朱津輝，戴 萍，朱凱全，陳 雨，范禹辰，李 吉，馮冬蕾，曲驊倩

(1．遼寧省氣象信息中心，遼寧沈陽 110166；2.民航東北空管局氣象中心，遼寧沈陽110043；3.遼寧省沈陽市環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧沈陽 110169；4.遼寧省桓仁滿族自治縣氣象局，遼寧本溪117200)

?

WOFOST模型的研究進展

朱津輝1，戴 萍1，朱凱全2*，陳 雨1，范禹辰3，李 吉4，馮冬蕾4，曲驊倩4

(1．遼寧省氣象信息中心，遼寧沈陽 110166；2.民航東北空管局氣象中心，遼寧沈陽110043；3.遼寧省沈陽市環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧沈陽 110169；4.遼寧省桓仁滿族自治縣氣象局，遼寧本溪117200)

世界糧食作物研究模型(WOFOST模型)引入我國以來對其的研究與應用日趨成熟，發(fā)展方向正從研究階段向業(yè)務應用階段轉變。簡要分析了WOFOST模型及其發(fā)展歷史，并闡述了國內外WOFOST模型的研究進展，以期推進WOFOST模型在我國農業(yè)氣象服務業(yè)務領域中的應用，提升我國農業(yè)氣象現(xiàn)代化水平。

WOFOST模型；發(fā)展歷史；農業(yè)氣象；業(yè)務領域

我國人均耕地面積不足世界平均水平的43%，不到發(fā)達國家的25%[1]，耕地面積的縮小、人口的增加與資源緊張的矛盾將始終存在。因此現(xiàn)代農業(yè)將成為今后農業(yè)發(fā)展的主要方向[2]。適應氣候變化和糧食生產的綜合分析需要強大的作物氣候模型和可靠的數(shù)據(jù)集，作物生長模型是現(xiàn)代農業(yè)技術的核心技術之一。作物生長模型是近40年來迅速發(fā)展起來的，尤其是20世紀末至今，作物模型在研究內容[3]、特點[4-5]、方法[6-7]等方面不斷呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢，國內學者對模型的研究領域也越來越廣泛，目前已經(jīng)在許多方面得到了應用。

世界糧食作物研究模型(WOFOST模型)是de Wit[8]學院在SUCROS模型[9]的基礎上開發(fā)的，目的是利用模擬技術，探索發(fā)展中國家日益增加的糧食安全等相關的農業(yè)生產潛力問題，是國內外研究和應用最為廣泛的產量預測模型之一，該模型對保障糧食生產安全和農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有積極的指導作用。WOFOST引入我國以來對其的研究與應用日趨成熟。近年來，發(fā)展方向正從研究階段向業(yè)務應用階段轉變。筆者簡要分析了國內外WOFOST模型的發(fā)展歷史及研究進展，旨在推進該模型在業(yè)務中的應用領域，提升我國農業(yè)氣象現(xiàn)代化水平。

1 WOFOST模型的概述

WOFOST模型是由Wageningen大學和世界糧食組織合作開發(fā)研制的一個通用的作物生長模型，是綜合作物、土壤、氣候、管理等因素模擬大范圍的一年生作物的潛在生長以及水養(yǎng)限制條件下的生長等動態(tài)過程的動態(tài)解釋性模型。WOFOST模型強調機理性、解釋性、通用性，研究重點在于土壤、氣候、作物的品種遺傳特性等因素的綜合作用。對于不同作物以及不同的生長環(huán)境，在WOFOST模型的應用中需要特定的符合該作物生理特征的輸入數(shù)據(jù)文件以及特定的環(huán)境相關數(shù)據(jù)(氣候和土壤數(shù)據(jù))文件。

在實際生產中，Rabbinge[10]在1982年de Wit定義的4個作物模擬水平[11-12]的基礎上，又進一步將模擬水平分為3種情形(圖1)。該模型主要針對作物的3種生長狀態(tài)進行模擬及產量評估，分別為潛在生長、水分限制條件下的生長和營養(yǎng)限制條件下的生長。在生物領域營養(yǎng)限制條件下的生產還沒有完全實現(xiàn)，營養(yǎng)限制條件下的生產是在水分限制條件下的生產的基礎上進行的。在WOFOST模型的模擬中不考慮進一步脅迫因素(雜草、害蟲、霜和疾病)。

