水稻生長模型發(fā)展及應用

馬熙達，吳丹，余克勤，孫嘉俊，徐一丹，李璇

摘要：水稻是我國主要的糧食作物，關系到民生和糧食安全問題。作物模型可在全球范圍內幫助理解、預測、調控作物生長及其對環(huán)境的影響，是作物研究的重要工具。本文研究以水稻模型為例，重點介紹CERES -Rice、ORYZA2000 、WOFOS、EPIC，討論了各水稻模型的特點、功能、研究應用情況，展望了水稻生長模型的發(fā)展方向。

關鍵詞：水稻；生長模型；應用

中圖分類號：S511 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.24.005

水稻產(chǎn)量的高低受很多方面因素的影響，水稻模型的應用對研究氣候變化影響評估和作物產(chǎn)量預測具有重要的意義。作物模型發(fā)展于20世紀60年代，隨著人們對作物生理生態(tài)過程機理認識的不斷深入和計算機技術的迅猛發(fā)展，國內外學者對模型進行了大量的研究。本文就幾個應用比較廣泛的水稻模型ORYZA2000模型、WOFOST模型、CERES-Rice模型、EPIC模型等的應用情況和發(fā)展前景進行綜述。

1 應用廣泛的作物模型

1.1 ORYZA 2000模型

ORYZA2000水稻模型源于20世紀90年代IRRI和瓦赫寧根大學。此后ORYZA2000模型經(jīng)過幾代的研究和不斷更新，ORYZA2000模型不僅可以模擬水稻潛在產(chǎn)量，而且可以分析水分限制條件下和氮素限制條件下的產(chǎn)量以及生長和發(fā)育情況，國內外學者對該模型進行了參數(shù)校正和驗證，ORYZA2000模型在多個國家的研究中得到了廣泛的應用和驗證。但是，ORYZA2000模型對磷、鉀等考慮較少，參數(shù)要求繁多，使用起來比較復雜[1]。

1.2 WOFOST（World Food Studies）模型

WOFOST模型是由荷蘭瓦赫寧根大學和世界糧食研究中心共同開發(fā)，可以在不同的氣候條件和土壤條件下進行農(nóng)作物干物質累積過程分析和模擬潛在產(chǎn)量等[2]，具有較強的機理性和應用性。WOFOST模型已經(jīng)在全球多個地區(qū)得到了運用和驗證，描述作物基本生理過程、如光合作用、呼吸作用等。用于水稻產(chǎn)量模擬、水稻潛在生長過程模擬以及與遙感相結合對水稻生長空間分布趨勢的研究等。但是，WOFOST模型缺少對土壤資源利用系統(tǒng)分析，缺少品種的適應性以及管理技術的試驗驗證，在特殊土壤和環(huán)境等細節(jié)上考慮不夠全面和準確[3]。

1.3 CERES-Rice模型

CERES-Rice模型是CERES（Crop-environment resource synthesis）模型系列中主要的模型之一。通過系統(tǒng)軟件DSSAT，可以模擬不同氣候條件、土壤肥沃能力、田間管理、遺傳特點等對作物生長發(fā)育過程中干物質積累、葉面積指、物候期和產(chǎn)量形成的影響，以及能提供一個靈活、省時、適宜的農(nóng)田優(yōu)化管理措施，其中包括最適需氮量和灌溉量。CERES-Rice模型的氮素平衡子程序中詳細模擬植物殘茬和硝態(tài)氮的淋溶、氮元素根系吸收等過程，機理性強、應用性好[4]。在國內外得到廣泛的應用，但是，CERES-Rice模型采用函數(shù)關系相對簡單，對生理生態(tài)的描述還是半經(jīng)驗性[1]。

1.4 EPIC模型

最早于1977年提出，此后，模型經(jīng)歷不斷的發(fā)展和更新。該模型應用性較高，只需更改參數(shù)，即可模擬不同作物的產(chǎn)量和發(fā)育過程?？梢赃M行土地資源管理評價，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供適應性決策。EPIC模型能夠綜合考慮土地生產(chǎn)力和土壤侵蝕變化等對作物生長的影響，其具有綜合性強和可操作性高等優(yōu)點。但是，EPIC模型模擬復雜、參數(shù)復雜繁多，存在不確定性，EPIC模型最初的研究是針對美國地區(qū)研發(fā)的模型，具有很強的區(qū)域特點，在其他地區(qū)應用較少。對劇烈變化的氣候因子的模擬能力低，造成模型高估作物產(chǎn)量[5]。

2 研究與展望

遙感和地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)三項信息技術，能夠快速準確地獲取天氣、土壤數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)及農(nóng)作物的生長等數(shù)據(jù)，與模型相結合，可以快速對某一地區(qū)的環(huán)境條件變化進行實現(xiàn)遠程監(jiān)測，實現(xiàn)氣象災害監(jiān)測和預報。目前的模型模擬就是對物候期、產(chǎn)量、播種時間等宏觀上的模擬，模型的研究可以趨向細化和具體化，對組織、細胞、甚至生理生化過程進行模擬。并且生長模型本身大部分是單點模型，還沒有完全普適的用于大尺度模擬的作物模型，試驗站點上的模擬結果不能完全代表該地區(qū)結果， 模型的預測結果與實測值必將產(chǎn)生很大的差異。

參考文獻

[1]葉芳毅，李忠武，李裕元，等.水稻生長模型發(fā)展及應用研究綜述[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2009，37（01）：85-89.

[2]鄔定榮，歐陽竹，趙小敏，作物生長模型WOFOST在華北平原的適用性研究[J].植物生態(tài)學報，2003，27（05）：594-602.

[3]謝文霞，嚴力蛟，王光火.運用WOFOST模型對漸江水稻潛在生長過程的模擬與驗證[J].中國水稻科學，2006，20（03）： 319-323.

[4]石春林，金之慶，高亮之，等.CERES -Rice在水稻氮肥管理中的應用與分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)學報，2003，19（01）：1-4.

[5]范蘭，呂昌河，陳朝.EPIC模型及其應用[J].地理科學進展，2012，31（05）：584-592.

[6]趙利婷.遙感同化WOFOST模型監(jiān)測水稻重金屬脅迫方法研究[D].中國地質大學（北京），2015.

作者簡介：馬熙達，碩士，助理工程師，研究方向：氣候條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。