apsim模型在農業(yè)生產中的應用

apsim模型在農業(yè)生產中的應用

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業(yè)生產和管理中發(fā)揮著非常有效的作用。在干旱地區(qū)，農業(yè)生產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，確保農業(yè)生產的最大利潤。APSIM是由隸屬澳大利亞聯邦科工組織和昆士蘭州政府的農業(yè)生產系統(tǒng)組(APARU)開發(fā)研制,可以用于模擬旱作農業(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、有機質以及同土壤N和土壤水分運動密切相關的地表留茬問題.有關土壤-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.事實上作物生產層往往同氣候、作物的基因型和實踐管理水平密切相關.APSIM最早的開發(fā)理念欲使模型本身可以準確模擬農業(yè)系統(tǒng)中長期資源管理的影響,通過模擬土壤有機質動態(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的有機質流失、土壤侵蝕、土壤結構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;各種調用模擬過程“進出”數據的模塊和驅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界面測試除核心構成以外,APSIM由APSFRONT、APSIM-explore等組成了用于模型構建、測試和應用的APSIM用戶界面,通過APSGRAPH、APSIM-Qutlook等多種數據庫工具顯示模擬結果的輸出,做進一步的數據分析,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(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;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石化學成分土壤N模塊反映了土壤C和N動態(tài),在CERES基礎上,APSIM模型將土壤有機質分為活性C、土壤微生物及其產物庫(Biom)和土壤有機質庫(Hum).2個庫間的C流計為全C,相應的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的礦質化和進入庫蓄(immobilization)取決于N素分解與微生物合成、腐殖質形成過程的平衡,為供應進入庫蓄而形成的不適宜速效N會導致分解速度下降.硝態(tài)N和氨態(tài)N均對進入庫蓄過程有效.有機質庫分解產生CO2向空氣中釋放并將C轉送到Biom和Hum庫中.Biom分解為C素的內部循環(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: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入一定土壤層次的新鮮土壤有機質庫;3)就地分解:分解途徑類似于土壤N模塊中有機質庫,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.2.6地上生物量分室.在國內生物量分室中的應用.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模型基礎上構建的.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將現有的模型成功地與作物模塊連結起來,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:產量由收獲指數(HI)與積溫線性增加的關系來模擬,收獲系數受N素和水分限制,一旦N供應和水分受限,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積累之間的靈敏反應通過環(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: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灌漿期對小麥產量的影響APSIM對小麥生產的模擬開發(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力也很低.模型反映出降水對小麥生長幾個關鍵階段的影響: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量;同理,開花期若早于多年平均開花期,則籽粒產量高,而晚于平均開花期,則籽粒產量將減少,而秸稈產量較高;灌漿期降水若低于平均值,籽粒產量將下降.開花后的土壤水分有效性也是決定灌漿飽滿與否的指標之一.APSIM可依據小麥生產諸階段的降水情況來判斷產量.Reyenga利用APSIM的I_WHEAT模塊分析了全球變化對小麥生產系統(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)、蒸騰蒸散等參數分別在原來基礎上增加了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量受降水變率的驅動,存在著年際間變異,大氣CO2倍增顯著提高小麥產量,非結構性碳水化合物產量隨特定葉面積的降低而增加,小麥籽粒蛋白質含量降低.根據該結果,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.實測結果發(fā)現,該地區(qū)硬質小麥原本較高的蛋白質含量隨大氣CO2的增加而下降,APSIM模擬提示,提高灌漿期溫度或增加N肥投入可減緩該現象.在荷蘭的粉砂壤、粉粘土壤上,應用APSIM模型研究了施N水平、施N時間對冬小麥種子質量和土壤殘余N的影響,經1200個實測數據驗證,N肥效應的實測值和模擬值的相關性達90%(R2=0.9),平均差平方根(RMSD)僅0.8t·hm-2.模型結果表明,2月施N可以增加穗粒產量,但對種子質量的影響較小;分蘗和拔節(jié)期施N顯著增產,尤其對種子質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,冬小麥最經濟的施N模式應該為2月間施N,施N量為140kg·hm-2.模擬結果還發(fā)現,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)現對小麥種子蛋白預測的RMSD值較低,可以說,過度干旱影響了模擬結果的真實性,干旱區(qū)應用APSIM需要改進參數.此外,實際產量高時,模擬結果更貼近真實值,優(yōu)于對低產量的模擬.換言之,產量較低時,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用Probert應用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量進行了模擬,獲得了較理想的擬合結果(R2=0.74).在1998年,APSIM模型應用于模擬苜蓿生長時發(fā)現,在水分條件適宜的情況下,APSIM對苜蓿生物量、葉面積指數和地上生物量的N素貯存的模擬獲得了滿意結果(模型分別代表了53%的生物量變異和46%的葉面積指數的變異),而且模型還很好地反映了干旱脅迫下葉片衰敗現象.但是在水分脅迫時,APSIM對苜蓿生長的擬合表現不良.由于多年生牧草具有年內多次開花、多次刈割利用的特性,模型尚未解決花后如何模擬苜蓿產量分室和衰老過程,需要關注水分脅迫下、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參數的基礎上,分別對代表暖季型豆類作物——綠豆、花生和冷季適應型豆類作物——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.在擁有豐富參數的基礎上,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、系數等設為外設文件,用戶只需更改初始文件的內容,便可以模擬新的豆科植物,簡化了在現有作物模塊基礎上開發(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用模型管理豆科牧草-小麥系統(tǒng)生產給予了極大的應用空間.3.3經濟效益預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,應用APSIM模型對玉米不同種植方式的水保功能、模型表現和經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關系,雨季徑流曲線和地表覆蓋之間的相互關系分別為: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參數,根據實測的土壤流失、徑流和蓋度型,大田種植玉米的侵蝕效率λbare和覆蓋物指數b依次為0.55和0.27,而灌叢間作則相應為0.29和0.35.模型對積累徑流預測的準確性受年內土壤水分和徑流曲線參數等影響.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,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.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,土壤侵蝕模數達190t·hm-2·年-1,而灌叢間作的土壤侵蝕模數僅為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量和生產的影響.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的決定系數(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生的變異,這樣就無須每年測定所有的株數和根、蘗數,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,模型對變異的表現能力將大大減弱.3.5對異常干旱的表現模擬系統(tǒng)中僅靠氣象條件能否說明降水強度和降水分布與農業(yè)系統(tǒng)狀態(tài)關系仍存在爭論.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區(qū)對異常干旱(exceptionaldrought)的反應.結果表明,僅靠氣候因子并不能說明降水強度和降水格局與農業(yè)系統(tǒng)的相關性,通過對環(huán)境的模擬可以評價農業(yè)系統(tǒng)的表現.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象的局限,可作為旱作農業(yè)區(qū)旱情測度和預報的工具之一.3.6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)內分布年際間變率極大.自沿海向內陸地帶分布來看,以東經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.4在農業(yè)生產系統(tǒng)中,支持多種氣候變化通過建立適應氣候條件、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,動物生產系統(tǒng)未開發(fā)成熟.APSIM開發(fā)人員正試圖同CSIRO的