（1.西北农林科技大学附属中学；2.西北农林科技大学园艺实验教学示范中心，陕西杨凌712100）

摘要：随着全球人口数量的增长，人们对农作物和其他工业原料的需求量也在持续增加。作物生长模型的发展为提高农作物的产量和质量带来了新的机遇。本文主要回顾国外作物生长模型的历史及开发现状，并对我国作物生长模型应用前景加以分析。

关键词：作物；生长模型；产量

基金项目：本文系国家星火计划项目资助（2012GA850001-1）

中图分类号：S311

文献标识码：A

DOI编号：10.14025/j.cnki.jlny.2015.17.066

作物生长模型是通过一系列整合的组成性程序来动态仿真作物的生长发育情况[1]，在过去的30年里得到了快速发展，人们已研发出不同类型或各类作物的生长模型，利用模型监控作物生长发育的过程并进行了有效预测、调控作物的产出情况[2]。目前，国外对主要作物模型的研究与应用已相当成熟[3-5]，但我国开展作物模型研究起步较晚，且主要集中在大田作物上，如小麦、水稻等作物[6-8]。因此，笔者主要回顾国外作物生长模型的历史及开发现状，并提出应用前景，为我国今后作物模型发展研究提供参考。

1作物生长模型研究历史

作物生长模型研究可追溯到20世纪60年代，根据Oteng-Darko等人的研究结果，当时主要是试图通过研究植物冠层的光合速率对世界上个别地区的潜在粮食产量进行预测，诞生了基本作物生长模拟器（elementary crop growth simulator，ELCROS）[9]。

20世纪80年代，美国夏威夷大学主持的IBSNA T（International Benchmark Sites Network for Agrotechnology Transfer）项目有近30个国家和地区的科学家协力合作，通过系统分析和模拟，将各种作物模型汇总，同时将模型输入和输出变量格式标准化，以便模型的普及应用。各种模型的集合及其输入输出变量标准化格式，共同组成软件系统DSSAT（ Decision Support System for Agrotech nology Transfer）。DSSAT系统可以大大减少对新品种和管理系统进行评估时所做的田间试验而带来的时间和成本问题[10]，促进了作物生长模型的应用。

20世纪90年代出现的农业生产系统模拟器（Agricultural production systems simulator，APSIM）主要对农产品进行风险评估[11]，但模型背后的科学依据并不是十分明显，其计算机运行代码往往难以重复利用。基于这些问题，该模型往往难以在不同水平之间进行比较，整个系统对不同因素之间的相互作用情况并不能提供多少有效的信息。

作物生长模型研究还可以基于不同作物之间相似性的基本生理学原理，建立作物通用型模型，调控作物生长发育，实现预期的产出等。2006年Aggarwal等人研发的InfoCrop作物模型，甚至可用于模拟天气、土壤，农业管理措施如种植、灌溉、施肥、主要病虫害防治等[12]，为精准管理提供经验及依据。

近年来，扩展性模型得到飞速发展，如作物模拟模型和3S技术、专家系统、决策支持系统、网络技术等高新技术或其他领域模型进一步有机结合，在全球性作物产量预测预报、农作物病虫害预测预报、农业环境评价、精确农作、农业生产经营管理决策、世界粮食和环境安全等方面将发挥越来

越重要的作用[13]。

2作物生长模型的开发

作物生长模型的开发过程很复杂，以InfoCrop模型为例说明，主要考虑以下一些过程：

作物的生长和发育。物候学、光合作用、分化、叶面积的增长、贮藏器官的数目、源库平衡、蒸腾、吸收、分配、氮的重吸收和分配等；水、肥、温度、霜冻等对作物生长发育的影响；植物与虫害之间的互作。虫害和疾病对植物的损害机制；土壤水分平衡：根系对水的吸收，内层的运动，排水，蒸腾，地表径流等；土壤氮平衡。矿质元素的矿化作用，吸收、硝化作用、蒸腾作用，内层运动，反硝化作用，过滤等；土壤有机质。矿化作用和滞留作用等；温室气体的排放。二氧化碳、甲烷、二氧化氮等。

InfoCrop运行过程：

输入：天气参数。辐射、降雨、温度、风速、湿度等；土壤参数。质地、pH、深入、肥力等；作物类型。生理学、物候学、形态学；管理和包装。种植时间、施肥、灌溉等；害虫。种类、群体、严重性等。

输出：经济产量、生物量；作物生长期、蒸腾、氮吸收率；因害虫所致产量损失量；环境影响：包括温室气体、氮流失、渗透；土壤含碳量、土壤含氮量、水势。

3作物生长模型的局限性

模型往往受到缺乏精确的输入值的限制。局限性主要表现在获得数据的成本，土壤特性在空间上的多样性，害虫发生的时空多变性，因测量和试验误差带来的数据的可靠性等。

作物生长模型预测所依据的环境、成本、产量之间在很多方面相互影响和作用，但其内在的机制研究相对较少。因此，要想使得作物生长模型真正发挥作用，就必须对内在的机理进行更加深入的研究。

4作物生长模型的应用前景

4.1将植物的结构考虑进来

作物生长发育过程中，作物本身具有三维结构，因此在利用模型对作物的生长发育进行预测时，要考虑到作物空间本身对模型的影响。

4.2土壤和环境的相互作用

随着全球人口的增长、气候的变化以及可耕地的不断减少，研发出新的技术提高作物产量来应对全球范围的巨大挑战至关重要。开发新一代的作物和农业生态系统模型可以帮助我们更好地制定农业生产政策和为提高作物产量所制定的育种目标。同时，还可以利用更加有效的作物生长模型来加深人们对作物生长和发育的理解，以及不同环境因素之间的相互作用等[8]。

5结语

全球人口数量的增长使得人们对农产品的需求量不断增长。同时，随着全球气候的变化、能源的短缺、可耕地的减少以及环境污染问题迫切需要人们寻找新的更加高效的农业管理手段来提高作物产量。作物生长模型可以对作物的最终产量进行模拟和预测，因此，基于作物生长模型的决策支持系统对农业决策者和农民来说都将会是一个十分有效的工具，同时发挥愈来愈重要的作用。参考文献

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[2] Zhu XG，Zhang GL，Tholen D，Wang Y，Xin C，Song Q.

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[8]李军，邵明安，张兴昌，等. EPIC模型中作物生长与产量形成的数学模拟[J].西北农林科技大学学报（自然科学版）， 2004（32）：25.

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[11]沈禹颖，南志标，Bellotti B.等.APSIM模型的发展与应用[J].应用生态学报，2002，（08）：1027-1032.

[12]Aggarwal PK，Kalra N，Chander S，Pathak H.

[J].，2006（89）： 1-25.

[13]王亚莉，贺立源.作物生长模拟模型研究和应用综述[J].华中农业大学学报，2005，（24）：529-535.

作者简介：陈新月，西北农林科技大学附属中学，学生，研究方向：园艺作物生理生态。

通讯作者：张静，博士，西北农林科技大学园艺实验教学示范中心，高级实验师，研究方向：园艺作物生理生态。