國外作物生長模型研究

陳新月 趙建濤 張靜

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)附屬中學(xué)；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，陜西楊凌712100）

摘要：隨著全球人口數(shù)量的增長，人們對農(nóng)作物和其他工業(yè)原料的需求量也在持續(xù)增加。作物生長模型的發(fā)展為提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量帶來了新的機(jī)遇。本文主要回顧國外作物生長模型的歷史及開發(fā)現(xiàn)狀，并對我國作物生長模型應(yīng)用前景加以分析。

關(guān)鍵詞：作物；生長模型；產(chǎn)量

基金項目：本文系國家星火計劃項目資助（2012GA850001-1）

中圖分類號：S311

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI編號：10.14025/j.cnki.jlny.2015.17.066

作物生長模型是通過一系列整合的組成性程序來動態(tài)仿真作物的生長發(fā)育情況[1]，在過去的30年里得到了快速發(fā)展，人們已研發(fā)出不同類型或各類作物的生長模型，利用模型監(jiān)控作物生長發(fā)育的過程并進(jìn)行了有效預(yù)測、調(diào)控作物的產(chǎn)出情況[2]。目前，國外對主要作物模型的研究與應(yīng)用已相當(dāng)成熟[3-5]，但我國開展作物模型研究起步較晚，且主要集中在大田作物上，如小麥、水稻等作物[6-8]。因此，筆者主要回顧國外作物生長模型的歷史及開發(fā)現(xiàn)狀，并提出應(yīng)用前景，為我國今后作物模型發(fā)展研究提供參考。

1作物生長模型研究歷史

作物生長模型研究可追溯到20世紀(jì)60年代，根據(jù)Oteng-Darko等人的研究結(jié)果，當(dāng)時主要是試圖通過研究植物冠層的光合速率對世界上個別地區(qū)的潛在糧食產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測，誕生了基本作物生長模擬器（elementary crop growth simulator，ELCROS）[9]。

20世紀(jì)80年代，美國夏威夷大學(xué)主持的IBSNA T（International Benchmark Sites Network for Agrotechnology Transfer）項目有近30個國家和地區(qū)的科學(xué)家協(xié)力合作，通過系統(tǒng)分析和模擬，將各種作物模型匯總，同時將模型輸入和輸出變量格式標(biāo)準(zhǔn)化，以便模型的普及應(yīng)用。各種模型的集合及其輸入輸出變量標(biāo)準(zhǔn)化格式，共同組成軟件系統(tǒng)DSSAT（ Decision Support System for Agrotech nology Transfer）。DSSAT系統(tǒng)可以大大減少對新品種和管理系統(tǒng)進(jìn)行評估時所做的田間試驗(yàn)而帶來的時間和成本問題[10]，促進(jìn)了作物生長模型的應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬器（Agricultural production systems simulator，APSIM）主要對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行風(fēng)險評估[11]，但模型背后的科學(xué)依據(jù)并不是十分明顯，其計算機(jī)運(yùn)行代碼往往難以重復(fù)利用。基于這些問題，該模型往往難以在不同水平之間進(jìn)行比較，整個系統(tǒng)對不同因素之間的相互作用情況并不能提供多少有效的信息。

作物生長模型研究還可以基于不同作物之間相似性的基本生理學(xué)原理，建立作物通用型模型，調(diào)控作物生長發(fā)育，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的產(chǎn)出等。2006年Aggarwal等人研發(fā)的InfoCrop作物模型，甚至可用于模擬天氣、土壤，農(nóng)業(yè)管理措施如種植、灌溉、施肥、主要病蟲害防治等[12]，為精準(zhǔn)管理提供經(jīng)驗(yàn)及依據(jù)。

近年來，擴(kuò)展性模型得到飛速發(fā)展，如作物模擬模型和3S技術(shù)、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)或其他領(lǐng)域模型進(jìn)一步有機(jī)結(jié)合，在全球性作物產(chǎn)量預(yù)測預(yù)報、農(nóng)作物病蟲害預(yù)測預(yù)報、農(nóng)業(yè)環(huán)境評價、精確農(nóng)作、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理決策、世界糧食和環(huán)境安全等方面將發(fā)揮越來

