APSIM模型對(duì)甘蔗葉面積指數(shù)和蔗葉含氮量的模擬與驗(yàn)證

黃智剛，王超然

（廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧 530005）

甘蔗是世界上生產(chǎn)量最大的糖料作物，同時(shí)也是生物量最高的能源作物[1-2]。甘蔗長(zhǎng)年的單一連作和特殊的管理方式（如焚燒蔗地有機(jī)殘留物等）已經(jīng)導(dǎo)致蔗地土壤質(zhì)量的下降[3-4]，提高甘蔗產(chǎn)量和維持蔗地可持續(xù)利用已成為目前甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最終目標(biāo)，精準(zhǔn)到以天為時(shí)間單位的管理已是發(fā)展的必然趨勢(shì)[5]。由于影響甘蔗生產(chǎn)的因素極多，且都具有強(qiáng)烈的時(shí)空變異性，因此，對(duì)甘蔗生產(chǎn)的精準(zhǔn)管理需要一個(gè)全面而有效的模型系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型（Agricultural production system simulator，APSIM）是澳大利亞的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究協(xié)作組（APSRU）研究開發(fā)的模型框架系統(tǒng)，模型包含了土壤、作物和管理等模塊，可根據(jù)需要組合各種模塊，通過(guò)設(shè)定模塊初始參數(shù)并結(jié)合氣象資料，模型能夠模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的幾乎所有方面[6]。APSIM模型的甘蔗模塊（APSIM-Sugarcane）是具有廣泛適用性的甘蔗生長(zhǎng)模型，其模擬的準(zhǔn)確性已經(jīng)被不同地區(qū)的研究結(jié)果所檢驗(yàn)[7]。APSIM-Sugarcane模型可以有效地模擬甘蔗在各種環(huán)境下的生長(zhǎng)狀況，該模型在國(guó)內(nèi)有相關(guān)介紹報(bào)道[8-9]，但開展研究應(yīng)用的報(bào)道很少[10-11]。

本文應(yīng)用該模型對(duì)位于中國(guó)廣西亞熱帶地區(qū)的一塊試驗(yàn)蔗地的2003/2004年榨季的新植甘蔗生物學(xué)性狀以及土壤含水量進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，并以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，探討該模型在中國(guó)亞熱帶自然環(huán)境條件下和特定管理方式下的模擬準(zhǔn)確性和適用性，為該區(qū)域甘蔗生長(zhǎng)的精準(zhǔn)化科學(xué)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況和試驗(yàn)方案

研究蔗地位于廣西大學(xué)試驗(yàn)基地內(nèi)，土壤類型為發(fā)育于第四紀(jì)紅土母質(zhì)的赤紅壤，質(zhì)地中壤。甘蔗品種為新臺(tái)糖22號(hào)（ROC22）。2003年2月18日種植，2004年2月9日砍收，生育期357d。種植前施用干牛糞22.5t/hm2，復(fù)合肥1500kg/hm2作為基肥，種植期間分別施用干牛糞15t/hm2、尿素525kg/hm2和氯化鉀300kg/hm2作追肥。沒(méi)有經(jīng)常性灌溉，只在干旱時(shí)期（10、11月份）灌溉兩次（各約50mm）。種植期內(nèi)總積溫8604°C，平均氣溫24.1°C，總降水量1392mm，平均降水量3.9mm，太陽(yáng)總輻射4808MJ/m2，平均太陽(yáng)輻射13.5MJ/m2。逐日太陽(yáng)輻射值和其它逐日氣象值分別來(lái)源于距蔗地約10km和40m的兩個(gè)氣象觀測(cè)站。

1.2 模型參數(shù)初始化設(shè)置

土壤模塊是APSIM的核心，模型基本參數(shù)大部分為土壤屬性參數(shù)（表1），土壤剖面深度為150cm，分為6層。甘蔗根系參數(shù)設(shè)為APSIM-Sugarcane模型的默認(rèn)值。甘蔗品種項(xiàng)目中選用澳大利亞甘蔗品種Q141作為ROC22的替代品種。Q141是高產(chǎn)高糖的中大莖品種，是與廣西甘蔗主栽品種ROC22性狀特征極為相近的品種[12-13]。

