第六章 作物生長模型

農(nóng)業(yè)信息技術(shù)農(nóng)學(xué)園藝學(xué)院譚筱玉

第六章作物模擬模型作物生長模型研究及其應(yīng)用1虛擬植物模型研究及其應(yīng)用2作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理3EPIC模型應(yīng)用示例4第六章作物模擬模型以作物或植物為對象的計算機模擬模型被稱為作物模擬模型(CropSimulationModel)。根據(jù)其研究內(nèi)容和模擬技術(shù)的差別，通?？梢苑譃榛谧魑锷砩鷳B(tài)過程分析的數(shù)值模擬模型和基于植物形態(tài)結(jié)構(gòu)再現(xiàn)的虛擬植物模型二類，前者通常簡稱為作物生長模型，后者簡稱為虛擬植物模型。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用一、作物生長模型的概念與特點二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)三、作物生長模擬原理四、作物生長模型的研制步驟五、作物生長模型研究進(jìn)展六、著名作物生長模型簡介七、作物生長模型的應(yīng)用領(lǐng)域八、作物生長模型研究發(fā)展趨勢第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用一、作物生長模型的概念與特點（一）作物生長模型的概念作物生長模型，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)的計算機模擬程序。又被稱為機理模型（functionalmodel）或過程模型（processmodel）。作物生長模型的開發(fā)和應(yīng)用過程，稱為作物生長模擬（CropGrowthModeling）或作物模擬（CropModeling）。

第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用一、作物生長模型的概念與特點（二）作物生長模型的特點系統(tǒng)性：能對作物的生理過程和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的全面的分析與描述；動態(tài)性：逐時或逐日的描述各種生理生態(tài)過程和狀態(tài)的動態(tài)變化；機制性：能對主要的生理過程進(jìn)行較為真實的機制性描述；預(yù)測性：能在給定條件下對作物系統(tǒng)的未來發(fā)展動態(tài)進(jìn)行定量描述；通用性：適用于任何地點、時間和作物品種，不受地區(qū)、時間、作物品種和栽培技術(shù)

