基于R语言APSIM模型进阶应用与参数优化、批量模拟技术教程

前沿

随着数字农业和智慧农业的发展，基于过程的农业生产系统模型在模拟作物对气候变化的响应与适应、农田管理优化、作物品种和株型筛选、农田固碳和温室气体排放等领域扮演着越来越重要的作用。APSIM (Agricultural Production Systems sIMulator)模型是世界知名的作物生长模拟模型之一。APSIM模型有Classic和Next Generation两个系列模型，能模拟几十种农作物、牧草和树木的土壤-植物-大气过程，被广泛应用于精细农业、水肥管理、气候变化、粮食安全、土壤碳周转、环境影响、农业可持续性、农业生态等诸多与农业生产和科研有关的领域。APSIM模型内核算法是基于Fortran语言开发的，软件界面是基于C#进行开发，组件式驱动，各个模块可以自由组合。

R语言是一门应用场景广泛、简单易学的程序语言，APSIM模型开发了许多R语言辅助包，在APSIM模型的气候、土壤、管理措施等数据准备，自动化模拟，参数优化和结果分析上都发挥着重要的作用。

一， APSIM模型应用与R语言数据清洗

1)作物生长模型

2)作物生长模型的发展现状

3)APSIM模型的开发历程

4)APSIM模型的模块及模拟流程

5)APSIM模型操作

APSIM的安装

APSIM模型操作界面

6 )R语言编程与数据清洗（数据筛选、合并、切片、重复值、缺失值处理）

二， APSIM气象文件准备与R语言融合应用

APSIM自带的气象数据的准备

1）APSIM气象文件.met的

2）日照转辐射算法

3）APSIM气象文件转化

4）APSIM模型陆气交换和能量平衡过程

案例一：使用R语言进行气象文件的生成

案例二：使用R语言将气象共享网数据/NC等数据批量生产APSIM气象文件

案例三：使用R语言批量修改气象文件及调用APSIM文件

三， APSIM模型的物候发育和光合生产模块

APSIM物候发育和光合生产

1)APSIM 模型的生育期尺度

2)APSIM 模型的积温计算

3)APSIM 模型的生育期算法

4)APSIM 模型的生育期影响因子及算法

5)APSIM模型光合生产算法

案例一：使用APSIM classic 和NG版本模拟生育期和生物量

四， APSIM 物质分配与产量模拟

1 APSIM模型的物质分配算法

2 APSIM模型产量模拟模块

1)APSIM 模型的穗粒数模拟

2)APSIM 模型的产量模拟

3)APSIM模型的产量相关参数

案例一：作物潜在生物量和潜在产量的模拟

案例二：不同品种参数下作物产量的模拟

五， APSIM土壤水平衡模块

APSIM模型的土壤水分平衡算法

1)土壤水蒸散和植物蒸腾算法

2)土壤水径流和排水算法

3)土壤水力参数的测试

案例一：APSIM模型输入参数和土壤文件的制备

案例二： APSIM 模型土壤参数在数据缺失情况下的近似估算

案例三：使用R语言批量修改 APSIM 模型土壤参数

案例四：APSIM模型模拟土壤水分动态

六， APSIM土壤碳、氮平衡模块

APSIM 模型土壤养分动态过程模拟及温室气体排放的模拟

1)氮素的矿化和固定过程
2)氮素的硝化作用与反硝化作用
3)土壤N2O的模拟

案例一：APSIM模型N 2 O排放模拟

案例二：APSIM模型模拟土壤No3和NH4的动态变化

七， APSIM土壤碳、氮平衡模块

APSIM 模型土壤碳库模型及土壤有机碳SOC的模拟

1)土壤碳库模型的发展历程
2)土壤碳的周转模型
3)土壤有机碳的模拟

案例一：APSIM模型土壤碳库模型参数率定

案例二：APSIM模型模拟秸秆还田对土壤碳库变化的影响

八， APSIM农田管理模块与情景模拟

APSIM模型的农田管理措施的准备

1)APSIM 模型播期和播种密度设置

2)APSIM 模型施肥设置（化肥+有机肥）

3)APSIM 模型的灌溉设置

4)APSIM 模型秸秆还田设置

5)APSIM模型多年模拟和轮作模拟

案例一：APSIM模型模拟气候变化对作物生长的影响

案例二：APSIM模型模拟多年轮作下土壤有机碳和温室气体排放的影响

案例三：APSIM模型模拟作物单做、连作和轮作

案例四：APSIM模型模拟玉米大豆复合种植（间作）

案例五：使用R语言对APSIM管理文件进行批量修改及批量运行

九， APSIM模型Next Generation（NG） 版本

APSIM模型Next Generation（NG）版本异同

1)APSIM 模型NG版本与Classic版本的区别

2)APSIM 模型NG版本Clock模块、气象土壤模块、Factors模型、品种模块

3)APSIM模型NG版本管理模型设置

案例一：APSIM模型NG版本设置多种管理情景组合

案例二：APSIM模型NG版本复现Classic版本的案例

十， APSIM模型参数优化和结果分析与模型评价

APSIM模型的参数优化

1)APSIM 模型的主要遗传参数

2)APSIM模型的参数优化方法

案例一：使用频率派和贝叶斯派（MCMC）等多种方法对APSIM模型Classic和NG版本进行参数优化

案例二：使用R语言批量读取模拟结果以及对APSIM模型进行评价

案例三：使用R语言对模拟结果进行可视化（模拟结果的动态图和1：1图等）

十，一 APSIM模型源代码解 析

APSIM模型源代码解析

1)APSIM 模型源代码的结构解析

2)APSIM模型源代码编译

案例一：更改APSIM模型源代码参数进行编译

案例二：运用编译源代码后的模型进行模拟