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作物生长模拟模型研究综述马波

文章编号:

1007-4929（201002-0001-05

作物生长模拟模型研究综述

马　波

1,2,3

田军仓

1,2,3

（1.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏银川750021;2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,宁夏银川750021;

3.旱区现代农业水资源高效利用工程研究中心,宁夏银川750021

　　摘　要:

阐述了作物生长模拟模型的概念及其意义、国内外研究进展、存在的问题和发展趋势。

国内外作物模拟模型的研究主要以水稻、小麦和玉米作物模拟模型研究为主,近几年也出现了对其他作物模拟模型的研究,如大豆、棉花、烟草、马铃薯、苜蓿以及一些园艺作物。

在分析已有作物生长模拟模型研究存在问题的基础上,提出了作物生长模拟模型研究的发展趋势。

　　关键词:

作物生长模拟模型;RS;GIS;GPS　　中图分类号:

S126　　文献标识码:

A

AReviewonCropGrowthSimulationModelResearch

MABo1,2.3

TIANJun-cang1,2,3

（1.CollegeofCivilandHydraulicEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China;2.TheCenterofHardTechnologyResearchonWaterSavingIrrigationandWaterResourceRegulationof

Ningxia,Yinchuan750021,China;3.TheCenterofEngineeringResearchonModernAgricultural

WaterResourcesandEfficientUtilizationinAridRegion,Yinchuan750021,China

Abstract:

Thispapersummarizedtheheuristicprocedureofcropgrowthsimulationmodel,andexpoundedtheconceptandmeaningofcropgrowthsimulationmodel,researchprogressanditsproblemanddevelopmenttrend.Themajorresearchisfocusedonrice,wheatandmaizecropgrowthsimulationmodel.Inrecentlyyears,thestudyforothercrops,suchassoybean,cotton,tobacco,po-tato,alfalfaandsomecropofgardeningisconducted,too.Intheend,basedontheanalysisoftheproblemsoftheexistingcropgrowthsimulationmodel,thedevelopmenttrendofcropgrowthsimulationmodelisproposed.Keywords:

cropgrowthsimulationmodel;RS;GIS;GPS

收稿日期:

2009-12-27

基金项目:

国家科技支撑计划课题（2007BAQ0005501;国家自然科学基金项目（50769007;教育部高校博士点科研基金（20060749001。

作者简介:

马　波（1981-,男,博士研究生,主要从事节水灌溉理论与技术研究。

,,0　引　言

作物生长模拟模型简称作物模型,用以定量和动态地描述作物生长、发育和产量形成过程及其对环境的反应。

该模型综合了作物生理、生态、气象、土壤、水肥、农学等学科的研究成果,采用系统分析方法和计算机模拟技术,对作物生长发育过程及其与环境和技术的动态关系进行定量描述和预测。

核心是对整个作物生产系统知识的综合和对生理生态过程及其相互关系的量化。

它的建立有利于已有科学研究成果的综合集成,同时也是作物种植管理决策现代化的基础。

作

物生长模型的应用使得科学研究避免在不同的地方重复相同的试验。

目前的作物模拟模型虽然借助3S技术得到长足发展,但依然存在着一些问题。

1　国内外作物模拟模型研究进展

1.1　国外作物模拟模型研究进展

20世纪60年代,随着农业科学以及计算机技术的发展以及对作物生理动态机理认识的不断加深,作物生长模型的研究得到了初步发展。

经过几十年的发展,已经取得了较大的成就,主要以荷兰、美国、澳大利亚这3个国家所发展的模型影响

1

节水灌溉·2010年第2期

为主。

1.1.1　荷兰作物模拟模型

1965年,deWit[1]对叶冠层的光合作用进行了研究,奠定了作物生长动态模拟模型基础。

deWit学派的第一个模型[2]ELCROS（初级作物模拟器是用于探讨不同条件下的作物潜在生产水平,模型包含了详细的、具有机理性的冠层光合作用部分、描述器官生长速率的部分及有关呼吸作用的最初设想。

在其基础上又发展了BACROS（基本作物模拟器模型[3,4]和ARIDCROP[5]。

deWit学派的第一个概要模型[6]SUCROS所描述的物理过程和生理过程适用于不同的环境条件,具有通用性。

世界粮食研究中心在SUCROS的基础上开发了WO-FOST作物模型,着重强调在定量土地评价、区域产量预报、风险分析和年际间产量变化以及气候变化影响等方面量化中的应用[7]。

MACROS模型作为SARP计划的一部分[8]是比较完善和成熟的机理性作物生长模拟模型,该模型可以模拟作物潜在生产力、水分限制和养分限制条件下的作物生长[9]。

荷兰瓦赫宁根大学与菲律宾国际水稻所（IRRI合作,在MACROS和SU-CROS的基础上开发了系列灌溉水稻模型ORYZA[10],该模型己经在东南亚各国得到广泛验证和应用。

