apsim模型在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

apsim模型在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

1apsim生物物理模型作物土壤模擬模型可以跨越時間、季節(jié)、土壤類型和區(qū)域，用模型擴展土壤和作物水分的測量。因此，模型的模擬方法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理中發(fā)揮著非常有效的作用。在干旱地區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的決策決策措施往往受到降水和季節(jié)分布變率的影響。適宜的模型可以預(yù)測和報告干旱條件下系統(tǒng)的組成部分，這有助于正確決策，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最大利潤。APSIM是由隸屬澳大利亞聯(lián)邦科工組織和昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組(APARU)開發(fā)研制,可以用于模擬旱作農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中各主要組分的機理模型.APSIM生物物理模塊的一個特點是注重土壤過程,如土壤N、土壤水、有機質(zhì)以及同土壤N和土壤水分運動密切相關(guān)的地表留茬問題.有關(guān)土壤-作物模型,前人已做了大量工作.NTRM、CENTURY、EPIC和PERFECT等90年代初期開發(fā)的優(yōu)秀模型,特別重視土壤變化過程,但對作物層次重視不夠.事實上作物生產(chǎn)層往往同氣候、作物的基因型和實踐管理水平密切相關(guān).APSIM最早的開發(fā)理念欲使模型本身可以準確模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中長期資源管理的影響,通過模擬土壤有機質(zhì)動態(tài)、水土流失、土壤鹽漬化、土壤酸化和作物品種選擇等,確定農(nóng)業(yè)系統(tǒng)長期發(fā)展進程及管理措施的反映.APSIM早期曾經(jīng)強烈地受到CERES和GRO的影響,但是CERES和GRO缺乏模擬輪作序列、休閑、地面留茬以及同土壤有關(guān)的有機質(zhì)流失、土壤侵蝕、土壤結(jié)構(gòu)衰退和土壤酸化等的能力.由于它的靈活性、可操作性,APSIM被認為更應(yīng)該是一個模型系統(tǒng)的靈活軟件環(huán)境,而不是針對某一個特定作物系統(tǒng)的一個模型.2模型中的apsim2.1模擬過程管理模塊APSIM模型由4部分組成:模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中生物和物理過程的生物物理模塊;發(fā)展用戶定義模擬過程的管理措施和控制模擬過程的管理模塊;各種調(diào)用模擬過程“進出”數(shù)據(jù)的模塊和驅(qū)動模擬過程和控制傳遞于不同模擬信息模型的中心引擎.其組成可以用圖1表示.2.2apsim界面測試除核心構(gòu)成以外,APSIM由APSFRONT、APSIM-explore等組成了用于模型構(gòu)建、測試和應(yīng)用的APSIM用戶界面,通過APSGRAPH、APSIM-Qutlook等多種數(shù)據(jù)庫工具顯示模擬結(jié)果的輸出,做進一步的數(shù)據(jù)分析,提供了不同的模型發(fā)展、測試工具和文件工具(APSRUDO、APSTOOL)和為Web用戶和開發(fā)者的支持設(shè)施.2.3apsim模型的建立APSIM的土壤水-模塊基于層疊(cascade)水分平衡模型,利用了Jones和Kiniry開發(fā)的CERES、Littleboy開發(fā)的PERFECT模型中水分模塊.