圖1 作物模擬水平的劃分Fig.1 Classification of crop simulation level

WOFOST模型可以作為獨立作物模型用于分析試驗、區(qū)域或國家尺度的產量預測以及條件變化(氣候變化、灌溉條件變化、作物品種改變或變異以及生長發(fā)育期的變化等)對作物產量的影響。此外，WOFOST模型可以應用于評估地區(qū)或國家尺度的大量一年生作物的產量潛力。如應用于作物生長監(jiān)測系統(tǒng)(Crop Growth Monitoring System，CGMS)的WOFOST模型。在歐盟利用WOFOST模型監(jiān)測農業(yè)生產季的作物生長狀況和各地區(qū)的產量預測。在此生長監(jiān)測系統(tǒng)中，WOFOST模型已完美地與地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)結合，使其更好地應用于歐盟地區(qū)農業(yè)生產業(yè)務。

2 WOFOST模型的發(fā)展歷史

自20世紀60年代de Wit建立了冠層光能截獲模型起，通過模擬模型來研究作物科學已經(jīng)成為現(xiàn)代農業(yè)科學發(fā)展的一個方向。起初，WOFOST模型是在研究世界糧食安全生產的基礎上由世界糧食組織(CWFS)和Wageningen大學共同研發(fā)的[13]。發(fā)展過程中，為應對應用需求的不斷變化WOFOST模型得到了不斷的發(fā)展和完善(圖2)[6，14-18]。

3 WOFOST模型的研究進展

目前，以WOFOST6.0 為核心的CGMS9.2(目前正在運行的版本)已由MARS(Monitoring Agro-ecological research with Remote sensing and Simulation)計劃成功地用于日常業(yè)務[4]。CGMS是集作物模型和衛(wèi)星遙感一體化的先進的作物長勢監(jiān)測系統(tǒng)，旨在于在空間區(qū)域運行作物模型，由C語言實現(xiàn)，CGMS具備空間插值氣象數(shù)據(jù)的能力，通過高效數(shù)據(jù)庫批量模擬多年多地的批量模擬運行得以實現(xiàn)。WOFOST模型的輸出可以通過數(shù)據(jù)庫進行檢索，使模擬分析結果更容易被查詢及發(fā)布。按時發(fā)布的氣候概述、產量預測等作物生長監(jiān)測預測公報為歐盟糧食安全問題及制訂糧食進出口貿易政策等提供科學依據(jù)[19-22]。

圖2 WOFOST模型的發(fā)展歷程Fig.2 Development course of WOFORST model

我國對于WOFOST模型的研究起步較晚，但在各方面均取得了長足的發(fā)展和不同程度的應用。特別是近20年，國內外對WOFOST模型在許多方面的研究和應用均取得了顯著的成果，在不同作物的本地化模擬研究方面取得了很多成績，并運用不同試驗對我國水稻、小麥、玉米、馬鈴薯、大豆等主要糧食作物生長過程進行了模擬研究。目前，對于WOFOST模型的研究主要分為以下幾方面。

3.1 WOFOST模型的本地化研究 WOFOST模型的研究、應用和推廣需要大量的試驗數(shù)據(jù)為基礎，該模型應用所需數(shù)據(jù)主要分為三部分。其中，氣象文件主要包括氣溫、輻射(或日照時數(shù))、水汽壓、降水和風速等氣象要素，作物文件和土壤文件為參數(shù)文件。在應用WOFOST模型進行不同地區(qū)不同作物的模擬時，需要對作物文件參數(shù)、土壤文件參數(shù)等相關敏感參數(shù)進行校正，針對研究區(qū)域的氣候特征和作物品種生態(tài)類型，調試出適宜的模型參數(shù)，進而為模型應用做好準備工作。

我國WOFOST模型本地化方面的研究已發(fā)展成熟，有資料顯示，該模型在我國大部分地區(qū)具有良好的適用性。如鄔定榮等[7]在試驗的基礎上對WOFOST模型在華北平原的適用性進行了研究和驗證，為我國WOFOST模型的本地化研究奠定了良好的基礎。馬玉平等[23]以冬小麥越冬、返青的氣象指標為重點，針對華北地區(qū)氣候特征和冬小麥生長發(fā)育類型對WOFOST模型部分參數(shù)進行了調整。巴特爾·巴克[24]利用在汾河灌區(qū)的相關試驗將WOFOST模型本地化，研究了該地區(qū)主要農作物潛在產量和水肥限制條件下的產量。謝文霞等[25]通過對浙江水稻潛在生長過程的模擬，驗證了WOFOST模型在浙江省的適用性。張鐵楠[26]對WOFOST模型進行校正，并驗證了其在東北春麥區(qū)的適用性。何亮等[27]結合參數(shù)全局敏感性分析方法以及馬爾科夫蒙特卡洛方法，基于WOFOST模型對多品種作物的參數(shù)進行了敏感性分析、計算、調試和優(yōu)化，為WOFOST模型本地化參數(shù)數(shù)據(jù)庫的研究夯實基礎。

