作物模型在間套作系統中的應用研究進展

季雅菲，張立禎

（中國農業大學，北京 100091）

民以食為天，糧食安全是關系到一個國家人民生存的根本問題，在任何時候都尤為重要。在有關糧食安全問題的諸多要素里，糧食生產能力是核心的影響因素。如果依照國際糧食安全標準計算，即每人400 kg的糧食標準，我國要滿足14億多人口的吃飯需求，未來至少需要產出約6億t糧食[1]。當前耕地資源緊張，農業勞動人口遞減，農業現代化基礎設施明顯不足等問題突出，我國糧食穩產壓力巨大。雖然大米、玉米、小麥的國內平均自給率達到97%，但由于人口基數大、需求量高，我國也是全球上糧食進口數量最多的國家。我國糧食安全形勢嚴峻和全球氣候變暖已是不爭的事實，氣候變化導致東北主產區部分糧食的潛在產量減產趨勢愈加明顯[2]，因此，因地制宜進行優勢生產布局、維持和提高農作物產出、調整種植布局、選育適應性品種等，都能夠較好應對東北地區氣候變化方面問題[3]。在可持續發展農業中，間作已成為一項重要的耕作方式。間作指的是在同一地塊、同一生長期內，將2種或2種以上作物同時種植在一起的種植方法[4]，不同作物具有不同高度、相間成行，利用光、水、肥、熱等自然資源[5]，提升土地、水分資源利用率及土壤綜合利用，從而促進農村向好、農業增產、農民增收[6]，使經濟價值和生態效益最大化[7]，因此依靠間作提高作物產量是保障糧食高產的重要方式。由于耗時、勞動密集且成本高昂，一種可行的替代方案是使用作物可以量化施肥和耕作對作物生長和生產力的影響。

1 作物模型應用研究歷程

作物模型是在綜合了解作物生育期階段的各種影響因素和作物自身生理機制的基礎上，對作物生長發育、產量和品質等進行的動態仿真模擬。同時對作物生長發育過程中的環境及管理措施的影響進行定量分析，進而優化管理制度，合理提高種植資源利用效率[8]。20世紀90年代，我國首次引進CERES模型，并初步開展了對玉米生長過程的模擬研究。該模型是一種能夠反映玉米的土壤水分含量和氮的動態變化、生長發育和產量的動態描述的作物模型。其中管理模塊數據主要包括土壤酸堿值、飽和含水率、凋萎系數和田間持水率等。AquaCrop作物模型最早由聯合國糧食及農業組織的研究人員開發，旨在應對全球范圍內日益嚴重的水資源短缺問題。該模型基于作物生理原理，通過模擬作物的生長和發育過程，預測作物生物量的積累和產量的形成。它考慮了土壤水分、氣象條件、作物特性和管理措施等因素對作物的影響，模型的參數可以根據實際情況進行調整和校準，以適應不同作物和環境條件。APSIM模型是澳大利亞研發的一種對旱地農業系統中各重要成分進行模擬的一個較為理想的機理性模型[9]，其主要對作物受自身生理特征以及溫度變化、土肥環境變化和管理措施等外因作用下的作物生產力進行精確預估。WOFOST是由荷蘭瓦赫寧根大學和全球糧食安全研究中心研發的一種作物模型，主要用于模擬作物生長和生產，以及分析和評估氣候因素的風險和影響。DSSAT模型是一個綜合模型系統，由一系列相互關聯的模型和數據庫組成，可以模擬和預測農作物的生長、發育和產量響應。該模型已經廣泛應用于全球各地的農業研究和大田試驗中，目前版本可以適用于20多種不同種類的農作物，包括谷物、油料、蔬菜和果樹等。模型的適用性還可以根據不同地理位置和氣候條件進行調整和校準，以更準確地模擬特定區域的農作物生長和產量響應。ORYZA模型是最早由法國國家農業科學研究院開發的用于水稻生長和產量模擬的模型，它考慮了氣候因素、土壤特性、作物品種和管理措施等多個因素對水稻的影響。模型的參數可以根據實際情況進行調整和校準，以適應不同的生態和農業系統。隨著時間的推移，該模型得到了改進和擴展，逐漸加入了新的功能和特性，如考慮溫度、光照和二氧化碳濃度等因素的影響，以及對不同品種和土壤類型的適應性。

2 作物模型在間套作中的應用研究進展

2.1 APSIM模型

APSIM模型可以模擬不同農作物的生長和發育過程，并對不同作物組合和間套系統設計進行評估。它不僅可以通過模擬作物的水分需求和土壤水分變化，以優化水資源利用和提高農作物產量，還可以模擬不同施肥策略對農作物生長和產量的影響、模擬作物對養分的吸收和利用效率，以評估不同施肥策略對土壤養分循環和環境的影響，為農業可持續發展提供科學依據。除此之外，此模型還可以模擬作物病蟲害的發生和傳播過程，評估不同病蟲害防控策略的效果。通過模擬病蟲害的發展趨勢和防控措施的效果，制定相關優化病蟲害防控策略，減少農藥使用量，提高農作物產量和品質。

