron Sin, 2006,32:260-266 (in Chinese with English abstract)
doi: 10.3321/j.issn:0496-3490.2006.02.018 |
|
[3] | 庄嘉祥, 姜海燕, 刘蕾蕾, 王芳芳, 汤亮, 朱艳, 曹卫星 . 基于个体优势遗传算法的水稻生育期模型参数优化. 中国农业科学, 2013,46:2220-2231 |
Zhuang J X, Jiang H Y, Liu L L, Wang F F, Tang L, Zhu Y, Cao W X . Parameters optimization of rice development stages model based on individual advantages genetic algorithm. Sci Agric Sin, 2013,46:2220-2231 (in Chinese with English abstract) | |
[4] |
房全孝 . 根系水质模型中土壤与作物参数优化及其不确定性评价. 农业工程学报, 2012,28(10):118-123
doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2012.10.019 |
Fang Q X . Optimizing and uncertainty evaluation of soil and crop parameters in root zone water quality model. Trans CSAE, 2012,28(10):118-123 (in Chinese with English abstract)
doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2012.10.019 |
|
[5] |
刘志娟, 杨晓光, 王静, 吕硕, 李克南, 荀欣, 王恩利 . APSIM玉米模型在东北地区的适应性. 作物学报, 2012,38:740-746
doi: 10.3724/SP.J.1006.2012.00740 |
Liu Z J, Yang X G, Wang J, Lyu S, Li K N, Xun X, Wang E L . Adaptability of APSIM maize model in Northeast China. Acta Agron Sin, 2012,38:740-746 (in Chinese with English abstract)
doi: 10.3724/SP.J.1006.2012.00740 |
|
[6] |
Mansouri M, Destain M F . An improved particle filtering for time-varying nonlinear prediction of biomass and grain protein content. Comput Electron Agric, 2015,114:145-153
doi: 10.1016/j.compag.2015.04.006 |
[7] | 刘铁梅, 王燕, 邹薇, 孙东发, 汤亮, 曹卫星 . 大麦叶面积指数模拟模型. 应用生态学报, 2010,21:121-128 |
Liu T M, Wang Y, Zou W, Sun D F, Tang L, Cao W X . Simulation model of barley leaf area index. Chin J Appl Ecol, 2010,21:121-128 (in Chinese with English abstract) | |
[8] |
李广, 黄高宝, William B, 陈文 . APSIM模型在黄土丘陵沟壑区不同耕作措施中的适用性. 生态学报, 2009,29:2655-2663
doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2009.05.056 |
Li G, Huang G B, William B, Chen W . The applicability of APSIM model in different tillage measures in hilly gully region of the Loess Plateau. Acta Ecol Sin, 2009,29:2655-2663 (in Chinese with English abstract)
doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2009.05.056 |
|
[9] | 鲍士旦 . 土壤农化分析(第3版). 北京: 中国农业出版社, 2000. pp 263-268 |
Bao S D. Soil Agricultural Chemistry Analysis, 3rd edn. Beijing: China Agriculture Press, 2000. pp 263-268(in Chinese) | |
[10] |
李广, 李玥, 黄高宝, 罗珠珠, 王琦, 刘强, 燕振刚, 赵有益 . 基于APSIM模型旱地春小麦产量对温度和CO2浓度升高的响应. 中国生态农业学报, 2012,20:1088-1095
doi: 10.3724/SP.J.1011.2012.01088 |
Li G, Li Y, Huang G B, Luo Z Z, Wang Q, Liu Q, Yan Z G, Zhao Y Y . Response of dryland spring wheat yield to elevated CO2 concentration and temperature by APSIM model. Chin J Eco- Agric, 2012,20:1088-1095 (in Chinese with English abstract)
