WOFOST模型对内蒙古河套灌区食用向日葵的适用性评价

doi:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-03-0479

干旱气象 ›› 2025, Vol. 43 ›› Issue (3): 479-487.DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639-2025-03-0479

WOFOST模型对内蒙古河套灌区食用向日葵的适用性评价

孙琳丽¹(), 云文丽², 王海梅³(), 萨日娜¹, 高亚敏¹, 王彦平⁴

1.内蒙古通辽市气象局，内蒙古通辽 028000
2.内蒙古自治区气象干部培训学院，内蒙古呼和浩特 010051
3.内蒙古自治区生态与农业气象中心，内蒙古呼和浩特 010051
4.内蒙古呼伦贝尔市气象局，内蒙古海拉尔 021008

收稿日期:2024-06-18 修回日期:2024-09-06 出版日期:2025-06-30 发布日期:2025-07-12
通讯作者: 王海梅（1976—），女，内蒙古赤峰人，博士，正高级工程师，主要从事生态气象研究。E-mail：wanghmhuhe@126.com。
作者简介:孙琳丽（1983—），女，河北徐水人，硕士，高级工程师，主要从事应用气象研究。E-mail：sunlinli198362@163.com。
基金资助:
内蒙古自治区自然科学基金项目(2021MS03105);内蒙古自治区自然科学基金联合基金项目(2024LHMS04020);内蒙古自治区气象局科技创新项目(nmqxkjcx202308)

Applicability evaluation of edible sunflower in Hetao Irrigation Region of Inner Mongolia based on WOFOST model

SUN Linli¹(), YUN Wenli², WANG Haimei³(), SA Rina¹, GAO Yamin¹, WANG Yanping⁴

1. Tongliao Meteorological Bureau， Tongliao 028000， Inner Mongolia， China
2. Inner Mongolia Meteorological Training Center， Hohhot 010051， China
3. Inner Mongolia Ecological and Agricultural Meteorological Center， Hohhot 010051， China
4. Hulun Buir Meteorological Bureau， Hailar 021008， Inner Mongolia， China

Received:2024-06-18 Revised:2024-09-06 Online:2025-06-30 Published:2025-07-12

摘要/Abstract

摘要： 为评价世界粮食研究（World Food Studies，WOFOST）模型对河套灌区食用向日葵的适用性，实现当地向日葵生长过程的动态模拟，使用初始变量扰动法对WOFOST模型参数进行敏感性分析，结合河套灌区巴彦淖尔农业气象试验站2012年向日葵分期播种试验观测资料对WOFOST模型进行参数校准，并进一步结合同年向日葵水分控制试验观测资料、2005—2009年向日葵品比试验数据和2005—2023年向日葵农业气象观测资料对模型的模拟效果进行验证，获得向日葵模型参数，包括各发育阶段比叶面积、最大CO₂同化率、单叶光能利用率及有效积温等。结果表明，模拟的出苗—开花期天数、开花—成熟期天数绝对偏差平均值（Average Absolute Deviation，AD）小于3 d，归一化均方根误差（Normalized Root Mean Squared Error，NRMSE）小于8.00%；叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）的AD为0.31 m²·m^-2，NRMSE为27.96%；模拟叶重（Dry Weight of Living Leaves，WLV）、茎重（Dry Weight of Living Stems，WST）、贮存器官生物量（Dry Weight of Living Storage Organs，WSO）、地上生物量（Total above Ground Production，TAGP）及产量的AD为254.04~682.97 kg·hm^-2，NRMSE为9.16%~26.37%。参数校准后的模型能够反映河套灌区向日葵的发育进程变化、叶面积扩展及生物量累积过程，模拟精度较高，具有良好的应用前景。

关键词: WOFOST模型, 河套灌区, 向日葵, 适用性评价

Abstract:

