1、农业模型课件数字农业与农业模型数字农业与农业模型农业模型研究发展过程农业模型研究发展过程农业模型的基本方法农业模型的基本方法作物模拟模型作物模拟模型农业模型应用与发展趋势农业模型应用与发展趋势第一部分第一部分 数字农业与农业模型数字农业与农业模型 一、数字农业一、数字农业 以上分析可知，农业数学模型与农业计算机模型的研究与以上分析可知，农业数学模型与农业计算机模型的研究与建立，应该说是建立，应该说是“数字农业数字农业”的前提。的前提。n 各种农业要素的数字化各种农业要素的数字化n 各种农业基本过程的数字化各种农业基本过程的数字化-农业数学模型农业数学模型n 各种农业的决策过程的数字化各种农业的
2、决策过程的数字化-农业计算机模型农业计算机模型 二、模型与模型化二、模型与模型化 三、模型的类型三、模型的类型 四、数学模型四、数学模型 四、农业模型四、农业模型 农业模型是应用数学模型方法和计算机技术，分析影响农业生产的农业模型是应用数学模型方法和计算机技术，分析影响农业生产的主要因素主要因素气候、土壤、作物、社会、经济等气候、土壤、作物、社会、经济等,从而对农业生产进行定从而对农业生产进行定量研究。量研究。 通过模型研究，可以在较短时间内，用较少的人力、物力和财力，通过模型研究，可以在较短时间内，用较少的人力、物力和财力，得到可靠而优化的结果。模型并不与客观事物一一对应，它只是客观得到可靠
3、而优化的结果。模型并不与客观事物一一对应，它只是客观事物的一种简化形式，然而它比客观事物更易于确定和更易于处理。事物的一种简化形式，然而它比客观事物更易于确定和更易于处理。 农业数学模型和农业计算机模型农业数学模型和农业计算机模型 后者后者由引起系统行为的机理和过程的定量描述所组成，这些描由引起系统行为的机理和过程的定量描述所组成，这些描述即为科学理论和假设的清晰表达，模型是通过综合整个系统的机述即为科学理论和假设的清晰表达，模型是通过综合整个系统的机理和过程描述来建立的。为了建立解释性模型，需要对整个系统进理和过程描述来建立的。为了建立解释性模型，需要对整个系统进行分析，并分别对它的过程和机
4、理进行定量化表达（图行分析，并分别对它的过程和机理进行定量化表达（图2 2）。）。 图图1 1 表明真实世界的现象如何引入到描述性模型中的图示表明真实世界的现象如何引入到描述性模型中的图示 模型化现象模型化现象 真实现象真实现象 描述性模型描述性模型 计算计算 描述描述 图图2 2 表明真实观察值如何被分析和综合引入解释性模型来模拟表明真实观察值如何被分析和综合引入解释性模型来模拟系统行为的图示系统行为的图示 解释性模型解释性模型 系统系统 模拟模拟 描述，描述， 分析分析 模型化现象模型化现象 真实现象真实现象 过程过程 过程过程 过程过程 过程过程 过程过程 过程过程 模型模型 构建构建
5、3 3、统计、统计(Statistical)(Statistical)模型和过程模型和过程(Process)(Process)模型模型 前者前者是一种最常使用的模型，主要通过对数据进行多重回归来预是一种最常使用的模型，主要通过对数据进行多重回归来预测系统的表现，其解释性较差，并且局限于试验资料所在地特定的大测系统的表现，其解释性较差，并且局限于试验资料所在地特定的大气、土壤条件和品种类型，难以推广到不同的环境条件和品种类型；气、土壤条件和品种类型，难以推广到不同的环境条件和品种类型；后者后者用于定量描述生物与非生物的一些基本过程，具有较好的机理性用于定量描述生物与非生物的一些基本过程，具有较好
