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Numerical simulation on maize growth in a regular windbreak system in Huanghuaihai Plain

黄淮海平原林网保护区夏玉米生长过程的数值模拟



全 文 :黄淮海平原林网保护区夏玉米生长过程的数值模拟*
宋  帅  周  林* *  王汉杰 
(中国人民解放军理工大学气象学院大气边界层生态环境研究中心,南京 211101)
摘要  利用改进了的产量生态学模型 SUCROS, 对黄淮海平原林网保护区夏玉米的生长过程进行了数值模
拟,并与田间监测资料做了比较,分析了影响夏玉米生长的各种生理、生态学因子.结果表明, 改进后的模型能
成功模拟夏玉米的生长过程, 考虑病虫害、杂草影响后,模型输出的叶面积指数、器官生物量与生长监测资料十
分一致. 与单作农田比较,由于林网地区小气候条件的改善 ,夏玉米单产提高 68%左右.播种密度、播种日期与
籽粒产量关系的数值试验显示该区高产密度标准为 6 75~ 7 50(高肥水田块可达 900)株!m- 2 ,最佳播种期为
5 月 21 日~ 6 月 5 日.模拟∀ 凉夏#天气对黄淮海平原南部地区夏玉米生长的影响时发现,气温每降低 1∃ , 生育
期延长 3~ 4d,与∀ 低温#伴随的∀ 寡照#是减产的直接原因.
关键词  SUCROS  农田林网  产量生态学  夏玉米
Numerical simulation on maize growth in a regular windbreak system in Huanghuaihai Plain. SONG Shuai, ZHOU
L in and WANG Hanjie ( Ecoenv ir onment Research Centr e in A tmospheric Boundary Layer , Meteor ology Institute of
A ir For ce China, Nanj ing 211101) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2000, 11( 4) : 527~ 531.
The modified pr oduction ecolog ical model SUCROS was used to simulate the grow th process of summer corn w ith the
pro tection of windbreaks in Huanghuaihai Plain, and the simulated r esult was compared w ith the field monitoring data.
The effects of various physiolo gical and ecological factors that affect the grow th of the summer corn were analyzed. The
modified SUCROS could simulate the growt h pro cess successfully. T he leaf area index and or gan biomass simulated by
the model could be fairly consistent w ith the monitor ing data when t he effects of insect and disease pests and weeds
were considered simultaneously. As compared wit h the simulated data in the monoculture field, the corn yield in the
windbreak system was about 68% higher due to the improved microclimate. Based on the simulation of the relation
ships betw een sowing density , sow ing date and seed production, the density standard for high yield in the region was
6 75~ 7 50 plants!m- 2 , even high as 9 00 plants!m- 2 in the fields w ith sufficient soil nutr ients and w ater supply. It
is suggested that the optimal sowing period is from May 21 to June 5. T hrough simulating the influence of ∀ cool sum
mer# on t he grow th of summer corn in southern Huanghuaihai Plain, it was found that the grow th period of corn would
extend 3 to 4 days if t he average air temperature dur ing the grow ing per iod lowered by one degree. The ∀ less r adiation#
and corr espondent ∀ lower temperature#w ere t he dir ect reasons of y ield reduction in ∀ cool summer# .
Key words  SUCROS, Windbreaks, Production ecology, Summer corn.
  * 国家自然科学基金资助项目( 49575250) .
  * * 通讯联系人.
  1998- 10- 05收稿, 1998- 12- 08接受.
1  引   言
近年来,与全球变化相伴随的气候变化对作物产
量的影响已引起人们的广泛关注, 随着计算机的应用
和普及, 各种数学模型不断用来模拟作物的生长过
程[ 1, 3, 6, 9] ,研究气候变化情况下作物生长可能受到的
影响. 黄淮海平原是我国重要的商品粮基地, 从 70年
代后期开始的农田防护林建设已使该地区的林网覆盖
率达 85%以上[ 8, 12] . 本文选用王汉杰等[ 7]改进的 SU
CROS( Simple and Universal Crop Grow th Simulator)模
型,以该地区夏季重要的粮食作物夏玉米为研究对象,
模拟从出土到收获的整个生育期内光合物质的生成、
分配和积累过程,并与田间生长量的监测结果做了比
较.模型还用来研究了黄淮海平原夏玉米的最佳高产
密度及最佳播种期. 最后考虑了 1993年夏季的∀凉夏#
天气对我国黄淮海平原南部地区夏玉米生长、产量的
影响及流行于该地区的农林复合系统的小气候调节功
能.
