APSIM模型对甘蔗叶面积指数和蔗叶含氮量的模拟与验证

黄智刚，王超然

（广西大学农学院，南宁 530005）

甘蔗是世界上生产量最大的糖料作物，同时也是生物量最高的能源作物[1-2]。甘蔗长年的单一连作和特殊的管理方式（如焚烧蔗地有机残留物等）已经导致蔗地土壤质量的下降[3-4]，提高甘蔗产量和维持蔗地可持续利用已成为目前甘蔗产业发展的最终目标，精准到以天为时间单位的管理已是发展的必然趋势[5]。由于影响甘蔗生产的因素极多，且都具有强烈的时空变异性，因此，对甘蔗生产的精准管理需要一个全面而有效的模型系统来进行评估和预测。农业生产系统模型（Agricultural production system simulator，APSIM）是澳大利亚的农业生产系统研究协作组（APSRU）研究开发的模型框架系统，模型包含了土壤、作物和管理等模块，可根据需要组合各种模块，通过设定模块初始参数并结合气象资料，模型能够模拟农业生产系统的几乎所有方面[6]。APSIM模型的甘蔗模块（APSIM-Sugarcane）是具有广泛适用性的甘蔗生长模型，其模拟的准确性已经被不同地区的研究结果所检验[7]。APSIM-Sugarcane模型可以有效地模拟甘蔗在各种环境下的生长状况，该模型在国内有相关介绍报道[8-9]，但开展研究应用的报道很少[10-11]。

本文应用该模型对位于中国广西亚热带地区的一块试验蔗地的2003/2004年榨季的新植甘蔗生物学性状以及土壤含水量进行动态模拟，并以实测数据进行检验，探讨该模型在中国亚热带自然环境条件下和特定管理方式下的模拟准确性和适用性，为该区域甘蔗生长的精准化科学管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况和试验方案

研究蔗地位于广西大学试验基地内，土壤类型为发育于第四纪红土母质的赤红壤，质地中壤。甘蔗品种为新台糖22号（ROC22）。2003年2月18日种植，2004年2月9日砍收，生育期357d。种植前施用干牛粪22.5t/hm2，复合肥1500kg/hm2作为基肥，种植期间分别施用干牛粪15t/hm2、尿素525kg/hm2和氯化钾300kg/hm2作追肥。没有经常性灌溉，只在干旱时期（10、11月份）灌溉两次（各约50mm）。种植期内总积温8604°C，平均气温24.1°C，总降水量1392mm，平均降水量3.9mm，太阳总辐射4808MJ/m2，平均太阳辐射13.5MJ/m2。逐日太阳辐射值和其它逐日气象值分别来源于距蔗地约10km和40m的两个气象观测站。

1.2 模型参数初始化设置

土壤模块是APSIM的核心，模型基本参数大部分为土壤属性参数（表1），土壤剖面深度为150cm，分为6层。甘蔗根系参数设为APSIM-Sugarcane模型的默认值。甘蔗品种项目中选用澳大利亚甘蔗品种Q141作为ROC22的替代品种。Q141是高产高糖的中大茎品种，是与广西甘蔗主栽品种ROC22性状特征极为相近的品种[12-13]。

表1 蔗地土壤剖面属性参数

1.3 试验观测项目

叶面积指数（LAI）：便携式激光叶面积仪（型号CI-203）测定单株总叶面积，由蔗地总株数和面积估算LAI。叶片含氮量：+1叶片（顶端第一片完全展开叶）采用H2SO4-H2O2消化，半微量开氏定氮法测定。地上部干物重：整株地上部烘干至恒重，由蔗地总株数和面积估算地上部干物重产量。蔗糖产量：检糖旋光计测定单株蔗糖分含量，由蔗地总株数和面积估算蔗糖产量。蔗茎产量：由单茎重、蔗地总株数和面积估算蔗茎产量。

1.4 研究方法

应用APSIM（5.0版本）进行甘蔗生长动态模拟，集成了甘蔗、管理、土壤、灌溉和有机质残留等模块。应用Mcrosoft Excel软件进行图形绘制。模型模拟准确度的检验采用回归拟合验证和均方根误差RMSE，

