全 文 ：V o l. 29, N o. 3
pp. 436—440　M ay, 2003
作　物　学　报
A CTA A GRONOM ICA S IN ICA
第 29 卷 第 3 期
2003 年 5 月　436—440 页
玉米渍水模拟模型研究及验证Ξ
陈　杰　杨京平
(浙江大学农业生态研究所, 浙江杭州 310029)
摘　要　作物模拟模型是研究作物生态生理过程的新工具, 尽管还不完善, 但是具有广泛的应用前景。本研究在试验的
基础上, 根据M A CRO S 模型和文献资料组建了玉米水分模拟模型, 加强了模型在渍水方面的功能。经验证, 模型能较好
地反应我国南方地区玉米的生长发育过程和土壤水分运动, 可以用于渍害易发地区的玉米生产研究。并以杭州市为例,
应用模型分析了气候变化与地下水位对春玉米生产的影响。
关键词　玉米; 渍水; 模拟模型
中图分类号: S513104; O 24211　　　文献标识码: A
Sim ula tion M odel of Corn Restr icted by W a terlogg ing and Its Ver if ica tion
CH EN J ie　YAN G J ing2P ing
(A g roecology Institu te, Z hej iang U niversity , H ang z hou, Z hej iang 310029, Ch ina)
Abstract　C rop sim ulat ion model is a new techno logy to study ecophysio logical p rocesses of crop s and has
po ten t ia l app licat ions in agricu ltu re, though it st ill needs imp roving. In th is paper, M A CRO S model used fo r
sim ulat ing co rn grow th and developm ent w as modified and imp roved, especially in dealing w ith w aterlogging
effects, based on docum entary m aterials and experim ental data. T he new model w as test ified to co rrespond
w ith the m easured grow th p rocesses of co rn and so il w ater variat ion. It can be used to research co rn p roduc2
t ion in rainy sou thern areas w here w aterlogging is a m ain lim ited facto r fo r up land crop. In addit ion,
H angzhou C ity w as cho sen as a case study to analyze the effects of clim ate change and differen t underw ater
level on sp ring co rn by using the model.
Key words　Co rn;W aterlogging; Sim ulat ion model
　　作物模拟模型研究始于 20 世纪 60 年代, 是在
作物科学中引入系统分析方法和计算机技术而发展
起来的。根据生长限制因子, 作物生产可划分为 4 级
水平[ 1 ]。在第一生产水平下, 作物生长仅受光照和温
度的限制, 为潜在生长; 第二、三、四生产水平除受光
照和温度影响外, 还分别受水、水和N 肥、水和各种
营养元素的制约。光温条件下的作物模拟模型, 现已
比较成熟; 作物水分模型还不十分完善; 作物N 素
模型正在研制之中; 第四生产水平的模拟还较少涉
及。
作物模拟模型作为研究作物生理生态的新技
术, 随着自身的不断发展和完善, 越来越多地应用于
农业生产和科研之中[ 2～ 5 ]。本研究在试验的基础上,
根据前人的研究成果, 组建了玉米水分模拟模型, 尤
其是在渍水影响方面有较大的改进, 希望能够进一
步验证和完善模型, 促进作物模拟模型在生产实践
中的应用。
1　试验设计
试验于 1996 年在浙江大学实验农场进行, 包括
用于组建模拟模型的水槽试验和用于验证模型的大
田试验。供试品种为玉米苏玉 1 号; 水槽和大田土壤
均为粉砂壤土, 容重 1. 18g·cm - 3; 水槽、大田土壤
的肥力条件: 有机质 1. 50%、1. 66% , 全氮 0. 075%、Ξ基金项目: 浙江省自然科学基金资助项目 (697041)。
作者简介: 陈杰 (19712) , 男, 安徽人, 讲师, 硕士, 主要从事农业生态、生态数学模型等研究工作。
Received (收稿日期) : 2001203223, A ccep ted (接受日期) : 2002202224.