的限制。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用一、作物生長模型的概念與特點（三）作物生長模型的作用和功能作物生長模型研究是對作物生產(chǎn)系統(tǒng)所涉及的氣象、土壤、肥料、生理、栽培、水利、生態(tài)等不同學(xué)科的知識綜合和關(guān)系量化，能促進(jìn)作物生長發(fā)育基本規(guī)律和田間管理知識由傳統(tǒng)定性描述向定量分析轉(zhuǎn)變，深化了作物系統(tǒng)過程定量化認(rèn)識和數(shù)字化表達(dá)，并能鑒定作物學(xué)科已有知識的積累程度和空缺情況，明確學(xué)科新的研究方向。作物生長模型的主要作用是能夠幫助人們深刻理解和認(rèn)識作物生產(chǎn)系統(tǒng)的基本規(guī)律和量化關(guān)系，并對系統(tǒng)動態(tài)行為和最終表現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測，從而輔助生產(chǎn)者對作物生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行適時合理調(diào)控，實現(xiàn)作物生產(chǎn)的高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全的可持續(xù)發(fā)展。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長模型的類型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。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長模型的類型作物模型名稱作者或發(fā)表者及發(fā)表年份小麥CERES-WheatRitchie（1985）CERES-Wheat（氮素版）Godwin等（1985）TAMWMaas和Arkin（1980）（未定名）Aggarwal等（1989）SIMTAGStapper（1984）WHEATSM馮利平（1997）CROPSIM-WHEATHunt等（1995）AFRCWHEATPorter等（1993）WCSODS高亮之等（1998）WheatGrow曹衛(wèi)星等（1996）已發(fā)表的大田作物生長模型名錄(單作物專用模型)第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長模型的類型作物模型名稱作者或發(fā)表者及發(fā)表年份玉米CERES-MaizeV1Jones和Kiniry（1986）CERES-MaizeV2Ritchie等（1986）CORNFStapper和Arkin（1980）VT-MaizeNewkirk等（1989）GAPSBulttler（1989）CUPIDNorman和Campbell（1983）SIMAIZDuncan（1975）CORNGROChilds等（1977）CORNMODBaker和Horrocks（1976）SIMPAM孫睿等（1997）（未定名）尚宗波等（1999）（未定名）鄭國清等（2000）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長模型的類型作物模型名稱作者或發(fā)表者及發(fā)表年份水稻CERES-Rice（旱稻）Ritchie等（1986）CERES-RiceGodwin等（1990）IRRIMODAugus和Zardstra（1980）RICEMODMCMennamy等（1983）（未定名）Horre（1988）RCSODS高亮之等（1991）RICAM戚昌翰等（1991）RSM駱世明（1992）RSSM鄒應(yīng)斌等（1993）高梁CERES-SorghumAlagarwamy等（1990）SORGFArkin等（1976）SORKAMRosenthal等（1989）RESCAPMontieth等（1989）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長模型的類型作物模型名稱作者或發(fā)表者及發(fā)表年份谷子CERES-milletRitchie等（1989）大麥CERES-BarleyRitchie等（1989）馬鈴薯POTATONg和Loomis（1984）POTATO（修訂版）Ewing等（1990）SUBSTORHodges等（1989）（未定名）Fishman（1985）大豆SOYGROWilkerson等（1983）SOYGROV5.0Wilkerson等（1985）GLYCIMAcock等（1983）SOYMODCurry等（1975）花生PNUTGROBoote等（1989）甘蔗AUSCANEJones等（1989）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長模型的類型作物模型名稱作者或發(fā)表者及發(fā)表年份棉花GOSSYMBaker等（1983）COTCROPBrown等（1985）COTTAMJackson等（1988）COTGROWilsonCOTGROW潘學(xué)標(biāo)等（1996）OZCOTHearn等（1994）CTSODS馬新明等（1996）苜蓿ALSIMI（level2）Fick（1981）ALFALFADenison和Loomis（1989）SIMEDHolt（1975）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長模型的類型類型模型名稱作者或發(fā)表者及發(fā)表年份BACROSC.T.deWit（1978）EPICWilliams等（1984）MACROSPenningdeVries等（1989）CropManTAES-BRC（2003）SUCROSVanKeulen等（1982）WOFOSTvanKeulen等（1986）CropsystStockle等（1991）ALMANACKiniry等（1991）FLEXCROPHalvorson等（1982）CROPRODWoldren（1984）NTRMShaffer等（1987）YIELDHayes等（1982）CenturyParton等（1992）PGROWTH陳家麟等（1994）PERFECTLittleboy等（1989）APSIMAPSRU（2001）SPWS胡克林等（2007）已發(fā)表的大田作物生長模型名錄(多作物通用模型)第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長模型的類型層次名稱模擬模型所包含的生態(tài)因子出現(xiàn)年代溫度輻射水分平衡和水分有效性氮素有效性、氮肥效應(yīng)及與水分和氣候因素的交互作用所有其它因子第一層次模型光溫潛力模擬模型√√1980年以前第二層次模型光溫水潛力模擬模型√√√1980～1985年第三層次模型光溫水氮潛力模擬模型√√√√1985年以后第四層次模型現(xiàn)實產(chǎn)量模擬模型√√√√√目前尚無第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長模型的類型第一層次模型關(guān)系圖（PenningdeVries等，1989）（引自潘學(xué)標(biāo)，2003）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長模型的類型第二層次模型關(guān)系圖（PenningdeVries等，1989）（引自潘學(xué)標(biāo)，2003）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（一）作物生長模型的類型第三層次模型關(guān)系圖（PenningdeVries等，1989）（引自潘學(xué)標(biāo)，2003）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（二）作物生長模型的結(jié)構(gòu)輸入模塊模擬模塊輸出與分析模塊氣候數(shù)據(jù)土壤數(shù)據(jù)作物數(shù)據(jù)栽培管理措施⑦發(fā)育和器官形成模型⑧衰老模型⑨田間管理措施模型①光截獲和光合作用動力學(xué)模型②營養(yǎng)吸收和根系活動動力學(xué)模型③干物質(zhì)分配模型④水分吸收與蒸騰模型⑤生長和呼吸模型⑥葉面積增長模型模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)或圖形第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用二、作物生長模型的類型與結(jié)構(gòu)（二）作物生長模型的結(jié)構(gòu)作物生長模型的結(jié)構(gòu)框圖第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用三、作物生長模擬原理（一）作物生長模擬原理假設(shè)作物生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)在任何時刻都能夠定量表達(dá)，該狀態(tài)中的各種物理、化學(xué)和生理機制的變化可以用各種數(shù)學(xué)方程加以描述;還假設(shè)作物在較短時間間隔（如1h）內(nèi)物理、化學(xué)和生理過程不發(fā)生較大的變化，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，并逐時累加為日過程，再逐日累加為生長季，最后計算出整個生長期的干物質(zhì)產(chǎn)量或可收獲的作物產(chǎn)量;還假設(shè)同一作物的不同植株在田間都是均勻一致的，具有相同生長發(fā)育進(jìn)程。典型作物生長模型流程圖（曹衛(wèi)星，2005）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用三、作物生長模擬原理（二）作物生長模型的模擬過程作物生長和產(chǎn)量模擬中的難點是對作物生長持續(xù)期、生長速率以及由于水分、營養(yǎng)及極端溫度引起的脅迫的模擬。單株生長發(fā)育模擬（播種→成熟）逐日氣象數(shù)據(jù)階段形態(tài)發(fā)育面積擴大體積擴大質(zhì)量增長單位面積上的作物產(chǎn)量單位面積上的植株密度生物學(xué)產(chǎn)量×經(jīng)濟系數(shù)描述了穗的分化、生長和籽粒灌漿時的干物質(zhì)分配等生理過程，以穗粒數(shù)和單粒重來計算經(jīng)濟產(chǎn)量第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用三、作物生長模擬原理（三）作物生長模型的模擬范圍已開發(fā)的絕大多數(shù)模型的模擬范圍屬田間水平（FieldLevel），適用于田間范圍內(nèi)生態(tài)條件相對一致的情況。對農(nóng)場或較大范圍的區(qū)域進(jìn)行作物產(chǎn)量模擬時，則需要按照光、熱、水、土等生態(tài)條件相對一致性進(jìn)行分區(qū)模擬，然后加權(quán)計算全區(qū)域作物產(chǎn)量。稱為區(qū)域水平（RegionalLevel）的模擬。若將作物模擬模型與地理信息系統(tǒng)（GIS）結(jié)合，可有效地利用（GIS）中的土壤和生態(tài)條件數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域性作物產(chǎn)量模擬，得出全縣、全省和全國的作物產(chǎn)量第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用三、作物生長模擬原理（三）作物生長模型的模擬范圍農(nóng)業(yè)與環(huán)境地理信息系統(tǒng)(AEGIS/WIN)的主要組成（Engel等，1997）（潘學(xué)標(biāo)，2003）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用四、作物生長模型的研制步驟（一）模擬系統(tǒng)定義與分析為保證作物生產(chǎn)系統(tǒng)相對一致性，大多數(shù)模型的空間尺度一般為農(nóng)田尺度。為了合理描述系統(tǒng)變量變化動態(tài)，大多數(shù)模型的時間步長一般為1天。作物生產(chǎn)系統(tǒng)成分一般包括作物和土壤，而氣象條件、農(nóng)產(chǎn)品輸出等作為系統(tǒng)環(huán)境。作物及其環(huán)境系統(tǒng)通常分為作物階段發(fā)育與物候期、植株形態(tài)發(fā)生與器官建成、植株光能利用與同化物生產(chǎn)、不同器官間干物質(zhì)分配與利用、土壤－作物－大氣水分平衡、土壤養(yǎng)分動態(tài)與作物利用等6個亞系統(tǒng)首先，應(yīng)對作物生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行實地深入調(diào)查，確定模擬系統(tǒng)邊界和尺度，劃分系統(tǒng)成分和系統(tǒng)環(huán)境，分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用四、作物生長模型的研制步驟（一）模擬系統(tǒng)定義與分析作物生長通用概念模型（姜海燕等，2008）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用四、作物生長模型的研制步驟（一）模擬系統(tǒng)定義與分析云朵代表系統(tǒng)輸入源小室代表系統(tǒng)狀態(tài)變量開關(guān)代表過程速率變量以實線代表物質(zhì)流以虛線代表信息流然后，明確模型參數(shù)和系統(tǒng)變量，制定模擬系統(tǒng)目標(biāo)，繪制系統(tǒng)框圖和結(jié)構(gòu)動態(tài)圖。采用分室模型符號，如第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用四、作物生長模型的研制步驟（二）數(shù)據(jù)獲取與量化處理試驗測定文獻(xiàn)查閱合作交流土壤－作物系統(tǒng)的詳細(xì)試驗研究數(shù)據(jù)系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)變量的定量表達(dá)式或者算法程序析因法系數(shù)化作物生理生態(tài)品種遺傳性狀逐日氣象要素土壤水分養(yǎng)分運轉(zhuǎn)析因法是以系數(shù)形式來分別建立溫度、光照、水分和養(yǎng)分等環(huán)境因子對作物生長的響應(yīng)模型或者效應(yīng)因子模型，再采取最小法和乘積法等數(shù)學(xué)方法定量分析系數(shù)因子間的互作，簡化處理多因子響應(yīng)模型系數(shù)化是指通常將光溫水氣肥等環(huán)境效應(yīng)因子的特征值設(shè)定在0～1區(qū)間第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用四、作物生長模型的研制步驟（三）數(shù)學(xué)模型構(gòu)造與程序編寫在確定模擬系統(tǒng)概念流程模型后，通過數(shù)據(jù)分析建立各種數(shù)學(xué)模型。要深刻理解和分析作物生產(chǎn)系統(tǒng)變量、參數(shù)及其生物學(xué)和生態(tài)學(xué)關(guān)系，采用適當(dāng)數(shù)學(xué)方法構(gòu)造適宜的數(shù)學(xué)模型。作物模型編程語言包括模擬算法編程語言和界面編程語言。模擬算法編程語言通常采用VisualFortran和VisualC++。此外，還需要編寫模型數(shù)據(jù)輸入和輸出子模型程序，確定適宜的輸入輸出內(nèi)容和形式，便于用戶操作。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用四、作物生長模型的研制步驟（四）模型驗證、檢驗與改進(jìn)實際上，作物生長模型的開發(fā)工作是一個不斷補充、修改和擴充的完善過程，需要逐步的進(jìn)行升級和換代，直至日趨完善和成熟。用途內(nèi)容模型驗證（verification）驗證模型的可靠性和嚴(yán)格性判斷模型在邏輯上的一致性，通過檢查輸入輸出數(shù)據(jù)、模型結(jié)構(gòu)圖和流程圖的正確性，防止和糾正程序的邏輯錯誤。模型檢驗（validation）檢查模型與真實世界的接近程度，即模型應(yīng)用上的有效性對模型機理性、適用性、擬合度、簡便性等方面做出評價；（模擬值和觀測值的回歸分析、繪制1：1對比圖和計算平均誤差等方法）敏感性分析對模型靈敏度和動態(tài)性的測驗人為給模型主要參數(shù)賦予一定的增量和減量，觀察模型輸出結(jié)果響應(yīng)的靈敏度，測驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)、過程、成分和參數(shù)的有效性和合理性第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用五、作物生長模型研究進(jìn)展作物生長模型研究是作物學(xué)科和計算機學(xué)科新興的交叉研究領(lǐng)域。以美國和荷蘭開始時間最早，研究力量較強，研究水平也較高。荷蘭的deWit（1965）和美國的Duncan（1967）率先相繼發(fā)表了對作物群體光合作用的模擬模型。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用五、作物生長模型研究進(jìn)展作物初步模擬模型ELCROS（ElementalCropSimulation）（deWit，1969）作物生長基礎(chǔ)模擬模型BACROS（deWit，1978）水分決定牧草產(chǎn)量模型ARIDCROP（Keulen，1986）簡單通用作物模擬模型SUCROS（Simpleanduniversalcropgrowthsimulator）（Keulen，1982）一年生作物生長模擬模型MACROS（PenningdeVries，1989）世界糧食研究模型WOFOST（Boogaard，1998）等。此后，荷蘭相繼研發(fā)了荷蘭的模型研究強調(diào)生物機理性和作物共性，對作物的形態(tài)發(fā)育和階段發(fā)育上的差異性描述相對薄弱。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用五、作物生長模型研究進(jìn)展美國先后研發(fā)了30多個單作物專用模型和數(shù)十種多作物通用模型。第一代棉花模型SIMCOT和第一代玉米模型SIMAIZ（Duncan，1971，1975）作物與環(huán)境資源綜合系統(tǒng)CERES（Crop-EnvironmentResourceSynthesisSystem）系列模型(包括小麥、玉米、水稻、大麥、谷子、高粱等作物)（Ritchie等，1985，1986，1986，1990，1989，1990）棉花生長模型與棉花生產(chǎn)管理系統(tǒng)GOSSYM/COMAX（Baker，1983）等土壤侵蝕和土地生產(chǎn)力評價模型EPIC（Erosion/ProductivityImpactCalculator）（Williams，1984）包含氮素、耕作與殘茬管理的作物模型NTRM（Shaffer，1987）作物系統(tǒng)模型Cropsyst（Stockle，1991）2種植物競爭生長模型ALMANAC（Kiniry，1991）等第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用五、作物生長模型研究進(jìn)展包含多種單作物專用模型的農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓決策支持系統(tǒng)DSSAT（DecisionSupportSystemforAgrotechnologyTransfer）（Tsuji，1994）基于EPIC的作物生產(chǎn)與管理模型CROPMAN（CropProductionandManagementModel）（Gerik等，2003)等美國還開發(fā)了美國的作物模型研究強調(diào)“氣候－土壤－作物－管理”系統(tǒng)的綜合性與解決問題的實用性。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用五、作物生長模型研究進(jìn)展棉花模型OZCOT（Hearn，1994）作物生產(chǎn)力、徑流與保護(hù)性耕作技術(shù)評價模型PERFECT（Littleboy，1993）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬器APSIM（AgriculturalProductionSimulator）(CSIRO，2001)澳大利亞、加拿大、英國等國也已開發(fā)出了若干較有影響的作物生長模型。小麥生長模型AFRCWHEAT（Porter，1993）等春小麥生長和產(chǎn)量模擬模型CROPSIM－WHEAT（Hunt，1995）澳大利亞