荷兰作物模型的特点是解释性、机理性、通用性强。

模型主要考虑土壤、气候等因素的综合作用,后期模型也考虑了作物的品种遗传特性。

模型主要用于验证科学假设,模拟气候变化、不同管理措施对作物生长过程的影响。

1.1.2　美国作物模拟模型

美国著名的作物系列模型[11]农业技术推广决策支持系统DSSAT囊括了美国众多的著名作物模型,如CERES和CROPGRO系列模型。

作物-环境-资源综合系统CERES系列模型是密西根州立大学Ruthie教授等在20世纪80年代初建立的谷类作物模拟模型,在综合性与应用性方面都有所加强。

它们不仅能模拟作物生长发育的主要过程,还能模拟土壤养分平衡（矿化、硝化、反硝化、固氮、淋溶、吸收和利用等与水分平衡（有效降雨、径流、蒸发、蒸腾、土壤水分的垂直流动与渗漏等[12]。

DSSAT系列模型模拟了完整的作物发育过程,从发芽、叶片出现次序、开花、到籽粒生理成熟和收获;模型模拟了基本的生理生态过程,如作物光合作用、呼吸作用、干物质分配和植株生长以及衰老等;同时还能得到作物的最终产出,如籽粒、果实、块茎或茎秆产量。

除此之外,DSSAT还包括一个一维土壤水平衡模型,该模型可以模拟潜在蒸散、实际土壤蒸发、植物蒸腾、根系吸水、径流、土壤渗漏以及不同土层的土壤水流等[13]。

与之相关的多数作物模型还包括一个一维的土壤氮素平衡模块,用以模拟植物残茬和有机质的矿化与固定、氮素的硝化与反硝化、氮素运移等过程,此外还包括硝态氮的淋溶、氮素根系吸收以及豆类作物固氮等过程[14]。

美国棉花专家管理计算机模拟系统GOSSYMPCOMAX[15]包含两个部分:

GOSSYM模型和COMAX专家系统。

GOSSYM是棉花模拟模型,用于模拟影响棉花生长发育和产量的生物学,花体内的碳、氮平衡,是一个系统动力过程模型。

COMAX是管理GOSSYM数据以及解释模拟结果的专家系统。

与荷兰的作物模拟模型相比,美国的作物模拟模型的特点是应用性强和综合性强。

综合考虑了作物品种遗传特性、土壤、气候和管理措施等诸多因素,可用于模拟作物管理措施的最终效果。

1.1.3　澳大利亚作物模拟模型

澳大利亚系列作物模型APSIM[16]集成了其他各种研究的零散结果,使得某一学科的成果能够应用到其他的学科。

模型是以模拟土壤属性的连续变化为中心的,天气、作物、农艺管理只是引起土壤属性改变的因素,系统含有施肥、灌溉、土壤侵蚀、土壤氮素和磷素平衡、土壤温度、土壤水分平衡、溶质运移、残茬分解等过程模块。

APSIM目前能模拟的作物有小麦、玉米、棉花、油菜、紫花苜蓿、豆类以及杂草等。

除了以上等国的作物模拟模型以外,英国、日本等国家在作物模型方面也取得了很大成就,有影响的模型有SIMRIW模型,由Horie等人于20世纪80年代中期研制[17]。

