作物模擬模型

作物模擬模型的概念、類型、基本原理及其研究和應(yīng)用進(jìn)展作物生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多因子系統(tǒng)，受氣候、土壤、作物及栽培管理技術(shù)等因素的影響。在綜合考慮這些因子的相互作用，預(yù)測和分析作物生長趨勢等方面，作物信息技術(shù)有著其它工具不可替代的優(yōu)勢。而作物模擬模型則是作物信息技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分。它在快速決策農(nóng)藝措施的效應(yīng)等方面起著重要作用。作物生長模擬系統(tǒng)是用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，把作物生產(chǎn)看成一個(gè)由作物、環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)4個(gè)要素構(gòu)成的整體系統(tǒng)，綜合多種相關(guān)學(xué)科的理論和成就，通過建立數(shù)學(xué)模型來描述作物生長發(fā)育、器官建成和產(chǎn)量品質(zhì)形成等與環(huán)境之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)模擬作物生產(chǎn)全過程的一個(gè)軟件系統(tǒng)。作物生產(chǎn)管理決策系統(tǒng)是以作物模擬模型為中心，與知識工程和專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等一起構(gòu)成的用于作物生產(chǎn)管理和生產(chǎn)決策的大型軟件系統(tǒng)，是作物模擬模型發(fā)展的最終目的，是其向綜合性和應(yīng)用性發(fā)展的表現(xiàn)。一、模型的定義、類型及特征1、定義系統(tǒng)是一組相關(guān)成分的集合體。系統(tǒng)模型是對系統(tǒng)成分及其相互關(guān)系的一種簡化的數(shù)學(xué)表達(dá)。作物模擬模型著重對作物生長發(fā)育過程及其與環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行定量描述和預(yù)測。作物生長模型，其全稱為作物生長模擬模型(CropGrowthSimulationModel)，簡稱為作物模型(CropModel)，是指能定量地和動態(tài)地描述作物生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成的過程及其對環(huán)境反應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬程序。它是對氣候、土壤、作物和管理復(fù)雜系統(tǒng)的簡化表達(dá)形式。作物生長模型對作物生長和發(fā)育的基本生理生態(tài)機(jī)制和過程的模擬，又被稱為機(jī)理模型(functionalmodel)或過程模型(processmodel)?？稍谌蚍秶鷥?nèi)用來幫助理解、預(yù)測和調(diào)控作物的生長發(fā)育及其對環(huán)境的反應(yīng)。2、類型作物模型按其不同的功能可分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c機(jī)理模型，描述模型與解釋模型等。其中前一類模型經(jīng)驗(yàn)性的成分多一些，后一類模型則機(jī)理性的成分多一些。按照模型所描述的作物種類，作物生長模型可分為單作物專用模型和多作物通用模型。單作物專用模型(modelforsinglecropspecie)是根據(jù)某一具體作物的生理生態(tài)特性開發(fā)研制而成并專門用于該作物生長模擬的模型。多作物通用模型(modelformultiplecropspecies)是根據(jù)各種作物生理生態(tài)過程的共性研制而成模型的主體框架，再結(jié)合各種作物的生長參數(shù)和田間管理參數(shù)分別進(jìn)行各種作物的生長模擬。3、特征成功的作物模擬模型應(yīng)該具有系統(tǒng)性、動態(tài)性、機(jī)理性、預(yù)測性、通用性、便用性、靈活性、研究性等特征。二、原理作物模擬模型建立原理如下：假設(shè)作物生產(chǎn)系統(tǒng)狀態(tài)在任何時(shí)刻都能夠定量表達(dá)，該狀態(tài)中各種物理、化學(xué)和生理機(jī)制的變化可以用各種數(shù)學(xué)方程加以描述；且作物在較短時(shí)間間隔內(nèi)物理、化學(xué)和生理過程不發(fā)生較大的變化。