季雅菲，張立禎

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100091）

民以食為天，糧食安全是關(guān)系到一個(gè)國(guó)家人民生存的根本問(wèn)題，在任何時(shí)候都尤為重要。在有關(guān)糧食安全問(wèn)題的諸多要素里，糧食生產(chǎn)能力是核心的影響因素。如果依照國(guó)際糧食安全標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，即每人400 kg的糧食標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)要滿(mǎn)足14億多人口的吃飯需求，未來(lái)至少需要產(chǎn)出約6億t糧食[1]。當(dāng)前耕地資源緊張，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)人口遞減，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施明顯不足等問(wèn)題突出，我國(guó)糧食穩(wěn)產(chǎn)壓力巨大。雖然大米、玉米、小麥的國(guó)內(nèi)平均自給率達(dá)到97%，但由于人口基數(shù)大、需求量高，我國(guó)也是全球上糧食進(jìn)口數(shù)量最多的國(guó)家。我國(guó)糧食安全形勢(shì)嚴(yán)峻和全球氣候變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí)，氣候變化導(dǎo)致東北主產(chǎn)區(qū)部分糧食的潛在產(chǎn)量減產(chǎn)趨勢(shì)愈加明顯[2]，因此，因地制宜進(jìn)行優(yōu)勢(shì)生產(chǎn)布局、維持和提高農(nóng)作物產(chǎn)出、調(diào)整種植布局、選育適應(yīng)性品種等，都能夠較好應(yīng)對(duì)東北地區(qū)氣候變化方面問(wèn)題[3]。在可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)中，間作已成為一項(xiàng)重要的耕作方式。間作指的是在同一地塊、同一生長(zhǎng)期內(nèi)，將2種或2種以上作物同時(shí)種植在一起的種植方法[4]，不同作物具有不同高度、相間成行，利用光、水、肥、熱等自然資源[5]，提升土地、水分資源利用率及土壤綜合利用，從而促進(jìn)農(nóng)村向好、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收[6]，使經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)效益最大化[7]，因此依靠間作提高作物產(chǎn)量是保障糧食高產(chǎn)的重要方式。由于耗時(shí)、勞動(dòng)密集且成本高昂，一種可行的替代方案是使用作物可以量化施肥和耕作對(duì)作物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力的影響。

1 作物模型應(yīng)用研究歷程

作物模型是在綜合了解作物生育期階段的各種影響因素和作物自身生理機(jī)制的基礎(chǔ)上，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)等進(jìn)行的動(dòng)態(tài)仿真模擬。同時(shí)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的環(huán)境及管理措施的影響進(jìn)行定量分析，進(jìn)而優(yōu)化管理制度，合理提高種植資源利用效率[8]。20世紀(jì)90年代，我國(guó)首次引進(jìn)CERES模型，并初步開(kāi)展了對(duì)玉米生長(zhǎng)過(guò)程的模擬研究。該模型是一種能夠反映玉米的土壤水分含量和氮的動(dòng)態(tài)變化、生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)描述的作物模型。其中管理模塊數(shù)據(jù)主要包括土壤酸堿值、飽和含水率、凋萎系數(shù)和田間持水率等。AquaCrop作物模型最早由聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織的研究人員開(kāi)發(fā)，旨在應(yīng)對(duì)全球范圍內(nèi)日益嚴(yán)重的水資源短缺問(wèn)題。該模型基于作物生理原理，通過(guò)模擬作物的生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程，預(yù)測(cè)作物生物量的積累和產(chǎn)量的形成。它考慮了土壤水分、氣象條件、作物特性和管理措施等因素對(duì)作物的影響，模型的參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)，以適應(yīng)不同作物和環(huán)境條件。APSIM模型是澳大利亞研發(fā)的一種對(duì)旱地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中各重要成分進(jìn)行模擬的一個(gè)較為理想的機(jī)理性模型[9]，其主要對(duì)作物受自身生理特征以及溫度變化、土肥環(huán)境變化和管理措施等外因作用下的作物生產(chǎn)力進(jìn)行精確預(yù)估。WOFOST是由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)和全球糧食安全研究中心研發(fā)的一種作物模型，主要用于模擬作物生長(zhǎng)和生產(chǎn)，以及分析和評(píng)估氣候因素的風(fēng)險(xiǎn)和影響。DSSAT模型是一個(gè)綜合模型系統(tǒng)，由一系列相互關(guān)聯(lián)的模型和數(shù)據(jù)庫(kù)組成，可以模擬和預(yù)測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量響應(yīng)。該模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全球各地的農(nóng)業(yè)研究和大田試驗(yàn)中，目前版本可以適用于20多種不同種類(lèi)的農(nóng)作物，包括谷物、油料、蔬菜和果樹(shù)等。模型的適用性還可以根據(jù)不同地理位置和氣候條件進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)，以更準(zhǔn)確地模擬特定區(qū)域的農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量響應(yīng)。ORYZA模型是最早由法國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的用于水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量模擬的模型，它考慮了氣候因素、土壤特性、作物品種和管理措施等多個(gè)因素對(duì)水稻的影響。模型的參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)，以適應(yīng)不同的生態(tài)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。隨著時(shí)間的推移，該模型得到了改進(jìn)和擴(kuò)展，逐漸加入了新的功能和特性，如考慮溫度、光照和二氧化碳濃度等因素的影響，以及對(duì)不同品種和土壤類(lèi)型的適應(yīng)性。