2 结果与分析

2.1 甘蔗生物性状的模拟和验证

2.1.1 LAI的模拟和验证 LAI对截获太阳辐射、合成光合产物具有重要作用[14]，因而LAI常被用来检验APSIM模型的模拟准确性[9]。LAI的模拟值与实测值具有非常相似的分布趋势（图1），只是在甘蔗伸长末期，模拟值稍高于实测值。Keating等[9]指出，由于甘蔗生育后期的倒伏和开花等原因，LAI通常会被高估，但这种偏差不会影响到生物量的模拟，其他的研究也有相似结论[7,15]。幼苗期的LAI极低（近似为0），此时光合产物极少，生长所需养分完全来源于蔗种。叶片数在分蘖期开始增多，LAI迅速由0.01提高至4.0。进入伸长期后，由于冠层尚未封闭，LAI在伸长初期仍在迅速增大，在达到最大值6.8（8月8日）以后，LAI迅速在9月26日下降至5.0，表明叶片数在8月初已达到最大，此时冠层封闭，植株个体间竞争日趋尖锐，叶片相互遮蔽，弱小植株不断死亡，导致LAI急剧下降。通过群体结构自我调节，LAI在生育后期维持在4.5左右。模型模拟的准确程度可由实测值与模拟值的线性回归拟合进行检验（图2）。LAI非常接近1∶1线，决定系数=0.95和均方根误差RMSE=0.57。模型对LAI的模拟准确性均达到极显著水平。

图1 甘蔗LAI的模拟值和实测值的时间分布

图2 甘蔗LAI的模拟值和实测值的线性回归拟合

2.1.2 叶片含氮量的模拟和验证 叶片含氮量是影响植物光合效率以及光合产物形成的重要因素之一，在甘蔗栽培学上常利用蔗叶的含氮量来反映其生长状况[16]。由于模拟值是所有叶片的平均含氮量，而实测值是+1叶的含氮量，+1叶是甘蔗生长最旺盛、养分含量最高的叶片，因而全部实测值均稍高于模拟值（图3）。甘蔗幼苗期的模拟效果不好，模拟值都接近于零，在分蘖期开始（3月23日），模拟值突增到最高值3%，在分蘖中期急剧下降到1.4%～1.5%间持续到伸长初期，在伸长盛期（10月上旬），蔗叶含氮量开始提高到1.8%，并持续到成熟期。甘蔗幼苗真叶含氮量增加较快，含量也较高，但在分蘖期由于大量分蘖茎的萌发，导致幼苗真叶的含氮量急剧下降。甘蔗在生育前中期主要进行氮代谢，以蔗茎增长增粗为主，因而叶片含氮量波动较大，在生育后期则以碳代谢为主，甘蔗生长缓慢，叶片含氮量比较稳定，最终模拟值为1.7%。蔗叶含氮量分布趋势与Wood等[16]的研究结果极为吻合。模型模拟的准确程度由实测值与模拟值的线性回归拟合来检验（图4）。蔗叶含氮量的回归线与1∶1线有一定的偏差，这与前述的模拟值和实测值的定义偏差有关，决定系数=0.79和均方根误差RMSE=0.34。模型对蔗叶含氮量的模拟准确性均达到显著水平。

图3 蔗叶含氮量模拟值和实测值的时间分布

图4 蔗叶含氮量的模拟值和实测值的线性回归拟合

2.2 甘蔗氮素营养特征

由于甘蔗生物量较大，在生长过程中需要大量吸收氮素，故在种植过程中，都非常重视增加氮肥施用量，但如果氮素吸收过量，将会严重影响甘蔗产量和品质（推迟甘蔗成熟、降低蔗茎蔗糖含量等），另外，氮肥施用过量还会造成环境污染。因此，甘蔗氮素养分管理是甘蔗生产可持续利用的一个关键环节，生长过程中需要进行科学的评估和预测[15-16]。

