棉花生長模型研究現狀與展望

楊甜甜

摘 要：該文概述了在農業信息化快速發展的背景下國內外棉花生長模型的研究現狀，并對棉花生長模型的發展提出了幾點建議，以期為我國棉花生產的進一步發展提供參考。

關鍵詞：生長模型;棉花;研究現狀;展望

中圖分類號 S562文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）22-0064-02

Present Situation and Prospect of Cotton Growth Model

YANG Tiantian

（College of Information Engineering， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract： Under the background that agriculture is developing towards informationization， this paper briefly summarizes the research status of cotton growth model at home and abroad， and puts forward some suggestions on the development of cotton growth model， in order to make the cotton production in China get further development.

Key words： Growth model; Cotton;Present situation; Prospect

1 引言

棉花是我國重要的戰略物資，也是紡織工業原料。新疆憑借其獨特的地理優勢、光照資源、耕地等自然資源，已經發展成為我國最大的優質棉花生產基地，棉花產業已成為農民增收和邊疆穩定的支柱產業，是我國棉花產業安全的重要保障[1]。近些年來，隨著計算機信息技術的迅猛發展，利用信息化的手段再結合大田實驗來研究新疆棉花的生長發育，已成為棉花生產技術研究領域新的方向。

作物模型是作物生長模擬模型的簡稱，是指將計算機和系統分析方法應用到作物科學中，將大田實驗的相關數據信息應用到電腦相關軟件中來模擬作物的種植過程。棉花生長發育模擬模型使用計算機程序作為主要介質，并使用經驗數學公式等作為表達方法，以量化棉花的生理過程，包括生長發育所必需的呼吸、蒸騰作用等以及復雜的棉花基因、環境與耕作措施之間的相互作用，棉花形態、生理功能與耕作環境之間的相互作用，地上棉花之間的相互作用，棉花生長與發育的動態模擬等。

總的來說，棉花生長模型一般是通過用戶輸入的土壤數據、天氣數據、作物遺傳參數及栽培管理等方面的信息，按照日或者時間步長完成棉花的模擬生長，最后輸出模擬結果用于棉花產量、品質、病蟲害等的預測，指導棉農進行棉田管理，也可用于評估氣候變化對農業影響，以期為農業相關部門的決策提供支持。

2 棉花生長模型研究概況

2.1 國外 20世紀70年代，國外關于棉花的生長模型開始由簡到繁發展成模擬模型，目前棉花模型可分為生理模型、形態模型、結構功能模型3類。最為常用的是生理模型這一類型，一般基于生理的生長模擬模型會要求輸入一些參數來更好地描述生理關系。生理模型又可以細分為機理型模型、經驗型模型2類。所謂機理型模型是在變量對植物生長及其產量影響之間的相互關系的基礎之上構建的，經驗型模型是根據已有的經驗運用數學公式或根據大田試驗相關數據總結出來的回歸方程來模擬植物生長。

國外最典型的機理型模型是美國的GOSSYM模型。第1個棉花模擬模型是美國研發者Stapleton于1970年發表的，1971年，美國出現了第1代美國棉花模型COTTON;緊接著，Duncan建立了根據氣象和土壤資料模擬單株植株生長發育過程的SIMCOT模型。1975年，美國出現第2代棉花模型SIMCOTII，它是Hesketh、Baker、James等在第1代棉花模型的基礎上增加了營養植物學理論、氮素評估算法的研究之上發展而成的，SIMCOTII模型可以在一定條件下模擬碳素平衡。1983年，Lambert、Baker等提出了Soil-Plant-Atmosphere-Research系統，簡稱SPAR，該模型加入了氮素、溫度和水分的脅迫對棉花生長發育的影響。之后，Baker等提出了第3代棉花生長模型GOSSYM模型，該模型結合了第2代棉花模型（SIMCOTII）和SPAR模型，GOSSYM模型以氣象參數為驅動變量，以土壤參數為初始條件，以重要農業管理措施為控制變量，主要涵蓋了氣候模塊、土壤模塊、化學模塊、生長模塊等，土壤參數為初始條件、氣象參數為驅動變量、關鍵農藝措施為控制變量的系統動為模型[2]。GOSSYM模型在不同氣候條件、土壤和管理措施下得到了驗證，并與專家系統COMAX結合完成了GOS-SYM/COMAX棉花管理模型[3]。其他國外研究者在美國已研發的GOSSYM模型基礎上還研究出來其他棉花生長模型，比如CottonPlus模型、DSSAT-CROPGRO-Cotton模型及適合干旱地區的棉花生長的COTTON2K模型等。

2.2 國內 我國棉花生長模型的研究始于20世紀80年代，我國學者通過學習國外棉花模型，使我國棉花模型研究領域有了快速的發展。吳國偉等在1988年從實際出發，結合棉花的營養需求約束棉鈴的脫落來模擬了棉花的生長發育。1990年，李秉柏等結合氣溫、光照時長以及遺傳特征研究了棉花的葉鈴模型及其生育期模型。1991年，郭向東等往SIRATAC系統里新增了參數，使模型得到了本地化，從而更適合模擬我國棉花的生長。1992年，北京農業大學建立了棉花的動態模擬模型，其特征是以每天的太陽輻射的能量作為模型驅動的變量，當然也會受到其他因素的影響比如水分和溫度。1996年，潘學標等建立了COTGEROW模型，該模型是以荷蘭的MACROS模型為基礎開發的。1999年，馮利平等研發出適合棉花種植的計算機模擬決策系統，簡稱COTSYS。2003年，張立禎分析了棉花生長發育模型與棉花生長發育的規律。2004年，張淮志研究了用于優化播種日期和種植密度的棉花管理知識模型。2005年，楊艷敏結合新疆棉花種植實驗數據修改了GOSSYM/COMAX模型中的參數。

3 存在的問題及建議

3.1 存在的問題 （1）棉花生長模型操作難度大且具有不確定性的特點，這是因為它需要輸入的參數多，模型的參數需要進行本地化之后才能使用于某一地區，所以在實際使用過程中存在一定的局限性，致棉花生長模型在棉農生產過程中的推廣使用率相對較低。（2）模型模擬出來的輸出值與實測值之間存在一定的偏差。

3.2 建議 為解決棉花模型需要輸入的參數較多以及推廣率較低的問題，筆者建議不同實驗站在進行作物生長模擬研究時，將模型的輸入數據實現共享，或將各個實驗站及其作物品種、實驗方案建成數據庫加入對應模型中，以便其他研究者的調用和對比研究。針對模型的模擬值與實測值之間存在一定的誤差，可以采用遙感同化技術，運用定量反演對模型模擬的結果進行校正。

4 結語

對棉花生長模型的研究與應用可以提升我國棉花生產的現代化水平，有利于實現棉花的產量預估、病蟲害預測;有利于節省生產成本，實現水肥的高效合理投入，從而更好地指導棉農進行棉花的管理等。

參考文獻

[1]王平.基于高質量發展的新疆棉花技術集成研究[D].石河子：石河子大學，2020.

[2]潘惠.水旱脅迫下棉花兩種生長模型的比較[D].武漢：武漢大學，2017.

[3]梁明磊，相冠鋒，溫冰.棉花生長模擬模型研究進展[J].山東農業科學，2013，45（02）：146-147. （責編：張宏民）