黃智剛，王超然

（廣西大學農學院，南寧 530005）

甘蔗是世界上生產量最大的糖料作物，同時也是生物量最高的能源作物[1-2]。甘蔗長年的單一連作和特殊的管理方式（如焚燒蔗地有機殘留物等）已經導致蔗地土壤質量的下降[3-4]，提高甘蔗產量和維持蔗地可持續(xù)利用已成為目前甘蔗產業(yè)發(fā)展的最終目標，精準到以天為時間單位的管理已是發(fā)展的必然趨勢[5]。由于影響甘蔗生產的因素極多，且都具有強烈的時空變異性，因此，對甘蔗生產的精準管理需要一個全面而有效的模型系統(tǒng)來進行評估和預測。農業(yè)生產系統(tǒng)模型（Agricultural production system simulator，APSIM）是澳大利亞的農業(yè)生產系統(tǒng)研究協(xié)作組（APSRU）研究開發(fā)的模型框架系統(tǒng)，模型包含了土壤、作物和管理等模塊，可根據(jù)需要組合各種模塊，通過設定模塊初始參數(shù)并結合氣象資料，模型能夠模擬農業(yè)生產系統(tǒng)的幾乎所有方面[6]。APSIM模型的甘蔗模塊（APSIM-Sugarcane）是具有廣泛適用性的甘蔗生長模型，其模擬的準確性已經被不同地區(qū)的研究結果所檢驗[7]。APSIM-Sugarcane模型可以有效地模擬甘蔗在各種環(huán)境下的生長狀況，該模型在國內有相關介紹報道[8-9]，但開展研究應用的報道很少[10-11]。

本文應用該模型對位于中國廣西亞熱帶地區(qū)的一塊試驗蔗地的2003/2004年榨季的新植甘蔗生物學性狀以及土壤含水量進行動態(tài)模擬，并以實測數(shù)據(jù)進行檢驗，探討該模型在中國亞熱帶自然環(huán)境條件下和特定管理方式下的模擬準確性和適用性，為該區(qū)域甘蔗生長的精準化科學管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況和試驗方案

研究蔗地位于廣西大學試驗基地內，土壤類型為發(fā)育于第四紀紅土母質的赤紅壤，質地中壤。甘蔗品種為新臺糖22號（ROC22）。2003年2月18日種植，2004年2月9日砍收，生育期357d。種植前施用干牛糞22.5t/hm2，復合肥1500kg/hm2作為基肥，種植期間分別施用干牛糞15t/hm2、尿素525kg/hm2和氯化鉀300kg/hm2作追肥。沒有經常性灌溉，只在干旱時期（10、11月份）灌溉兩次（各約50mm）。種植期內總積溫8604°C，平均氣溫24.1°C，總降水量1392mm，平均降水量3.9mm，太陽總輻射4808MJ/m2，平均太陽輻射13.5MJ/m2。逐日太陽輻射值和其它逐日氣象值分別來源于距蔗地約10km和40m的兩個氣象觀測站。

1.2 模型參數(shù)初始化設置

土壤模塊是APSIM的核心，模型基本參數(shù)大部分為土壤屬性參數(shù)（表1），土壤剖面深度為150cm，分為6層。甘蔗根系參數(shù)設為APSIM-Sugarcane模型的默認值。甘蔗品種項目中選用澳大利亞甘蔗品種Q141作為ROC22的替代品種。Q141是高產高糖的中大莖品種，是與廣西甘蔗主栽品種ROC22性狀特征極為相近的品種[12-13]。

表1 蔗地土壤剖面屬性參數(shù)

1.3 試驗觀測項目

葉面積指數(shù)（LAI）：便攜式激光葉面積儀（型號CI-203）測定單株總葉面積，由蔗地總株數(shù)和面積估算LAI。葉片含氮量：+1葉片（頂端第一片完全展開葉）采用H2SO4-H2O2消化，半微量開氏定氮法測定。地上部干物重：整株地上部烘干至恒重，由蔗地總株數(shù)和面積估算地上部干物重產量。蔗糖產量：檢糖旋光計測定單株蔗糖分含量，由蔗地總株數(shù)和面積估算蔗糖產量。蔗莖產量：由單莖重、蔗地總株數(shù)和面積估算蔗莖產量。

1.4 研究方法

應用APSIM（5.0版本）進行甘蔗生長動態(tài)模擬，集成了甘蔗、管理、土壤、灌溉和有機質殘留等模塊。應用Mcrosoft Excel軟件進行圖形繪制。模型模擬準確度的檢驗采用回歸擬合驗證和均方根誤差RMSE，