2  实验地概况与研究方法
21  实验地概况和田间生长监测
黄淮海平原是我国最大的平原,耕地 1 8% 107hm2, 占全国
总耕地面积的 1/ 6. 同时它也是我国最大的玉米集中产区, 80
年代玉米播种面积 6 7 % 107~ 87 % 107hm2, 占全国玉米面积
的30%以上, 总产量约占全国的 40% [ 2] . 根据农业气候资源
(光照资源、热量资源和降水资源)的调查与研究[ 2] , 黄淮海平
原可划分为两类区域. 第一类为黄淮海平原的中北部地区, 以
保定、石家庄为中心, 年平均降水量少于 600mm, 较为干旱, 模
型模拟显示仅凭自然降水, 夏玉米的产量很低. 第二类为黄淮
海平原的南部地区,该区主要包括豫东、苏北和皖北平原,年降
应 用 生 态 学 报  2000 年 8 月  第 11 卷  第 4 期                                
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Aug . 2000, 11( 4)&527~ 531
水量 800mm 左右, 除个别洪涝、干旱年份外, 自然降水一般能
满足大田作物的生长需要.本文主要对生长于这一地区的夏玉
米生长状况进行研究.
实验区位于黄淮海平原南部中心区安徽省涡阳县境内
( 337∋N, 116 6∋E) , 区内林网规则整齐, 覆盖率高达 964% , 主
林带为东西走向, 间距 200m, 副林带为南北走向, 间距 200m,
网格面积 4 0hm2, 林网由杨树( Populus euramer icana)和臭椿
( A ilanthus altissima)构成, 平均树高 12m.
夏玉米品种为掖单 2 号,于 1997 年 6 月24 日播种, 6 月 28
日出苗. 生长监测田块在农民承包田中随机选取, 不做任何特
殊肥、水处理, 属大田粗放经营型,玉米叶面积监测从 1997 年 7
月 19 日开始, 一直持续到 8 月 30 日玉米叶面积指数停止增长
为止.监测样框布点如图 1 所示. 每个样框面积为 1m % 1m, 包
括 6株玉米. 每个样框两个重复,样框组 A 距林带 6m(观测时
林带平均高度为 12m) , C 组位于网格中心, B 组位于 A、C 之
间. 3 组 6 个样框的平均值表示林网保护下的平均状态.
图 1  林网结构和玉米生长监测样框
Fig. 1 St ructure of forest belts and corn grow th monitoring plots.
1杨树 Pop ulus euramericana , 2 臭椿 Ai lan thus al ti ssima.
  田间观测记载每 3 天进行 1 次. 记录项目包括样框内株
高、叶片数, 每一叶片叶长及叶宽,并根据这些数据计算每一样
框内叶面积变化情况, 单叶叶面积计算采用(长% 宽% 0 7)的
简单算法. 地上部分生物量在收获时分茎、叶、籽粒 3 部分烘
干、称重.
22  SUCROS 模型及输入资料系列
荷兰学者研制的 SUCROS 模型是目前国际上较为流行的
产量生态学模式[ 1, 6, 11] . 模型综合考虑影响作物生长的各种内
部和外部因子,直接模拟土壤植被大气连续体中热量、水分的
平衡、供应及消耗过程, 它同时考虑温度、湿度、辐射、风、降水
等气象因子对作物生育过程及各器官生物量的影响. SUCROS
原始模型经王汉杰等[ 7]的调整和改进后, 能根据实际的逐日气
象资料和土壤含水量资料成功模拟黄淮海平原农林复合系统
中冬小麦的生长过程和产量. 为了验证 SUCROS玉米模式的
适应性,本文利用涡阳县 1997 年 6 月的播种资料, 通过对一些
作物生理生态学参数的调整,进行了夏玉米的数值模拟试验.
