全 文 ：第 13卷 第 3期
2 0 0 5年 7月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco-Agriculture
Vo1．13 NO．3
July， 2005
C(HTON2K在新疆棉花精准种植管理中的应用*
杨艳敏 刘 小京
(中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心
欧 阳竹
石家庄 050f21)(中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101)
摘 要 筒述 了棉花模拟模 型COTTON2K的新增特点 ，并利用新疆 2002～2003年棉花数据对该模 型进行校正和
验证，指 出模型验证 中存在的问题。
关键词 棉花 生长模 型 COTTON2K
Application of COTTON2K in the precision planting management of cotton in Xinjiang．YANG Yan。Min．LIU Xiao。Jing
(Center for Agricultural Resources Research，Institute of Genetics and Developmental Biology，Chinese Academy of Sci．
ences，Shijiazhuang 050021，China)，0UYANG Zhu(Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research。
Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China)，CJEA，2005，13(3)：123～126
Abstract The characteristics of cotton growth simulation model COTTON2K were briefly introd uced．Validation tO
COTTON2K was done by using the cotton data of Xinjiang in 2002 and 2003 and the problems in the validation are put
forward．
Key words Cotton，Growth simulation mod els，COTT0N2K
(Received Oct．11，2004；revised Oc t．29，2004)
作物生长模型是精准农业作物诊断和制定技术措施 的主要依据，通过应用已知或预测条件模拟作物生
长过程，为决策和诊断提供量化指标。 目前我国棉花模拟模型的研究 尚停 留在对国外模拟模型(主要有
GOSSYM和 CoTToNPLUS_1-5])进行校验或在国外模型基础上组装 自己的模型。且国外模型在我国校验
过程中的主要障碍因素是整枝和打顶问题。新疆是我国棉花主产区，由于棉花生长季节降雨少 ，基本依靠
灌溉维持其生长，与 COTTON2K适用对象基本一致 ，且 COTTON2K增加 了对滴灌过程的机理解释 ，对新
疆发展棉花精准灌溉——滴灌有更加精确的模拟 ，增强了模型的实用性。本研究利用新疆棉花试验数据对
COTTON2K模型进行修正和验证 ，解决了因整枝和打顶而带来的模型模拟精度不高的问题。
1 模型简介与研 究方法
CALGOS是以色列希伯来大学 Avishalom Marani教授在 USDA—ARS水分管理研究试验室作访问学者
时开发的软件，COTTON2K是经过完全修订的新版本 CALGOS，以更有效应用于美国西部有灌溉条件的干
旱地区的棉花生产_6 J。CALGOS在 GOSSYM 模型基础上，主要对土壤水分运移、不同灌溉形式 、N素转化
和运移、作物生长和生理、蕾铃脱落、土壤冠层温度和模型的时间步长等方面进行 了修改。COTTON2K又
在 CALGOS模型基础上，在土壤盐碱 、地膜覆盖 、时间输入和输出形式及允许高级用户进行参数校正方面作
了改进 ，使模型更便于应用。棉花模拟模型 COTTON2K框架见图 1。COTTON2K模型新增主要特点一是
