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棉花计算机模拟模型研究的现状、趋势与对策

作物计算机模拟模型研究可以追溯到60年代，荷兰de Wit(1965)、美国Duncan(1967)分别进行作物冠层光合作用的模拟研究。从此之后，以de Wit为代表的荷兰Wageningen大学理论生产生态系和农业生物研究中心对农业生态系统的动态模拟展开了广泛深入的研究，到80年代已建立了较为系统的作物模拟理论，得到了FAO、WMO等国际性组织和各国科学家的高度评价，20多年中先后研制了多个理论模型，如初级作物模拟器ELCROS、基本作物模拟器BACROS、通用作物模拟器SUCROS、一年生作物模拟器MACROS等。这些模型以较强的生物机理性为特征。

美国继Duncan之后，众多的科学家致力于作物模拟的研究，并取得了举世瞩目的成绩，如Ritche为首研制的CERES作物模型，包括了小麦、玉米、水稻、高梁、大豆、花生等多种作物，Baker为首研制的棉花生长发育模拟模型GOSSYM均是当今世界上最成功的作物模拟模型之一。这些模型以较强的应用性为特征。

我国开展作物模拟模型的研究较晚，始于80年代初，首先是在水稻上取得进展的。较成功的例子是江苏省农科院高亮之等(1989)研制的水稻模拟模型RICEMOD。继他们之后，全国各地展开了广泛的作物模拟模型的研究，涉及的作物有小麦、玉米、水稻、大豆、棉花等。

一、棉花生长发育模拟模型的研究概况

棉花生产发育模拟模型的研究始于60年代末的美国。60年代末，Stapleton(1970)在亚利桑那州开始模拟棉花的生长，建立了第一个棉花生长发育模拟模型，之后Stapleton等(1973)将其发展成为COTTON模型，帮助棉农选择和管理机械、动力和劳力。同期，Duncan(1971,1972)等人在密西西比州立大学建立了SIMCOT模型，该模型用气象资料和土壤特性资料作为输入，模拟"标准"单株生长发育与产量。Hesketh(1972a,1972b)和Baker(1972)等把植物营养学的有关理论应用到模型中，估测碳水化合物生产和碳水化合物胁迫对蕾铃脱落和形态发生的影响，Jones等(1974)增添了氮素估计过程，从而建成了第二代棉花模拟模型SIMCOT Ⅱ(McKinion，1975)，该模型可模拟水分充分满足条件下棉花的光合作用、呼吸作用和器官建成，也可以模拟生理胁迫效应，但关于土壤因素对棉株生长发育的影响考虑得较粗。1975年以后，尤其是在使用SPAR(Soil-Plant-Atmospere-Research unit)(Pene,1978;McKinion,1986)系统之后，Baker和Lambert等人致力于改进上述模型，不仅丰富了温度和水分胁迫以及氮素胁迫影响棉花生长发育和器官建成方面的内容，而且提供了棉花根际土壤系统模拟模型RHIZOS(Lambert和Baker等,1983)，于1983年创立了第三代棉花模拟模型GOSSYM(Gossypium Simulation Model)(Baker,1983)。该模型是一个以土壤物理学性质、土壤养分和水分等为初始条件，以气象要素太阳辐射、昼夜最高和最低温度为驱动变量，以关键农艺措施如施氮、灌水、喷脱叶剂等为控制变量的系统动力学模型。1984年以来，Baker和McKinion等人在原有基础上，进一步改进和完善了棉株生长发育和干物质分配部分的内容，完善了棉株形态建成的功能，同时，又陆续研制了几种主要的除草剂、杀虫剂、植物生长调节剂等化学药品对棉花影响的子程序，使GOSSYM日臻完善(McKinion,1989)。10多年来，GOSSYM模型在美国棉花带各州使用，不断得到验证、修改、完善，使它具有了广泛的适应性和良好的应用性。

此外，美国Jones等人(1979)建立了COTCROP模型，它较为详细地考虑了棉花各个部位之间的关系及环境因子和害虫对棉花生长发育的影响；德克萨斯州农业及机械大学Jackson等人(1988)年建立了COTTAM模型，可以模拟棉花的形态发生和产量形成。

荷兰Mutsaers(1982)建立了KUTUN模型，对棉花生长发育过程和形态发生进行了模拟。澳大利亚Hearn等人(1985)年建立了一个简单的棉花生长发育模拟模型，供SIRATAC系统使用。

我国棉花计算机模拟模型的研究始于80年代末，1988年中国科学院动物研究所吴国伟等从营养供求状况来控制蕾铃脱落，利用以生理时间为变量的Logistic方程来模拟棉花生长发育过程并棉铃虫危害蕾铃对产量的影响。北京农业大学郭向东等(1991)通过修改和重新估测SIRATAC系统1985年增加的棉花生长发育模型的参数，得到了一个适用于我国的简单棉花动态模拟模型。北京农业大学刘文等(1992)以每日的太阳辐射为驱动变量，以温度和水分为影响因子，建立了棉花生长发育、形态发生及产量形成的动态模拟模型。江苏省农科院李秉柏等(1991)建立了逐日的棉花发育和叶龄模型。中国农科院棉花研究所潘学标等(1992)建立了一个以太阳辐射为驱动变量的棉花生长发育模拟模型CGSM。董占山等(1992)利用荷兰Penning de Vries等研制的MACROS中的L1D模型对棉花的潜在产量也进行了研究。但是，这些模型大多至今也没有在生产上试用，因此对它们的可用性还需进一步研究。