表1 蔗地土壤剖面屬性參數(shù)

1.3 試驗(yàn)觀測(cè)項(xiàng)目

葉面積指數(shù)（LAI）：便攜式激光葉面積儀（型號(hào)CI-203）測(cè)定單株總?cè)~面積，由蔗地總株數(shù)和面積估算LAI。葉片含氮量：+1葉片（頂端第一片完全展開葉）采用H2SO4-H2O2消化，半微量開氏定氮法測(cè)定。地上部干物重：整株地上部烘干至恒重，由蔗地總株數(shù)和面積估算地上部干物重產(chǎn)量。蔗糖產(chǎn)量：檢糖旋光計(jì)測(cè)定單株蔗糖分含量，由蔗地總株數(shù)和面積估算蔗糖產(chǎn)量。蔗莖產(chǎn)量：由單莖重、蔗地總株數(shù)和面積估算蔗莖產(chǎn)量。

1.4 研究方法

應(yīng)用APSIM（5.0版本）進(jìn)行甘蔗生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)模擬，集成了甘蔗、管理、土壤、灌溉和有機(jī)質(zhì)殘留等模塊。應(yīng)用Mcrosoft Excel軟件進(jìn)行圖形繪制。模型模擬準(zhǔn)確度的檢驗(yàn)采用回歸擬合驗(yàn)證和均方根誤差RMSE，

2 結(jié)果與分析

2.1 甘蔗生物性狀的模擬和驗(yàn)證

2.1.1 LAI的模擬和驗(yàn)證 LAI對(duì)截獲太陽(yáng)輻射、合成光合產(chǎn)物具有重要作用[14]，因而LAI常被用來(lái)檢驗(yàn)APSIM模型的模擬準(zhǔn)確性[9]。LAI的模擬值與實(shí)測(cè)值具有非常相似的分布趨勢(shì)（圖1），只是在甘蔗伸長(zhǎng)末期，模擬值稍高于實(shí)測(cè)值。Keating等[9]指出，由于甘蔗生育后期的倒伏和開花等原因，LAI通常會(huì)被高估，但這種偏差不會(huì)影響到生物量的模擬，其他的研究也有相似結(jié)論[7,15]。幼苗期的LAI極低（近似為0），此時(shí)光合產(chǎn)物極少，生長(zhǎng)所需養(yǎng)分完全來(lái)源于蔗種。葉片數(shù)在分蘗期開始增多，LAI迅速由0.01提高至4.0。進(jìn)入伸長(zhǎng)期后，由于冠層尚未封閉，LAI在伸長(zhǎng)初期仍在迅速增大，在達(dá)到最大值6.8（8月8日）以后，LAI迅速在9月26日下降至5.0，表明葉片數(shù)在8月初已達(dá)到最大，此時(shí)冠層封閉，植株個(gè)體間競(jìng)爭(zhēng)日趨尖銳，葉片相互遮蔽，弱小植株不斷死亡，導(dǎo)致LAI急劇下降。通過(guò)群體結(jié)構(gòu)自我調(diào)節(jié)，LAI在生育后期維持在4.5左右。模型模擬的準(zhǔn)確程度可由實(shí)測(cè)值與模擬值的線性回歸擬合進(jìn)行檢驗(yàn)（圖2）。LAI非常接近1∶1線，決定系數(shù)=0.95和均方根誤差RMSE=0.57。模型對(duì)LAI的模擬準(zhǔn)確性均達(dá)到極顯著水平。