在根子模块中增加了根生长和活性对土壤湿度的反应 ；二是灌溉方式除喷灌和沟灌外 ，增加了滴灌 ，此模型
同样可预测在现有天气和土壤条件下的灌水需要；三是模型对土壤中 N矿化和消化过程做了较大修改 ，增
加了反硝化、高 C／N时 N固定 、尿素水解、NOr—N和尿素在土壤中运输、N在各器官的分配和再分配等过
程；四是该模型大部分过程以天为步长，但为增加模拟的准确性，土壤表面蒸腾和蒸发、土壤水分和 N素的
运移、土壤中的热流动、土壤一植株一空气交界面能量转化 、土壤和冠层温度、种子萌发和出苗预测等过程 以小
时为步长计算。
*国家高技术研究 (863)发展计划项目(2003AA209033)和“十五”中国科学院农业重点项 目(NK十五一A一03)部分研究内容
**通讯作者
收稿 日期：2004-10—11 改回El期 ：2004-10-29
124 中 国 生 态 农 业 学 报 第 13卷
输 入
土壤参数 l l作物参数 I l气象数据
水分过程
N素过程
’ l
总干物质增长 l 厂—一
一C 7■ =[T 素壁l J存1人 I量I一二＼l
按潜在速 J
率 增长 I
l否

按潜在速率增
长 ×CSTRESS
各器官生物量
各器官干物
质量潜在生
长 速 率
器
官
发
生
器
官
扩
展
各器官形态
输 出
数据文件 l l图表文件 J I植株图谱
图 1 COTTON2K模型框架图
试验于 2002-2003年在新疆石河子大
学农业试验场进行 ，供试土壤为中壤。品种
试验于 2002年和 2003年重复 2次，供试棉
花品种为当地 主栽品种“新陆早 6号”、“新
陆早 8号”和 “中棉所 36号”，小 区 面积
36m ，3次重复。4月 28～29日播种，种植
方式为 3膜 12行 ，种植密度 24万株／hm ，
灌溉方式为滴灌 ，总灌水量 3450m0／hm ，施
肥量分别为 N 276kg／hm2、K，0 82．8kg／hm2
和 P205 75kg／hm 。水分试验于 2003年进
行 ，设 4200～4500m3／hm2(sI)、3300～36OO
m ／hm (S，)、1800～ 2100m0／hm ( )和
750～900m0／hm (S4)共 4个灌水处理 ，小
区面积 46．8m ，重复 3次，其他栽培措施均
同品种试验。每小区连续标记 10株，定期
调查植株株高、主茎节数、蕾数和铃数。并
定期每小区取 5株测其根、茎、叶和生殖器
官(花 、蕾和铃)鲜、干物质量。收获期每次
采摘记录产量并计算总产量。
数据输入。C01vr0N2K模型需输入的
气象数据为 2002年和 2003年新疆当地逐
日气象资料 ，包括 日最高温度、日最低温度 、
降雨量 、风速、太阳辐射和露点温度 ；土壤基
Fig．1 Frame。f COTT0N2K mod 1 本性质参数为土壤层次、土壤残余含水量 、
Van Genuchten公式中的 a系数和 G系数 、饱和导水率、田间持水量时导水率、容重、粘土颗粒含量(％)和沙土
颗粒含量(％)；土壤初始参数为土壤层次、NOf—N含量、NIq；一N含量、有机质含量和含水量(％)；农业措施参数
为灌水和施肥时间、用量、方法及肥料种类、中耕时间、深度、化学试剂施用时间和用量；模拟文件基本信息
参数为经度 、纬度 、海拔高度、品种、行距、株距 、播种和出苗时间等。
模型校正。整枝和打顶是我国棉花栽培中的重要措施 ，而国外无该项措施 ，这是应用国外模型存在的
主要障碍之一 ，也是造成 7月中旬打顶后株高和主茎节数模拟值偏高的主要原因。验证本模型之前笔者对
CO1vr0N2K模型的源程序代码进行了修改，去掉有关叶枝生长的源程序代码 ，增加主茎打顶的询问，若打
顶则自打顶 日后停止主茎生长(主茎节数不再增加)，若不打顶则返 回到原程序。修改调试程序后利用新疆
棉花数据对品种参数进行反复校正，株高和主茎节数模拟结果有很大改进 ，模拟值和观测值拟合度极高。
而修改原程序前主茎节数和株高在打顶之后继续增大 ，导致株高和主茎节数模拟误差较大。
2 模型验证
2．1 不同灌水量各品种产量验证
由表 1可知棉花品种“新陆早 6号”、
“新陆早 8号”和“中棉所 36号”2002、2003
连续 2年产 量模 拟 误差 均 为 2．54％～
9．35％，在允许 模 拟误 差 (10％)范 围内。
其中2003年“新陆早 6号”和 2002年“中
