DSSAT作物模型對南疆地區棉花生長的模擬研究

王昱 高浚

(塔里木大學信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

棉花是我國最主要的經濟作物之一，其生產規模大，成本較低[1]。棉花的產業鏈很長，包括了從種植到最后流通一系列產業。我國棉花主要種植在新疆地區、長江流域和黃河流域。其中新疆棉區由于土地資源豐富、氣候干旱和日照時間長等優勢，更適宜種植棉花。南疆位于新疆南部，棉花是當地人民主要收入來源之一；南疆土壤鹽漬化很嚴重，對棉花的生長產生很大影響[2,3]。所以如何高效地利用灌溉施肥從而提高棉花的產量成為一個很重要的問題。近年來，棉花種植中過量的氮肥和灌水不僅導致氮利用率過低，還會導致水資源的浪費。合理的灌溉施肥對南疆棉花種植意義重大。隨著人類進入信息時代，計算機在農業上的應用不斷發展和進步。棉花種植系統模擬模型始于20世紀60年代的美國東南部，現在世界主要棉花產區都有棉花種植系統模擬模型的應用。隨著計算機技術的發展，棉花生長模型的功能不斷增多、模型模擬的準確性也在不斷的提高。在一代代農業專家的不斷努力下，至21世紀初棉花生長模擬模型逐漸完善，主要包括DSSAT作物模型[4]、Cotton2K模型[5,6]、Swap模型[7]和GOSSYM模型[8]等。DSSAT作物模型是作物生長模擬領域上使用最廣泛的模型之一，DSSAT-CROPGRO-Cotton模型作為DSSAT作物模型的1個模塊，囊括了土壤、天氣、田間管理等要素對棉花生長發育的影響，能夠較為精確地模擬棉花的生長過程。因此本研究使用DSSAT-CROPGRO-Cotton模型對棉花生育期、生物量和產量進行模擬，并對模擬結果進行評價，為在南疆地區應用DSSAT作物模型提供一定的參考。

1 DSSAT作物模型簡介

1.1 DSSAT作物模型

DSSAT作物模型(農業技術轉讓決策支持系統)在20世紀80年代由美國等國家的大學聯合開發。DSSAT作物模型作為全球范圍使用最廣泛的作物生長模擬模型之一，包括了CROPGRO[9]、CERES[10]、SUBSTOR[11]、CANEGRO[12]等眾多模塊，模型可以對眾多農作物進行模擬。其中CROPGRO模型能夠對四季豆、葛豆等豆類作物，包心菜、番茄等蔬菜，幸運草、百喜草等牧草以及棉花進行生長模擬。CERES模型能夠對小米、水稻和玉米等禾本科作物實現模擬。SUBSTOR模型能夠實行馬鈴薯的模擬。CAUSUPRO和CANEGRO模型能夠實行禾本科甘蔗屬植物的模擬。CROPSIM模型能夠實行大戟科木薯屬植物的模擬。AROID能夠實行芋類作物的模擬。ALOHA模型能夠實行菠蘿品種的模擬。而且DSSAT作物模型還提供計算方法，可以為決策者提供參考。與其他作物生長模擬模型一樣，DSSAT作物模型能夠模擬農作物生長發育期間的營養生長和生殖生長等，而且可以對氣象和土壤參數實現準確的定量預估。DSSAT作物模型最初發布的版本是V2.1，現在最新的版本為V4.8，模型的運行界面簡潔，操作方便。隨著模型功能的豐富和運行速度的提高，目前已在世界范圍內的多個國家普遍應用。在精準農業、田間管理、作物栽培、施肥管理等方面DSSAT作物模型使用很多。劉濤等[13]研究結果表明，DSSAT作物模型可以很好地模擬東北地區春小麥、大豆、谷子和馬鈴薯的生長。張會婭等[14]研究表明，DSSAT作物模型可以對廣西甘蔗水分利用率進行分析。杜江濤等[15]研究結果表明，DSSAT-CROPGRO-Cotton模型可以為南疆棉花灌溉制度優化提供參考。

1.2 DSSAT作物模型輸入參數

1.2.1 土壤參數

DSSAT作物模型中，土壤數據存儲在.sol類型文件中，主要包括土壤的pH值、有機質和含水率等信息。詳細土壤參數見表1。

表1 土壤參數

1.2.2 遺傳品種參數

DSSAT作物模型中，遺傳品種參數數據存儲在.cul類型文件中，主要包括作物的品種遺傳信息。詳細的遺傳品種參數見表2。

表2 遺傳品種參數

2 材料與方法

2.1 試驗地概況

該研究于2019年在新疆阿拉爾市十團試驗站實驗地進行，具體位置為N40°30′00″～40°64′56″，E80°33′45″～81°40′10″。試驗地降雨稀少，光資源豐富，年均降水量在46mm左右,年均蒸發量2100mm左右。實驗地的土壤主要是沙壤土和粘性土，可以作為種植土地使用。試驗地主要水源為多浪水庫。

