摘要：本文概要介绍了ORYZA2000模型模拟水稻生长发育及产量形成、水分变化及N素变化动态及其影响的原理与过程，以及模型运行需要的设置文件与输入参数数据值。

并介绍了该模型在中国的验证与应用情况。

水稻生长模型ORYZA2000是ORYZA系列模型的最新版本。

是国际上具有代表性的水稻模型之一。

ORYZA2000可以用于模拟潜在生产、水分限制生产及氮素限制生产条件下的水稻生长发育与产量形成和水分平衡过程。

它由多个模块构成，包括地上部作物生长模块，蒸腾蒸发模块，氮素动态模块，土壤水分平衡模块等。

ORYZA2000能够模拟移栽水稻也能模拟直播水稻的生长发育。

最近，研究者通过在ORYZA2000模型中引入模拟旱作土壤水分平衡模型以及水分胁迫模块等，拓展ORYZA2000以适应于旱作水稻生长发育的模拟。

ORYZA系列水稻模型最初是开发应用于热带地区的水稻生长模型。

近年来，ORYZA2000模型已引入到中国应用。

2004年，首次在北京举办了“水稻生长模型ORYZA2000培训班”。

在澳大利亚国际农业研究中心（ACIAR）项目及国际农业研究“挑战项目：水和食物”（CPWF）研究中，在中国的长江流域水稻生产区、黄河流域水稻生产区及北京地区对ORYZA2000模型进行了参数调试和初步的验证。

利用ORYZA 2000模型进行了大田水平的不同灌溉方式、土壤渗透性与不同地下水位深对水稻产量、水分平衡、灌水量、水分生产率及优化灌溉决策等背景分析研究。

ORYZA2000模型[1]是ORYZA系列模型的最新版本。

ORYZA系列水稻模型是由国际水稻研究所（IRRI）与荷兰瓦赫宁根大学（WUCR）联合研制的模拟热带地区水稻的作物生长模拟模型。

从20世纪90年代早期至今，ORYZA系列模型已有多个版本，包括最初的潜在生产水平下的ORYZA1（Kropff M.J等，1995），水分限制条件下的ORYZA-W（Wopereis M.C.S.，1996），以及氮素限制水平下的ORYZA-N（Drenth H.等,1994）和ORYZA1N（Aggarwal P.K.,1997）。

2001年，国际水稻研究所Bouman等人将之前各版本的模型进行完善扩展并装配在一起形成了一个综合的模型版本，称为ORYZA2000（Bouman B.A.M.，2001）。

ORYZA2000可以模拟潜在生产、水分限制和氮素限制条件下水稻的生长和发育情况，并假定在所有这些生产条件下，作物完全不受病害、虫害以及杂草的影响并且没有产量减少的情况发生。

ORYZA2000由多个模块构成，包括地上部作物生长模块，蒸腾蒸发模块，氮素动态模块，土壤水分平衡模块等等。

ORYZA2000既能够模拟移栽水稻也能模拟直播水稻的生长发育。

最近，研究者通过在ORYZA2000模型中引入模拟旱作土壤水分平衡模型SAHEL和SAWAH，以及水分胁迫模块等，拓展ORYZA2000以适应于旱作水稻生长发育的模拟。

ORYZA2000在FORTRAN模拟环境系统(FSE)下通过Compaq Visual Fortran 进行编程实现。

FSE系统是专门为动态模拟农业生态生长过程的模型进行编程而设计的，如作物的生长过程，以及每天需要输入天气数据的情形。

FSE系统由如下成分构成：主程序FSE，其功用是调用组成作物生长和水分平衡模型的模块，处理适时的信息交换和每天结束时速率的积分；WEATHER库用于管理天气数据（van Kraaling等，1991）；实用库TTUTIL用于数据的读取与写入等专门的软件工作（van Kraalingen and Rappoldt, 2000）；以及一套编程原则。

FSE使用模拟模型中的“速率-状态”的概念（van Keulen and Wolf, 1986; Leffelaar, 1993），确保了所有模块和子程序的运行能够平行进行，以及按正确的时间步长交换数据。

ORYZA2000被打包在基于Windows的用户友好界面的FSEWin中，也具有很好的模块化结构。

Bouman等（2001）给出了这个模型和编程代码的详细解释。

本文概要介绍用于模拟潜在生产、水分限制和氮素限制下生产条件下的水稻生长模型ORYZA2000（2004年4月，2.11版）。

1 作物生长发育ORYZA2000遵循逐日计算植株器官干物质生产速率和物候发育速率的方案。

通过沿时间对这些速率进行积分，可在整个生长季进行干物质生产和发育阶段的模拟。

模型中积分的时间步长为一天。

一些文献已对干物质生产的计算过程做过很好的描述（Spitters等，1989；Goudriaan and Van laar，1994；Van laar 等，1997）。

总的日冠层CO2同化率通过每天吸收的辐射、温度及叶面积指数来计算。

使用高斯积分方法沿每天与冠层所有叶层对瞬时叶片CO2同化率积分，得到逐日冠层CO2同化速率总量（Goudriaan,1986）。

这种积分是基于一个假定的日辐射变化的正弦时间过程和冠层内部辐射量的指数递减变化。

单叶片光合作用取决于以面积为单位的叶片氮素浓度、直接与间接辐射强度、气孔CO2浓度和温度。

考虑了干旱对光合作用的影响。

从总同化量中减去维持呼吸消耗量得到每天净生长量，并以每天每公顷多少千克碳水化合物来表示。

按照由实验得到的分配系数（该分配系数是发育进程的函数），生产的碳水化合物分配到根、叶片、茎和穂部器官。

干旱对光合产物的分配影响见“水分动态”部分的描述。

碳水化合物转化为结构性干物质的计算根据Penning de Vries 和Van laar(1982)给出的方程实现。

从开花期之后，叶损失率的模拟通过实验得到的损失率因子（该因子是发育进程的函数乘以残余绿叶生物量得到。

然后，叶损失率乘以两个表达水分和氮素限制作用的影响参数。

在谷类作物中，籽粒灌浆期碳水化合物的生产（源的大小）可以高于或少于籽粒本身的储存容量（库的大小）。

而库的大小取决于籽粒的数量及其最大生长率。

开花期的小穗数通过从圆锥花序开始分化（PI）到开花期间积累的总生物量来计算（Kroppff等，1994），并采用Horie(1988；1993)描述的方法对由于温度过高或过低造成的小穗不孕进行计算调节。

