Cotton2k 模型在南疆地區(qū)棉花虛擬生長(zhǎng)中的應(yīng)用

王 君

（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

棉花是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著重要地位[1]。棉花作為一種農(nóng)產(chǎn)品，它的產(chǎn)業(yè)鏈很長(zhǎng)。從棉花的種植到最后的流通，每一個(gè)環(huán)節(jié)都有相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈[2]。棉花作為原料可以生產(chǎn)棉織品，在日常生活中棉織品隨處可見(jiàn)，比如我們平常穿的衣服、家里用的棉被、毛巾和地毯等，還有在工業(yè)生產(chǎn)上常用的工業(yè)包裝用紡織品、空氣過(guò)濾用紡織品、篷布用紡織品以及熱帶電作業(yè)服等。南疆地區(qū)氣候干旱，日照時(shí)間較內(nèi)地長(zhǎng)，土地資源豐富，擁有種植棉花得天獨(dú)厚的自然優(yōu)勢(shì)。另外，南疆地區(qū)大部分都是鹽堿地，土壤鹽漬化很?chē)?yán)重。鹽漬化地區(qū)土壤含鹽量較大，這會(huì)對(duì)棉花的生長(zhǎng)產(chǎn)生很大影響[3-4]。棉花種植系統(tǒng)模擬模型的開(kāi)發(fā)有著悠久而豐富的歷史，始于20 世紀(jì)60年代的美國(guó)東南部，現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到世界主要棉花產(chǎn)區(qū)。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的增強(qiáng)以及高級(jí)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的出現(xiàn)和發(fā)展，使得棉花的生長(zhǎng)模擬更加完整，準(zhǔn)確性也在不斷的提高。模型應(yīng)用領(lǐng)域包括作物用水和灌溉水管理、肥料管理、遺傳學(xué)和作物改良、氣候?qū)W和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等。主要包括 GOSSYM 模型、Cotton2k 模型、WOFOST 模型以及DSSAT 模型等[5-7]。與其他的棉花生長(zhǎng)模擬模型相比，Cotton2k 模型是在GOSSYM 基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，它可以模擬土壤和植物生長(zhǎng)的過(guò)程，以及這些過(guò)程與種植管理間的相互作用。另外Cotton2k 模型還考慮了鹽分對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響，所以本文使用Cotton2k模擬南疆地區(qū)的棉花生長(zhǎng)。

1 Cotton2k 模型簡(jiǎn)介

Cotton2k 模型是在GOSSYM 的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)發(fā)展起來(lái)的。它主要是為美國(guó)西部干旱灌溉條件下的棉花生產(chǎn)設(shè)計(jì)的，最開(kāi)始模型本身是由Fortran 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，在其版本升級(jí)到4.0 后，對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言也由Fortran 改變?yōu)镃++。它可以模擬土壤、植物和微環(huán)境中發(fā)生的過(guò)程，以及這些過(guò)程與種植管理間的相互作用。20 世紀(jì)90年代以后，在對(duì)GOSSYM 進(jìn)一步完善的基礎(chǔ)上，發(fā)展了不同版本的棉花模型，它們各有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。在GOSSYM 模型的基礎(chǔ)上，Cotton2k 模型對(duì)水分關(guān)系、氮素運(yùn)移、花鈴脫落等方面做了優(yōu)化。修改優(yōu)化后的Cotton2k 模型相對(duì)于CALGOS 模型更加便于使用。

相對(duì)于其他的棉花生長(zhǎng)模擬模型，Cotton2k 模型更適合在灌溉干旱地區(qū)使用，主要原因有以下幾點(diǎn)：第一，潛在蒸散量按小時(shí)計(jì)算，使用從CIMIS（加利福尼亞灌溉管理信息服務(wù)）采用的方程推導(dǎo)而來(lái)的方程；第二，除了地面灌溉方法外，滴灌選項(xiàng)已作為模型的輸入實(shí)現(xiàn)。該模型還可用于預(yù)測(cè)特定天氣情景和土壤條件下作物對(duì)滴灌以及其他灌溉方法的灌溉需求；第三，土壤中的氮礦化（土壤中有機(jī)態(tài)氮在土壤微生物的作用下轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮的過(guò)程）和硝化作用過(guò)程已經(jīng)優(yōu)化。增加了反硝化模塊、高C/N 比下的氮固定模塊、尿素水解模塊以及土壤中硝酸鹽和尿素的運(yùn)輸模塊；第四，使用單分子生長(zhǎng)函數(shù)分別模擬葉片和葉柄的葉片生長(zhǎng)。使用改進(jìn)的生長(zhǎng)函數(shù)，分別模擬了籽棉和棉鈴的生長(zhǎng)；第五，棉鈴的脫落率假定受到碳脅迫、水分脅迫和氮脅迫的影響。每個(gè)棉鈴對(duì)脫落的敏感性被模擬為其生理年齡和脅迫嚴(yán)重程度的函數(shù)；第六，與其他模型一樣，模型中的大多數(shù)過(guò)程都是在每天的時(shí)間步長(zhǎng)中計(jì)算的。為了提高模擬的準(zhǔn)確性，現(xiàn)在可以利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力，以每小時(shí)的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算一些程序。雖然天氣輸入數(shù)據(jù)是每日的，但該模型可以估計(jì)這些數(shù)據(jù)的每小時(shí)值?！盁崃繂挝弧保ɑ颉吧砟挲g”）概念，用來(lái)表示溫度對(duì)生長(zhǎng)速率和物候的影響，現(xiàn)在是按每小時(shí)的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算的。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地概況

