WOFOST模型的研究進(jìn)展

朱津輝，戴 萍，朱凱全，陳 雨，范禹辰，李 吉，馮冬蕾，曲驊倩

(1．遼寧省氣象信息中心，遼寧沈陽 110166；2.民航東北空管局氣象中心，遼寧沈陽110043；3.遼寧省沈陽市環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧沈陽 110169；4.遼寧省桓仁滿族自治縣氣象局，遼寧本溪117200)

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WOFOST模型的研究進(jìn)展

朱津輝1，戴 萍1，朱凱全2*，陳 雨1，范禹辰3，李 吉4，馮冬蕾4，曲驊倩4

(1．遼寧省氣象信息中心，遼寧沈陽 110166；2.民航東北空管局氣象中心，遼寧沈陽110043；3.遼寧省沈陽市環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧沈陽 110169；4.遼寧省桓仁滿族自治縣氣象局，遼寧本溪117200)

世界糧食作物研究模型(WOFOST模型)引入我國以來對(duì)其的研究與應(yīng)用日趨成熟，發(fā)展方向正從研究階段向業(yè)務(wù)應(yīng)用階段轉(zhuǎn)變。簡要分析了WOFOST模型及其發(fā)展歷史，并闡述了國內(nèi)外WOFOST模型的研究進(jìn)展，以期推進(jìn)WOFOST模型在我國農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)業(yè)務(wù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，提升我國農(nóng)業(yè)氣象現(xiàn)代化水平。

WOFOST模型；發(fā)展歷史；農(nóng)業(yè)氣象；業(yè)務(wù)領(lǐng)域

我國人均耕地面積不足世界平均水平的43%，不到發(fā)達(dá)國家的25%[1]，耕地面積的縮小、人口的增加與資源緊張的矛盾將始終存在。因此現(xiàn)代農(nóng)業(yè)將成為今后農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向[2]。適應(yīng)氣候變化和糧食生產(chǎn)的綜合分析需要強(qiáng)大的作物氣候模型和可靠的數(shù)據(jù)集，作物生長模型是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的核心技術(shù)之一。作物生長模型是近40年來迅速發(fā)展起來的，尤其是20世紀(jì)末至今，作物模型在研究內(nèi)容[3]、特點(diǎn)[4-5]、方法[6-7]等方面不斷呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢，國內(nèi)學(xué)者對(duì)模型的研究領(lǐng)域也越來越廣泛，目前已經(jīng)在許多方面得到了應(yīng)用。

世界糧食作物研究模型(WOFOST模型)是de Wit[8]學(xué)院在SUCROS模型[9]的基礎(chǔ)上開發(fā)的，目的是利用模擬技術(shù)，探索發(fā)展中國家日益增加的糧食安全等相關(guān)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力問題，是國內(nèi)外研究和應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)量預(yù)測模型之一，該模型對(duì)保障糧食生產(chǎn)安全和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有積極的指導(dǎo)作用。WOFOST引入我國以來對(duì)其的研究與應(yīng)用日趨成熟。近年來，發(fā)展方向正從研究階段向業(yè)務(wù)應(yīng)用階段轉(zhuǎn)變。筆者簡要分析了國內(nèi)外WOFOST模型的發(fā)展歷史及研究進(jìn)展，旨在推進(jìn)該模型在業(yè)務(wù)中的應(yīng)用領(lǐng)域，提升我國農(nóng)業(yè)氣象現(xiàn)代化水平。

1 WOFOST模型的概述

WOFOST模型是由Wageningen大學(xué)和世界糧食組織合作開發(fā)研制的一個(gè)通用的作物生長模型，是綜合作物、土壤、氣候、管理等因素模擬大范圍的一年生作物的潛在生長以及水養(yǎng)限制條件下的生長等動(dòng)態(tài)過程的動(dòng)態(tài)解釋性模型。WOFOST模型強(qiáng)調(diào)機(jī)理性、解釋性、通用性，研究重點(diǎn)在于土壤、氣候、作物的品種遺傳特性等因素的綜合作用。對(duì)于不同作物以及不同的生長環(huán)境，在WOFOST模型的應(yīng)用中需要特定的符合該作物生理特征的輸入數(shù)據(jù)文件以及特定的環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)(氣候和土壤數(shù)據(jù))文件。