1.2　国内作物模拟模型研究进展

我国作物生长模拟模型研究起步较晚,20世纪80年代初引进荷兰和美国的模型,在学习借鉴的基础上,取得了较大的发展,逐渐形成有中国特色的作物生长模拟模型。

近年在水稻、小麦、玉米、大豆、温室作物等作物生长发育动态模拟研究与应用上,取得较大进展。

1.2.1　水稻作物模拟模型研究

高亮之开发的水稻耕作模拟优化和决策系统（RCSODS是我国第一个作物模型[18],该模型将作物模拟技术与作物栽培优化原理相结合。

帅细强,王石立等[19]建立了不同发育期的水稻模拟生物量与相对气象产量的相关统计模型,结合趋势产量预测,实现了地区级双季稻不同发育期的产量动态预测。

常丽英、汤亮等[20]所建模型可较好地模拟不同生长条件下水稻不同茎蘖各单位器官干物质动态的变化过程。

1.2.2　小麦作物模拟模型研究

冯利平、高亮之等[21]研究了不同类型小麦品种的发育与温、光等主要环境因子的数量关系,构建了析因指数形式的小麦发育期动态模拟模型（WDSM。

吕军[22]建立了土壤水分运动与作物生长动态耦合模型,对冬小麦生育期和产量进行了模拟验证,生育期模拟误差平均为2.3d,产量模拟误差6.7%。

郑有飞、万长建等[23]将小麦生育期划分为4个阶段,模拟出每一阶段的生育期天数,并且就每一阶段的温光条件对生育期各阶段的影响给出了分析与决策。

刘晓英、罗远培[24]等进行的模型研究对小麦冠部干物质积累动态、根系生长和叶面积扩展的模拟结果与实测值均吻合良好。

张吴平,郭焱等[25]建立的模型能够从机理层次反映根系的生长发育过程,通过温室试验实现了小麦苗期三维根系生长发育过程形态与生物量的模拟与可视化。

谭子辉[26]建立了定量描述小麦叶片生长动态、叶鞘及茎秆形态建成动态、麦穗生长动态、叶片SPAD模拟及SPAD与RGB的关系模型,均具有较高的预测性。

王志强、方伟华等[27],温度胁

2作物生长模拟模型研究综述　　马　波　田军仓

迫的降低在一定程度上促进了小麦的增产。

1.2.3　玉米作物模拟模型研究

近几年,国内对于玉米模拟模型的研究取得了很大的突破,主要是对玉米生育期模拟,叶片光合速率的动态特征、叶面积、干物重增长与籽拉灌浆模型,气象因子、土壤湿度和氮素供应对玉米生长和发育的影响以及玉米的发育、生长和产量形成过程,产量构成因素与活动积温的关系,根系吸氮过程,生长过程中植株各个器官形态变化以及植株高度模拟的研究[28-33]。

研究均取得良好的效果,在某些程度上实现了植株形态的可视化。

1.2.4　大豆作物模拟模型研究

石春林、金之庆等[34]构建的大豆发育期模拟模型对大豆发育期模拟误差一般小于5.0d。

分析表明开花期与成熟期的平均模拟误差分别为0.3d和0.1d,均方根误差（RMSE均为1.1左右。

孙红敏、李晓明[35]实现了对大豆叶片结构的定性模拟。

1.2.5　棉花作物模拟模型研究

潘学标、韩湘玲等[36]开发的棉花生长发育模拟模型（COGTRWO可根据土壤和气侯数据模拟播种期、密度、地膜覆盖、去早蕾、打顶、喷缩节安、喷乙烯利、灌溉和施肥等单个或组合措施条件下的棉花生长发育、产量和品质形成,还可模拟2m土层内各土层的土攘水分状况、氮素状况及植株各部分的含氮量和最终棉株对氮、磷、钾的吸收量。

1.2.6　马铃薯作物模拟模型研究

黄冲平[37]开发了马铃薯生长发育动态的模拟软件（HPO-TATC,在国内第一个完成了马铃薯生长发育模拟模型的构建,包括马铃薯的生育期模型,株高、叶龄等植株个体性状模型,群体叶面积动态与光合生产模型、干物质积累与产量形成模型等。

1.2.7　烟草作物模拟模型研究

烟草方面的研究主要是对烟草生育期、叶龄动态、烟草根系、茎和群体叶面积发展动态以及根系生长发育模块、根系水分吸收和茎叶与根系干物质分配的模拟模型的研究[38,39]。

1.2.8　紫花苜蓿作物模拟模型研究

朱玉洁[40]开发研制的模型考虑了紫花苜蓿单叶和群体的光合作用和呼吸作用,分层计算紫花苜蓿田间土壤水分动态平衡,增加了氮素平衡模块,包含栽培管理措施模块。

1.2.9　温室作物模拟模型研究

温室作物模拟模型研究主要开展了以下作物的研究。

（1温室番茄:

对温室番茄作物模拟模型的研究主要集中在番茄主要生长发育过程及其与环境因子间的动态变化关系以及番茄各物候期的到达日期、叶面积指数、植株总干物质量、叶干重、茎干重、果实干重的模拟模型研究[41,42]。

（2温室黄瓜:

王会军[43]建立的模型可以根据叶长和叶宽快速的预测出黄瓜叶片的叶面积,实现单叶叶面积随生长天数变化的动态模拟。

（3温室甜瓜:

温室甜瓜方面的研究主要是对基于生长度日及灌溉水分上限的甜瓜幼苗生长发育、植株形态变化机理、、受日温差累积、光辐射积累及有效积温驱动的干物质分配的模拟模型以及甜瓜叶面积指数（LAI模型和适合我国种植技术的甜瓜光合作用与干物质积累动态模型的研究[44,45]。

（4温室切花菊:

