作物生長模型研究進展

陳露 王鵬皓 候雪 周保平 李旭

摘要? ? 近年來，隨著科學理論和計算機技術的快速發展，作物生長模型研究也迅速發展起來，經歷了從幼稚到成熟的階段、從理論分析到使用分析的歷程。本文總結了作物生長模型的發展歷程，對作物生長模型進行了評價，指出作物生長模型會受復雜多變天氣的影響、受計算機能力的限制、受輸入數據的約束，以期為農業生產提供參考。

關鍵詞? ? 作物生長模型;發展歷程;評價

中圖分類號? ? S126? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）14-0254-02

作物生長模擬模型在農業科學研究方面起著重大作用，在大量實驗研究的基礎上得出相關數值，借助于數值模擬的方法對作物生長發育的過程進行動態模擬[1]。一些生長模型允許評估關于一個或多個農藝管理決策的一個或多個可用選項。作物模型有助于測試科學假設，突出顯示信息缺失的地方，組織數據以及跨學科整合。作物生長模型可以在各種復雜程度上進行開發，所需的復雜程度取決于建模工作的目標。除此之外，農作物生長模型包含了氣象學、生態學、土壤學、農學等多個學科的理論研究成果，運用模型軟件建立相應的數學模型并量化出作物整個生產系統知識和生態過程。

1? ? 作物生長模型的發展歷程

1.1? ? 發展前期

德威特模型學派在20世紀60年代，第一次嘗試對植物葉冠層的光合作用進行研究，并對農作物冠層的光合速率進行研究，為農作物生長動態模擬模型打下了堅實基礎。從該模型獲得的結論用于估計世界某些地區的潛在糧食產量，并為農作物管理和育種提供指征。隨后構建了一個ELEME-NTARY CROp生長模擬器（ELCROS），該模型包括靜態光合作用模型，并且將作物呼吸作為每天生物量的固定比例，加上與生長速率成比例的量[2]。此外，還增加了根和莖生長之間的功能平衡。在模型中引入微氣象學并量化冠層對氣體交換的抵抗力，使模型可以改善蒸騰過程的模擬，并發展成為基本的CROp生長模擬器（BACROS）和A RID CROP。對半干旱等相關區域的自然生長植被進行模擬，該模型成功地與水分平衡模型相結合，在水分脅迫條件下模擬植物生長，之后半干旱地區畜牧生產模型中成功運用ARIDCROP模型。Childs等在同時期研究成果的基礎上建立了以小時為步長的玉米生長模型，此模型與后來發展起來的作物生長模型相當接近，Feddes研制了關于白菜的CROPR模型，Mass等創建了關于小麥的TAMW模型，Stapper研制了谷物模型CORNF，Teng提出了大麥模型BARSIM等，在大量模型建立的基礎上，越來越多的模型完備和成熟起來，為應用型模型的建立打下了堅實基礎。

1.2? ? 發展中期

在作物模型研究發展到中期階段時，對作物模型的研究方向已發生變化，由初期注重生長過程中理論表達過渡為模型的實際應用。在作物生長整個發育及產量形成過程中，包含了生理學、生態學、氣象學、農業學等多個學科，因而整個環節產生的數據是冗雜并且相互交叉的，之中包含了許多難以獲得的輸入參數和復雜變量。盡管作物的生長過程能夠描述得十分詳細，但是已有的模型很難達到該目標，在能使模型理論上可行、參數和數據輸入能夠簡易操作、以作物生長和發育機理為建模的基礎上，采用一些經驗方法使某些復雜的過程、參數或變量能進行簡化處理，因而一些既包含動力學或生理學過程，同時也包含以試驗為基礎的經驗式或參數的模型迅速發展起來，并且用于實際應用中。

DSSAT是在IBSNAT（農業技術轉讓國際基準站點網絡）贊助和指導下進行，由美國國際開發署授權美國夏威夷大學開發研制的綜合計算機系統。IBSNAT試圖通過系統分析和模擬來展示理解選項的有效性，從而使全球農戶最終受益。IBSNAT的主要產品是農業技術轉讓決策支持系統（DSSAT），DSSAT被用作研究和教學工具。作為研究工具，其在得出有關作物管理的建議以及調查環境和可持續性問題方面的作用是無與倫比的。DSSAT產品使用戶能夠將農作物的生物學需求與土地的物理特征相匹配，從而為他們提供改善土地利用規劃的管理建議[3-5]。

荷蘭的Wit提出的WOFOST模型是基于SUCROS模型上發展起來的，其主要特點是普遍性和適用性，僅需要調整作物的參數數據，就能夠適用于不同的作物之間。相較于美國與荷蘭，中國對農作物生長模型的探究直到1996年，由潘學標教授基于荷蘭棉花模型開發的COTGROW模型問世以來，涌現出一大批優秀學者，例如馮利平以小麥的發育生長特性為研究對象，吸收了ECSODS和CERES-Wheat模型的研究方法，研究開發出小麥生長發育模擬模型。

