棉花生长发育与产量潜力的模拟

根据1989年高产栽培试验结果， 修改作物生产潜力模拟模型L1D的作物参 数，用于棉花生长与潜在产量的模拟 。结果表明 ，用该模型模拟1988年与1989年棉 花 总 干物 重、总 叶重及叶面积系数 ， 模拟值与实测值接近且趋势一致 ； 皮棉产量的模拟值与实际值也较吻合，能反映 气 候生产力 的差异。证明了L1D模型在棉花生长和潜在产量模拟中的有效性。

美国 、澳大利亚 、荷兰等国在棉花生长发育与形态发生的模拟方面[1 ,2,4]，都已作了卓有成效的工作，但用CSMP语言(Continuous SystemModelling Program)模拟棉花的生长发育及产量的解释性模型还很少见。Penning de Vries等人研制的用于一年生作物生长与潜在产量模拟的模型L1D[3]，经多次实践可以较好地模拟水稻、小麦等作物的生长发育与潜在产量 ，但尚无用于棉花模拟的报道 。本文根据1989年高产棉花生长发育及皮棉产量的试验资料 ，调试并修改了L1D的作物参数 ， 将其用于棉花生长发育与潜在产量模拟。

材料与方法

一、田间试验
田间试验在河南安阳中国农业科学院棉花所试验地进行。1988年设计5个播期6个处理 ，1989年设计4个播期6个处理，各为4次重复的随机区组试验 ，试验方案见表1 。土质为粉沙壤土 ，中上等肥力，灌溉条件良好，品种为 中棉12 。小区为5行区 ，行长10m ，1m等行距 。两年均自5月中旬至9月下旬每隔10天左右进行1次田间取样 ，用LI-3000叶面积仪测定叶面积，在室内分部位测定叶、茎、根及生殖器官等干物重，吐絮后分期收摘，测定产量。

二、模型的完善
L1D模型是解释性模型 。模型中描述了作物的光合作用、碳水化合物的运转、生长率与损失率、各器官干重的积累及叶面积消长等生理过程，也描述了各生理过程与环境条件，特别是光、温等之间的关系。

为使模型适用于棉花的生长发育模拟 ，对原L1D模型作如下补充和修改。在初始化段加入：

其中WP为植株总重 (公斤/公顷)，PD为种植密度(千株/公顷)，WSD为种子净重 (克/个 ) ，WPC为种子干物质转换到幼苗干物质的比例系数(克/克)，RLW为叶干物质占幼苗总干物质的比例系数 ，WRTI为初始根干重，WLVI为初始叶干重。

单叶光合作用最大速率计算式修改为:
PLMX = PLMXP*AFGEN(PLMTT,TPAP)*LIMIT(400.0,700.0,SLA)/SLC

棉花在遇到霜冻时 ，也即最低气温低于0℃时，即停止生长，在程序中加入：
GSW = INSW(TPLP(IDATE),-1.0,1.0)
GSW为生长停止的条件之一。

三、作物参数的修改
用1989年处理2和处理6的试验数据来调整L1D模型的作物参数 ，初步确定 和 修改了 有关生长 、光合作用 、呼吸作用 、茎叶生长的参数。修改后的作物参数见附录1。

结果与分析

用修改后的L1D模型对1988年和1989年的棉花生长发育与潜在产量进行模拟，并与实测值进行比较，结果分述如下：

一、总干物重的模拟
总干物重的模拟值与实测值 ，1988年和1989年各播种期较为吻合(图1、3、5、7、9、11、13、15)，1989年4月20日以前播种，密度在48千株/公顷的各处理，模拟值较实测值稍高。而4月25日播种，密度在52.5千株/公顷的处理模拟值较实测值偏低，说明修改后的L1D模型用于模拟4月20日以前播种的春播棉较为适合，要模拟晚播春棉或移栽棉，还需要通过试验并对模型参数或有关生理过程的关系进行调整和修改。在密度较高情况下模拟效果不佳 ，原因在于L1D模型中未考虑密度对棉花群体的光合作用影响的特殊性。

