基于干旱脅迫的水稻栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)(RCSODS)的訂正與檢驗(yàn)

葛道闊， 曹宏鑫， 呂淞霖， 劉 巖， 李秉柏， 魏秀芳

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，江蘇 南京 210014;2.江蘇省睢寧縣氣象局，江蘇 睢寧 221200)

R/WCSODS(稻/麥栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng))的開(kāi)放性和通用性為其在不同區(qū)域、不同層面的應(yīng)用提供了可能。近年來(lái)，針對(duì)不同區(qū)域不同生理生態(tài)脅迫類型，圍繞氮素脅迫、光照脅迫、水分脅迫等，一般采用影響因子訂正的方法，考慮各類脅迫影響，使R/WCSODS應(yīng)用性強(qiáng)和預(yù)測(cè)性強(qiáng)的特點(diǎn)得到進(jìn)一步延伸和發(fā)展［1－9］。然而，淮河流域地處中國(guó)南北氣候過(guò)渡帶，降水量年際變化大，季節(jié)分配不均，該地區(qū)是中國(guó)旱澇災(zāi)害最為頻繁的地區(qū)之一，并且干旱發(fā)生頻率有逐年增高的趨勢(shì)，降水量往往是該地區(qū)水稻產(chǎn)量的主要限制因子［10］。因此，在干旱脅迫條件下訂正和應(yīng)用水稻栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)(RCSODS)，對(duì)增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用性和水稻生產(chǎn)在受災(zāi)條件的精細(xì)化評(píng)估和數(shù)字化管理具有重要意義。

本研究根據(jù)在淮河流域代表性站點(diǎn)開(kāi)展的大田和盆栽水稻水分控制試驗(yàn)，對(duì)RCSODS中的水稻群體光合生產(chǎn)、干物質(zhì)分配和葉面積擴(kuò)展等模塊進(jìn)行干旱脅迫影響因素訂正，重點(diǎn)著眼于水稻對(duì)干旱脅迫敏感性的階段性變化，將本項(xiàng)目組自主研制的和國(guó)內(nèi)外引進(jìn)的涵蓋干旱水分脅迫訂正因子算法的相關(guān)模型(子模型)加以集成，試圖建立一個(gè)機(jī)理性較強(qiáng)、可用于模擬流域范圍、考慮土壤不同水分狀況對(duì)水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成影響的改進(jìn)型RCSODS。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 水稻干旱敏感性大田試驗(yàn) 試驗(yàn)于2010～2012年分別在江蘇省興化市、河南省信陽(yáng)市進(jìn)行，小區(qū)面積4 m×8 m，每小區(qū)內(nèi)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，重復(fù)之間隔離0.12 m，小區(qū)間隔離1 m，四周有保護(hù)行，小區(qū)四周布設(shè)至少1 m深水分水平運(yùn)動(dòng)隔離薄膜或水泥隔離帶。分不同發(fā)育期設(shè)置處理，于孕穗、抽穗期分別設(shè)置2種土壤濕度類型(未見(jiàn)水10 d、未見(jiàn)水20 d)處理，于乳熟期分別設(shè)置2種土壤濕度類型(含水率小于60%、含水率大于60%)處理，2個(gè)對(duì)照區(qū)。返青期進(jìn)行補(bǔ)苗，其他試驗(yàn)管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)高產(chǎn)大田。共計(jì)8個(gè)小區(qū)。孕穗、抽穗期的處理:試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)排空小區(qū)內(nèi)水，以地面不見(jiàn)水為止。乳熟期的處理:利用雨棚阻隔自然降水，遇有強(qiáng)降水(中雨及以上)及時(shí)排水，一般前推20 d進(jìn)行水分預(yù)備控制，相對(duì)濕度低于65%時(shí)，進(jìn)行小水灌溉，控制土壤相對(duì)濕度不大于75%，試驗(yàn)前5 d進(jìn)行準(zhǔn)控制不再進(jìn)行灌溉，遇有降水時(shí)進(jìn)行遮擋，控制深度100 cm，保證土壤含水率設(shè)置要求。設(shè)2個(gè)對(duì)照區(qū)CK1和CK2。CK1:旱作水稻，自然降水，在順利出苗的基礎(chǔ)上不進(jìn)行任何水分處理;CK2:適宜水分。該試驗(yàn)主要用于模型參數(shù)訂正。

