毛 鈞，N.G.Inman-Bamber，楊 昆，陸 鑫，劉家勇，P.A.Jackson，范源洪*

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，開(kāi)遠(yuǎn)661699；2.云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)遠(yuǎn)661699；3.詹姆斯庫(kù)克大學(xué)科技與工程學(xué)院，湯斯維爾；4.澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)與創(chuàng)新研究中心，湯斯維爾）

甘蔗農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型模塊化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究進(jìn)展

毛 鈞1，2，N.G.Inman-Bamber3，楊 昆1，2，陸 鑫1，2，劉家勇1，2，P.A.Jackson4，范源洪1，2*

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，開(kāi)遠(yuǎn)661699；2.云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)遠(yuǎn)661699；3.詹姆斯庫(kù)克大學(xué)科技與工程學(xué)院，湯斯維爾；4.澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)與創(chuàng)新研究中心，湯斯維爾）

以APSIM甘蔗模型（APSIM-Sugar）為例，簡(jiǎn)要介紹了由澳大利亞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究協(xié)作組（APSRU）開(kāi)發(fā)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型（Agricultural Production System siMulator，APSIM）中作物、土壤等核心模塊的基本過(guò)程原理、參數(shù)確定、模型驗(yàn)證等模塊化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究進(jìn)展，為學(xué)習(xí)了解和使用APSIM模型開(kāi)展農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)模擬研究提供參考。

甘蔗；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型；生理過(guò)程；模塊；參數(shù)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型（Agricultural Production System siMulator，APSIM）是由澳大利亞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究協(xié)作組（APSRU）自1991年開(kāi)始研發(fā)的一套農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)模擬軟件框架和一系列作物生長(zhǎng)模型的總稱(chēng)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)到APSIM v7.8版本。作為一個(gè)基于農(nóng)田作物生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)理過(guò)程模擬的模型系統(tǒng)，APSIM創(chuàng)新地采用了模塊化的“插拔（plug-in/plug-out）”系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用戶(hù)可以根據(jù)研究需要將各種相關(guān)模塊進(jìn)行自由組合集成，從而對(duì)不同類(lèi)型的農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行有效模擬。APSIM模型的特色是采用了基于生物和物理過(guò)程的模塊化設(shè)計(jì)理念，其核心構(gòu)成包括：模擬作物品種生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的作物模塊；模擬土壤水氮?jiǎng)討B(tài)的土壤模塊；模擬農(nóng)田耕作和種植收獲過(guò)程的管理模塊；模擬環(huán)境光、溫、水、氣變化的氣候模塊；生物量、產(chǎn)量等模擬結(jié)果輸出模塊；驅(qū)動(dòng)模擬過(guò)程和控制不同模塊協(xié)同運(yùn)作的中心引擎。其中作物模塊和土壤模塊是最為關(guān)鍵的核心模塊，氣候模塊和管理模塊是主要的數(shù)據(jù)輸入模塊。APSIM模型中模擬不同作物的生長(zhǎng)發(fā)育及其對(duì)氣候因子和土壤水氮變化的響應(yīng)都是通過(guò)中心引擎控制各模塊協(xié)同運(yùn)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，作物模塊中所呈現(xiàn)的各種作物生理過(guò)程變量和脅迫因子，能夠?qū)夂蚰K中的太陽(yáng)輻射、溫度、降水等氣候變化以及管理模塊中的耕作措施做出響應(yīng)，特別是對(duì)土壤模塊中的水分和氮素供應(yīng)較為敏感[1-2]。

甘蔗模型（APSIM-Sugar）是APSIM系列模型中開(kāi)發(fā)較早、較為完善、應(yīng)用較廣的代表性作物模型之一。在A(yíng)PSIM通用模塊（土壤、管理、氣候等）的基本構(gòu)架上，插入甘蔗作物模塊（Sugar module）并通過(guò)甘蔗品種配置文件（sugar.xml）定義甘蔗品種特定的遺傳參數(shù)，就完成了APSIM-Sugar甘蔗模型的組裝。APSIM-Sugar甘蔗模型基于日值氣象數(shù)據(jù)，可用于模擬土壤條件均一的蔗田生產(chǎn)，預(yù)測(cè)甘蔗地上部生物量、蔗莖、糖分產(chǎn)量、含糖率、水分利用、氮素?cái)z取和分配等[3-4]。本文以APSIM-Sugar甘蔗模型為例，重點(diǎn)介紹APSIM模型中作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成、土壤水氮?jiǎng)討B(tài)模擬相關(guān)的過(guò)程原理、模塊參數(shù)設(shè)置與應(yīng)用研究進(jìn)展，旨在為學(xué)習(xí)了解和使用APSIM模型開(kāi)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬研究提供參考。

