棉花生長(zhǎng)模型研究現(xiàn)狀與展望

楊甜甜

摘 要：該文概述了在農(nóng)業(yè)信息化快速發(fā)展的背景下國(guó)內(nèi)外棉花生長(zhǎng)模型的研究現(xiàn)狀，并對(duì)棉花生長(zhǎng)模型的發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議，以期為我國(guó)棉花生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：生長(zhǎng)模型;棉花;研究現(xiàn)狀;展望

中圖分類號(hào) S562文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）22-0064-02

Present Situation and Prospect of Cotton Growth Model

YANG Tiantian

（College of Information Engineering， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract： Under the background that agriculture is developing towards informationization， this paper briefly summarizes the research status of cotton growth model at home and abroad， and puts forward some suggestions on the development of cotton growth model， in order to make the cotton production in China get further development.

Key words： Growth model; Cotton;Present situation; Prospect

1 引言

棉花是我國(guó)重要的戰(zhàn)略物資，也是紡織工業(yè)原料。新疆憑借其獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì)、光照資源、耕地等自然資源，已經(jīng)發(fā)展成為我國(guó)最大的優(yōu)質(zhì)棉花生產(chǎn)基地，棉花產(chǎn)業(yè)已成為農(nóng)民增收和邊疆穩(wěn)定的支柱產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)棉花產(chǎn)業(yè)安全的重要保障[1]。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用信息化的手段再結(jié)合大田實(shí)驗(yàn)來(lái)研究新疆棉花的生長(zhǎng)發(fā)育，已成為棉花生產(chǎn)技術(shù)研究領(lǐng)域新的方向。

作物模型是作物生長(zhǎng)模擬模型的簡(jiǎn)稱，是指將計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)分析方法應(yīng)用到作物科學(xué)中，將大田實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息應(yīng)用到電腦相關(guān)軟件中來(lái)模擬作物的種植過(guò)程。棉花生長(zhǎng)發(fā)育模擬模型使用計(jì)算機(jī)程序作為主要介質(zhì)，并使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)公式等作為表達(dá)方法，以量化棉花的生理過(guò)程，包括生長(zhǎng)發(fā)育所必需的呼吸、蒸騰作用等以及復(fù)雜的棉花基因、環(huán)境與耕作措施之間的相互作用，棉花形態(tài)、生理功能與耕作環(huán)境之間的相互作用，地上棉花之間的相互作用，棉花生長(zhǎng)與發(fā)育的動(dòng)態(tài)模擬等。

總的來(lái)說(shuō)，棉花生長(zhǎng)模型一般是通過(guò)用戶輸入的土壤數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、作物遺傳參數(shù)及栽培管理等方面的信息，按照日或者時(shí)間步長(zhǎng)完成棉花的模擬生長(zhǎng)，最后輸出模擬結(jié)果用于棉花產(chǎn)量、品質(zhì)、病蟲(chóng)害等的預(yù)測(cè)，指導(dǎo)棉農(nóng)進(jìn)行棉田管理，也可用于評(píng)估氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響，以期為農(nóng)業(yè)相關(guān)部門的決策提供支持。

2 棉花生長(zhǎng)模型研究概況

2.1 國(guó)外 20世紀(jì)70年代，國(guó)外關(guān)于棉花的生長(zhǎng)模型開(kāi)始由簡(jiǎn)到繁發(fā)展成模擬模型，目前棉花模型可分為生理模型、形態(tài)模型、結(jié)構(gòu)功能模型3類。最為常用的是生理模型這一類型，一般基于生理的生長(zhǎng)模擬模型會(huì)要求輸入一些參數(shù)來(lái)更好地描述生理關(guān)系。生理模型又可以細(xì)分為機(jī)理型模型、經(jīng)驗(yàn)型模型2類。所謂機(jī)理型模型是在變量對(duì)植物生長(zhǎng)及其產(chǎn)量影響之間的相互關(guān)系的基礎(chǔ)之上構(gòu)建的，經(jīng)驗(yàn)型模型是根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用數(shù)學(xué)公式或根據(jù)大田試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的回歸方程來(lái)模擬植物生長(zhǎng)。