棉所 36号”模拟精度最高，模拟相对误差
仅为 2．54％和 3．50％；2002年“新 陆早 6
号”和 2003年“中棉所 36号”模拟精度相
对较低 ，分别为 8．67％和 9．35％，但也在
表 1 不同品种产量模拟值与实测值比较(2002 2003)
Tab．1 Comr~ nd~nulated and ol~erved yield of diferent cultivarsin 2002 and 2003
品 种 年 份 皮棉实产／kg·hm一 ~ tPt／l,g·hm ~ ／l,g·hm 相对误差／％
Cultivars Years Lint yidd Simulatedfield ~ference Relative diference
第 3期 杨艳敏等 ：COTTON2K在新疆棉花精准种植管理中的应用 125
控制误差之内。表明修正模型具有一定模拟精度 ，
可经受不同品种和不同年份检验 ，基本可在试验区
域应用。好模型不仅要经得起 常规大 田条 件的检
验 ，还要对胁迫环境条件具有一定灵敏性 ，表 2表明
不同水分胁迫下除重度干旱“新陆早 8号”棉花产量
模拟误差较大外 ，其他处理均在允许误差之 内。充
足灌溉和轻微干旱“新陆早 8号”棉花产量模拟误差
为正数，而中度和重度干旱下其产量模拟误差为负
数，表明模型对较严重干旱环境反应过于强烈，模
拟的产量减少量 比实际值偏大。其主要原 因在于
表2 不同灌水量“新陆早 8号”产量模拟值与实测值比较(2003)
Tab．2 Comparison of simulated and observed yield of
‘Xinluzao 8’under diferent irrigation amounts in 2003
茬溉处理 皮棉实产／kg·hm一 模拟产量／kg·hm一 绝对误差／kg·hm一 相对误差／％
Irigation Lint州 d Simulated州d Diference Relative difemace
tre／ttmen
作物在胁迫环境下具有一定的自身调节补偿能力，而模型的机理性 尚未涉及到该层面，这也是模型尚需进
一 步完善之处。
6o
50
g 4o
30
蜷 20
l0
0
l6
l2
赢 8
4
0
0 5O l00
出茁后天数l，d
0 50 l00 l50
出茁后天数l，d
图2 “新陆早8号”农艺性状模拟值与实测值比较
Fig．2 Co mparison of simulated and observed agronomic properties of‘Xinluzao 8
是机理动态模型与经验模型的区别所
在。图 2表 明 Co1vroN2K 模 型对
“新陆早 8号”棉花株高、主茎节数 、蕾
数和铃数拟合效果均较佳 ，线性相关
系数 R 为 0．81～0．96，其 中对主茎
节数模拟精度最高，株高和蕾数次之，
铃数差异稍大。株高模拟 中前期模拟
值稍低于观测值 ，其原 因可能是模 型
对前期低温反应强烈而引起生长滞后
所致。模型对蕾数的模拟除个别点稍
有出入外 ，拟合较好。铃数模拟值在
后期偏大 ，而观测值后期迅速下降，不
排除虫 害造成的铃脱落原因，模型 中
未考虑到虫害，这是造成蕾数和铃数
模拟精度稍差的主要原因。
图3表明“新陆早 8号”棉花叶和
生殖器官干物质量模拟精度较高 ，线
2．2 模拟值与实测值比较
“新陆早 8号”发育生长期模拟值
与实测 值 比较研 究表 明，“新 陆早 8
号”首蕾 日模拟值 与实测值均为 5月
30日，首花 日均为 6月 27日，首絮 日
分别为 8月 23日和 8月 24日，60％
吐絮 日分别为 9月 2日和 8月 30日，
表明 COTTON2K模 型对 “新 陆早 8
号”棉 花 首蕾 日、首 花 日、首 絮 日和
60％吐絮 日模拟精度均较高，误差较
小 ，其中首蕾 日和首花 日模拟精度达
到零误差 ，首絮 日也仅有 1d误差 ，对
60％吐絮 日的模拟误差稍大些。
模型验证不仅是对最终产量结果
的检验 ，对作物生育过程 中各农艺性
状指标 的验证也非 常重要 ，其模拟精
度是最终产量模拟准确性 的基 础，这
0 J0 l00 l50
出茁后天敦，d
图3 “新陆早 8号”干物质■模拟值与实测值比较