1 APSIM-Sugar模型模塊設(shè)計(jì)與核心模擬過(guò)程

APSIM模型的機(jī)理性模擬原理在1986年前后開(kāi)始逐漸形成，Ritchie在1991年進(jìn)行了綜合[5-8]。AUSCANE是澳大利亞第一個(gè)被廣泛使用的甘蔗模型，其模擬原理基于EPIC模型，但該模型在甘蔗生物學(xué)模擬和程序設(shè)計(jì)方面存在著不足[9]。此后，APSRU研發(fā)小組在A(yíng)PSIM模型中開(kāi)發(fā)了一個(gè)甘蔗模塊（Sugar module），其基本原理綜合了CERES-Maize和AUSCANE等早期模型，并充分利用了APSRU在土壤水和氮素模擬方面的研究成果。APSIM-Sugar模型的開(kāi)發(fā)指導(dǎo)思想是構(gòu)建一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的甘蔗生理學(xué)過(guò)程模型，對(duì)每個(gè)甘蔗生理過(guò)程都采用簡(jiǎn)約的方法以避免過(guò)于復(fù)雜化[3，10]。甘蔗模塊簡(jiǎn)化了大量的過(guò)于復(fù)雜而難以測(cè)定的變量參數(shù)，但又能確保在各種生長(zhǎng)環(huán)境條件下，甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育模擬過(guò)程必需的描述性參數(shù)需求。構(gòu)建APSIM甘蔗模型所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是科學(xué)選取了澳大利亞、夏威夷、南非、新西蘭和斯威士蘭等不同緯度跨度國(guó)家，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)調(diào)查數(shù)據(jù)所建立的，涵蓋了不同的種植時(shí)間、種植品種、土壤水分和氮素供給等真實(shí)環(huán)境條件，模型參數(shù)由這些數(shù)據(jù)集綜合分析得到。由于模型框架結(jié)構(gòu)和模塊參數(shù)設(shè)計(jì)合理，并有大田數(shù)據(jù)支持，APSIM模型和甘蔗模塊在包括中國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)得到了廣泛應(yīng)用[2-3，10-13]。

APSIM-Sugar模型的核心模擬過(guò)程反映了在設(shè)定的太陽(yáng)輻射、氣溫、土壤水分和氮素供應(yīng)環(huán)境下，甘蔗植株的生長(zhǎng)發(fā)育、冠層擴(kuò)展、生物量形成與分配等相關(guān)變量對(duì)氣候因子、土壤水分和氮素的響應(yīng)和利用情況（表 1）。

表1 APSIM-Sugar 模型核心模擬過(guò)程與相關(guān)苷蔗生理學(xué)研究概要Table 1 The main physiological process and summary simulated in APSIM-Sugar

2 APSIM-Sugar模型甘蔗品種遺傳參數(shù)設(shè)置

APSIM-Sugar模型甘蔗品種主要遺傳參數(shù)約有17個(gè)，通常是在甘蔗模塊品種配置文件（sugar.xml）中進(jìn)行設(shè)定。默認(rèn)品種Q117各參數(shù)取值及說(shuō)明見(jiàn)表2，其中包括冠層擴(kuò)展相關(guān)的形態(tài)學(xué)參數(shù)（1，2，12，13，14）；生育期相關(guān)參數(shù) （9，10，11）；生物量、糖分積累和分配系數(shù) （3，4）；環(huán)境脅迫對(duì)產(chǎn)量糖分的影響效應(yīng)系數(shù)（5，6，7，8）；葉片蒸騰水分利用效率TE（15）；太陽(yáng)輻射利用效率RUE（16）；根系提水系數(shù)kL（17）等。

