CropSyst模型在區(qū)域冬小麥產(chǎn)量模擬中的應(yīng)用

黃 青 ，陳仲新，劉 航，滕 飛

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

0 引言

隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的日益發(fā)展，能定量、動態(tài)地描述農(nóng)作物生長發(fā)育過程及作物與環(huán)境相互作用關(guān)系的作物模擬模型已經(jīng)成為作物生產(chǎn)力模擬、作物產(chǎn)量預(yù)測的重要工具[1]。CropSyst模型1992年由美國華盛頓大學(xué)開發(fā)，可進(jìn)行多年、多作物且以日為模擬步長的作物生長和發(fā)育過程的系統(tǒng)模擬。CropSyst模型模擬氣候、土壤、不同水肥條件及管理措施等對作物生產(chǎn)力的影響，是國外應(yīng)用較廣泛的作物模型之一[2-5]，可是由于其參數(shù)復(fù)雜，模型在中國范圍內(nèi)的應(yīng)用研究還比較少見。2008年，歐盟MARS（Monitoring Agriculture with Remote Sensing）農(nóng)業(yè)監(jiān)測項(xiàng)目組開發(fā)了一個(gè)以作物模擬為目的的生物物理模型應(yīng)用平臺Biophysical model application，簡稱BioMa[6-7]。該應(yīng)用平臺基于獨(dú)立的模型組分，對每一個(gè)模型組分都提供獨(dú)立的算法代碼及獨(dú)立的軟件開發(fā)包。BioMa這種基于組分的結(jié)構(gòu)使得其可以為了某一特定的模擬目標(biāo)而綜合利用分散的、獨(dú)立的模型模塊。其目的是在空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的支持下，基于大量的生物物理模型，尋求、分析并運(yùn)行最優(yōu)的、綜合的模型解決方案。BioMa可以不斷加入新的模塊、根據(jù)需要組合成新的模型解決方案，同時(shí)每個(gè)模型解決方案又嵌入模型參數(shù)敏感性分析（Sensitivity Analysis）和模塊優(yōu)化選擇器（Optimizer）等[8-10]。2014年，BioMa在其最新的版本中嵌入了CropSyst模型，并根據(jù)平臺對模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試。但嵌入BioMa中的改進(jìn)型作物模型Cropsys，其初始化的模型參數(shù)在中國的適用性如何，還未見有公開的研究報(bào)告。文章基于冬小麥主產(chǎn)區(qū)河北省衡水市11個(gè)縣（市）的實(shí)測數(shù)據(jù)，對模型在中國華北地區(qū)的適用性進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

黃淮海平原是中國冬小麥主產(chǎn)區(qū)。研究區(qū)位于黃淮海平原區(qū)內(nèi)的河北省衡水市的11個(gè)縣（市），地理位置為北緯37.03°～38.23°，東經(jīng)115.10°～116.34°。南北最長距離125.3km，東西最寬距離98.1km，行政區(qū)面積達(dá)8 815km2（圖1）。衡水市皆為平原區(qū)，地勢平坦。平均海拔為12～30m。該區(qū)屬于溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，平均氣溫13℃，大于0℃積溫 4 200 ～ 5 500℃，年累積輻射量約為 5.0×106～ 5.2×106kJ/m2，無霜期為 170 ～ 220d，年降水量平均為500 ～ 600mm。農(nóng)業(yè)氣候資源較豐富，但是自然災(zāi)害也頻頻發(fā)生，干旱、冰雹、洪澇、低溫、大風(fēng)等，常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定影響。衡水市土壤大多為壤土、沙壤土、黏性土，適應(yīng)于多種農(nóng)作物的生長。主要糧食作物為冬小麥、夏玉米，一年兩熟輪作制度[11-12]。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)Fig.1 Study area and the field samples location

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及預(yù)處理

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn/）下載2011—2014年全國756個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括每日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、相對濕度、平均大氣壓、太陽輻射、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和降水量（3個(gè)完整周期2011/2012、2012/2013、2013/2014），太陽輻射數(shù)據(jù)基于緯度、日最低氣溫和最高氣溫用Hargreaves模型計(jì)算得到[13]。全國氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)在ArcGIS中插值成5km×5km數(shù)據(jù)。然后截取研究區(qū)2011年9月至2014年6月冬小麥生育期內(nèi)氣象數(shù)據(jù)，提取格網(wǎng)內(nèi)屬性值，所有氣象數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后輸入BioMa平臺。

1.2.2 作物、土壤和管理數(shù)據(jù)