6、的机理性和解释性，适用于不同的环境条件和生产系统。和解释性，适用于不同的环境条件和生产系统。4 4、应用、应用(Application)(Application)模型和研究模型和研究(Research)(Research)模型模型 前者前者主要倾向于应用推广，因而具有便于使用、较粗放和应用方主要倾向于应用推广，因而具有便于使用、较粗放和应用方向比较单一的特点；向比较单一的特点；后者后者主要用于科研，对其机理性要求较高，因而主要用于科研，对其机理性要求较高，因而具有操作复杂、参数较多、灵敏度高的特点。具有操作复杂、参数较多、灵敏度高的特点。 但总体上，所有农业模型从更微观的层次看都可认为是经验性
7、模型，但总体上，所有农业模型从更微观的层次看都可认为是经验性模型，而从更宏观的层次看又都是机理性模型。因此，任何一个模拟模型都体现了而从更宏观的层次看又都是机理性模型。因此，任何一个模拟模型都体现了经验性和机理性的相对平衡和协调。经验性和机理性的相对平衡和协调。 如果按不同的学科领域进行分类，农业模型大概有作物生长模型，动物如果按不同的学科领域进行分类，农业模型大概有作物生长模型，动物生长模型，农业气象模型，土壤水肥模型，种植制度模型，农业生产力模型，生长模型，农业气象模型，土壤水肥模型，种植制度模型，农业生产力模型，耕地质量评价模型，病虫害预测模型等不同方面。耕地质量评价模型，病虫害预测模型
8、等不同方面。 其中，农作系统模拟模型的研究具有较好的代表性和先进性，目前国际其中，农作系统模拟模型的研究具有较好的代表性和先进性，目前国际上公认较为优秀且应用广泛的作物生长模拟模型有美国的上公认较为优秀且应用广泛的作物生长模拟模型有美国的CERESCERES系列模型系列模型和和荷兰的荷兰的SUCROSSUCROS模型模型等。等。q 农业模型的特征农业模型的特征 过程模型的特征过程模型的特征 较理想的农业过程模拟模型应具有以下较理想的农业过程模拟模型应具有以下8 8个特征。其中，动态性个特征。其中，动态性和预测性是农业模拟模型最显著和最重要的特征。和预测性是农业模拟模型最显著和最重要的特征。 1
9、 1、系统性、系统性 对生物与非生物全过程进行系统、全面的分析与描述。对生物与非生物全过程进行系统、全面的分析与描述。2 2、动态性、动态性 包括受环境因子和内在特性驱动的各个状态变量的时间过程变化包括受环境因子和内在特性驱动的各个状态变量的时间过程变化及不同生育过程间的动态关系。及不同生育过程间的动态关系。 3 3、机理性、机理性 在经验性或描述性的基础上，通过进行深入的支持研究，模拟较在经验性或描述性的基础上，通过进行深入的支持研究，模拟较为全面的系统等级水平，并将其进行有机结合，从而提供对主要生为全面的系统等级水平，并将其进行有机结合，从而提供对主要生理过程的理解或解释。理过程的理解或解
10、释。4 4、预测性、预测性 通过正确建立模型的主要驱动变量及其与状态变量的动态关系，通过正确建立模型的主要驱动变量及其与状态变量的动态关系，对系统行为提供可靠的定量预测。对系统行为提供可靠的定量预测。5 5、通用性、通用性 原则上适用于任何地点、时间和品种等条件。原则上适用于任何地点、时间和品种等条件。6 6、便用性、便用性 可为非专家操作应用，可利用一般的气候、土壤及品种资料。可为非专家操作应用，可利用一般的气候、土壤及品种资料。7 7、灵活性、灵活性 可容易地进行修改和扩充以及与其它系统相耦合。可容易地进行修改和扩充以及与其它系统相耦合。8 8、研究性、研究性 除了应用性以外，还可用于不同
11、领域的模拟研究工作，从而避除了应用性以外，还可用于不同领域的模拟研究工作，从而避免实物研究中干扰因素多、周期长、费用高等的不足。免实物研究中干扰因素多、周期长、费用高等的不足。与动态分析的比较与动态分析的比较 动态分析动态分析的主要研究内容是不同时段系统的整体输出结果，而未涉的主要研究内容是不同时段系统的整体输出结果，而未涉及系统内不同成分的变化过程及其机理关系，具有简单描述性和间断性及系统内不同成分的变化过程及其机理关系，具有简单描述性和间断性的特点。的特点。 模拟模型模拟模型研究的主要对象是生物与非生物系统的过程及过程间的相研究的主要对象是生物与非生物系统的过程及过程间的相互关系，因而具有