Fig．3 Co mparison of simulated and observed dry mater weight of‘Xinluzao 8’
9 8 7 6 5 4 3 2 ● O
1．蜷 、一餐霉 州
∞ 加 ：2 m 5 O
I．蜷． ／I S 杠稚雄
7 6 5 4 3 2 l O 8 7 6 5 4 3 2 l D
I-蜷． 嚣 1．蜷毒 峰s 古
126 中 国 生 态 农 业 学 报 第 13卷
性相关系数 R 约为 0．9，茎干物质量次之 ，根干物质量模拟误差较大 ，线性相关系数较小。通过比较修改模
型源程序中关于整枝和打顶的代码之前模拟结果与现在模拟结果发现 ，模型株高和主茎节数改进最大，其
次为茎和叶干物质量 ，其改进结果非常显著。原模型中存在叶枝和不打顶问题 ，茎和叶干物质量模拟误差
很大 ，蕾和铃由于生理脱落而具有的自身调节使模拟误差相对较小。
3 小 结
COTTON2K修正模型对不同年份棉花产量及发育生长期和发育指标具有一定模拟精度，对不 同水分
胁迫条件具有一定灵敏度，基本能模拟新疆当地几个棉花品种 的生长过程。但模型仍存在不足之处，如对
严重干旱条件下模拟误差较大，干物质量积 累过程中一些器官的拟合度尚有待提高等问题，主要原因在于
模型对一些过程的机理性描述 尚不充分 ，且模型在经过整枝和打顶修正后干物质平衡和分配问题尚需进一
步改进 。
参 考 文 献
1 王 茹 ，邱建军，肖荧南．CottonPlus模型在黄淮海棉区的验证—— 以河北曲周县为例 ．棉花学报 ，2001，13(3)：161～166
2 赵 黎 ，钟骏平，赵富强等 ．棉花生长模拟模型 GOSSYM及其在北疆棉区的应用 ．新疆农业大学学报，1999，22(1)：43～50
3 林 海 ，胡锡宁，陈冠文等 ．棉花生长动态模拟模 型系统 GOSSYM 的应用．新疆农业大学学报，1999，22(1)：51～55
4 邱建军 ，肖莹南，胡锡宁等 ．应用 GOSSYM模型分析棉田推行节水灌溉．新疆农业科学，1998(5)：226～229
5 邱建军 ，余振荣，肖莹南等 ．在新疆棉区应用 GOSSYM模型进行水肥合理调控研究．中国棉花，1998，25(11)：8～10
6 邱建军，肖莹南．美国 GOSSYM棉花模拟模型研究进展．世界农业，2000(4)：21～22
欢迎订阅2005年《中国生态农业学报》
《中圈生态农业学报》(原刊名《生态农业研究》)由科学出版社出版，刊号： ，季刊，季
乙 IN1j一1j1) ／
初月出版 ，国际标准大 16开本，192页 ，国内外公开发行 ，国内新邮发代号：82—973。国外发行代号：Q1625，每
期定价 ：14．60元 ，全年 58．40元 ，全国各地邮局均可订阅，敬请广大读者订户及时在报刊发行目录北京地区
栏目寻找订购本刊 ，漏订者可直接汇款至本刊补订(全年需另加邮资12．00元)。本刊现有1993～1999年各
年度《生态农业研究》)合订本均为24．00元／套(含邮资)，2000年精装合订本为34．00元／套(散装刊为
24．00元麈 ，含邮资)，2001年《中圈生态农业学报》为32．00元倭 (散装刊，含邮资)，2002年为38．00
元／套(散装刊 ，含邮资)，2003年和 2004年均为 70．40元／套(含邮资 )，需订购者请直接从 邮局汇款至本刊
订阅。地址：(050021)石家庄市槐中路286号《中圈生态农业学报》编辑部，请在汇款单注明订户详细地
址及需订内容，并将征订回单随汇款一并寄本刊。 本刊编辑部
《中目生态农业学报》征订回单(可以复印)
订 购 单 位 全 称 是否要发票
详 细 地 址 联 系 人
汇款金额(大写) 佰 拾 元 邮 政 编 码 邮局汇款
￥ 元
1999～2005年度 1999年合 订 本(24．00元) 套 2000年散装刊(24．00元) 套
合订本与现刊订数 2000年精装合订本(34．00元 ) 套 2001年散装刊 ，(32．00元) 套
(均含 邮 资 ，其 中 2002年散 装 刊(38．00元) 套 2003年散装刊(7O．40元) 套
1999～2000年度 2004年现 刊(70．40元) 套 2005年现 (7O．40元) 套
为<生态农业研究>) 备 注
·地址：(050021)N．-I：省石家庄市槐中路286号《中圈生态农业学报》编辑部 ·电话：(o311)5818007