0. 083% , 速效钾 66. 0m g·kg- 1、97. 5m g·kg- 1, 速
效磷 7. 34m g·kg- 1、11. 61m g·kg- 1。
1. 1　水槽试验
水槽试验在大型网室内完成。水槽高出地面
112m , 槽内土深 1. 0m , 槽内净土面积 5. 0m 2 (4. 0m
×1125m ) , 槽内外壁之间设有水套, 在槽一端壁上
自底而上每隔 15cm 置有排水管与水套相连, 便于
人工控制土壤水分。
水槽玉米于 1996 年 4 月 10 日播种, 每槽 45
株。以每 2 天称重方法控制土壤水分含量。设置 4 个
水分处理: (1) 过多: 土壤含水量为田间持水量的
120% 以上, 土面无积水。处理时间分别开始于 4 叶
期、6 叶期和 8 叶期, 持续 5 天、10 天后取样 (8 叶期
持续 30 天、间隔 5 天测定)测量玉米叶面积、株高和
根、茎、叶、穗等器官干物重, 同时取样分析其他各处
理; (2) 适宜: 土壤含水量保持在田间持水量的
65%～ 100% ; (3)短缺: 土壤含水量在田间持水量的
55% 以下; (4)对照: 玉米整个生长过程处于自然状
态。
每个处理均为两槽, 其中一槽用于分析测定, 另
一槽用于测产。
112　大田试验
大田玉米分别于 1996 年 4 月 2 日和 4 月 12 日
播种, 都有单作、套作 (前作大麦) 两种方式, 3 次重
复。植株密度为: 4 月 2 日单作 76500 株·hm - 2、套
作 85500 株·hm - 2; 4 月 12 日单作 81000 株·
hm - 2、套作 90000 株·hm - 2。小区面积 39m 2 (30m
×1. 3m )。每 10 天随机取样 1 次, 各处理分层 (0～
10cm 和 10～ 20cm ) 5 点取土样测定土壤水分含量,
同时各取 20 株植株, 测定叶面积、株高及根、茎、叶、
穗等器官干物重。
1. 3　测定方法
叶面积用系数法, 各器官干物重及土壤含水量
用烘干法。
1. 4　施肥水平
大田玉米: 分别于苗期和拔节期施入人粪尿
9600kg·hm - 2和牛猪厩肥 54000kg·hm - 2, 孕穗期
施尿素 240kg·hm - 2; 网室玉米: 拔节前一次性施尿
素 187. 5kg·hm - 2、过磷酸钙 31215kg·hm - 2和氯
化钾 277. 5kg·hm - 2。
2　玉米水分模拟模型的组建
以 Penn ing 等[ 6 ] 的 一 年 生 作 物 模 拟 模 型
M A CRO S 为基础, 根据试验结果组建了玉米在渍
水条件下的生长模拟模型。M A CRO S 模型是模拟
作物生理生态过程的机理性模型。模型用CSM P 语
言编程。
模型由作物生长模块、蒸腾模块、土壤水分平衡
模块、作物和土壤参数及气象资料组成。作物模块是
基本模块, 描述作物生长的基本生理生态过程; 水分
模块是本模型的关键所在, 模拟土壤水分运动; 上述
两个模块通过作物蒸腾模块连接起来。
211　作物生长模块
以 1 天为时间步长, 逐日计算干物质生产潜力
的动态变化。模块描述了光合作用、呼吸作用、同化
物分配、干物质形成、光合面积发育和生育期进程等
过程。生育期的模拟用积温法[ 7 ]。
根据试验结果和文献资料[ 8 ] , 确定了玉米的渍
水敏感期, 并在模块中引入了发育速率延迟、碳水化
合物分配比例变化、绿叶和根系损失加快等因素。对
于套作玉米, 考虑到共生期间大麦的遮阴影响, 光合
作用和生育进程受到一定的阻碍, 模块中加入了光
合速率和生育期抑制因子。
光合作用是作物生长的最基本的生理生态过
程, 因而光合作用的模拟也是作物生长模型的基石,
模型中光合速率的计算公式为:
A =
A m Εk I 0e- k l
A m + Εk I 0e- k l
A m 为最大光合作用速率 (ΛgCO 2m - 2 s- 1) , Ε为初始
光能利用率 (ΛgCO 2J - 1) , k 为消光系数, I 0 为作物冠
层的光合有效辐射 (Jm - 2 s- 1) , l 为由冠层表面向下
某处的叶面积指数。
212　蒸腾模块
由于蒸腾失水占作物耗水的绝大部分, 因而模