這樣則可以對一系列的過程(如光合、呼吸、蒸騰、生長等)進(jìn)行估算，并逐時(shí)累加為日過程，再逐日累加為生長季，最后計(jì)算出整個(gè)生長期的干物質(zhì)產(chǎn)量或可收獲的作物產(chǎn)量。建立模型技術(shù)路線如圖1所示。三、研究現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代是作物模擬研究的一個(gè)新高潮，90年代是作物模擬研究的再探討和再發(fā)展時(shí)期。美國、荷蘭、英國、日本等國均在80年代成立了由研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)共同組成的作物生長模擬研究協(xié)作組，并主要從事修訂完善模型、增加模型的軟件包、使模型區(qū)域化或全球化的工作。英國已經(jīng)把AFRCWHEAT推向了世界其他地區(qū)進(jìn)行適應(yīng)性研究。荷蘭以瓦赫寧根農(nóng)業(yè)大學(xué)為核心的研究組，已建立了作物生長發(fā)育、水分平衡、灌溉、作物-土壤氮動態(tài)平衡、病蟲害防治、農(nóng)田小氣候等方面的模型。美國成功地將GOSSYM與專家系統(tǒng)COMAX結(jié)合，并且正在增補(bǔ)品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)評價(jià)軟件包。CERES已被用于決策支持系統(tǒng)。SINGHU,等（1992）運(yùn)用CERES.與GIS相結(jié)合建立了印度半干旱地區(qū)決策模型。美國夏威夷大學(xué)IBSNAT研制的DSSAT，到了90年代，逐步形成了以知識庫系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)支持的智能化決策系統(tǒng)。中國的作物模擬研究始于上世紀(jì)80年代中后期。1994年我國臺灣省周天穎利用CERES-Rice、RS、GIS建立了臺中市水稻生產(chǎn)農(nóng)業(yè)土地使用決策支持系統(tǒng)。駱世明等從栽培學(xué)角度建立了包含經(jīng)濟(jì)評價(jià)模型的水稻計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)。潘學(xué)標(biāo)等組建了棉花COTGROW。我國在1989年組建了以中國農(nóng)業(yè)大學(xué)為中心的全國作物生產(chǎn)調(diào)控系統(tǒng)科研協(xié)作組。隨著研究的不斷深入，作物模擬研究形成了不同學(xué)派，分別以荷蘭、美國、中國為代表，特別是荷蘭和美國的作物模擬研究在國際上獲得了較大范圍的評價(jià)和應(yīng)用。荷蘭的作物模擬研究注重模型的機(jī)理性、研究性、數(shù)學(xué)性，因此模型多偏重于理論研究。對于基本生理過程，從生理生化的角度進(jìn)行深入研究，對于環(huán)境條件，遵循從理論到實(shí)際的研究程序。荷蘭作物模擬的研究還強(qiáng)調(diào)作物的共性，只要輸入所需要的統(tǒng)一參數(shù)和數(shù)據(jù)，模型可適合大多數(shù)作物。因此在應(yīng)用于評價(jià)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和農(nóng)場決策方面的研究工作較深入。美國所建立的作物模擬模型主要強(qiáng)調(diào)作物的特性，建立模型的主要目的是解決作物栽培和管理中的一些實(shí)際問題，為作物生長管理決策提供依據(jù)。美國科學(xué)家提出的模型更強(qiáng)調(diào)模型的系統(tǒng)性、預(yù)測性、通用性。尤以小麥、水稻、棉花等作物的生長模型為主導(dǎo)。充分考慮不同作物類型的個(gè)性特征。模型的動作不受地點(diǎn)、時(shí)間、品種、技術(shù)等因子的限制，具有廣泛的實(shí)用性。中國科學(xué)家在作物生育模擬及優(yōu)化決策等方面，也已取得了較好的研究進(jìn)展，先后提出了水稻、小麥、玉米、棉花等作物模擬模型及優(yōu)化栽培系統(tǒng)。中國的模型一般注重實(shí)用性、簡潔性和預(yù)測性。但是有些系統(tǒng)的功能比較單一，往往側(cè)重于作物生育的某些方面，難以定量描述和預(yù)測作物生長發(fā)育的綜合關(guān)系，需要在引進(jìn)國外先進(jìn)模型的同時(shí)，加以修正和完善?？傮w來說，近年來不同學(xué)派及不同國家的作物模擬研究逐步表現(xiàn)為相互合作、滲透、借鑒與綜合的態(tài)勢。