基于WOFOST模型的東北地區(qū)春小麥水分平衡模擬與驗(yàn)證

張鐵楠, 許為政, 魏 湜, 顧萬榮, 賀 丹, 蘆玉雙, 錢 誠, 陳 琦, 李 晶

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 哈爾濱150030; 2.大慶市農(nóng)業(yè)委員會(huì), 黑龍江 大慶 163000;3.黑龍江省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站, 哈爾濱150030; 4.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院綏化分院, 黑龍江 綏化 152000)

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基于WOFOST模型的東北地區(qū)春小麥水分平衡模擬與驗(yàn)證

張鐵楠1,2, 許為政3, 魏 湜1, 顧萬榮1, 賀 丹1, 蘆玉雙3, 錢 誠4, 陳 琦4, 李 晶1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 哈爾濱150030; 2.大慶市農(nóng)業(yè)委員會(huì), 黑龍江 大慶 163000;3.黑龍江省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站, 哈爾濱150030; 4.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院綏化分院, 黑龍江 綏化 152000)

對WOFOST模型進(jìn)行了本地化參數(shù)校正，并對輸入模型的參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，選取出對結(jié)果影響較大的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，建立相應(yīng)的模型運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，對東北春麥區(qū)具有代表性的哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪和牙克石地區(qū)2012年、2013年春小麥生育期內(nèi)土壤水分含量情況進(jìn)行了模擬及精度分析，最終評(píng)價(jià)WOFOST模型在東北地區(qū)春小麥生長過程中水分平衡模擬的適應(yīng)性及準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：WOFOST模型對2012年、2013年各地春小麥生育期內(nèi)土壤水分含量變化模擬值與實(shí)測值的絕對平均誤差為2.43%～8.75%，均方根誤差RMSE為6.75%～13.75%，模擬性能指數(shù)EF為-0.844～0.245，殘差聚集指數(shù)CRM為-0.272～0.084，一致性系數(shù)IoA為0.457～0.789，在可信區(qū)間內(nèi)。從整體看，該模型對土壤水分含量的模擬具備一定的參考價(jià)值；同時(shí)利用校正后的模型對2012年、2013年各地春小麥作物蒸騰、土壤蒸發(fā)與作物需水量進(jìn)行了模擬，實(shí)現(xiàn)了利用較少參數(shù)達(dá)到作物蒸騰與土壤蒸發(fā)分離的目的。

WOFOST模型; 東北地區(qū); 春小麥; 參數(shù)調(diào)試; 土壤含水量; 模擬驗(yàn)證

東北地區(qū)是中國緯度位置最北的區(qū)域，包括黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古東部。該地區(qū)雨熱同季，屬溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，地勢平坦、土壤肥沃，以典型黑土、黑鈣土著稱，是中國重要的糧食生產(chǎn)地區(qū)。2012年東北三省(黑龍江、吉林和遼寧)糧食總產(chǎn)量達(dá)到11 175萬t，占全國糧食產(chǎn)量的18.95%[1]。該區(qū)為傳統(tǒng)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，氣候變化是影響春麥生產(chǎn)及產(chǎn)量的重要因子。長期以來，該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍處于開放式經(jīng)營模式，導(dǎo)致生產(chǎn)潛力尚未發(fā)揮其應(yīng)有水平，缺少數(shù)字模擬技術(shù)對生產(chǎn)預(yù)測預(yù)警的應(yīng)用研究。

WOFOST模型是在世界糧農(nóng)組織FAQ的資助下，由荷蘭的瓦赫寧根大學(xué)de Wit教授在作物模型理論基礎(chǔ)上不斷完善開發(fā)而成的，是模擬特定的土壤和氣候條件下一年生作物生長的動(dòng)態(tài)解釋性模型[2]。WOFOST模型的首次在3個(gè)非洲國家被應(yīng)用[3]。秘魯?shù)陌驳谒股矫}地區(qū)應(yīng)用該模型對灌溉和水分的保持進(jìn)行了評(píng)價(jià)[4]，歐洲把它用于主要大田作物的潛在產(chǎn)量評(píng)估[5-6]。布基納法索的AGRISK工程中用其進(jìn)行產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)研究。在MARS工程[7-8]中，歐洲聯(lián)合研究中心把WOFOST作為產(chǎn)量預(yù)測的模型。開發(fā)應(yīng)用后的30年間，我國多地區(qū)應(yīng)用WOFOST模型進(jìn)行模擬驗(yàn)證試驗(yàn)[9-10]，寒地作物生長模擬涉及水稻、小麥、玉米、大豆、甜菜、馬鈴薯等[11-13]。王光火，謝文霞[14]等人根據(jù)中國浙江具體情況對WOFOST 模型的部分參數(shù)進(jìn)行了修改，對該地區(qū)的部分一年生作物進(jìn)行了產(chǎn)量評(píng)估。于強(qiáng)等[15]運(yùn)用WOFOST模型進(jìn)行了小麥的水分處理試驗(yàn)，用來評(píng)價(jià)該模型在華北平原的適用性。杜春英等[16]運(yùn)用WOFOST模型對黑龍江省水稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了WOFOST 模型在水稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。

