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FSE
究开发中[24 ,36 ] .
3 作物生长模拟模型的特性
作物生长模拟模型是动态的 、解释性的模型. 通常 借助 Forester (1961) 的状态变量法来研究作物系统组 成成分之间的关系 ,即使是最简单的状态反馈图 ,也始 终包含一个状态变量 ,其变化受制于一个速率和一个 从状态到速率的信息流 ,因此作物生长模拟是一个动 态的模拟过程. 生物科学的特点是将复杂的有机生命 体区分成不同等级的系统进行研究 ,并将其概念化 (分 子 、细胞器 、细胞 、器官 、植株个体 、种群与群落) . 而这 种划分是区分解释性和描述性模式的起点[12 ] . 在解释 性的作物生长模拟方法中 ,可以使用子模式的方式去 体现叶子 、细胞 、气孔的活动或光合作用过程. 例如 ,叶 片光合作用及反应过程特性是低层次的细胞和叶绿素 反应过程的结果 ,而冠层光合作用是所有叶片光合作 用的集合 ,所以通常在较低系统内的过程结合为一个 模式 ,而在较高系统层次上了解认识有机体的活动现 象并输出其结果到其它过程之中 ,这在荷兰的作物模 型中最为典型. 然而 ,子模式之间通常并非是有序进行 的 ,它们相互之间处于平行或者连续进行方式中 ,因而 常采用分层嵌套方式来处理. 但各种过程的时间系数 或对外界反应时间是不一致的 ,因此如不注意会导致 生长模拟的许多严重问题. 其次 ,作物生长模型的解释 性是因为模型包含的速率变量计算是基于最基本的生 理和生物化学过程的解释知识. 由于作物生长过程是一个连续过程 ,因此 ,这样一 个过程总是由积分来完成的 ,通过引进一些边界条件 及限制因素而将微分方程转化为差分方程并进行积
CSM P
1989 高亮之等
1989 戚昌翰等
1989 Martin Kropff 1990
RICEMOD 水稻 RICAM 水稻 OR YZA21 水稻
气象因素 ,作物参数
气象因素 ,作物参数
气象因素 ,作物参数 管理因子
生长期 ,形态发育 ,
1
产量 ,分蘖动态
生长期 、形态发育 、产量
1
潜在产量 ,生育期 、形态发育等 1
杨京平 3 3 王兆骞 (浙江大学农业生态研究所 ,杭州 310029)
【摘要】 论述了作物生长模型在国内外的研究及其发展过程 ,作物模型的机理及在农业生产中的作用 ,对作物 生长模型在生产应用中存在的问题及今后的发展方向进行了讨论.
关键词 作物生长模型 模拟 应用
Crop growth simulation model and its application. Yang Jingping and Wang Zhaoqian ( Instit ute of A gricult u ral E2 cology , Zhejiang U niversity , Hangz hou 310029) . 2Chi n . J . A ppl . Ecol . ,1999 , 10 (4) :501～505. This paper reviewed t he present situation of related study development of Crop Growt h Simulation Model ( CGSM) , and its mechanism and role in agricultural production. The existing problems of t he model in application and its devel2 opmental direction in future were also discussed.
应 用 生 态 学 报 1999 年 8 月 第 10 卷 第 4 期 CHIN ESE J OU RNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Aug. 1999 ,10 (4) ∶501～505
作 物 生 长 模 拟 模 型 及 其 应 用3
小麦等作物

分 、日长 、作物参数
积 ,根长度与密度 ,生育期
PO TA TO 马铃薯
空气温度及变幅 ,
根 、块茎 、茎 、叶的生
1
土壤温度 ,作物参数
长量 ,器官的生长发育
SUCROS 谷类作物
气象要素 ,田间参数 ,
形态发育 ,地上各个器官干重 , 1
作物参数
叶面积指数
CSM P FO R TRAN FO R TRAN FO R TRAN FO R TRAN
2 作物生长模拟模型
模型是对所研究的系统简化与概要的描述[12 ] ,因 此作物生长模拟模型是利用计算机技术借助数学模型 对作物2土壤2大气系统中作物的生长发育及产量形成 与外界环境的系统组成与变化进行动态仿真的过程. 这种模拟是对作物生理生态过程的动态与概要描述. 由于计算机科学的发展 ,目前国内外一些研究人
3 荷兰及国际水稻研究所合作资助项目 (SARP2 Ⅲ) . 3 3 通讯联系人. 1997 - 05 - 20 收稿 ,1997 - 10 - 27 接受.
502
应 用 生 态 学 报 10 卷
表 1 国内外研制的主要作物生长模拟模型 Table 1 Main crop growth model developed in China and abroad
分 ,大量作物模拟因子都使用逐日的积分时段. 在表 1 中 ,多数模型的积分时间步长为 1d ,这是因为与作物 生长的有关因子尤其是气象因子的强制函数日过程 (辐照与温度) 不能处理得令人满意有较大关系[12 ,30 ] .
