王 君
(塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)
棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著重要地位[1]。棉花作為一種農(nóng)產(chǎn)品,它的產(chǎn)業(yè)鏈很長。從棉花的種植到最后的流通,每一個環(huán)節(jié)都有相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈[2]。棉花作為原料可以生產(chǎn)棉織品,在日常生活中棉織品隨處可見,比如我們平常穿的衣服、家里用的棉被、毛巾和地毯等,還有在工業(yè)生產(chǎn)上常用的工業(yè)包裝用紡織品、空氣過濾用紡織品、篷布用紡織品以及熱帶電作業(yè)服等。南疆地區(qū)氣候干旱,日照時間較內(nèi)地長,土地資源豐富,擁有種植棉花得天獨(dú)厚的自然優(yōu)勢。另外,南疆地區(qū)大部分都是鹽堿地,土壤鹽漬化很嚴(yán)重。鹽漬化地區(qū)土壤含鹽量較大,這會對棉花的生長產(chǎn)生很大影響[3-4]。棉花種植系統(tǒng)模擬模型的開發(fā)有著悠久而豐富的歷史,始于20 世紀(jì)60年代的美國東南部,現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到世界主要棉花產(chǎn)區(qū)。隨著計算機(jī)計算能力的增強(qiáng)以及高級開發(fā)語言的出現(xiàn)和發(fā)展,使得棉花的生長模擬更加完整,準(zhǔn)確性也在不斷的提高。模型應(yīng)用領(lǐng)域包括作物用水和灌溉水管理、肥料管理、遺傳學(xué)和作物改良、氣候?qū)W和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等。主要包括 GOSSYM 模型、Cotton2k 模型、WOFOST 模型以及DSSAT 模型等[5-7]。與其他的棉花生長模擬模型相比,Cotton2k 模型是在GOSSYM 基礎(chǔ)上開發(fā)的,它可以模擬土壤和植物生長的過程,以及這些過程與種植管理間的相互作用。另外Cotton2k 模型還考慮了鹽分對棉花生長的影響,所以本文使用Cotton2k模擬南疆地區(qū)的棉花生長。
Cotton2k 模型是在GOSSYM 的基礎(chǔ)上開發(fā)發(fā)展起來的。它主要是為美國西部干旱灌溉條件下的棉花生產(chǎn)設(shè)計的,最開始模型本身是由Fortran 語言開發(fā)的,在其版本升級到4.0 后,對應(yīng)的開發(fā)語言也由Fortran 改變?yōu)镃++。它可以模擬土壤、植物和微環(huán)境中發(fā)生的過程,以及這些過程與種植管理間的相互作用。20 世紀(jì)90年代以后,在對GOSSYM 進(jìn)一步完善的基礎(chǔ)上,發(fā)展了不同版本的棉花模型,它們各有其特點(diǎn)和優(yōu)勢。在GOSSYM 模型的基礎(chǔ)上,Cotton2k 模型對水分關(guān)系、氮素運(yùn)移、花鈴脫落等方面做了優(yōu)化。修改優(yōu)化后的Cotton2k 模型相對于CALGOS 模型更加便于使用。
相對于其他的棉花生長模擬模型,Cotton2k 模型更適合在灌溉干旱地區(qū)使用,主要原因有以下幾點(diǎn):第一,潛在蒸散量按小時計算,使用從CIMIS(加利福尼亞灌溉管理信息服務(wù))采用的方程推導(dǎo)而來的方程;第二,除了地面灌溉方法外,滴灌選項已作為模型的輸入實現(xiàn)。該模型還可用于預(yù)測特定天氣情景和土壤條件下作物對滴灌以及其他灌溉方法的灌溉需求;第三,土壤中的氮礦化(土壤中有機(jī)態(tài)氮在土壤微生物的作用下轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮的過程)和硝化作用過程已經(jīng)優(yōu)化。增加了反硝化模塊、高C/N 比下的氮固定模塊、尿素水解模塊以及土壤中硝酸鹽和尿素的運(yùn)輸模塊;第四,使用單分子生長函數(shù)分別模擬葉片和葉柄的葉片生長。使用改進(jìn)的生長函數(shù),分別模擬了籽棉和棉鈴的生長;第五,棉鈴的脫落率假定受到碳脅迫、水分脅迫和氮脅迫的影響。每個棉鈴對脫落的敏感性被模擬為其生理年齡和脅迫嚴(yán)重程度的函數(shù);第六,與其他模型一樣,模型中的大多數(shù)過程都是在每天的時間步長中計算的。為了提高模擬的準(zhǔn)確性,現(xiàn)在可以利用計算機(jī)的強(qiáng)大計算能力,以每小時的時間步長計算一些程序。雖然天氣輸入數(shù)據(jù)是每日的,但該模型可以估計這些數(shù)據(jù)的每小時值?!盁崃繂挝弧保ɑ颉吧砟挲g”)概念,用來表示溫度對生長速率和物候的影響,現(xiàn)在是按每小時的時間步長計算的。
