模式學習日誌

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GLYCIM模式介紹-植物參數

GLYCIM模式最早在1982由Dr. Acock等人建立，經過Dr. V.R. Reddy, Dr. Yakov Pachevsky, Dr. Dennis Timlin 等人測試與修訂，根據Dr. Reddy口述，Ken Boote最早也有參與GLYCIM模式開發，後來依據GLYCIM模式的基礎建立CROPGRO模式，因此CROPCRO與GLYCIM模式有一定的相似度。原本的GLYCIM模式使用Penman monteith進行水平衡模擬、Hyperbolic equation模擬光合作用，該模式相當令人驚豔之處在於能夠反映淹水情境下，根部活性降低、生長速率下降與根瘤死亡，可以從上述的現象探討淹水情境下，大豆的生理變化以及元素平衡，對於最終產量的影響。 Dr. Timlin在20年以前就開始協助GLYCIM模式土壤模型的建立，這幾年重新將GLYCIM模式與2DSOIL結合成為2DGLYCIM，並且使用FvCB取代Hyperbolic equation進行光合作用模擬，可想像是另一個昇級版的大豆模式。目前模式的原始碼仍然是公開的，只要有興趣的人都可以在Github上找到GLYCIM，Dr. Reddy的團隊一直歡迎大家取用模式，這個氣度永遠是我無法企及的。 GLYCIM模式所需的作物參數檔下表，可以看到參數檔當中有相當大的部分用來模擬作物的發育，模式的時步(time step)是小時，在這個模式既可以觀察到Dr. Acock盡量使用生長/發育速率的取代累積溫度，很大的程度影響到MAIZSIM模式。GLYCIM模式假設的基礎溫度是0℃，並無optimum temperature，值得觀察高溫環境下是否能使用beta function來取代現行的linear equation。代碼 Definition 定義備註 MG maturity group number (group 00 = 1) 成熟群 SEEDLB number of seeds per pound weight typical for cultivar 每磅籽粒數 Sink FILL Seed f...

CERES-RICE 品種參數

P1：基本營養生長期 (P1) 從出土到對光週期變化變得不敏感之前的這段時間。這段期間，水稻的生長主要受溫度影響。它的時間長度以「生長積溫」(GDD, 攝氏度-天) 表示，基溫為 9°C。 ! P1 Time period (expressed as growing degree days [GDD] in oC-d above a ! base temperature of 9oC) from seedling emergence during which the ! rice plant is not responsive to changes in photoperiod. This period ! is also referred to as the basic vegetative phase of the plant. ! Range: 150-800 oC-d. 數值範圍: 150-800 °C-d。校準: 具有彈性，可以與實際觀察到的幼穗分化和開花日期進行比較來調整。 P2O 中文翻譯: 臨界光週期 (P2O) 說明: 這是指水稻發育達到最快速度所需的最長日照時間（以小時為單位）。如果日照時間超過這個臨界值，發育速度會減慢，導致生長延遲。數值範圍: 11-13 小時，預設值為 12 小時。校準: 除非有相關數據，否則不建議低於 11 小時。 P2R 中文翻譯: 光週期敏感係數 (P2R) 說明: 當日照時間每增加一小時超過臨界光週期 (P2O) 時，水稻發育（特別是幼穗分化）所延遲的時間，以生長積溫 (GDD) 表示。數值範圍: 5-300 °C-d。校準: 現代水稻品種的數值通常在較低範圍內。 P5 中文翻譯: 灌漿期 (P5) 說明: 這是從灌漿開始（開花後約 3 至 4 天）到生理成熟的這段時間，同樣以生長積溫 (GDD) 表示，基溫為 9°C。數值範圍: 150-850 °C-d。校準: 在正確校準了 P1、P2O 和 P2R 以符合開花日期後，再根據實際成熟日期來校準 P5。 G1 中文翻譯: 潛在小穗數係數 (G1) 說明: 這是根據開花期時主莖（不包括葉片和葉鞘，但包括穗部）的乾重，估算出的每克乾重所含的潛...