由此可見，作物生長發育模型APSIM是一個具有動態的土壤、植物和大氣模塊的模型，它能夠對作物和牧草產量、殘留物分解、土壤水分和養分流動以及管理影響方面進行建模和模擬。由于在多物種種植系統中作物之間對太陽輻射競爭可能存在限制區間內單個作物的產量，因此存在多種模擬混作和行帶間作光截獲的方法。張悅等[10]使用程序設計語言對該模型中的條帶光截獲模塊部分進行了改進，并成功編譯集成到了該模型中。改進后的模型模塊采用的條帶種植光截獲算法可較好地模擬條帶間作下均質和異質性冠層的光截獲，廣泛適用于不同的間套作模式，降低了考慮種植行向及光照角度引起的誤差，為模擬條帶間套作的作物生長發育和產量形成提供了良好的工具。現在，條帶光截獲模塊已經被應用于多數假設能夠在水平維度上相互混合的競爭冠層的多數混合種植系統里。例如，Wopke等利用改進后的光截獲條帶模型對楊樹生長情況進行模擬，并通過計算模型中多年農林復合系統中的土地當量比與田間試驗結果進行對比分析來驗證該模型。在模擬情況中，該模型較好地表示出農林復合林分之下的作物生長的最小范圍，因為樹木吸收了大部分光，導致林分之下的作物生長具有一定的局限性。同時這也有利于研究在光照有限的條件下農林復合系統中的作物產量[11]。Zhang等[12]利用光截獲條帶模型發現了在小麥和棉花套種中2種作物的光截獲與光分布的差異來自每種作物種植的土地面積的比例、單個條帶的寬度和每條條帶種植的行數，也就是說，2種作物條帶的寬度會影響總截光量和捕獲光的分布，并且在較窄條帶和較窄株距的系統中，光截獲和光生產并不是受到葉片冠層異質性的限制，而是受到單位間作面積的葉面積指數的限制，因此增加間套作的種植密度可能會進一步增加間作作物的光截獲量。

2.2 SWAP模型

SWAP模型是由荷蘭瓦赫寧根大學基于土壤水分、溶質與熱量在土壤-植物-大氣-作物系統而開發的一種用于模擬土壤水分和作物生長的綜合模型，已被廣泛應用于農作物研究中。該模型可以模擬土壤水分的動態變化，并評估不同灌溉策略對作物水分利用和產量的影響。此模型在非飽和帶中，假設水流運動的主方向為垂直方向，水流的運動主要按垂直一維運動考慮[13]。而在垂直方向上，該模型將土壤分為不同的單元，在每個單元上，耦合求解水分及溶質運動方程和熱量傳輸方程。在氣候變化適應與農業風險管理方面，該模型可以結合氣象數據，模擬不同氣候條件下的土壤水分和作物生長情況，評估氣候變化對農作物生產的影響。通過模擬不同氣候情景下的土壤水分和作物產量變化，此模型還可以幫助人們制定相應的適應措施，降低氣候變化對農業的風險。

SWAP作為一個一維模型，模擬的是垂直方向上的流動過程，不能夠模擬間作或農林復合系統中2種作物的生長、水資源和太陽輻射分配。在此情況下，Victor等人對一維模型進行開發和改進，將2個一維模型連接在一起，使其能夠成功模擬玉米和大豆間作系統中地上輻射與地下水資源的分配。改進后的模型模擬的間作的冠層截水、土壤蒸發和低通量與一維模型模擬的單層水分平衡分量的平均值相似。該改進模型預測的玉米大豆間作潛力和實際蒸騰速率均高于一維模型獲得的單作玉米和大豆的平均值[14]。

3 結論

過去幾十年中，利用各種作物模型結合大田試驗來探究作物生長機制的研究不勝枚舉，然而作物模型在間套作研究中仍存在一定的上升空間。目前多數作物模型能夠較好地模擬單作作物，但是在更復雜的間套作系統研究方面還不成熟，缺乏條帶型間作不同配置模式的機理研究。在今后的間套作研究中，可將大田試驗、生理模型和結構功能模型緊密結合；利用程序設計語言探索間作系統中的間作之間的相互作用，并將輸出值對基于過程的作物模型進行參數化和驗證；在區域尺度上，利用改進后的間套作作物模型幫助設計更適合該區域氣候和環境的間套作系統，更進一步探明模型在間作系統中的參數改進、產量影響因素、栽培管理措施設定和環境間的相互作用等，為今后作物模型在間套作中的理論發展提供一定的理論支持。