doi: 10.3724/SP.J.1011.2012.01088 |
|
[11] |
聂志刚, 李广 . 基于APSIM的旱地小麦叶面积指数模拟模型构建. 干旱地区农业研究, 2013,31(4):94-98
doi: 10.3969/j.issn.1000-7601.2013.04.018 |
Nie Z G, Li G . Modeling of APSIM-based simulation of leaf area index of wheat in dryland. Agric Res Arid Areas, 2013,31(4):94-98 (in Chinese with English abstract)
doi: 10.3969/j.issn.1000-7601.2013.04.018 |
|
[12] |
王伟, 黄义德, 黄文江, 李存军, 王娴 . 作物生长模型的适用性评价及冬小麦产量预测. 农业工程学报, 2010,26(3):233-237
doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2010.03.039 |
Wang W, Huang Y D, Huang W J, Li C J, Wang X . Applicability evaluation of CERES-Wheat model and yield prediction of winter wheat. Trans CSAE, 2010,26(3):233-237 (in Chinese with English abstract)
doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2010.03.039 |
|
[13] |
何亮, 赵刚, 靳宁, 庄伟, 于强 . 不同气候区和不同产量水平下APSIM-Wheat模型的参数全局敏感性分析. 农业工程学报, 2015,31(14):148-157
doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.14.021 |
He L, Zhao G, Jin N, Zhuang W, Yu Q . Global sensitivity analysis of APSIM-Wheat parameters in different climate zones and yield levels. Trans CSAE, 2015,31(14):148-157 (in Chinese with English abstract)
doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.14.021 |
|
[14] |
董朝阳, 刘志娟, 杨晓光 . 北方地区不同等级干旱对春玉米产量影响. 农业工程学报, 2015,31(11):157-164
doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.11.023 |
Dong C Y, Liu Z J, Yang X G . Effect of different grade drought on grain yield of spring maize in northern China. Trans CSAE, 2015,31(11):157-164 (in Chinese with English abstract)
doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.11.023 |
|
[15] |
Asseng S, Bar-Tal A, Bowden J W, Keating B A, Van Herwaarden A, Palta J A, Huth N I, Probert M E . Simulaton of grain protein content with APSIM-N wheat. Eur J Agron, 2002,16:25-42
doi: 10.1016/S1161-0301(01)00116-2 |
[16] | 代永强 . 混合蛙跳算法的改进与应用. 甘肃农业大学硕士学位论文, 甘肃兰州, 2011 |
Dai Y Q . The Improvement and Application of Shuffled Frog Leaping Algorithm. MS Thesis of Gansu Agricultural University, Lanzhou, China, 2011 ( in Chinese with English abstract) | |
[17] | 康立军, 张仁陟, 吴丽丽 . 基于混合蛙跳算法的灌溉制度寻优应用研究. 节水灌溉, 2012, ( 5):73-75 |
Kang L J, Zhang R Z, Wu L L . Study on application of SFLA-based irrigation schedule optimization. Water Saving Irrig, 2012, ( 5):73-75 (in Chinese with English abstract) | |
[18] |
郭小燕, 刘学录, 王联国 . 基于混合蛙跳算法的土地利用格局优化. 农业工程学报, 2015,31(24):281-288
doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.24.043 |