1.3? ? 發展后期

20世紀90年代以后，應用多元化成為作物生長模型發展的新方向。完善現有的模型，進行大量有針對性的研究，主要對模型的普適性、易操作性和準確性等進行研究。作物模型能夠用于不同的作物、大部分環境、惡劣天氣條件、不同的社會經濟條件等稱為普適性;對模型變量進行簡便化，建立友好的用戶界面等稱為易操作性;準確性主要是進行多次試驗，對模型的參數或公式不斷更新和檢驗，減小誤差，使模型能夠更加準確，這些研究也取得了巨大成果[6-8]。

1989—1992年，主持召開的“氣候變化對國際農業的影響”會議，其目的是探究在不同氣候條件下，作物的生長受二氧化碳濃度影響變化趨勢，并且提出在不同對策下，探究此類現象對全球作物會產生哪些影響。1993年，Kiniry和Bockholt在美國得克薩斯州等9個州的不同環境下分別利用CERES2M aize和ALMANAC模型模擬出玉米和高粱生長發育以及產量形成，從當時的模擬結果可以得到這2個模型的普遍性和適用性比較好[9-13]。

評價全球作物生產會隨氣候變化呈現怎樣的趨勢，會選擇將作物生長模型和大氣環流模型GCMs結合在一起的方法，作物生長模型和土壤侵蝕預報模型嵌套，建立侵蝕-生產力影響評估模型。把作物生長模型與其他學科的模型結合起來，可以解決很多問題，進而擴大應用范圍。

2000年以后，曹衛星等重點研究作物管理決策信息系統，取得了重大成果。后期把作物生長模型和知識模型相結合，通過大量研究，推出了許多富有特色的作物管理決策系統，同時在許多地區得到了廣泛的應用。

2? ? 作物生長模型的評價

2.1? ? 作物生長模型會受復雜多變的天氣影響

作物產量的多少主要取決于天氣條件，決策支持系統想要成功應用還依賴于預報未來天氣的能力。截至目前，即便是通用循環模型（GCM）也尚無法可靠預測氣候變化，例如干旱和暴風雨頻率的變化，盡管這些可能會嚴重影響農作物的產量。由于不同的用戶在建模領域擁有不同程度的專業知識，因而可能會濫用模型，并且作物模型不是通用模型，它們可能會嚴重影響農作物產量，GCM在模擬地表氣溫和降水的全球值方面做得很合理，但在區域范圍內卻表現不佳。此外，生物和農業模型是系統的反映，對于這些系統，某些組件的行為尚不完全了解，并且模型輸出與實際系統之間的差異無法得到充分考慮。因此，用戶必須根據自己的目標選擇最合適的模型。

2.2? ? 作物生長模型會受計算機能力的限制

由于對自然過程和計算機能力限制的了解不足，因而作物模型無法給出準確的預測，但模型驗證方法仍然是基本的。與學科或傳統實驗情況不同，模型中同時對大量假設進行了檢驗，由于實地數據具有不確定性，驗證可以是結論性的，因而當前模型的驗證更加復雜。模型參數和驅動變量是從特定地點的情況中得出的，理想情況下是可測量和可用的，但實際上，植物、土壤和氣象數據很少精確，并且可能來自附近的地點。由于固有的土壤異質性以及耕作方式對土壤性質的影響，測得的參數也會有所不同。

2.3? ? 作物生長模型受輸入數據的約束

在種植系統中，通常有大量與地上作物生長和發育有關的數據，但與根系生長和土壤特性有關的數據通常不廣泛。大多數模擬模型都要求氣象數據可靠且完整，采樣誤差也會導致觀測數據的不準確性。最終的作物模型將是在物理上和生理上定義該模型所產生的變量與普遍的現實世界行為之間所有關系的模型。但是，由于生物系統過于復雜，并且尚未完全理解該系統涉及的許多過程，因而無法建立這樣的模型。即使可以構建理想的農作物模型，農作物環境的高精度系統參數和輸入數據的收集也是一項艱巨的任務。

3? ? 結語

作物生長模型是有效預測氣候變化對作物生長和產量可能產生影響的工具，這些模型對于解決農業中的各種實際問題有很大作用，必須提高人力資源能力，在全球范圍內開發仿真模型。作為一種研究工具，模型的開發和應用有助于發現知識的空白點，從而進行更有效率和針對性的研究計劃。基于合理生理數據的模型能夠支持外推到其他種植周期和位置，可以量化時間和空間變異性。大多數模型實際上未經測試或測試欠佳，因而其有效性尚未得到驗證[14]。

一些人錯誤地認為，作物模型能夠解決所有農業問題，因而不加選擇地應用了作物模型;而且大多數農藝師不完全了解作物生長模型和系統方法研究的概念，因而需要在該領域進行培訓。可以使用經過嚴格校準和評估的模型來進行研究，以便節省時間和金錢。不可否認的是，作物生長模型對農業生產有著促進的作用，只是目前仍在研究實驗，模型的應用也處于起步階段，主要瓶頸是模型需要在不同空間尺度以及復雜多變的環境條件下的驗證。作物生長模型是一個具有潛在意義的技術工具，它的發展前景十分廣闊，但不是萬能的，因而在應用模型時要注意模型存在的假設條件和限制因素，以便為農民、政策制定者作出決策提供準確的信息，同時為滿足世界糧食的需求以及發展可持續農業做出重大貢獻[15]。

4? ? 參考文獻

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