【作物生长模拟】
拼译：the simulation of crop growth
作物科学中引进系统分析方法和应用计算机后兴起的一个研究领域。它是通过对作物生育和产量的实验数据加以理论概括和数学抽象，找出作物生育动态及其与环境因素间关系的动态模型，然后在计算机上模拟在给定环境下作物在整个生育期的生长情况。 与用于预测产量的“气候－产量”模型等传统的经验统计模型不同，作物生长模拟模型从作物生理生态的机理出发，量化作物生长的过程和行为，因而又称为机理性模型、解释性模型或过程模型。它模拟的不仅是作物产量，而且是作物整个生育进程各生理生态过程的发生和演化动态，预测产量是这种模拟的结果。因而在预测产量时，它还从作物生育过程中为这种产量差异提供解释。由于作物模拟研究可以进一步增进了解作物生长的生物学和物理学过程，代替特定地点的部分田间试验，估算气候异常变化对作物产量的影响，减少农业技术推广所需成本与时间，预引进新品种或新技术的可能效益与风险，它日益受到人们的重视。1965年德威特(C．T．de Wit)、1967年邓肯(W．G．Duncan)相继发表对作物群体光合作用的模拟文章，是作物模拟的最早研究。其结果被用于估算某地区作物产量潜力并进而为作物栽培和育种提供目标。此后，作物模拟研究发展很快，反映各种作物生理生态过程或作物生态系统的模拟模型相继提出，主要模型列于下表。表1 一些主要的作物模拟模型 
总体说来，荷兰和美国的作物模拟研究代表了当今本领域的研究水平。荷兰的模拟研究以强调模型的生物机理性为特性，其研究活动主要在瓦赫宁根地区的荷兰农业生物研究中心，瓦赫宁根农业大学理论生产生态系进行。1970年，德威特等在光合作用模型的基础上，首次把呼吸作用引入模型(最新假定呼吸强度与光合量呈固定比例，后来则认为与累积的生物量呈一定比例，再加上与生长率呈一定比例的呼吸量)，并考虑到作物地上部与地下部的功能平衡，由此构造了早期完整的作物模拟模型ELCROS。后来发现对呼吸作用如此量化并不完善，尽管1974年佩宁德弗里斯(F．W．T．Penning de Vries)等发现，作物生长呼吸与新形成生物量的化学构成直接相关，但对维持呼吸的量化仍有较强的经验性。1977年，高德里安(J．Goudnaan)将微气象学原理引入模型，以模拟冠层阻力对热、气交换的影响。高德里安的工作为模拟作物蒸腾作用奠定了基础。1978年，德威特等提出了一个结构复杂的综合性模拟模型BACROS。因BACROS模型用几小时的步长模拟作物生长，需用的时间刻度标准来评价。于是在瓦赫宁根建造了一个能在田间连续测定作物同化量和蒸腾量的动态实验室。这导致新的一轮检验，修正和完善BACROS模型的研究。由于BACROS模型理论性强，对作物生理生态过程量化十分细致，现已成为研究其他模型的一种参考模型。1982年，范凯伦(H．van Keulen)等根据BACROS，建立了简单通用的作物模型SUCROS。1982年，德威特曾根据作物生长的不同限制因子提出了作物生长的四个层次水平，其对应的限制因了依次为光温、水分、氮素、磷素和其他矿物质。作物产量随层次水平的提高而降低。此后的模拟研究依这4个层次水平展开，其中第1、2层次水平的模型相对成熟。1982年，拉宾治(R．Rabbinge)还针对第一层次水平上病虫害对作物生长的效应进行了模拟。1989年，佩宁德弗里斯等建立了1年生作物生长模拟模块MACROS，包括第1层次水平上的模拟作物潜在生长的LID和LIQ、第2层次水平上的模拟作物蒸腾作用的L2C及模拟土壤水分运动的L2SU和L2SS，以及这些模块计算所需的子程序。通过国际水稻研究所，MACROS已在东南亚产稻国家推广应用。瓦赫宁根的科学家现正集中于通过研究作物形态学和维持呼吸等过程，并与其他学科的模型相结合，以进一步改进BACROS和SUCROS模型。美国的作物模拟研究十分普遍，通常把“天气、土壤、作物、技术”看作一个综合生态系统，以强调模型的应用为特征。1976年，阿克因(G．F．Arkin)等提出高粱生长的动态模型SORGF，接着对玉米、小麦和棉花等开展了类似研究，以评价和改善这些旱地作物系统的生产力。在SORGF中，作物日净同化量假定与太阳辐射截获量呈正比。与此相比较，1983年贝克(D．N．Baker)等研制的棉花生长模型GOSSYM中，作物的净同化量由计算日光合量与呼吸量之差而成，而光合量和呼吸量则分别依赖于日辐射和温度。后来，GOSSYM与美国农业部农业研究服务中心1986年研制的“棉花管理专家系统COMAX”组合成一个动态的棉花生长管理决策系统。COMAX-GOSSYM系统可以提前几星期预告氮素和水分胁迫并推荐最佳施肥方案、预报生育进程、推荐最佳胞叶期和采摘期。它与作物专家系统相结合，是改善作物模拟模型应用的一个发展方向。1982年，美国开发局设立“农业技术转让国际标准定点协作网”(IBSNAT)合作项目，提出把系统分析和作物模拟作为反饥饿的一种武器。此后，作物模拟研究在美国更加活跃。在IBSNAT项目支持下，1986年，琼斯(C．A．Jones)等、1987年，里杰(J．T．Ritchie)等、1988年，阿罗西尔伽(EC．