12、规律上的解释性以及连续的时空变化特征。互关系，因而具有规律上的解释性以及连续的时空变化特征。 例如，在植物生长分析研究中，主要目标是描述不同时间叶面积及例如，在植物生长分析研究中，主要目标是描述不同时间叶面积及作物生长速率等生长状态的变化特征，通过定期测定叶面积和干物重就作物生长速率等生长状态的变化特征，通过定期测定叶面积和干物重就可以计算获得不同的生长动态曲线（图可以计算获得不同的生长动态曲线（图3 3）。但在植物生长模拟研究中，）。但在植物生长模拟研究中，必须能解析影响叶面积和生长速率变化的生理过程及机理关系。必须能解析影响叶面积和生长速率变化的生理过程及机理关系。图图1 1 作物植株叶面
13、作物植株叶面积、生物量及生长速积、生物量及生长速率随时间过程的变化率随时间过程的变化动态动态 0 1 2 3 4 5 6 7 20 40 60 80 100 0 5 10 15 0 10 20 30 40 0 辐射 截获 绿色叶面积指数 太阳辐射截获率 (%) 累积干物重(kg ha-1) 作物生长速率(g m-2 d-1) 净光合作用速率 (g m-2 d-1) 出苗后的天数 (days) 开花 LAL 20 40 60 80 100 120 干物重 生长速率 净光合作用速率 与统计模型的比较与统计模型的比较 1 1、农业统计一般只对农业生产系统的最终结果（如产量）进行比较，、农业统计一般只
14、对农业生产系统的最终结果（如产量）进行比较，而不揭示结果（产量）形成的机理性过程及因果关系。而而不揭示结果（产量）形成的机理性过程及因果关系。而农业模拟模型农业模拟模型完全可以揭示生物生长与生产过程及其动态关系完全可以揭示生物生长与生产过程及其动态关系，帮助人们更好地理解，帮助人们更好地理解生物生长和生产的机制与结果。生物生长和生产的机制与结果。 2 2、农业统计一般只能考虑与结果（如产量）有关的少数技术措施、农业统计一般只能考虑与结果（如产量）有关的少数技术措施（如品种、肥料、密度等），而客观上影响生物生长和生产的因子往往（如品种、肥料、密度等），而客观上影响生物生长和生产的因子往往很多，无
15、法用农业统计的方法综合研究和分析。而很多，无法用农业统计的方法综合研究和分析。而模拟模型可以对农业模拟模型可以对农业生产系统进行综合分析和合成，同时考虑许多因子的作用生产系统进行综合分析和合成，同时考虑许多因子的作用，并可进行大，并可进行大量的计算机模拟试验。量的计算机模拟试验。 3 3、农业统计的研究结果具有明显的地域性和季节性，且局限于特定、农业统计的研究结果具有明显的地域性和季节性，且局限于特定的生物品种、土壤类型和气候条件，很难应用于不同地区、时间和生产的生物品种、土壤类型和气候条件，很难应用于不同地区、时间和生产系统。而系统。而模拟模型模拟模型同时受外部环境和内在特征所驱动，因而具有
16、较强的同时受外部环境和内在特征所驱动，因而具有较强的动态性和灵活性，动态性和灵活性，可以应用于不同的地点、时间和生产系统。可以应用于不同的地点、时间和生产系统。 q 农业模型的作用与功能农业模型的作用与功能 模拟模型的意义模拟模型的意义 农业模拟模型最重要的意义是对整个农业生产系统的知识进行综合，农业模拟模型最重要的意义是对整个农业生产系统的知识进行综合，并量化机理性过程及其相互关系，即并量化机理性过程及其相互关系，即综合知识和量化关系。综合知识和量化关系。 模拟模型是利用计算机强大的信息处理和计算功能，对不同的生物与模拟模型是利用计算机强大的信息处理和计算功能，对不同的生物与非生物过程进行系