3.2 產量評估預測及作物生理特性研究 WOFOST模型的研究與應用始終伴隨著與試驗有關的作物研究，該模型側重于對作物生理生態(tài)過程的詳細描述，基于給定的天氣條件能夠模擬出作物的潛在產量、水分限制下的產量以及養(yǎng)分限制下的產量。謝文霞等[25]對我國浙江地區(qū)的一年生主要農作物進行了產量評估。杜春英等[28]基于WOFOST模型對黑龍江省水稻進行產量預測研究，實現(xiàn)了其在水稻農業(yè)氣象服務業(yè)務中的應用。為研究氣候變化對主要糧食作物產量的影響，張建平等[29]結合氣候模型輸出的未來60年氣候資料，模擬了未來氣候變化環(huán)境下東北地區(qū)玉米產量的變化。高永剛等[30-31]通過對黑龍江省81個氣象站30年逐日氣象資料的模擬分析，研究馬鈴薯和甜菜氣候生產力的空間分布，劃分出黑龍江省馬鈴薯和甜菜適宜的氣候栽培區(qū)，為當?shù)伛R鈴薯和甜菜生產業(yè)的發(fā)展提供科學依據(jù)。張建平等[32]分析了東北地區(qū)玉米生長發(fā)育不同時期的低溫冷害對其灌漿及產量的影響。

3.3 模型應用空間尺度研究 遙感提供的農作物實時生長狀態(tài)信息和作物生長過程模擬結合應用，可以提高作物產量估算的精確度。鑒于環(huán)境因素(如天氣、土壤)和管理措施的非均勻性，WOFOST模型與遙感軟件的結合研究可以將其應用于更大空間尺度?？臻g化的WOFOST模型模擬的每一點是獨立的，使模擬的批處理運行得以實現(xiàn)。高永剛等[33]應用并改進作物長勢監(jiān)測系統(tǒng)(CGMS)，驗證了該系統(tǒng)在黑龍江省研究與應用的可行性，并提出了CGMS今后的研究方向以及存在的一些問題。郭建茂[34]結合遙感系統(tǒng)，利用WOFOST模型模擬了冬小麥的生長發(fā)育過程。陳勁松等[35]基于中國環(huán)境衛(wèi)星(HJ-1 A/B)遙感數(shù)據(jù)和WOFOST模型，采用SCE優(yōu)化算法估算水稻產量。李妍[36]結合遙感，利用WOFOST-HYDRUS耦合模型對黑河中游玉米進行了產量評估。吳伶[37]結合遙感與WOFOST模型分析了水稻生長參數(shù)的時空變化，研究了模型參數(shù)區(qū)域化的方法。

3.4 WOFOST模型的改進 為使WOFOST模型適應我國主要糧食作物的生理生長過程的模擬，對模型的部分參數(shù)及驅動進行調整，使模型更適宜本地作物，提高模擬精度。馬玉平等[23]以冬小麥越冬和返青的氣象指標為重點，針對華北地區(qū)冬小麥的較長越冬休眠期，對WOFOST模型的部分參數(shù)進行了調整，為其適應華北區(qū)域的應用奠定了基礎。王銳等[38]對WOFOST模型驅動中的源代碼進行修改，將模塊中的日降水量替換成土壤相對濕度，使模擬精度得到明顯提高，并通過試驗對比得出了較好的效果。

4 結語

WOFOST模型自被研發(fā)以來廣泛應用于產量風險評估、產量預測、播種期決策、作物干旱研究、作物生長關鍵因子的確定等。我國正在發(fā)展中的WOFOST模型，處于獨立的作物模型試驗分析階段，對當?shù)刂饕Z食作物的生長進行模擬研究。然而，在我國該模型仍停留在試驗研究和空間小尺度試用階段，并未在空間大尺度的產量預測或作物研究中應用。在未來的發(fā)展中，為進一步促進WOFOST模型在我國的發(fā)展以及氣象服務業(yè)務應用水平的提高，應將研究重點放在WOFOST模型的大尺度模擬研究及應用。因此，應將模型與遙感結合研究，完善不同區(qū)域不同作物參數(shù)數(shù)據(jù)庫，盡快建立起可應用的作物生長監(jiān)測系統(tǒng)。