2 結果與分析

2.1 甘蔗生物性狀的模擬和驗證

2.1.1 LAI的模擬和驗證 LAI對截獲太陽輻射、合成光合產物具有重要作用[14]，因而LAI常被用來檢驗APSIM模型的模擬準確性[9]。LAI的模擬值與實測值具有非常相似的分布趨勢（圖1），只是在甘蔗伸長末期，模擬值稍高于實測值。Keating等[9]指出，由于甘蔗生育后期的倒伏和開花等原因，LAI通常會被高估，但這種偏差不會影響到生物量的模擬，其他的研究也有相似結論[7,15]。幼苗期的LAI極低（近似為0），此時光合產物極少，生長所需養(yǎng)分完全來源于蔗種。葉片數(shù)在分蘗期開始增多，LAI迅速由0.01提高至4.0。進入伸長期后，由于冠層尚未封閉，LAI在伸長初期仍在迅速增大，在達到最大值6.8（8月8日）以后，LAI迅速在9月26日下降至5.0，表明葉片數(shù)在8月初已達到最大，此時冠層封閉，植株個體間競爭日趨尖銳，葉片相互遮蔽，弱小植株不斷死亡，導致LAI急劇下降。通過群體結構自我調節(jié)，LAI在生育后期維持在4.5左右。模型模擬的準確程度可由實測值與模擬值的線性回歸擬合進行檢驗（圖2）。LAI非常接近1∶1線，決定系數(shù)=0.95和均方根誤差RMSE=0.57。模型對LAI的模擬準確性均達到極顯著水平。

圖1 甘蔗LAI的模擬值和實測值的時間分布

圖2 甘蔗LAI的模擬值和實測值的線性回歸擬合

2.1.2 葉片含氮量的模擬和驗證 葉片含氮量是影響植物光合效率以及光合產物形成的重要因素之一，在甘蔗栽培學上常利用蔗葉的含氮量來反映其生長狀況[16]。由于模擬值是所有葉片的平均含氮量，而實測值是+1葉的含氮量，+1葉是甘蔗生長最旺盛、養(yǎng)分含量最高的葉片，因而全部實測值均稍高于模擬值（圖3）。甘蔗幼苗期的模擬效果不好，模擬值都接近于零，在分蘗期開始（3月23日），模擬值突增到最高值3%，在分蘗中期急劇下降到1.4%～1.5%間持續(xù)到伸長初期，在伸長盛期（10月上旬），蔗葉含氮量開始提高到1.8%，并持續(xù)到成熟期。甘蔗幼苗真葉含氮量增加較快，含量也較高，但在分蘗期由于大量分蘗莖的萌發(fā)，導致幼苗真葉的含氮量急劇下降。甘蔗在生育前中期主要進行氮代謝，以蔗莖增長增粗為主，因而葉片含氮量波動較大，在生育后期則以碳代謝為主，甘蔗生長緩慢，葉片含氮量比較穩(wěn)定，最終模擬值為1.7%。蔗葉含氮量分布趨勢與Wood等[16]的研究結果極為吻合。模型模擬的準確程度由實測值與模擬值的線性回歸擬合來檢驗（圖4）。蔗葉含氮量的回歸線與1∶1線有一定的偏差，這與前述的模擬值和實測值的定義偏差有關，決定系數(shù)=0.79和均方根誤差RMSE=0.34。模型對蔗葉含氮量的模擬準確性均達到顯著水平。

圖3 蔗葉含氮量模擬值和實測值的時間分布

圖4 蔗葉含氮量的模擬值和實測值的線性回歸擬合

2.2 甘蔗氮素營養(yǎng)特征

由于甘蔗生物量較大，在生長過程中需要大量吸收氮素，故在種植過程中，都非常重視增加氮肥施用量，但如果氮素吸收過量，將會嚴重影響甘蔗產量和品質（推遲甘蔗成熟、降低蔗莖蔗糖含量等），另外，氮肥施用過量還會造成環(huán)境污染。因此，甘蔗氮素養(yǎng)分管理是甘蔗生產可持續(xù)利用的一個關鍵環(huán)節(jié)，生長過程中需要進行科學的評估和預測[15-16]。