17、统分析和合成，其实质上相当于所研究系统的最新知识非生物过程进行系统分析和合成，其实质上相当于所研究系统的最新知识的积累和综合。的积累和综合。 同时，模拟研究在理解生物与非生物过程及其变量间关系的基础上，同时，模拟研究在理解生物与非生物过程及其变量间关系的基础上，进行量化分析和数理模拟，从而促进了对生物与非生物规律由定性描述向进行量化分析和数理模拟，从而促进了对生物与非生物规律由定性描述向定量分析的转化过程，深化了对农业系统过程的定量化认识和数字化表达。定量分析的转化过程，深化了对农业系统过程的定量化认识和数字化表达。 模拟模型的功能模拟模型的功能 成功的农业模拟模型之所以受到科学家的肯定和重视
18、，是因成功的农业模拟模型之所以受到科学家的肯定和重视，是因为模拟模型具有其他研究手段不可替代的功能：为模拟模型具有其他研究手段不可替代的功能：理解、预测、调理解、预测、调控控。 模拟模型能够帮助人们理解和认识生物与非生物过程的基本模拟模型能够帮助人们理解和认识生物与非生物过程的基本规律和量化关系，并对系统的动态行为和最后表现进行预测，从规律和量化关系，并对系统的动态行为和最后表现进行预测，从而辅助进行对生物生长和生产系统的适时合理调控，实现优质、而辅助进行对生物生长和生产系统的适时合理调控，实现优质、高产、高效、生态、安全的可持续发展。高产、高效、生态、安全的可持续发展。 五、农业模型学五、农
19、业模型学第二部分第二部分 农业模型研究的发展过程农业模型研究的发展过程 一、农业生产模型的研究进展一、农业生产模型的研究进展 二、农业系统各组分的模拟研究现状二、农业系统各组分的模拟研究现状 二、农业系统各组分的模拟研究现状二、农业系统各组分的模拟研究现状 三、作物模拟模型的研究进展三、作物模拟模型的研究进展 三、作物模拟模型的研究进展三、作物模拟模型的研究进展 三、作物模拟模型的研究进展三、作物模拟模型的研究进展 三、作物模拟模型的研究进展三、作物模拟模型的研究进展 三、三、 作物模拟模型的研究进展作物模拟模型的研究进展 农业生产模型的学派农业生产模型的学派 两个典型模型系统分析两个典型模型
20、系统分析气象资料、土壤环境、品种参数与技术措施气象资料、土壤环境、品种参数与技术措施水分与水分与养分平衡养分平衡养分养分亏缺亏缺因子因子冠层辐射与吸收冠层辐射与吸收阶阶段段发发育育光合作用光合作用( (叶片与冠层叶片与冠层) )呼吸作用呼吸作用( (维持与生长呼吸维持与生长呼吸) )同化物的同化物的积累与分配积累与分配器器官官生生长长产量形成产量形成品质形成品质形成水分亏水分亏缺因子缺因子小麦生长模型流程图小麦生长模型流程图第三部分第三部分 农业模型的基本方法农业模型的基本方法1.1.农业系统的等级性和水平农业系统的等级性和水平 q 农业生产系统的等级性农业生产系统的等级性 根据系统分析的原理
21、，农业生产系统一般可分解成根据系统分析的原理，农业生产系统一般可分解成区域、农区、区域、农区、农田生态、作物群落、群体、个体、器官、组织、细胞农田生态、作物群落、群体、个体、器官、组织、细胞等不同层次或等不同层次或等级，如图所示。在这些不同的系统层面上，可以构建出不同尺度和等级，如图所示。在这些不同的系统层面上，可以构建出不同尺度和不同内容的计算机模拟模型。不同内容的计算机模拟模型。 一、农业模型目的性的确定一、农业模型目的性的确定 农业生产系统的等级性农业生产系统的等级性 区域区域 “世界世界” 农区农区 农田生态农田生态 植株个体植株个体 植株组成成分植株组成成分 (根、茎、叶等根、茎、叶
22、等) 微观组成成分微观组成成分 （气孔、细胞、生化通道等）（气孔、细胞、生化通道等） 管管 理理 研研 究究 n 应用制定宏观农业决策应用制定宏观农业决策n 应用于决定微观农业技术应用于决定微观农业技术n 应用于揭示农业过程机理性的研究应用于揭示农业过程机理性的研究n 应用于农业预测与风险分析应用于农业预测与风险分析 二、农业模型技术路线的确定二、农业模型技术路线的确定 三、农业模型的总体结构三、农业模型的总体结构1.1.农业系统的基本结构农业系统的基本结构系统的主要成分、系统的界面和系统的环境系统的主要成分、系统的界面和系统的环境作物作物土壤土壤输出输出输入输入温度、温度、降水，降水，太阳辐