加拿大英國第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用五、作物生長模型研究進(jìn)展以水稻模型為核心的水稻生長模型RICEMOD（高亮之等，1989）小麥生長發(fā)育模擬模型WHEATSM（馮利平等，1997）棉花栽培計算機模擬決策系統(tǒng)COTSYS(馮利平等，1999)基于前述模型的作物栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)CCSODS（CropCultivationSimulationOptimizationDecision-makingSystem）系列RCSODS、WCSODS、MCSODS和CTSODS（水稻、小麥、玉米、棉花）（高亮之等，1991，1999；鄭國清，高亮之等，2001；馮利平，高亮之等，2000）水稻生長日歷模型RICAM（戚昌瀚等，1991）水稻模擬模型RSM（駱世明等，1992）水稻苗情動態(tài)模擬模型RSSM（鄒應(yīng)斌，1993）棉花生長發(fā)育模擬模型COTGROW（潘學(xué)標(biāo)等，1996）基于CERES模型的小麥－玉米連作智能決策系統(tǒng)（諸葉平等，2001）等我國的作物生長模擬模型研究開始于20世紀(jì)80年代中期，相繼研制出第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用五、作物生長模型研究進(jìn)展南京農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)過對小麥、油菜、棉花、水稻等作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成機理的細(xì)致研究和總結(jié)集成，建立了小麥、油菜、棉花和水稻生長模擬模型（曹衛(wèi)星，1996；嚴(yán)春美，曹衛(wèi)星等，2000，2001；李存東，曹衛(wèi)星等，2001；張立禎，曹衛(wèi)星等，2003）中國作物模型研究注重將作物生長模型、栽培優(yōu)化模型或知識模型與專家知識相結(jié)合，研制糧棉油等各種栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用五、作物生長模型研究進(jìn)展據(jù)不完全統(tǒng)計，經(jīng)過40年的研究開發(fā)，全世界已開發(fā)出了包括大田作物、園藝作物、森林樹木和草原牧草在內(nèi)的各種作物模型愈百個。時間模型特點階段特色20世紀(jì)70年代中期以前主要是對作物生長和環(huán)境因素中的某個過程的模擬“制造零件”70年代后期作物生育和產(chǎn)量形成全過程的模擬模型“組裝機器”80年代中后期以后逐步深化，層次不斷提高，加強了對水分、氮磷平衡子模型的研究提高了模型對作物真實系統(tǒng)模擬的精度90年代中期以來模型開發(fā)研究逐漸轉(zhuǎn)向模型應(yīng)用研究，側(cè)重于作物模型修訂升級和整合集成以及與專家系統(tǒng)和3S技術(shù)結(jié)合，研制基于Windows操作系統(tǒng)的用戶界面友好的作物生產(chǎn)管理綜合系統(tǒng)模型實用性和綜合性不斷增強第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用五、作物生長模型研究進(jìn)展國外發(fā)達(dá)國家作物生長模擬技術(shù)已歷經(jīng)了40多年的理論研究和實踐探索，初步形成了較為有效的研究理論和方法體系。我國經(jīng)過20多年對作物模擬模型技術(shù)的學(xué)習(xí)和引進(jìn)、研究和應(yīng)用，初步建立了一支作物模擬研究的人才隊伍，在作物模型研究和應(yīng)用的理論和技術(shù)方面也積累了一定的經(jīng)驗，取得了一定的成績，但和發(fā)達(dá)國家相比，仍然有較大差距。我國作物模擬研究隊伍人員數(shù)量少、力量分散、合作研究少，研究項目少，研究經(jīng)費不足。和世界著名作物模型相比，我國研究的作物模型在科學(xué)性、實用性、通用性上仍有明顯差距，有待于進(jìn)一步提高。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（一）DSSAT模型DSSAT（DecisionSupportSystemforAgro-technologyTransfer）模型是在1983－1993年美國IBSNAT（國際農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)化基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)）計劃資助下、在1994－至今的ICASA（國際農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用協(xié)會）組織下，相繼由夏威夷州立大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)和喬治亞州立大學(xué)等多家研究機構(gòu)長期協(xié)作，將已開發(fā)的CERES、CROPGRO、SUBSTOR、CROPSIM、CANEGRO等系列26種單作物專用模型與CENTURY模型中土壤碳素和氮素模擬模型集成，組裝成具有共同用戶界面的通用作物系統(tǒng)模型CSM（CroppingSystemModel）。2000年以前發(fā)布的DSSAT2.1、3.0和3.5版本是DOS版，2000年以后發(fā)布的DSSAT4.0和4.5版本是Windows版。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（一）DSSAT模型DSSAT4.0模型結(jié)構(gòu)第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（二）EPIC模型侵蝕和生產(chǎn)力影響計算模型EPIC（Erosion-ProductivityImpactCalculator），現(xiàn)在改稱為環(huán)境政策綜合氣候模型（EnvironmentalPolicyIntegratedClimate）是一種綜合性多作物通用型土壤－作物系統(tǒng)過程模擬模型，是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局草地土壤和水分研究所、德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)J.R.Williams等研制的定量評價“氣候－土壤－作物－管理”綜合系統(tǒng)的動力學(xué)模型（Williams，etal.,1989,1990）。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（二）EPIC模型EPIC模型自1984年首次發(fā)布以來，經(jīng)過了連續(xù)多年不斷修訂和廣泛驗證。能夠逐日定量模擬氣候變化、徑流與蒸散、水蝕與風(fēng)蝕、養(yǎng)分循環(huán)、農(nóng)藥遷移、植物生長、土壤管理、經(jīng)濟效益分析等過程與環(huán)節(jié)，能夠輸出逐日作物生長和產(chǎn)量、逐日分層土壤水分和養(yǎng)分模擬結(jié)果。特別適合于土壤－作物系統(tǒng)過程綜合模擬和分析，分析和預(yù)測水土資源利用和作物生產(chǎn)力長周期動態(tài)變化過程，評價農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)管理策略和水土資源環(huán)境效應(yīng)。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（二）EPIC模型EPIC模型結(jié)構(gòu)及其運行過程第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（三）APSIM模型APSIM（AgriculturalProductionSystemsSimulator）是由澳大利亞聯(lián)邦科工組織CSIRO、昆士蘭州政府、昆士蘭大學(xué)等機構(gòu)聯(lián)合組建的APSRU（AgriculturalProductionSystemsResearchUnit）開發(fā)研制的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型，其最新版本為2009年11月發(fā)布的APSIM7.1。APSIM模型由生物物理模塊（biophysicalmodule）、管理模塊（managementmodule）、數(shù)據(jù)輸入和輸出模塊（datainputandoutputmodule）、模擬引擎(simulationengine)等4部分組成。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（三）APSIM模型APSIM模型結(jié)構(gòu)（馮利平，2009）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（三）APSIM模型APSIM模型采用“插－拔”式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括多種作物、草原和樹木、土壤水分平衡、氮磷運轉(zhuǎn)、土壤pH、土壤侵蝕和管理控制等多種模塊，構(gòu)建了高度獨立的作物生長、土壤水分和土壤氮素模塊方便進(jìn)行輪作、間作等種植方式和各種管理措施的模擬能夠模擬作物生長、地表殘茬、土壤水分、土壤養(yǎng)分、土壤侵蝕等不同土壤－作物系統(tǒng)組合狀態(tài)用來評價氣候、基因型、土壤、管理等因素對作物生產(chǎn)的長期影響，適用于農(nóng)場管理決策、農(nóng)作系統(tǒng)生產(chǎn)決策和資源管理、季節(jié)性氣候預(yù)報評價、農(nóng)業(yè)關(guān)鍵問題分析、廢棄物管理方針制定、政策風(fēng)險評價、科研和教育活動等。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（四）WOFOST模型WOFOST（WorldFoodStudies）模型是由世界糧食研究中心（CWFS）和荷蘭瓦根寧根大學(xué)理論生產(chǎn)生態(tài)學(xué)系（WAU-TPE）與農(nóng)業(yè)生物研究中心(DLO)共同合作研制的一年生作物生產(chǎn)潛力模型。是瓦格寧根大學(xué)C.T.deWit學(xué)院開發(fā)的作物生長模型家族成員之一（SUCROS、AridCrop、Springwheat、MACROS和ORYZA1等）。WOFOST6.0以前的版本為DOS版，WOFOST7.1則改為Windows版。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（四）WOFOST模型