圖1 甘蔗LAI的模擬值和實(shí)測(cè)值的時(shí)間分布

圖2 甘蔗LAI的模擬值和實(shí)測(cè)值的線性回歸擬合

2.1.2 葉片含氮量的模擬和驗(yàn)證 葉片含氮量是影響植物光合效率以及光合產(chǎn)物形成的重要因素之一，在甘蔗栽培學(xué)上常利用蔗葉的含氮量來(lái)反映其生長(zhǎng)狀況[16]。由于模擬值是所有葉片的平均含氮量，而實(shí)測(cè)值是+1葉的含氮量，+1葉是甘蔗生長(zhǎng)最旺盛、養(yǎng)分含量最高的葉片，因而全部實(shí)測(cè)值均稍高于模擬值（圖3）。甘蔗幼苗期的模擬效果不好，模擬值都接近于零，在分蘗期開始（3月23日），模擬值突增到最高值3%，在分蘗中期急劇下降到1.4%～1.5%間持續(xù)到伸長(zhǎng)初期，在伸長(zhǎng)盛期（10月上旬），蔗葉含氮量開始提高到1.8%，并持續(xù)到成熟期。甘蔗幼苗真葉含氮量增加較快，含量也較高，但在分蘗期由于大量分蘗莖的萌發(fā)，導(dǎo)致幼苗真葉的含氮量急劇下降。甘蔗在生育前中期主要進(jìn)行氮代謝，以蔗莖增長(zhǎng)增粗為主，因而葉片含氮量波動(dòng)較大，在生育后期則以碳代謝為主，甘蔗生長(zhǎng)緩慢，葉片含氮量比較穩(wěn)定，最終模擬值為1.7%。蔗葉含氮量分布趨勢(shì)與Wood等[16]的研究結(jié)果極為吻合。模型模擬的準(zhǔn)確程度由實(shí)測(cè)值與模擬值的線性回歸擬合來(lái)檢驗(yàn)（圖4）。蔗葉含氮量的回歸線與1∶1線有一定的偏差，這與前述的模擬值和實(shí)測(cè)值的定義偏差有關(guān)，決定系數(shù)=0.79和均方根誤差RMSE=0.34。模型對(duì)蔗葉含氮量的模擬準(zhǔn)確性均達(dá)到顯著水平。

圖3 蔗葉含氮量模擬值和實(shí)測(cè)值的時(shí)間分布

圖4 蔗葉含氮量的模擬值和實(shí)測(cè)值的線性回歸擬合

2.2 甘蔗氮素營(yíng)養(yǎng)特征

由于甘蔗生物量較大，在生長(zhǎng)過(guò)程中需要大量吸收氮素，故在種植過(guò)程中，都非常重視增加氮肥施用量，但如果氮素吸收過(guò)量，將會(huì)嚴(yán)重影響甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)（推遲甘蔗成熟、降低蔗莖蔗糖含量等），另外，氮肥施用過(guò)量還會(huì)造成環(huán)境污染。因此，甘蔗氮素養(yǎng)分管理是甘蔗生產(chǎn)可持續(xù)利用的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，生長(zhǎng)過(guò)程中需要進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估和預(yù)測(cè)[15-16]。

模擬的甘蔗地上部含氮量時(shí)間分布趨勢(shì)（圖5）顯示，生育前期模擬值較低，直到分蘗期開始后才逐漸增加。甘蔗生育前期以氮代謝為主，植株大量吸收氮素，地上部含氮量日均增長(zhǎng)量為1.5kg/hm2。12月底甘蔗生長(zhǎng)進(jìn)入工藝成熟期，地上部含氮量日趨穩(wěn)定，最終地上部含氮量為243kg/hm2。甘蔗的氮素代謝主要作用于甘蔗的伸長(zhǎng)和增粗，故含氮量與生物量的積累有著密切關(guān)系。地上部干物重的實(shí)測(cè)值和相對(duì)應(yīng)的地上部含氮量模擬值的回歸擬合曲線為對(duì)數(shù)方程（圖6），決定系數(shù)為0.97，表明兩者間有著極顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖5 甘蔗地上部含氮量分布趨勢(shì)

圖6 地上部干物重實(shí)測(cè)值和地上部含氮量模擬值的回歸擬合

模擬的甘蔗每日需氮量分布趨勢(shì)（圖7）顯示，由分蘗期開始，需氮量逐漸增加，在伸長(zhǎng)前期（7月3日）達(dá)到峰值（5kg/hm2）后，逐漸下降。在12月進(jìn)入工藝成熟期后，需氮量極低，體現(xiàn)了甘蔗在全生育期的需氮量“前多后少”的特征。Wood等[16]指出，在生長(zhǎng)的前6個(gè)月，甘蔗能最大限度地吸收和儲(chǔ)存氮素，并能滿足以后的生長(zhǎng)需求。模擬的甘蔗全生育期的總需氮量為327kg/hm2，而施用的尿素（含氮量46%，提供純氮242kg/hm2）和干牛糞（含氮量1.6%，完全礦化可提供純氮600kg/hm2）總共可提供純氮842kg/hm2，可完全滿足甘蔗需氮要求，這也是該試驗(yàn)蔗地能達(dá)到“噸糖田”的基本保證。