1.1.2 水稻干旱敏感性盆栽綜合試驗(yàn) 試驗(yàn)于2010～2012年在興化市進(jìn)行，盆缽試驗(yàn)于全封閉網(wǎng)室中開(kāi)展，網(wǎng)室頂部固定透明材料，透光防雨。試驗(yàn)用缽為高25 cm、直徑25 cm的塑料桶，盆栽用土取自本研究在興化市同期進(jìn)行的大田水分試驗(yàn)田塊耕作層表土(中壤土，最大持水量21.4%，肥力中等)，每缽裝風(fēng)干土10 kg，播前用水沉實(shí)。試驗(yàn)土壤水分處理分5個(gè)時(shí)期(苗期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期和灌漿成熟期)進(jìn)行。前4個(gè)時(shí)期分別設(shè)置4個(gè)處理:未見(jiàn)水5 d、10 d、15 d和20 d;灌漿成熟期設(shè)置4個(gè)土壤水分水平(以土壤水分含量占最大持水量的百分比計(jì)量)處理:對(duì)照(水分水平保持75% ～80%)、輕旱(水分水平保持65% ～70%)、中旱(水分水平保持55% ～60%)和重旱(水分水平保持45% ～50%)。通過(guò)土壤水份測(cè)定儀測(cè)定法、或秤質(zhì)量法測(cè)定土壤含水量，以確定每日的補(bǔ)水量，控制土壤水分含量(同時(shí)考慮植株質(zhì)量變化)。該試驗(yàn)主要用于模型檢驗(yàn)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目

每處理期間測(cè)定葉片凈光合速率、葉片水勢(shì)、土壤含水量、土壤水勢(shì);各主要生育期及處理結(jié)束時(shí)及時(shí)取樣，測(cè)定各器官(莖、葉、黃葉、穗、根)干質(zhì)量、分蘗數(shù)、黃葉數(shù)、面積指數(shù)參數(shù)(LAI)，開(kāi)花后至成熟測(cè)定灌漿速度，成熟后測(cè)定產(chǎn)量結(jié)構(gòu)。

1.3 建模方法

在充分利用和借鑒國(guó)內(nèi)外已有的研究結(jié)論基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照合理有效的試驗(yàn)方案開(kāi)展多點(diǎn)多年水分控制試驗(yàn)研究，獲取可用資料，從而探明水稻各主要生理、生態(tài)過(guò)程變化規(guī)律及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系，并借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，分別建立定量描述上述關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，確定模型參數(shù)。模型建立后，用獨(dú)立于建模的其他試驗(yàn)資料對(duì)模型及其參數(shù)的算法進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)和修正，確保其可靠性與嚴(yán)格性。采用絕對(duì)平均誤差 (MAE)及均方差根(RMSE)評(píng)價(jià)與測(cè)試本模型的預(yù)測(cè)性與精準(zhǔn)度［2，11］。其 MAE 和 RMSE 越小，則表明誤差越小，模型的預(yù)測(cè)性越好、精準(zhǔn)度越高。

1.3.1 水稻群體光合生產(chǎn)模型 水稻群體光合生產(chǎn)模型是將Monsi－Saeki的光合模型和Beer的群體消光公式綜合而成的，如式(1)所示。