模擬的甘蔗地上部含氮量時間分布趨勢（圖5）顯示，生育前期模擬值較低，直到分蘗期開始后才逐漸增加。甘蔗生育前期以氮代謝為主，植株大量吸收氮素，地上部含氮量日均增長量為1.5kg/hm2。12月底甘蔗生長進入工藝成熟期，地上部含氮量日趨穩(wěn)定，最終地上部含氮量為243kg/hm2。甘蔗的氮素代謝主要作用于甘蔗的伸長和增粗，故含氮量與生物量的積累有著密切關系。地上部干物重的實測值和相對應的地上部含氮量模擬值的回歸擬合曲線為對數(shù)方程（圖6），決定系數(shù)為0.97，表明兩者間有著極顯著的相關關系。

圖5 甘蔗地上部含氮量分布趨勢

圖6 地上部干物重實測值和地上部含氮量模擬值的回歸擬合

模擬的甘蔗每日需氮量分布趨勢（圖7）顯示，由分蘗期開始，需氮量逐漸增加，在伸長前期（7月3日）達到峰值（5kg/hm2）后，逐漸下降。在12月進入工藝成熟期后，需氮量極低，體現(xiàn)了甘蔗在全生育期的需氮量“前多后少”的特征。Wood等[16]指出，在生長的前6個月，甘蔗能最大限度地吸收和儲存氮素，并能滿足以后的生長需求。模擬的甘蔗全生育期的總需氮量為327kg/hm2，而施用的尿素（含氮量46%，提供純氮242kg/hm2）和干牛糞（含氮量1.6%，完全礦化可提供純氮600kg/hm2）總共可提供純氮842kg/hm2，可完全滿足甘蔗需氮要求，這也是該試驗蔗地能達到“噸糖田”的基本保證。

圖7 甘蔗每日需氮量分布趨勢

圖8 氮素利用率的時間分布趨勢

地上部干物重與地上部含氮量的比值常被當做“氮素利用率”來進行對氮肥管理的評價[16-17]。由于幼苗期地上部的干物重和含氮量都極低，故氮素利用率從分蘗期開始計算（圖8），分蘗期初始階段氮素利用率雖最低，增長的幅度卻最大；但在分蘗中期（5月6日），氮素利用率卻在遞減，此時分蘗莖急劇增加導致甘蔗根系也大量增加，因而對土壤氮素的吸收大量增加；在伸長期初期，此時甘蔗以生長為主，生物量大量增加，因而氮素利用率重新開始遞增；到生育后期，此時甘蔗以碳素代謝為主，生長停滯，地上部含氮量趨于平穩(wěn)，但地上部干物重仍在增加，故氮素利用率還在遞增。根據(jù)氮素利用率在甘蔗生育前中期的變化趨勢特征，在氮肥管理上要注重基肥的施用，保證在分蘗期的氮素要求。

3 結論和討論

APSIM-Sugarcane甘蔗生長模型在中國亞熱帶自然環(huán)境條件下和特定的耕作管理方式下，盡管在甘蔗品種上以Q141代替ROC22，但新植蔗的各項模擬結果的準確性都達到了極顯著水平，說明該模型在中國的亞熱帶地區(qū)也具有較好的適用性。模擬的LAI、蔗葉含氮量的時間分布趨勢都較好地體現(xiàn)了甘蔗的真實生長過程。葉面積指數(shù)和蔗葉含氮量的模擬值和實測值回歸統(tǒng)計檢驗顯示，回歸線都接近1∶1線，決定系數(shù)分別為0.94和0.79，模擬的準確性都達到了顯著水平。

模擬的甘蔗全生育期需氮總量為327kg/hm2，通過施肥提供了純氮842kg/hm2，可完全滿足甘蔗需氮要求。但中國甘蔗種植很少以含氮量較高的廄肥作全部基肥，有機肥源通常都是碳氮比很高的作物秸稈，因此高產蔗地的氮源供給還必須以氮肥為主，但氮肥具有易揮發(fā)、淋失等特點，不恰當?shù)氖┯脮r間和施用量極易對甘蔗生長及環(huán)境造成破壞。合理的氮肥管理就需要在科學的評估和預測上精確進行，APSIM-Sugarcane模擬的甘蔗逐日需氮量可作為指導氮肥施用的依據(jù)。

當前廣西甘蔗產業(yè)日趨規(guī)模化、集約化和精細化，迫切要求進行科學的管理和對各生產環(huán)節(jié)的風險性評估，應用APSIM-Sugarcane模型可為該亞熱帶地區(qū)的甘蔗產業(yè)的精確化管理提供科學依據(jù)。如果能對當?shù)刂饕收崞贩N進行遺傳性狀方面的校正和檢驗，APSIM-Sugarcane模型將會具有更廣泛的適用性和可靠性。