WOFOST模型模擬的作物生長過程第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（四）WOFOST模型WOFOST模型早期用于評價熱帶地區(qū)一年生作物的潛在產(chǎn)量，能對水稻、玉米、小麥、大麥、馬鈴薯、甜菜、大豆、蠶豆、油菜、向日葵等多種作物進(jìn)行光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力和光溫水肥生產(chǎn)潛力等3種層次產(chǎn)量評估。近十年來，WOFOST則主要用于分析作物產(chǎn)量風(fēng)險和產(chǎn)量年際變化、不同土壤類型、水文條件、品種類型、作物生活要素、播種策略、氣候變化、農(nóng)業(yè)機械使用關(guān)鍵期等不同條件下作物產(chǎn)量變異性，定量評價區(qū)域最大作物產(chǎn)量潛力水平，估算灌溉和施肥最大收益，模擬和監(jiān)測季節(jié)中不利生長狀況，預(yù)測區(qū)域作物產(chǎn)量，模擬森林生長和草地管理等。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（五）GOSSYM/COMAXGOSSYM/COMAX(Cotton-GossypiumSimulationModel/CottonManagementExpert）棉花生長模型和棉花栽培管理專家系統(tǒng)是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局Baker等于1985年開發(fā)研制成功的棉花生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng)。由GOSSYM、COMAX、工具箱和圖形用戶界面GUI（GraphicalUserInterface）組成。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（五）GOSSYM/COMAXGOSSYM/COMAX的總體結(jié)構(gòu)框圖(Mckinion等，1989)（潘學(xué)標(biāo)，2003）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（五）GOSSYM/COMAXGOSSYM模型是一個以土壤物理學(xué)性質(zhì)、土壤養(yǎng)分和水分等為初始條件，以逐日太陽輻射、逐日最高和最低溫度為驅(qū)動變量，以關(guān)鍵農(nóng)藝措施如施氮、灌水、噴脫葉劑等為控制變量的系統(tǒng)動力學(xué)模型。GOSSYM模型包括了水分平衡、氮素平衡、碳平衡、光合產(chǎn)物合成與分配、植株形態(tài)建成等子模型。GOSSYM模型能逐日動態(tài)模擬特定氣候和土壤條件下土壤水分和氮素吸收和利用動態(tài)、干物質(zhì)平衡、棉花生長和棉花產(chǎn)量等。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（五）GOSSYM/COMAXGOSSYM結(jié)構(gòu)框圖(Mckinion等，1989)（潘學(xué)標(biāo)，2003）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（五）GOSSYM/COMAXGOSSYM模型還能夠與GCMs和WGEN氣候模型鏈接，評價氣候變化對棉花生產(chǎn)的影響。COMAX是一個基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，它可以調(diào)用GOSSYM模型，能對灌溉日期和灌溉量、施氮日期和施氮量、化學(xué)生長調(diào)節(jié)劑使用日期和用量、棉花收獲期預(yù)測與調(diào)控等不同農(nóng)藝措施進(jìn)行優(yōu)化決策。工具箱包括情景分析(scenarioanalysis)和風(fēng)險分析(riskanalysis)，能把天氣和化學(xué)生長調(diào)節(jié)劑組合起來進(jìn)行分析，根據(jù)未來可能的天氣條件推薦最佳施氮方案。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（六）中國作物模型以江蘇省農(nóng)科院和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等為代表的中國作物模型研究工作，注重將作物生長模型、栽培優(yōu)化模型或知識模型與專家知識相結(jié)合，所開發(fā)的水稻（RCSODS）、小麥（WCSODS）、玉米（MCSODS）、棉花（CCSODS）、油菜（OCSODS）、大豆（SCSODS）栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)等，具備作物生長模擬與栽培方案優(yōu)化決策相結(jié)合的功能。模型參數(shù)調(diào)整反映不同品種、地點和氣象條件差異常年決策播種、灌溉、施肥、群體動態(tài)等作物栽培優(yōu)化方案當(dāng)年決策預(yù)測、監(jiān)測及調(diào)控手段數(shù)字化、目標(biāo)化、動態(tài)化及優(yōu)化管理突出特征第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（六）中國作物模型中國作物模型系列的原理、結(jié)構(gòu)與功能（曹宏鑫，2006）第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用六、著名作物生長模型簡介（六）中國作物模型在土壤水分、病蟲草害模擬及其預(yù)測與決策方面，中國作物模型仍以知識型為主；在土壤養(yǎng)分利用方面,只采用了作物平衡施肥決策模型；在模型軟件系統(tǒng)容錯性、用戶界面美觀性、操作自動幫助等方面,仍需進(jìn)一步完善和提高。第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用七、作物生長模型的應(yīng)用領(lǐng)域教學(xué)與技術(shù)培訓(xùn)

