全 文 ：作物生长模拟模型及其应用 3
杨京平 3 3 　王兆骞　(浙江大学农业生态研究所 ,杭州 310029)
【摘要】　论述了作物生长模型在国内外的研究及其发展过程 ,作物模型的机理及在农业生产中的作用 ,对作物
生长模型在生产应用中存在的问题及今后的发展方向进行了讨论.
关键词 　作物生长模型 　模拟 　应用
Crop growth simulation model and its application. Yang Jingping and Wang Zhaoqian ( Institute of A gricultural E2
cology , Zhejiang U niversity , Hangz hou 310029) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,1999 ,10 (4) :501～505.
This paper reviewed the present situation of related study development of Crop Growth Simulation Model (CGSM) ,
and its mechanism and role in agricultural production. The existing problems of the model in application and its devel2
opmental direction in future were also discussed.
Key words 　Crop growth model , Simulation , Application.
　　3 荷兰及国际水稻研究所合作资助项目 (SARP2Ⅲ) .
　　3 3 通讯联系人.
　　1997 - 05 - 20 收稿 ,1997 - 10 - 27 接受.
1 　引 　　言
　　作物生长模拟技术是 60 年代初在欧洲及美国出
现的 ,其思想方法是从工业生产分析所用的系统工程
方法借鉴而来. 1965 年荷兰的作物生长系统分析及模
拟先驱 de Wit 扩展了前人的有关作物对光截获和转
化、叶层光合作用的知识 ,并构建了作物冠层的光合作
用模型[19 ] . 他的开创性工作及后来的类似研究 ,加上
计算机科学技术的飞速发展 ,导致在作物光合作用、生
长过程模型研究的广泛开展[3 ,20 ,23 ] . 现今 ,在工业发
达的国家 ,仿真模拟已经成为广泛使用的技术工具 ,但
在发展中国家仍然处在起步阶段. 近十几年来 ,美国及
国际上的主要农业研究刊物都发表了许多有关作物生
长模型的研究与应用的论文. 在全球主要有两大研究
机构在进行作物生产模拟研究、应用与推广工作 ,即荷
兰的瓦赫宁根农业大学的理论生态系 ( TPE2WAU) 、
土壤肥力与农业生物研究所 (AB2DLO) 及美国的德州
大学实验站和国际农业技术推广网络 ( IBSNA T) ,澳
大利亚及欧洲现在也在研究开发作物生长及农业生态
模型.
2 　作物生长模拟模型
　　模型是对所研究的系统简化与概要的描述[12 ] ,因
此作物生长模拟模型是利用计算机技术借助数学模型
对作物2土壤2大气系统中作物的生长发育及产量形成
与外界环境的系统组成与变化进行动态仿真的过程.
这种模拟是对作物生理生态过程的动态与概要描述.
　　由于计算机科学的发展 ,目前国内外一些研究人
员在作物生长模拟模型上进行的研究工作已经推出了
几种主要的模拟模型 (表 1) [6 ,12 ,16 ,30 ,34 ] . 从作物生长
模型的结构来看 ,它包括了作物生长发育的一些主要
过程 :光合作用过程、养分摄取 (地下根系的生长动
态) 、同化产物分配、蒸腾作用过程、生长和呼吸作用、
叶片的生长与扩展和形态发育与衰老过程[11 ] . 大多数
模型都结合了上述所列的主要过程 ,并以多种方式来
处理这些过程. 由于作物生长系统的复杂性 ,因此要建
立的模型必须考虑各种外界的环境因素与变化过程对
作物本身的影响 ,这必然使模型变得庞大而失去实际
意义. 为此 1982 年 de Wit 和 Penning de Vries 提出了
将作物生长模拟划分为 4 个水平[12 ] ,1) 生产水平 1 :
潜在生产. 作物生长在水分与养分充分保证的条件下 ,
其生长速率与产量潜力仅受温度与光照条件影响. 2)
生产水平 2 :水分限制下的生产. 作物生长过程中部分
时期受到水分短缺的影响 ,但养分充足. 3) 生产水平
3 :N 素限制下的生产. 作物生长过程中部分时期受到
N 素短缺的影响 ,其他时期受到水分与气候因子的影
响. 4)生产水平 4 :养分限制下的生产. 作物生长过程