Alocilja)等相继提出玉米、小麦、稻谷等作物的CERES模型。1988年，布特(K．J．Boote)等也研制出其他旱作(如花生、大豆等)的模拟模型。这些模型可以比传统方法大大提高高产地区向低产地区的农业技术转让效率。例如，CERESRice模型可以帮助初步筛选适宜于热带和亚热带气候环境的各种类型土壤的新品种和管理技术措施。考虑到应用高产技术既可能带来效益，又有一定风险，1988年阿罗西尔伽等还研制了“模拟－多目标优化技术”软件包SMOT。应用SMOT，可以筛选出兼顾效益和风险性的高产技术。SMOT可应用于任何作物的CERES模型和IBSNAT项目中的其他模型。作为一个决策支持系统。SMOT对于作物技术推广人员、研究人员以及政策制订者均具有较大的实践意义。中国的作物模拟研究起步较晚。江苏农科院(1989)和江西农业大学(1990)分别提出水稻模拟模型RICEMOD和RICAM；中国农科院棉花研究所也初步研制出棉花高产栽培生育动态模型CGSM；它们尽管有一定特色，但与发达国家比较还相对落后。因此，适当引进吸收国外的现有模型，评价它们在我国的适宜程度，对它们(包括其中的子模块)进行比较研究，将有助于加快我国的作物模拟研究步伐。现有作物模拟模型中还有许多部分经验性很强，如生育期、同化物分配、形态发育、维持呼吸等过程的量化，均有待进一步改善。对这些过程的深入研究将推动模型的机理性向更深层次发展。模型的机理性越强，包含的参数越多。参数估计是作物模拟研究的重要环节，也是最不确定的一部分。与作物模型相应的参数估计方法及其计算程序，迄今很不完善，值得进一步探索。研制作物模拟模型的目的在于应用，改善模型的应用性将是另一个意义的课题。为改善其应用性，一方面可以在模型前添加一程序片段，使模型运行时实行“人－机”对话，以方便用户；另一方面应使模拟模型与专家系统、运筹学等其他领域研究相结合，通过计算机反复试验(包括利用编码规律、知识库、信息库等)进行决策。这样可以使作物模拟决策系统成为农民从事生产管理决策的有效工具。加强模型的机理性和应用性，并使之有机结合，是作物模拟研究的未来发展方向，这需要有多学科人才的协同研究。1991年12月，在泰国曼谷召开的“农业发展的系统方法”国际会议，决定加强作物模拟和农业系统研究的国际合作，以促进作物模拟方法在发展中国家的应用。【参考文献】：1 Agricultural Research Service．when COMAX speaks，farmers listen．Agricultural Research，1986，84：8，6～102 Alocilja E C，Ritchie J T．Upland rice simulation and itsuse in multicriteria optimization．IBSNAT Research Report Series，1988，23～493 Arkin G F，Vanderlip R L，Ritchie J T．A dynamic grain sorghum growth model．Transaltions of the American Society of Agricultural Engineers，1976，622～626，6304 Baker D N，Lambert J R，Mackinion J M．GOSSYM：A simulation of cotton crop growth and yield．South Carolina Agriucltural Expertiment station Technical Bulletin，1983，1089：133 pages5 Goudriaan J．crop micrometeorology：a simulation study．Simulation Monographs．Pudoc．Wageningen，19776 Keulen，H van，Penning de Vries，F W T，Drees E．M．A summary model for crop growth．In：F．W．T．Penning de Vries and H．H．van laar(Eds．)：Simulation of plant growth and crop production．Simulation Monographs．Pudoc，Wageningen，1982，87～977 Penning de Vries，F W T，et al．Simulation of ecophysiological processes of growth in several annual crops．Simulation Monographs．Pudoc，Wageningen，and IRRI．Los Banos．，1989，1～258 Wit，C T de，et al．Simulation of assimilation，respiration and transpiration of crops．Simulation Monographs．Pudoc，wageningen，1978，140(江西农业大学殷新佑博士撰；戚昌瀚审) |