本研究對WOFOST模型進(jìn)行了本地化參數(shù)校正，并對輸入模型的參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，選取出對結(jié)果影響較大的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，建立相應(yīng)的模型運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，對東北春麥區(qū)具有代表性的哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪和牙克石地區(qū)2012年，2013年春小麥生育期內(nèi)土壤水分含量情況進(jìn)行了模擬及精度分析，最終評(píng)價(jià)WOFOST模型在東北地區(qū)春小麥生長過程中水分平衡模擬的適應(yīng)性及準(zhǔn)確性，以其能為政府決策部門進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)宏觀調(diào)控提供理論依據(jù)，進(jìn)而保障東北地區(qū)糧食生產(chǎn)的安全與穩(wěn)定。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)自然概況

試驗(yàn)選擇東北春麥區(qū)5個(gè)具有代表性的監(jiān)測地點(diǎn)(表1)，獲取2010—2013年春小麥生育期間田間自然狀態(tài)下作物數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)。

表1　試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)概況

1.2試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)品種采用龍麥26，采用戊唑醇種衣劑拌種，基本保苗數(shù)600萬株/hm2，播深3～5 cm，播后鎮(zhèn)壓；應(yīng)用除草劑封閉除草；施肥同普通大田水平，其他均為常規(guī)大田管理。

1.3數(shù)據(jù)觀測與方法

作物資料：2012年，2013年作物資料來自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥栽培研究室及黑龍江其他各站點(diǎn)多年研究記錄數(shù)據(jù)。

氣象資料：2012年，2013年春小麥生育期內(nèi)逐日氣象數(shù)據(jù)由中國農(nóng)科院聯(lián)合清華大學(xué)、北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的“農(nóng)業(yè)環(huán)境無線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)”采集記錄。系統(tǒng)配有HAYASHI DENKO公司的Pt100空氣溫度傳感器和土壤溫度傳感器，Automata公司的AQUA-TEL-TDR空氣濕度傳感器和土壤濕度傳感器，還配有太陽輻射測定裝置及風(fēng)向風(fēng)速測定裝置，每10 min自動(dòng)測定試驗(yàn)地氣候狀況和土壤溫度、濕度變化情況及空氣溫度、濕度變化及太陽輻射情況等上傳至服務(wù)器。數(shù)據(jù)缺失部分由中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。試驗(yàn)站的經(jīng)度、緯度、海拔高度數(shù)據(jù)通過GPS測量。

土壤資料：本研究所用土壤參數(shù)除部分實(shí)測外，其余主要取自《中國土種志》[17]和《黑龍江土壤》[18]；土壤含水量采用“農(nóng)業(yè)環(huán)境無線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)”土壤濕度傳感器進(jìn)行測定，每10 min測一次，計(jì)算每天土壤濕度平均值。

1.4WOFOST數(shù)據(jù)庫的建立與參數(shù)調(diào)試

氣象數(shù)據(jù)庫的建立：常規(guī)觀測數(shù)據(jù)包括2012年，2013年東北地區(qū)各檢測站點(diǎn)設(shè)備自動(dòng)采集，人工整理的逐日最高溫度、最低溫度、日照時(shí)數(shù)、降水、平均風(fēng)速和水汽壓等要素?cái)?shù)據(jù),建立模型可識(shí)別的氣象數(shù)據(jù)庫。

表2　各試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)

作物數(shù)據(jù)庫的建立：WOFOST模型作物模塊共計(jì)18個(gè)參數(shù)，其中7個(gè)默認(rèn)參數(shù)：TSUMEN，TSUM1，TSUM2，TDWI，SLATB，SPAN，AMAXTB，11個(gè)需調(diào)參CLV，CVS，CVO 、CVR，RGRLAI(最大葉面積增長量)、KDIFTB(散射光消光系數(shù))、EFFTB(單葉光利用效率)、RML，RMO，RMR，RMS，將參數(shù)輸入模型，建立作物數(shù)據(jù)庫。

