作物生長(zhǎng)模型發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

韓 健，池寶亮

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原030006）

20世紀(jì)60年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)代系統(tǒng)分析理論的日趨成熟為作物生長(zhǎng)發(fā)育量化分析和生產(chǎn)決策研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，極大地推動(dòng)了作物生長(zhǎng)模型研究及模擬技術(shù)的發(fā)展[1]。另外，作物生長(zhǎng)模型也對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)揮了重要作用[2]，其功能也體現(xiàn)在提高農(nóng)田水分利用效率，優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)等方面[3-6]。

1 作物生長(zhǎng)模型（Growth Simulation Model）的定義、分類及其特征

作物的生長(zhǎng)發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜多變的綜合過(guò)程，它受土壤、氣候、遺傳生理和生態(tài)環(huán)境以及耕作栽培措施等因素的影響和制約，如對(duì)作物生育過(guò)程進(jìn)行精確的研究和掌握，僅僅依賴物理實(shí)驗(yàn)是難以做到的。而通過(guò)對(duì)作物生長(zhǎng)模型的研究，可以在很大程度上簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，加快研究進(jìn)展，節(jié)約資源，減少不必要的浪費(fèi)，故其模型研究得到了廣泛重視。就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，作物生長(zhǎng)模型著重對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程及其與環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行定量描述和預(yù)測(cè)[7]。作物生長(zhǎng)模型又簡(jiǎn)稱為作物模型，是通過(guò)對(duì)作物生育和產(chǎn)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以理論概括和數(shù)據(jù)抽象，找出作物生育狀況及其與環(huán)境之間關(guān)系的動(dòng)態(tài)模型，然后在計(jì)算機(jī)上模擬作物在給定的環(huán)境下整個(gè)生育期的生長(zhǎng)狀況，是對(duì)作物生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)模擬研究。

作物生長(zhǎng)模型按研制思路大體可分為3類：一是光能驅(qū)動(dòng)模型，即作物產(chǎn)量主要由太陽(yáng)光能驅(qū)動(dòng)光合作用而形成，如美國(guó)的CERES系列模型；二是CO2驅(qū)動(dòng)模型，即作物產(chǎn)量主要由CO2驅(qū)動(dòng)光合作用而形成，如荷蘭的WOFOST模型；三是水分驅(qū)動(dòng)模型，即作物產(chǎn)量主要由可供應(yīng)的土壤水分決定，如聯(lián)合國(guó)世界糧農(nóng)組織推出的AquaCrop模型。

2 作物生長(zhǎng)模型的發(fā)展概況

2.1 國(guó)外的作物模型研究進(jìn)程

作物模型的建立始于20世紀(jì)60年代中后期，美國(guó)和荷蘭是開展模型研究比較多的2個(gè)國(guó)家[8]。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的Duncan W G[9]和荷蘭瓦格寧根農(nóng)業(yè)大學(xué)的de Wit[10]提出了植被冠層光能截獲的幾何模型和生理模型，冠層太陽(yáng)輻射截獲理論被認(rèn)為是作物模型研究開始的標(biāo)志。

美國(guó)作物模型的顯著特點(diǎn)是目的和應(yīng)用性強(qiáng)。20世紀(jì)60年代末，由Chen等[11]利用物理和化學(xué)2門學(xué)科的結(jié)合，研發(fā)了以小時(shí)為時(shí)間步長(zhǎng)的作物模型，將植物的生長(zhǎng)用光合作用和呼吸作用的函數(shù)來(lái)表示。20世紀(jì)70年代初，Duncan[12]以光合作用和呼吸作用為基礎(chǔ)，在密西西比州研發(fā)了模擬棉花產(chǎn)量形成的SIMCOT模型，為后來(lái)棉花作物生長(zhǎng)模型GOSSYM的建立奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代中后期，由密西根大學(xué)的Ritchie等率領(lǐng)專家小組研制完成了適用于小麥、大麥、玉米、高粱、水稻、谷子等的作物-環(huán)境資源綜合系統(tǒng)（Crop-Environment Resource Synthesis System，CERES）模型。該模型是應(yīng)用動(dòng)力學(xué)方法、系統(tǒng)工程原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)建的“作物—土壤—大氣”系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬模型，以氣候條件和土壤理化性狀為非可控因子，作物品種、肥料和灌溉為可控因子，可以模擬作物在自然環(huán)境條件下生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，預(yù)測(cè)作物的產(chǎn)量以及提供節(jié)水施肥的決策信息，是目前世界上應(yīng)用最廣泛的作物模型之一[13]。20世紀(jì)末，隨著作物模型與決策支持系統(tǒng)的結(jié)合，由美國(guó)夏威夷大學(xué)主持、近30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的科學(xué)家參加的IBSNAT計(jì)劃開始實(shí)施，經(jīng)共同協(xié)作最終完善了一套綜合的能評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)技術(shù)適應(yīng)狀況的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（Decision Support System for AgrotechnologyTransfer，DSSAT）。該系統(tǒng)是含有多種作物生產(chǎn)和管理的計(jì)算機(jī)決策支持系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)，用戶可以借助作物生長(zhǎng)模型，評(píng)估農(nóng)藝措施如不同品種、播期、密度、施肥量、灌水量等對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程及其產(chǎn)量的影響等模擬試驗(yàn)，借助系統(tǒng)有關(guān)模塊完成作物栽培方案的優(yōu)化選擇，為田間栽培試驗(yàn)提供初步方案，或直接指導(dǎo)大田作物生產(chǎn)的管理決策等[14]。