式中，PGDi為出苗后第 i日的群體光合量［g/(m2·d)］;NF為氮素訂正因子;Pmax為光飽和時(shí)葉片最大光合速率;B為弱光條件下光合響應(yīng)曲線的初始斜率［12－13］;PAR為光合有效輻射;K為消光系數(shù)，其值與水稻株型及葉片排列狀態(tài)密切相關(guān);m為光的透射率，一般小于10%，本研究取值0.025［14］;Si為第i日的平均太陽(yáng)輻射(MJ/d);a為群體反射率(%)，取值0.05［14］;0.47 是 Si折算成 PAR 的系數(shù);LAIi為第i日的葉面積指數(shù);Di為日長(zhǎng)。B和Pmax均隨溫度變化，分別采用下式進(jìn)行溫度訂正［15］:

上式中，B0為適溫條件下光－光合響應(yīng)曲線的初始斜率，因品種而異;Pmax0為葉片在適溫與飽和光強(qiáng)下的最大光合速率，取值47 g/(m2·d)［16］。

由式(1)計(jì)算的第i日群體光合量(PGDi)減去呼吸消耗量(REDi)后，即為第i日的群體凈光合量(NPDi):

水稻群體第i日的呼吸消耗(REDi)包括生長(zhǎng)呼吸和維持呼吸兩部分，可表述為:

式(5)中，Rg為生長(zhǎng)性呼吸系數(shù)，取值為0.03;Rm、Q10分別為維持性呼吸系數(shù)及其溫度系數(shù)，取值分別為0.02和2.0，T為水稻全生育期平均氣溫(℃);DMi為干質(zhì)量，按下式計(jì)算:

式(6)中，0.68、0.82分別為CO2與碳水化合物(CH2O)以及碳水化合物與干物質(zhì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)。將DMi在一定生育期內(nèi)累加，即可得到該生育期結(jié)束時(shí)的干物產(chǎn)量，在全生育期內(nèi)累加，則可得到最終的干物產(chǎn)量。

1.3.2 干旱對(duì)水稻LAI的影響訂正 土壤水分的多寡均加劇水稻葉片不同程度和形式的衰老，本研究不同土壤條件下的LAI采用干物質(zhì)分配法計(jì)算［7］:

式(7)中，PC為水稻地上部的分配系數(shù)，干旱脅迫按(9)式訂正;PCl為葉片干質(zhì)量占地上部干質(zhì)量的比例，按(13)式計(jì)算;LS為綠葉的相對(duì)日衰老速率，隨發(fā)育階段變化，并經(jīng)試驗(yàn)資料進(jìn)行干旱脅迫影響訂正;SLAi為出苗后第i d的比葉面積;△W為第(i+1)d的干物質(zhì)累積量。

1.3.3 干旱對(duì)水稻光合速率的影響訂正 按下式訂正:

式(8)中，SW為土壤含水量，SWfc為田間持水量，SWwp為土壤萎蔫含水量，SWcr為干旱脅迫時(shí)的土壤含水量臨界值(相對(duì)于田間持水量的百分率)，根據(jù)試驗(yàn)取得的土壤含水量與水稻葉片水勢(shì)的相關(guān)關(guān)系求得。

1.3.4 水稻物質(zhì)分配干旱脅迫訂正因子的確定

1.3.4.1 影響根冠比的干旱脅迫訂正因子 根冠比反映了植株光合產(chǎn)物的調(diào)配和地上部與地下部相對(duì)生長(zhǎng)的差異。大量研究結(jié)果表明，作物遭受干旱脅迫時(shí)，根冠比增大，即地上部和根間碳水化合物的分配將有利于根生長(zhǎng)。根據(jù) MACROS模型［15］，影響根冠比的干旱脅迫訂正因子(DFrs)為:

則干旱脅迫下地上部干物質(zhì)分配指數(shù)PCD為:

顯然，干旱脅迫下地下部干物質(zhì)分配指數(shù)(PCr)D為:

根據(jù)本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及式(8)，即可求得(9)～(11)式的值。

1.3.4.2 水稻地上部干物質(zhì)分配子模型 參考WCSODS確定發(fā)育指數(shù)(DI)的方法［4］，本研究利用興化、信陽(yáng)等地的水稻試驗(yàn)資料擬合建立了水稻地上部干物質(zhì)分配子模型，其中葉/地上部分配系數(shù)與發(fā)育指數(shù)子模型如(12)式所示。該模型可以較好地反映淮河流域水稻各生育階段干物質(zhì)分配系數(shù)與發(fā)育指數(shù)(DI)之間的關(guān)系，并用于RCSODS中水稻LAI的模擬。