越重要的作用[13]。

2作物生長模型的開發(fā)

作物生長模型的開發(fā)過程很復(fù)雜，以InfoCrop模型為例說明，主要考慮以下一些過程：

作物的生長和發(fā)育。物候?qū)W、光合作用、分化、葉面積的增長、貯藏器官的數(shù)目、源庫平衡、蒸騰、吸收、分配、氮的重吸收和分配等；水、肥、溫度、霜凍等對作物生長發(fā)育的影響；植物與蟲害之間的互作。蟲害和疾病對植物的損害機(jī)制；土壤水分平衡：根系對水的吸收，內(nèi)層的運(yùn)動，排水，蒸騰，地表徑流等；土壤氮平衡。礦質(zhì)元素的礦化作用，吸收、硝化作用、蒸騰作用，內(nèi)層運(yùn)動，反硝化作用，過濾等；土壤有機(jī)質(zhì)。礦化作用和滯留作用等；溫室氣體的排放。二氧化碳、甲烷、二氧化氮等。

InfoCrop運(yùn)行過程：

輸入：天氣參數(shù)。輻射、降雨、溫度、風(fēng)速、濕度等；土壤參數(shù)。質(zhì)地、pH、深入、肥力等；作物類型。生理學(xué)、物候?qū)W、形態(tài)學(xué)；管理和包裝。種植時間、施肥、灌溉等；害蟲。種類、群體、嚴(yán)重性等。

輸出：經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、生物量；作物生長期、蒸騰、氮吸收率；因害蟲所致產(chǎn)量損失量；環(huán)境影響：包括溫室氣體、氮流失、滲透；土壤含碳量、土壤含氮量、水勢。

3作物生長模型的局限性

模型往往受到缺乏精確的輸入值的限制。局限性主要表現(xiàn)在獲得數(shù)據(jù)的成本，土壤特性在空間上的多樣性，害蟲發(fā)生的時空多變性，因測量和試驗(yàn)誤差帶來的數(shù)據(jù)的可靠性等。

作物生長模型預(yù)測所依據(jù)的環(huán)境、成本、產(chǎn)量之間在很多方面相互影響和作用，但其內(nèi)在的機(jī)制研究相對較少。因此，要想使得作物生長模型真正發(fā)揮作用，就必須對內(nèi)在的機(jī)理進(jìn)行更加深入的研究。

4作物生長模型的應(yīng)用前景

4.1將植物的結(jié)構(gòu)考慮進(jìn)來

作物生長發(fā)育過程中，作物本身具有三維結(jié)構(gòu)，因此在利用模型對作物的生長發(fā)育進(jìn)行預(yù)測時，要考慮到作物空間本身對模型的影響。

4.2土壤和環(huán)境的相互作用

隨著全球人口的增長、氣候的變化以及可耕地的不斷減少，研發(fā)出新的技術(shù)提高作物產(chǎn)量來應(yīng)對全球范圍的巨大挑戰(zhàn)至關(guān)重要。開發(fā)新一代的作物和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模型可以幫助我們更好地制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)政策和為提高作物產(chǎn)量所制定的育種目標(biāo)。同時，還可以利用更加有效的作物生長模型來加深人們對作物生長和發(fā)育的理解，以及不同環(huán)境因素之間的相互作用等[8]。

5結(jié)語

全球人口數(shù)量的增長使得人們對農(nóng)產(chǎn)品的需求量不斷增長。同時，隨著全球氣候的變化、能源的短缺、可耕地的減少以及環(huán)境污染問題迫切需要人們尋找新的更加高效的農(nóng)業(yè)管理手段來提高作物產(chǎn)量。作物生長模型可以對作物的最終產(chǎn)量進(jìn)行模擬和預(yù)測，因此，基于作物生長模型的決策支持系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)決策者和農(nóng)民來說都將會是一個十分有效的工具，同時發(fā)揮愈來愈重要的作用。參考文獻(xiàn)

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作者簡介：陳新月，西北農(nóng)林科技大學(xué)附屬中學(xué)，學(xué)生，研究方向：園藝作物生理生態(tài)。

通訊作者：張靜，博士，西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向：園藝作物生理生態(tài)。