In order to evaluate the applicability of the World Food Studies (WOFOST) model for edible sunflower in the Hetao Irrigation Region and realize the dynamic simulation of local sunflower growth process, the initial variable perturbation method was used to conduct a sensitivity analysis on crop parameters of the WOFOST model, and the sunflower crop parameters in the WOFOST model were calibrated based on the observed data of the experiment of sunflower sowing by stages in 2012 at Bayannur Agrometeorological Experiment Station. Furthermore, the simulation effect of the model was verified by combining the observational data from the sunflower water control experiment in the same year, the sunflower variety comparison experiment data from 2005 to 2009, and the sunflower agricultural meteorological observation data from 2005 to 2023. The model parameters for sunflower were obtained, including the specific leaf area at each growth stage, the maximum CO₂ assimilation rate, the single-leaf photosynthetic efficiency, and the effective accumulated temperature and so on. The results show that the average absolute deviation (AD) of the numbers of days from emergence to flowering and flowering to maturity was less than 3 days, and the normalized root mean square error (NRMSE) was less than 8.00%. The AD of leaf area index (LAI) was 0.31 m²·m^-2, and the NRMSE was 27.96%. The ranges of AD of dry weight of living leaves (WLV), stems (WST), storage organs (WSO), total above ground production (TAGP) and yield were 254.04-682.97 kg·hm^-2, and the NRMSE were 9.16%-26.37%. The localized WOFOST model can reflect the development process changes of sunflowers, the expansion of leaf area and the accumulation process of biomass in the Hetao Irrigation Region, which has high simulation accuracy and a promising application prospect.

Key words: the WOFOST model, the Hetao Irrigation Region, sunflower, applicability assessment

中图分类号:

S565.5

孙琳丽, 云文丽, 王海梅, 萨日娜, 高亚敏, 王彦平. WOFOST模型对内蒙古河套灌区食用向日葵的适用性评价[J]. 干旱气象, 2025, 43(3): 479-487.

SUN Linli, YUN Wenli, WANG Haimei, SA Rina, GAO Yamin, WANG Yanping. Applicability evaluation of edible sunflower in Hetao Irrigation Region of Inner Mongolia based on WOFOST model[J]. Journal of Arid Meteorology, 2025, 43(3): 479-487.