在實(shí)際生產(chǎn)中，Rabbinge[10]在1982年de Wit定義的4個(gè)作物模擬水平[11-12]的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步將模擬水平分為3種情形(圖1)。該模型主要針對(duì)作物的3種生長狀態(tài)進(jìn)行模擬及產(chǎn)量評(píng)估，分別為潛在生長、水分限制條件下的生長和營養(yǎng)限制條件下的生長。在生物領(lǐng)域營養(yǎng)限制條件下的生產(chǎn)還沒有完全實(shí)現(xiàn)，營養(yǎng)限制條件下的生產(chǎn)是在水分限制條件下的生產(chǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在WOFOST模型的模擬中不考慮進(jìn)一步脅迫因素(雜草、害蟲、霜和疾病)。

圖1 作物模擬水平的劃分Fig.1 Classification of crop simulation level

WOFOST模型可以作為獨(dú)立作物模型用于分析試驗(yàn)、區(qū)域或國家尺度的產(chǎn)量預(yù)測以及條件變化(氣候變化、灌溉條件變化、作物品種改變或變異以及生長發(fā)育期的變化等)對(duì)作物產(chǎn)量的影響。此外，WOFOST模型可以應(yīng)用于評(píng)估地區(qū)或國家尺度的大量一年生作物的產(chǎn)量潛力。如應(yīng)用于作物生長監(jiān)測系統(tǒng)(Crop Growth Monitoring System，CGMS)的WOFOST模型。在歐盟利用WOFOST模型監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季的作物生長狀況和各地區(qū)的產(chǎn)量預(yù)測。在此生長監(jiān)測系統(tǒng)中，WOFOST模型已完美地與地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)結(jié)合，使其更好地應(yīng)用于歐盟地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)。

2 WOFOST模型的發(fā)展歷史

自20世紀(jì)60年代de Wit建立了冠層光能截獲模型起，通過模擬模型來研究作物科學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展的一個(gè)方向。起初，WOFOST模型是在研究世界糧食安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上由世界糧食組織(CWFS)和Wageningen大學(xué)共同研發(fā)的[13]。發(fā)展過程中，為應(yīng)對(duì)應(yīng)用需求的不斷變化WOFOST模型得到了不斷的發(fā)展和完善(圖2)[6，14-18]。

3 WOFOST模型的研究進(jìn)展

目前，以WOFOST6.0 為核心的CGMS9.2(目前正在運(yùn)行的版本)已由MARS(Monitoring Agro-ecological research with Remote sensing and Simulation)計(jì)劃成功地用于日常業(yè)務(wù)[4]。CGMS是集作物模型和衛(wèi)星遙感一體化的先進(jìn)的作物長勢監(jiān)測系統(tǒng)，旨在于在空間區(qū)域運(yùn)行作物模型，由C語言實(shí)現(xiàn)，CGMS具備空間插值氣象數(shù)據(jù)的能力，通過高效數(shù)據(jù)庫批量模擬多年多地的批量模擬運(yùn)行得以實(shí)現(xiàn)。WOFOST模型的輸出可以通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，使模擬分析結(jié)果更容易被查詢及發(fā)布。按時(shí)發(fā)布的氣候概述、產(chǎn)量預(yù)測等作物生長監(jiān)測預(yù)測公報(bào)為歐盟糧食安全問題及制訂糧食進(jìn)出口貿(mào)易政策等提供科學(xué)依據(jù)[19-22]。

圖2 WOFOST模型的發(fā)展歷程Fig.2 Development course of WOFORST model

我國對(duì)于WOFOST模型的研究起步較晚，但在各方面均取得了長足的發(fā)展和不同程度的應(yīng)用。特別是近20年，國內(nèi)外對(duì)WOFOST模型在許多方面的研究和應(yīng)用均取得了顯著的成果，在不同作物的本地化模擬研究方面取得了很多成績，并運(yùn)用不同試驗(yàn)對(duì)我國水稻、小麥、玉米、馬鈴薯、大豆等主要糧食作物生長過程進(jìn)行了模擬研究。目前，對(duì)于WOFOST模型的研究主要分為以下幾方面。

3.1 WOFOST模型的本地化研究 WOFOST模型的研究、應(yīng)用和推廣需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，該模型應(yīng)用所需數(shù)據(jù)主要分為三部分。其中，氣象文件主要包括氣溫、輻射(或日照時(shí)數(shù))、水汽壓、降水和風(fēng)速等氣象要素，作物文件和土壤文件為參數(shù)文件。在應(yīng)用WOFOST模型進(jìn)行不同地區(qū)不同作物的模擬時(shí)，需要對(duì)作物文件參數(shù)、土壤文件參數(shù)等相關(guān)敏感參數(shù)進(jìn)行校正，針對(duì)研究區(qū)域的氣候特征和作物品種生態(tài)類型，調(diào)試出適宜的模型參數(shù)，進(jìn)而為模型應(yīng)用做好準(zhǔn)備工作。

