作物模型與生態因子在果樹生長發育中的應用研究進展

孫武軍 劉海琪 馬瑞 何代弟 袁新濤 張楠楠

(塔里木大學信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

引言

作物模型是作物生長模擬模型的簡稱，作物生長模擬模型是應用系統分析和計算機技術，綜合作物生理、生態和農學等學科研究成果，將作物與其生態環境因子作為一個系統進行動態的定量分析和生長模擬研究[1]，在果樹生長發育方面，作物模型可用于預測果實的生長、發育、成熟時間以及產量的變化。

在應用作物模型時，也需要考慮不同作物在生長過程對生態因子的響應。以便選擇合適的模型參數，提高模型的準確性和可靠性。實現對不同的生長階段進行模擬和預測。因此，本文將從作物模型和生態因子對果樹生長發育的影響兩方面介紹作物生長模型的研究進展。

1 作物模型在果樹生長發育中的應用研究進展

針對多年生的果樹，在選擇作物模型時需要更注重作物的生長周期和生長環境的變化，以便適時地調整和優化生長模型，確保作物的穩定發育?；诖藝鴥韧鈱W者使用了以下3種作物模型進行研究。

1.1 WOFOST模型

WOFOST(WOrld FOod STudies)是一個用于模擬作物生長和產量的模型，是由荷蘭瓦赫寧根大學的研究人員基于SUCROS模型開發，通過作物的生理和生態機制使用氣候、土壤和管理參數來量化作物生長和發育的過程改變輸入作物參數可以實現不同種類作物的時序模擬。

程楊等[2]構建了基于WOFOST模型的CIPSP系統，通過沃柑各發育期積溫、干物質分配系數、葉面積指數、冠層反射率等參數對模型進行完善，在沃柑試驗田成功預測其產量，對精準化管理柑橘智能種植提供技術支撐，在軟件技術、生產管理和信息系統等方面進行創新；白鐵成等[3]為定量化分析溫度、光照和水分對棗樹生長的影響，通過校正WOFOST模型在田間和縣域尺度研究成齡駿棗樹，并得到較高的模擬精度，為果園管理和棗樹生長耦合影響的定量化分析提供了新思路。Wang等[4]研究校正的WOFOST模型在梨園進行了修剪處理的田間試驗，測量數據校準和評估修改后的模型。改進后的WOFOST模型能更好地描述夏季修剪對梨樹生長、產量和土壤水分的影響，為果樹生長的數值模擬和土壤水分定量評價提供參考。

1.2 CropSyst模型

CropSyst(Cropping Systems Simulation Model)是一種常見的作物生長模擬模型，廣泛用于多年和多作物，模型中的水分收支包括降水、灌溉、徑流、雨水截留、水分入滲、土壤剖面水分再分配、作物蒸騰和蒸發。該模型根據氣象信息的可用性，作物ET由全冠層的作物系數和冠層葉面積指數確定的地面覆蓋度確定。作物發育是基于達到特定生長階段所需的熱時間來模擬的。其可以廣泛應用于預測植物特性、土壤性質、天氣條件和農業實踐的影響，包括與作物生長和產量相關的灌溉管理。

Samperio等[5]通過應用CropSyst模型研究日本李在不同的天氣變化、不同的修剪強度以及使用具有不同活力和成熟時間的2個品種下的作物用水量，通過全冠層作物系數(Kc，fc)和最大植物水力傳導率(Cmax)對模型進行驗證，并成功預測了日本李子樹的產量、水分利用效率和作物系數。Marsal等[6]通過CropSyst模型來確定蘋果樹的灌溉需求和K的準確性預測，使用果樹的光攔截和吸水子模型組件預測灌溉需求，成功模擬了蘋果樹的產量和作物系數，將其用于調節果園的灌溉管理。Khozaei等[7]在葡萄園設置不同的灌溉時間對葡萄生長發育的影響，利用作物系統模擬模型確定葡萄藤的灌水量和灌水時間，并對雨養葡萄補充灌溉進行經濟分析；結果表明，CropSyst模型可以用于實際管理中，以及在不同的天氣條件下的葡萄產量的預測具有良好的可接受程度，為當地制定合理的農業政策提供理論依據。