包括衡水市桃城區(qū)、冀州、棗強(qiáng)縣、武邑、深州、武強(qiáng)、饒陽、安平、故城、景縣、阜城11個(gè)縣（市）11個(gè)實(shí)測樣點(diǎn)的經(jīng)緯度信息、海拔高度、輪作信息、冬小麥關(guān)鍵生育期（播種期、出苗期、開花期、收獲期）、各物候期各點(diǎn)的葉面積指數(shù)（LAI-2000）、地上生物量（干物質(zhì)）和最后產(chǎn)量（樣方實(shí)測）、灌溉信息（咨詢農(nóng)戶）、土壤類型、土壤參數(shù)等。所有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后輸入BioMa模型。

表1 研究區(qū)樣點(diǎn)信息及調(diào)查起始時(shí)間Table 1 Sample information of study area and investigation start/end time

2 研究方法

2.1 CropSyst模型中生長度日的計(jì)算

CropSyst模型在天氣數(shù)據(jù)驅(qū)動下完成作物生長發(fā)育模擬，模型運(yùn)行中，要調(diào)用氣象、土壤、灌溉管理、作物信息等系列數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。溫度是作物生長發(fā)育最重要的驅(qū)動變量之一。利用平均冠層溫度模擬光合作用和葉片老化的熱限制。在作物發(fā)育過程中，計(jì)算基準(zhǔn)溫度與界值溫度之間的積溫。在播種—出苗和出苗—生理成熟期，可以設(shè)定不同的溫度值。通過將生長度日數(shù)（growing degree-days，GDDs）轉(zhuǎn)換為從0.00～2.00（分別為出苗率和生理成熟度，DVS=1.00對應(yīng)于開花）的數(shù)值編碼（DVS）來標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)育階段，有助于同步不同過程的模擬。出苗—開花期和開花—生理成熟期DVS計(jì)算公式如下：

式（1）中：GDDcum（℃/day）為生長度日累計(jì)熱量，GDDem、GDDflo、GDDmat（單位均為℃/d）分別為達(dá)到出苗、開花和生理成熟期的情況下所需的生長度日累計(jì)熱量GDDs[6，14-17]。

2.2 Cropsyst模型中土壤數(shù)據(jù)本地化校正

模型參數(shù)本地化包括模型使用的研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、作物參數(shù)及管理數(shù)據(jù)等的調(diào)試。

模型所需的研究區(qū)土壤參數(shù)包括土壤機(jī)械組成，黏土、沙土含量，pH值，田間持水量，容重，飽和水導(dǎo)率等。模型輸入的部分土壤參數(shù)值及區(qū)間見表2，數(shù)據(jù)主要來自參考文獻(xiàn)[18]。

表2 BioMa平臺中CropSyst模型初始化土壤參數(shù)及中國研究區(qū)冬小麥模擬調(diào)試參數(shù)對照Table 2 Some default and calibrated soil parameters of CropSyst model in simulating China winter wheat yield

2.3 CropSyst模型中作物參數(shù)校正

CropSyst模型本身提供了典型作物的一系列生理參數(shù)數(shù)據(jù)，但針對中國北方的冬小麥，很多參數(shù)需要進(jìn)行調(diào)試?；诤馑貐^(qū)3年實(shí)測數(shù)據(jù)，利用嵌入BioMa平臺的CropSyst模型模擬冬小麥產(chǎn)量的步驟包括：（1）將所有數(shù)據(jù)處理成模型所要求的標(biāo)準(zhǔn)格式；（2）選取模擬環(huán)境（simulation environment），輸入/編輯所有參數(shù)：以日為單位的氣象數(shù)據(jù)、樣點(diǎn)經(jīng)緯度、土壤參數(shù)、模型啟動模擬時(shí)間、模擬結(jié)束時(shí)間等；（3）配置模型組件（model configuration），包括配置氣象、土壤、作物等數(shù)據(jù)，選擇模型參數(shù)限制條件，選擇輸出配置（output configuration）等；（4）運(yùn)行模型，將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)（包括播種期、出苗期、開花期和成熟期、LAI、生物量和產(chǎn)量等）進(jìn)行比較，如精度不能達(dá)到要求，用人工標(biāo)定法以地面實(shí)測LAI和模型模擬的LAI相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.9為精度要求進(jìn)行優(yōu)化，將系統(tǒng)生成的達(dá)到最優(yōu)結(jié)果的某些參數(shù)返代入輸入值進(jìn)行編輯（如灌溉量、Tsum，光能利用效率、生長基礎(chǔ)/最優(yōu)/最高溫度、收獲指數(shù)等），并重復(fù)此過程，直到結(jié)果達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)精度；（5）利用調(diào)整后的參數(shù)模擬所有點(diǎn)的冬小麥產(chǎn)量，表3數(shù)據(jù)主要來自基于實(shí)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)模擬最優(yōu)參數(shù)的調(diào)試，部分未列出參數(shù)利用模型初始值或參考文獻(xiàn)值[19-20]。