1.3.5 水稻產(chǎn)量形成的干旱脅迫訂正因子的確定在RCSODS中，根據(jù)水稻抽穗前與抽穗后光合累積量向穗部轉(zhuǎn)移的基本規(guī)律，其產(chǎn)量形成的模擬模型，基本固定抽穗前和抽穗后轉(zhuǎn)移率k1和k2分別為1/3和2/3。但大量試驗(yàn)結(jié)果表明，k1和k2受不同生育階段的干旱影響顯著。由本研究水稻孕穗期、抽穗期和乳熟期干旱試驗(yàn)資料擬合得到(13)～(15)式，k2D1、k2D2和 k2D3分別為水稻孕穗期、抽穗期和乳熟期受干旱影響時(shí)的抽穗后轉(zhuǎn)移率，SW為土壤相對(duì)含水量，d為未見(jiàn)水天數(shù)，顯然，k1D1、k1D2和k1D3可由式(16)求得。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫訂正因子的測(cè)試

以興化市2010～2012年水稻大田試驗(yàn)資料及盆栽干旱試驗(yàn)資料，對(duì)光合速率的干旱脅迫訂正因子WFpn進(jìn)行測(cè)試，將式(8)計(jì)算的干旱土壤水分下DFpn的模擬值，與對(duì)應(yīng)光合速率干旱脅迫影響因子DFpn的實(shí)際觀測(cè)值(取試驗(yàn)得到的對(duì)照水分處理與干旱脅迫處理的單葉凈光合速率觀測(cè)值兩者的比值)相比較，對(duì)DFpn的算法進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果(圖1)顯示，MAE值和RMSE值分別為0.035和0.047，R2=0.947，兩者表現(xiàn)出很好的一致性，表明本研究的算法較為可靠。

圖1 DFpn的模擬值和實(shí)測(cè)值的比較Fig.1 Comparison between the simulated and observed data of DFpn

同理，將式(9)計(jì)算的不同土壤含水量下根冠比的干旱脅迫訂正因子(DFrs)的預(yù)測(cè)值，與對(duì)應(yīng)的DFrs實(shí)測(cè)值(取對(duì)照水分的根冠比與干旱脅迫下根冠比的比值)相比較，驗(yàn)證DFrs算法的可靠性。結(jié)果(圖2)顯示，MAE值和RMSE值分別為0.027和0.033，R2=0.882，表明DFrs的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值較為一致，模擬效果較好。

圖2 DFrs的模擬值和實(shí)測(cè)值的比較Fig.2 Comparison between the simulated and observed data of DFrs

2.2 參數(shù)調(diào)試和模型檢驗(yàn)

水稻栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)(RCSODS)中，品種參數(shù)包括模擬模型參數(shù)和作物性狀參數(shù)，其中模擬模型參數(shù)包括生育模型參數(shù)、葉齡動(dòng)態(tài)模擬參數(shù)、葉面積與光合生產(chǎn)模型參數(shù)(包括光合作用參數(shù)和群體消光系數(shù));作物性狀參數(shù)包括穗粒結(jié)構(gòu)參數(shù)、分蘗率參數(shù)和單株葉面積參數(shù)，單株葉面積參數(shù)中包括了水稻不同生育時(shí)期的葉面積特征值，分為F7S(7 葉期)、FTS(分蘗期)、FES(拔節(jié)期)、FHS(抽穗期)、FMS(成熟期)，表1列出了與本研究關(guān)系最為密切的品種參數(shù)。上述參數(shù)均因品種和生育期而異，根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄攴N植資料調(diào)試確定。江蘇省興化市、河南省信陽(yáng)市確定后的參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 光合作用、群體消光系數(shù)與適宜面積指數(shù)參數(shù)Table 1 Parameters of photosynthesis，group extinction coefficient and leaf area index