在我國建立可應用的作物生長系統(tǒng)，需要完備的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持，主要包括氣象數(shù)據(jù)、作物數(shù)據(jù)和土壤相關數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)主要包括逐日常規(guī)氣象資料，可由當?shù)貧庀蟛块T提供。為確定不同區(qū)域及不同農作物的作物數(shù)據(jù)，需研究出機理性強、普適性高，且在時空數(shù)據(jù)建模和分析方面有高移植性的參數(shù)本地化方法。土壤數(shù)據(jù)可以與當?shù)剞r業(yè)部門進行合作或補充監(jiān)測獲取。WOFOST模型從研究階段向業(yè)務應用推廣階段的轉變，拓展了當前我國農業(yè)氣象業(yè)務領域，提升了農業(yè)氣象服務水平，將有助于政府管理者做出正確決策，進而可以保護地區(qū)乃至國家的糧食安全。

[1] 王冬銀.城市化進程中耕地保護經(jīng)濟補償模式研究[D].重慶：西南大學，2013：1-2.

[2] 曹宏鑫，趙鎖勞，葛道闊，等.作物模型發(fā)展探討[J].中國農業(yè)科學，2011，44(17)：3520-3528.

[3] BOOGAARD H L，VAN DIEPEN C A，VAN DIEPEN C A，et al.User′s guide for the WOFOST 7.1 crop growth simulation model and WOFOST Control Center 1.5[M].Wageningen：Winand Staring Centre，1998.

[4] 劉布春，劉文萍，梅旭榮，等.我國農業(yè)氣象業(yè)務引入作物生長模型的前景[J].氣象，2006(12)：10-15.

[5] HOOIJER A A，VAN DER WAL T.CGMS version 3.1，user manual.Technical document 15.1[M].Wageningen：SCDLO，1994：17.

[6] VOSSEN P，RIJKS D.Early crop yield assessment of the E.U countries：The system implemented by the Joint Research Center[M].EUR Publication of the Office for the Off ice for Official Publications of the E.C.Luxembourg，1995.

[7] 鄔定榮，歐陽竹，趙小敏，等.作物生長模型WOFOST在華北平原的適用性研究[J].植物生態(tài)學報，2003，27(5)：594-602.

[8] DE WIT C T.Photosynthesis of leaf canopies[M].Wageningen，The Netherlands：Centre for Agricultural Publications and Documentation，1965.

[9] PENNING D E,VRIES F W T，VAN LAAR H H.Simulation of growth process and the model BACROS[M]//PENNING D E,VIRES F W T，VANLAAR H H.Simulation of plant growth and crop production.Wageningen，The Netherlands：Simulation Monographs，PUDOC，1982：114-135.

[10] RABBINGE R.The eeologieal background of food production[M]//CHADWICK D.Crop protection and sustainable agriculture(Ciba Foundation Symposium 177).Chichester：John Wiley&Sons，1993：2-29.

[11] VAN KEULEN H，PENNING DE VRIES F W T，DREES E M.A summary model for crop growth[M]//PENNING DE VRIES F W T，VAN LAAR H H.Simulation of plant gowth and crop production.Wageningen，The Netherlands：Simulation Monographs，PUDOC，1982：87-98.

[12] 彭寧德弗里斯F W T.植物生長與作物生產的模擬[M].王馥棠，等譯.北京：科學出版社，1988：10-45.

[13] 劉布春，王石立，馬玉平.國外作物模型區(qū)域應用研究進展[J].氣象科技，2002，30(4)：193-203.

[14] BERKHOUT J A A，HUIJGEN J，AZZALI S，et al.MARS definition study：Results of the preparatory phase：Main report[R].Report 17.SC- DLO，Wageningen，1988：111.

[15] KONING G H G，JANSSEN H.Input and output coefficients of various cropping and lives toke systems in the European communities[R].The Hague：Netherlands Scientific Council for Government Policy，1992.

[16] LANEN H A J，DIEPEN C A，REINDS G T，et al.Physical land evaluation methods and GIS to explore the crop growth potential and its effects with in the EUROPE communities [J].Agricultural Systems，1992，39：307-328.

[17] DIEPEN C A.Crop growth monitoring and yields forecasting at regional and national scale[M].Publication EUR 16008 EN of the Offical Publication s of the E.C.Luxembourg，1995：143-158.

[18] 謝文霞，王光火，張奇春.WOFOST模型的發(fā)展及應用[J].土壤通報，2006，37(1)：154-158.

[19] KEULEN H，DIEPEN C A.Crop growth models and agroecologicalcharacterrization[C]//SCAIFE A.Proceedings of the frist congress of the European society of agronomy.Pairs：CEC，ESA，INRA，1990：1-16.