  SUCROS 需要输入的天气资料包括日辐射总量、日最高和
最低气温、空气湿度、风速、降雨量及土壤含水量等. 驱动模型
的常规气象资料取自涡阳县气象局.其中日辐射总量采用王汉
杰等[ 7]介绍的回归方程计算. 林网内的小气候资料根据同一地
区的微气象观测结果设定,即夏季( 7~ 10 月)的林网保护区内
最高温度比林外空旷地低 15 ∃ , 林网内风速降低 15% , 相对
湿度增高 5% . 与土壤物理性状有关的土壤水量平衡过程用
Larr等[ 6]的处理方法,相应的土壤物理学参数根据安徽省水利
局勘测设计院等[ 5]对安徽淮北平原土壤的研究结果作了适当
调整. 由于生长期水分亏缺明显, 承包人曾于玉米孕穗后期进
行两次人工灌溉,每次灌溉量为 40mm,灌溉总量连同自然降水
统称为模型降水.尽管如此, 在生长后期仍存在明显水分亏缺.
为了验证水分对作物生长的影响以及林网的小气候效应,模型
分别对 3种模态运行: ( A)单作农田. 邻近气象站资料, 模型降
水资料,后期有水分亏缺. ( B)农田林网. 林网小气候资料,模型
降水资料, 后期有水分亏缺. ( C)林网小气候资料, 无土壤水分
亏缺的理想态.
3  结果与分析
31  叶面积指数
叶面积指数是作物光合作用的决定性因子,也是
衡量作物长势的重要标准.图 2给出了玉米叶面积指
数(包括绿叶和枯黄叶)观测值与模拟值曲线. LAI 的
观测值用空心圆圈代表, 曲线 A、B、C分别表示 3种模
态下模型运行得到的叶面积模拟值. 由图 2可见, 3种
模态下的模拟值与实测值变化趋势均比较一致.叶面
积从播种后 20d左右开始增长明显,第 25~ 50天的增
长速度最快,第 55 天以后达到最大值. 在最后的灌浆
和成熟期, 叶面积没有明显的增长(部分叶面枯黄, 绿
叶明显减少,由图 4也可看出) , 此时光合作用产物主
要用于种子的贮藏积累. 数值模拟的结果较观测值略
大,这是由于模型本身未考虑养分亏缺及病虫害、杂草
的影响.实验区在玉米生长期间曾发生较严重的病虫
害,玉米螟 ( Ostr inia nubi lal is )噬食茎秆的百分率在
15%~ 30%左右,对叶面积的生长及地上部分生物总
量都造成了较严重的影响.另外,由于实验区承包农户
管理粗放,田间杂草较多,可能也是影响夏玉米生长的
因素之一.
32  地上部分总生物量( TADRW)及各分量
图 3是地上部分总生物量的模拟结果, 3 种模态
的运行结果与叶面积指数的模拟结果类似.模型 C最
高,模型 B大于模型 A.地上部分总生物量( TADRW)
是叶量( WLV)、茎( WST )和籽粒( WSO) 3部分总和.
实际的收获量和模型的模拟结果列于表1( 其中,
TADRW:地上部分总生物量; WLV: 叶生物量; WST:
528 应  用  生  态  学  报                    11卷
图 2  LAI 的模拟结果与观测值比较
Fig. 2 S imulated and measured LAI grow th.
图 3  地上部分总生物量的模拟结果( g!株- 1)
Fig. 3 S imulated total aboveground dry matter( g!plant- 1) .
