Cotton2k 模型在南疆地區棉花虛擬生長中的應用

王 君

（塔里木大學信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

棉花是我國重要的經濟作物之一，在我國農業經濟發展中占據著重要地位[1]。棉花作為一種農產品，它的產業鏈很長。從棉花的種植到最后的流通，每一個環節都有相關的產業鏈[2]。棉花作為原料可以生產棉織品，在日常生活中棉織品隨處可見，比如我們平常穿的衣服、家里用的棉被、毛巾和地毯等，還有在工業生產上常用的工業包裝用紡織品、空氣過濾用紡織品、篷布用紡織品以及熱帶電作業服等。南疆地區氣候干旱，日照時間較內地長，土地資源豐富，擁有種植棉花得天獨厚的自然優勢。另外，南疆地區大部分都是鹽堿地，土壤鹽漬化很嚴重。鹽漬化地區土壤含鹽量較大，這會對棉花的生長產生很大影響[3-4]。棉花種植系統模擬模型的開發有著悠久而豐富的歷史，始于20 世紀60年代的美國東南部，現在已經擴展到世界主要棉花產區。隨著計算機計算能力的增強以及高級開發語言的出現和發展，使得棉花的生長模擬更加完整，準確性也在不斷的提高。模型應用領域包括作物用水和灌溉水管理、肥料管理、遺傳學和作物改良、氣候學和精準農業等。主要包括 GOSSYM 模型、Cotton2k 模型、WOFOST 模型以及DSSAT 模型等[5-7]。與其他的棉花生長模擬模型相比，Cotton2k 模型是在GOSSYM 基礎上開發的，它可以模擬土壤和植物生長的過程，以及這些過程與種植管理間的相互作用。另外Cotton2k 模型還考慮了鹽分對棉花生長的影響，所以本文使用Cotton2k模擬南疆地區的棉花生長。

1 Cotton2k 模型簡介

Cotton2k 模型是在GOSSYM 的基礎上開發發展起來的。它主要是為美國西部干旱灌溉條件下的棉花生產設計的，最開始模型本身是由Fortran 語言開發的，在其版本升級到4.0 后，對應的開發語言也由Fortran 改變為C++。它可以模擬土壤、植物和微環境中發生的過程，以及這些過程與種植管理間的相互作用。20 世紀90年代以后，在對GOSSYM 進一步完善的基礎上，發展了不同版本的棉花模型，它們各有其特點和優勢。在GOSSYM 模型的基礎上，Cotton2k 模型對水分關系、氮素運移、花鈴脫落等方面做了優化。修改優化后的Cotton2k 模型相對于CALGOS 模型更加便于使用。

相對于其他的棉花生長模擬模型，Cotton2k 模型更適合在灌溉干旱地區使用，主要原因有以下幾點：第一，潛在蒸散量按小時計算，使用從CIMIS（加利福尼亞灌溉管理信息服務）采用的方程推導而來的方程；第二，除了地面灌溉方法外，滴灌選項已作為模型的輸入實現。該模型還可用于預測特定天氣情景和土壤條件下作物對滴灌以及其他灌溉方法的灌溉需求；第三，土壤中的氮礦化（土壤中有機態氮在土壤微生物的作用下轉化為無機氮的過程）和硝化作用過程已經優化。增加了反硝化模塊、高C/N 比下的氮固定模塊、尿素水解模塊以及土壤中硝酸鹽和尿素的運輸模塊；第四，使用單分子生長函數分別模擬葉片和葉柄的葉片生長。使用改進的生長函數，分別模擬了籽棉和棉鈴的生長；第五，棉鈴的脫落率假定受到碳脅迫、水分脅迫和氮脅迫的影響。每個棉鈴對脫落的敏感性被模擬為其生理年齡和脅迫嚴重程度的函數；第六，與其他模型一樣，模型中的大多數過程都是在每天的時間步長中計算的。為了提高模擬的準確性，現在可以利用計算機的強大計算能力，以每小時的時間步長計算一些程序。雖然天氣輸入數據是每日的，但該模型可以估計這些數據的每小時值。“熱量單位”（或“生理年齡”）概念，用來表示溫度對生長速率和物候的影響，現在是按每小時的時間步長計算的。

