WOFOST模型与PCSE模型通常技术 (wofost模型)

本文目录导航：

• WOFOST模型与PCSE模型通常技术
• 华中农业大学玉米团队在基于染色质交互的玉米基因表白量预测及其调控元件开掘方面取得停顿
• 模型钻研

WOFOST模型与PCSE模型通常技术

作物产量预算关于农业、政策制订与食粮安保至关关键。

传统估产模型简化了作物生长环节，但不足机了解释，而作物模型能准确模拟作物生长全环节，具备清楚长处。

WOFOST与PCSE模型是农业消费模拟的两大工具。

WOFOST模型，经过验证的世界运行模型，宽泛用于农业消费模拟与政策剖析。

其模块化设计顺应不同作物与环境条件，能常年模拟作物全生长周期。

积攒的实验证据确保了模型准确性，为决策与政策提供了有力允许。

PCSE模型，基于Python，易于学习与经常使用，尤其对Python编程者友好。

作为开源工具，PCSE能集成其余Python库，便于数据迷信上班流程与农业工具的集成。

本文将指点经常使用WOFOST与PCSE模型启举措物生长模拟，包括数据预备、模型参数设置、运转与结果解读，以及模型在农业决策中的运行。

学习如何模拟作物生长、环境照应与预测，深化了解作物生长、发育与生态需求，包括光协作用、水分需求与营养排汇。

经过模型运行，优化数据处置与剖析才干，把握模型设置、实验模拟与结果解释，为农业、科研与决策允许提供技艺。

通常基础包括农作物生长模型概述、数据预备方法、WOFOST模型基础、PCSE模型基础等。

详细操作分为气候、土壤、农田治理与作物参数数据预备、WOFOST模型装置与运转、PCSE模型装置与性能等步骤。

经过模拟案例与运行拓展，了解模型在不同作物、气候与治理措施下的运行，评价模型局限性与不确定性，辅佐农田决策。

华中农业大学玉米团队在基于染色质交互的玉米基因表白量预测及其调控元件开掘方面取得停顿

基因表白在生物体发育、生长和繁衍中施展着关键作用，准确预测基因表白量有助于深化了解基因变异对转录调控机制和影响。

染色质相互作用在基因组中发明远端调控元件与靶基因之间的空间邻近性，对基因表白、转录调控和表型特色至关关键。

但是，目前的预测方法未充沛思考染色质相互作用对基因表白量的影响，也未深化探求关键调控元件，植物畛域尤其是玉米中这方面钻研相对较少。

华中农业大学玉米团队于2024年6月10日在Plant Communications上宣布论文，提出了一种基于深度学习的基因表白量预测模型DeepCBA。

该模型针对玉米基因表白启动预测，蕴含三个关键模块：卷积神经网络用于提取编码后的染色质序列特色并降维，双向长短时记忆网络开掘染色质序列中的高低文暗藏消息，自留意力机制捕捉关键序列特色对预测的奉献。

DeepCBA在基因表白分类和表白量值预测方面体现出高准确性，尤其是在应用基因启动子近端相互作用（PPI）、近端-远端相互作用（PDI）和PPI+PDI相互作用预测基因表白时，与仅经常使用基因近端序列方法相比，区分提高了0.357、0.16和0.469的平均皮尔逊相相关数（PCC）。