農業溫室氣體排放估算 - 水田甲烷

水田甲烷(CH 4 ) IPCC(2019) vol. 4，第5章, p5.49 方法 1 - Tier 1 $CH_{4,Rice} =\sum\limits_{i, j, k} (EF_{i,j,k} \cdot t_{i,j,k} \cdot A_{i,j,k} \cdot 10^{-6})$ CH 4,rice : 每年水稻栽培造成的甲烷排放量, Gg CH 4 yr -1 EF i, j, k : i, j, k情況下水稻栽培每日甲烷排放量, kg CH 4 ha -1 day -1 t i, j, k : i, j, k 情況水稻栽培時間, day A i, j, k : i, j, k 情況下水稻栽培面積, ha yr -1 i, j, and k: 代表不同的生態環境、水分管理、有機質肥料施用型態與施用量以及其他會影響甲烷排放量的變因 Tier 1 適用兩種情況的國家：(1) 水稻甲烷排放不是關鍵類別、(2) 沒有國家排放係數。必須將水稻的年收穫面積依照至少3種基本水分管理方式進行分類，包括灌溉、看天田、陸稻。另外建議儘可能納入影響甲烷排放的其他多種條件。將國家劃分成不同的小區，每個小區排放量是透過基準預設排放係數（適用於栽種前180天內無淹水，且持續淹灌且無添加有機質區域)，與各種調整因子相乘來修正，如Eq.5.2 所示。每種水分管理方式及有機質添加情形的計算方式可參考Eq. 5.3 。每日排放係數調整因子 (scaling factor) $EF_i = EF_c \cdot SF_w \cdot SF_p \cdot SF_o$ EF i : i條件的每日排放係數 EF c : 無施用有機肥料下持續灌溉水田的排放係數 SF w : 不同水分管理區域的調整因子(表 5.12) SF p : 不同種植前水分管理調整因子(表 5.13) SF o : 有機質肥料型態或施用量之調整因子(Eq. 5.3, 表5.14) 有機質肥料施用 $SF_o = (1+\sum\limits_{i}ROA_i \cdot CFOA_i)^{0.59}$ ROA i : 有機資材i的施用量，可以是乾稻稈種或其他有機資材的鮮種，tonne ha -1 CFOA i : 有機資材i的轉換係數，表5.14 方法2 -Tier 2 Tier 2 ...

農業溫室氣體排放估算 - 氧化亞氮

從簡單到複雜可以分成三種方法 Tier 1：最簡單的使用方法，公式最為簡單、使用預設參數值 Tier 2：類似於Tier 1，但是選擇國家或區域參數，通常會使用較高時間與空間解析度的活動資料，並進行更細緻的分類，以對應特定區域和專業化土地利用或畜牧類別的國家自訂係數。 Tier 3：較為高階的方法，例如使用基於過程的模型 (process-based model)或依據國家情況量身打造的清查測量系統氧化亞氮 (N 2 O) IPCC(2019) vol. 4，第11章 Tier 1 - 主要方程式如下 N 2 O Direct -N = N 2 O-N N inputs + N 2 O-N OS + N 2 O-N PRP (Eq. 11.1) 其中 N 2 O Direct -N: 每年土壤直接的N 2 O-N排放量， kg N 2 O-N yr -1 N 2 O-N N inputs : 每年氮投入所導致的 N 2 O-N排放量，單位同上 N 2 O-N OS : 每年土壤有機質管理所影響的 N 2 O-N排放量，單位同上 N 2 O-N PRP : 每年因有放牧和糞尿施用所影響的 N 2 O-N排放量，單位同上也就是氧化亞氮的排放量主要來自於氮投入和土壤有機值得釋出，但因為台灣的土壤有機質條件未達到IPCC(2019)規範。其中從氮投入(N 2 O-N N inputs )的部分可以再進行拆解 N 2 O-N N inputs = (F SN + F ON + F CR + F SOM ) * EF 1 F SN : 每年化學肥料氮投入量, kg N/yr F ON : 每年有機質肥料氮投入量, kg N/yr F ON : 每年作物殘體氮(包含地上部與地下部)回到土壤的量, kg N/yr F SOM : 因為田間管理或擾動造成每年有機質礦化釋出的氮量, kg N/yr N 2 O-N OS 是指有機質土壤分解的氧化亞氮，IPCC (2019) 說明如下如果土壤符合以下第1與第2項，或第1與第3項的條件，即可被歸類為有機土壤（FAO, 1998）：厚度達10公分或以上。若土層厚度少於20公分，則混合至20公分深度時，其有機碳含量須達12%以上。若土壤在任何...