二、叶重变化模拟
对叶重的模拟结果表明，两年的实侧值与模拟结果随时间的变化趋向一致(图2、4、6、8、9、12、14、16)。4月20日以前播种的各处理前期模拟结果与实测值更为符合 ，但在8月份有一些处理模拟结果与实测值相差较大，这可能与田间取样的均匀性有关，也说明了本模型为模拟在当地气候条件下棉花生长发育最佳状态的生产潜力模型，而在本试验中，各处理的施肥量和其他栽培措施均不相同 ，即并非都处于最佳状态。4月25日以后播种的偏差更大一些，这说明模型中的光合作用、呼吸作用过程及分配与生长速率的参数还需要作进一步的修改。

三、叶面积系数的模拟
用修改后的模型模拟1988年的叶面积系数变化(图17、18、19)，结果表明 ，4月4日和4月12日播种的处理模拟结果与实测值较为接近，5月6日播种的差别较大。总的来说，模拟值与实测值随时间的变化趋势较一致，但前两个播种期，生育前期模拟结果升高较快，生育后期下降较缓；而后一个播期因密度较大，花铃期突然间叶面积系数很高，远大于模拟结果，而后又迅速下降, 表明用目前的模型模拟晚播春棉或短季棉还存在问题。

讨论

一 、经试验校正修改参数的L1D模型可较好地模拟棉花的生长发育，且模拟的产量结果能反映出气候生产力的差异，与实际产量有一致的趋势 ，证明用CSMP语言编写的作物生长发育的气候生产潜力模型L1D，通过适当修改和变换参数，是可以用于模拟棉花生长发育和产量形成的。

二、由于棉花的生育特性与禾谷类作物差别很大，其生殖生长与营养生长的共生期较长，仅用DRCV与DRCR来模拟生长发育还不够，应该加入一个描述其生殖生长与营养生长重叠进行这一现象的参数。

三 、棉花还存在着蕾铃脱落的现象，而L1D中尚未予以考虑，所以模型中还应补充一些禾谷类作物欠缺的生理过程和关系。

四、棉花光合产物的分配具有特殊性，不仅受生育阶段的控制，还受气候环境、种植密度、栽培措施等因素的影响，这些因素还需要在进一步修改时加以考虑。

五 、由于晚播棉花生理过程的特殊性，用修改后的L1D模型模拟其生长发育过程时，表现偏差较大，有待进一步研究。

参考文献

Simulation on Growth and Potential Yield of Cotton Crop

The L1D model developed by Penning de Vries was adapted with some parameters replaced by cotton's to simulate growth and potential yield of cotton crop.The replaced parameters we readjusted to fit the experiment data on cotton variety Zhongmian12 collected in 1989 season, including (1) DRCV, DRCR, DRVTT and DRRTT relevant to cotton growth and development;(2 ) PLMTT,PLETT and PLMX related to photosynthesis ;(3) CALVT, CASTT and CASST concerned with partitioning of carbohydrates; (4) LLVT and LRTT linked with senescence of leave and roots ; and (5)WSD, WPC and RLW added to initialize the modified model.In addition,flowering stage was defined as DS equal to 1.0 , boll opening asDS equal to 1.6 and completed development as DS equal to 2.0. It was also defined that the cotton stops at growth temperature below 0oC. The outputs of the adapted model was compared with data observed in 1988 and 1989 seasons. The modified model simulated the trend of the total dry matter weight , leaf weight and leafarea index , especially for cotton planted before April 20th. It underestimated those parameters above-mentioned for cotton planted after April25 , possibly because of the higher plant density. Lint yield was also consistent with that produced bymodel in 1989 , but it was overestimated in 1988, which could be attributed to the cloudy weather and frequent rainfall prevailing in July and August in that year. Except for the development stages,the partitioning of carbohydrate is also affected by the density, microclimatic environment, falling of squares-bolls etc. which have not been taken into consideration in the adapted model.Some more parameters should be further modified to make the L1D model more applicable for cotton crop, as the characteristics of growth and development of cottonarequite different from those of rice, wheat or corn.