23、射太阳辐射系统成分系统成分系统边界系统边界2.模型结构模型结构 输入输入u模块模块 输出输出u1.1. 基本模型单元图基本模型单元图用户用户数据库数据库输入输入模块模块 输出输出u2.2. 单输入单输入- -单模块单模块- -单输出模型结构单输出模型结构用户用户数据库数据库 输入输入u 输出输出u 输入输入u 输出输出u 输入输入u 输出输出u3.3. 多输入多输入- -多模块多模块- -多输出模型结构多输出模型结构 四、农业模型的计算机语言选择四、农业模型的计算机语言选择 五、农业模型的数学模型构建五、农业模型的数学模型构建q 模块设计与模型实现模块设计与模型实现 首先要选择恰当的编程语言来
24、组织系统，包括模拟算法编程首先要选择恰当的编程语言来组织系统，包括模拟算法编程语言和界面编程语言。目前应用比较广泛的模拟算法编程语言主语言和界面编程语言。目前应用比较广泛的模拟算法编程语言主要有要有Visual FortranVisual Fortran和和Visual C+Visual C+。 模块设计与编程须注意几个问题。模块设计与编程须注意几个问题。（1 1）将主程序和亚程序设）将主程序和亚程序设置成合理的模块化结构，（置成合理的模块化结构，（2 2）突出模块的可读性与解释性，以及）突出模块的可读性与解释性，以及可改性与灵活性，（可改性与灵活性，（3 3）表现友好的人机界面和可操作性，（
25、）表现友好的人机界面和可操作性，（4 4）将模型的运行时间降低到最少。将模型的运行时间降低到最少。 此外，模型的实现还须研究模型的输入输出内容和形式。模此外，模型的实现还须研究模型的输入输出内容和形式。模型的输入资料要求容易、可获取，特别是天气、土壤、作物遗传型的输入资料要求容易、可获取，特别是天气、土壤、作物遗传资料等。对于输入误差大的资料，要尽量少用。模型的输出结果资料等。对于输入误差大的资料，要尽量少用。模型的输出结果要求直观、综合、易分析比较。一般采用表格和图形两种主要形要求直观、综合、易分析比较。一般采用表格和图形两种主要形式。随着计算机技术的快速发展，作物模型的图象输出、可视化式。
26、随着计算机技术的快速发展，作物模型的图象输出、可视化虚拟生长、多媒体技术等会得到成功的应用。虚拟生长、多媒体技术等会得到成功的应用。 六、农业模型的数据库六、农业模型的数据库气象资料数据气象资料数据包括日照时数（小时），日平均湿度和日最高、包括日照时数（小时），日平均湿度和日最高、最低温度（最低温度（），空气相对湿度（），风速（），空气相对湿度（），风速（米秒），日降水量（毫米），实际水汽压，年米秒），日降水量（毫米），实际水汽压，年均温度（均温度（），年降水量（），年降水量（mmmm），无霜期（天），无霜期（天），1010积温，干燥度等。积温，干燥度等。 q 数据库的建立数据库的建立 根据具
27、体农业模型应用范围和特点，依据上述数据库框架格式，收集、根据具体农业模型应用范围和特点，依据上述数据库框架格式，收集、整理数据资料，在此基础上建立该系统的数据库。主要步骤包括：整理数据资料，在此基础上建立该系统的数据库。主要步骤包括：l 制定数据收集的方案；设计数据库和数据表；制定数据收集的方案；设计数据库和数据表；l 选择适当的数据库系统，选择适当的数据库系统，SQL Sever, Access, FoxproSQL Sever, Access, Foxpro；l 通过实验、调查、文献查阅和购买等多种方式收集有关数据；通过实验、调查、文献查阅和购买等多种方式收集有关数据；l 进行数据筛选和分