該研究于2019年在新疆阿拉爾市十團(tuán)試驗(yàn)站（81°17′E、40°32′N(xiāo)）設(shè)定實(shí)驗(yàn)地進(jìn)行。試驗(yàn)地屬于中溫帶大陸性干旱荒漠氣候，高溫少雨，年均降水量在45 mm 左右，年均蒸發(fā)量2 000 mm 左右，無(wú)霜期為180～221 d，全年≥10 ℃的有效積溫在3 990 ℃左右。實(shí)驗(yàn)地的土壤主要是沙壤土，土壤透氣性較好，鹽分輕度。阿拉爾市的主要水源為塔里木河、多浪水庫(kù)、勝利水庫(kù)及上游水庫(kù)等。

2.2 供試材料

棉花品種為中棉619；氮肥為尿素：昆侖尿素，總氮≥46.4%。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)常規(guī)覆膜栽培灌水量4 200 m3/hm2，試驗(yàn)區(qū)灌水量設(shè)置為3個(gè)等級(jí)。灌水量設(shè)：80%灌水量、100%灌水量、130%灌水量。共有 3個(gè)實(shí)驗(yàn)處理：WL：低灌水；WM：中度灌水；WH：高灌水。各處理使用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3次。試驗(yàn)地4月10日施基肥，磷肥作為底肥一次性施入，4月20日鋪膜播種，理論種植密度18.55 萬(wàn)株/hm2。試驗(yàn)地使用氮肥、磷肥及鉀肥進(jìn)行施肥，各處理的施肥量相同。分別在棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮成熟期灌水和施加氮肥。棉花生育期內(nèi)每個(gè)小區(qū)定期隨機(jī)取5 株，觀(guān)測(cè)葉面積指數(shù)、株高和物候期等數(shù)據(jù)，收獲期采摘并記錄籽棉產(chǎn)量。

2.4 測(cè)定指標(biāo)

棉花生育期內(nèi)，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的5 株棉花，測(cè)量棉花株高和棉花葉面積。使用米尺測(cè)量株高，使用葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)量葉面積。

2.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 生育期天數(shù)實(shí)測(cè)值與模擬驗(yàn)證結(jié)果

棉花按照生長(zhǎng)發(fā)育的不同，可以劃分為不同的時(shí)期，本文主要研究出苗期，開(kāi)花期以及成熟期。從表1 可以知道，在低灌水、中度灌水和高灌水不同情況，Cotton2k 模型對(duì)出苗期、開(kāi)花期和成熟期的模擬值相差不大，且不同灌水條件下，Cotton2k 模型對(duì)出苗期和開(kāi)花期的模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。成熟期的模擬結(jié)果較差，這可能是由于成熟期受各種氣候條件的影響，需要對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)。

表1 生育期日期觀(guān)測(cè)與模擬驗(yàn)證

3.2 葉面積指數(shù)實(shí)測(cè)值與模擬驗(yàn)證結(jié)果

葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）是植物利用光能狀況的一個(gè)指標(biāo)，葉面積指數(shù)的大小和棉花的產(chǎn)量密切相關(guān)。本文使用Cotton2k 模型對(duì)高灌水處理的葉面積指數(shù)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，除了開(kāi)始和最后的點(diǎn)位模擬結(jié)果與實(shí)際誤差較小外，剩余點(diǎn)位誤差較大。模型模擬結(jié)果與葉面積模擬誤差較大，這可能和該模型沒(méi)有考慮棉花打頂有關(guān)，因?yàn)槊藁ù蝽斉c否會(huì)影響葉面積指數(shù)的數(shù)值。

圖1 葉面積指數(shù)實(shí)測(cè)值與模擬對(duì)比

3.3 產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬驗(yàn)證結(jié)果

棉花產(chǎn)量是一個(gè)重要指標(biāo)，值得重點(diǎn)關(guān)注。由于Cotton2k 模型模擬出來(lái)的是皮棉產(chǎn)量，所以要將模擬的皮棉產(chǎn)量換算成相應(yīng)的籽棉產(chǎn)量。模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖2 所示。低灌水、中度灌水和高灌水條件下，相對(duì)誤差分別為1.90%，2.05%和7.85%。可以知道不同灌水條件下模擬結(jié)果都在可接受的范圍內(nèi)，低灌水和中度灌水條件下的模擬誤差相較高灌水條件更小一些，這可能和模型中水分運(yùn)移的計(jì)算方法有關(guān)。詳細(xì)的產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值見(jiàn)表2。

圖2 產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬對(duì)比

表2 產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值

4 結(jié)論與討論

Cotton2k 是一種機(jī)理性較強(qiáng)的棉花生長(zhǎng)模擬模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對(duì)比可以知道：Cotton2k 模型對(duì)出苗期和開(kāi)花期的模擬結(jié)果較準(zhǔn)確，成熟期的模擬結(jié)果誤差較大，這可能是由于成熟期受各種氣候條件的影響。由于Cotton2k模型中沒(méi)有提供棉花打頂?shù)倪壿?，所以模型?duì)葉面積指數(shù)的模擬結(jié)果誤差較大。棉花產(chǎn)量方面，不同灌水條件下模擬結(jié)果都在可接受的范圍內(nèi)，低灌水和中度灌水條件下的模擬結(jié)果相較高灌水條件更好。