土壤的水分特征曲線由萎蔫系數(shù)(LL15)、作物利用下限(CLL)、最大田間持水(DUL)和飽和體積含水量(SAT)來表示(圖2).APSIM比CERES和PERFECT改進之處在于:水分模塊對水分動態(tài)的模擬為逐日、連續(xù)的;可以計算逐日每一土壤層中大于DUL的飽和含水量部分,飽和水分移向下層;不同的土壤類型采用不同的土壤擴散系數(shù);非飽和水流可以在鄰近層次中運動,直到達到特定的水分梯度為止.不同的土壤類型采用不同的徑流曲線,其值從0～100不等,采用了美國農(nóng)業(yè)部USLE模型的徑流曲線.土壤蒸發(fā)Es=conat1/2,參照CERES模型.2.4c/n比及u3000石化學(xué)成分土壤N模塊反映了土壤C和N動態(tài),在CERES基礎(chǔ)上,APSIM模型將土壤有機質(zhì)分為活性C、土壤微生物及其產(chǎn)物庫(Biom)和土壤有機質(zhì)庫(Hum).2個庫間的C流計為全C,相應(yīng)的N流由C庫中的C/N比決定.模型假定不同庫中的C/N比不隨時間變化而保持恒定,Biom中C/N比由初始文件定量,而Hum中C/N比則取決于輸入的土壤C/N比.Biom和Hum庫的分解被計算為第1級過程,其速率穩(wěn)定性取決于該層土壤溫度和水分,新鮮有機質(zhì)庫的處理同CERES玉米模型,其分解受C/N比的影響,速效N的礦質(zhì)化和進入庫蓄(immobilization)取決于N素分解與微生物合成、腐殖質(zhì)形成過程的平衡,為供應(yīng)進入庫蓄而形成的不適宜速效N會導(dǎo)致分解速度下降.硝態(tài)N和氨態(tài)N均對進入庫蓄過程有效.有機質(zhì)庫分解產(chǎn)生CO2向空氣中釋放并將C轉(zhuǎn)送到Biom和Hum庫中.Biom分解為C素的內(nèi)部循環(huán)(見圖3).2.5地表留茬量的增加APSIM中各種作物留茬以地表留茬量、留茬蓋度和對土壤N的貢獻來表述,匯入地表留茬庫中.任何新進入的留茬,模型計算其平均重量后加進系統(tǒng),表述為現(xiàn)有地表留茬總量.地表留茬通過耕作入土部分和蓋度間的關(guān)系沿用了PERFECT模型的計算法,APSIM的改進之處在于注重地表留茬的分解以及分解對于維持C、N平衡的機理.地表留茬量的減少通過下述幾種途徑實現(xiàn):1)不留茬:如焚燒、打捆,這一行為不改變留茬的C/N比;2)通過耕作,秸稈還田:耕作將一部分地表留茬轉(zhuǎn)入一定土壤層次的新鮮土壤有機質(zhì)庫;3)就地分解:分解途徑類似于土壤N模塊中有機質(zhì)庫,任何進入庫蓄部分均從地表開始,與此同時,有機C形成、氨態(tài)N釋放也加入到表層土壤中.地表留茬的分解速率同地表留茬量密切相關(guān).2.6地上生物量分室.在國內(nèi)生物量分室中的應(yīng)用.我國于制約APSIM中物候生長由3基點溫度控制,模擬的生命過程分為物候、分蘗和葉面積、根生長、作物水分關(guān)系、作物N素狀況、植物的衰老和死亡.花后生長完全由3基點溫度決定.其中,ASPIMN_WHEAT模塊是在Ritchie和Jones與Kiniry的CERES模型基礎(chǔ)上構(gòu)建的.開發(fā)者對地上生物量分室做了改進,生物量包含了葉鞘、葉片和莖桿部分,并且考慮了霜凍對葉面積傷害造成的影響;將根系生長分為根系在整個剖面的分布及在每一個層次的分布.由于APSIM模擬輪作序列中前作作物的水、N終態(tài),即是下一茬作物水分和N素的初態(tài),為改變這種狀況,Meinke將現(xiàn)有的模型成功地與作物模塊連結(jié)起來,形成了APSIM春小麥綜合模型I-WHEAT.同其它模塊相比,I-WHEAT增加了模型的預(yù)測性,減少了單一過程的細節(jié).I-WHEAT的生物物理過程假定:產(chǎn)量由收獲指數(shù)(HI)與積溫線性增加的關(guān)系來模擬,收獲系數(shù)受N素和水分限制,一旦N供應(yīng)和水分受限,HI便停止,N虧缺首先影響葉片生長,然后影響光能利用,存在于光截留和干物質(zhì)積累之間的靈敏反應(yīng)通過環(huán)境因素作用于葉片生長.因此總體上說,APSIMI_WHEAT在保留外界環(huán)境的影響因子方面相對穩(wěn)定.3土壤水分和n素的模擬APSIM模型已應(yīng)用到不同的氣候帶,如澳大利亞昆士蘭州北部的亞熱帶干旱帶、溫帶大陸的美國密執(zhí)安、新西蘭的溫帶海洋氣候帶、澳大利亞冬季降水為主帶和全年均勻降水帶及西澳的地中海氣候帶、荷蘭的海洋性氣候帶和菲律賓的熱帶濕潤高海拔區(qū).