28、类，并输入数据库；进行数据筛选和分类，并输入数据库；l 对入库的数据进行仔细检验和校对，确保数据源的准确、无误；对入库的数据进行仔细检验和校对，确保数据源的准确、无误；l 对数据进行标准化处理，如数据库结构规范化、数据单位一律使用公制对数据进行标准化处理，如数据库结构规范化、数据单位一律使用公制等；等；l 对数据进行归并，减少数据冗余；补充、完善数据库的数据。对数据进行归并，减少数据冗余；补充、完善数据库的数据。 七、农业模型的输入与输出七、农业模型的输入与输出 不同生育期玉米群体可视化不同生育期玉米群体可视化( (马韫韬，马韫韬，2003)2003)根系构型模型根系构型模型(张吴平，张吴平，
29、2004) 七、农业模型与专家经验七、农业模型与专家经验 八、农业模型的核实、校准与检验八、农业模型的核实、校准与检验 模型模拟值与观察值之间的模型模拟值与观察值之间的1:11:1作图作图 9 0 1 1 0 1 3 0 1 5 0 1 7 0 1 9 0 9 0 1 1 0 1 3 0 1 5 0 1 7 0 1 9 0 观测值 模拟值 （1 1）平均离差（）平均离差（Mean DeviationMean Deviation，MDMD） 即预测值与实际值之差总和的平均值。即预测值与实际值之差总和的平均值。 MDMD（ERRiERRi）/n ERRi/n ERRiYiYiXiXi其中，其中，n
30、 n为为样本数；为为样本数；YiYi和和XiXi为第为第i i次的模拟值和实测值。次的模拟值和实测值。（2 2）平均预测误差（）平均预测误差（Mean Prediction ErrorMean Prediction Error，MPEMPE） 即预测值与实际值之差绝对值总和的平均值，反映模型的精度。即预测值与实际值之差绝对值总和的平均值，反映模型的精度。 MPE=(|DERi|)/nMPE=(|DERi|)/n（3 3）预测均方法（）预测均方法（Mean Square Error of PredictionMean Square Error of Prediction，MSEPMSEP） 即预
31、测值与实际值之差平方总和的平均值，是比较模型间精确度较好的指标。即预测值与实际值之差平方总和的平均值，是比较模型间精确度较好的指标。 MSEP=MSEP=（ERRiERRi）/n/n（4 4）均方差根（）均方差根（Root Mean Square ErrorRoot Mean Square Error，RMSERMSE） 即预测均方差的开平方，能更直观地反映模拟值与实测值的误差。即预测均方差的开平方，能更直观地反映模拟值与实测值的误差。 （5 5）拟合指数（）拟合指数（Agreeement IndexAgreeement Index，AIAI） 即即1 1减去预测值与实际值之差的绝对值除以实际
32、值，反映模拟符合减去预测值与实际值之差的绝对值除以实际值，反映模拟符合程度，程度，AIAIl l时误差最小。时误差最小。 AIAIl l|Yi|YiXi|/XiXi|/Xi（6 6）偏斜度（）偏斜度（BiasBias） 即模拟值与实际值无截距回归方程斜率与即模拟值与实际值无截距回归方程斜率与1 1的偏差，表示通过原点的偏差，表示通过原点的拟合直线与的拟合直线与1 1：1 1线的偏斜程度（）。线的偏斜程度（）。 BIASBIAS100100（b0-1b0-1）式中式中b0b0为模拟值与实际值之间的为模拟值与实际值之间的0 0截距直线回归方程（截距截距直线回归方程（截距0 0）的斜率。的斜率。（7