秆生物量; WSO: 籽粒生物量; WRT: 根生物量; H I=
WSO/ TADRW:收获指数. 以下图表中相同) . 如果不
考虑林带所占的土地面积及其胁地减产效应, 由表 1
可以计算出处于林网最佳生态效益区的玉米产量(模
型B)高出单作农田 43% ,但在实际分析林网内作物产
量时,林带胁地效应必须考虑.目前综合反映树木与农
作物争夺营养空间(土壤水分、养分)的产量生态学模
型尚未见报导, 这里采用胡海波[ 4]、王汉杰[ 7]等的方
法,根据实地的辐射观测, 考虑水分、养分充足条件下
仅仅因辐射差异造成的减产效应. 林带北面和西面
05倍树高范围以内几乎为绝收区, 考虑到现有林带
平均高度为 12m,这部分面积占总面积的 15% ,另外,
05~ 15倍树高范围内为减产区, 减产幅度与离开林
带的距离有关, 最大可达 80%以上,平均为 50%左右,
这部分面积占总面积的 20% , 剩余面积为增产区. 综
合考虑上述因素并且取用区域范围内的面积加权平均
值,可以得到农林复合区较单作农田夏玉米产量大约
增加 68%左右, 这一数值与许多同类工作的研究结
果比较一致[ 2, 13] . 从表 1可以看出, 模型 B 的输出结
果与收获产量非常接近, 说明模型中设定的各种作物
生理、生态学参数是可信的.同时也说明模型对夏玉米
表 1  地上部分生物量各分量的计算值与实际收获量的比较
Table 1 Simulated and harvested TADRW and its components( g!plant- 1)
项目
Item
模拟值 Simulated value
模型 A
Model A
模型B
Model B
模型 C
Model C
收获量
Harvest
T ADRW 193. 78 26505 34232 25024
WLV 3376 4413 4825 5664
WST 4339 5430 7674 4830
WLV+ WST 7715 9843 12489 10494
WSO 11663 16662 21743 14530
WRT 879 1145 1303 1460
HI 602% 628% 635% 581%
全生育期 100 103 103 98
Whole growth
period
生长过程中的光合、呼吸以及干物质的生产、分配规律
的模拟是合理的.如前所述, 由于模型暂未考虑杂草、
病虫害及养分亏缺对作物生长的影响, 使得模型值结
果较高.林网保护区内(模型 B)的夏玉米器官干物质
积累与分配模拟结果见图 4,它与前人的研究结果十
分一致[ 9] ,由此可以进一步证明模型的可靠性.
图 4  玉米器官干物质积累和分配
Fig. 4 Dry mat ter accumulat ing and part it ioning to various organs of corn( g
!plant- 1) .
AWSO/ TADRW, BWST/ TADRW, CWLVG/ TADRW.
33  播种密度对玉米籽粒产量、叶面积指数的影响
保持其他参数不变, 仅改变播种密度进行数值试
验.试验选用的播种密度有 525、600、675、750、
825、900、975、1050、1125、1200、1275 株!m- 2
共11种, (表 2) (其中∀单作#表示无林网保护效应的
农田( monoculture) , ∀林网#表示林网保护区内的农田
( w indbreaks) , 下同) .从表 2可以看出, 随着播种密度
的增加,土地养分及水、光、热资源进一步得到充分利
用,籽粒产量、叶面积指数也随之增加. 播种密度达到
900~ 975株!m- 2时, 籽粒产量和叶面积指数均达
到最大值(单作农田中密度为 675 株!m- 2时有一次
高值) ,显示各种外部资源已最大限度地得到了合理利
用.若继续增加种植密度, 会超出各种资源的承受力,
5294 期              宋  帅等:黄淮海平原林网保护区夏玉米生长过程的数值模拟         
产生资源匮乏, 籽粒产量会随着密度增加反而开始下
降.单从试验结果看, 900~ 975株!m- 2是获得最高
产量的标准,但由于受管理水平、土壤肥力等因素限制
(模拟结果是在养分充足条件下得到的) , 目前在大田
作业区不可能达到如此高的密度. 因此,在目前的生产
水平下,以高产高效为目的, 可以将 675株!m- 2左右
的密度作为适宜密度标准.目前涡阳县的实际玉米种
植密度一般为 500~ 600株!m- 2, 产量较低. 因此,
适当增加播种密度不失为今后争取高产的一种有效方
法.
