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粮食生产大数据平台研究进展与展望

智慧农业(中英文) 2025年

作者：杨贵军赵春江杨小冬杨浩胡海棠龙慧灵裘正军李娴江冲亚孙亮陈雷周清波郝星耀郭威王培高美玲北京市农林科学院信息技术研究中心长安大学地质工程与测绘学院浙江大学生物系统工程与食品科学学院中国农业科学院农业信息研究所北京100081 南京农业大学国家信息农业工程技术中心中国农业科学院农业资源与农业区划研究所中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所北京市农林科学院智能装备技术研究中心

[目的/意义]农业大数据爆炸式发展，加速农业生产迈入数字化、智能化新时代。作为新质生产力，大数据服务于粮食生产全过程综合智能化管理决策，面临粮食生产大数据资源治理机制不明、全链条化粮食生产决策核心算法体系缺乏且对外依存... 详细信息

[目的/意义]农业大数据爆炸式发展，加速农业生产迈入数字化、智能化新时代。作为新质生产力，大数据服务于粮食生产全过程综合智能化管理决策，面临粮食生产大数据资源治理机制不明、全链条化粮食生产决策核心算法体系缺乏且对外依存度高、粮食生产全过程全要素的大数据平台缺乏等问题。[进展]本文综合分析了国内外粮食生产大数据、农情监测与智能决策算法、大数据平台方面的相关进展和面临的挑战，面向产前规划、产中监测与决策、产后综合评价等粮食生产全程管理决策需求，构建由多源异构粮食生产大数据治理、粮食生产知识图谱、“数据获取-信息提取-知识构建-智能决策-农机作业”全链条标准化算法体系、数字孪生典型应用场景等环节组成的粮食生产大数据智能平台。[结论/展望]应重点关注宏观管理监测和微观农场全程智能化生产作业需求，聚焦粮食生产典型应用场景，充分融合大数据与人工智能、数字孪生及云边端等新技术，探索技术联通集成为本，智能化服务为魂的大数据平台研发路径，创建开放式作物与环境传感接入、核心算法成熟度分级与云原生封装、高效数据与决策服务响应等为核心特色的开放共生型粮食生产大数据平台，实现数据-算法-服务全链条智能化、决策信息与智能装备作业一体化、粮食生产大数据平台与应用体系标准化，形成保障粮食安全高效绿色生产的新质生产力。

关键词：粮食生产大数据平台农情监测智能算法决策支持新质生产力

地膜秸秆双覆盖对免耕种植玉米田土壤水热效应的影响

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农业工程学报 2014年第19期30卷 78-87页

作者：殷涛何文清严昌荣刘爽刘恩科中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业部旱作节水农业重点开放实验室北京100081

针对免耕秸秆覆盖种植在北方旱区导致土壤温度降低，从而造成作物产量下降的问题，该研究依托山西寿阳农业部旱地农业野外科学试验站长期保护性耕作定位试验，在免耕秸秆覆盖（NTSM）的处理上增加了地膜覆盖措施，研究秸秆地膜双覆盖免... 详细信息

针对免耕秸秆覆盖种植在北方旱区导致土壤温度降低，从而造成作物产量下降的问题，该研究依托山西寿阳农业部旱地农业野外科学试验站长期保护性耕作定位试验，在免耕秸秆覆盖（NTSM）的处理上增加了地膜覆盖措施，研究秸秆地膜双覆盖免耕（NTSMP）措施对农田土壤水分、土壤温度、水分利用效率及作物产量的影响。研究结果表明，在玉米生长前期，NTSMP0～20cm土层的土壤含水率分别比NTSM和对照处理（CT）高20.2%和21.5%，差异显著（P〈0.05），但在40～110cm土层，NTSMP处理土壤含水率却分别比NTSM及CT低8.8%～14.0%和12.7%～18.8%，差异显著（P〈0.05）。整个生育期结束后，NTSMP处理的土壤储水量出现了负增长，但与CT处理相比差异并不显著（P〉0.05）。玉米生育期前期（4月～5月）0～10cm土壤平均温度，NTSMP处理比NTSM和CT分别高3.2℃和1.9℃，差异显著（P〈0.05）。NTSMP处理的玉米产量分别比NTSM和CT高50.3%、36.8%（P〈0.05），水分利用效率分别提高了42.5%和30.4%（P〈0.05）。可见，NTSMP在玉米生育前期可以增加表层土壤温度，提高表层土壤含水率，为玉米生长提供了良好的水热条件，并最终实现了玉米产量和水分利用效率的大幅提高。

关键词：土壤含水率温度地膜秸杆双覆盖免耕

北方旱区免耕对农田生态系统固碳与碳平衡的影响

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农业工程学报 2015年第4期31卷 240-247页

作者：张恒恒严昌荣张燕卿王健波何文清陈保青刘恩科中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部旱作节水农业重点开放实验室北京100081