型中假定蒸腾水量等于根系吸水量。模块主要包括
根系的吸水过程、作物体内的水分状况与光合作用
的关系以及土壤水分条件改变时对它们的影响。
作物冠层的潜在蒸腾采用 Penm an2M on teith
方程:
T =
sR n + Θcp (es (Ta) - ea) ö(rb + rc)Κ[ s + Χ(rs + rb + rc) ö(rbö0. 93 + rc) ]
s 为饱和水汽压在气温 T a 时的变化率 (hPa℃- 1) ,
R n 为吸收的净辐射 (Jm - 2 s- 1) , Θcp 为空气的热容量
(1200Jm - 3℃- 1) , es (Ta) 是气温为 T a 时的饱和水汽
压 (hPa) , ea 为实际水汽压 (hPa) , rs、rb、rc 分别为叶
片、边界层、冠层对水汽扩散到大气的阻力 ( sm - 1) ,Κ为水的汽化热 ( 2390Jg- 1 H 2O ) , Χ 为湿度常数
(0167hPa °C - 1)。
734　3 期 陈杰等: 玉米渍水模拟模型研究及验证

213　土壤水分模块
该模块处理土壤剖面上土壤含水量、土水势及
水流的动态变化。模块中新增了连续渍水时间变量,
计算公式为:
y = ∫
t
t0
1d ( t) W CL Q T > 1123 W CFC
0　　W CL Q T ≤ 1123 W CFC
W CLQ T、W CFC 分别为土壤含水量、田间持水量。
根据土壤的性质和研究需要, 本研究中把土壤
分为 10 层, 每层 0. 1m , 各层具有不同的物理特征。
土壤水分运动取决于土壤水势和导水率等。模型中
用于描述土壤水分运动的数学方程式是相同的, 但
是由于方程式中的变量值和常数在不同层次间是不
同的, 因此可以计算各层的土壤水分状态。计算土壤
水分的基本公式:Η= Ηse- Χln2ûhû
k =
k se- Αûhû (ûhû ≤ ûhûm ax)
aûhû - 1. 4 (ûhû > ûhûm ax
q = 1∃h - 1∃z ∫h ih i- 1k 1 (h ) dh õ∫h ih i- 1k 2 (h ) dh 1ö2Η(Ηs) 为土壤 (饱和) 含水量 (cm 3 cm - 3) , Χ为土壤容
重的特征参数, h (hm ax ) 为土壤水分吸力 (上限)
( cm ) , k (k s) 为 (饱和时) 质地特征导水率 (cm d - 1) ,Α、a 为质地特征经验常数 (cm - 1、cm 2 d- 1) , q 为流量
密度 (cm d- 1) , 1ö△h 为重力向量, 1ö△z 为流量的
基质微分, k 1、k 2 为相邻两土层导水率函数, h i、h i- 1
为土层数。
土壤水分平衡公式为: △S = P + C ±R 2T 2E +
D , △S 为根层土壤水分变化, P 为降雨量, C 为从
下层土壤通过毛细管作用上升到根层的水, R 为侧
流水, T 为作物蒸腾失水, E 为土壤蒸发失水, D 为
渗漏到根层以下的水分。
214　气象资料和有关参数
气象资料, 包括每天的最高、最低气温、太阳辐
射、降雨量、平均湿度和平均风速, 来自杭州市气象
站。根据实验测定及文献, 修改的作物参数包括比叶
重、碳水化合物分配到各器官的比例、营养生长期与
生殖生长期发育速率常数等; 增加的参数有持续渍
水时间与生育期延迟、叶根损失速率、光合产物在地
上部分配比例的关系以及套作对玉米的影响。土壤
资料主要来自文献[6 ]。
3　模型验证及实例分析
3. 1　模型的验证
根据 1996 年田间试验资料对模型进行了验证。
结果表明 (表 1) , 不同种植方式的生育期模拟值与
实测值符合性较好, 播种到开花、开花到成熟的平均
误差均为 1. 5 天, 全生育期的平均误差为 3 天。最大
叶面积指数、生物量和产量的模拟值都高于实测值,
其中产量的模拟值高出实测值 1. 5%～ 1211%。从
表 1 还可以看出, 模型对单作的处理要优于套作, 套
作的模拟值与实测值的差异一般大于单作。各器官
干物质的累积速率和叶面积发育过程的模拟值均高
于实测值, 但变化趋势基本一致 (图 1)。
土壤水分变化以表层为剧烈, 深层相对稳定, 因
而选取表层取样来验证模型。土壤表层 (0～ 20cm )