2 作物模型在間套作中的應(yīng)用研究進(jìn)展

2.1 APSIM模型

APSIM模型可以模擬不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程，并對(duì)不同作物組合和間套系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。它不僅可以通過(guò)模擬作物的水分需求和土壤水分變化，以?xún)?yōu)化水資源利用和提高農(nóng)作物產(chǎn)量，還可以模擬不同施肥策略對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響、模擬作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用效率，以評(píng)估不同施肥策略對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)和環(huán)境的影響，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。除此之外，此模型還可以模擬作物病蟲(chóng)害的發(fā)生和傳播過(guò)程，評(píng)估不同病蟲(chóng)害防控策略的效果。通過(guò)模擬病蟲(chóng)害的發(fā)展趨勢(shì)和防控措施的效果，制定相關(guān)優(yōu)化病蟲(chóng)害防控策略，減少農(nóng)藥使用量，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

由此可見(jiàn)，作物生長(zhǎng)發(fā)育模型APSIM是一個(gè)具有動(dòng)態(tài)的土壤、植物和大氣模塊的模型，它能夠?qū)ψ魑锖湍敛莓a(chǎn)量、殘留物分解、土壤水分和養(yǎng)分流動(dòng)以及管理影響方面進(jìn)行建模和模擬。由于在多物種種植系統(tǒng)中作物之間對(duì)太陽(yáng)輻射競(jìng)爭(zhēng)可能存在限制區(qū)間內(nèi)單個(gè)作物的產(chǎn)量，因此存在多種模擬混作和行帶間作光截獲的方法。張悅等[10]使用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言對(duì)該模型中的條帶光截獲模塊部分進(jìn)行了改進(jìn)，并成功編譯集成到了該模型中。改進(jìn)后的模型模塊采用的條帶種植光截獲算法可較好地模擬條帶間作下均質(zhì)和異質(zhì)性冠層的光截獲，廣泛適用于不同的間套作模式，降低了考慮種植行向及光照角度引起的誤差，為模擬條帶間套作的作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成提供了良好的工具。現(xiàn)在，條帶光截獲模塊已經(jīng)被應(yīng)用于多數(shù)假設(shè)能夠在水平維度上相互混合的競(jìng)爭(zhēng)冠層的多數(shù)混合種植系統(tǒng)里。例如，Wopke等利用改進(jìn)后的光截獲條帶模型對(duì)楊樹(shù)生長(zhǎng)情況進(jìn)行模擬，并通過(guò)計(jì)算模型中多年農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中的土地當(dāng)量比與田間試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)驗(yàn)證該模型。在模擬情況中，該模型較好地表示出農(nóng)林復(fù)合林分之下的作物生長(zhǎng)的最小范圍，因?yàn)闃?shù)木吸收了大部分光，導(dǎo)致林分之下的作物生長(zhǎng)具有一定的局限性。同時(shí)這也有利于研究在光照有限的條件下農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中的作物產(chǎn)量[11]。Zhang等[12]利用光截獲條帶模型發(fā)現(xiàn)了在小麥和棉花套種中2種作物的光截獲與光分布的差異來(lái)自每種作物種植的土地面積的比例、單個(gè)條帶的寬度和每條條帶種植的行數(shù)，也就是說(shuō)，2種作物條帶的寬度會(huì)影響總截光量和捕獲光的分布，并且在較窄條帶和較窄株距的系統(tǒng)中，光截獲和光生產(chǎn)并不是受到葉片冠層異質(zhì)性的限制，而是受到單位間作面積的葉面積指數(shù)的限制，因此增加間套作的種植密度可能會(huì)進(jìn)一步增加間作作物的光截獲量。