這些氣候帶覆蓋了如下幾個不同的土壤類型:澳大利亞降水變率大的紅壤、南澳州的脹縮土壤、西澳州的砂粘土和粘土、菲律賓的粘紅壤以及歐洲大陸荷蘭的粉砂壤土和粉砂粘土等.涉及的作物或樹種有小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、大麻(Cannabissativa)、甘蔗(Saccharumspp.)、桉樹(Eucalyptusgrandis)和苜蓿(Medicagosativa等.Probert利用APSIM對澳大利亞北休閑系統(tǒng)的土壤水分和N進行模擬時發(fā)現(xiàn):土地休閑利用時,由于缺乏作物覆蓋,要求模型對土壤蒸發(fā)模擬準確,同時,對水分在土壤剖面中的下滲和重新分布以及隨后的蒸發(fā)也有準確的模擬.由于模擬參數(shù)合理,因此對休閑系統(tǒng)的土壤水分和N素進行了準確的模擬.3.1灌漿期對小麥產(chǎn)量的影響APSIM對小麥生產(chǎn)的模擬開發(fā)比較早,也比較完善,Asseng和Dunin對西澳地中海氣候下小麥水分利用效率(WUE)和N素利用效率(NUE)進行了研究.模擬結(jié)果表明,隨季節(jié)變化,小麥的WUE和NUE受土壤類型、N素投入、降雨量,尤其是降雨格局的影響.在降水中等的粘土地帶,小麥產(chǎn)量高于降水偏低地帶.由于N素淋溶,即便降雨量很高,小麥在砂壤地的生產(chǎn)力也很低.模型反映出降水對小麥生長幾個關(guān)鍵階段的影響:開花前降雨不足,則小麥生長不良,故提前播種,可以獲得與降雨量高、有較好土壤水分貯存條件下同樣高的產(chǎn)量;同理,開花期若早于多年平均開花期,則籽粒產(chǎn)量高,而晚于平均開花期,則籽粒產(chǎn)量將減少,而秸稈產(chǎn)量較高;灌漿期降水若低于平均值,籽粒產(chǎn)量將下降.開花后的土壤水分有效性也是決定灌漿飽滿與否的指標(biāo)之一.APSIM可依據(jù)小麥生產(chǎn)諸階段的降水情況來判斷產(chǎn)量.Reyenga利用APSIM的I_WHEAT模塊分析了全球變化對小麥生產(chǎn)系統(tǒng)的影響.在大氣CO2濃度增加的情況下,他們將模型中輻射利用效率(RUE)、蒸騰蒸散等參數(shù)分別在原來基礎(chǔ)上增加了23%、37%,而將特定葉面積(SLA)和臨界N濃度(CNC)減少了11%和12%.模擬結(jié)果表明,在全球變化情況下,澳大利亞昆士蘭州東南部小麥產(chǎn)量受降水變率的驅(qū)動,存在著年際間變異,大氣CO2倍增顯著提高小麥產(chǎn)量,非結(jié)構(gòu)性碳水化合物產(chǎn)量隨特定葉面積的降低而增加,小麥籽粒蛋白質(zhì)含量降低.根據(jù)該結(jié)果,昆士蘭州東南部在大氣CO2增加的情況下,選擇晚熟小麥品種,提前播種可能是最佳對策.實測結(jié)果發(fā)現(xiàn),該地區(qū)硬質(zhì)小麥原本較高的蛋白質(zhì)含量隨大氣CO2的增加而下降,APSIM模擬提示,提高灌漿期溫度或增加N肥投入可減緩該現(xiàn)象.在荷蘭的粉砂壤、粉粘土壤上,應(yīng)用APSIM模型研究了施N水平、施N時間對冬小麥種子質(zhì)量和土壤殘余N的影響,經(jīng)1200個實測數(shù)據(jù)驗證,N肥效應(yīng)的實測值和模擬值的相關(guān)性達90%(R2=0.9),平均差平方根(RMSD)僅0.8t·hm-2.模型結(jié)果表明,2月施N可以增加穗粒產(chǎn)量,但對種子質(zhì)量的影響較小;分蘗和拔節(jié)期施N顯著增產(chǎn),尤其對種子質(zhì)量的提高有明顯效果,對土壤殘余N無明顯影響;后期施N可增加小麥籽實蛋白含量.模型分析表明,在荷蘭,冬小麥最經(jīng)濟的施N模式應(yīng)該為2月間施N,施N量為140kg·hm-2.模擬結(jié)果還發(fā)現(xiàn),在歐洲的海洋性氣候下,因土壤水分脅迫明顯弱于澳洲大陸,模擬結(jié)果較干旱條件下更為準確,如在荷蘭模擬的小麥種子蛋白質(zhì)的RMSD值僅1.6%,比西澳的3.2%低100%.