钻研还发现了关键的基序，这些基序富集于开明染色质区域和表白数量性状位点（eQTL），并具备组织特同性的分子特色。

经过验证与玉米开花期相关基因ZmRap2.7及分蘖相关基因ZmTb1，DeepCBA在开掘调控元件方面展现出高度可行性。

为验证模型在更宽泛场景下的运行，作者构建了迁徙学习模型，成功跨组织（雌穗、幼苗期）和跨基因型资料（B73、SK）的基因表白量预测。

迁徙学习模型在预测跨组织和跨基因型的基因表白量时，PCC均超越85%，标明DeepCBA具备宽泛的运行后劲。

经过启动子区域的编辑，DeepCBA在预测基因表白质变化的准确性上获取进一步验证。

作者选取了玉米ZmCLE7、ZmVTE4两个基因的启动子区域启动编辑，结果显示预测结果与实验结果趋向分歧。

经过滑动窗口方法对4kb序列启动处置，进一步探求了指标基因组序列如何影响基因表白量。

为了促成钻研者对DeepCBA模型的经常使用，作者开发了一个实时在线Web网站，提供了四种作物（玉米、水稻、棉花和小麦）的基因表白量预测和序列关键性可视化性能。

钻研获取华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室严建兵传授的允许、指点和协助。

作者团队包括博士钻研生王振业、博士后彭勇和已毕业本科生李杰，刘建晓副传授负责通信作者。

博士钻研生袁豪、杨尚坡，硕士钻研生王守哲、丁新茹、谢傲、李克勤，以及已毕业本科生张江陵、石佳奇、邢广杰和史维瀚等均介入了钻研上班。

华中农业大学肖英杰传授、胡学海传授、王茂军传授等提供指点和协助。

该钻研获取了国度重点研发方案、农业生物育种严重专项等名目的资助。

模型钻研

模型钻研即在实验钻研基础上建设物理/化学形式和数学模型来模拟处置系统未来或者出现的各种环节，以对其启动安保预测剖析。

安保评价形式的建设须要实验-物理模型数学模型-模型验证几个环节。

在高放废物处置系统中，安保评价的目的就是关注喷射性物质最终对人类的影响，因此模型钻研就是在情形剖析的基础上，形容处置系统未来各种或者的物理、化学环节，定量剖析这些物质在系统中的溶解、迁徙行为。

处置库封锁后，因为喷射性物质的衰变监禁热引发热传输环节，会进一步诱发新的围岩应力与变形环节，扭转流体渗流和近场的地球化学环节，因此封锁后高放废物深地质处置系统中的围岩稳固与喷射性物质迁徙，特意是近场的岩体稳固与喷射性物质迁徙，是在温度场（T）、渗流场（H）、应力场（M）和化学场（C）相互耦合的环节中出现的，所以在模型钻研环节中，应特意留意多起因耦协作用的钻研。

目前对模型的钻研只是依据迁徙介质的不同，区分建设喷射性物质在近场、远场与生物圈中的迁徙模型。

启动模拟时，依据地上水化学成分、地上水流速、流量以及喷射性物质在玻璃固化体中的溶解速率等，模拟计算出各种情形下喷射性物质排泄到生物圈的排泄通量，并剖析不确定起因对安保评价结果的影响水平或模型参数的灵便性。

2.2.2.1 工程屏障喷射性物质迁徙模型

当处置库封锁后，随着期间的推移，地上水终将重返于处置库中，废物固化体中的喷射性物质经地上水浸出，向近场监禁并向远场迁徙。

目前，各国在形容工程屏障（回填资料为膨润土）中喷射性物质迁徙疑问时，基本都基于如下假定（，1991；JNC，2000c）：

①假定废物罐的设计最短寿命是 1000年。

以为在 1000年后，一切的废物罐同时失效并对喷射性物质的运移没有任何抵制才干；②在废物罐失效的期间里，因为固化体所发生的热逐渐向周围分散，温度将凑近周围围岩温度，回填资料将齐全被饱和，在废物罐周围构筑起一道均质低浸透的屏障；③因为固化环节中的构成裂痕以及废物罐的侵蚀收缩，使得启动处置之后固化体的外表积比原先最后的几何尺寸大；④在废物罐失效后，回填资料中的孔隙水将进入固化体，这会造成玻璃体的溶解，但不思考玻璃体外表积随期间的减小；⑤不思考在固化体裂隙中喷射性物质的通畅效应、玻璃体的合成产品以及废物罐的侵蚀产品；⑥近场孔隙水的化学个性关键取决于地上水、回填资料和废物罐产品的化学反响，溶解度取决于近场孔隙水的组分；在固化体左近及回填资料中喷射性物质浓度关键受限于溶解度；喷射性物质的溶解和积淀比它们的分散出现得早得多，并很快到达部分刹时平衡，积淀的固体相或者会再溶解以坚持饱和；⑦源自地上水或回填资料中的同位素稀释作用疏忽不计；⑧喷射性物质经过火散在回填资料中迁徙，并思考膨润土对其的吸附作用是线性、可逆、刹时的；⑨回填资料中的庞大孔隙结构将经过过滤作用阻滞胶体迁徙；⑩从回填资料中监禁进去的喷射性物质刹时、齐全与流经扰动区的地上水混合，且不思考扰动区中喷射性物质的吸附作用，以为一切的喷射性物质都向围岩中的裂隙迁徙。