含水量变化在整个玉米生育期内的模拟结果与实际
情况比较相似 (图 2) , 其中 0～ 10cm 土层差异较大,
而 10～ 20cm 土层吻合性较好。前者实测值变异大
主要是易受环境因素和管理措施影响的缘故。
表 1　　1996 年春玉米田间试验结果与模拟值比较
Table 1　　Compar ison of measured and simulated results of spr ing corn in 1996
播种日期及方式
Sow ing date
and pattern
(dayömonth) 生育期3D evelopm entalduration (DD ) (d) 最大叶面积指数L eaf area index(LA I) (hm 2·hm - 2) 地上部生物量B iom ass above ground(BA G) (kg·hm - 2) 总生物量To tal b iom ass (TB)(kg·hm - 2) 经济产量Grain yield (GY)(kg·hm - 2)实测值
M easured
模拟值
Sim ulated
实测值
M easured
模拟值
Sim ulated
实测值
M easured
模拟值
Sim ulated
实测值
M easured
模拟值
Sim ulated
实测值
M easured
模拟值
Sim ulated
2ö4 单作
M onocropp ing
(M C)
75+ 34 77+ 35 3. 61 4. 05 7923. 1 805216 8357. 4 8429. 0 4284. 8 4349. 5
2ö4 套作
Relaycropp ing
(RC)
75+ 34 77+ 35 3. 10 3. 61 7429. 8 7683. 3 7885. 9 8024. 2 3645. 8 3986. 8
12ö4 单作
M onocropp ing
(M C)
70+ 33 71+ 35 3. 45 3. 61 7517. 6 7627. 5 7721. 0 7977. 0 3768. 8 3923. 6
12ö4 套作
Relaycropp ing
(RC)
70+ 33 71+ 35 2197 3. 49 7398. 4 751217 7704. 3 7853. 2 3358. 5 3765. 4
　　3 前后两个数分别指营养生长期和生殖生长期天数, 下同
T he first num ber is the days of vegetative period and the second is the days of rep roductive period. T he sam e as below.
834 　　　作　　物　　学　　报 29 卷　

图 1　叶面积指数及各器官干物质累积速率的模拟值与实测值 (4 月 2 日播种单作)
F ig. 1　Sim ulated and m easured LA I, dry w eigh t of leaf, stem and ear fo r monocropp ing co rn sow ed on A p ril 2,
1996. (É ) m easured dry w eigh t of green leaf, (Ê ) sim ulated dry w eigh t of green leaf, (Ë ) m easured dry w eigh t of stem ,
(Ì ) sim ulated dry w eigh t of stem , (Í ) m easured dry w eigh t of ear, (Î ) sim ulated dry w eigh t of ear
图 2　土壤表层 (0～ 20cm )含水率模拟值与实测值
F ig. 2　Sim ulated and m easured w ater conten t in top so il (0～ 20cm )
表 2　　气候变化对春玉米生长发育及产量的影响
Table 2　　Simulated var iation of growth and developmen t of spr ing corn in 1980～ 1996