杨再强[46]建立的模型能够通过输入温室内平均温度、光合有效辐射和品种参数可以同时预测标准切花菊不同发育阶段、干物质总产量、不同器官干物质量和主要外观品质指标。

可见温室作物研究主要是针对一些具有较高经济效益的作物进行的研究。

1.2.10　通用的作物模拟模型研究

国内还有一些通用的作物模拟模型,这些模型主要是对预测不同生态环境、品种类型和生产条件下作物生长发育和产量形成过程及其与水分和养分的动态关系,光合作用模型、蒸腾作用模型、根系吸水模型和物质分配模型,生长过程,土壤水分、养分、温度变化过程,植物趋光生长、顶端优势、剪枝掐尖、遭受虫害以及体内营养物质分配等过程的模拟,作物生育期间的平均LAI、总光合势、任一时刻的LAI以及任一时段的光合势计算的研究。

这些研究结果能够动态的反映不同环境因子条件下作物的光合、蒸腾、吸水和分配积累过程,可得到作物生长期间的平均净同化率和平均作物生长率等产量相关的重要生理参数,在一定程度上实现了作物生长过程模拟的可视化[47-51]。

从国内外研究的发展历程来看,作物模拟模型的研究大致经历了幼年期、少年期、青春期和成熟期4个时期[12]。

在研究的各种作物模拟模型中,还未见对压砂地西瓜作物模拟模型的研究文献。

2　作物模拟模型研究存在的问题

由于作物生长模拟模型的建立受到各种条件和因素的影响,现有的作物生长模拟模型在实际应用上还存在着一定的问题,具体归结为以下4个方面。

（1模型多是半经验半机理性的[52]。

大多数作物模型仅限于几个相同因素的限制的生产水平,这些模型没有考虑全部的限制因子对模拟的影响,模拟的准确性还不够。

（2模拟模型的开发缺乏统一的方法和标准。

模拟模型在单作物生理生态的基础上进行作物的生长发育等模拟,使模拟模型的开发缺乏统一的方法和标准,各种模型对作物生理生态过程的量化描述繁简不一,参数取值差别较大,影响了与其他信息技术的结合。

（3模型通用性较差。

很多模型仅对农业生产系统的主要生产过程进行模拟,在某个小区域模拟效果较好,但推广范围窄。

同一物种在不同地区有可能参数不同,不同品种的参数也不同,因此,被引进的外地模型,参数适宜性较差,很难本地化[47]。

（4模型的有效性检验差。

由于缺乏模型运行所需的气候、土壤和作物特性等资料,模型所需生产对象参数和环境参数的代表性差、重复性不理想等缺点,模拟模型的可靠性验证与有效性检验存在一定困难[47]。

以致于常用模拟值与实测值[53]。

3

作物生长模拟模型研究综述　　马　波　田军仓

3　作物模拟模型研究的发展趋势

未来作物模拟模型研究在成熟期的基础上必然朝着宏观和微观的方向发展。

宏观上,模拟模型和3S技术、专家系统、决策支持系统、网络技术、天气发生器等高新技术或其他领域模型进一步有机结合;微观上,作物模拟模型的研究进一步趋向细化、具体化、机理化,对作物的品种、个体、器官、组织、细胞以及生理生化过程进行模拟[54]。

其主要发展趋势有以下6个方面。

（1模型的改良和机理性不断加强[47,54]。

对已有作物模拟模型的改良不断加深,研究进一步向机理性和应用性方向发展,模型的输入参数将随着其他相关学科的发展而易获取,不断提高模型的精度和适用性。

（2模型的仿真性和可操作性日益增强。

对于作物生长模拟模型的研究将会考虑更加全面的影响因素,包括气候条件、经济效益、市场预测等在内的各种因素都将集成到相应的作物模拟模型中,模型要求具有高度的仿真性。

同时,模型的可操作性将不断被加强,一些复杂的模型将从科学研究领域转向直接指导农业的生产领域[47]。

（3综合性研究和多学科结合是未来作物模拟模型的必然之路。

随着科学技术的进步,人们对作物的认识越来越深入,对于作物生长过程的研究不再是仅仅局限于任何一个方面或一个领域,对于作物的水、肥、气、热、气候条件生长发育性状的量化描述、参数选择,形成可包容的多作物模拟系统[47],多学科合作是未来作物模拟模型研究的必然之路。

（4与3S技术和互联网紧密结合。

作物生长模拟模型通过GIS自动获取天气和土壤数据及管理数据,然后进行区域作物生产模拟并用地图进行空间表达,同时利用RS技术监测获取初始数据或生长势校正数据,共同进行产量监测和预测,评估生产和灾害风险。

还可以利用GPS获得定位数据进行小范围模拟,根据模拟结果进行定位施肥、灌溉、施药和其他管理。

模型通过与3S的结合,使得模型电子化,这样可以进行网上远程诊断和预测,提高模型的实效性。

可实现网