王昱 高浚

(塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

棉花是我國(guó)最主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，其生產(chǎn)規(guī)模大，成本較低[1]。棉花的產(chǎn)業(yè)鏈很長(zhǎng)，包括了從種植到最后流通一系列產(chǎn)業(yè)。我國(guó)棉花主要種植在新疆地區(qū)、長(zhǎng)江流域和黃河流域。其中新疆棉區(qū)由于土地資源豐富、氣候干旱和日照時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，更適宜種植棉花。南疆位于新疆南部，棉花是當(dāng)?shù)厝嗣裰饕杖雭?lái)源之一；南疆土壤鹽漬化很嚴(yán)重，對(duì)棉花的生長(zhǎng)產(chǎn)生很大影響[2,3]。所以如何高效地利用灌溉施肥從而提高棉花的產(chǎn)量成為一個(gè)很重要的問(wèn)題。近年來(lái)，棉花種植中過(guò)量的氮肥和灌水不僅導(dǎo)致氮利用率過(guò)低，還會(huì)導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)。合理的灌溉施肥對(duì)南疆棉花種植意義重大。隨著人類進(jìn)入信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用不斷發(fā)展和進(jìn)步。棉花種植系統(tǒng)模擬模型始于20世紀(jì)60年代的美國(guó)東南部，現(xiàn)在世界主要棉花產(chǎn)區(qū)都有棉花種植系統(tǒng)模擬模型的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，棉花生長(zhǎng)模型的功能不斷增多、模型模擬的準(zhǔn)確性也在不斷的提高。在一代代農(nóng)業(yè)專家的不斷努力下，至21世紀(jì)初棉花生長(zhǎng)模擬模型逐漸完善，主要包括DSSAT作物模型[4]、Cotton2K模型[5,6]、Swap模型[7]和GOSSYM模型[8]等。DSSAT作物模型是作物生長(zhǎng)模擬領(lǐng)域上使用最廣泛的模型之一，DSSAT-CROPGRO-Cotton模型作為DSSAT作物模型的1個(gè)模塊，囊括了土壤、天氣、田間管理等要素對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響，能夠較為精確地模擬棉花的生長(zhǎng)過(guò)程。因此本研究使用DSSAT-CROPGRO-Cotton模型對(duì)棉花生育期、生物量和產(chǎn)量進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為在南疆地區(qū)應(yīng)用DSSAT作物模型提供一定的參考。

1 DSSAT作物模型簡(jiǎn)介

1.1 DSSAT作物模型

DSSAT作物模型(農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓決策支持系統(tǒng))在20世紀(jì)80年代由美國(guó)等國(guó)家的大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)。DSSAT作物模型作為全球范圍使用最廣泛的作物生長(zhǎng)模擬模型之一，包括了CROPGRO[9]、CERES[10]、SUBSTOR[11]、CANEGRO[12]等眾多模塊，模型可以對(duì)眾多農(nóng)作物進(jìn)行模擬。其中CROPGRO模型能夠?qū)λ募径?、葛豆等豆類作物，包心菜、番茄等蔬菜，幸運(yùn)草、百喜草等牧草以及棉花進(jìn)行生長(zhǎng)模擬。CERES模型能夠?qū)π∶?、水稻和玉米等禾本科作物?shí)現(xiàn)模擬。SUBSTOR模型能夠?qū)嵭旭R鈴薯的模擬。CAUSUPRO和CANEGRO模型能夠?qū)嵭泻瘫究聘收釋僦参锏哪M。CROPSIM模型能夠?qū)嵭写箨颇臼韺僦参锏哪M。AROID能夠?qū)嵭杏箢愖魑锏哪M。ALOHA模型能夠?qū)嵭胁ぬ}品種的模擬。而且DSSAT作物模型還提供計(jì)算方法，可以為決策者提供參考。與其他作物生長(zhǎng)模擬模型一樣，DSSAT作物模型能夠模擬農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育期間的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)等，而且可以對(duì)氣象和土壤參數(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量預(yù)估。DSSAT作物模型最初發(fā)布的版本是V2.1，現(xiàn)在最新的版本為V4.8，模型的運(yùn)行界面簡(jiǎn)潔，操作方便。隨著模型功能的豐富和運(yùn)行速度的提高，目前已在世界范圍內(nèi)的多個(gè)國(guó)家普遍應(yīng)用。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、田間管理、作物栽培、施肥管理等方面DSSAT作物模型使用很多。劉濤等[13]研究結(jié)果表明，DSSAT作物模型可以很好地模擬東北地區(qū)春小麥、大豆、谷子和馬鈴薯的生長(zhǎng)。張會(huì)婭等[14]研究表明，DSSAT作物模型可以對(duì)廣西甘蔗水分利用率進(jìn)行分析。杜江濤等[15]研究結(jié)果表明，DSSAT-CROPGRO-Cotton模型可以為南疆棉花灌溉制度優(yōu)化提供參考。

1.2 DSSAT作物模型輸入?yún)?shù)

1.2.1 土壤參數(shù)

DSSAT作物模型中，土壤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在.sol類型文件中，主要包括土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)和含水率等信息。詳細(xì)土壤參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土壤參數(shù)

1.2.2 遺傳品種參數(shù)

DSSAT作物模型中，遺傳品種參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在.cul類型文件中，主要包括作物的品種遺傳信息。詳細(xì)的遺傳品種參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 遺傳品種參數(shù)

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地概況

該研究于2019年在新疆阿拉爾市十團(tuán)試驗(yàn)站實(shí)驗(yàn)地進(jìn)行，具體位置為N40°30′00″～40°64′56″，E80°33′45″～81°40′10″。試驗(yàn)地降雨稀少，光資源豐富，年均降水量在46mm左右,年均蒸發(fā)量2100mm左右。實(shí)驗(yàn)地的土壤主要是沙壤土和粘性土，可以作為種植土地使用。試驗(yàn)地主要水源為多浪水庫(kù)。

