國外作物生長模型研究

陳新月 趙建濤 張靜

（1.西北農林科技大學附屬中學；2.西北農林科技大學園藝實驗教學示范中心，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)展為提高農作物的產量和質量帶來了新的機遇。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用前景加以分析。

關鍵詞：作物；生長模型；產量

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

文獻標識碼：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)育的過程并進行了有效預測、調控作物的產出情況[2]。目前，國外對主要作物模型的研究與應用已相當成熟[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60年代，根據(jù)Oteng-Darko等人的研究結果，當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)的潛在糧食產量進行預測，誕生了基本作物生長模擬器（elementary crop growth simulator，ELCROS）[9]。

20世紀80年代，美國夏威夷大學主持的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準化，以便模型的普及應用。各種模型的集合及其輸入輸出變量標準化格式，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)進行評估時所做的田間試驗而帶來的時間和成本問題[10]，促進了作物生長模型的應用。

20世紀90年代出現(xiàn)的農業(yè)生產系統(tǒng)模擬器（Agricultural production systems simulator，APSIM）主要對農產品進行風險評估[11]，但模型背后的科學依據(jù)并不是十分明顯，其計算機運行代碼往往難以重復利用。基于這些問題，該模型往往難以在不同水平之間進行比較，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原理，建立作物通用型模型，調控作物生長發(fā)育，實現(xiàn)預期的產出等。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]，為精準管理提供經驗及依據(jù)。

近年來，擴展性模型得到飛速發(fā)展，如作物模擬模型和3S技術、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、網絡技術等高新技術或其他領域模型進一步有機結合，在全球性作物產量預測預報、農作物病蟲害預測預報、農業(yè)環(huán)境評價、精確農作、農業(yè)生產經營管理決策、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。物候學、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制；土壤水分平衡：根系對水的吸收，內層的運動，排水，蒸騰，地表徑流等；土壤氮平衡。礦質元素的礦化作用，吸收、硝化作用、蒸騰作用，內層運動，反硝化作用，過濾等；土壤有機質。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運行過程：

輸入：天氣參數(shù)。輻射、降雨、溫度、風速、濕度等；土壤參數(shù)。質地、pH、深入、肥力等；作物類型。生理學、物候學、形態(tài)學；管理和包裝。種植時間、施肥、灌溉等；害蟲。種類、群體、嚴重性等。

輸出：經濟產量、生物量；作物生長期、蒸騰、氮吸收率；因害蟲所致產量損失量；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，因測量和試驗誤差帶來的數(shù)據(jù)的可靠性等。

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

4作物生長模型的應用前景

4.1將植物的結構考慮進來

作物生長發(fā)育過程中，作物本身具有三維結構，因此在利用模型對作物的生長發(fā)育進行預測時，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)出新的技術提高作物產量來應對全球范圍的巨大挑戰(zhàn)至關重要。開發(fā)新一代的作物和農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模型可以幫助我們更好地制定農業(yè)生產政策和為提高作物產量所制定的育種目標。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結語

全球人口數(shù)量的增長使得人們對農產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業(yè)管理手段來提高作物產量。作物生長模型可以對作物的最終產量進行模擬和預測，因此，基于作物生長模型的決策支持系統(tǒng)對農業(yè)決策者和農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

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[13]王亞莉，賀立源.作物生長模擬模型研究和應用綜述[J].華中農業(yè)大學學報，2005，（24）：529-535.

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

通訊作者：張靜，博士，西北農林科技大學園藝實驗教學示范中心，高級實驗師，研究方向：園藝作物生理生態(tài)。