表2 APSIM-Sugar 模型苷蔗品種遺傳參數(shù)Table 2 Cultivar genetic parameters in APSIM-Sugar

APSIM-Sugar模型中一個(gè)完整的甘蔗生育期包括6個(gè)主要的物候?qū)W事件：播種、萌芽、出苗、蔗莖伸長(zhǎng)、開(kāi)花和地上植株死亡。但在大田實(shí)際生產(chǎn)中，甘蔗品種開(kāi)花只是零星發(fā)生，蔗莖通常在開(kāi)花前就可達(dá)到生理成熟并收獲。另外對(duì)于宿根蔗而言無(wú)需再次播種，直接由存活的地下蔗樁發(fā)株出苗。因此目前的甘蔗模塊中僅模擬了3個(gè)物候期，即出苗期（從萌芽到出苗），分蘗期（從出苗到蔗莖伸長(zhǎng)前），蔗莖伸長(zhǎng)期（從蔗莖伸長(zhǎng)開(kāi)始到收獲）。生育期參數(shù)也僅對(duì)出苗到蔗莖伸長(zhǎng)（表2參數(shù)9），蔗莖伸長(zhǎng)到開(kāi)花（表2參數(shù)10），開(kāi)花到地上植株死亡（表2參數(shù)11）所需的積溫進(jìn)行了粗略的描述，出苗時(shí)間需要通過(guò)管理模塊的播種日期和播種深度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，而與花期相關(guān)的物候?qū)W參數(shù)調(diào)整并沒(méi)有實(shí)際效果[3，36]。熱時(shí)（有效積溫）對(duì)甘蔗植株的生長(zhǎng)發(fā)育和冠層擴(kuò)展影響很大，在A(yíng)PSIM模型中，熱時(shí)-溫度關(guān)系是根據(jù)冠層三基點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算的。模塊設(shè)定甘蔗正常發(fā)育的下限溫度為9℃，最適溫度為32℃，上限溫度為45℃。新植蔗由播種到萌芽需要350℃·d的有效積溫時(shí)滯，而宿根蔗發(fā)株只需100℃·d的有效積溫時(shí)滯。甘蔗萌芽后將以0.8mm/（℃·d）的速率生長(zhǎng)直至出土。甘蔗由出苗至分蘗結(jié)束進(jìn)入蔗莖伸長(zhǎng)期所需的有效積溫因甘蔗品種差異在1200～1900℃范圍內(nèi)變化。通常蔗莖總數(shù)在分蘗開(kāi)始后1400℃·d的有效積溫時(shí)滯內(nèi)快速增加至最高數(shù)量，然后逐漸下降到相對(duì)穩(wěn)定的蔗莖總數(shù)。宿根蔗通常比新植蔗較早達(dá)到最高蔗莖總數(shù)，因此其早期冠層擴(kuò)展很快。冠層葉片擴(kuò)展的模擬是通過(guò)用戶(hù)定義的品種葉面積發(fā)育函數(shù)和分蘗模式經(jīng)驗(yàn)校正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。如甘蔗單株總?cè)~面積是由其全部綠葉的完全展開(kāi)總?cè)~面積乘以分蘗校正系數(shù)得到。葉片長(zhǎng)出率是有效積溫的連續(xù)函數(shù)，模型通過(guò)線(xiàn)性插值的方法推算新植蔗和宿根蔗的葉片生長(zhǎng)。分蘗初期每生長(zhǎng)一片蔗葉需80℃·d的有效積溫，進(jìn)入蔗莖伸長(zhǎng)期生長(zhǎng)一片蔗葉需150℃·d的有效積溫。蔗田甘蔗總?cè)~面積的增減主要由4個(gè)因素決定：甘蔗發(fā)育、光照競(jìng)爭(zhēng)、水分脅迫和霜凍。當(dāng)甘蔗植株的完全展開(kāi)葉達(dá)到13片后進(jìn)入冠層擴(kuò)展成熟期，開(kāi)始啟動(dòng)對(duì)葉片衰老和死亡的模擬。當(dāng)蔗田內(nèi)甘蔗葉片的太陽(yáng)輻射截獲率超過(guò)0.85或土壤水分虧缺因子低于1.0時(shí)，由于植株間的光競(jìng)爭(zhēng)和土壤水分脅迫，可能引起總?cè)~面積的減少和降低有效光合葉面積。當(dāng)氣溫低于0℃時(shí)產(chǎn)生的霜凍可導(dǎo)致總?cè)~面積減少10%，當(dāng)氣溫低于-5℃時(shí)，葉片將全部死亡[3，14]。