年份
Year
生育期
DD
(d)
最大叶面积指数
LA I(hm 2·hm - 2)
经济产量
GY (kg·hm - 2)
地上部生物量
BA G (kg·hm - 2)
总生物量
TB (kg·hm - 2)
单作M C 套作RC 单作M C 套作RC 单作M C 套作RC 单作M C 套作RC
降雨量3 3
Rainfall
(mm )
日照时数3 3
Sunligh t
t im e (h)
平均温度3 3
T emperature
(℃)
1980 81+ 34 4. 54 3. 83 4519. 0 412210 8613. 9 8080. 1 9046. 9 8455. 5 318. 5+ 177. 9 340. 5+ 201. 6 21. 49, 27. 54
1981 77+ 34 4. 91 4. 28 4833. 8 4459. 9 9440. 7 8983. 9 9909. 7 9401. 3 136. 5+ 130. 7 430. 5+ 238. 5 21. 73, 28. 00
1982 75+ 36 3. 93 3. 30 4996. 0 4468. 7 8976. 3 8327. 1 9358. 7 8659. 1 214. 6+ 310. 3 347. 3+ 183. 1 22147, 25. 30
1983 76+ 37 3. 40 2187 4369. 3 3875. 5 7873. 6 7253. 6 8207. 4 7543. 3 414. 0+ 43218 275. 2+ 116. 7 22122, 25. 22
1984 81+ 33 4. 31 3. 74 4434. 1 406210 8311. 0 7877. 5 8718. 9 8239. 6 494. 6+ 195. 1 314. 2+ 200. 0 21. 08, 28. 87
1985 74+ 34 3. 18 2169 4453. 5 3945. 0 8029. 2 7388. 7 8363. 4 7680. 9 15016+ 170. 8 29216+ 224. 2 22115, 27. 84
1986 78+ 35 4. 30 3. 66 4833. 0 4380. 4 8900. 1 8338. 8 9310. 3 8698. 1 29213+ 164. 3 337. 4+ 208. 7 21. 85, 27. 15
1987 78+ 36 4. 26 3. 62 4907. 0 4446. 3 9193. 4 8603. 2 9607. 7 8966. 0 30217+ 309. 6 379. 4+ 156. 9 21. 56, 26. 08
1992 76+ 38 4. 14 3. 49 5170. 7 4677. 2 9378. 6 8773. 0 9775. 1 9119. 2 288. 9+ 21215 354. 8+ 198. 7 22103, 24. 84
1993 76+ 36 3. 42 2190 4357. 4 3894. 6 7890. 4 7313. 2 8218. 2 7600. 0 250. 7+ 46215 279. 9+ 16214 21. 95, 26. 87
1995 80+ 36 4. 05 3. 48 4661. 1 4224. 0 8559. 2 8040. 7 8947. 6 838218 426. 9+ 341. 4 259. 6+ 213. 8 21. 03, 27. 75
1996 77+ 35 4. 05 3. 61 4349. 5 3938. 7 805216 7554. 4 8429. 0 7885. 5 151. 7+ 518. 1 297. 3+ 131. 9 21. 75, 26. 81
　　3 3 前后两数值分别指模拟开始后营养生长期和生殖生长期的降雨量、日照时数和平均温度
T he first and second values are rainfall, sun ligh t hours and average temperature in vegetative and rep roductive periods respectively.