利用江蘇省興化市2011年度的水稻干旱控制試驗(yàn)資料及對(duì)應(yīng)逐日天氣資料，調(diào)用經(jīng)水分影響改進(jìn)的RCSODS，分別模擬了不同水分處理的水稻葉面積指數(shù)和產(chǎn)量，并與對(duì)應(yīng)的實(shí)際值進(jìn)行了比較(圖3和圖4)。由圖3可見(jiàn)，水稻孕穗期、抽穗期和乳熟期受水分脅迫影響，其LAI值與對(duì)照(水分適宜)相比，在不同階段表現(xiàn)出不同程度的減小趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)基本一致，這與研究區(qū)域的水稻生產(chǎn)實(shí)際相符，說(shuō)明模型對(duì)水分脅迫進(jìn)行的訂正結(jié)構(gòu)較為合理，參數(shù)選值準(zhǔn)確。葉面積模擬值與實(shí)測(cè)值間的R2為0.950～0.988，經(jīng)方差分析，相關(guān)性均達(dá)極顯著水平。經(jīng)比較分析不同水分條件下水稻產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測(cè)值(圖4)，模擬值與實(shí)測(cè)值間的R2=0.917，達(dá)極顯著水平，MAE值和RMSE值分別為0.551和0.623，可見(jiàn)產(chǎn)量模擬值和實(shí)測(cè)值在不同水分條件下相關(guān)性較好，并有一定精確度?？捎糜谘?究區(qū)域水稻產(chǎn)量干旱損失的精細(xì)化評(píng)估。

圖3 在不同時(shí)期不同持續(xù)天數(shù)干旱條件下水稻品種淮稻5號(hào)葉面積指數(shù)模擬值與實(shí)測(cè)值的比較Fig.3 Comparison between the simulated and observed LAI of rice cultivar Huaidao 5 under continuous drought at different stages

圖4 干旱條件下水稻產(chǎn)量模擬值與實(shí)測(cè)值的比較Fig.4 Comparison between the simulated and observed rice yields under drought stress

3 結(jié)論

利用淮河流域內(nèi)多個(gè)代表性站點(diǎn)多年的大田和盆栽水稻水分控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻(xiàn)資料，重點(diǎn)分析了顯著反映水稻水分脅迫產(chǎn)量效應(yīng)的各主要生理生態(tài)過(guò)程，利用本項(xiàng)目組自主研制的和國(guó)內(nèi)外引進(jìn)的相關(guān)模型(子模型)描述上述過(guò)程的訂正因子，主要就干旱影響水稻葉面積指數(shù)、光合速率、物質(zhì)分配和產(chǎn)量形成等方面，對(duì)RCSODS進(jìn)行了訂正，對(duì)各訂正因子的算法進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。從模擬值與實(shí)測(cè)值的比較結(jié)果可知，對(duì)模型的訂正結(jié)構(gòu)合理，參數(shù)選值正確，訂正后模型更適應(yīng)流域內(nèi)水稻生產(chǎn)的評(píng)估與預(yù)測(cè)。

因模型訂正所用算法和定量表達(dá)能綜合考慮水稻干旱脅迫下土壤水分有效性、土壤水分脅迫的敏感性及不同生育階段的差異性，因此在淮河流域運(yùn)用經(jīng)訂正改進(jìn)的RCSODS開(kāi)展干旱災(zāi)害產(chǎn)量損失精細(xì)化評(píng)估較為可行。需要說(shuō)明的是，盡管RCSODS本身具有機(jī)理性強(qiáng)和通用性強(qiáng)的特性，但限于水稻干旱機(jī)理研究的深度、廣度以及品種的特異性，本研究的干旱脅迫訂正還有一定的經(jīng)驗(yàn)成分。其他稻區(qū)用戶在使用這個(gè)模型之前，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y料，重新調(diào)整模型參數(shù)。

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