2.2 供試材料

棉花品種為“新陸中46”。

2.3 試驗設計

根據棉花常規灌水量280m3·667m-2，共設置3個灌水處理。WL：低灌水，80%灌水量；WM：中度灌水，100%灌水量；WH：高灌水，130%灌水量。試驗地4月10日施基肥，4月20日鋪膜播種，10月20日收獲。試驗地在棉花生育期內使用氮肥、磷肥及鉀肥進行施肥。

2.4 試驗數據獲取

2.4.1 土壤數據

土壤數據包括土壤基本信息和逐層信息。本研究的土壤數據是對試驗區土壤實行不同深度的取樣獲取的，主要有土壤的機械組成、土壤的有機質、全氮、容重、田間持水量等。詳細土壤數據見表3。

表3 土壤數據

2.4.2 天氣數據

本研究的天氣數據來自中國氣象局官網，具體天氣數據包括天氣記錄日期、每日太陽能輻射、每日最高氣溫、每日最低氣溫、每日風速、每日降水量等，具體見圖1。

圖1 天氣數據

2.5 測定指標

棉花生育期內記錄生育期時間，并在每個小區內隨機選取長勢均勻的5株棉花，測量生物量。收獲期棉花全部吐絮成熟后，把試驗區內的所有棉花采摘稱重，記錄皮棉的產量。

2.6 評價指標

使用誤差，相對誤差和標準均方根誤差評價模擬結果。其中相對誤差小于10%時，表明模擬結果很好。相對誤差在10%～20%時，表明模擬結果一般。相對誤差大于20%時，表明模擬結果較差。標準均方根誤差大于20%，則說明模擬結果差。標準均方根誤差在10%～20%，則說明模擬結果一般。標準均方根誤差小于10%，則說明模擬結果很好。

3 結果與分析

3.1 生育期天數實測值與模擬驗證結果

本研究主要研究棉花的開花期和棉花的成熟期。從表4可知，在低灌水、中度灌水和高灌水不同灌水處理下，DSSAT作物模型對開花期和成熟期的模擬值相差不大，且不同灌水條件下，DSSAT作物模型對開花期的模擬誤差為3d，說明模型可以很好地模擬棉花的開花期。而成熟期的模擬誤差為8d，誤差較大。DSSAT作物模型對棉花的成熟期模擬較差，這可能是由于成熟期受各種氣候條件的影響，需要對模型進行改進。

表4 生育期日期觀測與模擬驗證

3.2 生物量實測值與模擬驗證結果

棉花生物量的大小和棉花的產量相關。在低灌水、中度灌水和高灌水不同灌水處理下，DSSAT作物模型對生物量模擬結果如表5所示。由表5可知，低灌水處理下生物量實測值與模擬值的相對誤差為10.16%；中度灌水處理下生物量實測值與模擬值的相對誤差為6.62%；高灌水處理下生物量實測值與模擬值的相對誤差為7.58%。低灌水處理下模擬結果一般，而中度灌水和高灌水處理下，相對誤差均小于10%，模擬結果較好。3種不同灌水處理下標準均方根誤差為8.20%，小于10%，說明DSSAT作物模擬可以很好地模擬棉花生物量。

表5 生物量實測值與模擬對比

3.3 產量實測值與模擬驗證結果

棉花產量是一個重要指標，值得重點關注。對比圖見圖2。由表6可知，低灌水處理下產量實測值與模擬值的相對誤差為2.77%；中度灌水處理下產量實測值與模擬值的相對誤差為4.15%；高灌水處理下產量實測值與模擬值的相對誤差為5.80%。低灌水、中度灌水和高灌水不同灌水處理下標準均方根誤差均在10%以下，說明DSSAT作物模擬可以很好地模擬棉花產量。詳細的籽棉產量實測值與模擬值見表6。對比不同灌水處理下模擬值與實測值的誤差發現，灌水越少，則棉花產量越低，灌水越多，則棉花產量越高。但是經過研究表明，灌水不能過多，過量的水分會導致水分脅迫，影響棉花生長，從而導致棉花產量減少。

圖2 產量實測值與模擬對比

表6 產量實測值與模擬值

4 結論與討論

DSSAT作物模型是全球范圍內使用最廣泛的作物生長模擬模型之一。通過實驗實測數據和模擬結果對比可知，DSSAT作物模型對開花期的模擬結果較準確，成熟期的模擬結果誤差較大，這可能是由于成熟期受各種氣候條件的影響。生物量方面，低灌水下模擬結果一般，而中度灌水和高灌水處理下模擬結果較好。棉花產量方面，3種灌水處理下可以很好地模擬棉花籽棉產量。