中部分时期受到 P 素或其他矿物元素短缺的影响 ,其
余时期受到 N 素、水分和气候因子的影响. 在上述 4
种情况下 ,考虑害虫、杂草的影响将进一步降低作物的
产量[12 ,26 ,30 ] . 但是实际作物生长过程并非如上所述的
4 种情况. 对照表 1 所列的作物生长模拟模型 ,目前所
研究与开发的作物生长模型主要是在第一及第二生产
水平上较多 ,而在第三水平的作物生长模型则仍在研
应 用 生 态 学 报 　1999 年 8 月 　第 10 卷 　第 4 期 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Aug. 1999 ,10 (4)∶501～505
表 1 　国内外研制的主要作物生长模拟模型
Table 1 Main crop growth model developed in China and abroad
编制者
Developer
模型
Model
作物
Crops
输入要素
Inputs
输出结果
Outputs
模拟步长
Steps(d)
程序语言
Language
Penning de Vries MACROS 水稻、小麦、玉米 气象因素、作物参数、 形态发育及生育期 ,根、茎、 1 CSMP
1988 等一年生作物 土壤及土壤水分参数 叶、籽粒干物质重、叶面积指数
Williams Rebards EPIC 谷类作物 气象要素、作物、土壤及 作物产量、土壤水分动态径流 1 FORTRAN
1982 土壤水分
Baker ,D. N. , Mackinion GOSSYM 棉花 气象要素、施肥、土壤类型 棉产量 1 FORTRAN
1982
Jones , C. A. , Kiniry ,J . R. CERES 玉米、水稻、大麦、 日照、空气温度、土壤水 根、茎、叶、籽粒的干物质 ,叶面 1 FORTRAN
1986 小麦等作物 分、日长、作物参数 积 ,根长度与密度 ,生育期
Loomis ,R. S. POTATO 马铃薯 空气温度及变幅 , 根、块茎、茎、叶的生 1 FORTRAN
1984 土壤温度 ,作物参数 长量 ,器官的生长发育
Spitters ,C. J . ,Van Keulen SUCROS 谷类作物 气象要素 ,田间参数 , 形态发育 ,地上各个器官干重 , 1 CSMP
作物参数 叶面积指数
1989
高亮之等 RICEMOD 水稻 气象因素 ,作物参数 生长期 ,形态发育 , 1 BASIC
1989 产量 ,分蘖动态
戚昌翰等 RICAM 水稻 气象因素 ,作物参数 生长期、形态发育、产量 1 BASIC
1989
Martin Kropff ORYZA21 水稻 气象因素 ,作物参数 潜在产量 ,生育期、形态发育等 1 FSE
1990 管理因子
究开发中[24 ,36 ] .
3 　作物生长模拟模型的特性
　　作物生长模拟模型是动态的、解释性的模型. 通常
借助 Forester (1961)的状态变量法来研究作物系统组
成成分之间的关系 ,即使是最简单的状态反馈图 ,也始
终包含一个状态变量 ,其变化受制于一个速率和一个
从状态到速率的信息流 ,因此作物生长模拟是一个动
态的模拟过程. 生物科学的特点是将复杂的有机生命
体区分成不同等级的系统进行研究 ,并将其概念化 (分
子、细胞器、细胞、器官、植株个体、种群与群落) . 而这
种划分是区分解释性和描述性模式的起点[12 ] . 在解释
性的作物生长模拟方法中 ,可以使用子模式的方式去
体现叶子、细胞、气孔的活动或光合作用过程. 例如 ,叶
片光合作用及反应过程特性是低层次的细胞和叶绿素
反应过程的结果 ,而冠层光合作用是所有叶片光合作
用的集合 ,所以通常在较低系统内的过程结合为一个
模式 ,而在较高系统层次上了解认识有机体的活动现
象并输出其结果到其它过程之中 ,这在荷兰的作物模
型中最为典型. 然而 ,子模式之间通常并非是有序进行
的 ,它们相互之间处于平行或者连续进行方式中 ,因而
常采用分层嵌套方式来处理. 但各种过程的时间系数
或对外界反应时间是不一致的 ,因此如不注意会导致
生长模拟的许多严重问题. 其次 ,作物生长模型的解释
性是因为模型包含的速率变量计算是基于最基本的生
理和生物化学过程的解释知识.
　　由于作物生长过程是一个连续过程 ,因此 ,这样一
个过程总是由积分来完成的 ,通过引进一些边界条件
及限制因素而将微分方程转化为差分方程并进行积
分 ,大量作物模拟因子都使用逐日的积分时段. 在表 1
中 ,多数模型的积分时间步长为 1d ,这是因为与作物
生长的有关因子尤其是气象因子的强制函数日过程
(辐照与温度)不能处理得令人满意有较大关系[12 ,30 ] .