2.2 供試材料

棉花品種為“新陸中46”。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)棉花常規(guī)灌水量280m3·667m-2，共設(shè)置3個(gè)灌水處理。WL：低灌水，80%灌水量；WM：中度灌水，100%灌水量；WH：高灌水，130%灌水量。試驗(yàn)地4月10日施基肥，4月20日鋪膜播種，10月20日收獲。試驗(yàn)地在棉花生育期內(nèi)使用氮肥、磷肥及鉀肥進(jìn)行施肥。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

2.4.1 土壤數(shù)據(jù)

土壤數(shù)據(jù)包括土壤基本信息和逐層信息。本研究的土壤數(shù)據(jù)是對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤實(shí)行不同深度的取樣獲取的，主要有土壤的機(jī)械組成、土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、容重、田間持水量等。詳細(xì)土壤數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 土壤數(shù)據(jù)

2.4.2 天氣數(shù)據(jù)

本研究的天氣數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局官網(wǎng)，具體天氣數(shù)據(jù)包括天氣記錄日期、每日太陽(yáng)能輻射、每日最高氣溫、每日最低氣溫、每日風(fēng)速、每日降水量等，具體見(jiàn)圖1。

圖1 天氣數(shù)據(jù)

2.5 測(cè)定指標(biāo)

棉花生育期內(nèi)記錄生育期時(shí)間，并在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的5株棉花，測(cè)量生物量。收獲期棉花全部吐絮成熟后，把試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的所有棉花采摘稱重，記錄皮棉的產(chǎn)量。

2.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)

使用誤差，相對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差評(píng)價(jià)模擬結(jié)果。其中相對(duì)誤差小于10%時(shí)，表明模擬結(jié)果很好。相對(duì)誤差在10%～20%時(shí)，表明模擬結(jié)果一般。相對(duì)誤差大于20%時(shí)，表明模擬結(jié)果較差。標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差大于20%，則說(shuō)明模擬結(jié)果差。標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差在10%～20%，則說(shuō)明模擬結(jié)果一般。標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差小于10%，則說(shuō)明模擬結(jié)果很好。

3 結(jié)果與分析

3.1 生育期天數(shù)實(shí)測(cè)值與模擬驗(yàn)證結(jié)果

本研究主要研究棉花的開(kāi)花期和棉花的成熟期。從表4可知，在低灌水、中度灌水和高灌水不同灌水處理下，DSSAT作物模型對(duì)開(kāi)花期和成熟期的模擬值相差不大，且不同灌水條件下，DSSAT作物模型對(duì)開(kāi)花期的模擬誤差為3d，說(shuō)明模型可以很好地模擬棉花的開(kāi)花期。而成熟期的模擬誤差為8d，誤差較大。DSSAT作物模型對(duì)棉花的成熟期模擬較差，這可能是由于成熟期受各種氣候條件的影響，需要對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)。

表4 生育期日期觀測(cè)與模擬驗(yàn)證

3.2 生物量實(shí)測(cè)值與模擬驗(yàn)證結(jié)果

棉花生物量的大小和棉花的產(chǎn)量相關(guān)。在低灌水、中度灌水和高灌水不同灌水處理下，DSSAT作物模型對(duì)生物量模擬結(jié)果如表5所示。由表5可知，低灌水處理下生物量實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)誤差為10.16%；中度灌水處理下生物量實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)誤差為6.62%；高灌水處理下生物量實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)誤差為7.58%。低灌水處理下模擬結(jié)果一般，而中度灌水和高灌水處理下，相對(duì)誤差均小于10%，模擬結(jié)果較好。3種不同灌水處理下標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差為8.20%，小于10%，說(shuō)明DSSAT作物模擬可以很好地模擬棉花生物量。

表5 生物量實(shí)測(cè)值與模擬對(duì)比

3.3 產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬驗(yàn)證結(jié)果

棉花產(chǎn)量是一個(gè)重要指標(biāo)，值得重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)比圖見(jiàn)圖2。由表6可知，低灌水處理下產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)誤差為2.77%；中度灌水處理下產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)誤差為4.15%；高灌水處理下產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)誤差為5.80%。低灌水、中度灌水和高灌水不同灌水處理下標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差均在10%以下，說(shuō)明DSSAT作物模擬可以很好地模擬棉花產(chǎn)量。詳細(xì)的籽棉產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值見(jiàn)表6。對(duì)比不同灌水處理下模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差發(fā)現(xiàn)，灌水越少，則棉花產(chǎn)量越低，灌水越多，則棉花產(chǎn)量越高。但是經(jīng)過(guò)研究表明，灌水不能過(guò)多，過(guò)量的水分會(huì)導(dǎo)致水分脅迫，影響棉花生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致棉花產(chǎn)量減少。

圖2 產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬對(duì)比

表6 產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值

4 結(jié)論與討論

DSSAT作物模型是全球范圍內(nèi)使用最廣泛的作物生長(zhǎng)模擬模型之一。通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對(duì)比可知，DSSAT作物模型對(duì)開(kāi)花期的模擬結(jié)果較準(zhǔn)確，成熟期的模擬結(jié)果誤差較大，這可能是由于成熟期受各種氣候條件的影響。生物量方面，低灌水下模擬結(jié)果一般，而中度灌水和高灌水處理下模擬結(jié)果較好。棉花產(chǎn)量方面，3種灌水處理下可以很好地模擬棉花籽棉產(chǎn)量。