作物生產(chǎn)潛力研究

作物栽培方案優(yōu)化研究

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)研究

氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長遠(yuǎn)影響研究

農(nóng)場經(jīng)營管理決策制定

農(nóng)業(yè)資源規(guī)劃管理研究

深化作物科學(xué)研究

第一節(jié)作物生長模型研究及其應(yīng)用八、作物生長模型研究發(fā)展趨勢深化對作物系統(tǒng)機理過程研究與描述作物生長模型與虛擬植物模型相結(jié)合作物生長模型與農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)結(jié)合作物生長模型與3S技術(shù)結(jié)合作物生長模型與大氣環(huán)流模型GCM相結(jié)合作物生長模型與因特網(wǎng)（Internet）結(jié)合第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實與虛擬農(nóng)業(yè)二、虛擬植物模型研究簡介三、虛擬植物研究方法與模型軟件四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀五、虛擬植物研究發(fā)展趨勢第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實與虛擬農(nóng)業(yè)（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，簡稱VR）是利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，以仿真的方式生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進(jìn)入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進(jìn)行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。虛擬現(xiàn)實結(jié)構(gòu)圖（陳沈斌，孫九林）第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實與虛擬農(nóng)業(yè)（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征（3I）關(guān)鍵部分關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用沉浸感Immersion交互性Interaction想象力Imagination傳感器交互式控制系統(tǒng)虛擬環(huán)境計算機圖形學(xué)多媒體技術(shù)圖像處理與模式識別智能接口技術(shù)傳感器技術(shù)高度并行實時計算技術(shù)人工智能人工機器學(xué)語音處理與音響技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人的行為研究及心理學(xué)在醫(yī)學(xué)、建筑、藝術(shù)、交易、教育、工程、娛樂、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都已有研究如虛擬診斷、虛擬解剖、虛擬住宅、虛擬城市、虛擬藝術(shù)作品展、虛擬證券交易、虛擬教室、虛擬圖書館、虛擬大學(xué)等第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述1．虛擬農(nóng)業(yè)的概念虛擬農(nóng)業(yè)(VirturalAgriculture，VA)是以農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究對象(農(nóng)作物、畜、禽、魚、農(nóng)產(chǎn)品市場、資源高效利用等)為核心，采用先進(jìn)信息技術(shù)手段，實現(xiàn)以計算機為平臺的研究對象與環(huán)境因子交互作用，以品種改良、環(huán)境改造、環(huán)境適應(yīng)、增產(chǎn)等為目的技術(shù)系統(tǒng)，其成果應(yīng)接受實踐的檢驗。陳沈斌和孫九林第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述1．虛擬農(nóng)業(yè)的概念虛擬農(nóng)業(yè)是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和可視化技術(shù)，在計算機和Internet的支持下，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、教學(xué)（包括農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣）、加工、銷售等各個環(huán)節(jié)在計算機上的模擬和再現(xiàn)，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效益和可持續(xù)發(fā)展為目的的技術(shù)系統(tǒng)。楊國才第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述2．虛擬農(nóng)業(yè)的類型虛擬植物虛擬動物虛擬細(xì)胞虛擬儀器虛擬農(nóng)田虛擬農(nóng)場（VirtualPlant）也叫計算機植物可視化模型（ComputerVisualizationModelofPlant），就是利用計算機模擬植物在三維空間的生長發(fā)育狀況。其主要特征是以植物個體為中心，以植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)為研究重點，所建立的模型是三維的，以可視化的方式反應(yīng)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)律。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述2．虛擬農(nóng)業(yè)的類型虛擬植物虛擬動物虛擬細(xì)胞虛擬儀器虛擬農(nóng)田虛擬農(nóng)場虛擬動物是指用計算機可視化地模擬動物在各種營養(yǎng)脅迫條件下的生長過程，用戶操作計算機不但可以了解動物生長全過程中鮮、干物質(zhì)累積的形狀，而且還可以從不同視覺了解動物的逼真形態(tài)。虛擬動物可在幾分鐘內(nèi)模擬完成一種試驗動物的整個生育期，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)畜牧獸醫(yī)長周期觀察實驗，大大加速實驗速度，減少實驗投入，還可完成在自然條件下難以得到的實驗結(jié)果。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述2．虛擬農(nóng)業(yè)的類型虛擬植物虛擬動物虛擬細(xì)胞虛擬儀器虛擬農(nóng)田虛擬農(nóng)場虛擬細(xì)胞是指應(yīng)用虛擬現(xiàn)實的原理和技術(shù)，通過數(shù)學(xué)計算和分析，對細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析、整合，可以將整個細(xì)胞系統(tǒng)在分子水平上建立模型，并通過計算機模擬細(xì)胞的生長代謝過程，以系統(tǒng)性、模擬性、直觀性研究細(xì)胞和生命現(xiàn)象。如日本于1997年建立了原核細(xì)胞模型E-cell。虛擬細(xì)胞可應(yīng)用于科學(xué)研究、疾病診斷和防治、社會公共衛(wèi)生等領(lǐng)域。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述2．虛擬農(nóng)業(yè)的類型虛擬植物虛擬動物虛擬細(xì)胞虛擬儀器虛擬農(nóng)田虛擬農(nóng)場虛擬儀器（VirtualInstrumental，簡稱VI）是計算機技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種新型的儀器種類，是具有虛擬儀器面板的的個人計算機儀器，由通用個人計算機、模塊化功能硬件和控制軟件所組成，操作人員通過友好的圖形界面以及圖形化編程語言來控制儀器的運行，以完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲和數(shù)據(jù)生成。虛擬儀器可以用于農(nóng)機產(chǎn)品的計算機檢測、農(nóng)產(chǎn)品等級分選、農(nóng)場的自動化監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集、種子、秧苗或細(xì)胞生物特性的研究等方面。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用一、虛擬現(xiàn)實與虛擬農(nóng)業(yè)（二）虛擬農(nóng)業(yè)概述2．虛擬農(nóng)業(yè)的類型虛擬植物虛擬動物虛擬細(xì)胞虛擬儀器虛擬農(nóng)田虛擬農(nóng)場虛擬農(nóng)場是利用虛擬植物、虛擬農(nóng)田等模型建立虛擬農(nóng)場，可以在計算機上種植虛擬作物并進(jìn)行虛擬農(nóng)場管理。人們可以從任意角度甚至在作物冠層內(nèi)漫游，觀察作物生長狀況的動態(tài)變化過程，還可以通過改變環(huán)境條件和栽培措施，直觀的觀察作物生長過程及其結(jié)果。利用虛擬儀器，如自動化秧苗分析系統(tǒng)、自動化施肥系統(tǒng)或自動化灌溉系統(tǒng)等，對農(nóng)場實行全天時、全天候地自動化監(jiān)測和管理。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡介（一）虛擬植物模型研究的意義明確植物生長發(fā)育規(guī)律選擇優(yōu)化樹型（虛擬剪枝）超高產(chǎn)作物品種育種優(yōu)選理想株型選擇施藥方法和提高施藥效（農(nóng)藥植株分布與病蟲害位置關(guān)系）