模式結果分析

比較模擬結果的方法有很多種，我們可以分為兩種類類型，(1) 模擬值與量測值的相關性、(2) 模擬與量測值的誤差。基於相關性的模擬結果評估方法基於相關性的評估方法中，最常見的方法是進行模擬與實測值的簡單線性回歸，通常會將模擬值輸出為y軸，實測值輸出為x軸，當斜率接近1、截距接近0、R 2 接近1時，我們可以可以認定為良好的模式。另一個方法就是計算 r - 相關係數(Correlation coefficient) $r=\tfrac{\sum\limits_{i=1}^n(o_i-\bar{o})(s_i-\bar{s})} {\sqrt{\sum\limits_{i=1}^n(o_i-\bar{o})^2}\sqrt{\sum\limits_{i=1}^n(s_i-\bar{s})^2}}$ 符號 $o_i$ 代表實測值、 $s_i$ 代表相對應的模擬值基於誤差的評估方法常見的包括RMSE, RRMSE, MAE, EF，以下分別進行說明，所使用的符號 $o_i$ 代表實測值、 $s_i$ 代表相對應的模擬值均方根差 (RMSE) 最常見的方法為均方根誤差(root mean squre error,RMSE)，計算公式如下: $RMSE = \sqrt{ \tfrac{1}{n} \times \sum\limits_{i=1}^n (o_i - s_i)^2 }$ 另外也可以將RMSE除以實測值的平均值，成為相對均方根誤差(relative root mean square error, RRMSE)，公式如下 $RRMSE = \tfrac{RMSE} {\bar{o_i} }$ 通常均方根誤差都帶有單位，例如RMSE = 653.2 (kg/ha)，代表模擬與實測的產量誤差有653.2，RRMSE就可以代表相對值例如0.23，可以提供我們了解RMSE 的的佔比。無腦指標 - EF 推薦一個無腦的指標就是EF (Nash–Sutcliffe Efficiency)，公式如下 $EF=1-\tfrac{ \sum\limits_{i=1}^n (o_i-s_i)^2 } { \sum\limits_{i=1}^n (o_i - \bar{o_i})...

肥料成分計算

很早以前肥料是先灰化再進行成份分析，因此對於那一些不揮發的元素，通常會使用氧化物的型態進行表示，例如磷就使用磷酐 (P 2 O 5 )表示、鉀則氧化鉀 (K 2 O)表示、鈣使用氧化鈣(CaO)、鎂使用氧化鎂(MgO)表示。肥料袋上的成分的前三個數字就是肥料三要素的成分占比(%) 肥料成分的標示可以相當複雜，但不論如何，前三個數字一定是三要素，也就是氮-磷酐-氧化鉀。以硝磷基黑旺特1號有機質複合肥料為例，我們可以看到官網的成分標示如下：氮-磷酐-氧化鉀(N-P 2 O 5 -K 2 O) 20-5.5-10-8 (有機質)，它代表的意思就是氮有20%、磷酐有5.5%、氧化鉀有10%。我們來算算每一包台肥1號(40公斤)投入多少三要素吧氮 $40 \times \tfrac{20}{100} = 8$ (公斤) 磷酐 $40 \times \tfrac{5.5}{100} = 2.2$ (公斤) 氧化鉀 $40 \times \tfrac{8}{100} = 16$ (公斤) 因此每一包台肥1號投入8公斤氮、2.2公斤磷酐、16公斤氧化鉀。再算一題吧肥料品目為硝酸鈣 (Calcium nitrate) 銨態氮 1.26 % 硝酸態氮 13.5 % 總氮 14.7 % CaO 15.6 % 硝酸態氮(NO 3 - - N) 濃度為13.5 %，代表100 g 肥料有 $13.5 \times \tfrac{14+16\times 3}{14} = 59.8 $ g 的 NO 3 - CaO 的濃度為 15.6 %，代表100 g 肥料有 $15.6 \times \tfrac{40}{40+16} = 11.1$ g 的鈣台灣肥料的特殊用字 - 硝磷基、亞磷基、特 ...