作物模型与生态因子在果树生长发育中的应用研究进展

孙武军 刘海琪 马瑞 何代弟 袁新涛 张楠楠

(塔里木大学信息工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

引言

作物模型是作物生长模拟模型的简称，作物生长模拟模型是应用系统分析和计算机技术，综合作物生理、生态和农学等学科研究成果，将作物与其生态环境因子作为一个系统进行动态的定量分析和生长模拟研究[1]，在果树生长发育方面，作物模型可用于预测果实的生长、发育、成熟时间以及产量的变化。

在应用作物模型时，也需要考虑不同作物在生长过程对生态因子的响应。以便选择合适的模型参数，提高模型的准确性和可靠性。实现对不同的生长阶段进行模拟和预测。因此，本文将从作物模型和生态因子对果树生长发育的影响两方面介绍作物生长模型的研究进展。

1 作物模型在果树生长发育中的应用研究进展

针对多年生的果树，在选择作物模型时需要更注重作物的生长周期和生长环境的变化，以便适时地调整和优化生长模型，确保作物的稳定发育。基于此国内外学者使用了以下3种作物模型进行研究。

1.1 WOFOST模型

WOFOST(WOrld FOod STudies)是一个用于模拟作物生长和产量的模型，是由荷兰瓦赫宁根大学的研究人员基于SUCROS模型开发，通过作物的生理和生态机制使用气候、土壤和管理参数来量化作物生长和发育的过程改变输入作物参数可以实现不同种类作物的时序模拟。

程杨等[2]构建了基于WOFOST模型的CIPSP系统，通过沃柑各发育期积温、干物质分配系数、叶面积指数、冠层反射率等参数对模型进行完善，在沃柑试验田成功预测其产量，对精准化管理柑橘智能种植提供技术支撑，在软件技术、生产管理和信息系统等方面进行创新；白铁成等[3]为定量化分析温度、光照和水分对枣树生长的影响，通过校正WOFOST模型在田间和县域尺度研究成龄骏枣树，并得到较高的模拟精度，为果园管理和枣树生长耦合影响的定量化分析提供了新思路。Wang等[4]研究校正的WOFOST模型在梨园进行了修剪处理的田间试验，测量数据校准和评估修改后的模型。改进后的WOFOST模型能更好地描述夏季修剪对梨树生长、产量和土壤水分的影响，为果树生长的数值模拟和土壤水分定量评价提供参考。

1.2 CropSyst模型

CropSyst(Cropping Systems Simulation Model)是一种常见的作物生长模拟模型，广泛用于多年和多作物，模型中的水分收支包括降水、灌溉、径流、雨水截留、水分入渗、土壤剖面水分再分配、作物蒸腾和蒸发。该模型根据气象信息的可用性，作物ET由全冠层的作物系数和冠层叶面积指数确定的地面覆盖度确定。作物发育是基于达到特定生长阶段所需的热时间来模拟的。其可以广泛应用于预测植物特性、土壤性质、天气条件和农业实践的影响，包括与作物生长和产量相关的灌溉管理。

Samperio等[5]通过应用CropSyst模型研究日本李在不同的天气变化、不同的修剪强度以及使用具有不同活力和成熟时间的2个品种下的作物用水量，通过全冠层作物系数(Kc，fc)和最大植物水力传导率(Cmax)对模型进行验证，并成功预测了日本李子树的产量、水分利用效率和作物系数。Marsal等[6]通过CropSyst模型来确定苹果树的灌溉需求和K的准确性预测，使用果树的光拦截和吸水子模型组件预测灌溉需求，成功模拟了苹果树的产量和作物系数，将其用于调节果园的灌溉管理。Khozaei等[7]在葡萄园设置不同的灌溉时间对葡萄生长发育的影响，利用作物系统模拟模型确定葡萄藤的灌水量和灌水时间，并对雨养葡萄补充灌溉进行经济分析；结果表明，CropSyst模型可以用于实际管理中，以及在不同的天气条件下的葡萄产量的预测具有良好的可接受程度，为当地制定合理的农业政策提供理论依据。