模拟的甘蔗地上部含氮量时间分布趋势（图5）显示，生育前期模拟值较低，直到分蘖期开始后才逐渐增加。甘蔗生育前期以氮代谢为主，植株大量吸收氮素，地上部含氮量日均增长量为1.5kg/hm2。12月底甘蔗生长进入工艺成熟期，地上部含氮量日趋稳定，最终地上部含氮量为243kg/hm2。甘蔗的氮素代谢主要作用于甘蔗的伸长和增粗，故含氮量与生物量的积累有着密切关系。地上部干物重的实测值和相对应的地上部含氮量模拟值的回归拟合曲线为对数方程（图6），决定系数为0.97，表明两者间有着极显著的相关关系。

图5 甘蔗地上部含氮量分布趋势

图6 地上部干物重实测值和地上部含氮量模拟值的回归拟合

模拟的甘蔗每日需氮量分布趋势（图7）显示，由分蘖期开始，需氮量逐渐增加，在伸长前期（7月3日）达到峰值（5kg/hm2）后，逐渐下降。在12月进入工艺成熟期后，需氮量极低，体现了甘蔗在全生育期的需氮量“前多后少”的特征。Wood等[16]指出，在生长的前6个月，甘蔗能最大限度地吸收和储存氮素，并能满足以后的生长需求。模拟的甘蔗全生育期的总需氮量为327kg/hm2，而施用的尿素（含氮量46%，提供纯氮242kg/hm2）和干牛粪（含氮量1.6%，完全矿化可提供纯氮600kg/hm2）总共可提供纯氮842kg/hm2，可完全满足甘蔗需氮要求，这也是该试验蔗地能达到“吨糖田”的基本保证。

图7 甘蔗每日需氮量分布趋势

图8 氮素利用率的时间分布趋势

地上部干物重与地上部含氮量的比值常被当做“氮素利用率”来进行对氮肥管理的评价[16-17]。由于幼苗期地上部的干物重和含氮量都极低，故氮素利用率从分蘖期开始计算（图8），分蘖期初始阶段氮素利用率虽最低，增长的幅度却最大；但在分蘖中期（5月6日），氮素利用率却在递减，此时分蘖茎急剧增加导致甘蔗根系也大量增加，因而对土壤氮素的吸收大量增加；在伸长期初期，此时甘蔗以生长为主，生物量大量增加，因而氮素利用率重新开始递增；到生育后期，此时甘蔗以碳素代谢为主，生长停滞，地上部含氮量趋于平稳，但地上部干物重仍在增加，故氮素利用率还在递增。根据氮素利用率在甘蔗生育前中期的变化趋势特征，在氮肥管理上要注重基肥的施用，保证在分蘖期的氮素要求。

3 结论和讨论

APSIM-Sugarcane甘蔗生长模型在中国亚热带自然环境条件下和特定的耕作管理方式下，尽管在甘蔗品种上以Q141代替ROC22，但新植蔗的各项模拟结果的准确性都达到了极显著水平，说明该模型在中国的亚热带地区也具有较好的适用性。模拟的LAI、蔗叶含氮量的时间分布趋势都较好地体现了甘蔗的真实生长过程。叶面积指数和蔗叶含氮量的模拟值和实测值回归统计检验显示，回归线都接近1∶1线，决定系数分别为0.94和0.79，模拟的准确性都达到了显著水平。

模拟的甘蔗全生育期需氮总量为327kg/hm2，通过施肥提供了纯氮842kg/hm2，可完全满足甘蔗需氮要求。但中国甘蔗种植很少以含氮量较高的厩肥作全部基肥，有机肥源通常都是碳氮比很高的作物秸秆，因此高产蔗地的氮源供给还必须以氮肥为主，但氮肥具有易挥发、淋失等特点，不恰当的施用时间和施用量极易对甘蔗生长及环境造成破坏。合理的氮肥管理就需要在科学的评估和预测上精确进行，APSIM-Sugarcane模拟的甘蔗逐日需氮量可作为指导氮肥施用的依据。

当前广西甘蔗产业日趋规模化、集约化和精细化，迫切要求进行科学的管理和对各生产环节的风险性评估，应用APSIM-Sugarcane模型可为该亚热带地区的甘蔗产业的精确化管理提供科学依据。如果能对当地主要甘蔗品种进行遗传性状方面的校正和检验，APSIM-Sugarcane模型将会具有更广泛的适用性和可靠性。