甘蔗模塊對(duì)光合同化作用的模擬是基于太陽(yáng)輻射利用效率（RUE）和水分利用效率（WUE）即蒸騰效率（TE）相關(guān)理論進(jìn)行的[37]。首先計(jì)算冠層葉片每天截獲的太陽(yáng)輻射量，然后根據(jù)作物的RUE經(jīng)驗(yàn)系數(shù)轉(zhuǎn)化為每日同化的干物質(zhì)量，并按一定比例分配到不同的組織器官，最后根據(jù)物質(zhì)能量平衡計(jì)算總體生物量累積。正常生長(zhǎng)情況下，新植蔗和宿根蔗分別以1.8g/（MJ·m2）和1.65 g/（MJ·m2）的RUE經(jīng)驗(yàn)系數(shù)將冠層截獲的有效太陽(yáng)輻射量換算為每天生物量。在極端氣溫、土壤水分短缺或過(guò)量、氮素虧缺限制光合作用等情況下，RUE將會(huì)減小。例如平均氣溫在15～35℃之間，RUE取最大值。平均氣溫低于5℃或超過(guò)50℃，RUE降為零。甘蔗生物量以不同分配系數(shù)被分配到5個(gè)儲(chǔ)存庫(kù)中：根系、展開(kāi)葉、莖稈、梢頭幼葉和蔗糖分[1]。通常地上部生物量的70%被分配到莖稈中，當(dāng)甘蔗進(jìn)入伸長(zhǎng)期以后，原來(lái)分配到莖稈的生物量會(huì)重新分配到蔗莖纖維用于結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)和蔗莖糖分用于養(yǎng)分存儲(chǔ)。如果分到葉片中的生物量不能滿(mǎn)足生長(zhǎng)需求，則葉片生長(zhǎng)速率會(huì)降低。如果分到葉片中的生物量超過(guò)生長(zhǎng)需求，多余的生物量會(huì)轉(zhuǎn)移到糖分庫(kù)和莖稈纖維中。根的生物量增加是獨(dú)立的，每天的全部生物量以固定比例分配給根系，分配比例隨著植株由分蘗至成熟，由最大30%逐漸減少到20%。根系生物量以18mm/g系數(shù)換算為根系總長(zhǎng)。植株分蘗后，若土壤水分充足，根系將以0.8mm/（℃·d）的速率伸長(zhǎng)。蔗莖鮮重是產(chǎn)量構(gòu)成的重要指標(biāo)，甘蔗模塊設(shè)定植株莖稈含水量與莖稈干物重的比例由甘蔗生長(zhǎng)初期的9∶1過(guò)渡到后期的5∶1[38]。

3 APSIM-Sugar模型土壤水氮模塊的參數(shù)設(shè)置

3.1 土壤水分模塊

APSIM-Sugar模型可選用兩個(gè)模塊（SoilWater和SWIM）來(lái)模擬土壤水分剖面的動(dòng)態(tài)變化。SoilWater模塊的核心是土壤分層階梯式滲透模型[39]，其原理主要來(lái)源于CERES模型和PERFECT模型，整個(gè)土壤剖面中水分再分配的算法也是繼承CERES模型。SWIM模塊基本原理基于Richard方程的土壤水動(dòng)力學(xué)模型[5]。例如，SoilWater模塊以日為時(shí)間單位進(jìn)行模擬，各個(gè)模擬進(jìn)程都是連續(xù)的。土壤剖面每層的水分特征可由萎蔫系數(shù)（LL15）、田間持水量（DUL）和飽和含水量（SAT）等土壤參數(shù)來(lái)表述。LL15表示水吸力15巴時(shí)的土壤含水量，是作物根系正常吸水的最低土壤含水量下限；DUL即田間持水量，表示排除重力水后仍然能夠保持的土壤含水量；SAT為土壤吸收水分至完全飽和時(shí)的含水量。在A(yíng)PSIM模型土壤參數(shù)設(shè)置中，主要通過(guò)輸入土壤剖面每層的土壤體積含水量進(jìn)行土壤水分特征的初始化[40]。土壤剖面水分平衡模型的模擬計(jì)算過(guò)程包括：各層土壤含水量變化，降雨和灌溉，地表徑流、飽和滲漏、非飽和入滲和水分?jǐn)U散，根系水分吸收等[28]。灌溉量和降水量是作為模型的初始參數(shù)輸入，灌溉量在管理模塊中進(jìn)行定義，降水量通過(guò)氣象文件（后綴名為met的文本文件）設(shè)定。降水所導(dǎo)致的地表徑流量R0則是利用徑流曲線(xiàn)數(shù)方法（USDA-Curve Number）來(lái)估算。SoilWater模塊根據(jù)前期降水狀況，首先計(jì)算出濕徑流曲線(xiàn)（高潛在徑流量）和干徑流曲線(xiàn)（低潛在徑流量），然后根據(jù)每天的土壤含水量變化和兩種極端徑流曲線(xiàn)估算實(shí)際徑流量。土壤表層植被密度和地表殘留物覆蓋也會(huì)制約土壤表面產(chǎn)生徑流的能力，對(duì)此，SoilWater模塊中通過(guò)設(shè)置一個(gè)參數(shù)（CNcov）來(lái)計(jì)算土壤表層覆蓋的影響。土壤飽和流（Flux）發(fā)生在當(dāng)某土層土壤含水量（SW）大于DUL，通過(guò)一個(gè)給定的比例系數(shù)（SWcon）將多余的水分排至下一土層。非飽和流發(fā)生于某土層含水量小于 DUL時(shí)，作為對(duì)降水和蒸發(fā)的反應(yīng)，在相鄰的兩個(gè)土層間以重力水或者水分?jǐn)U散形式移動(dòng)。模塊將非飽和流作為相鄰兩個(gè)土層的平均含水量的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在SoilWater模塊初始化中，可設(shè)置兩個(gè)參數(shù)（diffus_const和diffus_slope）定義土層間的水分?jǐn)U散力[38]。