1.3 STICS模型

STICS(Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standards)是一种土壤植物作物模型，用于模拟作物生长和发展、土壤水分和养分运输，以及作物和土壤的相互作用。用于评估不同管理实践对作物产量、土壤质量和环境健康的影响，以及对气候变化和土地利用变化的响应。

自1996年以来，Coucheney等[8]开发了一种模拟各种类型作物(一年生和多年生、草本和木本)的水、C和N平衡的方法。到目前为止，Garcia等[9]研究气候变化对多年生葡萄树的影响，将通用作物模型STICS模型应用于法国大型葡萄园规模的葡萄树，然后将其应用于相同规模的气候变化影响，使葡萄树的管理适应气候变化。Constance Demestihas等[10]通过STICS模型在年度尺度上考虑生态系统服务对苹果园土壤氮素供应，气候调节，水分调节对苹果生长造成的影响，分析STICS模型对其最敏感且对于模型适应苹果的3种参数：田间测量参数(最大树高、不同物候期)，文献查找参数(最佳生长、限制温度)，特定数据(不同种植制度)对其3种参数方式进行参数估计，研究表明，LAI的相对均方根误差小于30%。果实生物量或地上生物量的模型效率达到0.9。

2 生态因子在果树生长发育中的应用研究进展

通过调整光照、温度、水分、养分等生态因子的输入和参数，作物生长模拟模型可以预测作物在不同条件下的生长和产量表现。

2.1 光照因子

果树的形态和生理功能受到光照的影响，因为光照不仅是果树进行光合作用的能量来源，还是其形态和生理功能的重要环境因子。如果光照不足，果树内部的养分供应会受到影响，导致叶片黄化或早期死亡，同时光合速率也会受到限制。相反，如果光照过剩，就会造成果树胁迫，引起光化学效率的降低，出现光抑制现象。魁小花等[11]通过不同光照强度对葡萄藤进行其生长发育的研究，通过实测和分析表明，不同的光照强度对其花芽率和叶芽率有显著影响，实验发现补光3h处理的总酚、类黄酮和单宁含量在成熟期均显著增加，从葡萄数枝条基部开始，随着枝条生长，节间粗度越来越小，适宜的补光时长利于果树枝条及枝条粗度变化，进而对果树生长冠层结构、树高、树形等造成影响。

2.2 温度因子

温度是果树生长发育的重要环境因子之一，对果树的生理生化过程及产量品质等都有着重要影响。花粉萌发是果树繁殖过程中的关键步骤，温度是影响花粉萌发的主要因素之一。果树花期倒春寒和干热风严重影响杧果的授粉及着果，果树开花期对温度的要求最为严格，温度胁迫使花粉败育及花粉与柱头发育不同步现象增多，不同程度上降低了果树花粉萌发和花粉管长度，刘馨语[12]等通过不同温度对杧果的影响研究其花粉萌发状态，由此对杧果的生长发育进行直观了解。研究表明，花粉萌发率随温度升高呈现先增加后降低的趋势，28℃时花粉萌发率达到峰值。在果树花期时，温度过高或过低都会对果树的繁殖过程产生不良影响。过低的温度会导致新梢生长受阻，从而影响果树的树形和产量，过高的温度则会引发果树光合作用的胁迫，造成叶片黄化、凋落等现象，进而影响果实品质和产量。因此，果树的栽培管理应根据不同品种、生长阶段和气候条件等因素，合理调整温度等环境因素，以促进果树的健康生长和高产高质。

2.3 水分因子

水分对果树生长发育有显著影响，随着水分胁迫的加剧，会制约作物株高和叶面积的生长，过度的缺水会使植物细胞失水，不能恢复，致使花芽量、坐果率减少。土壤水分亏缺可以抑制营养过剩生长，减少枝条的生长，对果树冠层结构、树形、树高造成不利影响。不同的灌溉方式，对果实品质的影响也不相同，张倩等[13]聚焦在不同的灌溉条件下对库尔勒香梨果实的影响，研究表明，传统的大水漫灌方式水分利用率低，而滴灌和喷灌能够更有效地促进果树生长和改善果实品质，且滴灌效果更好。科学供水能够保证果树代谢活动的正常进行，从而提高产量和品质，增强树势。沟灌与滴灌处理的脱萼率增幅较大，漫灌脱萼率增长率较低，滴灌处理的宿萼果纵横径，脱萼果的纵横径、果实品质均高于沟灌处理与大水漫灌，从而对果树产量造成影响。