荷蘭的作物模型研究尤其強(qiáng)調(diào)其機(jī)理性和共性。1969年de Wit等在光合作用模型的基礎(chǔ)上，建立了較為完整的作物生長(zhǎng)模型（Elementary Crop Simulator，ELCROS），該模型能夠模擬作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的碳素平衡，并提出了作物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)說(shuō)，極大地推動(dòng)了世界作物模型的研究。20世紀(jì)70年代末，在ELCROS模型基礎(chǔ)上，Penning de Vries F W T[15]等將作物的同化、呼吸和蒸騰作用等因素進(jìn)行了綜合考慮，開發(fā)了能對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程進(jìn)行量化的BACROS（Basic Crop growth Simulator）模型。該模型是一種解釋性模型，其在碳平衡和蒸騰方面進(jìn)行了機(jī)理性闡述，但在異地應(yīng)用方面仍有局限性。1982年H.Van Kenlen[16]在BACROS基礎(chǔ)上建立了以日為時(shí)間步長(zhǎng)、簡(jiǎn)單通用的SUCROS（Simple and Universal Crop Growth Simulator）模型。它最大的特點(diǎn)就是普適性，通過(guò)調(diào)整作物參數(shù)即可用于不同作物的模擬，該模型也為明確作物模型的進(jìn)一步深入研究和應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著作物模型研究由經(jīng)驗(yàn)化向應(yīng)用化的轉(zhuǎn)變，由Penning de Vires等研制而成MACROS（Modules ofan Annual Crop Simulator），它是一年生作物的模擬程序模塊，是為半濕潤(rùn)熱帶作物而開發(fā)的模塊。目前，通過(guò)國(guó)際水稻研究所（IRRI）的 SARP（Simulation and Systems Analysis for Rice Production）項(xiàng)目，MACROS已在東南亞多個(gè)國(guó)家和地區(qū)推廣應(yīng)用。1994年由Hijmans等[17]開發(fā)了WOFOST（World Food Studies）模型，著重研究了定量土地生產(chǎn)力評(píng)價(jià)、區(qū)域作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)和年際間產(chǎn)量變化及氣候變化影響的實(shí)際應(yīng)用，目前版本已發(fā)展到7.2。

與此同時(shí)，其他國(guó)家也開展了大量的相關(guān)研究。如日本結(jié)合專家系統(tǒng)開發(fā)了為指導(dǎo)和預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及診斷病蟲害信息等的作物模型、澳大利亞的棉花害蟲計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)（SIRATAC）以及棉花農(nóng)藝計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)（OZCOT）等等[18]。但以上模型只局限在本國(guó)或部分地區(qū)適用，缺乏在全球范圍內(nèi)的可操控性。鑒于此，聯(lián)合國(guó)世界糧農(nóng)組織于2009年推出了國(guó)際上最新的AquaCrop作物模型[19]，它的主要研制者來(lái)自意大利、美國(guó)、比利時(shí)、西班牙，是國(guó)際科學(xué)家共同合作開發(fā)的軟件，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，適用于大多數(shù)大田作物，與其他作物模型相比，輸入?yún)?shù)少，更加重視面向用戶界面的設(shè)計(jì)。目前版本已發(fā)展到V3.1+。

2.2 國(guó)內(nèi)作物模型研究進(jìn)程

我國(guó)的作物生長(zhǎng)模型研究工作起步比較晚，借助于國(guó)外作物模型的發(fā)展，研究起點(diǎn)比較高，更加注重于將作物生長(zhǎng)、栽培優(yōu)化模型與專家系統(tǒng)相結(jié)合，形成了一系列的作物栽培優(yōu)化決策系統(tǒng)。80年代初期，高亮之等在美國(guó)完成了苜蓿生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)氣象計(jì)算機(jī)模擬模型（ALFAMOD），這是中國(guó)最早在作物模擬方面的研究[20]。

1986年黃策、王天鐸等從植物生理學(xué)出發(fā)，建立了水稻群體物質(zhì)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)模擬模型。1989年高亮之等[21-22]在研究了中國(guó)不同類型水稻生育期的農(nóng)業(yè)氣象生態(tài)模式下，建立了由水稻生育期模型和葉齡模型組成的水稻鐘模型（RICEMOD）。隨后，高亮之[23-24]又研制成我國(guó)第一個(gè)大型的作物模擬計(jì)算機(jī)軟件——水稻栽培計(jì)算機(jī)優(yōu)化決策系統(tǒng)（RCSODS），該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的解釋性，并且將水稻模型與環(huán)境資源研究相聯(lián)系，極大地推動(dòng)了作物模型在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用[24]。1994—2004年，又分別建立了小麥栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)（WCSODS），玉米栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)（MCSODS）和棉花栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)（CTSODS）等。