土壤-作物蒸散（Evapotranspiration，ET）包括土壤蒸發(fā)（Evaporation）和植物蒸騰（Transpiration）兩個(gè)過(guò)程，是農(nóng)田水分循環(huán)和能量平衡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作物蒸散量與不斷變化的氣象要素、根系吸水量和土壤含水量密切相關(guān)。APSIM模型采用參考作物蒸散量（ET0）和作物系數(shù)（Kc）估算農(nóng)田潛在蒸散量（ETp），農(nóng)田實(shí)際蒸散量（ETa）則取決于農(nóng)田潛在蒸散量以及制約蒸散過(guò)程的土壤水分脅迫狀況。在SoilWater模塊中對(duì)土壤-作物蒸散的模擬基于土壤潛在蒸散原理和Penman-Monteith公式，并根據(jù)地表有機(jī)物殘留和作物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行了修正[39]。在甘蔗全生育期中，從前期（稀疏冠層）到中期（冠層封閉）Kc由0.4增至1.25，隨后下降至收獲末期的0.7[40]。

3.2 土壤氮素模塊

APSIM-Sugar模型對(duì)土壤氮素變化的模擬同樣基于CERES模型[49]。甘蔗對(duì)土壤氮的吸收和轉(zhuǎn)化是通過(guò)被動(dòng)的蒸騰流和主動(dòng)的根系吸收兩個(gè)過(guò)程來(lái)進(jìn)行模擬。所有與土壤-作物有機(jī)碳庫(kù)和有機(jī)氮相關(guān)的氮素的變化都是需要利用SoilN模塊進(jìn)行計(jì)算。很多土壤氮素模型都力圖較為全面地考慮土壤氮素的物理、生物化學(xué)以及物理化學(xué)等變化狀態(tài)，以描述土壤氮素的流通轉(zhuǎn)化狀況。但復(fù)雜的機(jī)理性模型由于考慮的方面太多，反而可能影響到模型的模擬精度[42]。因此，SoilN模塊采用了CERES-Maize模型的簡(jiǎn)化處理方式，將土壤中的各種類(lèi)型有機(jī)質(zhì)都設(shè)為具有相同的礦化率，降低了復(fù)雜運(yùn)算可能造成的模擬精度誤差，缺點(diǎn)是對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的長(zhǎng)期變化狀況模擬欠佳[28]。

