作物模拟模型的作用和应用
作物模拟模型使用定量的描述的地步过程来预测植物的生长和发展由于受环境条件的影响和作物管理指定的模型作为输入数据(表13.2)。许多模型由一个研究或实验室用于一个目的和有一个短暂的生命。别人在不同时间的变化,类似于现代的软件包。不再住在模型中已经广泛使用在气候变化研究apsim(基廷et al ., 2003),种植制度模型(csm)系列(琼斯et araybet雷竞技最新l ., 2003;Hoogenboom et al ., 2004), CropSyst (Stockle et al ., 2003)和史诗(Meinardus et al ., 1998)。
最简单的模型估计每天增长通过生物质转换因素截获的太阳辐射,而复杂的模型模拟增长分钟的时间尺度和可能包括例程来模拟光合作用的关键生化途径。干草和波特(2006)提供了一个总复习中描述的生理过程模型,并教授et al .(1998)描述模型的多个方面,包括土壤和天气过程和示例应用程序。
一个典型的模型模拟吸收生产总值估计通过呼吸作用和光合作用,然后减少吸收池衰老。然后分配给最终的净池
表13.2。所需的数据输入一个典型的例子作物模型日常运行的时间步骤。
变量
评论
每天天气最高最低气温太阳辐射
降水
露点或蒸汽压力赤字
风速土壤属性反照率
径流特征渗透特性
最初的水和营养水平
作物管理播种行距受精
影响几乎所有的植物和大气过程,也被用来估计土壤温度建立光合作用和蒸腾作用潜力的关键。数据通常不可用或不准确影响土壤剖面水分水平和径流影响潜在蒸散。平均相对湿度是经常报道但蒸发的贫困指标需求,因为混杂与温度影响潜在蒸散
土壤对太阳辐射的反射率。影响土壤温度和蒸发
用来估计多少损失降水径流用来估计水分进入配置文件,通过土壤分布层,或下水道的配置文件建立土壤条件萌发和随后的增长。最好是由土壤根的最大深度发展的视野
用来估计初始站的植物
用于估算作物林冠截留的光
类型、数量和日期的任何申请化肥不同植物器官通过分区规则。规则优先级分配给快速发展的组织如树叶,与生殖生长开始代表一个关键发育开关。优先级也转变为了满足作物对水分和养分的需求。如果供应限制,更多的吸收分配到根系生长为了增加从土壤中提取。因此,在水或营养赤字,根增长可能青睐的叶、茎或生殖生长。此外,营养物质可以从活动动员组织器官(如老叶子)高的需求。
苗等关键发展阶段出现的时机,主茎叶的外表,开花期和生理成熟使用程序,模拟类似于增长的积累程度天(热量单位)。对于一个给定的作物的要求,然而,程序可以考虑春化和光周期反应。模型模拟根和块茎,饲料和生物能源作物类似种子和粮食作物,但分配吸收其中的营养贮藏器官(辛格et al ., 1998)。
水和养分预算通常是模仿植物和土壤,需要描述根系生长的土壤以及土壤和大气影响水和养分动态的过程。
温度响应
温度的主要影响是仿照吸收生产、物候学、土壤过程和蒸散。相对较少的模型明确地考虑高温应力导致堕胎的生殖营养器官结构或不可逆转的损害。模型估计每天增长通过辐射利用效率(街)方法,潜在的街是由一个简单的温度函数调整。版本的谷神星csm系列模型实现中,这些温度函数体重每日最大最小的三倍,假设白天气温影响增长超过夜间温度。更复杂的模型如使用法夸尔模型可能涉及多个温度响应的评价尺度的分钟,和生理过程的参数是由测量组件。
开花和成熟度等的发生阶段加速的温度,但与春化的交互(开花前要求低温)和天长度可以覆盖的基本温度对发展的影响。
物理和化学过程影响水和养分有效性的反应温度。最终的结果是基本的温度响应所描述的模型比人们想象的更为复杂。
应对二氧化碳
在RUE-based模型中,二氧化碳的主要作用是通过因素量表街向下或向上,一个关键的区别是作物C3和C4 photosyn-thetic通路。更复杂的模型结合的描述扩散的叶子和二氧化碳转化为光合作用的生化过程。
植物也回应二氧化碳升高降低气孔导度,所以大多数模型还包括一个效果调整叶树冠电导或蒸腾本身(例如Tubiello Ewert, 2002)。在模型模拟一个完整的能量平衡,减少蒸腾作用增加冠层温度。因此,二氧化碳升高的一个间接影响是温暖的植物,应进一步影响光合作用,呼吸作用和发展。
不同物种间和品种