干旱对小穗不孕的影响见“水分动态”部分的描述。

受孕的小穗则以同化物充实直至达到其最大籽粒重。

当库容有所限制时，剩余的同化物分配到茎部作为结构性碳水化合物。

叶面积增长包括源限制和库限制两个阶段。

在第一个阶段，叶片之间没有相互遮荫，叶面积的增加不受可获得的同化物的限制。

此时，叶面积生长呈一个积温与相对叶片生长率乘积的指数分布函数形式。

考虑了干旱和氮素限制对相对叶生长率的影响，将在下文中介绍。

在指数阶段之后（当LAI大于1时），叶面积增长取决于用于叶片生长的碳水化合物的多少。

在这个线性生长阶段，叶面积增加等于叶重增加乘以一个作为发育期函数的比叶面积。

指数阶段向线性阶段的平滑转化通过采用由指数方程和线性方程导出的叶面积生长率的加权值来实现。

水稻移栽之后，根据移栽后植株密度相对于苗床植株密度的不同，LAI以及所有的生物量值都将重新设定。

在一个叫做“移栽适应期”的阶段结束后作物重新生长。

Kropff等（1994）建立了一个作物移栽适应期长短与作物苗床期积温（度-日）间的线性关系。

直播条件下，作物没有移栽适应期，也不需要重新设定LAI 与生物量值。

作物发育时期（DVS;-）定义了它的生理年龄，其特征是不同器官的形成与出现。

水稻的发育期定义为：0－出苗，0.65－穗分化开始，1＝开花，2＝生理成熟。

根据不同发育阶段发育速率常数、日热量单位（HU；°Cd d-1）增量和光周期变化，计算物候发育速率。

这个发育速率是完成某一发育阶段（从开花到成熟）所需要的时间（以°Cd表示）倒数。

发育期是沿时间（度日）对发育速率（DVR；(°Cd)-1）的积分。

2 水分动态变化干旱影响许多的作物生长过程，如叶片扩展、卷曲、衰亡，叶片光合作用，同化物分配以及穗不育率（Yoshida,1981;Bouman and Tuong, 2001）。

图1表示ORYZA2000中水分动态变化及干旱的影响。

在营养生长期受到胁迫的植株，其叶片扩展速率在植株正常生长初期之后会迅速下降。

在IRRI进行的盆栽试验中，Wopereis等（1996）发现在土壤水分张力达到50kPa左右时，叶片扩展减慢，在达到260kPa时几乎完全停止。

在ORYZA2000中，指数生长阶段的相对叶片生长率需要乘以一个叶片扩展减少因子。

这个因子通过把界于上述两个限制值的根层土壤水分张力转化为0至1的值而得到。

在干旱时，叶片卷曲降低了光合作用所截获的太阳辐射量。

在Wopereis的盆栽试验中，在土壤水分张力为200-300kPa时叶片开始卷曲，在400-1000kPa时叶片卷曲达最大值。

如同叶片扩展减少因子，叶片卷曲因子的计算也是通过把界于上述两个限制值的根层土壤水分张力转化为0至1的值而得到。

在ORYZA2000中，LAI 在进入光合作用和蒸腾作用程序计算之前，它要先乘以这个叶片卷曲因子面求得。

干旱加速了叶片的衰老和死亡速率。

在Wopereis的实验中，土壤水分张力达300kPa时叶片开始死亡，在700kPa时完全死亡。

在ORYZA2000中，总的叶死亡速率通过由于正常衰老造成的叶损失率乘以一个0到1范围的叶死亡因子得到。

作物在水分胁迫下会关闭气孔来减少蒸腾。

这增加了对CO2气体交换的阻力，减少了光合速率。

假定在水分胁迫情况下，存在一个恒定的蒸腾与总光合作用的比率（de Wit,1958; Van Laar等,1997）。

在ORYZA2000中，叶片光合速率通过相对蒸腾速率因子来减少，这个因子定义为实际蒸腾与潜在蒸散的比。

在Wopereis的实验中，相对蒸腾速率从土壤水分张力达70kPa时的1开始降低至土壤水分张力达1500kPa时接近零。

实际蒸腾量由潜在值乘以相对蒸腾速率得出。

潜在蒸腾速率的计算用Penman-Monteith方程，Priestley-Taylor方程, 或Makkink方程（可由用户定义）（Van Kraalingen and stol,1997）。

在水分胁迫下，碳水化合物在地上部与根部间的分配向有利于根部生物量的方向发生变化（Brouwer,1965; O Toole and Chang, 1979）。

ORYZA2000中，依据van Laar 等(1997)相对蒸腾速率作为总碳水化合物量分配到地上部分的碳水化合物的一个减少因子。

开花期水分胁迫能够增加穗不孕率（Yoshida,1981）。

Turner等（1986）发现由于干旱导致的温度增加和穗不孕率的增加之间存在一定关系，建立了叶片卷曲程度与温度增加间的关系。