SoilN模塊可描述土壤中碳素和氮素的動(dòng)態(tài)變化特征，包括碳氮轉(zhuǎn)化、有機(jī)質(zhì)分解、硝化、反硝化、尿素水解等物理過(guò)程。該模塊將土壤有機(jī)質(zhì)分割為兩個(gè)庫(kù)：BIOM庫(kù)包括易礦化有機(jī)物、土壤微生物及其代謝產(chǎn)物；HUM庫(kù)則由剩下的有機(jī)物組成。兩個(gè)庫(kù)之間的碳通量可通過(guò)計(jì)算求得，而氮通量則由碳氮比來(lái)?yè)Q算。BIOM的碳氮比被設(shè)定為一個(gè)常數(shù)，而HUM的碳氮比則是由輸入的土壤屬性初始值設(shè)定。BIOM和HUM的一級(jí)分解過(guò)程中，分解速率的穩(wěn)定性取決于各土層的土壤溫度和土壤水分。新鮮有機(jī)質(zhì)（FOM）的分解速率則取決于碳氮比。有機(jī)氮的礦質(zhì)化與腐殖化過(guò)程、微生物固定之間的平衡關(guān)系決定了土壤氮素的礦質(zhì)化和固定的數(shù)量。如果土壤無(wú)機(jī)態(tài)氮（硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）不能滿(mǎn)足腐殖化和微生物的要求，則有機(jī)氮的分解速率也會(huì)下降。有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的碳素一方面以CO2向大氣中釋放，另一方面則儲(chǔ)存在BIOM和HUM中。土壤中的碳通量被定義為效率系數(shù)，或者描述為模塊系統(tǒng)中的分配比例系數(shù)，土壤中的碳以不同的比例系數(shù)被合成到BIOM庫(kù)中。由于土壤微生物的代謝作用，BIOM庫(kù)中也存在內(nèi)部的碳循環(huán)。在模擬過(guò)程中，每個(gè)土層的HUM和BIOM的數(shù)量可由設(shè)置輸入值計(jì)算而來(lái)[38]。

4 APSIM-Sugar模型調(diào)參與驗(yàn)證

APSIM-Sugar模型的校驗(yàn)是通過(guò)一系列適合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)環(huán)境的氣候、土壤、水分、養(yǎng)分、品種參數(shù)來(lái)闡明。為了使APSIM-Sugar模型能夠正確模擬不同甘蔗品種在不同氣候、土壤和水肥管理?xiàng)l件下的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和產(chǎn)量形成過(guò)程，需要根據(jù)研究區(qū)域的甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育情況和氣候土壤數(shù)據(jù)對(duì)甘蔗品種遺傳參數(shù)和農(nóng)田土壤初始水分氮素含量等進(jìn)行必要的修正，即對(duì)模型進(jìn)行本地化。

品種遺傳參數(shù)由作物內(nèi)在的生物學(xué)特性決定，通常是利用試驗(yàn)站點(diǎn)實(shí)測(cè)的作物生育期、產(chǎn)量、土壤以及同期氣象數(shù)據(jù)，采用試錯(cuò)法（Trial and error），廣義似然不確定性估計(jì)法（Generalized Likelihood Uncertainty Estimation，GLUE）或馬爾可夫鏈蒙特卡洛法（Markov Chain Monte Carlo，MCMC）在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行多次調(diào)試來(lái)確定品種遺傳參數(shù)的取值[35-36]。無(wú)論采用哪種算法，其基本原理方法均為：挑選一個(gè)參數(shù)而固定其他參數(shù)不變，在模型給定或根據(jù)參考文獻(xiàn)確定的該參數(shù)范圍內(nèi)，每次增加或減少1%～10%，反復(fù)運(yùn)行作物模型，直到模型模擬值（生育期、葉面積、生物量、產(chǎn)量等）與實(shí)測(cè)值的均方根誤差（RMSE）或相對(duì)均方根誤差（NRMSE）最小，且決定系數(shù)R2最接近1時(shí)，確定該參數(shù)值；然后再采用相同的方法確定其他參數(shù)，最后確定模型最優(yōu)的參數(shù)組合。在A(yíng)PSIM模型土壤模塊中，土壤水分的模擬采用了CERES的土壤分層階梯式滲透模型和潛在水勢(shì)基礎(chǔ)模型[1，39]。土壤水分剖面、徑流曲線(xiàn)、容重、飽和含水量、田間持水量、凋萎系數(shù)、排水系數(shù)、初始氮素含量等描述土壤水分和養(yǎng)分狀況的參數(shù)是根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)區(qū)土壤特性來(lái)確定的。運(yùn)行模型需要輸入的土壤初始含水量和氮素含量，一般采用作物播種前后大田土壤水分和養(yǎng)分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥李?lèi)型及組分進(jìn)行估算或參考相關(guān)文獻(xiàn)和模型默認(rèn)值。