简而言之，剖析喷射性核素在工程屏障中的迁徙时思考（如图2.5 所示，JNC，2000c）：

*固化体中喷射性核素的溶解；

*回填缓冲资料中的分散与吸附作用；

*喷射性核素的喷射性衰变和增长；

*喷射性核素向周围围岩的监禁。

在此假定基础之上，依据品质守恒/能量守恒方程，可获取形容玻璃体的溶解、喷射性物质在回填缓冲资料中迁徙以及核素经过扰动区向围岩监禁的方程，联合相应的边界条件，即可得不同条件下的数学模型。

美国给出了计算废物罐破损、暴露状况下，形容核素迁徙的程序BLT（，1991）；用于工程屏障系统中多场耦合钻研的程序TOUGH（Press，1991a，1999）与TOUGHREACT（Tianfu Xu，2003）等；加拿大则给出了形容地上水流、热及溶质运移的一个耦合程序MOTIF（，1995）；日本、瑞典等国度也给出的相应的计算程序。

图2.5 核素在工程屏障中迁徙环节

（据JNC，2000c）

Fig 2.5 Nuclide transport processes in the EBS

（JNC，2000c）

2.2.2.2 地质屏障喷射性物质迁徙模型

当工程屏障失效后，就必定依托地质屏障来成功阻滞喷射性物质向生物圈的迁徙。

目前，大少数国度都选用低浸透的安全岩体作为地质屏障，但这种低浸透的安全岩体中含有不规定的交织裂隙，它们构成了喷射性物质在地质屏障中的关键迁徙通道，当喷射性物质从工程屏障中监禁进去后将随地上水沿裂隙启动迁徙，并于下游监禁到生物圈，地质屏障中的喷射性物质迁徙如图2.6 所示。

因此，地质屏障是高放废物深地质处置系统中的最后一条防线，建设正当的迁徙模型模拟喷射性物质的迁徙行为是十分必要的。

钻研形容溶质在裂隙网络介质中的运移模型可分为等效延续介质模型、团圆裂隙网络模型、双重延续介质模型、随机模型（王锦国，2004，2005b）、沟槽流模型等。

1）等效延续介质模型：即用延续的方法来模拟裂隙介质中的流动与运移，在延续这个框架下，裂隙系统被视为繁多的或一系列的延续多孔介质，裂隙的非均质性被疏忽了，只思考裂隙网络及其基质域的平均属性。

目前，国际外对这种等效延续多孔介质中的溶质运移疑问钻研已到达相当水平，相应的数学模型也基本成熟，因此，可以直接借用较为成熟的延续多孔介质的溶质运移剖析方法来处置裂隙介质中的溶质运移疑问，但这种模型并不是真正意义上的裂隙介质模型，它不能描写出裂隙介质中水流的不延续性、各向同性。

但在裂隙介质的溶质运移疑问提出之初，许多学者（Oda M.，1986；Berkowita B.，1988）运行这种等效的方法来求解各种实践疑问。

2）团圆裂隙网络模型：即以为基质域自身不透水，以清楚的裂隙特色和在裂隙域中求解迁徙方程来模拟裂隙网络介质中的水流流动与溶质运移。

模型充沛思考了裂隙介质的非平均性、非延续性特色，能较好地描写出裂隙中水流和溶质运移特色。

要运行该模型求解实践的疑问须要详细查清裂隙介质的几何参数（如裂隙隙宽、产状、间距等）和水力学参数，此外，还须要弄清楚裂隙的数目和位置，在交叉点处建设品质守恒方程，这些都使得运行该模型求解实践疑问艰巨重重。

因此，它仅实用于具备便捷裂隙网络的裂隙介质中的溶质运移疑问。

et al.（1996）、 et al.（1994）、Dershowitz et al.（1999）等在团圆裂隙网络模型的基础上，联合随机通常，提出了随机团圆裂隙网络模型，对裂隙网络介质中的溶质运移启动了数值模拟。

Ubertosi et al.（2007）对其启动了完善和改良。

图2.6 喷射性物质在地质屏障中迁徙示用意

Fig.2.6 Schematic illustration of radioactive solute transport in geological barrier system