1.3 STICS模型

STICS(Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standards)是一種土壤植物作物模型，用于模擬作物生長和發展、土壤水分和養分運輸，以及作物和土壤的相互作用。用于評估不同管理實踐對作物產量、土壤質量和環境健康的影響，以及對氣候變化和土地利用變化的響應。

自1996年以來，Coucheney等[8]開發了一種模擬各種類型作物(一年生和多年生、草本和木本)的水、C和N平衡的方法。到目前為止，Garcia等[9]研究氣候變化對多年生葡萄樹的影響，將通用作物模型STICS模型應用于法國大型葡萄園規模的葡萄樹，然后將其應用于相同規模的氣候變化影響，使葡萄樹的管理適應氣候變化。Constance Demestihas等[10]通過STICS模型在年度尺度上考慮生態系統服務對蘋果園土壤氮素供應，氣候調節，水分調節對蘋果生長造成的影響，分析STICS模型對其最敏感且對于模型適應蘋果的3種參數：田間測量參數(最大樹高、不同物候期)，文獻查找參數(最佳生長、限制溫度)，特定數據(不同種植制度)對其3種參數方式進行參數估計，研究表明，LAI的相對均方根誤差小于30%。果實生物量或地上生物量的模型效率達到0.9。

2 生態因子在果樹生長發育中的應用研究進展

通過調整光照、溫度、水分、養分等生態因子的輸入和參數，作物生長模擬模型可以預測作物在不同條件下的生長和產量表現。

2.1 光照因子

果樹的形態和生理功能受到光照的影響，因為光照不僅是果樹進行光合作用的能量來源，還是其形態和生理功能的重要環境因子。如果光照不足，果樹內部的養分供應會受到影響，導致葉片黃化或早期死亡，同時光合速率也會受到限制。相反，如果光照過剩，就會造成果樹脅迫，引起光化學效率的降低，出現光抑制現象。魁小花等[11]通過不同光照強度對葡萄藤進行其生長發育的研究，通過實測和分析表明，不同的光照強度對其花芽率和葉芽率有顯著影響，實驗發現補光3h處理的總酚、類黃酮和單寧含量在成熟期均顯著增加，從葡萄數枝條基部開始，隨著枝條生長，節間粗度越來越小，適宜的補光時長利于果樹枝條及枝條粗度變化，進而對果樹生長冠層結構、樹高、樹形等造成影響。

2.2 溫度因子

溫度是果樹生長發育的重要環境因子之一，對果樹的生理生化過程及產量品質等都有著重要影響。花粉萌發是果樹繁殖過程中的關鍵步驟，溫度是影響花粉萌發的主要因素之一。果樹花期倒春寒和干熱風嚴重影響杧果的授粉及著果，果樹開花期對溫度的要求最為嚴格，溫度脅迫使花粉敗育及花粉與柱頭發育不同步現象增多，不同程度上降低了果樹花粉萌發和花粉管長度，劉馨語[12]等通過不同溫度對杧果的影響研究其花粉萌發狀態，由此對杧果的生長發育進行直觀了解。研究表明，花粉萌發率隨溫度升高呈現先增加后降低的趨勢，28℃時花粉萌發率達到峰值。在果樹花期時，溫度過高或過低都會對果樹的繁殖過程產生不良影響。過低的溫度會導致新梢生長受阻，從而影響果樹的樹形和產量，過高的溫度則會引發果樹光合作用的脅迫，造成葉片黃化、凋落等現象，進而影響果實品質和產量。因此，果樹的栽培管理應根據不同品種、生長階段和氣候條件等因素，合理調整溫度等環境因素，以促進果樹的健康生長和高產高質。

2.3 水分因子

水分對果樹生長發育有顯著影響，隨著水分脅迫的加劇，會制約作物株高和葉面積的生長，過度的缺水會使植物細胞失水，不能恢復，致使花芽量、坐果率減少。土壤水分虧缺可以抑制營養過剩生長，減少枝條的生長，對果樹冠層結構、樹形、樹高造成不利影響。不同的灌溉方式，對果實品質的影響也不相同，張倩等[13]聚焦在不同的灌溉條件下對庫爾勒香梨果實的影響，研究表明，傳統的大水漫灌方式水分利用率低，而滴灌和噴灌能夠更有效地促進果樹生長和改善果實品質，且滴灌效果更好?？茖W供水能夠保證果樹代謝活動的正常進行，從而提高產量和品質，增強樹勢。溝灌與滴灌處理的脫萼率增幅較大，漫灌脫萼率增長率較低，滴灌處理的宿萼果縱橫徑，脫萼果的縱橫徑、果實品質均高于溝灌處理與大水漫灌，從而對果樹產量造成影響。