5 APSIM-Sugar模型評(píng)價(jià)與應(yīng)用研究進(jìn)展

綜合前人研究，經(jīng)過(guò)模型參數(shù)的本地化和適應(yīng)性評(píng)價(jià)，APSIM-Sugar模型對(duì)地上部分甘蔗植株的葉面積、生物量、蔗莖和糖分產(chǎn)量模擬的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)均方根誤差可以控制在5%～24%之間，決定系數(shù)R2可以控制在0.7～1之間[3，36]。目前，APSIM-Sugar模型已被廣泛應(yīng)用于不同氣候帶的甘蔗種植制度、種植結(jié)構(gòu)、栽培管理、氣候變化對(duì)甘蔗農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)力和水肥利用效率的影響分析。

甘蔗產(chǎn)量預(yù)測(cè)和氣候影響方面，Keating等[3]利用從世界范圍內(nèi)（如澳大利亞、南非、斯威士蘭和美國(guó)夏威夷等）不同氣候、不同管理、不同甘蔗品種的大田試驗(yàn)中獲取的35個(gè)數(shù)據(jù)集，針對(duì)APSIM-Sugar模型的生物量和糖分模擬性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明除了糖分積累對(duì)水分脅迫的響應(yīng)不夠精確以外，其他葉面積指數(shù)和生物量的模擬結(jié)果均比較準(zhǔn)確，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的R2為葉面指數(shù)0.79，生物量0.93，蔗莖糖分產(chǎn)量0.83，氮素積累0.86。O’Leary等[10]的甘蔗模型比較研究顯示APSIM-Sugar模型對(duì)綠葉干物重，新鮮蔗莖產(chǎn)量和蔗莖糖分的模擬值和實(shí)測(cè)值的RMSE分別為6.1、28.7和4.9 t/hm2。Cheeroo-Nayamuth等[27]利用校驗(yàn)后的APSIM-Sugar模型評(píng)價(jià)了毛里求斯的甘蔗潛在產(chǎn)量和可獲得產(chǎn)量。2015年，Lisson等[34]基于澳大利亞昆士蘭州兩個(gè)蔗區(qū)的多年大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)APSIM-Sugar模型的10個(gè)品種遺傳參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明模擬蔗糖產(chǎn)量對(duì)太陽(yáng)輻射利用效率、蔗莖糖分分配系數(shù)和綠葉數(shù)3個(gè)參數(shù)最為敏感，同時(shí)地區(qū)間的氣候和土壤差異也會(huì)影響模型輸出結(jié)果對(duì)品種遺傳參數(shù)的敏感程度。2016年，Sexton等[35]進(jìn)一步采用兩種貝葉斯算法（GLUE和MCMC）對(duì)APSIM-Sugar模型品種遺傳參數(shù)進(jìn)行了調(diào)參驗(yàn)證，認(rèn)為APSIM-Sugar模型可應(yīng)用于甘蔗新品種的生態(tài)適應(yīng)性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

甘蔗水肥利用效率方面，Inman-Bamber等[24，33，40，43-44]詳細(xì)闡述了不同條件下甘蔗對(duì)土壤水分的利用情況，并利用APSIM-Sugar等甘蔗模型對(duì)甘蔗不同品種形態(tài)生理指標(biāo)的變化對(duì)水分脅迫的響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。Stewart等[45]應(yīng)用APSIM-Sugar模型評(píng)價(jià)了澳大利亞昆士蘭州北部地區(qū)蔗田中硝態(tài)氮淋失的情況。Thorburn等[46-47]通過(guò)APSIM-Sugar模型模擬了氮肥的施用對(duì)澳大利亞甘蔗產(chǎn)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的影響，提出了氮肥施用的優(yōu)化策略。

6 總結(jié)與展望

作物生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多因子系統(tǒng)，受氣候、土壤、作物及栽培管理技術(shù)等因素的影響。在綜合考慮這些因子的相互作用，預(yù)測(cè)和分析作物生長(zhǎng)趨勢(shì)等方面，基于土壤-作物系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的作物生長(zhǎng)模擬模型有著其它工具不可替代的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)代作物生長(zhǎng)模型的發(fā)展趨勢(shì)，是越來(lái)越重視系統(tǒng)性和應(yīng)用性的表現(xiàn)。APSIM模型作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型的代表，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。APSIM模型區(qū)別于其他模型的關(guān)鍵理念在于其模塊化的“即插即用”的靈活設(shè)計(jì)，用戶(hù)可以自行選擇一系列的作物、土壤以及其他子模塊來(lái)配置自己的作物模型。通過(guò)不同模塊的分離與整合，使得APSIM能夠很好地模擬不同土壤-作物系統(tǒng)的連作、輪作、間作以及農(nóng)林混作效應(yīng)。模塊化設(shè)計(jì)的另一優(yōu)勢(shì)在于可以把零散的研究結(jié)果方便地集成到模型之中，使得某一學(xué)科領(lǐng)域的最新研究成果能方便地應(yīng)用到別的學(xué)科領(lǐng)域。