[20] DIEPEN C A，RAPPOLDT C.Crop growth simulation model WOFOST.Documentation version 4.1[M].Wageningen：Centre for World Food Studies，1988.

[21] HUYGEN J，DIEPEN C A，IMMERZEEL C H，et al.Simulation studies on the limit ations to maize production in Zambia[M].Wageningen：John Wiley & Sons,Inc.，1990：99.

[22] BOOGAARD H L，VAN DIEPEN C A，ROTTER R P，et al.WOFOST 7.1 user′s guide for the WOFOST 7.1 crop growth simulation model and WOFOST Control Centre 1.5.Technical document 52[M].Wageningen：DLO Winand Staring Centre，1998.[23] 馬玉平，王石立，張黎，等.針對華北小麥越冬的WOFOST模型改進[J].中國農業(yè)氣象，2005，26(3)：145-149.

[24] 巴特爾·巴克.汾河灌區(qū)作物生產力模擬及流域水平衡模型之研究[D].北京：中國農業(yè)大學，2005.

[25] 謝文霞，嚴力蛟，王光火.運用WOFOST模型對浙江水稻潛在生長過程的模擬與驗證[J].中國水稻科學，2006，20(3)：319-323.

[26] 張鐵楠.WOFOST模型在東北春麥區(qū)生產中的應用研究[D].哈爾濱：東北農業(yè)大學，2014.

[27] 何亮，侯英雨，趙剛，等.基于全局敏感性分析和貝葉斯方法WOFOST作物模型參數(shù)優(yōu)化[J].農業(yè)工程學報，2016，32(2)：169-179.

[28] 杜春英，李秀芬，王晨軼，等.基于WOFOST模型的黑龍江省水稻產量動態(tài)預報研究[J].安徽農業(yè)科學，2011，39(24)：15093-15095，15122.

[29] 張建平，趙艷霞，王春乙，等.氣候變化對我國華北地區(qū)冬小麥發(fā)育和產量的影響[J].應用生態(tài)學報，2006(7)：1179-1184.

[30] 高永剛，那濟海，顧紅，等.黑龍江省馬鈴薯氣候生產力特征及區(qū)劃[J].中國農業(yè)氣象，2007，28(3)：275-280.

[31] 高永剛，南瑞，顧紅，等.黑龍江省甜菜氣候生產力模擬和種植氣候區(qū)劃[J].生態(tài)學雜志，2009，28(1)：27-31.

[32] 張建平，王春乙，趙艷霞，等.基于作物模型的低溫冷害對我國東北三省玉米產量影響評估[J].生態(tài)學報，2012，32(13)：4132-4138.

[33] 高永剛，王育光，殷世平，等.作物長勢監(jiān)測系統(tǒng)在作物產量預測應用中的探討[J].東北農業(yè)大學學報，2006，37(5)：706-713.

[34] 郭建茂.基于遙感與作物生長模型的冬小麥生長模擬研究[D].南京：南京信息工程大學，2007：125-128.

[35] 陳勁松，黃健熙，林琿，等.基于遙感信息和作物生長模型同化的水稻估產方法研究[J].中國科學(信息科學)，2010，40(S1)：173-183.

[36] 李妍.基于WOFOST-HYDRUS耦合模型的玉米遙感估產研究[D].蘭州：蘭州大學，2012.

[37] 吳伶.基于遙感與作物生長模型同化的水稻生長參數(shù)時空分析[D].北京：中國地質大學，2013.

[38] 王銳，李亞飛，張麗娟，等.土壤濕度驅動 WOFOST 模型及其適應性[J].中國農業(yè)氣象，2015，36(3)：263-271.

Research Advances of WOFOST Model

ZHU Jin-hui1, DAI Ping1, ZHU Kai-quan2*et al

(1.Meteorological Information Center in Liaoning Province,Shenyang, Liaoning 110166;2. Northeast Air Traffic Management Bureau of CAAC, Shenyang, Liaoning 110043)

Since the introduction of WOFOST (World Food Studies)model, the research advances and application have been grown up day by day in China. The development direction transformed from the research phase to the application stage. WOFOST model and its development course was analyzed, the research advances at home and abroad were elaborated, so as to promote its application in agrometeorological services in China and promote agricultural meteorology modernization level.

WOFOST model; Development history; Agricultural meteorology; Business field

朱津輝(1988-)，女，遼寧沈陽人，助理工程師，從事農業(yè)氣象與作物模型研究。*通訊作者，高級工程師，從事氣象預報工作。

2016-08-10

S 16

A

0517-6611(2016)28-0194-03