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（81°17′E、40°32′N）設定實驗地進行。試驗地屬于中溫帶大陸性干旱荒漠氣候，高溫少雨，年均降水量在45 mm 左右，年均蒸發量2 000 mm 左右，無霜期為180～221 d，全年≥10 ℃的有效積溫在3 990 ℃左右。實驗地的土壤主要是沙壤土，土壤透氣性較好，鹽分輕度。阿拉爾市的主要水源為塔里木河、多浪水庫、勝利水庫及上游水庫等。

2.2 供試材料

棉花品種為中棉619；氮肥為尿素：昆侖尿素，總氮≥46.4%。

2.3 試驗設計

根據常規覆膜栽培灌水量4 200 m3/hm2，試驗區灌水量設置為3個等級。灌水量設：80%灌水量、100%灌水量、130%灌水量。共有 3個實驗處理：WL：低灌水；WM：中度灌水；WH：高灌水。各處理使用隨機區組設計，每個處理重復3次。試驗地4月10日施基肥，磷肥作為底肥一次性施入，4月20日鋪膜播種，理論種植密度18.55 萬株/hm2。試驗地使用氮肥、磷肥及鉀肥進行施肥，各處理的施肥量相同。分別在棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮成熟期灌水和施加氮肥。棉花生育期內每個小區定期隨機取5 株，觀測葉面積指數、株高和物候期等數據，收獲期采摘并記錄籽棉產量。

2.4 測定指標

棉花生育期內，在每個小區內隨機選取長勢均勻的5 株棉花，測量棉花株高和棉花葉面積。使用米尺測量株高，使用葉面積指數測量儀測量葉面積。

2.5 數據處理

采用Excel 進行數據處理和繪圖。

3 結果與分析

3.1 生育期天數實測值與模擬驗證結果

棉花按照生長發育的不同，可以劃分為不同的時期，本文主要研究出苗期，開花期以及成熟期。從表1 可以知道，在低灌水、中度灌水和高灌水不同情況，Cotton2k 模型對出苗期、開花期和成熟期的模擬值相差不大，且不同灌水條件下，Cotton2k 模型對出苗期和開花期的模擬結果較為準確。成熟期的模擬結果較差，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1 生育期日期觀測與模擬驗證

3.2 葉面積指數實測值與模擬驗證結果

葉面積指數（Leaf Area Index，LAI）是植物利用光能狀況的一個指標，葉面積指數的大小和棉花的產量密切相關。本文使用Cotton2k 模型對高灌水處理的葉面積指數進行模擬，模擬結果如圖1 所示。由圖1 可知，除了開始和最后的點位模擬結果與實際誤差較小外，剩余點位誤差較大。模型模擬結果與葉面積模擬誤差較大，這可能和該模型沒有考慮棉花打頂有關，因為棉花打頂與否會影響葉面積指數的數值。

圖1 葉面積指數實測值與模擬對比

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。由于Cotton2k 模型模擬出來的是皮棉產量，所以要將模擬的皮棉產量換算成相應的籽棉產量。模擬和實測結果對比如圖2 所示。低灌水、中度灌水和高灌水條件下，相對誤差分別為1.90%，2.05%和7.85%。可以知道不同灌水條件下模擬結果都在可接受的范圍內，低灌水和中度灌水條件下的模擬誤差相較高灌水條件更小一些，這可能和模型中水分運移的計算方法有關。詳細的產量實測值與模擬值見表2。

圖2 產量實測值與模擬對比

表2 產量實測值與模擬值

4 結論與討論

Cotton2k 是一種機理性較強的棉花生長模擬模型。通過實驗實測數據和模擬結果對比可以知道：Cotton2k 模型對出苗期和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。由于Cotton2k模型中沒有提供棉花打頂的邏輯，所以模型對葉面積指數的模擬結果誤差較大。棉花產量方面，不同灌水條件下模擬結果都在可接受的范圍內，低灌水和中度灌水條件下的模擬結果相較高灌水條件更好。