四、應(yīng)用1、作物模擬模型與專家系統(tǒng)ES耦合專家系統(tǒng)ES是一種能模擬人類專家運(yùn)用知識和推理解決某一特定領(lǐng)域復(fù)雜問題時(shí)思維過程的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。許多作物模型不實(shí)用的重要原因之一是一般用戶缺少相關(guān)知識和必要的數(shù)據(jù)，模型操作困難，如果在模型系統(tǒng)之上耦合包含相關(guān)知識的專家系統(tǒng)，模型的操作環(huán)境便可以得到改善。美國的COSSYM/COMAX棉花生產(chǎn)管理系統(tǒng)是作物生長模型與專家系統(tǒng)相結(jié)合的典范。GOSSYM是一個(gè)以土壤物理學(xué)性質(zhì)、土壤養(yǎng)分和水分等為初始條件，以太陽輻射、晝夜最高和最低溫度等氣象要素為驅(qū)動變量，以關(guān)鍵農(nóng)藝措施和施氮、灌水、噴脫葉劑等為控制變量的系統(tǒng)動力學(xué)模型。COMAX是一個(gè)用于棉花生產(chǎn)管理的專家系統(tǒng)。COMAX/GOSSYM系統(tǒng)是一個(gè)基于知識規(guī)則的棉花生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)軟件，由知識庫、推理機(jī)、GOSSYM、氣象站和數(shù)據(jù)文件集(包括品種參數(shù)、土壤參數(shù)、假定的天氣數(shù)據(jù)和農(nóng)藝措施等)組成。該系統(tǒng)每天都重新計(jì)算優(yōu)化的管理決策，運(yùn)行完畢后，向用戶推薦作物管理措施方案。北京農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所的趙春江、諸德輝等提出的小麥栽培管理計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)(ESwCM)是綜合性的基于知識規(guī)則的專家系統(tǒng)，ESwCM具有按產(chǎn)量設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃生產(chǎn)，有預(yù)見地調(diào)節(jié)、控制小麥的群體結(jié)構(gòu)和理想株型，增加有效生長和有效積累，確定包括品種選擇、播種、施肥、灌溉、生長調(diào)節(jié)劑的使用和病蟲害防治等內(nèi)容的因地制宜的優(yōu)化組合、用苗管理的最佳方案，分類指導(dǎo)的應(yīng)變決策功能。2、作物模擬模型與決策支持系統(tǒng)DSS結(jié)合美國夏威夷大學(xué)主持的IBSNAT計(jì)劃有近30個(gè)國家和地區(qū)的科學(xué)家參加，他們共同協(xié)作，發(fā)展了一套綜合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使之能評價(jià)世界各地農(nóng)業(yè)技術(shù)的適應(yīng)狀況，這一系統(tǒng)稱為DSSA，它是一個(gè)包含多種作物的特大決策支持系統(tǒng)軟件包，應(yīng)用該系統(tǒng)，用戶可以借助作物生長模型，設(shè)計(jì)和進(jìn)行品種、播期、密度、施肥量、灌水量等多因素、多水平、長時(shí)期的模擬試驗(yàn)，借助系統(tǒng)模塊在短時(shí)間內(nèi)完成作物栽培方案的優(yōu)化選擇，為田問栽培試驗(yàn)提供初步方案，或直接指導(dǎo)大田作物生產(chǎn)的管理決策。RCSODS的基本原理是將水稻模擬技術(shù)與水稻栽培的優(yōu)化原理相結(jié)合，從而可以針對不同品種和不同環(huán)境，為制定水稻高產(chǎn)栽培的各項(xiàng)措施提出決策建議。RCSODS的各子系統(tǒng)，均以水稻模擬模型與水稻栽培的優(yōu)化模型兩者的結(jié)合為基礎(chǔ)，并由此建立各種栽培措施的決策模型。RCSODS包含了100多組數(shù)學(xué)模型，可以分為兩大類：一類是模擬模型、最佳莖蘗動態(tài)模型、最佳產(chǎn)量模型、最佳施肥決策模型等。上述模型均以日為模擬步長。在RC-SODS的主菜單中，一共有8項(xiàng)可供用戶選擇的功能模塊或子系統(tǒng)，即⑴常年優(yōu)化栽培決策；⑵水稻增產(chǎn)關(guān)鍵分析；⑶制作水稻高產(chǎn)栽培模式圖；⑷計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)；當(dāng)年優(yōu)化栽培決策；主要病蟲害的預(yù)測與防治；⑺新品種氣候適應(yīng)性分析；⑻地區(qū)性決策。