3. 2　气候变化与春玉米产量稳定性的模拟
利用杭州市的气象资料, 在 4 月 2 日播种、
76500 株·hm - 2条件下, 模拟了杭州地区近 12 年的
春玉米产量表现, 模拟结果列于表 2。
在所模拟的 12 年中, 1992 年产量最高, 1996 年
产量最低, 单作和套作的差值分别是 82112kg·
hm - 2和 738. 5kg·hm - 2。平均产量单作为 465710
kg·hm - 2, 套作为 4207. 9kg·hm - 2, 变异系数分别
为 6. 08% 和 6. 48%。
运用多元逐步回归建立了春玉米产量与主要气
934　3 期 陈杰等: 玉米渍水模拟模型研究及验证

候因子变化的多元回归拟合方程:
Y = 12511122 + 3. 27X 1 - 391. 81X 2
(R = 0. 929, F = 28. 275, P = 0. 0001 < 0. 01)
式中 Y、X 1、X 2 分别为春玉米产量、生育期总日照时
数、生育期平均温度。方程经 F 值检验达到极显著
水平。X 1、X 2 的偏相关系数分别为 0. 907、- 0. 877,
t 值为 6. 466、- 5. 481, 都达到极显著水平。
表 2 和上述回归方程表明春玉米生长主要受日
照和温度的影响, 且与温度呈负相关, 温度高发育速
率加快, 生育期缩短, 呼吸消耗加强, 不利于干物质
的累积; 太阳辐射对干物质生产起关键作用, 但是辐
射总量与降雨呈负相关 (相关系数- 0. 834, 极显
著) , 强烈地受制于降雨。例如, 1992 年全生育降雨
量为 501. 4mm , 开花前占 57. 6% , 分布合理, 光照充
足, 且抽雄后温度较低, 延长了灌浆时间, 因而获得
了较高的产量。而 1984、1993 和 1996 三年降雨量都
在 650mm 以上, 且相对集中于开花前或后, 与 1992
年相比, 产量降低了 15% 左右。1984 年还因营养生
长阶段雨水过多, 延迟了抽雄日期。
表 3　　地下水位深度对春玉米生长发育及产量的影响
Table 3　　Simulated var iation of growth and developmen t of
spr ing corn for differen t underground water levels
地下水位
U nder2
w ater
level (m )
生育期
DD
(d)
　
最大叶
面积指数
LA I
(hm - 2·hm - 2)
地上部
生物量
BA G
(kg·hm - 2)
总生物量
TB
(kg·hm - 2)
经济产量
Gr
(kg·hm - 2)
0. 4～ 016 77+ 35 3. 80 766219 8015. 6 4108. 1
016～ 0. 8 76+ 35 4. 04 7933. 1 8318. 8 4199. 1
0. 8～ 1. 0 76+ 35 4. 52 8453. 7 8879. 4 4416. 7
1. 1～ 112 77+ 35 4. 05 805216 8429. 0 4349. 5
112～ 1. 4 76+ 36 4. 08 8218. 8 8599. 6 4447. 5
1. 4～ 1. 6 75+ 35 5. 86 10125. 0 10665. 0 5175. 6
1. 6～ 210 75+ 35 6. 03 10530. 0 11085. 0 5417. 6
3. 3　地下水位对春玉米生产影响的模拟
在地下水位深度 0. 4～ 210m 范围内模拟了玉
米生长发育与地下水位的关系 ( 4 月 2 日播种,
76500 株·hm - 2, 1996 年气象数据; 地下水位是模
型的可变参数)。结果表明, 玉米的产量、生物量和叶
面积随着地下水位的升高而降低 (表 3, 0. 8～ 1. 0m
例外)。当地下水位在 0. 8～ 1. 4m 之间变化时, 对产
量几乎没有影响; 高于 0. 8m 时, 产量明显下降; 降
至 1. 4m 以下, 产量则显著上升, 达 20% 左右。
模拟结果对于地下水位较高的南方旱作生产具
有一定的实用价值。降低地下水位, 改善农田水分环
境, 将有利于渍害易发地区旱作的生长发育。
4　结束语
M A CRO S 模型是建立在作物生态生理过程上
的机理性模型, 通用性强, 适合于大多数一年生作
物。本研究根据试验校正了模型的参数, 加强了模型
对作物渍水的处理功能, 结果表明模型能较好地模
拟我国南方春玉米生长发育过程和土壤水分变化。
利用模拟模型研究作物生产, 不受试验条件及
其他环境因素的影响, 周期短且结果便于比较分析。
在不适宜或者无法进行试验研究的环境条件下, 作
物模拟模型尤其显得重要。例如作物模型与气候模
型连接可以研究预测未来气候变化对世界作物生产
系统的影响[ 5 ] , 这为人类及早研究对策提供了依据。
目前的作物模拟模型还有待于进一步完善, 尤
其是加强对作物根系的模拟研究。化肥与其他因素
的影响也需要引入模型。随着模型的逐步完善, 其潜
在应用价值才会更好地发挥出来。
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