在新西蘭溫帶海洋性氣候下運行APSIM,也發(fā)現(xiàn)對小麥種子蛋白預(yù)測的RMSD值較低,可以說,過度干旱影響了模擬結(jié)果的真實性,干旱區(qū)應(yīng)用APSIM需要改進參數(shù).此外,實際產(chǎn)量高時,模擬結(jié)果更貼近真實值,優(yōu)于對低產(chǎn)量的模擬.換言之,產(chǎn)量較低時,往往模擬值偏高,因此模擬有過于理想化的趨勢.3.2apsim模型在苜蓿生長中的應(yīng)用Probert應(yīng)用APSIM對鷹嘴豆-小麥輪作系統(tǒng)中牧草的N素、水分利用效率和籽粒產(chǎn)量進行了模擬,獲得了較理想的擬合結(jié)果(R2=0.74).在1998年,APSIM模型應(yīng)用于模擬苜蓿生長時發(fā)現(xiàn),在水分條件適宜的情況下,APSIM對苜蓿生物量、葉面積指數(shù)和地上生物量的N素貯存的模擬獲得了滿意結(jié)果(模型分別代表了53%的生物量變異和46%的葉面積指數(shù)的變異),而且模型還很好地反映了干旱脅迫下葉片衰敗現(xiàn)象.但是在水分脅迫時,APSIM對苜蓿生長的擬合表現(xiàn)不良.由于多年生牧草具有年內(nèi)多次開花、多次刈割利用的特性,模型尚未解決花后如何模擬苜蓿產(chǎn)量分室和衰老過程,需要關(guān)注水分脅迫下、花后及不同的刈割頻率下,水分的作用機制.因此,澳大利亞CSIRO的研究人員專門對此開展了深入研究,Robertson等在以大量文獻確定相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上,分別對代表暖季型豆類作物——綠豆、花生和冷季適應(yīng)型豆類作物——鷹嘴豆的冠幅發(fā)育、生物量分室、多年生植物代表——苜蓿的產(chǎn)量特征以及不同節(jié)位的單葉面積等特征,在洪積粘土土壤上開展了田間觀測.在擁有豐富參數(shù)的基礎(chǔ)上,解決了豆科牧草模塊生物量累計和分室方面存在的缺陷.結(jié)果表明,使用通用豆科牧草模塊可以對多種豆科植物進行模擬,其突出的貢獻為,將參數(shù)、系數(shù)等設(shè)為外設(shè)文件,用戶只需更改初始文件的內(nèi)容,便可以模擬新的豆科植物,簡化了在現(xiàn)有作物模塊基礎(chǔ)上開發(fā)新加入豆科牧草品種模擬的工作.因此,APSIM表述多年生豆科牧草生長過程的能力已得到改善,為在草田輪作有悠久歷史的黃土高原應(yīng)用模型管理豆科牧草-小麥系統(tǒng)生產(chǎn)給予了極大的應(yīng)用空間.3.3經(jīng)濟效益預(yù)測在菲律賓的高海拔地區(qū),通常采用1年生作物沿等高線在多年生豆科灌叢或各種樹木行間間作,作物與天然植被或牧草呈帶狀種植的灌叢間作方式,以減少水土流失.為確定灌叢間作的效果,尼爾森等在菲律賓海拔3000m、平均降雨量為2060mm、排水不良的酸性亞熱帶紅土地上,應(yīng)用APSIM模型對玉米不同種植方式的水保功能、模型表現(xiàn)和經(jīng)濟效益作了細致的研究,APSIM模擬表明,徑流與地表覆蓋有強烈的相關(guān)關(guān)系,雨季徑流曲線和地表覆蓋之間的相互關(guān)系分別為:裸地93.1%、灌叢間作83.2%.玉米+灌叢間作可降低水土流失的相關(guān)參數(shù),根據(jù)實測的土壤流失、徑流和蓋度型,大田種植玉米的侵蝕效率λbare和覆蓋物指數(shù)b依次為0.55和0.27,而灌叢間作則相應(yīng)為0.29和0.35.模型對積累徑流預(yù)測的準確性受年內(nèi)土壤水分和徑流曲線參數(shù)等影響.灌叢間作下較低的λbare值,說明灌叢能顯著減緩地表水流的沖刷效應(yīng),較高的b2值表明灌叢提高了土表覆蓋物對防止侵蝕的效應(yīng).灌叢間作有增加地表覆蓋,減輕水土流失的功能,主要是通過降低水流的溶質(zhì)濃度,并進一步減低了濺蝕而顯著降低了夾帶卷走表土的作用.使用灌叢間作可使徑流曲線降低10%.APSIM模擬表明,大田連作種植玉米25年后,土層將減少54cm,土壤侵蝕模數(shù)達190t·hm-2·年-1,而灌叢間作的土壤侵蝕模數(shù)僅為1t·hm-2·年-1.