提高對植物生長狀況遙感判讀精度（遙感影像與植物形態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)系）部分替代在現(xiàn)實世界中難以進(jìn)行或費時、費力、昂貴的試驗輔助教學(xué)學(xué)習(xí)作物生長過程和農(nóng)田管理知識獲得作物生長過程中的各參數(shù)的動態(tài)數(shù)據(jù)，為精確農(nóng)業(yè)提供依據(jù)第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡介（二）虛擬植物研究方法1．虛擬植物建模方法虛擬植物模型是基于對現(xiàn)實世界植物的研究而建立的，首先要對自然界生長的真實植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確定量化研究，并總結(jié)出植物的生長規(guī)則，然后再用適當(dāng)方法對植物形態(tài)結(jié)構(gòu)和生長規(guī)則進(jìn)行表達(dá)。虛擬植物的一般結(jié)構(gòu)如圖虛擬作物模型的一般結(jié)構(gòu)（陳沈斌，孫九林）第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡介（二）虛擬植物研究方法1．虛擬植物建模方法步驟對不同生長條件、不同生育階段的植物進(jìn)行定性觀察，判別其生長模式，確定描述其形態(tài)結(jié)構(gòu)的總體框架定量化測定植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何特征、機械性質(zhì)等將測定數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)理統(tǒng)計、模式識別等方法，提取植物形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)則模型依據(jù)植物生長規(guī)則模擬植物生長，應(yīng)用可視化技術(shù)在計算機上實現(xiàn)虛擬植物第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡介（二）虛擬植物研究方法2．虛擬植物的關(guān)鍵技術(shù)（1）三維數(shù)字化技術(shù)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)研究中數(shù)據(jù)采集時，需要在植物上選取一些能夠描述其形態(tài)結(jié)構(gòu)的特征點，獲取其在三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置，就可計算分枝的傾角與方位角以及葉片的幾何形狀。應(yīng)用基于聲學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、激光、微型雷達(dá)等原理和技術(shù)開發(fā)的三維數(shù)字化儀，可以實現(xiàn)對植物生長過程中形態(tài)結(jié)構(gòu)的連續(xù)、精確的監(jiān)測，確定其生長規(guī)律。威力手三維數(shù)字化儀第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡介（二）虛擬植物研究方法2．虛擬植物的關(guān)鍵技術(shù)（2）植物可視化技術(shù)植物可視化技術(shù)是指植物形態(tài)結(jié)構(gòu)特征在計算機上的顯示與虛擬表達(dá)，可以用二維或三維圖形形象地顯示植物的生長過程。植物的可視化研究包括幾何、光照、紋理、渲染等內(nèi)容，也包括枝條的彎曲、植物的向光性、由季節(jié)更替和光照強弱等引起的植物各組織器官的尺寸、形狀以及顏色等的變化。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡介（二）虛擬植物研究方法2．虛擬植物的關(guān)鍵技術(shù)（2）植物可視化技術(shù)開發(fā)植物可視化系統(tǒng)，通常需要OpenGL三維圖形庫支持。OpenGL是三維圖形應(yīng)用程序設(shè)計界面，包含100多個圖形函數(shù)，可繪制三維景物模型和實現(xiàn)三維實時交互。其主要功能是三維模型繪制、三維模型觀察、顏色模式指定、光照應(yīng)用管理、圖像效果增強、表面紋理映射、實時動畫生成、人機交互接口等。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡介（二）虛擬植物研究方法3．虛擬植物模型的類型（1）靜態(tài)模型此類模型能夠精確地再現(xiàn)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，可用來分析植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的定性和定量特征，研究與植物結(jié)構(gòu)有關(guān)的生理生態(tài)、生物物理過程，如進(jìn)行植物冠層光分布的分析、農(nóng)田作物蒸騰的研究、作物形態(tài)結(jié)構(gòu)對遙感監(jiān)測精度的影響等。其缺點是在于直接調(diào)用大量的測定數(shù)據(jù)，而且不適合反映植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的動態(tài)規(guī)律。虛擬的玉米群體(郭焱等)應(yīng)用三維數(shù)字化方法等測定植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后，直接應(yīng)用這些數(shù)據(jù)可建立虛擬植物靜態(tài)模型。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用二、虛擬植物模型研究簡介（二）虛擬植物研究方法3．虛擬植物模型的類型（2）動態(tài)模型虛擬植物的動態(tài)模型是基于對植物生長過程中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演變和幾何形態(tài)變化規(guī)律的研究，提取植物的生長規(guī)則而建立的模型，用以反映植物生長過程的規(guī)律，是虛擬植物模型的主要發(fā)展方向。較著名的虛擬植物通用模型有L-系統(tǒng)和AMAP系統(tǒng)。虛擬的樹木生長過程（Bao-GangHu，2003）第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡介1．L系統(tǒng)1968年美國生物學(xué)家Lindenmayer提出了以其姓氏首字母命名的L系統(tǒng)（L-system），作為植物形態(tài)建模的一般框架。L系統(tǒng)的本質(zhì)是一種字符重寫(rewriting)系統(tǒng)或形式化語言方法，通過對植物對象生長過程的經(jīng)驗式概括和抽象，構(gòu)造公理(axiom，可以理解為初始狀態(tài))與產(chǎn)生式集(setofproductions，可以理解為描述規(guī)則)，生成字符發(fā)展序列(developmentalsequencesofwords)，作為描述植物幾何特征的形式化語言，應(yīng)用計算機圖形學(xué)技術(shù)，以可視化方式表現(xiàn)植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡介1．L系統(tǒng)

