作物模型在间套作系统中的应用研究进展

季雅菲，张立祯

（中国农业大学，北京 100091）

民以食为天，粮食安全是关系到一个国家人民生存的根本问题，在任何时候都尤为重要。在有关粮食安全问题的诸多要素里，粮食生产能力是核心的影响因素。如果依照国际粮食安全标准计算，即每人400 kg的粮食标准，我国要满足14亿多人口的吃饭需求，未来至少需要产出约6亿t粮食[1]。当前耕地资源紧张，农业劳动人口递减，农业现代化基础设施明显不足等问题突出，我国粮食稳产压力巨大。虽然大米、玉米、小麦的国内平均自给率达到97%，但由于人口基数大、需求量高，我国也是全球上粮食进口数量最多的国家。我国粮食安全形势严峻和全球气候变暖已是不争的事实，气候变化导致东北主产区部分粮食的潜在产量减产趋势愈加明显[2]，因此，因地制宜进行优势生产布局、维持和提高农作物产出、调整种植布局、选育适应性品种等，都能够较好应对东北地区气候变化方面问题[3]。在可持续发展农业中，间作已成为一项重要的耕作方式。间作指的是在同一地块、同一生长期内，将2种或2种以上作物同时种植在一起的种植方法[4]，不同作物具有不同高度、相间成行，利用光、水、肥、热等自然资源[5]，提升土地、水分资源利用率及土壤综合利用，从而促进农村向好、农业增产、农民增收[6]，使经济价值和生态效益最大化[7]，因此依靠间作提高作物产量是保障粮食高产的重要方式。由于耗时、劳动密集且成本高昂，一种可行的替代方案是使用作物可以量化施肥和耕作对作物生长和生产力的影响。

1 作物模型应用研究历程

作物模型是在综合了解作物生育期阶段的各种影响因素和作物自身生理机制的基础上，对作物生长发育、产量和品质等进行的动态仿真模拟。同时对作物生长发育过程中的环境及管理措施的影响进行定量分析，进而优化管理制度，合理提高种植资源利用效率[8]。20世纪90年代，我国首次引进CERES模型，并初步开展了对玉米生长过程的模拟研究。该模型是一种能够反映玉米的土壤水分含量和氮的动态变化、生长发育和产量的动态描述的作物模型。其中管理模块数据主要包括土壤酸碱值、饱和含水率、凋萎系数和田间持水率等。AquaCrop作物模型最早由联合国粮食及农业组织的研究人员开发，旨在应对全球范围内日益严重的水资源短缺问题。该模型基于作物生理原理，通过模拟作物的生长和发育过程，预测作物生物量的积累和产量的形成。它考虑了土壤水分、气象条件、作物特性和管理措施等因素对作物的影响，模型的参数可以根据实际情况进行调整和校准，以适应不同作物和环境条件。APSIM模型是澳大利亚研发的一种对旱地农业系统中各重要成分进行模拟的一个较为理想的机理性模型[9]，其主要对作物受自身生理特征以及温度变化、土肥环境变化和管理措施等外因作用下的作物生产力进行精确预估。WOFOST是由荷兰瓦赫宁根大学和全球粮食安全研究中心研发的一种作物模型，主要用于模拟作物生长和生产，以及分析和评估气候因素的风险和影响。DSSAT模型是一个综合模型系统，由一系列相互关联的模型和数据库组成，可以模拟和预测农作物的生长、发育和产量响应。该模型已经广泛应用于全球各地的农业研究和大田试验中，目前版本可以适用于20多种不同种类的农作物，包括谷物、油料、蔬菜和果树等。模型的适用性还可以根据不同地理位置和气候条件进行调整和校准，以更准确地模拟特定区域的农作物生长和产量响应。ORYZA模型是最早由法国国家农业科学研究院开发的用于水稻生长和产量模拟的模型，它考虑了气候因素、土壤特性、作物品种和管理措施等多个因素对水稻的影响。模型的参数可以根据实际情况进行调整和校准，以适应不同的生态和农业系统。随着时间的推移，该模型得到了改进和扩展，逐渐加入了新的功能和特性，如考虑温度、光照和二氧化碳浓度等因素的影响，以及对不同品种和土壤类型的适应性。

2 作物模型在间套作中的应用研究进展

2.1 APSIM模型

APSIM模型可以模拟不同农作物的生长和发育过程，并对不同作物组合和间套系统设计进行评估。它不仅可以通过模拟作物的水分需求和土壤水分变化，以优化水资源利用和提高农作物产量，还可以模拟不同施肥策略对农作物生长和产量的影响、模拟作物对养分的吸收和利用效率，以评估不同施肥策略对土壤养分循环和环境的影响，为农业可持续发展提供科学依据。除此之外，此模型还可以模拟作物病虫害的发生和传播过程，评估不同病虫害防控策略的效果。通过模拟病虫害的发展趋势和防控措施的效果，制定相关优化病虫害防控策略，减少农药使用量，提高农作物产量和品质。

