作物栽培量化分析

李 月

（江蘇師范大學(xué)地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

作物種植最重要的影響因素就是水土質(zhì)量，不適應(yīng)本地環(huán)境的作物長勢差，經(jīng)濟價值低。在本研究中，依據(jù)不同地理位置、不同年份、不同土質(zhì)對農(nóng)作物存在不一樣的影響，采用農(nóng)作物產(chǎn)量來評估其各因子的影響程度。具體而言，本文采用農(nóng)業(yè)政策環(huán)境擴展（Agriculture Policy Environmental Extender Moder，APEX）模型來研究管理如何影響?zhàn)ね镣寥赖淖魑锂a(chǎn)量、徑流量和水質(zhì)。具體目標(biāo)是確定APEX模型模擬玉米和大豆產(chǎn)量在黏土土壤上的變異性的能力，通過地表徑流運輸溶解相莠去津和養(yǎng)分的能力，以及管理如何影響這些成分的長期徑流和相關(guān)損失。同時，本文設(shè)計出不同的數(shù)學(xué)模型和計算機程序去仿真，對照真實數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)之間的差異，得到不同的結(jié)論，旨在能將此結(jié)論用于指導(dǎo)植物的引種工作。

1 問題描述與數(shù)據(jù)收集

在本研究中，APEX模型校準(zhǔn)通常依賴于相對短期的數(shù)據(jù)集，一般在6 a內(nèi)［1-3］，由于長期數(shù)據(jù)收集較為困難，因此研究較少。1991—2010年，化學(xué)制品與礦物需求理 事 會（Chemicals and Minerals Requirements Board，CMRB）提供了一個農(nóng)作物產(chǎn)量測量數(shù)據(jù)評估，這個評估主要涉及APEX模型是否考慮了地塊上作物產(chǎn)量有無隨時空變化而改變。徑流和水質(zhì)數(shù)據(jù)集提供了校準(zhǔn)和驗證這些輸出模型所需的數(shù)據(jù)，然后估計對水質(zhì)的長期影響。

在本研究中，使用APEX模型來研究不同的影響因子如何影響?zhàn)ね镣寥赖淖魑锂a(chǎn)量、徑流和水質(zhì)。具體目標(biāo)是：①APEX模擬玉米和大豆產(chǎn)量在粘磐土壤上變化的能力；②APEX模擬溶解相莠去津、硝酸鹽-氮（NO3-N）和磷酸鹽-磷（PO4-P）通過地表徑流在黏土上的遷移能力；③相關(guān)指標(biāo)如何影響阿特拉津、NO3-N和PO4-P的長期徑流和相關(guān)損失。

數(shù)據(jù)來源于美國密蘇里州森特勒利亞市北部Goodwater溪的相關(guān)數(shù)據(jù)。利用土壤調(diào)查信息和地形圖，這些地塊被建立起來，包括一個由峰頂、背坡和腳坡位置組成的連鎖序列。

2 針對該問題的APEX模型

Wang等［3］對APEX的校準(zhǔn)和驗證給出了一般建議。在APEX參數(shù)化研究中，Nelson等［4］將APEX應(yīng)用于12個密蘇里州和堪薩斯州站點，這些站點的特征都是土壤具有豐富的限制層。該參數(shù)化包括修改后的土壤濕度指數(shù)作為曲線數(shù)保留參數(shù)的調(diào)整方法。

2.1 模型校準(zhǔn)和性能評估

分別對玉米和大豆產(chǎn)量進行靈敏度分析，選擇1996—2009年期間作物產(chǎn)量作為最敏感的全局參數(shù)。

2.2 流量和水質(zhì)的校準(zhǔn)和驗證過程

由于APEX是一個以天為單位的模型，將屬于同一事件的連續(xù)幾天的每日徑流和污染物傳輸結(jié)合起來。因此，目標(biāo)函數(shù)在過程的每一步都包含了關(guān)于4個變量的信息，如式（1）所示，其中，Obj是與第i輪相關(guān)的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，θ和O主要與觀測值相關(guān)。

通過以上過程，得到了最優(yōu)參數(shù)集，分析了其相同點和不同點。如果一個參數(shù)值對所有解集都是公共的，那么對這個值的置信度就會增加，選擇其作為最終值［5］。

3 模型結(jié)果和分析

在大多數(shù)情況下，每個地塊的地形序列包括峰頂、肩、背坡（關(guān)鍵區(qū)域）和腳坡。各部位表層土和粘磐層土壤水力特性明顯不同，進而影響農(nóng)作物產(chǎn)量。密蘇里州森特羅利亞的第20號地地塊情況見圖1。

圖1 密蘇里州森特羅利亞的第20號地

雖然模擬產(chǎn)量對環(huán)境條件（溫度和降水）的響應(yīng)與實測產(chǎn)量的響應(yīng)方向相同（見圖2），但模擬產(chǎn)量的時間標(biāo)準(zhǔn)差普遍小于實測產(chǎn)量。

4 結(jié)語

玉米產(chǎn)量似乎能很好地被模擬，相比之下，大豆產(chǎn)量的模擬較差（偏倚較大，r2較低）。說明在同樣的土壤下，不同年份、不同的農(nóng)作物都會有較為明顯和不可預(yù)測的差異，這說明引種時要更多考慮土質(zhì)和不同年份的環(huán)境因素，這樣才能結(jié)合環(huán)境成功引種。