基于STICS土壤-作物模型的多环境甘蔗多年生长模拟：精度与稳健性评估

推荐：本研究针对全球甘蔗生产面临的可持续增产需求，利用STICS模型首次实现了甘蔗多年生长系统的参数化与验证。通过整合20个留尼汪岛品种和158个国际品种数据，模型成功模拟了地上生物量(RUE=3.5-4.3 g DM MJ-1)、根系发育(TRL误差0.32)及多年生储备动态，为优化甘蔗栽培管理提供了通用工具。

　　

在全球生物能源需求激增的背景下，甘蔗作为重要的糖料和生物燃料作物，其可持续生产面临气候变化、土壤退化等多重挑战。传统栽培模式难以精准预测不同环境下的生长表现，而现有作物模型对甘蔗多年生特性及根系动态的模拟存在明显不足。法国农业研究国际合作中心(CIRAD)的研究团队在《Field Crops Research》发表的研究，通过STICS土壤-作物模型首次系统实现了甘蔗多年生长系统的参数化与多环境验证。

研究团队整合了留尼汪岛20个种植周期和全球158个国际品种数据，采用三阶段参数化策略：首先基于根系长度(TRL)和生物量(RDM)数据校准地下器官参数；其次利用辐射利用效率(RUE=4.3 g DM MJ^-1)和叶面积指数(LAI)优化地上生长模块；最后通过国际甘蔗建模联盟(ICSM)的跨国数据集进行验证。关键技术包括：1) 基于热时间积温(6000°Cd)的物候阶段划分；2) 采用真实密度选项模拟粗/细根动态；3) 蒙特卡洛方程驱动的光合产物分配。

【研究结果】

1. 1.

   地下器官模拟：模型对根系生物量(RDM)的模拟rRMSE仅0.10(NSE=0.94)，但多年生器官(PerDM)模拟精度较低(NSE=0.41)。根系分配参数krepracperm需站点特异性校准，揭示环境对根冠比的显著影响。

2. 2.

   地上生长验证：在四国验证中，茎秆鲜重(SFM)预测rRMSE为0.24-0.49，但绿叶干物质(gLDM)存在系统性低估(bias=-0.36)。辐射拦截效率(fiPAR)的R²达0.86，证实光能转化模块的可靠性。

3. 3.

   品种适应性：30个国际品种的验证显示，茎秆产量预测误差普遍<±20%，但Q110等品种偏差达80%，反映品种特异性参数的必要性。

4. 4.

   环境响应分析：在高温高降雨条件下(PC2>0.5)，模型呈现7%的生物量高估，而在干旱低温环境中偏差达-15%，表明需改进胁迫响应算法。

该研究创建了首个整合甘蔗多年生特性的STICS模型框架，其创新性体现在：1) 量化了根系生物量占总生物量7-38%的动态范围；2) 揭示了留尼汪岛品种参数对国际环境的适应性边界；3) 确定了水分有效性(ASWC)和积温(sTmean)是影响模拟精度的关键环境因子。尽管在叶器官模拟和糖分积累机制方面仍需完善，该模型为评估气候变化下的甘蔗生产潜力提供了重要工具，尤其有助于热带岛屿等特殊生态区的可持续栽培策略制定。研究开放了全部参数集和脚本，为后续品种特异性优化奠定基础。