戚昌瀚[25-26]等在20世紀(jì)90年代初期成功研制成水稻生長(zhǎng)日歷模擬模型（Rice Growth Calendar Simulation Model，RICAM）和調(diào)控決策系統(tǒng)（RICOS）。潘學(xué)標(biāo)[27]等吸收了國(guó)外模型的經(jīng)驗(yàn)，1996年建立了棉花生長(zhǎng)發(fā)育模擬模型（COT GROW）。1998年呂軍等[28]在作物模型（MACROS）和農(nóng)田水分平衡模型的基礎(chǔ)上，引進(jìn)并開發(fā)了作物生長(zhǎng)田水分平衡的系統(tǒng)模擬模型。2003年李自珍等[29]依據(jù)生物力學(xué)的理論與方法建立了多種環(huán)境外力作用下作物生長(zhǎng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型以及過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算與分析。孫忠富等[30]建立了溫室番茄的生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)模型，該模型以太陽(yáng)輻射為基本驅(qū)動(dòng)因子。隨著作物模型與3S技術(shù)相結(jié)合研究的日趨成熟，2009年馬占云等[31]結(jié)合GIS技術(shù)，完成了作物模型在我國(guó)對(duì)氣候變化影響下的玉米秸稈產(chǎn)量區(qū)域的模擬研究，使得國(guó)內(nèi)的作物模型研究更加向前邁進(jìn)了一步。

3 模型應(yīng)用中存在的問(wèn)題

開發(fā)作物生長(zhǎng)模型的最終目的就是要應(yīng)用于實(shí)際，為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和作出科學(xué)的管理決策服務(wù)。目前，作物模型的研究水平及其應(yīng)用已日趨成熟，但總體上仍存在一些局限性，主要問(wèn)題就是模型應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的有效性與可靠性。（1）面向的終端用戶不明確，多數(shù)作物模型專業(yè)性較強(qiáng)，非專業(yè)人士或普通農(nóng)民由于缺乏必要的專業(yè)知識(shí)而無(wú)法操作或正常使用；（2）目前的作物模型多數(shù)是集氣候、作物、土壤、管理于一體，由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)量主要受天氣條件影響較大，其模型模擬的成功與否還取決于對(duì)未來(lái)天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期有效性；（3）各個(gè)國(guó)家開發(fā)建立的作物模型并無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法，加之其對(duì)作物生理生態(tài)過(guò)程的量化描述也不盡相同，影響了對(duì)作物和土壤相關(guān)參數(shù)取值的準(zhǔn)確性和可靠性，特別是其空間變異性，進(jìn)而限制了模型的成功應(yīng)用；（4）由于作物模型是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，其驗(yàn)證也是在特定的理想環(huán)境下進(jìn)行，而現(xiàn)實(shí)中自然、社會(huì)等多因子的相互影響和制約并未考慮，使得模擬結(jié)果并不能全面精確地反映生產(chǎn)實(shí)際。

4 模型應(yīng)用前景

隨著全球范圍內(nèi)的學(xué)術(shù)交流和國(guó)際合作的不斷擴(kuò)大，作物生長(zhǎng)模型的綜合性研究和專家系統(tǒng)、3S技術(shù)、決策支持系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)一步有機(jī)結(jié)合，相信作物生長(zhǎng)模型的應(yīng)用前景會(huì)愈來(lái)愈廣闊。

首先，作物生長(zhǎng)模型面向用戶的界面將會(huì)更加簡(jiǎn)潔，適用人群廣，易操作。

其次，作物生長(zhǎng)模型還可作為高等院校師生開展教學(xué)活動(dòng)時(shí)直觀動(dòng)態(tài)的教學(xué)工具，利用作物模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，不僅節(jié)省時(shí)間和資源，還能排除一些干擾因素，弄清試驗(yàn)中各因素間的真正關(guān)系，大大提高教學(xué)效率。

再者，利用作物生長(zhǎng)模型不僅可以分析潛在的產(chǎn)量和現(xiàn)實(shí)產(chǎn)量之間的差距、找出生產(chǎn)中的問(wèn)題所在，還可以用于播前決策和生產(chǎn)管理中相關(guān)措施的調(diào)整。

還有作物生長(zhǎng)模型會(huì)突破其單點(diǎn)模擬研究，將模型拓展到三維空間，在全球性作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、農(nóng)作物病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、精準(zhǔn)農(nóng)作、農(nóng)業(yè)環(huán)境評(píng)價(jià)等綜合的環(huán)境資源分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

4 結(jié)語(yǔ)

作物生長(zhǎng)模型經(jīng)歷了從定性的概念模型到定量的機(jī)理模型，從作物的生理生態(tài)過(guò)程模擬模型發(fā)展成為綜合的作物應(yīng)用模型的發(fā)展歷程。可以看出，作物生長(zhǎng)模型的研究日趨成熟，模型改良不斷深入，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，會(huì)為可持續(xù)農(nóng)業(yè)以及由農(nóng)業(yè)的傳統(tǒng)化向農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化、數(shù)字化、信息化和精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)型而發(fā)揮重大作用。

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