莊恒揚(yáng)、任正龍等提出了作物生長模擬的氮素管理播前決策和生育期中動態(tài)調(diào)控方法。播前決策的方法是根據(jù)有機(jī)肥種類，數(shù)量和氮化肥的數(shù)量和其追比擬定若干種施肥方案，由作物?一土壤系統(tǒng)模擬模型計(jì)算在常年氣候條件下各方案的產(chǎn)量，氮肥效率，硝態(tài)氮淋失量，土壤有機(jī)質(zhì)變化，通過4個(gè)指標(biāo)的綜合評價(jià)確定播前決策優(yōu)化方案。李杰等將作物模擬模型，作物栽培的優(yōu)化原理及當(dāng)?shù)貙＜医?jīng)驗(yàn)三者相結(jié)合，提出了作物栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)CCSODSo3、作物模擬模型與天氣發(fā)生器WG耦合隨機(jī)天氣發(fā)生器是一種數(shù)值模型，它可以生成與實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征十分相似的氣候變量時(shí)間系列。主要的隨機(jī)天氣發(fā)生器為美國的wGEN和英國的I。ARS-WGo目前，天氣發(fā)生器與作物模擬模型結(jié)合已在農(nóng)業(yè)上有多種應(yīng)用：⑴作物模型和天氣發(fā)生器結(jié)合形成農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)，可以分析和評估與天氣變異有關(guān)的作物生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)；⑵作物模型和天氣發(fā)生器結(jié)合進(jìn)行作物生長發(fā)育實(shí)時(shí)模擬，使人們能夠?qū)崟r(shí)預(yù)測作物生長季內(nèi)的生長發(fā)育狀況；⑶作物模型和天氣發(fā)生器結(jié)合評估氣候變化對作物產(chǎn)量和土地利用的影響。4、作物模型與大氣環(huán)流模型GCM嵌套該研究項(xiàng)目由美國環(huán)境保護(hù)署資助，27個(gè)國家的科學(xué)家參加，研究目的主要是預(yù)測不同氣候變化情景下，考慮CO2濃度增加對作物的直接生理作用，以及不同適應(yīng)對策下，將會對全球作物生產(chǎn)產(chǎn)生的影響，包括主要作物的產(chǎn)量估算，水分利用變化和管理措施變化等。5、作物模型與土壤侵蝕模型EPIC嵌套在進(jìn)行流域土壤流失量預(yù)報(bào)或評價(jià)由于土地退化造成的土地生產(chǎn)力下降狀況時(shí)，需要定量計(jì)算地表作物覆蓋情況，以及作物生產(chǎn)力，因此作物模型便成為土地侵蝕預(yù)報(bào)模型的重要組成部分。美國的AIoMANAC模型，就是源于土壤侵蝕/生產(chǎn)力影響模型EPICoEPIC對作物生理過程和形態(tài)特征的細(xì)節(jié)描述仍然較為簡單，與大多數(shù)作物模型一樣，EP—IC模型尚不能模擬作物根系生長動態(tài)及其在土層空間的分布形態(tài)，植株高度增長動態(tài)及群體葉片分布結(jié)構(gòu)，因此，EPIC模型模擬作物生長與產(chǎn)量形成過程的細(xì)致性和精確性尚不能令人十分滿意。6、作物模型與3S技術(shù)結(jié)合遙感RS和地理信息系統(tǒng)GIS及全球定位系統(tǒng)GPS三項(xiàng)現(xiàn)代信息技術(shù)，它們是目前對地觀測系統(tǒng)中空間信息獲取、管理、分析和應(yīng)用的三大支撐技術(shù)，能夠快速準(zhǔn)確地獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的多維信息，綜合地管理和處理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。3S技術(shù)的發(fā)展無疑為作物生長模型的應(yīng)用和發(fā)展提供了廣闊的前景。建立作物環(huán)境資源和作物（種類、品種及其有關(guān)參數(shù)）及苗情GIS數(shù)據(jù)庫，將RS和GPS對環(huán)境資源和作物長勢的動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果存于GIS數(shù)據(jù)庫中以更新GIS的環(huán)境和苗情數(shù)據(jù)庫。然后以數(shù)據(jù)