3）双重延续介质模型：该模型以为裂隙介质是由两种具备不同水力参数的延续介质（裂隙域与基质域）的叠加体，并且疏忽了单个裂隙的空间位置、状态等对溶质运移的影响，以为裂隙介质中孔隙和裂隙发育是平均的，而裂隙的散布是随机的（王锦国，2004）。

它是 1960年Barenblatt及 Warren et al.（1963）提出并用于求解裂隙多孔介质中的流动疑问，随后将其运行到运移模型中（Bibby 1981；Huyakorn et al.，1983a，1983b；Gerke et al.，1996；刘金英等，1996；Arnold et al.，2000；李金轩等，2001）。

双重延续介质模型中裂隙域与基质域之间的浸透性差异很大，它们具备相对独立的渗流特色。

双重延续介质模型能在必定水平上描写出优先流现象，且思考了裂隙域与基质域的物质替换，比拟合乎实践。

但也存在着对裂隙介质的各向同性、不延续性思考不充沛、以及裂隙域与基质域中溶质替换项难以确定等疑问。

4）随机模型：它是运行随机通常来取得微观范围内裂隙介质的非确定性特色，进而用以钻研裂隙介质中的水流与溶质运移疑问。

Dagan（1986）将溶质的浓度散布视为随机函数，导出了大尺度下污染物的平均浓度所遵照的基本方程； et al.（1997）运行随机通常钻研了二维非均质非饱和土壤中的可吸附溶质运移疑问；国际杨金忠等（1998）在总结国际外区域地上水溶质运移的钻研方法、通常的基础上，钻研了浸透系数为对数正态二阶颠簸及一阶扰动近似条件下，平均浓度满足对流-弥散方程、并总结了一系列微观弥散系数的表白方式。

Jan Vanderborght J.（2006）应用随机延续介质模型对野外尺度下溶质运移方程的运前启动了讨论，并给出了相应的实验结果。

总体来说，国外对该模型的钻研停顿较快，而国际还处于起步阶段（王锦国，2004）。

5）沟槽网络模型：沟槽流动（channeling）是指水流集中在阻力较小的门路中流动，该现象是因为介质的非均质性惹起的，在过去 10 多年的实验观察和通常钻研都证明沟槽流动在裂隙介质中是普遍存在的现象（Tsang et al.，1989、1998；Brown et al.，1998）。

沟槽流概念能很好地解释单裂隙下游进口处穿透曲线的一些状态，尤其在刹时注入或短期注入的状况下。

沟槽网络模型能更好地描写优先流动现象，目前越来越遭到各国学者的关注。

对大尺度模拟来说，假设少量的裂隙都必定准确团圆则对计算机的计算才干要求相当高，且要取得实在裂隙系统隙宽的准确变化也是十分艰巨的，因此这种方法的运行收到了相当的限度。

目前，各国就高放废物处置疑问中溶质在裂隙系统中的迁徙疑问，在确定处置概念设计、喷射性核素迁徙的空间范围和期间尺度、核素迁徙机制、概念形式和各种参数的基础上，开发了少量的计算程序。

如日本开发的 AT123、MIG3D和 PER8MIGR（Kawamura R.，1987）（用于模拟地上水流与核素迁徙）；瑞典开发的 CALIBRE/SRYSTAL（近场和围岩核素迁徙）、FARF31（远场核素迁徙模型）、HYDRASTAR（随机延续模型，模拟地上水流动）；而美国关键开发了一些形容非饱和条件下核素迁徙疑问的程序如DCM3D、NEFTRAN2（沈珍瑶，2001）；另外，加拿大、瑞士、法国等国度也开发了相应的核素在裂隙介质中迁徙的模型。

瑞典乏燃料与核废物治理机构（SKB，1999）对形容Äspö假定公开处置库中的流动与对流运移的不同模拟方法启动了比拟剖析。

这次钻研（也称为可选用模型名目-Alternative Models Proj ect）关键思考了3种模拟方法：①随机延续介质模型（Widén et al.，1999）；②团圆裂隙网络模型（Dershowitz et al.1999）；③沟槽网络模型（Gylling et al.1999）。