农田系统对大气CO2库呈碳汇还是碳源效应取决于土壤有机碳的固定和温室气体释放之间的平衡,而耕作措施会改变土壤有机碳含量和储量,影响农田系统的碳循环与碳平衡。该研究以北方旱区山西临汾20 a长期保护性耕作定位试验为基础,田间原位... 详细信息

农田系统对大气CO2库呈碳汇还是碳源效应取决于土壤有机碳的固定和温室气体释放之间的平衡,而耕作措施会改变土壤有机碳含量和储量,影响农田系统的碳循环与碳平衡。该研究以北方旱区山西临汾20 a长期保护性耕作定位试验为基础,田间原位测定土壤呼吸和土壤有机碳含量,确定各类农业投入碳排放参数,利用碳足迹方法综合分析不同耕作措施（传统耕作CT和免耕NT）下农田生态系统碳平衡。结果表明：在化肥、机械等农业投入产生的间接碳排放量方面,化肥投入碳排放量约占系统农业总投入碳排放量的73.5%-77.4%,是农业投入中主要的碳源。由于免耕减少了翻耕、旋耕和秸秆移除3道程序,NT比CT少排放约5.1%,NT产量显著提高28.9%,且碳生产力大于CT。0-60 cm土壤有机碳储量NT（50.86 Mg/hm2）比CT（46.00 Mg/hm2）高10.5%。与CT相比,在小麦休闲期和生育期NT土壤呼吸CO2释放总量高于CT。但根据农田系统碳平衡公式分析得出,NT更有利于农田生态系统固碳,呈碳汇效应,而CT表现为碳源。因此,长期免耕耕作能够提高农田土壤固碳量,减少大气温室气体排放,对于改善北方旱区土壤碳库和减排效果是一个良好的选择。

关键词：土壤农业生态系统传统耕作免耕土壤有机碳碳平衡

基于SPEI-PM指数的黄淮海平原干旱特征分析

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生态学报 2017年第6期37卷 2054-2066页

作者：李翔翔居辉刘勤李迎春秦晓晨中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所作物高效用水与抗灾减损国家工程实验室北京100081 农业部农业环境重点实验室北京100081 农业部旱作节水农业重点实验室北京100081

利用黄淮海平原45个气象站点1961—2014年月值气象数据,基于Penman-Monteith蒸散模型计算了标准化降水蒸散指数(SPEI),对黄淮海平原近54年干旱变化趋势、发生频率和持续性特征进行了分析,并探讨了SPEI指数与河南、河北和山东省农业干旱... 详细信息

利用黄淮海平原45个气象站点1961—2014年月值气象数据,基于Penman-Monteith蒸散模型计算了标准化降水蒸散指数(SPEI),对黄淮海平原近54年干旱变化趋势、发生频率和持续性特征进行了分析,并探讨了SPEI指数与河南、河北和山东省农业干旱面积的关系,结果表明:(1)改用Penman-Monteith蒸散公式后,SPEI干旱指数在黄淮海平原呈整体上升趋势,即趋于湿润;(2)近54年干旱演变具有明显的年代际差异,20世纪60年代干旱频率最高,而21世纪初(2000—2014)干旱频率整体偏低;(3)黄淮海平原干旱发生具有持续性的特点,20世纪60年代遭受的持续性干旱最为严重,平均干旱持续时长约2.6个月,21世纪初下降到1.5个月;(4)河南、河北和山东省的农业干旱面积年际变化表明,干旱面积呈减少趋势,2000年以后年均受灾面积、成灾面积和绝收面积比2000年之前分别下降了58.0%、44.4%和49.1%;(5)农业干旱面积与SPEI具有中等以上的相关强度,其中对山东省受灾、成灾和绝收面积相关系数r达到-0.7以上,表明基于Penman-Monteith蒸散模型的SPEI指数在黄淮海平原具有良好的适用性。

关键词： SPEI Penman-Monteith蒸散模型干旱趋势干旱频率黄淮海平原

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水稻穗发育调控的分子机制研究进展

生物技术通报 2025年

作者：刘园园陈析丰钱前高振宇浙江师范大学生命科学学院中国水稻研究所水稻生物育种全国重点实验室崖州湾国家种子实验室

水稻是全球主要的粮食作物之一，为全球超过半数人口的基本食粮。有效穗数、穗粒数和千粒重是水稻产量的三大要素，水稻穗发育又是决定穗粒数的重要过程，并与产量的形成有着密切关系。因此，研究水稻穗发育及其分子调控机制可为水稻高... 详细信息