4 　作物生长模拟模型的应用
　　作物生长模型已经开始在发达及发展中国家应
用 ,我国通过引进国外模型及自主开发 ,也开始在作物
栽培及管理上加以应用[2 ,5 ,7 ,8 ] . 就目前作物生长模拟
模型研究与应用的功能来讲[1 ,5 ,12 ,16 ,30 ] ,主要在以下
几方面 :
4 . 1 　产量预测
　　Kropff [27 ]在国际水稻所运用 OR YZA21 探讨了热
带地区水稻产量的上限和不同因子决定产量潜力的大
小与范围 (作物冠层持续期、碳水化合物从茎到籽粒的
转运率、灌浆持续期和小花密度) ,其结果显著地影响
了国际水稻研究所设想的“超级稻”计划. Aggarwal 和
Penning de Vries[13 ]运用作物生长模型对春小麦在泰
国、菲律宾、印度尼西亚种植的可行性及生产潜力进行
了研究. 结果表明 ,在东南亚许多地区有种植春小麦的
潜力 ,其在灌溉稻田产量变化为 3. 0～5. 0t·hm - 2 ,在
100～2000m 海拔内 ,每增加 400m 产量潜力增加 1. 0t
·hm - 2 ,在无灌溉地区产量潜力依赖于土壤深度及旱
季降雨量. 考虑播种时期及播种时土壤水分状况 ,春小
麦产量潜力为灌溉稻田小麦潜力的 30 ～ 90 %.
Matthews[28 ]运用作物生长模型探讨了全球气候变化
对作物生产的影响. 高亮之等[5 ]利用水稻种的模型估
算了杂交籼稻、迟熟中籼、常规中粳、早熟晚粳品种在
长江流域的最适生产季节和产量 ,表明在 4 月 10 日到
205 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10 卷
5 月 20 日的最适播期内 ,光合产量变动在 7. 95～
1. 125t·hm - 2 ,杂交稻高于其他品种 ,其中豫南地区为
产量的高值区 ,四川盆地为低值区 ,两者差异在 1. 5t·
hm - 2左右.
4 . 2 　作物育种
　　国际水稻研究所已开始用作物生长模型模拟作物
形态和生理特征在不同环境下的变化并进行育种及帮
助选择理想株型[31 ] . Aggarwal[14 ]在国际水稻研究所
与荷兰合作项目中提出了利用作物生长模型进行育种
的形态设计、评价选择方法. 这个方法需要运用在目标
区域已被校验过的作物生长模型和在目标区域环境下
作物参数临界值范围. 对这些作物参数在遗传性变异
范围及可能的水平通过作物种质测定结果来决定. 这
在利用父母本进行杂交试验中是非常重要的.
　　在确定临界值及可遗传性状的变异范围 ,可以建
立起假设的具有一个及多个品种特性方面变异的品
种 ,在这个方法中 ,不同品种特性是随机的 ,因此通过
模拟可以确定来自不同品种性状特性平均值 (对照品
种)的分离程度和其对产量影响的结果. 借助这种方法
产生的“品种”模拟了当父母本杂交后不同性状在后代
的随机分离行为 ,因而这种假设品种产量可在特定环
境下通过模拟确定 ,从而制订单一性状的育种目标.
Aggarwal[14 ]利用修正后的 OR YZA1 作物生长模拟模
型研究了在叶面积、N 浓度、不同发育时期和库容同时
变化对灌溉水稻产量的影响. 利用 Monte Carlo 模拟方
法产生了 500 种不同性状特性随机组合的品种. 运用
生长模型他们发现 IR72 作为对照品种在良好氮肥管
理下具有最大产量潜力. 另一个重要发现是 ,即使是在
种质培养中证明是具有高产潜力的品系 ,但目前氮肥
管理方式不利于选育出高产潜力品种. 因为这些高产
品质特性需要良好的 N 环境才可以获得高产量潜力.
基于概念模型、定性生理模型和生长模拟模型以及基
因研究的结果 ,国际水稻研究所提出了新的用于水稻
直播生产的理想株型[22 ,23 ] :低分蘖力每株 3～4 个小
穗 ,没有无效分蘖 ,每小穗 200～250 粒 ,株高 90～
100cm ,强壮茎秆 ,发达根系 ,多抗性 ,生育期 110～
130d ,收获指数 0. 6 ,产量潜力为 13～15t·hm - 2 .