說明APSIM具有準確模擬亞熱帶潮濕、高海拔地區(qū)玉米傳統(tǒng)耕作與玉米-灌叢間作的產(chǎn)量、水土保持功能的能力.3.4甘蔗模擬研究APSIM模型可以綜合分析不同地帶、施肥時間、灌溉、收獲時間以及地面留茬等不同管理措施對甘蔗產(chǎn)量和生產(chǎn)的影響.這是其它的甘蔗模型如CANEGRO和QCANE等不具備的綜合功能.甘蔗模塊是APSIM目前開發(fā)比較完善的作物模塊之一,它的基本參數(shù)來自澳大利亞、夏威夷、南非、瑞士等不同的國家,而不同地區(qū)在土壤肥力、氣候帶、水分利用和糖分含量方面有很大的差異.但由于參數(shù)確定合理,葉面積、生物量、蔗糖含量、地上生物量和N素貯存等項目的模擬值與實測值間直線相關(guān)的決定系數(shù)(R2)分別為0.79、0.93、0.83和0.86.由于實測值和模擬值間的擬合性良好,因此甘蔗模塊有廣泛的適用性.此外,甘蔗為多年生植物,母株和根、蘗、莖組成了不同年齡等級的個體.Lisson認為,一個由完整甘蔗生長周期組成的單個APSIM模型,便可以捕獲不同生長季節(jié)氣候通過管理互作產(chǎn)生的變異,這樣就無須每年測定所有的株數(shù)和根、蘗數(shù),而可以減少模擬時間.此外,統(tǒng)計比較表明,APSIM對甘蔗的模擬年代不宜超過40年,超過40年后,模型對變異的表現(xiàn)能力將大大減弱.3.5對異常干旱的表現(xiàn)模擬系統(tǒng)中僅靠氣象條件能否說明降水強度和降水分布與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)狀態(tài)關(guān)系仍存在爭論.Keating通過APSIM的I_WHEAT、N_WHEAT和高粱模塊SORGHUM和CSSAT,分析了澳大利亞東北部谷物生產(chǎn)區(qū)對異常干旱(exceptionaldrought)的反應(yīng).結(jié)果表明,僅靠氣候因子并不能說明降水強度和降水格局與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的相關(guān)性,通過對環(huán)境的模擬可以評價農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的表現(xiàn).靈敏度分析表明,不同的模型和不同種植制度幾乎不能確定“異常干旱”的發(fā)生.而APSIM模型反映了降水時間、降水強度和降水量以及土壤儲水量對作物系統(tǒng)的影響.因此,綜合模型超越了僅用氣象條件來評價過度干旱現(xiàn)象的局限,可作為旱作農(nóng)業(yè)區(qū)旱情測度和預(yù)報的工具之一.3.6長期尺度下土壤深層排水年際間變率大,一般年在澳大利亞,土地和地下水鹽漬化是一個重要的現(xiàn)實環(huán)境,總面積約1.9×107hm-2的多年生植物被清除,種植1年生作物后,由于淺根系植被對深層土壤利用不夠,不能利用生長季以外的降水,而裸地的蓄水作用,造成上層水分向深層下滲,致使土壤大面積次生鹽漬化.研究人員試圖用APSIM作為管理工具,控制鹽漬化的發(fā)展.用APSIM模型模擬不同作物管理措施下的深層排水,發(fā)現(xiàn)在不同的土壤類型和不同氣候帶下,受降雨模式的影響,深層排水的季節(jié)內(nèi)分布年際間變率極大.自沿海向內(nèi)陸地帶分布來看,以東經(jīng)116.0oE的深層排水最大,由東向西,隨降雨的減少,小麥帶發(fā)生深層排水的概率僅為50%(在降水很少的重壤砂土和粘土中發(fā)生的概率更低).根據(jù)1970～1990年資料,掌握長期尺度下不同作物格局中土壤深層排水規(guī)律,可以通過控制作物布局來控制地下水位動態(tài),為有效減輕土壤次生鹽漬化的發(fā)生和發(fā)展提供決策依據(jù).4在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中,支持多種氣候變化通過建立適應(yīng)氣候條件、氣候條件、氣候條件變化的多模態(tài)模型.如前所述,APSIM模型目前在草地部分開發(fā)不夠,動物生產(chǎn)系統(tǒng)未開發(fā)成熟.APSIM開發(fā)人員正試圖同CSIRO的