图/表 8

参考文献 37

[1]	蔡福, 米娜, 纪瑞鹏, 等, 2019. 基于锦州春玉米田间试验的WOFOST模型参数的确定及性能评价[J]. 生态学杂志, 38(4): 1 238-1 248.
[2]	陈怀亮, 唐世浩, 俄有浩, 等, 2016. 农作物生长动态监测与定量评价[M]. 北京: 气象出版社:150-151.
[3]	董智强, 王萌萌, 李鸿怡, 等, 2019. WOFOST模型对山东省夏玉米发育期与产量模拟的适用性评价[J]. 作物杂志(5): 159-165.
[4]	高亮之, 2005. 国际农业模型研究的新进展[C]// 北京: 中国数字农业与农村信息化学术研究研讨会.
[5]	高永道, 乔荣荣, 季树新, 等, 2021. 内蒙古河套灌区作物种植结构变化及其驱动因素[J]. 中国沙漠, 41(3):110-117. DOI
[6]	高永刚, 王育光, 殷世平, 等, 2006. 世界粮食研究模型在黑龙江省作物产量预报中的应用[J]. 中国农业气象, 27(1): 27-30.
[7]	韩湘云, 景元书, 浩宇, 等, 2013. 基于田间试验的水稻模型ORYZA2000区域参数比较[J]. 干旱气象, 31(1):37-42. DOI
[8]	浩宇, 2017. 2种水稻生长模型比较[J]. 安徽农业科学, 45(11): 19-22.
[9]	胡雪琼, 徐梦莹, 买苗, 等, 2015. WOFOST模型对于云南烤烟的适用性研究[J]. 南京信息工程大学学报:自然科学版, 7(5): 451-457.
[10]	江晓东, 张涛, 陈佳鑫, 等, 2020. 基于WOFOST模型的苏南地区春小麦种植适应性分析[J]. 南方农业学报, 51(2): 335-341.
[11]	刘维, 侯英雨, 吴门新, 等, 2017. WOFOST模型在东北春玉米产区的验证与适应性评价[J]. 气象与环境科学, 40(3): 7-13.
[12]	马玉平, 2004. 基于遥感信息的华北冬小麦区域生长模型及其模拟研究[D]. 北京: 中国气象科学研究院.
[13]	马玉平, 王石立, 2004. 利用遥感技术实现作物模拟模型区域应用的研究进展[J]. 应用生态学报, 15(9): 1 655-1 661.
[14]	马玉平, 王石立, 王馥棠, 2005a. 作物模拟模型在农业气象业务应用中的研究初探[J]. 应用气象学报, 16(3): 293-303.
[15]	马玉平, 王石立, 张黎, 等, 2005b. 基于遥感信息的华北冬小麦区域生长模型及模拟研究[J]. 气象学报, 63(2): 204-215.
[16]	孙琳丽, 2018. WOFOST模型在内蒙古东南部模拟春玉米生长的适应性评价[J]. 内蒙古气象(3): 28-32.
[17]	孙琳丽, 侯琼, 马玉平, 等, 2016. WOFOST模型在内蒙古河套灌区模拟玉米生长全程的适应性[J]. 生态学杂志, 35(3): 800-807.
[18]	孙扬越, 申双和, 2019. 作物生长模型的应用研究进展[J]. 中国农业气象, 40(7): 444-459.
[19]	陶健宇, 杨劲松, 姚荣江, 等, 2020. 河套灌区土壤盐分对化肥氮素转化过程的影响研究[J]. 土壤, 52(4): 802-810.
[20]	王志超, 李仙岳, 史海滨, 等, 2017. 覆膜年限及灌水方法对河套灌区农膜残留的影响[J]. 农业工程学报, 33(14): 159-165.
[21]	邬定荣, 欧阳竹, 赵小敏, 等, 2003. 作物生长模型WOFOST在华北平原的适用性研究[J]. 植物生态学报, 27(5): 594-602.
[22]	武荣盛, 李云鹏, 吴瑞芬, 等, 2021. 内蒙古麦后移栽向日葵精细化气候适宜性区划[J]. 干旱气象, 39(5): 807-815. DOI
[23]	谢文霞, 严力蛟, 王光火, 2006. 运用WOFOST模型对浙江水稻潜在生长过程的模拟与验证[J]. 中国水稻科学, 20(3): 319-323.
[24]	熊伟, 2004. 未来气候变化情景下中国主要粮食作物生产模拟[D]. 北京: 中国农业大学.
[25]	云文丽, 侯琼, 李建军, 等, 2015. 基于作物系数与水分生产函数的向日葵产量预测[J]. 应用气象学报, 26(6): 705-713.
[26]	云文丽, 贾成朕, 2021. 河套地区食用向日葵干旱等级指标研究[J]. 干旱地区农业研究, 39(3): 218-223.
[27]	张黎, 2005. 基于遥感信息的水分胁迫条件下华北冬小麦生长模拟研究[D]. 北京: 中国气象科学研究院.
[28]	张玲玲, 红梅, 郑海春, 等, 2015. 关于内蒙古巴彦淖尔市河套灌区农业生产问题的调研报告[J]. 内蒙古农业科技, 43(6): 148-150.
[29]	张素青, 张建涛, 李继蕊, 等, 2014. WOFOST模型在河南省夏玉米主产区的校准与验证[J]. 河南农业科学, 43(8): 152-156.
[30]	赵巴音那木拉, 路战远, 李斐, 等, 2023. 内蒙古河套灌区主要作物农田氮素平衡及潜在污染状况分析[J]. 农业环境科学学报, 42(6): 1 347-1 354.
[31]	国家气象局, 1993. 农业气象观测规范: 上卷[M]. 北京: 气象出版社.
[32]	朱波, 周彤, 刘涛, 等, 2020. 基于WOFOST模型的江苏冬小麦生长模拟[J]. 扬州大学学报:农业与生命科学版, 41(3): 66-72.
[33]	BELOZEROVA O D, 2024. Enhancing WOFOST crop model with unscented Kalman filter assimilation of leaf area index[J]. International Journal of Image and Data Fusion, 15(2): 174-189.
[34]	HOOF CVD, HANERT E, VIDALE P L, 2011. Simulating dynamic crop growth with an adapted land surfare model JULES-SUCROS: Model clevelopment and validation[J]. Agricultural & Forest Meteorology, 151(2):137-153.
[35]	KULIG B, SKOWERA B, KLIMEK-KOPYRA A, et al, 2020. The use of the WOFOST model to simulate water-limited yield of early potato cultivars[J]. Agronomy, 10(1): 81. DOI:10.3390/AGRONOMY10010081.
[36]	MORRIS M D, 1991. Factorial sampling plans for preliminary computational experiments[J]. Technometrics, 33(2): 161-173.
[37]	YIN D Z, LI F, LU Y Q, et al, 2024. Assessment of crop yield in China simulated by thirteen global gridded crop models[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 41(3): 420-434.