表3 BioMa平臺中CropSyst模型初始化作物參數(shù)及中國研究區(qū)冬小麥模擬調(diào)試參數(shù)對照Table3 Some default and calibrated crop parameters of CropSyst model in simulating China winter wheat yield

3 結(jié)果與精度驗(yàn)證

圖2 2012—2014年研究區(qū)樣點(diǎn)實(shí)測產(chǎn)量和模擬產(chǎn)量對照Fig.2 Field measured yield VS simulated yield based on CropSyst Model imbedded in BioMa from 2012 to 2014

圖2是研究區(qū)11個(gè)樣點(diǎn)2012—2014年實(shí)測產(chǎn)量和模擬產(chǎn)量對照結(jié)果。表4公式中，P為模擬值，O為觀測值，為觀測值的平均值；n為樣點(diǎn)總數(shù)，i為對應(yīng)的每個(gè)樣點(diǎn)。

通過比較模型模擬結(jié)果和實(shí)際觀測結(jié)果進(jìn)行精度評價(jià)是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦m用性的重要指標(biāo)，該文選取了BioMa系統(tǒng)中自帶的相關(guān)系數(shù)、模型性能指數(shù)，模型一致性指數(shù)和均方根誤差來進(jìn)行精度評價(jià)，各指標(biāo)公式及意義如下[21]。

表4 CropSyst模型模擬冬小麥產(chǎn)量中精度評價(jià)指標(biāo)Table 4 Metrics of model performance of CropSyst model in simulating winter wheat yield

結(jié)果表明，利用CropSyst模型模擬華北冬小麥產(chǎn)量可行，觀測產(chǎn)量與預(yù)測產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為0.97，模擬效率為0.94，一致性指數(shù)為0.98。如采用CropSyst模型的缺省參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)值的自動標(biāo)定，R值則較低，根據(jù)田間數(shù)據(jù)對作物參數(shù)和土壤參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，效果更好。結(jié)果表明，灌溉次數(shù)和灌溉量的變化對模擬產(chǎn)量結(jié)果很大的影響和解釋。

4 結(jié)論與討論

歐盟BioMa平臺中嵌入的Cropsyst模型，其初始參數(shù)主要適合歐洲地區(qū)。因此作物模型在中國應(yīng)用的一個(gè)重要工作就是模型參數(shù)的本地化調(diào)試。該研究基于冬小麥主產(chǎn)區(qū)河北省衡水市11個(gè)縣（市）的實(shí)測數(shù)據(jù)，對模型在中國華北小區(qū)域的使用進(jìn)行了一系列參數(shù)的調(diào)試、修正和驗(yàn)證，并用本地化的模型參數(shù)對2012—2014年衡水地區(qū)冬小麥產(chǎn)量進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，本地化參數(shù)后的CropSyst較好地模擬了區(qū)域冬小麥產(chǎn)量。

BioMa平臺在嵌入各種作物模型中，減少了很多作物模型本身的初始化參數(shù)數(shù)量，使得模擬結(jié)果對部分參數(shù)的依賴性增大。樣點(diǎn)以行政區(qū)劃為單位，在11個(gè)縣市每個(gè)縣市選擇一個(gè)點(diǎn)，采樣點(diǎn)對整個(gè)區(qū)域的空間代表性有限。同時(shí)，研究區(qū)部分土壤參數(shù)和作物參數(shù)值來源于參考文獻(xiàn)，灌溉量和灌溉次數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化對結(jié)果影響較大，說明水分是冬小麥生長發(fā)育的重要因素。由于部分實(shí)測灌溉量和灌溉次數(shù)數(shù)據(jù)缺少，部分作物參數(shù)對研究區(qū)本身的適用性需要更多年份、更多實(shí)測樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步調(diào)試。另外，該研究基于BioMa-Site模型進(jìn)行了單點(diǎn)數(shù)據(jù)的研究和驗(yàn)證，2016年歐盟BioMa Spatial模型開發(fā)成功，將單點(diǎn)模型盡快擴(kuò)充到空間范圍進(jìn)行區(qū)域作物產(chǎn)量模擬是接下來的研究重點(diǎn)。