表 2  玉米播种密度与籽粒产量、叶面积指数的关系
Table 2 Relationship between sowing density and WSO and/ or LAI
密  度
Density
( plant!m- 2)
籽粒产量WSO(Kg!hm- 2)
单  作
Monoculture
林  网
Windbreak
叶面积指数 LAI
单  作
Monoculture
林  网
Windbreak
525 61908 87618 168 248
600 69970 99960 292 395
675 77640 103080 460 493
750 76320 103536 428 533
825 76640 103602 444 556
900 78720 103614 546 581
975 78678 103488 564 599
1050 78372 103230 559 595
1125 78510 103272 575 611
1200 78312 102708 579 615
1275 78390 103074 593 629
34  播种期对玉米籽粒产量的影响
在本试验中,为了更加真实地反映出不同播种期
对籽粒产量的影响, 我们选用黄淮海平原南部中心区
蚌埠( 1980~ 1989) 10年平均气候资料(摘自中国地面
气象观测月报)来驱动模型(只有自然降水, 无人工灌
溉) .试验选用的播种日期有 5月 21日、5月 26日、5
月31日和 6月5日、6月10日、6月 15日、6月 20日、
6月 25日共 8组.黄淮海地区是夏秋轮作制,考虑到
后期小麦的播种,模型限定单作农田玉米收获期为 10
月3日,林网保护情况下收获期为 10月 6日,而在此
日期之前已经成熟的则在表中列出其实际生育期及相
应的WSO值(表 3) .从表 3 可以看出, 籽粒产量随播
种期基本上呈现#两高一低#的变化,即从 5月 21日到
6月 5日和从 6月 20到 6月 25日播种的玉米产量相
对较高(前者又高于后者) ,而在这两段日期之间播种
的玉米产量则明显偏低(其中在 6月 10日前后播种的
玉米产量最低) . 因为模型的气候平均资料( 1980~
1989)显示, 黄淮海平原南部区在这段日期播种的玉
米,其需水较多的抽穗吐丝期, 恰为当地∀ 卡脖旱#、
∀干热风#的多发期, 不利产量的提高. 而 6月 20日以
后播种的玉米在芽期易受涝害的影响, 而且后期的籽
粒灌浆期短,品质较低,在籽粒乳、蜡熟期易受低温冷
害影响,延迟成熟,可能延误后作小麦的播种.因此, 5
月 21日到 6月 5日为模拟所得到的最佳播期.而目前
实验地玉米播种大多在 6月 20日前后,直接影响了产
量,若将播种期提前至 5月下旬至 6月初,将玉米和小
麦套种则更有利于高产. 另外,由于林网保护区为作物
提供了较优越的生长环境,其产量总是高于单作农田
同期播种的玉米. 由表 3 可见, 5月 21日至 6月 5日
播种的玉米均提早成熟, 因此,若改用中熟或晚熟玉米
代替早熟品种, 就能充分利用成熟后至 10月 3日前富
余的光热资源, 进一步提高产量. 实际上小麦、夏玉米
的套种技术已经为农民所普遍接受并付诸实施,在本
模型中又一次证明了这一做法的优点. 在雨季到来时
套种玉米已经根强苗壮, 需水正旺,可以变涝之害为充
分利用降水之利,提早成熟, 既提高产量, 又避开秋季
低温造成的晚熟瘪粒, 还能为后期小麦适时播种奠定
基础.
表 3  玉米播种期与籽粒产量WSO关系的数值试验结果
Table 3 Relation between sowing date and WSO
播种日期
S ow ing date
籽粒产量 WSO( g!plant- 1)
单  作
Monoculture
林  网
Windbreak
生育期 Grow th period( d)
单  作
M onoculture
林  网
Windbreak
625 86 123 101 104
620 99 135 106 109
615 53 86 111 114
610 30 40 116 119
605 109 162 107 124
531 114 167 104 110
526 118 171 104 107
521 131 181 101 104
35  ∀冷夏#天气对夏玉米生长的影响
根据吴金栋等[ 10]的研究表明, 1993 年夏季全国
大部分地区先后出现近 30年来同期气温最低值, 为罕
见的∀凉夏#天气, 而 1993年又有 El Nino 现象出现,
虽然 El Nino 现象能否与凉夏一一对应目前尚无定
论,但 1993年∀凉夏#是观测事实. ∀凉夏#天气的主要
气候特征是热量条件差, 日照严重不足,导致各种农作
物生长发育缓慢、发育期推迟, 部分作物遭受低温冷
害,产量受到不同程度的影响. 夏季低温成为 1993年