2.4 養分因子

土壤中氮磷鉀是果樹生長必需的礦質養分，合理施用氮磷鉀肥可促進同化物向果實中轉運，提升果實品質。適量施用鉀肥可在一定程度上提高葉片光合能力，減少氮肥投入會明顯降低葉片的光合性能。王端等[14]在研究中探討了不同氮磷鉀配比對杏果實品質的影響，從而更深入地了解其生長發育狀況。研究發現，氮鉀配比的不同會顯著影響果實的質地。隨著鉀肥用量的增加，果實的硬度、內聚性、彈性、咀嚼性呈先增后減的趨勢。秋季基肥主要采用有機肥等長效肥料，以補充樹體營養，恢復樹勢，提高花芽質量?；ㄇ盎蚧ê笞贩蕜t以速效性氮磷為主，補充樹體貯藏營養的不足，保證開花整齊，提高坐果率，促進根系生長，增加新梢前期生長量。至于膨果肥的施用，可在硬核期或果實膨大期進行，以速效性鉀肥為主，這有助于促進光合產物的合成與轉運，從而提高果實的產量和品質。

2.5 其他因子

除了上述光照、溫度、水分、養分等對果樹生長發育影響的研究以外，還有學者對栽植密度、大棚種植或自然種植、后期施肥與修剪等對果樹的生長發育的影響也做了研究。這些研究成果表明，栽植密度對果樹的生長發育有顯著的影響。過高或過低的栽植密度都會影響果樹的生長和產量。在大棚種植或自然種植環境下，果樹生長的環境與室外種植存在差異，因此需要對不同環境下果樹的生長發育進行適當的調控和管理。此外，后期施肥和修剪也對果樹的生長和產量具有重要影響，合理的施肥和修剪可以促進果樹的營養吸收和分配，提高果實品質和產量。綜上所述，果樹的生長發育不僅受到自然環境因素的影響，還受到人為管理因素的影響，只有在科學合理的管理下，才能實現果樹的高產高質量發展。

3 存在問題

近年來，更多的專家學者在果樹生長模擬技術上不斷地深入研究，果樹作物模型技術日趨完善，但仍存在諸多缺陷。主要表現在以下3個方面。

果樹模型技術雖然可以模擬果樹生長的基本過程，但對于特定品種、特定地域的果樹生長模擬，模型精度還需進一步提高。

大部分相關研究僅聚焦在果樹與水分利用上，對氮磷鉀肥的使用，冠層結構、修剪程度的研究較少。

作物生長受到的各種環境因素之間存在復雜的相互作用關系，不同生長因子的相互作用可能會影響模型預測的準確性，而作物生長模擬模型中往往只能考慮其中的一部分因素，這可能會導致模型預測的準確性下降。

4 對策與展望

根據我國當前在果樹生長發育中應用作物模型及生態因子的研究現狀，發現現有模型在適用性和應用范圍上仍存在一些局限性。因此，在后續的模型研究中，應該針對這些問題，向全面綜合化、系統化方向發展，以增強模型的適用性和擴大生態因子在不同果樹上的應用范圍。此外，為了提高模型的預測準確性，應該考慮加入更多的控制因素，并通過環境控制等手段，減少環境因素對作物生長的影響。如，加入考慮作物根系和土壤的因素，這些因素對于作物的生長發育和產量具有重要的影響，可以提高模型的預測準確性。

在未來的研究中，為了進一步提高果樹生長發育模型的應用價值，應該開展多學科聯合研究，形成多學科交叉合作。這樣可以更好地挖掘和利用果樹生長發育的生態因素，以實現果樹生產的可持續發展。在這方面，需要對影響果樹生長發育的冠層結構、修剪程度等生態因素進行更加詳盡的數據采集和研究。此外，建立更加完善的作物計算機管理系統也是未來研究的重要方向之一，這樣有助于優化管理果樹生長發育的過程，實現果樹生產的高效、低耗、可持續發展。