水稻是全球主要的粮食作物之一，为全球超过半数人口的基本食粮。有效穗数、穗粒数和千粒重是水稻产量的三大要素，水稻穗发育又是决定穗粒数的重要过程，并与产量的形成有着密切关系。因此，研究水稻穗发育及其分子调控机制可为水稻高产育种实践提供理论依据和指导。水稻穗发育的遗传机制和分子调控一直以来就受到育种家们的关注。本文基于国内外对水稻穗发育相关基因及其作用机理的研究进展以及近年来新发现的水稻穗发育调控基因，从水稻分生组织活性维持、花序分生组织向小穗分生组织转换、花器官形成过程和遗传调控方面展开论述。分类介绍了这些基因调控穗发育的分子机制及可能存在的相互作用关系，同时归纳了细胞分裂素、生长素、赤霉素、油菜素内酯等植物激素的信号途径中这些基因如何参与调控水稻穗发育，还进一步探讨了温度、光照、水分和营养元素等环境因素在水稻穗发育过程中的重要作用。在对水稻穗发育的分子调控机制和遗传调控网络展开全面综述的基础上，系统梳理和分析了现阶段水稻穗发育研究存在的棘手问题和相应的解决策略，并就未来水稻穗发育研究领域的关键问题和核心手段作了展望。

关键词：水稻穗发育植物激素环境因素分子机制

黄淮海地区干旱变化特征及其对气候变化的响应

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生态学报 2014年第2期34卷 460-470页

作者：徐建文居辉刘勤杨建莹中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所作物高效用水与抗灾减损国家工程实验室北京100081 农业部农业环境重点实验室北京100081 农业部旱作节水农业重点实验室北京100081

为了探究气候变化背景下黄淮海地区的干旱特征,基于黄淮海平原34个气象站点的1961—2012年气象数据,使用相对湿润指数探讨分析了近50年黄淮海地区冬小麦生长季及4个季节干旱的时空变化及其对气候变化的响应。结果表明:(1)在整个分析期内... 详细信息

为了探究气候变化背景下黄淮海地区的干旱特征,基于黄淮海平原34个气象站点的1961—2012年气象数据,使用相对湿润指数探讨分析了近50年黄淮海地区冬小麦生长季及4个季节干旱的时空变化及其对气候变化的响应。结果表明:(1)在整个分析期内(1961—2011)冬小麦生长季干旱减轻,但是在近20年干旱有了加重的趋势,且干旱加重的趋势是一种突变现象。(2)黄淮海地区1961年以来,春季、冬季以及冬小麦生长季内均表现为不同程度的干旱,干旱频率都达到90%以上,其中春、冬两季最为干旱,3个时段整个黄淮海中北部地区都为高频干旱区域,且4个季节及冬小麦生长季干旱程度与干旱频率的区域分布均表现为由南向北递增的趋势。(3)黄淮海地区的干旱特征对降水、太阳辐射和相对湿度这3个气候要素的变化最为敏感。

关键词：相对湿润度干旱季节冬小麦气候变化黄淮海

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山西寿阳县旱作农业土地生产潜力

农业工程学报 2009年第1期25卷 55-59,F0004页

作者：刘勤严昌荣何文清刘爽中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 农业部旱作节水农业重点开放实验室北京100081

北方旱区是中国最具开发潜力的农业生产基地,土地生产潜力作为土地最本质的属性,它的研究越来越受到人们的重视。该文以山西寿阳县33a气候数据、土壤理化数据和图件资料为基础,采用"机制法"对土地生产潜力分别进行了光合、温度、水分和... 详细信息

北方旱区是中国最具开发潜力的农业生产基地,土地生产潜力作为土地最本质的属性,它的研究越来越受到人们的重视。该文以山西寿阳县33a气候数据、土壤理化数据和图件资料为基础,采用"机制法"对土地生产潜力分别进行了光合、温度、水分和土壤的逐级订正,估算土地生产潜力。研究结果表明:水分不足是气候生产潜力的主要限制因子,经水分订正后,多年平均气候生产潜力相对光温生产潜力减少了三分之二;土地生产潜力分布特点基本满足地形地貌类型的分布特点,河谷盆地生产潜力较高,山地部位生产潜力较低,而土壤养分总体含量较低,存在重用轻养现象,肥力补偿差。

关键词：土地生产潜力机制法 GIS 寿阳县北方旱区

基于叶面积指数改进双作物系数法估算旱作玉米蒸散

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农业工程学报 2016年第9期32卷 90-98页

作者：冯禹崔宁博龚道枝王罕博郝卫平梅旭荣中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所作物高效用水与抗灾减损国家工程实验室/农业部旱作节水农业重点实验室北京100081 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都610065