4 . 3 　田间作物生产管理
　　利用作物生长模型可以进行不同播种时期、密度、
灌溉时间与次数和肥料使用量在不同环境状况下对长
期平均产量和产量潜力的影响 ,并对栽培措施加以优
化. 在某些条件下 ,作物模型指导田间试验用于检测模
型所预测的结果[17 ,24 ,36 ,38 ] . 在菲律宾 ,国际水稻研究
所利用作物模型和二化螟模块模拟了二化螟对水稻植
株分蘖的早期危害及水稻本身的补偿作用. 提出了降
低早期防治二化螟用药量的建议[33 ] . 在印度中央水稻
研究所 ,运用国际水稻研究所和荷兰合作项目 SARP
开发的作物生长模型及作物吸 N 反应模式 OR YZA2
0 ,进行了灌溉水稻的 N 肥运筹优化[18 ] . 其模拟分析
结果表明 ,在干旱季节粘壤质地的水稻土上 ,最佳氮肥
使用量为 120kg·hm - 2 ,使用时期为在小穗分化期前.
采用模型所建议的 N 肥使用次数 ,在 120kg·hm - 2氮
肥施用量可以获得高的生物量、N 吸收量和产量 ,这个
结果高于目前在印度实际水稻生产中使用的氮肥量.
我国高亮之等[5 ]应用自主开发的 RICEMOD 模型对
长江流域不同区域水稻生产进行了播期、移栽期、密度
的模拟与优化分析. 戚昌翰等[6 ]也利用 RICAM 模型
编制了水稻生长日历 ,并进行调控措施和产量预测运
用. 浙江大学农业生态研究所通过与荷兰及国际水稻
研究所合作 ,利用荷兰作物模型开发建立了早籼稻、晚
粳稻、杂交稻、玉米等作物模型 ,并用于实际生产栽培
指导工作[7 ,9 ,10 ] ;郑志明等[4 ]利用作物模型及建立的
OR YZA20 获得了水稻最大经济产量的氮肥优化施肥
管理方案 ,并在金华实地验证推广 ,取得显著节 N 增
产效果.
　　运用作物生长模型进行作物种植制度的研究在国
外也有报道[21 ,35 ] . Timsina[37 ]用 CERES 系列模型模
拟研究了印度及菲律宾麦2稻两熟作物种植制度的产
量长期稳定性及其下降的原因. 杨京平等[1 ,2 ]提出了
利用作物生长模型建立作物种植制度的模拟模型与决
策支持系统的构想与模型框架结构[1 ] .
5 　作物生长模型研究及应用中存在的问题
　　综观国外主要作物生长模拟模型开发研究的荷兰
及美国的作物生长模型 ,可以发现荷兰的作物模型注
重作物生长发育及产量形成的生理生态过程机制 ,对
所涉及的光合作用、呼吸作用、叶片生长等进行了比较
深入的生理生态过程模拟[1 ] . 由于其注重作物生长发
育的基本生理过程 ,其模型可以适宜大多数的一年生
谷粒作物. 美国的模式注重从生产实际出发 ,模型结构
在统计分析的基础上考虑了光合产物在各器官分配及
受外界环境的影响 ,库与源之间 ,根系生长与养分吸收
的关系较深入 ,并根据不同作物的特性建立不同的作
物生长模型 ,从而为实际生产服务. 国内开发的模型将
理论与实际应用结合并加以优化 ,注重模型的简洁与
实用性.
　　在作物生长模拟模型中面临的主要问题是模型用
于生产实际的有效性与可靠程度. 这个问题涉及到模
3054 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　杨京平等 :作物生长模拟模型及其应用 　　　　　　　　　
式的验证与符合程度. 模型的有效性首先依赖于建成
模型的模式的质量与有效性 ,荷兰模型在对作物冠层
光合作用、呼吸作用、同化产物转化成结构物质和物候
期的模拟可靠性上较好 ,但对于形态发育、器官建成 ,
同化产物在各器官的分配和可用性 , K、P 的吸收模拟
则仍有待改进. 其次是模型的验证与检验过程 ,由于模
型是对真实系统的简化与概要描述 ,这种简化与概要
描述是否与真实系统的变化反应一致 ,模型的误差及
其与事实是否相符等问题 ,在模型运用之前就必须对
模型进行检验. 已有许多方法用来进行模式模拟结果
与实际结果的比较分析[15 ,25 ,29 ] . 更进一步 ,作物生长
模型应用受到限制的原因是在实际农作物生产中 ,农
户面对的是许多的自然、生物、社会因子的相互影响与
综合制约作物生长及产量形成过程 ,而目前的模拟模
型还不能考虑全部的限制因子. 对有些过程的模拟仍
待进一步深入研究完善 (例如土壤水分的运动与平衡
及其和作物生长发育的连接耦合) .