以甘蔗模型為例，APSIM-Sugar模型的開(kāi)發(fā)歷程充分利用了APSIM模型的模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)吸收和借鑒其他作物模型或模塊的優(yōu)點(diǎn)，并將甘蔗生理學(xué)、農(nóng)藝栽培學(xué)、遺傳育種學(xué)等相關(guān)學(xué)科的最新研究成果不斷整合到模型當(dāng)中，優(yōu)化模塊參數(shù)，改進(jìn)模型模擬效果。根據(jù)前人研究，從總體上看，APSIM-Sugar模型模擬產(chǎn)量對(duì)太陽(yáng)輻射、溫度和土壤水分和氮肥的響應(yīng)比較理想，特別是在海拔較低的平原丘陵地形和適宜的水肥條件下模擬效果較好，但是在高海拔山地和極端的水分、氮素和溫度脅迫條件下，模擬效果不佳[3，24，40]。另外，由于國(guó)內(nèi)甘蔗模型研究數(shù)據(jù)的缺乏，APSIM-Sugar模型對(duì)某些甘蔗品種（如我國(guó)的自育品種）和管理措施（如地膜覆蓋、磷肥和鉀肥的施用等）的模擬效果較差或沒(méi)有進(jìn)行模擬。需要通過(guò)更多的大田試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和模塊改進(jìn)。

綜上所述，以APSIM模型為代表的土壤-作物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，一方面是與土壤學(xué)、氣象學(xué)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）的結(jié)合[48]，建立更加完善的作物生長(zhǎng)模擬與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)計(jì)算機(jī)決策管理系統(tǒng)；另一方面是進(jìn)一步與植物生理學(xué)、基因組學(xué)結(jié)合[49-50]，將生理指標(biāo)、表型性狀和分子標(biāo)記、等位基因信息通過(guò)數(shù)學(xué)模型和模型參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，預(yù)測(cè)遺傳基因性狀對(duì)環(huán)境和管理因子的響應(yīng)。此外，近年來(lái)興起的多種作物模型聯(lián)合比較與改進(jìn)國(guó)際合作項(xiàng)目（Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project，AgMIP）也提供了一條非常好的發(fā)展道路[51-52]。總之，隨著生態(tài)農(nóng)業(yè)和數(shù)字化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，土壤-作物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型的應(yīng)用和發(fā)展將具有更加廣闊的前景。

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Modular Design and Application of Agricultural System Simulating Model for Sugarcane(APSIM-Sugar)

MAO Jun1,2,N.G.Inman-Bamber3,YANG Kun1,2,LU Xin1,2,LIU Jia-yong1,2,P.A.Jackson4,FAN Yuan-hong1,2*
(1.Sugarcane Research Institute,Yunnan Academy of Agricultural Sciences,Kaiyuan 661699;2 Yunnan Key Laboratory of Sugarcane Genetic Improvement，Kaiyuan 661699；3 College of Science,Technology and Engineering,James Cook University,Townsville, Australia;4 CSIRO Agriculture,Australian Tropical Science and Innovation Precinct,Townsville,Australia)

Using typical case of APSIM-sugar as an example,the Agricultural Production System simulator (APSIM)developed by the Agricultural Production Systems Research Unit(APSRU)in Australia was introduced, including the core crop and soil modules,the related process theories,parameter calibration and model validation and application research progress.We aimed to provide some references for learning,understanding and using the APSIM in soil-plant system simulating researches.

sugarcane;agricultural production system simulator;physiological process;module;parameter

S566.3

B

1007－2624（2017）01－0044－07

10.13570/j.cnki.scc.2017.01.016

2016-09-22

云南省高端科技人才引進(jìn)計(jì)劃項(xiàng)目（2012HA001）。

毛鈞（1979-），男，碩士，副研，主要從事甘蔗種質(zhì)資源利用與甘蔗模型研究。E-mail：mj_raincat@163.com

范源洪，研究員，主要從事甘蔗種質(zhì)資源和遺傳育種研究。E-mail：fyhysri@vip.sohu.com