土壤數(shù)據(jù)庫的建立：11個(gè)參數(shù)，8個(gè)需調(diào)參：SMTAB(土壤含水量)、SMW(凋萎系數(shù))、SMFCF(田間持水量)、SMO(土壤飽和含水量)、CONTAB(土壤導(dǎo)水率)、KO(飽和土壤導(dǎo)水率)、RDI(初始扎根深度)、RDM(最大扎根深度)，3個(gè)默認(rèn)參數(shù)：CRAIRC(土壤通氣臨界空氣含量)、SOPE(根層最大入滲速率)、KSUB(根層以下土壤最大入滲速率)，參數(shù)輸入模型，建立土壤數(shù)據(jù)庫。

準(zhǔn)確的參數(shù)是模擬結(jié)果準(zhǔn)確和穩(wěn)定的前提，需根據(jù)歷史資料，需要根據(jù)實(shí)際情況對作物參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

1.5檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀行缘姆椒ê椭笜?biāo)

為評(píng)價(jià)各項(xiàng)模擬值與實(shí)測值之間的差距和模擬效果，選擇以下參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià):線性回歸方程R2，平均相對誤差(AE)、相對平均誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)、模擬性能指數(shù)(EF)、殘差聚集系數(shù)(CRM)、一致性系數(shù)(IoA)。計(jì)算公式如下:[19-21]

R2越接近1，說明模擬值與實(shí)測值的相關(guān)性越好。AE，MAE越小，說明模型的模擬性越好。RMSE取值范圍≥0，越靠近0說明模擬效果越好。EF取值范圍≤1，取值越接近1表明模擬效果越好。CRM可為正值或負(fù)值，正值表示相對實(shí)測值偏高，負(fù)值表示相對實(shí)測值偏低。IoA越大，表示誤差越小，模型的預(yù)測性越好。

2　結(jié)果與分析

運(yùn)用調(diào)試后的WOFOST模型對哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪、牙克石等地2012年，2013年的春小麥生育期內(nèi)土壤水分含量變化進(jìn)行模擬，結(jié)合當(dāng)時(shí)實(shí)測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比分析模型對水分平衡模擬結(jié)果的有效性，同時(shí)對小麥生育期內(nèi)作物需水量、作物蒸騰量、土壤蒸發(fā)量進(jìn)行模擬，最終評(píng)價(jià)WOFOST模型對東北地區(qū)春小麥水分平衡模擬的適用性。

2.1土壤含水量模擬結(jié)果及精度分析

運(yùn)用WOFOST模型對2012年、2013年哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪、牙克石等地的春小麥生育期內(nèi)土壤水分含量進(jìn)行模擬，與小麥苗情檢測系統(tǒng)的土壤濕度的實(shí)測值進(jìn)行對比分析，如圖1所示。

從圖1中對土壤水分含量的模擬值與實(shí)測值的對比可以看出，WOFOST模型基本能反映出小麥生育期內(nèi)土壤含水量整體變化趨勢，模擬值與實(shí)測值之間的誤差在允許范圍之內(nèi)，土壤濕度的模擬值整體低于實(shí)測值。

圖1　2012-2013年各地春麥生育期內(nèi)土壤體積含水量實(shí)測值與模擬值

表3　WOFOST模型對土壤水分含水量模擬結(jié)果精度分析

從表3中可以看出，WOFOST模型對2012年，2013年各地春小麥生育期內(nèi)土壤水分含量變化模擬值與實(shí)測值的絕對平均誤差在2.43%～8.75%，RMSE在6.75%～13.75%，EF在-0.844～0.245，CRM在-0.272～0.084，IoA在0.457～0.789，在可信區(qū)間內(nèi)。從整體看，該模型對土壤水分含量的模擬具備一定的參考價(jià)值。

2.2生育期內(nèi)作物需水量、作物蒸騰量、土壤蒸發(fā)量的模擬

運(yùn)用WOFOST模型對各地春小麥生育期內(nèi)作物需水量、作物蒸騰量、土壤蒸發(fā)量進(jìn)行模擬，作物蒸散及區(qū)分作物蒸騰與土壤蒸發(fā)量的準(zhǔn)確模擬，是預(yù)測生物量的關(guān)鍵。在生物量模擬達(dá)到一定準(zhǔn)確度的前提下，作物蒸騰與土壤蒸發(fā)的模擬結(jié)果具有一定的可信度。2012年和2013年黑龍江各監(jiān)測站點(diǎn)的生育期內(nèi)土壤蒸發(fā)、作物蒸騰、作物需水量模擬結(jié)果如圖2所示。