L-系統(tǒng)字符與圖形轉(zhuǎn)換（Bao-GangHu，2003）第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡介1．L系統(tǒng)L-系統(tǒng)模擬的植物生長過程（Bao-GangHu，2003）運用L系統(tǒng)虛擬植物是一個信息膨脹的過程（字符串的不斷繁殖）第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡介1．L系統(tǒng)已從初始只能模擬理想條件下植物生長的D0L系統(tǒng)、隨機L系統(tǒng)、參數(shù)化L系統(tǒng)、D1L系統(tǒng)，發(fā)展到能模擬處在復(fù)雜環(huán)境條件影響下植物生長的OPENL系統(tǒng)、時變L系統(tǒng)、微分L系統(tǒng)(dL-system)，采用動畫技術(shù)還可以實現(xiàn)植物生長的動畫模擬。為建立完整有效的植物模型，L系統(tǒng)得到不斷的發(fā)展和完善，使其功能不斷得到擴展。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡介2．分形（fractal）方法實現(xiàn)分形幾何建模的方法分形方法是根據(jù)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，利用了描述具有自相似性（self-similarity）的數(shù)學(xué)功能來表現(xiàn)植物的拓?fù)浼靶螒B(tài)結(jié)構(gòu)。迭代函數(shù)系統(tǒng)(iteratedfunctionsystem，IFS)分枝矩陣(ramificationmatrix)粒子系統(tǒng)(partialsystem)正規(guī)文法方法A系統(tǒng)(A-system)Oppenheimer提出的特定的分形方法第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡介3．參考軸技術(shù)(referenceaxistechnique)參考軸技術(shù)是由法國國際農(nóng)業(yè)研究發(fā)展中心（CIRAD）的deReffye等提出的基于有限自動機(finiteautomation)的模擬植物形態(tài)發(fā)生的典型隨機過程方法。它通過馬爾可夫鏈理論及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(statetransitiongraph)方式描述植物發(fā)育、生長、休眠、死亡等過程。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡介3．參考軸技術(shù)(referenceaxistechnique)Godin等在此基礎(chǔ)上提出了多尺度意義下的植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型(MTG)，能夠以不同時間尺度描述植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種建模方法物理意義明確、數(shù)據(jù)輸入簡單、過程分析直觀。趙星等基于馬爾可夫鏈進(jìn)一步發(fā)展了雙尺度自動機模型(dual-scaleautomation)，該方法從植物學(xué)的角度出發(fā)，提出了微狀態(tài)和宏狀態(tài)的雙尺度概念，考慮了植物的生長機理，根據(jù)植物的生理年齡來組合植物的生長參數(shù)，參數(shù)物理意義明確，結(jié)構(gòu)簡潔有條理，形象直觀，易于理解和編程實現(xiàn)。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡介3．參考軸技術(shù)(referenceaxistechnique)法國植物學(xué)家Halle等依據(jù)植物分枝特征，提出了23種植物結(jié)構(gòu)基本模型，可以描述幾乎所有類型的植物結(jié)構(gòu)，分別用著名植物學(xué)家名字命名，如Corner模型（單軸主干，無分枝）Leeuwenberg模型（合軸分枝，傘形花序）Rauh模型（單軸節(jié)律分枝，直生分層）Aubreville模型（有直生和斜生分枝）Massart模型（單軸節(jié)律分枝，主莖直生，分枝斜生）Roux模型（連續(xù)分枝）Troll模型部分植物結(jié)構(gòu)基本模型第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（一）虛擬植物研究方法簡介4．植物三維重建法該種方法是利用儀器采集植物的空間數(shù)據(jù)，在計算機上編寫程序調(diào)用獲得的空間數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)植物的三維模擬。這是一種對現(xiàn)實植物的模擬方法，它的模擬效果與測量植物空間數(shù)據(jù)儀器的精度有密切的關(guān)系。隨著儀器的精度不斷提高，模擬出來的植物的真實性也會越來越高。三維重建的玉米器官和個體效果圖（郭新宇等，2007）第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（二）虛擬植物模型軟件國家研究機構(gòu)或公司軟件名稱研究方法主要內(nèi)容網(wǎng)站域名美國USDAForestServiceSVS基于圖形學(xué)方法應(yīng)用少量植物學(xué)知識植物群叢模擬http://forsys.cfr./svs.htmlOnyxComputingInc.TreeCyberstoreTreeProfessionalTreePainterTreeClassic基于圖形學(xué)方法應(yīng)用少量植物學(xué)知識制作植物圖形庫用于快速生成植物圖形/AnimatekInternationalInc.WorldBuilder基于圖形學(xué)方法制作各種自然景觀用于景觀設(shè)計胡包鋼等統(tǒng)計第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（二）虛擬植物模型軟件國家研究機構(gòu)或公司軟件名稱研究方法主要內(nèi)容網(wǎng)站域名澳大利亞CentreforPlantArchitectureInformatics,theUniversityofQueenslandVirtualPlants基于L-系統(tǒng)建模方法模擬棉花、大豆、玉米等農(nóng)作物以及植物根系的生長病蟲害對植物生長的影響.au/法國CIRADAMAP系列軟件自動機模型基于植物學(xué)建模方法植物生長過程測量、建模3D植物圖形庫景觀設(shè)計、園林規(guī)劃http://amap.cirad.fr/UniversitiesofClermont-FerrandECOSIM圖像分割、遺傳算法、Multi-agent生長環(huán)境的模擬森林生長模擬http://www.isima.fr/ecosim/Welcome.html胡包鋼等統(tǒng)計第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（二）虛擬植物模型軟件胡包鋼等統(tǒng)計國家研究機構(gòu)或公司軟件名稱研究方法主要內(nèi)容網(wǎng)站域名加拿大UnivesityofCalgaryCPFGL-studio基于L－系統(tǒng)建模方法應(yīng)用少量植物學(xué)只是L－系統(tǒng)與植物形態(tài)關(guān)系計算機輔助景觀設(shè)計植物學(xué)教學(xué)再現(xiàn)滅絕的樹種/DaylonGraphicsLtd.Leveller基于圖形學(xué)方法基于GIS數(shù)據(jù)的植被地貌恢復(fù)日本巖手大學(xué)VitualGargeningVirtualBONSAIDigitalLandscapes建立對環(huán)境敏感的植物生長模型根與土壤相互作用模型植物生長特性,如自我修剪、光照對植物的影響、植物根系生長等景觀模擬第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用三、虛擬植物研究方法與模型軟件（二）虛擬植物模型軟件胡包鋼等統(tǒng)計國家研究機構(gòu)或公司軟件名稱研究方法主要內(nèi)容網(wǎng)站域名德國KurtzFernhoutLtd.GardenwithInsightPlantStudio基于圖形學(xué)方法應(yīng)用少量植物學(xué)知識花園模擬生成植物圖片UniversityofKarsrubeXfrog基于圖形學(xué)方法用交互作用方法快速建造各種植物圖像http://www.greenworks.de中國中國科學(xué)院自動化研究所中法聯(lián)合實驗室Greenlab在植物結(jié)構(gòu)－功能模型間建立迭代關(guān)系，并行模擬植物結(jié)構(gòu)-功能過程在定量模擬生物量生產(chǎn)與器官分配基礎(chǔ)上，采用雙尺度自動機模擬植物結(jié)構(gòu)第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（一）地上部模型對于虛擬植物模型的研究和應(yīng)用方面，加拿大Calgary大學(xué)的Prusinkiewicz等人和法國農(nóng)業(yè)開發(fā)國際研究中心（CIRAD）的deReffye等人做出了重要貢獻(xiàn)，建立了虛擬植物的通用模型。加拿大Calgary大學(xué)的Prusinkiewicz等以L系統(tǒng)為植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的描述框架，在SGI工作站上開發(fā)了基于Unix系統(tǒng)的虛擬植物實驗室VirtualLaboratory(Vlab)和植物與分形發(fā)生器CPFG(plantandfractalgeneratorwithcontinuousparameters)，以及基于Windows的L-Studio系統(tǒng)第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（一）地上部模型能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型植物的模擬，形式語言方法具有堅實的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。其缺陷是在模擬一些較高大的植物時不夠理想，原因是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的植物其L系統(tǒng)規(guī)則難以提取。L-studio系統(tǒng)界面第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（一）地上部模型法國農(nóng)業(yè)開發(fā)國際研究中心（CIRAD）的deReffye等人利用參考軸技術(shù)研制了AMAP(AdvancedModelingofArchitectureof