Guo X Y, Liu X L, Wang L G . Land use pattern optimization based on shuffled frog leaping algorithm. Trans CSAE, 2015,31(24):281-288 (in Chinese with English abstract)
doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.24.043 |
|
[19] |
Zhang X C . Calibration, refinement, and application of the WEPP model for simulating climatic impact on wheat production. Trans ASAE, 2004,47:1075-1085
doi: 10.13031/2013.16580 |
[20] | Zheng B Y, Chenu K, Doherty A, Chapman S . The APSIM-Wheat Module (7.5 R3008) Documentation. Toowoomba: APSRU, 2014. pp 18-19 |
[21] | 杨文雄 . 中国西北春小麦. 北京: 中国农业出版社, 2016. pp 155-161 |
Yang W X. Spring wheat in Northwest China. Beijing: China Agriculture Press, 2016. pp 155-161(in Chinese) | |
[22] |
蒋纪芸, 苏珮 . 小麦灌浆期间营养器官对籽粒氮积累的影响. 西北农业学报, 1993,2(3):43-47
doi: 10.7606/j.issn.1004-1389.1993.3.010 |
Jiang J Y, Su P . The effect of nutrition organs of winter wheat to the accumulation of N substance in seed during the fill period. Acta Agric Boreali-Occident Sin, 1993,2(3):43-47 (in Chinese with English abstract)
doi: 10.7606/j.issn.1004-1389.1993.3.010 |
[1] | 胡文静, 李东升, 裔新, 张春梅, 张勇. 小麦穗部性状和株高的QTL定位及育种标记开发和验证[J]. 作物学报, 2022, 48(6): 1346-1356. |
[2] | 郭星宇, 刘朋召, 王瑞, 王小利, 李军. 旱地冬小麦产量、氮肥利用率及土壤氮素平衡对降水年型与施氮量的响应[J]. 作物学报, 2022, 48(5): 1262-1272. |
[3] | 付美玉, 熊宏春, 周春云, 郭会君, 谢永盾, 赵林姝, 古佳玉, 赵世荣, 丁玉萍, 徐延浩, 刘录祥. 小麦矮秆突变体je0098的遗传分析与其矮秆基因定位[J]. 作物学报, 2022, 48(3): 580-589. |
[4] | 冯健超, 许倍铭, 江薛丽, 胡海洲, 马英, 王晨阳, 王永华, 马冬云. 小麦籽粒不同层次酚类物质与抗氧化活性差异及氮肥调控效应[J]. 作物学报, 2022, 48(3): 704-715. |
[5] | 刘运景, 郑飞娜, 张秀, 初金鹏, 于海涛, 代兴龙, 贺明荣. 宽幅播种对强筋小麦籽粒产量、品质和氮素吸收利用的影响[J]. 作物学报, 2022, 48(3): 716-725. |
[6] | 马红勃, 刘东涛, 冯国华, 王静, 朱雪成, 张会云, 刘静, 刘立伟, 易媛. 黄淮麦区Fhb1基因的育种应用[J]. 作物学报, 2022, 48(3): 747-758. |
[7] | 王洋洋, 贺利, 任德超, 段剑钊, 胡新, 刘万代, 郭天财, 王永华, 冯伟. 基于主成分-聚类分析的不同水分冬小麦晚霜冻害评价[J]. 作物学报, 2022, 48(2): 448-462. |
[8] | 陈新宜, 宋宇航, 张孟寒, 李小艳, 李华, 汪月霞, 齐学礼. 干旱对不同品种小麦幼苗的生理生化胁迫以及外源5-氨基乙酰丙酸的缓解作用[J]. 作物学报, 2022, 48(2): 478-487. |
[9] | 徐龙龙, 殷文, 胡发龙, 范虹, 樊志龙, 赵财, 于爱忠, 柴强. 水氮减量对地膜玉米免耕轮作小麦主要光合生理参数的影响[J]. 作物学报, 2022, 48(2): 437-447. |
[10] | 马博闻, 李庆, 蔡剑, 周琴, 黄梅, 戴廷波, 王笑, 姜东. 花前渍水锻炼调控花后小麦耐渍性的生理机制研究[J]. 作物学报, 2022, 48(1): 151-164. |
[11] | 孟颖, 邢蕾蕾, 曹晓红, 郭光艳, 柴建芳, 秘彩莉. 小麦Ta4CL1基因的克隆及其在促进转基因拟南芥生长和木质素沉积中的功能[J]. 作物学报, 2022, 48(1): 63-75. |
[12] | 韦一昊, 于美琴, 张晓娇, 王露露, 张志勇, 马新明, 李会强, 王小纯. 小麦谷氨酰胺合成酶基因可变剪接分析[J]. 作物学报, 2022, 48(1): 40-47. |
[13] | 李玲红, 张哲, 陈永明, 尤明山, 倪中福, 邢界文. 普通小麦颖壳蜡质缺失突变体glossy1的转录组分析[J]. 作物学报, 2022, 48(1): 48-62. |
[14] | 罗江陶, 郑建敏, 蒲宗君, 范超兰, 刘登才, 郝明. 四倍体小麦与六倍体小麦杂种的染色体遗传特性[J]. 作物学报, 2021, 47(8): 1427-1436. |
[15] | 王艳朋, 凌磊, 张文睿, 王丹, 郭长虹. 小麦B-box基因家族全基因组鉴定与表达分析[J]. 作物学报, 2021, 47(8): 1437-1449. |
|