2.4 养分因子

土壤中氮磷钾是果树生长必需的矿质养分，合理施用氮磷钾肥可促进同化物向果实中转运，提升果实品质。适量施用钾肥可在一定程度上提高叶片光合能力，减少氮肥投入会明显降低叶片的光合性能。王端等[14]在研究中探讨了不同氮磷钾配比对杏果实品质的影响，从而更深入地了解其生长发育状况。研究发现，氮钾配比的不同会显著影响果实的质地。随着钾肥用量的增加，果实的硬度、内聚性、弹性、咀嚼性呈先增后减的趋势。秋季基肥主要采用有机肥等长效肥料，以补充树体营养，恢复树势，提高花芽质量。花前或花后追肥则以速效性氮磷为主，补充树体贮藏营养的不足，保证开花整齐，提高坐果率，促进根系生长，增加新梢前期生长量。至于膨果肥的施用，可在硬核期或果实膨大期进行，以速效性钾肥为主，这有助于促进光合产物的合成与转运，从而提高果实的产量和品质。

2.5 其他因子

除了上述光照、温度、水分、养分等对果树生长发育影响的研究以外，还有学者对栽植密度、大棚种植或自然种植、后期施肥与修剪等对果树的生长发育的影响也做了研究。这些研究成果表明，栽植密度对果树的生长发育有显著的影响。过高或过低的栽植密度都会影响果树的生长和产量。在大棚种植或自然种植环境下，果树生长的环境与室外种植存在差异，因此需要对不同环境下果树的生长发育进行适当的调控和管理。此外，后期施肥和修剪也对果树的生长和产量具有重要影响，合理的施肥和修剪可以促进果树的营养吸收和分配，提高果实品质和产量。综上所述，果树的生长发育不仅受到自然环境因素的影响，还受到人为管理因素的影响，只有在科学合理的管理下，才能实现果树的高产高质量发展。

3 存在问题

近年来，更多的专家学者在果树生长模拟技术上不断地深入研究，果树作物模型技术日趋完善，但仍存在诸多缺陷。主要表现在以下3个方面。

果树模型技术虽然可以模拟果树生长的基本过程，但对于特定品种、特定地域的果树生长模拟，模型精度还需进一步提高。

大部分相关研究仅聚焦在果树与水分利用上，对氮磷钾肥的使用，冠层结构、修剪程度的研究较少。

作物生长受到的各种环境因素之间存在复杂的相互作用关系，不同生长因子的相互作用可能会影响模型预测的准确性，而作物生长模拟模型中往往只能考虑其中的一部分因素，这可能会导致模型预测的准确性下降。

4 对策与展望

根据我国当前在果树生长发育中应用作物模型及生态因子的研究现状，发现现有模型在适用性和应用范围上仍存在一些局限性。因此，在后续的模型研究中，应该针对这些问题，向全面综合化、系统化方向发展，以增强模型的适用性和扩大生态因子在不同果树上的应用范围。此外，为了提高模型的预测准确性，应该考虑加入更多的控制因素，并通过环境控制等手段，减少环境因素对作物生长的影响。如，加入考虑作物根系和土壤的因素，这些因素对于作物的生长发育和产量具有重要的影响，可以提高模型的预测准确性。

在未来的研究中，为了进一步提高果树生长发育模型的应用价值，应该开展多学科联合研究，形成多学科交叉合作。这样可以更好地挖掘和利用果树生长发育的生态因素，以实现果树生产的可持续发展。在这方面，需要对影响果树生长发育的冠层结构、修剪程度等生态因素进行更加详尽的数据采集和研究。此外，建立更加完善的作物计算机管理系统也是未来研究的重要方向之一，这样有助于优化管理果树生长发育的过程，实现果树生产的高效、低耗、可持续发展。