参数	物理意义	TWLV		TWST		TWSO		TAGP		LAIM
参数	物理意义	-10	+10	-10	+10	-10	+10	-10	+10	-10	+10
SLA₁（DVS=0）	比叶面积/（hm²·kg^-1）	2.14	2.09	1.61	1.34	0.97	0.53	1.36	1.03	2.47	2.32
SLA₂（DVS=1.0）	比叶面积/（hm²·kg^-1）	0.82	0.77	0.75	0.65	0.84	0.67	0.81	0.38	1.62	1.51
SPAN	叶龄/d	0.01	0.00	0.02	0.01	0.97	0.66	0.52	0.35	0.07	0.07
EFF₂（T=40 ℃）	单叶光能利用效率/（kg·hm^-2·h^-1·J^-1·m²·s）	0.91	0.87	0.82	0.77	0.67	0.61	0.76	0.70	0.92	0.89
AMAX₁（DVS=0）	叶片最大CO₂同化速率/（kg·hm^-2·h^-1）	1.32	1.25	0.95	0.83	0.48	0.32	0.76	0.62	1.33	1.33
AMAX₂（DVS=1.2）	叶片最大CO₂同化速率/（kg·hm^-2·h^-1）	0.87	0.82	0.83	0.76	0.83	0.74	0.84	0.76	0.85	0.85
TMNF（T_min=3.0 ℃）	总同化速率的订正系数	3.59	3.26	2.91	2.78	2.61	2.07	2.80	2.53	3.69	3.28
CVL	叶片转化率/（kg·kg^-1）	0.88	0.77	0.66	0.56	0.33	0.23	0.52	0.42	0.89	0.81
CVO	贮存器官转化率/（kg·kg^-1）	0.05	0.04	0.19	0.17	0.85	0.83	0.52	0.50	0.04	0.07
CVR	根部转化率/（kg·kg^-1）	1.35	0.65	0.98	0.60	1.03	0.51	0.83	0.78	1.37	1.29
CVS	茎转化率/（kg·kg^-1）	1.08	0.96	0.98	0.86	0.48	0.35	0.73	0.60	1.07	1.00

参数	物理意义	TWLV		TWST		TWSO		TAGP		LAIM
参数	物理意义	-10	+10	-10	+10	-10	+10	-10	+10	-10	+10
SLA₁（DVS=0）	比叶面积/（hm²·kg^-1）	2.14	2.09	1.61	1.34	0.97	0.53	1.36	1.03	2.47	2.32
SLA₂（DVS=1.0）	比叶面积/（hm²·kg^-1）	0.82	0.77	0.75	0.65	0.84	0.67	0.81	0.38	1.62	1.51
SPAN	叶龄/d	0.01	0.00	0.02	0.01	0.97	0.66	0.52	0.35	0.07	0.07
EFF₂（T=40 ℃）	单叶光能利用效率/（kg·hm^-2·h^-1·J^-1·m²·s）	0.91	0.87	0.82	0.77	0.67	0.61	0.76	0.70	0.92	0.89
AMAX₁（DVS=0）	叶片最大CO₂同化速率/（kg·hm^-2·h^-1）	1.32	1.25	0.95	0.83	0.48	0.32	0.76	0.62	1.33	1.33
AMAX₂（DVS=1.2）	叶片最大CO₂同化速率/（kg·hm^-2·h^-1）	0.87	0.82	0.83	0.76	0.83	0.74	0.84	0.76	0.85	0.85
TMNF（T_min=3.0 ℃）	总同化速率的订正系数	3.59	3.26	2.91	2.78	2.61	2.07	2.80	2.53	3.69	3.28
CVL	叶片转化率/（kg·kg^-1）	0.88	0.77	0.66	0.56	0.33	0.23	0.52	0.42	0.89	0.81
CVO	贮存器官转化率/（kg·kg^-1）	0.05	0.04	0.19	0.17	0.85	0.83	0.52	0.50	0.04	0.07
CVR	根部转化率/（kg·kg^-1）	1.35	0.65	0.98	0.60	1.03	0.51	0.83	0.78	1.37	1.29
CVS	茎转化率/（kg·kg^-1）	1.08	0.96	0.98	0.86	0.48	0.35	0.73	0.60	1.07	1.00