從 圖2 中可以看出在作物生長發(fā)育前期，土壤中的水分消耗主要以土壤水分蒸發(fā)為主，原因是由于生長發(fā)育前期植株剛出苗，對地面的覆蓋度較小，土壤直接接受太陽直照及風(fēng)力侵蝕，土壤水分蒸發(fā)較快，哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪、牙克石各站點(diǎn)日平均土壤蒸發(fā)量分別為為1.8，1.81，1.99，1.96，2.62 mm/d，出苗后，隨著植株逐漸長大，對地面的覆蓋率逐漸增大，減少太陽直接照射和阻擋風(fēng)力，植株對地面起到冠層覆蓋作用，使土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)度逐漸下降，出苗到成熟期日平均土壤蒸發(fā)量分別為0.98，0.73，0.94，0.88，0.69 mm/d。

作物蒸騰量在整個(gè)生育期的變化曲線均呈脈沖狀，主要是不同天氣和氣象條件影響的結(jié)果。每次降雨后的晴天，日蒸騰量和蒸騰速率有明顯的上升趨勢，而后依次減少。從出苗到成熟的生長季節(jié)中，小麥的蒸騰量隨時(shí)間的推移發(fā)生明顯的變化。一般趨勢是苗期較低,拔節(jié)后逐漸上升，明顯高于苗期，抽穗到灌漿期蒸騰量繼續(xù)上升，達(dá)到高峰階段，日平均蒸騰量為4.32 mm/d，灌漿以后逐漸下降。經(jīng)過模擬所得，各個(gè)站點(diǎn)生育期內(nèi)日平均作物蒸騰量分別為2.75，3.24，3.2，3.08，2.72 mm/d。

因降雨、溫度等因素的綜合影響，作物需水量曲線在生育期內(nèi)波動(dòng)幅度較為頻繁，生育期內(nèi)作物日平均需水量的模擬結(jié)果分別為3.74，3.98，4.16，3.96，3.41 mm/d。

從總體來看，在春小麥整個(gè)生育期內(nèi)，隨著春小麥冠層覆蓋度的日益增大，土壤蒸發(fā)量下降幅度增大，在此后一段時(shí)間內(nèi)，土壤蒸發(fā)量變化波動(dòng)較小，但遇到強(qiáng)降雨之后的土壤蒸發(fā)量依然變化強(qiáng)烈，生育末期由于植株葉片衰老，地面覆蓋度減小，土壤水分蒸發(fā)較為活躍。受葉片衰老與溫度的影響，作物需水量、作物蒸騰和土壤蒸發(fā)三者在成熟期末整體均呈下降趨勢。通過模型的模擬，哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪、牙克石各站點(diǎn)生育期內(nèi)每日的土壤蒸發(fā)量變化區(qū)間為0.85～2.95，0.15～3.9，0.15～3.8，0.1～4.1，0.15～3.15 mm/d；每日的作物蒸騰量變化區(qū)間為0.25～5.7，0.5～6.05，0.15～6.95，0.25～5.9，0.15～6.15 mm/d；每日的作物需水量變化區(qū)間為0.95～6.85，1.15～6.85，0.95～7.1，1.1～6.7，0.55～6.4 mm/d。

3　結(jié)論與討論

3.1結(jié) 論

本研究采用模型模擬和田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法，利用整理好的各地氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和生育期內(nèi)各種作物觀測資料，對WOFOST模型進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)，利用本地化調(diào)參后的WOFOST模型對黑龍江哈爾濱、綏化、嫩江、呼瑪和內(nèi)蒙古牙克石地區(qū)五個(gè)地點(diǎn)春小麥生育期內(nèi)土壤含水量變化過程進(jìn)行模擬，研究結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為接近，各參數(shù)指標(biāo)誤差均在可信區(qū)間，說明WOFOST模型可用于區(qū)域范圍內(nèi)土壤含水量變化的研究，對農(nóng)業(yè)水分利用和預(yù)測方面具有一定的參考價(jià)值；同時(shí)通過對各地春小麥作物蒸騰、土壤蒸發(fā)與作物需水量進(jìn)行了模擬，實(shí)現(xiàn)了利用較少參數(shù)達(dá)到作物蒸騰與土壤蒸發(fā)分離的目的。