二、棉花生长发育模拟模型研究的现状

在上述的棉花模拟模型中，美国的GOSSYM模型是较成熟的一个，代表了当前棉花模拟模型的研究水平，下面详细地介绍GOSSYM模型。

GOSSYM模型本质上是一个表达植物根际土壤中水分和氮素与植株体内碳和氮的物质平衡的模型，包括了水分平衡、氮素平衡、碳平衡、光合产物的形成与分配、植株的形态建成等子模型。各子模型的主要功能简介如下。

气候子模型(CLYMAT)将全部天气资料读入，并调用日期换算子模型(DATES)计算模拟所要用到的儒略日数，调用土壤温度子模型(TMPSOL)计算各层土壤的温度。

土壤子模型(SOIL)计算向植株提供的氮素、土壤水势和根系存贮氮和糖的能力。根区土壤在横向分成20个等份，在纵向上分成40个等份，形成一个20x40的矩阵，即800个小室，每个小室大约为5x5厘米。模型逐日计算各室的水分、硝态氮和铵态氮以及根的生物量，用来计算根的生长量和水分吸收量。其中的二级子模型，施肥子模型(FRTLIZ)用来分配铵态氮、硝态氮和尿素于土壤剖面中，重力水移动子模型(GRAFLO)用来完成在重力作用下的雨水和灌溉水在土壤剖面中的移动过程，蒸腾子模型(ET)估计土壤表面的蒸发速率和作物的蒸腾速率，吸引子模型(UPTAKE)计算根区水分、氮素的吸收，毛管水移动子模型(CAPFLO)估计毛管水的流动状况，硝化子模型(NITRIF)计算土壤中微生物作用下的铵态氮向硝态氮的转变情况。

化学药剂子模型(CHEM)估计化学物质对植物生理过程的作用，目前这些化学物质包括植物生长调节剂PIX和PREP、脱叶剂DEF、DROPP、GRAMOXONE、FOLEX和HARVADE。

光合呼吸子模型(PNET)逐日计算植株的总光合产物、呼吸消耗和净光合产物。

生长子模型(GROWTH)计算植株各器官潜在的和实际的生长速率。其中二级子模型根系生长子模型(RUTGRO)计算各土室中根的生长和分布，根延伸子模型(RIMPED)计算增加土壤容重对根延伸能力的影响，氮素分配子模型(NITRO)计算植株中氮素的分配，代谢物平衡子模型(MATBAL)保持模型中碳、氮等的物质平衡的轨迹。

形态发生子模型(PLTMAP)模拟棉株的形态发生和各器官的成熟与衰老，包括蕾铃的生理脱落和各种胁迫因素的计算。脱落子模型(ABCISE)估计蕾铃和叶片由于胁迫和衰老的脱落速率。

GOSSYM模型具有多种用途，可以广泛地应用于科研、教学、生产等各方面。它可以用来研究棉花生长发育及与环境条件之间关系、检验假说、安排试验计划等，也可对棉花生产管理提出有价值的决策等。其它棉花模拟模型与GOSSYM相比，相去甚远，不再赘述。

三、今后的发展趋势

随着现代农业实验技术和计算机技术的迅速发展，作物模拟技术也在不断向纵深发展。

其一，模拟模型包括的内容越来越广泛，涉及的学科越来越多，逐步向综合方向发展，一个模型不但可以模拟作物的生长发育，也可以模拟害虫的群体动态和危害程度，还会包括经济效益模型。GOSSYM模型涉及了生理学、土壤物理学、土壤化学、水动力学、经济学等。目前，GOSSYM不仅可以模拟棉花的生长及产量形成，而且可以模拟棉花纤维品质性状如纤维长度、强度和马克隆值等，也可模拟种子的含油量和种子活力(McKinion,1989)。再如德克萨斯州农业及机械大学研制的综合作物生态系统管理模型ICEMM(Landivar,1992)。

其二，现有作物模拟模型中还存在许多经验性的部分，如生育期、同化物分配、许多与土壤有关的过程等，在今后的发展过程中，这些经验性部分会逐步得到改善，机理性进一步加强,使模型可以模拟作物在不同的生态环境条件下的生长发育和产量形成。

其三，研制作物模拟模型的目的是在生产实践中应用，改善模拟模型的应用性将是其今后发展中的一个重要议题。模拟模型进一步与专家系统结合，形成基于模型的集成专家系统，可以促成模拟模型直接服务于农业生产(Plant et al,1991)，GOSSYM/COMAX系统就是一个很好的例证(McKinion,1989)。

四、我们的对策

作物模拟模型具有三个特点：⑴机理性：模拟模型的各部分是作物对应部分的生理生化机制的简要表示，可以模拟作物本身的内在变化和对环境的反应;⑵通用性：模拟模型一般是基于作物生长发育的生理过程的，使这样的模型具有较为广泛的适应性，通过模型校正可以应用到不同的地区。GOSSYM模型即是如此，它已在美国棉花带的十几个州广泛应用；⑶复杂性：由于作物本身的复杂性，模拟模型要模拟现实世界的全部或主要结构和功能，必然具有众多的内容和复杂的结构。

如要研制一个类似于GOSSYM的棉花模拟模型，需要花费大量的人力、物力、财力，并且要具备一定的科研技术条件。GOSSYM模型的研制花了许多科学家20多年的心血，目前我国要从新研制一个类似模型几乎是不可能的，同时也将大大落后于国际先进水平。那么我们应该采取什么对策才能迎头赶上国际先进水平呢?

根据模拟模型所具有的特点，我们提出如下对策：立足当前，引进消化国外先进的模拟模型，进行试验，评估模型参数，修改模型，完善和发展适合于我国的棉花模拟模型。GOSSYM模型是目前国际上最优秀的棉花模拟模型，我们可以在全国各大棉区布置验证试验，收集数据，验证GOSSYM模型在我国的适应性，并根据我国的具体情况，修改和完善GOSSYM模型，使其能够在我国各大棉区应用。

参考文献