为准确估算和区分黄土高原旱作春玉米蒸散(evapotranspiration,ET),该文基于实测叶面积指数(leaf area index,LAI)动态估算基础作物系数,利用LAI修正土壤蒸发系数,并基于修正后的双作物系数法估算和区分黄土高原地区旱作春玉米ET,并以2... 详细信息

为准确估算和区分黄土高原旱作春玉米蒸散(evapotranspiration,ET),该文基于实测叶面积指数(leaf area index,LAI)动态估算基础作物系数,利用LAI修正土壤蒸发系数,并基于修正后的双作物系数法估算和区分黄土高原地区旱作春玉米ET,并以2012、2013年寿阳站基于涡度相关系统和微型蒸渗仪实测的春玉米ET和土壤蒸发(soil evaporation)对修正后的双作物系数法的适用性进行评估。结果表明:修正后的双作物系数法能够较为准确的估算春玉米ET,2012年春玉米全生育期ET估算值、实测值分别为365.3、372.6 mm,2013年分别为385.6、369.4 mm;2012年全生育期改进双作物系数法决定系数、均方根误差、模型效率系数和平均绝对误差分别为0.824、0.561 mm/d、0.817和0.449 mm/d,2013分别为0.870、0.381 mm/d、0.871和0.332 mm/d;同时,修正后的双作物系数法可对春玉米各生育期ET进行准确区分,土壤蒸发估算值与实测值有较好的一致性,2012年全生育期估算和实测土壤蒸发分别为0.98和0.99 mm/d,分别占ET的38.12%和37.08%;2013年估算和实测土壤蒸发分别为0.86和0.89 mm/d,分别占ET的33.59%和35.90%。因此,修正后的双作物系数法能够较为准确地估算和区分黄土高原地区旱作春玉米ET。该研究可为黄土高原区农田水分精准管理提供科学指导。

关键词：作物蒸散模型黄土高原旱作春玉米双作物系数法涡度相关系统

区域粮食产量因灾损失评估之北方五省灾情-产量模型再检验

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中国农业气象 2023年第11期44卷 1009-1021页

作者：刘园刘布春梅旭荣贺金娜陈迪韩锐朱永昶中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/作物高效用水与抗灾减损国家工程实验室/农业农村部农业环境重点实验室北京100081

利用1961-2020年粮食作物种植面积、产量和农业灾情统计数据,对比分析了全国和冀鲁豫晋陕粮食产量与灾情的变化特征;采用已构建的河北、山东、河南灾情-产量评估模型,输入2008-2020年灾情数据,估算粮食产量及其因灾损失,检验已建灾情-... 详细信息

利用1961-2020年粮食作物种植面积、产量和农业灾情统计数据,对比分析了全国和冀鲁豫晋陕粮食产量与灾情的变化特征;采用已构建的河北、山东、河南灾情-产量评估模型,输入2008-2020年灾情数据,估算粮食产量及其因灾损失,检验已建灾情-产量评估模型的敏感性和稳定性;同时,基于该统计建模方法构建了山西和陕西两省粮食作物灾情-产量评估模型,评价构建模型方法的通用性。结果表明:(1)1961-2020年,北方五省粮食作物种植面积和总产量分别占全国的28%和25%,夏收粮食和秋收粮食种植面积分别以3.39hm^(2)·a^(-1)和106.3hm^(2)·a^(-1)的速率极显著下降(P作物受灾、成灾和绝收面积分别在2008年、2000年和2000年达到历史高值后逐年下降;北方五省相应灾情分别在1990年、1989年和2004年出现下降拐点。全国粮食作物灾情主要来自干旱和洪涝,旱涝受灾、成灾和绝收面积占全国灾害统计面积的76%;北方五省灾情主要来自干旱,干旱受灾、成灾和绝收面积分别占北方五省灾情统计的66%、61%和58%。2008-2020年山东干旱受灾面积最大;河北、山西干旱成灾面积相对较高;河北洪涝和风雹绝收面积最高。(3)基于构建模型的数据序列延长至2020年,冀鲁豫粮食产量模拟值与实际值呈极显著相关关系(R2>0.95,P作物产量评估模型模拟准确率较高;60a间,冀鲁豫晋陕五省的粮食因灾损失率分别为8.99%、18.02%、9.79%、12.84%和20.04%,近12a受灾情面积减少和农业科技进步的影响,因灾损失率分别为4.4%、17.4%、9.65%、8.14%和17.9%,均有所下降。经模型的验证和构建,该建模统计方法对于评估气象灾害对粮食产量造成的损失表现较好,具有预测粮食产量的性能,具备业务化应用的可行性。鉴于北方五省粮食产量占全国粮食产量比例较高,新时期防范区域农业气象灾害风险对保障国家粮食安全至关重要。

关键词：粮食产量农业气象灾害区域灾情因灾损失评估灾情-产量评估模型