定性,最重要生理过程在作物物种已被证明是相似的。此外,土壤和大气过程在很大程度上是独立的物种。因此,模拟物种间的差异主要是通过参数的变化而不是通过基本的生理上的差异。例外包括C3和C4光合作用机制之间的差异,春化或光周期反应的本质以及如何将这些影响物候学、和豆类的能力来解决大气n形态约束也很重要,尤其是对增长的种子,存储根或其他经济重要器官。区分物种的关键参数包括响应曲线的温度和二氧化碳,关键和最大程度的营养素,因素敏感性水或营养赤字,和参数潜在增长的叶子,茎,根和种子或果实。
参数差异culti-vars可能涉及生物气候学、分区系数和参考器官大小(如最大单个叶面积或种子的质量)。物候学需要考虑不同阶段的相对时间,和响应春化(如果存在),光周期。值的参数通常是通过迭代参数调整和比较与田间试验观测数据(例如Piper et al ., 1996)。这个校准过程是有问题的,因为它要求详细的准确的观察是可用的。固有的误差数据领域的研究很难辨别是否观察和模拟数据之间的差异是由于不正确的参数值或错误的模型本身。各种团体正在探索如何使用信息从遗传学和基因组学参数化品种更可靠的(如白色和Hoogenboom, 1996;阴et al ., 2000;墨西拿et al ., 2006)。
作物管理
模型来模拟作物的生长,必须知道如何种植作物,是否真实世界或假设的情况。管理信息包括日期和种植方式,使用的品种、施肥和灌溉实践,和对一些作物,收获实践(表13.2)。耕作和残留管理也可能被考虑。informa的耦合建立模拟的初始条件或环境的修改方面,比如通过添加N或水的土壤剖面。
基本的作物模型在气候变化研究中的应用raybet雷竞技最新
假设一个适当的模型和一个参考作物生产场景中存在,模拟气候变化的影响主要包括天气和二氧化碳运行模型感兴趣的场景。raybet雷竞技最新一个地点或地区,可能指定为固定的场景(如每日平均温度增加2°C)或相对(下降了20%每日降水)。这些调整可能对作物周期保持不变或变化。选择取决于目标和气候变化的来源情况。raybet雷竞技最新因为一个赛季可能是长期趋势的代表性,模拟通常运行20年或以上。必要的气象数据可能来自历史记录或天气发生器软件,再现了历史条件的统计特性(例如Mavromatis和琼斯,1998;琼斯和桑顿,2003)。
一套运行可以等效运行使用未经调整的天气相比,从而提供一个估计的潜在影响气候变化对经济产量或各种各样的其他特征。raybet雷竞技最新依然,这种比较忽略了潜在的生产者将其实践适应变化的环境。我们检查两个假想的情况下,一个用于大豆和种植日期和一个用于玉米和氮肥反应,说明可能是相关的一些问题。两项研究认为增加CO2 380 ppm(2005)的近似水平到580 ppm。
大豆种植日期
作物对种植日期很容易模仿检查变暖可能如何影响潜在的生长季节。温带气候,逻辑预期较早或较晚raybet雷竞技最新,气候变暖将使种植,而二氧化碳升高应该增加增长和收益。然而,气候变暖加速发展和导致初花期和成熟度,从而降低经济增长,在夏季高温,增长可能进一步下降由于减少光合作用和呼吸作用的增加。
盖恩斯维尔,佛罗里达州(纬度29°38’;海拔10米),csm-cropgro-Soybean模型预测早期种植导致延迟开花由于温度较低,而且,正如预期的那样,变暖减少了延迟(图13.1)。长度在4月,然而,不再一天开始治疗的发展缓慢。5月初种植,变暖的政权是由于supra-optimal温度预测花期会稍慢。注意,该模型假定没有二氧化碳对物候学的影响。
收益率的反应表明,二氧化碳升高的有益的影响大致平衡温度的不利影响到5月初,但随后,
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4月1 2月1 1 6月1 8月
每年的种植(天)
-历史温度条件- 1.5/3.0°C
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10月1日
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每年的种植(天)
380 ppm /历史温度380 / 1.5/3.0°C - 580 ppm /历史温度- 580 ppm / 1.5/3.0°C