圖2　2012年、2013年各地春麥生育期內(nèi)土壤蒸發(fā)、作物蒸騰、作物需水量模擬

3.2討 論

WOFOST模型中，與作物生長發(fā)育相關(guān)的參數(shù)有數(shù)十個(gè)，加之模型參數(shù)之間的相關(guān)性，對全部的參數(shù)一一進(jìn)行校正，其工作量巨大，且是不現(xiàn)實(shí)的[22]。因此，需要針對其中較為重要的一部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。首先需要根據(jù)研究目的，對各主要參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，選取出對結(jié)果影響較大的幾個(gè)參數(shù)，經(jīng)檢驗(yàn)WOFOST模型最終的模擬結(jié)果以及過程最大值對AMAXTB2，CVO，CVS，KDIFTB，Q10，SPAN，TSUM1和TSUM2這幾個(gè)參數(shù)的敏感性都較強(qiáng)，均超過了1%，最高的SPAN甚至達(dá)到了223.35%，因此需要根據(jù)資料，對這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。杜春英等[19]運(yùn)用WOFOST模型在黑龍江對水稻產(chǎn)量預(yù)報(bào)進(jìn)行研究，結(jié)果表明水稻單產(chǎn)的擬合準(zhǔn)確率最大值為100%，最小值為84%，平均值為94.3%，產(chǎn)量預(yù)測的精度與本研究運(yùn)用WOFOST模擬春小麥產(chǎn)量的精度基本一致，模擬結(jié)果較為可靠，但還有提升的空間，需要對此模型進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)調(diào)整及驗(yàn)證工作，增強(qiáng)模型在本地模擬的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。

總體來說，經(jīng)過校正的WOFOST模型在東北地區(qū)春小麥的生產(chǎn)中水分平衡的模擬具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性及適應(yīng)性，可以用于指導(dǎo)東北地區(qū)春小麥的生產(chǎn)，具有一定的參考價(jià)值。

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Simulation and Verification of Spring Wheat Water Balance in Northeast Region Based on WOFOST Model

ZHANG Tienan1,2, XU Weizheng3, WEI Shi1, GU Wanrong1, HE Dan1,LU Yushuang3, QIAN Cheng4, CHEN Qi4, LI Jing1

(1.College of Agriculture, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China;2.CommissionofAgricultureofDaqingCity,Daqing，Heilongjiang163000,China; 3.HeilongjiangProvinceStationforPopularizingAgriculturalTechniques,Harbin150030,China; 4.BranchofSuihuaAcademyofAgriculturalSciencesofHeilongjiangProvince,Suihua，Heilongjiang152000,China)

This research has carried on the localization parameter calibration in WOFOST model, and carried the sensitivity analysis of the input relevant parameters. Then several parameters were picked out which had significant influence on result and made different adjustment scheme. A corresponding model was setted up to run database to simulate spring wheat growth and soil moisture content conditions in Harbin, Suihua, Nenjiang, Huma and Yakeshi area in 2012, 2013. Then the measured values were compared with the simulation values. Finally, the WOFOST model′s adaptability and accuracy of spring wheat in the process of water balance growth in northeast area was evaluated. The results showed that for 2012 and 2013, absolute error of between the soil moisture content simulated by WOFOST model and the measured values ranged from 2.43% to 8.75% on average, RMSE was between 6.75% to 13.75%, EF was between -0.844 to 0.245, CRM was between -0.272 to 0.084, IoA was between 0.457 to 0.789 that was in the confidence interval. On the whole, the model simulation of soil water content had a certain reference value. The calibrated model was used to simulate the spring wheat soil evaporation and crop transpiration and crop water requirement in 2012, 2013. It can be achieved the purpose of using the fewer parameters for soil evaporation and crop transpiration separation.

WOFOST model; northeast area; spring wheat; parameter adjustment; soil moisture content; simulation and verification

2014-08-21

2014-10-10

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(200903010);黑龍江省博士后基金資助項(xiàng)目(LBH-Z10253);東北農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研資助項(xiàng)目(2010RCB20)

張鐵楠(1989—),男,黑龍江省大慶市人，碩士,從事作物高產(chǎn)栽培研究。E-mail:15846000034@163.com

李晶(1977—),女,黑龍江省哈爾濱市人，博士,副教授,從事作物高產(chǎn)栽培研究。E-mail:jingli1027@163.com

S512.1+2

A

1005-3409(2015)04-0045-07