粮棉生产的主要障碍之一.本文在研究∀冷夏#对农作
物生长的影响时依然以蚌埠地区 1980~ 1989年这 10
年气象要素的平均值代表黄淮海平原南部地区近期的
气候值(不考虑人工灌溉因素) , 在此基础上再考虑气
温及辐射的变化. 吴金栋等[ 10]提供的实际资料表明,
1993年夏季实验区旬平均气温距平最大为- 2 ∃ ~
5 ∃ , 旬日照时数最少只有 20~ 40h, 平均比气候平均
值低 30%~ 50%左右. 根据这一结果, 模型中分别在
气候平均值基础上选取全生育期降温 05 ∃ 、1 ∃ 、
15 ∃ 和 2 ∃ , 辐射减少 10%、20%、30%和 40%作为
试验的初始输入资料,设计了以下两类数值试验: 1)模
530 应  用  生  态  学  报                    11卷
型 1:土壤水分亏缺的情况下, 无林网保护时与气温降
低伴随的日照时数减少、辐射降低对夏玉米生长及产
量的影响. 2)模型 2: 土壤水分亏缺的情况下, 有林网
保护时与气温降低伴随的日照时数减少、辐射降低对
夏玉米生长及产量的影响.将以上结果分别与当前气
候条件下单作农田、林网保护区夏玉米产量模拟结果
作对比分析(表 4) (表中籽粒产量是相对当前气候条
件下∀林网#、∀单作#产量模拟值的变化百分率, + 为增
加, - 为减少) . 由表 4可以看出, 对于单作农田,全生
育期温度降低 05 ∃ ~ 1 ∃ , 辐射量减少超过 30%开始
出现减产. 若全生育期温度降低超过 15 ∃ , 则辐射量
的减少在 40%以内都是增产, 而且辐射量降低越少,
产量增加越多. 而对于林网保护区,降低 05 ∃ ~ 2 ∃ ,
对应辐射量的减少超过 20%开始出现减产. 模拟结果
还表明,气温每降低 1 ∃ , 则生育期延长 3~ 4d. 因此,
可以得出结论, 水分亏缺是黄淮海平原中心区夏玉米
生长最主要的限制因子. 气温降低可以减少土壤蒸发,
相对提高土壤的含水量和水分利用率, 有利于增产.另
一方面,由于对同一品种玉米成熟所需的积温相同,气
温降低,生育期必然延长, 其结果是受光照时间增加,
产量也会增高, 但在实际耕作中,推迟收获会延误后作
小麦的播种.因此在∀冷夏#年提前夏玉米的播种期,选
用中晚熟品种, 进行玉米与小麦的套种则显得更加有
实际意义(对于此减灾措施的定量讨论将另文进行) .
由于同样的原因, 限定单作农田玉米生育期为 100d,
有林网保护情况下为 103d. 在其他条件相同的情况
下,降低相同的温度, ∀单作#农田增产百分率要高于
∀林网#,说明林网保护区为作物生长提供了比较优越
的小气候环境. 日辐射总量直接影响玉米的光合作用
和 CO2同化能力. 因此, 与∀低温#伴随的∀ 寡照#是造
成作物减产的直接因子. 1993年夏季的∀凉夏#天气影
响也证实了这一结果.
  由表 4可知, ∀凉夏#条件下,单作农田的增长率高
于林网区,原因是林网区温度本来就低于单作农田.应
表 4  气温和辐射同时变化对籽粒产量WSO( g!株- 1)综合影响的模拟结果
Table 4 Effect of temperature and radiation variation on WSO
辐射量变化
Radiat ion variat ion
( % )
温度变化( ∃ ) T emperature variat ion
林  网 Windbreak
- 05 - 10 - 15 - 20
单  作 M onoculture
- 05 - 10 - 15 - 20
0 + 79 + 126 + 157 + 182 + 155 + 244 + 357 + 450
- 10 + 67 + 96 + 101 + 113 + 159 + 246 + 355 + 440
- 20 + 06 + 12 + 059 + 19 + 122 + 198 + 309 + 369
- 30 - 100 - 102 - 111 - 101 + 39 + 102 + 206 + 229
- 40 - 229 - 235 - 252 - 236 - 85 - 43 + 43 + 52
该指出, ∀凉夏#仅是气候变化的一个方面,更多引起人
们关注的是气候变暖的趋势. 总之, 改进后的 SU
CROS 模型适应性很强,它可以用来研究各种可能发
生的气候变化条件下农作物的生长状态, 是一个从事
产量生态学研究的有力工具.
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作者简介  宋  帅,男, 1976 年生, 硕士生, 研究方向为系统生
态学与气候学. Email: N JWSH@ Kali. com. cn
5314 期              宋  帅等:黄淮海平原林网保护区夏玉米生长过程的数值模拟