我國WOFOST模型本地化方面的研究已發(fā)展成熟，有資料顯示，該模型在我國大部分地區(qū)具有良好的適用性。如鄔定榮等[7]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)WOFOST模型在華北平原的適用性進(jìn)行了研究和驗(yàn)證，為我國WOFOST模型的本地化研究奠定了良好的基礎(chǔ)。馬玉平等[23]以冬小麥越冬、返青的氣象指標(biāo)為重點(diǎn)，針對(duì)華北地區(qū)氣候特征和冬小麥生長發(fā)育類型對(duì)WOFOST模型部分參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。巴特爾·巴克[24]利用在汾河灌區(qū)的相關(guān)試驗(yàn)將WOFOST模型本地化，研究了該地區(qū)主要農(nóng)作物潛在產(chǎn)量和水肥限制條件下的產(chǎn)量。謝文霞等[25]通過對(duì)浙江水稻潛在生長過程的模擬，驗(yàn)證了WOFOST模型在浙江省的適用性。張鐵楠[26]對(duì)WOFOST模型進(jìn)行校正，并驗(yàn)證了其在東北春麥區(qū)的適用性。何亮等[27]結(jié)合參數(shù)全局敏感性分析方法以及馬爾科夫蒙特卡洛方法，基于WOFOST模型對(duì)多品種作物的參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析、計(jì)算、調(diào)試和優(yōu)化，為WOFOST模型本地化參數(shù)數(shù)據(jù)庫的研究夯實(shí)基礎(chǔ)。

3.2 產(chǎn)量評(píng)估預(yù)測及作物生理特性研究 WOFOST模型的研究與應(yīng)用始終伴隨著與試驗(yàn)有關(guān)的作物研究，該模型側(cè)重于對(duì)作物生理生態(tài)過程的詳細(xì)描述，基于給定的天氣條件能夠模擬出作物的潛在產(chǎn)量、水分限制下的產(chǎn)量以及養(yǎng)分限制下的產(chǎn)量。謝文霞等[25]對(duì)我國浙江地區(qū)的一年生主要農(nóng)作物進(jìn)行了產(chǎn)量評(píng)估。杜春英等[28]基于WOFOST模型對(duì)黑龍江省水稻進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測研究，實(shí)現(xiàn)了其在水稻農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。為研究氣候變化對(duì)主要糧食作物產(chǎn)量的影響，張建平等[29]結(jié)合氣候模型輸出的未來60年氣候資料，模擬了未來氣候變化環(huán)境下東北地區(qū)玉米產(chǎn)量的變化。高永剛等[30-31]通過對(duì)黑龍江省81個(gè)氣象站30年逐日氣象資料的模擬分析，研究馬鈴薯和甜菜氣候生產(chǎn)力的空間分布，劃分出黑龍江省馬鈴薯和甜菜適宜的氣候栽培區(qū)，為當(dāng)?shù)伛R鈴薯和甜菜生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。張建平等[32]分析了東北地區(qū)玉米生長發(fā)育不同時(shí)期的低溫冷害對(duì)其灌漿及產(chǎn)量的影響。

3.3 模型應(yīng)用空間尺度研究 遙感提供的農(nóng)作物實(shí)時(shí)生長狀態(tài)信息和作物生長過程模擬結(jié)合應(yīng)用，可以提高作物產(chǎn)量估算的精確度。鑒于環(huán)境因素(如天氣、土壤)和管理措施的非均勻性，WOFOST模型與遙感軟件的結(jié)合研究可以將其應(yīng)用于更大空間尺度?？臻g化的WOFOST模型模擬的每一點(diǎn)是獨(dú)立的，使模擬的批處理運(yùn)行得以實(shí)現(xiàn)。高永剛等[33]應(yīng)用并改進(jìn)作物長勢監(jiān)測系統(tǒng)(CGMS)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在黑龍江省研究與應(yīng)用的可行性，并提出了CGMS今后的研究方向以及存在的一些問題。郭建茂[34]結(jié)合遙感系統(tǒng)，利用WOFOST模型模擬了冬小麥的生長發(fā)育過程。陳勁松等[35]基于中國環(huán)境衛(wèi)星(HJ-1 A/B)遙感數(shù)據(jù)和WOFOST模型，采用SCE優(yōu)化算法估算水稻產(chǎn)量。李妍[36]結(jié)合遙感，利用WOFOST-HYDRUS耦合模型對(duì)黑河中游玉米進(jìn)行了產(chǎn)量評(píng)估。吳伶[37]結(jié)合遙感與WOFOST模型分析了水稻生長參數(shù)的時(shí)空變化，研究了模型參數(shù)區(qū)域化的方法。