Plant)模型。AMAP模型適用于模擬高大植物，已成功地在計算機上構(gòu)造了從熱帶到溫帶不同氣候帶生長的多個種類的植物。利用AMAP模型虛擬的樹木第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（一）地上部模型國紅等利用Greenlab模型模擬了1、3和5年生油松幼樹形態(tài)。伍艷蓮等基于OpenGL圖形平臺，繪制了小麥器官的三維形態(tài)，實現(xiàn)了小麥從器官-個體-群體三個層次的形態(tài)可視化。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（二）根系模型由于根系環(huán)境的不可見性和復(fù)雜性，以及測量技術(shù)和理論方法的局限性，根系模型無論是在模擬效果上還是在功能上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于地上部分模型。20世紀(jì)80年代后期，Diggle建立了第一個模擬根系結(jié)構(gòu)的三維模型，可模擬根系的年齡、位置、根段取向以及根系伸長速率和分枝強度，但未考慮根系半徑的變化。Pages等人開發(fā)了基于根系結(jié)構(gòu)動態(tài)特征的玉米根系結(jié)構(gòu)模型。第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（二）根系模型Lynch等人建立了SimRoot根系模型，能模擬根系直徑變化，研究者應(yīng)用該模型模擬了大豆根系結(jié)構(gòu)與根系周圍土壤磷吸收的關(guān)系，評估了不同根系形態(tài)結(jié)構(gòu)的資源利用效率。但該模型還不能反映土壤的局部狀況的影響、相鄰根系的相互作用與競爭等。虛擬的大豆根系第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（二）根系模型鐘南等利用微分L系統(tǒng)模擬了大豆根系生長動態(tài)。微分L-系統(tǒng)模擬的大豆根系渲染圖第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用四、虛擬植物模型的研究應(yīng)用現(xiàn)狀（二）根系模型張吳平等通過盆栽試驗測定，采用從單根到根系進(jìn)行描述、整合的方式，實現(xiàn)了根系三維空間伸展與分布的重建與模擬以及三維動態(tài)分布的可視化表達(dá)。玉米根系三維空間分布重建與模擬第二節(jié)虛擬植物模型研究及其應(yīng)用五、虛擬植物研究發(fā)展趨勢雖然虛擬植物研究已經(jīng)有40多年，也取得到了一定成就，但總體上尚處于發(fā)展初期，研究手段較為落后，手工數(shù)據(jù)采集工作量大，模型生理和生態(tài)機理性不強，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜植物表現(xiàn)能力弱，虛擬植物外觀真實性不強，尚不能表達(dá)植物完整形態(tài)，模型適用性和可用性有待于提高。（1）研究方法的發(fā)展與完善（2）模型結(jié)構(gòu)與功能的完善簡易性可理解性普適性定量化建模方法的從植株整體水平上構(gòu)建虛擬植物模型根系模擬虛擬植物模型與具體植物的生態(tài)生理模型有機結(jié)合第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理——以EPIC模型為例一、EPIC模型模擬作物生長與產(chǎn)量的機理二、作物生長和產(chǎn)量形成過程的數(shù)學(xué)模擬三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理一、EPIC模型模擬作物生長與產(chǎn)量的機理EPIC模型作物產(chǎn)量計算流程圖（吳錦，2009）在逐日氣候要素驅(qū)動下，首先模擬計算太陽輻射能轉(zhuǎn)化為干物質(zhì)的數(shù)量，主要通過最大葉面積系數(shù)、葉面積變化的S形曲線形態(tài)參數(shù)、葉面積下降速率等作物生長參數(shù)來確定。

其次，通過作物生長的最適溫度、最低溫度與作物生育進(jìn)程計算溫度對葉面積增長的影響效應(yīng)，通過計算根系分布層次土壤水分和養(yǎng)分狀況，估計水分和養(yǎng)分脅迫對葉面積增長的影響效應(yīng)。

第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理一、EPIC模型模擬作物生長與產(chǎn)量的機理EPIC模型作物產(chǎn)量計算流程圖（吳錦，2009）再次，估算作物生長期生物量增長的水分脅迫因子、氮素脅迫因子、磷素脅迫因子和溫度脅迫因子，估算干物質(zhì)的合成數(shù)量。最后，通過作物水分和養(yǎng)分臨界期水分、養(yǎng)分虧缺狀況估算實際收獲指數(shù)，最后通過地上部生物量和收獲指數(shù)計算可供收獲的作物經(jīng)濟產(chǎn)量。

第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理一、EPIC模型模擬作物生長與產(chǎn)量的機理作物生長與土壤水熱氮運移耦合模型（胡克林等，2007）在EPIC模型中，作物生長模型與土壤熱量、水分、氮素和磷素等因素之間的耦合關(guān)系，類似于胡克林等提出的作物生長與土壤水熱氮運移之間的耦合模型。第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理一、EPIC模型模擬作物生長與產(chǎn)量的機理與單作物專用模型相比，EPIC模型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，只注重作物生長發(fā)育的共性特征，未能涉及不同作物的產(chǎn)量構(gòu)成因素和作物品種之間的差異性。EPIC模型尚不能模擬作物根系生長動態(tài)及其在土層空間分布形態(tài)、植株高度增長動態(tài)及群體葉片分布結(jié)構(gòu)；對多年生牧草和樹木生產(chǎn)力S型曲線動態(tài)變化規(guī)律和樹木的經(jīng)濟性狀缺乏描述；也不能模擬多種作物間作、套種組成的不均勻型田間作物群體結(jié)構(gòu)。第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理一、EPIC模型模擬作物生長與產(chǎn)量的機理因此，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，模型有關(guān)結(jié)構(gòu)仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高。但是，作物生長模型是對真實復(fù)雜作物生產(chǎn)系統(tǒng)的簡化表達(dá)形式，任何作物模型都必然存在誤差。在通常的長周期作物生產(chǎn)力與大范圍土地資源可持續(xù)利用評價研究中，EPIC模型的模擬精度也足以達(dá)到研究目的所需的精確性要求。第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長和產(chǎn)量形成過程的數(shù)學(xué)模擬（一）物候發(fā)育以逐日熱量單元累積為基礎(chǔ)第k天熱量單元值第k天最高溫度（℃）第k天最低溫度（℃）作物j的基點溫度（℃）（播種時為0至生理成熟為1）第i天熱量單元系數(shù)作物j成熟所需的最大熱量單元第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長和產(chǎn)量形成過程的數(shù)學(xué)模擬（二）潛在生物量增長第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長和產(chǎn)量形成過程的數(shù)學(xué)模擬（三）葉面積變化第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長和產(chǎn)量形成過程的數(shù)學(xué)模擬（四）株高增長j作物的最大高度作物高度（m）第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長和產(chǎn)量形成過程的數(shù)學(xué)模擬（五）根系生長

RDj≤RZ

第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長和產(chǎn)量形成過程的數(shù)學(xué)模擬（六）水分利用第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長和產(chǎn)量形成過程的數(shù)學(xué)模擬（七）養(yǎng)分吸收1．氮第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長和產(chǎn)量形成過程的數(shù)學(xué)模擬（七）養(yǎng)分吸收2．磷第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理二、作物生長和產(chǎn)量形成過程的數(shù)學(xué)模擬（八）作物產(chǎn)量第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（一）環(huán)境脅迫對生物量生長的制約當(dāng)水分、溫度、氮素、磷素和通氣等5種環(huán)境脅迫因子中任意一個小于1時實際生物量增長量逐日的生物量潛在增長量（t/hm2）作物生長調(diào)節(jié)因子（最小脅迫因子）第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（一）環(huán)境脅迫對生物量生長的制約1．水分脅迫水分脅迫因子土層l中的水分利用量第i天潛在植株水分利用量第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（一）環(huán)境脅迫對生物量生長的制約2．溫度脅迫植株溫度脅迫因子平均逐日地表溫度（℃）j作物的基點溫度j作物的最適溫度（℃）第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（一）環(huán)境脅迫對生物量生長的制約3．養(yǎng)分脅迫N脅迫因子的縮放比例因子N脅迫因子第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（一）環(huán)境脅迫對生物量生長的制約4．通氣脅迫第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（二）環(huán)境脅迫對根系生長的制約1．土壤強度脅迫第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（二）環(huán)境脅迫對根系生長的制約2．鋁毒性脅迫第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（二）環(huán)境脅迫對根系生長的制約3．對水分利用的制約第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（三）環(huán)境脅迫對產(chǎn)量形成的制約第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（四）越冬期對地上部生物量的影響1．日長制約第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（四）越冬期對地上部生物量的影響2．霜凍制約第三節(jié)作物生長與產(chǎn)量形成的數(shù)學(xué)模擬原理三、環(huán)境脅迫對作物生長與產(chǎn)量形成制約的數(shù)學(xué)模擬（四）越冬期對地上部生物量的影響3．生物量降低第四節(jié)EPIC模型應(yīng)用示例一、EPIC模型數(shù)據(jù)庫組建二、EPIC模型模擬精度驗證三、黃土高原旱地冬小麥水分生產(chǎn)力模擬第四節(jié)EPIC模型應(yīng)用示例一、EPIC模型數(shù)據(jù)庫組建（一）逐日氣象資料數(shù)據(jù)庫組建EPIC模型是在逐日氣象要素變量的驅(qū)動下，進(jìn)行逐日作物生理生