該研究于2019年在新疆阿拉爾市十團(tuán)試驗站(81°17′E、40°32′N)設(shè)定實驗地進(jìn)行。試驗地屬于中溫帶大陸性干旱荒漠氣候,高溫少雨,年均降水量在45 mm 左右,年均蒸發(fā)量2 000 mm 左右,無霜期為180~221 d,全年≥10 ℃的有效積溫在3 990 ℃左右。實驗地的土壤主要是沙壤土,土壤透氣性較好,鹽分輕度。阿拉爾市的主要水源為塔里木河、多浪水庫、勝利水庫及上游水庫等。
棉花品種為中棉619;氮肥為尿素:昆侖尿素,總氮≥46.4%。
根據(jù)常規(guī)覆膜栽培灌水量4 200 m3/hm2,試驗區(qū)灌水量設(shè)置為3個等級。灌水量設(shè):80%灌水量、100%灌水量、130%灌水量。共有 3個實驗處理:WL:低灌水;WM:中度灌水;WH:高灌水。各處理使用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,每個處理重復(fù)3次。試驗地4月10日施基肥,磷肥作為底肥一次性施入,4月20日鋪膜播種,理論種植密度18.55 萬株/hm2。試驗地使用氮肥、磷肥及鉀肥進(jìn)行施肥,各處理的施肥量相同。分別在棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮成熟期灌水和施加氮肥。棉花生育期內(nèi)每個小區(qū)定期隨機(jī)取5 株,觀測葉面積指數(shù)、株高和物候期等數(shù)據(jù),收獲期采摘并記錄籽棉產(chǎn)量。
棉花生育期內(nèi),在每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取長勢均勻的5 株棉花,測量棉花株高和棉花葉面積。使用米尺測量株高,使用葉面積指數(shù)測量儀測量葉面積。
采用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖。
棉花按照生長發(fā)育的不同,可以劃分為不同的時期,本文主要研究出苗期,開花期以及成熟期。從表1 可以知道,在低灌水、中度灌水和高灌水不同情況,Cotton2k 模型對出苗期、開花期和成熟期的模擬值相差不大,且不同灌水條件下,Cotton2k 模型對出苗期和開花期的模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。成熟期的模擬結(jié)果較差,這可能是由于成熟期受各種氣候條件的影響,需要對模型進(jìn)行改進(jìn)。
表1 生育期日期觀測與模擬驗證
葉面積指數(shù)(Leaf Area Index,LAI)是植物利用光能狀況的一個指標(biāo),葉面積指數(shù)的大小和棉花的產(chǎn)量密切相關(guān)。本文使用Cotton2k 模型對高灌水處理的葉面積指數(shù)進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知,除了開始和最后的點(diǎn)位模擬結(jié)果與實際誤差較小外,剩余點(diǎn)位誤差較大。模型模擬結(jié)果與葉面積模擬誤差較大,這可能和該模型沒有考慮棉花打頂有關(guān),因為棉花打頂與否會影響葉面積指數(shù)的數(shù)值。
圖1 葉面積指數(shù)實測值與模擬對比
棉花產(chǎn)量是一個重要指標(biāo),值得重點(diǎn)關(guān)注。由于Cotton2k 模型模擬出來的是皮棉產(chǎn)量,所以要將模擬的皮棉產(chǎn)量換算成相應(yīng)的籽棉產(chǎn)量。模擬和實測結(jié)果對比如圖2 所示。低灌水、中度灌水和高灌水條件下,相對誤差分別為1.90%,2.05%和7.85%。可以知道不同灌水條件下模擬結(jié)果都在可接受的范圍內(nèi),低灌水和中度灌水條件下的模擬誤差相較高灌水條件更小一些,這可能和模型中水分運(yùn)移的計算方法有關(guān)。詳細(xì)的產(chǎn)量實測值與模擬值見表2。
圖2 產(chǎn)量實測值與模擬對比
表2 產(chǎn)量實測值與模擬值
Cotton2k 是一種機(jī)理性較強(qiáng)的棉花生長模擬模型。通過實驗實測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對比可以知道:Cotton2k 模型對出苗期和開花期的模擬結(jié)果較準(zhǔn)確,成熟期的模擬結(jié)果誤差較大,這可能是由于成熟期受各種氣候條件的影響。由于Cotton2k模型中沒有提供棉花打頂?shù)倪壿嫞阅P蛯θ~面積指數(shù)的模擬結(jié)果誤差較大。棉花產(chǎn)量方面,不同灌水條件下模擬結(jié)果都在可接受的范圍內(nèi),低灌水和中度灌水條件下的模擬結(jié)果相較高灌水條件更好。