区分用这三种方法去钻研同一个参照疑问，三种方法预测获取的最小及平均运移期间相近、地质圈中污染物的进口相近。

这种分歧性标明，假设他们运行到雷同的被准确设定的疑问上，模拟方法上的概念差异并不会发生差异很大的结果（Selroos等，2002）。

Chin-Fu Tsang等（2005）对DECOVALEX Ш名目启动回忆和综述时也指出：成功的数值模拟关键取决于岩体准确的水文地质个性形容（如水力坡度、裂隙参数、与核素迁徙相关参数等）与实验系统自身，而数值方法（团圆裂隙系统或等效延续介质）的选用则处于无所谓位置。

基于这些论断，本书选用了钻研比拟成熟的双重介质模型来模拟喷射性物质在地质屏障（远场）中的迁徙。

2.2.2.3 生物圈溶质迁徙模型

从地质屏障监禁进去的喷射性物质，将在下游监禁最终进入含水层，而后经过地质圈-生物圈界面（Geosphere-Biosphere Interface，GBI）进入生物圈。

河流、水井等通常被看作是GBI。

因为喷射性物质在生物圈中的迁徙触及到的起因很多，与工程屏障中和地质屏障中的溶质迁徙相比拟，它具备更大的随机性和不确定性，详细表如今如下两个方面，一是触及的对象很广，如生物、植物、河水、土壤等，且这些溶质在各种对象中的散布不同；二是这些溶质在生物圈中的迁徙通道十分复杂，如在各种生物体之间的迁徙、生物体-水体之间迁徙、生物体-土体之间迁徙等，且其迁徙量的大小也很难确定（魏海，2005）。

因此要定量形容这些喷射性物质在生物圈中的迁徙十分艰巨，必定对其启动必要的概化、适外地分区，以便用数学言语形容。

瑞典（SKB，1992；SKI，1996）、加拿大（Davis et al.，1993）、日本（JNC，2000c）等国度都在概化的基础上应用分区模型（compartment model）来形容喷射性物质在生物圈中的迁徙。

生物圈中的分区是比拟复杂的，这里仅对经常出现的地表水体、土壤启动分区，其分区普通包括（JNC，2000c）：①表层土；②变化饱水带；③河水；④河相堆积；⑤部分淡水；⑥部分海相堆积。

建设分区模型时，将从地质屏障中监禁到生物圈中的喷射性物质视为源项，并将河水作为相关地质环境的地质圈-生物圈的交接面，并假定从地质屏障中监禁的喷射性物质在进入生物圈之前不分散、刹时进入生物圈。

依据分区，喷射性物质在生物圈中的迁徙环节如下：首先，喷射性物质随地上水进上天表水体，而后一部分经过灌溉等途径进上天表土体、含水层，一部分则因为积淀附着在河床，其它的喷射性物质随水流进入陆地；附着在河床上的喷射性物质一部分经搬运作用堆积到海底，一部分悬浮在淡水中。

而淡水中的喷射性物质一部分堆积到海底，另一部分则最终堆积。

各分区之间的喷射性物质迁徙环节可用图2.7 形容（JNC，2000c；魏海，2005）。

通常状况下遭到喷射性污染的各分区则区分影响各种农、林、渔、牧产品，如河水的浇灌会造成各种农作物遭到污染，喷射性物质则经过人类的直接食用或直接食用这些农作物进入人体。

普通来说，对照耀人群的计量剖析有两种方法（JNC，2000c）：①首先定义或者受照耀人群的位置与特色、并假定照耀途径；这样受照耀人群与特色在喷射性物质运移概念模型建设之前就确定了。

②照耀途径确实定是依据从地质屏障中监禁并经过不同生物圈运移监禁的喷射性物品质的多少。

因为后一种方法不须要做受照耀人群的假定就可以确定关键的迁徙媒介，因此普通驳回这种方法来确定易感人群的照耀形式和途径。

图2.7 喷射性物质在生物圈中的迁徙环节示用意

（据JNC，2000c）

Fig.2.7 Schematic illustration of radioactive solute transport processes in biosphere

（JNC，2000c）

因此，高放废物处置库中的喷射性物质迁徙要经过工程屏障、地质屏障，最后进入生物圈，在这三个阶段中区分具备不同的迁徙形式，在启动剖析评价时，必定针对不同的迁徙介质区分启动钻研。