参数	物理意义	缺省值	调整值	参数范围
TSUM₁	出苗至开花有效积温/（℃·d）	1 050	1 116.5	150~1050
TSUM₂	开花至成熟有效积温/（℃·d）	1 000	895.6	600~1550
SLA₁（DVS=0）	比叶面积/（hm²·kg^-1）	0.003 5	0.003 3	0.000 7~0.004 2
SLA₂（DVS=1）	比叶面积/（hm²·kg^-1）	0.002 5	0.003 0	0.000 7~0.004 2
SPAN	叶片衰老系数/d	30	35	17~50
AMAX₁（DVS=0）	叶片最大CO₂同化速率/（kg·hm^-2·h^-1）	36	40	25~75
AMAX₂（DVS=1.25）	叶片最大CO₂同化速率/（kg·hm^-2·h^-1）	36	45	25~75
EFF₂（T=40 ℃）	单叶光能利用效率/（kg·hm^-2·h^-1·J^-1·m²·s）	0.4	0.45	0.35~0.50

参数	物理意义	缺省值	调整值	参数范围
TSUM₁	出苗至开花有效积温/（℃·d）	1 050	1 116.5	150~1050
TSUM₂	开花至成熟有效积温/（℃·d）	1 000	895.6	600~1550
SLA₁（DVS=0）	比叶面积/（hm²·kg^-1）	0.003 5	0.003 3	0.000 7~0.004 2
SLA₂（DVS=1）	比叶面积/（hm²·kg^-1）	0.002 5	0.003 0	0.000 7~0.004 2
SPAN	叶片衰老系数/d	30	35	17~50
AMAX₁（DVS=0）	叶片最大CO₂同化速率/（kg·hm^-2·h^-1）	36	40	25~75
AMAX₂（DVS=1.25）	叶片最大CO₂同化速率/（kg·hm^-2·h^-1）	36	45	25~75
EFF₂（T=40 ℃）	单叶光能利用效率/（kg·hm^-2·h^-1·J^-1·m²·s）	0.4	0.45	0.35~0.50

状态变量	样本数/个	R²	AD/d	RMSE/d	NRMSE/%
出苗期—开花期天数	68	0.58	2.53	3.11	5.86
开花期—成熟期天数	68	0.39	2.98	3.56	7.69

WOFOST模型对内蒙古河套灌区食用向日葵的适用性评价

Applicability evaluation of edible sunflower in Hetao Irrigation Region of Inner Mongolia based on WOFOST model

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献 37

相关文章 3

编辑推荐

Metrics

状态变量	样本数/个	R²	AD	RMSE	NRMSE/%
LAI/（m²·m^-2）	35	0.90	0.31	0.44	27.96
WLV/（kg·hm^-2）	35	0.90	473.05	631.16	26.37
WST/（kg·hm^-2）	35	0.97	368.18	586.42	24.16
WSO/（kg·hm^-2）	21	0.96	373.18	542.76	18.55
TAGP/（kg·hm^-2）	35	0.97	682.97	1 095.46	23.88
产量Y/（kg·hm^-2）	19	0.61	254.04	304.10	9.16

[1]	王晓晨, 马雪晴, 和骅芸, 任思琪, 唐书玥, 赵金媛, 潘志华, 王靖, 潘学标, 胡琦. 1961—2020年中国北方向日葵种植区干湿变化特征及其成因分析[J]. 干旱气象, 2022, 40(6): 1033-1041.
[2]	武荣盛,李云鹏,吴瑞芬,郑凤杰,苏玥. 内蒙古麦后移栽向日葵精细化气候适宜性区划[J]. 干旱气象, 2021, 39(5): 807-815.
[3]	王海梅. 高温胁迫对河套灌区玉米生理指标及产量构成要素的影响[J]. 干旱气象, 2015, 33(1): 59-62.