6 　结语与展望
　　目前 ,作物生长模型虽然已经取得了长足的进步 ,
但是在有些生理生态机理上仍然须作深入的研究并且
进一步加以完善. 现有模型的许多部分还有较多的经
验性成分 ,如形态的发育进程、同化物分配、维持呼吸
模拟与量化. 在模型的运用上 ,由于模型的复杂性 ,加
上模型的机理性越强 ,包含的参数越多 ,而参数的获取
及可靠性将是影响模型应用的关键问题 ,但至今为止 ,
与模型应用相匹配的参数获取、估算与计算方法仍很
不完善 ,仍然有着许多方面需要深入的探索与研究. 此
外 ,如何考虑作物管理因子中社会及经济因素的影响 ,
如何改善模型的可操作性以方便用户也是一个主要的
限制因子. 荷兰已经在这方面进行了有益的探索工作 ,
推出了交互似的‘人2机’界面作物模型库集成 SARP2
SHELL [32 ] ,运用 Monte Carlo 方法模拟不同的管理方
式组合下的作物生长及产量的概率分布. 另外 ,作物生
长模拟的可视化与管理决策系统结合将是今后的方向
之一 ,因此可以预见 ,随着作物生长模型的机制不断完
善 ,对田间作物生产及区域种植制度的指导作用将会
越来越大.
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作者简介 　杨京平 ,男 ,1963 年出生 ,博士 ,副教授 ,主要从事农
业生态学研究 ,发表论文 12 篇. E2mail :jpyang @publicl. hz. zj. cn
　　简讯
1997 年影响因子最高的中国科技期刊 150 名排行榜 (节选部分)
(中国科学引文数据库课题组)
期刊名称 影响因子 期刊名称 影响因子
1 　岩石学报 0. 6634 26 　中华心血管病杂志 0. 3612
2 　地质学报 0. 6286 27 　遗传学报 0. 3582
3 　植物学报 0. 6285 28 　矿床地质 0. 3580
4 　中国科学. B 0. 5957 29 　固体电子学研究与进展 0. 3571
5 　地学前缘 0. 5570 30 　地质科学 0. 3516
6 　第四纪研究 0. 5476 31 　中国药理学与毒理学杂志 0. 3481
7 　力学进展 0. 5287 32 　分子催化 0. 3421
8 　地球物理学报 0. 5233 33 　分折化学 0. 3408
9 　古脊椎动物学报 0. 4792 34 　实验生物学报 0. 3402
10 　植物生理学报 0. 4729 35 　中国腐蚀与防护学报 0. 3396
11 　植物生态学报 0. 4643 36 　科学通报 0. 3373
12 　生态学报 0. 4410 37 　地理学报 0. 3333
13 　地球化学 0. 4407 38 　化学学报 0. 3325
14 　中华肿瘤杂志 0. 4314 39 　药学学报 0. 3324
15 　中国水稻科学 0. 4255 40 　气象学报 0. 3308
16 　中国农业科学 0. 4069 41 　作物学报 0. 3308
17 　物理学进展 0. 4035 42 　云南植物研究 0. 3269
18 　中华微生物学和免疫学杂志 0. 4009 43 　环境科学学报 0. 3265
19 　应用生态学报 0. 3931 44 　生物工程学报 0. 3258
20 　催化学报 0. 3900 45 　空间科学学报 0. 3232
21 　控制与决策 0. 3855 46 　地震学报 0. 3197
22 　计算数学 0. 3776 47 　中国科学. A 0. 3196
23 　病毒学报 0. 3719 48 　物理化学学报 0. 3153
24 　大气科学 0. 3699 49 　军事医学科学院院刊 0. 3128
25 　测绘学报 0. 3673 50 　电网技术 0. 3092
摘引自《中国科技期刊研究》,1999 ,10 (2) :168
5054 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　杨京平等 :作物生长模拟模型及其应用