由此可见，作物生长发育模型APSIM是一个具有动态的土壤、植物和大气模块的模型，它能够对作物和牧草产量、残留物分解、土壤水分和养分流动以及管理影响方面进行建模和模拟。由于在多物种种植系统中作物之间对太阳辐射竞争可能存在限制区间内单个作物的产量，因此存在多种模拟混作和行带间作光截获的方法。张悦等[10]使用程序设计语言对该模型中的条带光截获模块部分进行了改进，并成功编译集成到了该模型中。改进后的模型模块采用的条带种植光截获算法可较好地模拟条带间作下均质和异质性冠层的光截获，广泛适用于不同的间套作模式，降低了考虑种植行向及光照角度引起的误差，为模拟条带间套作的作物生长发育和产量形成提供了良好的工具。现在，条带光截获模块已经被应用于多数假设能够在水平维度上相互混合的竞争冠层的多数混合种植系统里。例如，Wopke等利用改进后的光截获条带模型对杨树生长情况进行模拟，并通过计算模型中多年农林复合系统中的土地当量比与田间试验结果进行对比分析来验证该模型。在模拟情况中，该模型较好地表示出农林复合林分之下的作物生长的最小范围，因为树木吸收了大部分光，导致林分之下的作物生长具有一定的局限性。同时这也有利于研究在光照有限的条件下农林复合系统中的作物产量[11]。Zhang等[12]利用光截获条带模型发现了在小麦和棉花套种中2种作物的光截获与光分布的差异来自每种作物种植的土地面积的比例、单个条带的宽度和每条条带种植的行数，也就是说，2种作物条带的宽度会影响总截光量和捕获光的分布，并且在较窄条带和较窄株距的系统中，光截获和光生产并不是受到叶片冠层异质性的限制，而是受到单位间作面积的叶面积指数的限制，因此增加间套作的种植密度可能会进一步增加间作作物的光截获量。

2.2 SWAP模型

SWAP模型是由荷兰瓦赫宁根大学基于土壤水分、溶质与热量在土壤-植物-大气-作物系统而开发的一种用于模拟土壤水分和作物生长的综合模型，已被广泛应用于农作物研究中。该模型可以模拟土壤水分的动态变化，并评估不同灌溉策略对作物水分利用和产量的影响。此模型在非饱和带中，假设水流运动的主方向为垂直方向，水流的运动主要按垂直一维运动考虑[13]。而在垂直方向上，该模型将土壤分为不同的单元，在每个单元上，耦合求解水分及溶质运动方程和热量传输方程。在气候变化适应与农业风险管理方面，该模型可以结合气象数据，模拟不同气候条件下的土壤水分和作物生长情况，评估气候变化对农作物生产的影响。通过模拟不同气候情景下的土壤水分和作物产量变化，此模型还可以帮助人们制定相应的适应措施，降低气候变化对农业的风险。

SWAP作为一个一维模型，模拟的是垂直方向上的流动过程，不能够模拟间作或农林复合系统中2种作物的生长、水资源和太阳辐射分配。在此情况下，Victor等人对一维模型进行开发和改进，将2个一维模型连接在一起，使其能够成功模拟玉米和大豆间作系统中地上辐射与地下水资源的分配。改进后的模型模拟的间作的冠层截水、土壤蒸发和低通量与一维模型模拟的单层水分平衡分量的平均值相似。该改进模型预测的玉米大豆间作潜力和实际蒸腾速率均高于一维模型获得的单作玉米和大豆的平均值[14]。

3 结论

过去几十年中，利用各种作物模型结合大田试验来探究作物生长机制的研究不胜枚举，然而作物模型在间套作研究中仍存在一定的上升空间。目前多数作物模型能够较好地模拟单作作物，但是在更复杂的间套作系统研究方面还不成熟，缺乏条带型间作不同配置模式的机理研究。在今后的间套作研究中，可将大田试验、生理模型和结构功能模型紧密结合；利用程序设计语言探索间作系统中的间作之间的相互作用，并将输出值对基于过程的作物模型进行参数化和验证；在区域尺度上，利用改进后的间套作作物模型帮助设计更适合该区域气候和环境的间套作系统，更进一步探明模型在间作系统中的参数改进、产量影响因素、栽培管理措施设定和环境间的相互作用等，为今后作物模型在间套作中的理论发展提供一定的理论支持。