4 作物生长模拟模型的应用
作物生长模型已经开始在发达及发展中国家应 用 ,我国通过引进国外模型及自主开发 ,也开始在作物 栽培及管理上加以应用[2 ,5 ,7 ,8 ] . 就目前作物生长模拟 模型研究与应用的功能来讲[1 ,5 ,12 ,16 ,30 ] ,主要在以下 几方面 : 4. 1 产量预测 Kropff [27 ]在国际水稻所运用 OR YZA21 探讨了热 带地区水稻产量的上限和不同因子决定产量潜力的大 小与范围 (作物冠层持续期 、碳水化合物从茎到籽粒的 转运率 、灌浆持续期和小花密度) ,其结果显著地影响 了国际水稻研究所设想的“超级稻”计划. Aggarwal 和 Penning de Vries[13 ]运用作物生长模型对春小麦在泰 国 、菲律宾 、印度尼西亚种植的可行性及生产潜力进行 了研究. 结果表明 ,在东南亚许多地区有种植春小麦的 潜力 ,其在灌溉稻田产量变化为 3. 0～5. 0t ·hm - 2 ,在 100～2000m 海拔内 ,每增加 400m 产量潜力增加 1. 0t ·hm - 2 ,在无灌溉地区产量潜力依赖于土壤深度及旱 季降雨量. 考虑播种时期及播种时土壤水分状况 ,春小 麦产 量 潜 力 为 灌 溉 稻 田 小 麦 潜 力 的 30 ～ 90 %. Matt hews[28 ]运用作物生长模型探讨了全球气候变化 对作物生产的影响. 高亮之等[5 ] 利用水稻种的模型估 算了杂交籼稻 、迟熟中籼 、常规中粳 、早熟晚粳品种在 长江流域的最适生产季节和产量 ,表明在 4 月 10 日到
员在作物生长模拟模型上进行的研究工作已经推出了 几种主要的模拟模型 (表 1) [6 ,12 ,16 ,30 ,34 ] . 从作物生长 模型的结构来看 ,它包括了作物生长发育的一些主要 过程 : 光合作用过程 、养分摄取 (地下根系的生长动 态) 、同化产物分配 、蒸腾作用过程 、生长和呼吸作用 、 叶片的生长与扩展和形态发育与衰老过程[11 ] . 大多数 模型都结合了上述所列的主要过程 ,并以多种方式来 处理这些过程. 由于作物生长系统的复杂性 ,因此要建 立的模型必须考虑各种外界的环境因素与变化过程对 作物本身的影响 ,这必然使模型变得庞大而失去实际 意义. 为此 1982 年 de Wit 和 Penning de Vries 提出了 将作物生长模拟划分为 4 个水平[12 ] ,1) 生产水平 1 : 潜在生产. 作物生长在水分与养分充分保证的条件下 , 其生长速率与产量潜力仅受温度与光照条件影响. 2) 生产水平 2 :水分限制下的生产. 作物生长过程中部分 时期受到水分短缺的影响 ,但养分充足. 3) 生产水平 3 :N 素限制下的生产. 作物生长过程中部分时期受到 N 素短缺的影响 ,其他时期受到水分与气候因子的影 响. 4) 生产水平 4 :养分限制下的生产. 作物生长过程 中部分时期受到 P 素或其他矿物元素短缺的影响 ,其 余时期受到 N 素 、水分和气候因子的影响. 在上述 4 种情况下 ,考虑害虫 、杂草的影响将进一步降低作物的 产量[12 ,26 ,30 ] . 但是实际作物生长过程并非如上所述的 4 种情况. 对照表 1 所列的作物生长模拟模型 ,目前所 研究与开发的作物生长模型主要是在第一及第二生产 水平上较多 ,而在第三水平的作物生长模型则仍在研
Key words Crop growt h model , Simulation , Application.
1 引 言
作物生长模拟技术是 60 年代初在欧洲及美国出 现的 ,其思想方法是从工业生产分析所用的系统工程 方法借鉴而来. 1965 年荷兰的作物生长系统分析及模 拟先驱 de Wit 扩展了前人的有关作物对光截获和转 化 、叶层光合作用的知识 ,并构建了作物冠层的光合作 用模型[19 ] . 他的开创性工作及后来的类似研究 ,加上 计算机科学技术的飞速发展 ,导致在作物光合作用 、生 长过程模型研究的广泛开展[3 ,20 ,23 ] . 现今 ,在工业发 达的国家 ,仿真模拟已经成为广泛使用的技术工具 ,但 在发展中国家仍然处在起步阶段. 近十几年来 ,美国及 国际上的主要农业研究刊物都发表了许多有关作物生 长模型的研究与应用的论文. 在全球主要有两大研究 机构在进行作物生产模拟研究 、应用与推广工作 ,即荷 兰的瓦赫宁根农业大学的理论生态系 ( TPE2WAU) 、 土壤肥力与农业生物研究所 (AB2DLO) 及美国的德州 大学实验站和国际农业技术推广网络 ( IBSNA T) ,澳 大利亚及欧洲现在也在研究开发作物生长及农业生态 模型.