3.4 WOFOST模型的改進(jìn) 為使WOFOST模型適應(yīng)我國主要糧食作物的生理生長過程的模擬，對(duì)模型的部分參數(shù)及驅(qū)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使模型更適宜本地作物，提高模擬精度。馬玉平等[23]以冬小麥越冬和返青的氣象指標(biāo)為重點(diǎn)，針對(duì)華北地區(qū)冬小麥的較長越冬休眠期，對(duì)WOFOST模型的部分參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，為其適應(yīng)華北區(qū)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。王銳等[38]對(duì)WOFOST模型驅(qū)動(dòng)中的源代碼進(jìn)行修改，將模塊中的日降水量替換成土壤相對(duì)濕度，使模擬精度得到明顯提高，并通過試驗(yàn)對(duì)比得出了較好的效果。

4 結(jié)語

WOFOST模型自被研發(fā)以來廣泛應(yīng)用于產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、產(chǎn)量預(yù)測、播種期決策、作物干旱研究、作物生長關(guān)鍵因子的確定等。我國正在發(fā)展中的WOFOST模型，處于獨(dú)立的作物模型試驗(yàn)分析階段，對(duì)當(dāng)?shù)刂饕Z食作物的生長進(jìn)行模擬研究。然而，在我國該模型仍停留在試驗(yàn)研究和空間小尺度試用階段，并未在空間大尺度的產(chǎn)量預(yù)測或作物研究中應(yīng)用。在未來的發(fā)展中，為進(jìn)一步促進(jìn)WOFOST模型在我國的發(fā)展以及氣象服務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)用水平的提高，應(yīng)將研究重點(diǎn)放在WOFOST模型的大尺度模擬研究及應(yīng)用。因此，應(yīng)將模型與遙感結(jié)合研究，完善不同區(qū)域不同作物參數(shù)數(shù)據(jù)庫，盡快建立起可應(yīng)用的作物生長監(jiān)測系統(tǒng)。

在我國建立可應(yīng)用的作物生長系統(tǒng)，需要完備的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持，主要包括氣象數(shù)據(jù)、作物數(shù)據(jù)和土壤相關(guān)數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)主要包括逐日常規(guī)氣象資料，可由當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供。為確定不同區(qū)域及不同農(nóng)作物的作物數(shù)據(jù)，需研究出機(jī)理性強(qiáng)、普適性高，且在時(shí)空數(shù)據(jù)建模和分析方面有高移植性的參數(shù)本地化方法。土壤數(shù)據(jù)可以與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門進(jìn)行合作或補(bǔ)充監(jiān)測獲取。WOFOST模型從研究階段向業(yè)務(wù)應(yīng)用推廣階段的轉(zhuǎn)變，拓展了當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)領(lǐng)域，提升了農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)水平，將有助于政府管理者做出正確決策，進(jìn)而可以保護(hù)地區(qū)乃至國家的糧食安全。

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Research Advances of WOFOST Model

ZHU Jin-hui1, DAI Ping1, ZHU Kai-quan2*et al

(1.Meteorological Information Center in Liaoning Province,Shenyang, Liaoning 110166;2. Northeast Air Traffic Management Bureau of CAAC, Shenyang, Liaoning 110043)

Since the introduction of WOFOST (World Food Studies)model, the research advances and application have been grown up day by day in China. The development direction transformed from the research phase to the application stage. WOFOST model and its development course was analyzed, the research advances at home and abroad were elaborated, so as to promote its application in agrometeorological services in China and promote agricultural meteorology modernization level.

WOFOST model; Development history; Agricultural meteorology; Business field

朱津輝(1988-)，女，遼寧沈陽人，助理工程師，從事農(nóng)業(yè)氣象與作物模型研究。*通訊作者，高級(jí)工程師，從事氣象預(yù)報(bào)工作。

2016-08-10

S 16

A

0517-6611(2016)28-0194-03