圖7 甘蔗每日需氮量分布趨勢(shì)

圖8 氮素利用率的時(shí)間分布趨勢(shì)

地上部干物重與地上部含氮量的比值常被當(dāng)做“氮素利用率”來(lái)進(jìn)行對(duì)氮肥管理的評(píng)價(jià)[16-17]。由于幼苗期地上部的干物重和含氮量都極低，故氮素利用率從分蘗期開始計(jì)算（圖8），分蘗期初始階段氮素利用率雖最低，增長(zhǎng)的幅度卻最大；但在分蘗中期（5月6日），氮素利用率卻在遞減，此時(shí)分蘗莖急劇增加導(dǎo)致甘蔗根系也大量增加，因而對(duì)土壤氮素的吸收大量增加；在伸長(zhǎng)期初期，此時(shí)甘蔗以生長(zhǎng)為主，生物量大量增加，因而氮素利用率重新開始遞增；到生育后期，此時(shí)甘蔗以碳素代謝為主，生長(zhǎng)停滯，地上部含氮量趨于平穩(wěn)，但地上部干物重仍在增加，故氮素利用率還在遞增。根據(jù)氮素利用率在甘蔗生育前中期的變化趨勢(shì)特征，在氮肥管理上要注重基肥的施用，保證在分蘗期的氮素要求。

3 結(jié)論和討論

APSIM-Sugarcane甘蔗生長(zhǎng)模型在中國(guó)亞熱帶自然環(huán)境條件下和特定的耕作管理方式下，盡管在甘蔗品種上以Q141代替ROC22，但新植蔗的各項(xiàng)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性都達(dá)到了極顯著水平，說(shuō)明該模型在中國(guó)的亞熱帶地區(qū)也具有較好的適用性。模擬的LAI、蔗葉含氮量的時(shí)間分布趨勢(shì)都較好地體現(xiàn)了甘蔗的真實(shí)生長(zhǎng)過(guò)程。葉面積指數(shù)和蔗葉含氮量的模擬值和實(shí)測(cè)值回歸統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯示，回歸線都接近1∶1線，決定系數(shù)分別為0.94和0.79，模擬的準(zhǔn)確性都達(dá)到了顯著水平。

模擬的甘蔗全生育期需氮總量為327kg/hm2，通過(guò)施肥提供了純氮842kg/hm2，可完全滿足甘蔗需氮要求。但中國(guó)甘蔗種植很少以含氮量較高的廄肥作全部基肥，有機(jī)肥源通常都是碳氮比很高的作物秸稈，因此高產(chǎn)蔗地的氮源供給還必須以氮肥為主，但氮肥具有易揮發(fā)、淋失等特點(diǎn)，不恰當(dāng)?shù)氖┯脮r(shí)間和施用量極易對(duì)甘蔗生長(zhǎng)及環(huán)境造成破壞。合理的氮肥管理就需要在科學(xué)的評(píng)估和預(yù)測(cè)上精確進(jìn)行，APSIM-Sugarcane模擬的甘蔗逐日需氮量可作為指導(dǎo)氮肥施用的依據(jù)。

當(dāng)前廣西甘蔗產(chǎn)業(yè)日趨規(guī)?；?、集約化和精細(xì)化，迫切要求進(jìn)行科學(xué)的管理和對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估，應(yīng)用APSIM-Sugarcane模型可為該亞熱帶地區(qū)的甘蔗產(chǎn)業(yè)的精確化管理提供科學(xué)依據(jù)。如果能對(duì)當(dāng)?shù)刂饕收崞贩N進(jìn)行遺傳性狀方面的校正和檢驗(yàn)，APSIM-Sugarcane模型將會(huì)具有更廣泛的適用性和可靠性。