國(guó)外最典型的機(jī)理型模型是美國(guó)的GOSSYM模型。第1個(gè)棉花模擬模型是美國(guó)研發(fā)者Stapleton于1970年發(fā)表的，1971年，美國(guó)出現(xiàn)了第1代美國(guó)棉花模型COTTON;緊接著，Duncan建立了根據(jù)氣象和土壤資料模擬單株植株生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的SIMCOT模型。1975年，美國(guó)出現(xiàn)第2代棉花模型SIMCOTII，它是Hesketh、Baker、James等在第1代棉花模型的基礎(chǔ)上增加了營(yíng)養(yǎng)植物學(xué)理論、氮素評(píng)估算法的研究之上發(fā)展而成的，SIMCOTII模型可以在一定條件下模擬碳素平衡。1983年，Lambert、Baker等提出了Soil-Plant-Atmosphere-Research系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱SPAR，該模型加入了氮素、溫度和水分的脅迫對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響。之后，Baker等提出了第3代棉花生長(zhǎng)模型GOSSYM模型，該模型結(jié)合了第2代棉花模型（SIMCOTII）和SPAR模型，GOSSYM模型以氣象參數(shù)為驅(qū)動(dòng)變量，以土壤參數(shù)為初始條件，以重要農(nóng)業(yè)管理措施為控制變量，主要涵蓋了氣候模塊、土壤模塊、化學(xué)模塊、生長(zhǎng)模塊等，土壤參數(shù)為初始條件、氣象參數(shù)為驅(qū)動(dòng)變量、關(guān)鍵農(nóng)藝措施為控制變量的系統(tǒng)動(dòng)為模型[2]。GOSSYM模型在不同氣候條件、土壤和管理措施下得到了驗(yàn)證，并與專家系統(tǒng)COMAX結(jié)合完成了GOS-SYM/COMAX棉花管理模型[3]。其他國(guó)外研究者在美國(guó)已研發(fā)的GOSSYM模型基礎(chǔ)上還研究出來(lái)其他棉花生長(zhǎng)模型，比如CottonPlus模型、DSSAT-CROPGRO-Cotton模型及適合干旱地區(qū)的棉花生長(zhǎng)的COTTON2K模型等。

2.2 國(guó)內(nèi) 我國(guó)棉花生長(zhǎng)模型的研究始于20世紀(jì)80年代，我國(guó)學(xué)者通過(guò)學(xué)習(xí)國(guó)外棉花模型，使我國(guó)棉花模型研究領(lǐng)域有了快速的發(fā)展。吳國(guó)偉等在1988年從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合棉花的營(yíng)養(yǎng)需求約束棉鈴的脫落來(lái)模擬了棉花的生長(zhǎng)發(fā)育。1990年，李秉柏等結(jié)合氣溫、光照時(shí)長(zhǎng)以及遺傳特征研究了棉花的葉鈴模型及其生育期模型。1991年，郭向東等往SIRATAC系統(tǒng)里新增了參數(shù)，使模型得到了本地化，從而更適合模擬我國(guó)棉花的生長(zhǎng)。1992年，北京農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了棉花的動(dòng)態(tài)模擬模型，其特征是以每天的太陽(yáng)輻射的能量作為模型驅(qū)動(dòng)的變量，當(dāng)然也會(huì)受到其他因素的影響比如水分和溫度。1996年，潘學(xué)標(biāo)等建立了COTGEROW模型，該模型是以荷蘭的MACROS模型為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的。1999年，馮利平等研發(fā)出適合棉花種植的計(jì)算機(jī)模擬決策系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱COTSYS。2003年，張立禎分析了棉花生長(zhǎng)發(fā)育模型與棉花生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律。2004年，張淮志研究了用于優(yōu)化播種日期和種植密度的棉花管理知識(shí)模型。2005年，楊艷敏結(jié)合新疆棉花種植實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修改了GOSSYM/COMAX模型中的參數(shù)。

3 存在的問(wèn)題及建議

3.1 存在的問(wèn)題 （1）棉花生長(zhǎng)模型操作難度大且具有不確定性的特點(diǎn)，這是因?yàn)樗枰斎氲膮?shù)多，模型的參數(shù)需要進(jìn)行本地化之后才能使用于某一地區(qū)，所以在實(shí)際使用過(guò)程中存在一定的局限性，致棉花生長(zhǎng)模型在棉農(nóng)生產(chǎn)過(guò)程中的推廣使用率相對(duì)較低。（2）模型模擬出來(lái)的輸出值與實(shí)測(cè)值之間存在一定的偏差。

3.2 建議 為解決棉花模型需要輸入的參數(shù)較多以及推廣率較低的問(wèn)題，筆者建議不同實(shí)驗(yàn)站在進(jìn)行作物生長(zhǎng)模擬研究時(shí)，將模型的輸入數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享，或?qū)⒏鱾€(gè)實(shí)驗(yàn)站及其作物品種、實(shí)驗(yàn)方案建成數(shù)據(jù)庫(kù)加入對(duì)應(yīng)模型中，以便其他研究者的調(diào)用和對(duì)比研究。針對(duì)模型的模擬值與實(shí)測(cè)值之間存在一定的誤差，可以采用遙感同化技術(shù)，運(yùn)用定量反演對(duì)模型模擬的結(jié)果進(jìn)行校正。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)棉花生長(zhǎng)模型的研究與應(yīng)用可以提升我國(guó)棉花生產(chǎn)的現(xiàn)代化水平，有利于實(shí)現(xiàn)棉花的產(chǎn)量預(yù)估、病蟲(chóng)害預(yù)測(cè);有利于節(jié)省生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)水肥的高效合理投入，從而更好地指導(dǎo)棉農(nóng)進(jìn)行棉花的管理等。

參考文獻(xiàn)

[1]王平.基于高質(zhì)量發(fā)展的新疆棉花技術(shù)集成研究[D].石河子：石河子大學(xué)，2020.

[2]潘惠.水旱脅迫下棉花兩種生長(zhǎng)模型的比較[D].武漢：武漢大學(xué)，2017.

[3]梁明磊，相冠鋒，溫冰.棉花生長(zhǎng)模擬模型研究進(jìn)展[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，45（02）：146-147. （責(zé)編：張宏民）