图13.1。模拟反应大豆种植日期(February-September)在盖恩斯维尔,佛罗里达州。(a) + 1.5°C下开花反应日常最大,+ 3.0°C每日最低空气温度和历史温度条件从1988年到2001年。(b)种子产量反应下+ 380 ppm二氧化碳或+ 580 ppm日常最大二氧化碳和+ 1.5°C, + 3.0°C每日最低空气温度和CO2 + 380 ppm或+ 580 ppm二氧化碳与历史温度从1988年到2001年。模拟来自csm-cropgro-Soybean与春小麦品种“布拉格”应用在需要避免水分亏缺。
高二氧化碳提供了一个小而稳定的收益相当于5 - 10%的预期收益率历史条件(图13.1 b)。种植在4月1日,额外的收益率可能得到later-flowering品种中获益。
玉米应对气候变暖、二氧化碳升高和N
玉米作物生长模拟在帕尔米拉,投资25年时间哥伦比亚,一个赤道位置(纬度3°29镑;海拔965米,年平均温度25°C。9月播种日期,对应于雨季的开始。认为是旱作作物,受精在50,100或200公斤N /公顷,否则管理有方。
种子产量下降和增加在环境温度为200公斤/公顷N (380 ppm)二氧化碳(图13.2)和高二氧化碳
(图13.2 b),但不是在其他两个N水平。气温升高促进早期开花(图13.2摄氏度),所以部分温度影响产量与增长持续时间越短(图13.2 d)。对N的一个解释是,在N水平较低,N和不吸收生产产量是有限的。另外,关于如何交互模型的假设温度和N强调csm-ceres-Maize模型可能值得回顾。
GIS作物模型的耦合
GIS与仿真模型是相辅相成的数据管理、分析和展示。仿真模型历来在特定站点的基础上使用,但GIS的耦合是有吸引力的,因为它允许同时对空间和时间的可能性
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年代6已坏
4小时左右
2已坏
12 3 4温度升高(°G) N(公斤/公顷):5 - 1 oo»«阿2 oo
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温度升高(°G)
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种植后开花(天)N(公斤/公顷):5 -•1 oo«阿。2 oo
图13.2。模拟反应玉米100或200公斤/公顷在帕尔米拉,投资N施肥哥伦比亚温度上升超过历史条件下+ 0.5°C + 5.5°C从1978年到1997年。(a)种子产量反应下CO2 + 380 ppm。(b)种子产量反应在580 ppm二氧化碳。(c)天开花(响应所有N和二氧化碳水平)。(d)种子产量反应与天开花下CO2 + 380 ppm。模拟从csm-ceres-Maize品种“嘉吉111年代”假设旱作条件。雷竞技csgo
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年代6已坏
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2已坏
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现象。的可视化模型总结输出,例如收益率反应,通过GIS还增加了一个额外的维度。因此,有快速增长数量的应用程序接口GIS和仿真模型自1980年代末(Hartkamp et al ., 1999)。多个例子现在存在的作物模型,决策支持系统的典型农业技术转让(dssat)的家庭,并与GIS的空间尺度上从场地区(看到汇总表Hartkamp et al ., 1999)。模拟运行在大地理区域扩展模型输出领域还没有确认,所以服务更多的灵敏度分析模型,而不是一个精确的计算。然而,这样做允许的可能性评估的评估多个场景空间框架内相对而言。HarvestChoice项目(HarvestChoice, 2009)是采取这样的方法,试图在整个大陆的基础上模拟主要作物的产量潜力在一系列不同的技术方案(见HarvestChoice, 2009 b)。可用性高的分类数据集,这两个时空,是这种方法的基础,尽管正在取得进展,但仍然面临几个挑战。
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