2.2 SWAP模型

SWAP模型是由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)基于土壤水分、溶質(zhì)與熱量在土壤-植物-大氣-作物系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的一種用于模擬土壤水分和作物生長(zhǎng)的綜合模型，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物研究中。該模型可以模擬土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，并評(píng)估不同灌溉策略對(duì)作物水分利用和產(chǎn)量的影響。此模型在非飽和帶中，假設(shè)水流運(yùn)動(dòng)的主方向?yàn)榇怪狈较?，水流的運(yùn)動(dòng)主要按垂直一維運(yùn)動(dòng)考慮[13]。而在垂直方向上，該模型將土壤分為不同的單元，在每個(gè)單元上，耦合求解水分及溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)方程和熱量傳輸方程。在氣候變化適應(yīng)與農(nóng)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理方面，該模型可以結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，模擬不同氣候條件下的土壤水分和作物生長(zhǎng)情況，評(píng)估氣候變化對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的影響。通過(guò)模擬不同氣候情景下的土壤水分和作物產(chǎn)量變化，此模型還可以幫助人們制定相應(yīng)的適應(yīng)措施，降低氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

SWAP作為一個(gè)一維模型，模擬的是垂直方向上的流動(dòng)過(guò)程，不能夠模擬間作或農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中2種作物的生長(zhǎng)、水資源和太陽(yáng)輻射分配。在此情況下，Victor等人對(duì)一維模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)和改進(jìn)，將2個(gè)一維模型連接在一起，使其能夠成功模擬玉米和大豆間作系統(tǒng)中地上輻射與地下水資源的分配。改進(jìn)后的模型模擬的間作的冠層截水、土壤蒸發(fā)和低通量與一維模型模擬的單層水分平衡分量的平均值相似。該改進(jìn)模型預(yù)測(cè)的玉米大豆間作潛力和實(shí)際蒸騰速率均高于一維模型獲得的單作玉米和大豆的平均值[14]。

3 結(jié)論

過(guò)去幾十年中，利用各種作物模型結(jié)合大田試驗(yàn)來(lái)探究作物生長(zhǎng)機(jī)制的研究不勝枚舉，然而作物模型在間套作研究中仍存在一定的上升空間。目前多數(shù)作物模型能夠較好地模擬單作作物，但是在更復(fù)雜的間套作系統(tǒng)研究方面還不成熟，缺乏條帶型間作不同配置模式的機(jī)理研究。在今后的間套作研究中，可將大田試驗(yàn)、生理模型和結(jié)構(gòu)功能模型緊密結(jié)合；利用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言探索間作系統(tǒng)中的間作之間的相互作用，并將輸出值對(duì)基于過(guò)程的作物模型進(jìn)行參數(shù)化和驗(yàn)證；在區(qū)域尺度上，利用改進(jìn)后的間套作作物模型幫助設(shè)計(jì)更適合該區(qū)域氣候和環(huán)境的間套作系統(tǒng)，更進(jìn)一步探明模型在間作系統(tǒng)中的參數(shù)改進(jìn)、產(chǎn)量影響因素、栽培管理措施設(shè)定和環(huán)境間的相互作用等，為今后作物模型在間套作中的理論發(fā)展提供一定的理論支持。