33、 7）直接比较单个模拟值的绝对误差和相对误差）直接比较单个模拟值的绝对误差和相对误差 绝对误差：绝对误差：ERRiERRiYiYiXiXi 相对误差：相对误差：REREERRi/XiERRi/Xi水稻品种水稻品种93259325不同不同N N处理地上部干重的观测值与模拟值的比较处理地上部干重的观测值与模拟值的比较071421280306090120栽后天数Days after transplanting地上部干重(103kg/ha)Shoot dry weight0N Observed0N Simulated27N Observed27N Simulated0714212807142128地上
34、部干重观测值(103kg/ha)Observed shoot weight地上部干重模拟值 (103kg/ha)Simulated shoot weightN=700510152005101520模拟值Simulated days南特号黄壳早廿日越光国光LAN=32020406080100020406080100观测值Observed days模拟值Simulated daysBN=326020406080100020406080100观测值Observed daysC N=32水稻不同类型品种主要生育期模拟天数与观测天数的比较水稻不同类型品种主要生育期模拟天数与观测天数的比较 第四部分第四部
35、分 作物模拟模型作物模拟模型CurryCurry：SinclairSinclair：MontiethMontieth：高亮之：高亮之：q 农业生产系统的水平和过程农业生产系统的水平和过程 对于特定层面的农业生产系统，不同环境下影响生物与对于特定层面的农业生产系统，不同环境下影响生物与非生物过程的限制因素不尽相同，模拟研究的生态范围和系非生物过程的限制因素不尽相同，模拟研究的生态范围和系统覆盖面也有所不同。统覆盖面也有所不同。 以作物生产系统为例，根据生态限制因子对作物生理过以作物生产系统为例，根据生态限制因子对作物生理过程和生产系统的影响进行分类，按照产量递减的顺序，可以程和生产系统的影响进行
36、分类，按照产量递减的顺序，可以把作物生产系统分为五个水平。把作物生产系统分为五个水平。 光温潜力光温潜力 即使在最优栽培条件下，作物生长系统通常也要受到光照和温度即使在最优栽培条件下，作物生长系统通常也要受到光照和温度的制约，因此温光条件是任何作物模型的最基本驱动因子或驱动变量。的制约，因此温光条件是任何作物模型的最基本驱动因子或驱动变量。如果作物具有丰富的水分和营养条件，则作物的生长速率只取决于当如果作物具有丰富的水分和营养条件，则作物的生长速率只取决于当时的作物状态和当时的天气状况，尤其是辐射与温度。这是作物发挥时的作物状态和当时的天气状况，尤其是辐射与温度。这是作物发挥“潜在生长速率潜在
37、生长速率”所产生的所产生的“潜在产量潜在产量”。 在第一生产水平，辐射强度、光能截取和利用效率是研究生长速在第一生产水平，辐射强度、光能截取和利用效率是研究生长速率的关键因子。图率的关键因子。图5 5指出了在第一生产水平下模型基本要素之间的关系。指出了在第一生产水平下模型基本要素之间的关系。 第一生产水平的系统关系图第一生产水平的系统关系图温度 光照 光合效率 速率 光合作用 叶面积 发育时期 茎叶生物量 储存物 分配 生长 根生物量 转换效率 维持 光温为驱光温为驱动变量，光合效动变量，光合效率是常数，矩形率是常数，矩形代表数量（状态代表数量（状态变量），阀符号变量），阀符号代表流速（速率代
38、表流速（速率变量），圆形代变量），圆形代表辅助变量。下表辅助变量。下面划线的表示驱面划线的表示驱动变量和其它外动变量和其它外界变量；实线表界变量；实线表示物质流，虚线示物质流，虚线表示信息流。表示信息流。 水分限制水分限制 氮素调控氮素调控 磷钾等养分的调控磷钾等养分的调控 病虫草害等生物灾害的影响病虫草害等生物灾害的影响 在上述生产在上述生产水平的基础上，水平的基础上，荷兰科学家进一荷兰科学家进一步提出了农业生步提出了农业生产系统分类的修产系统分类的修订方法。这种方订方法。这种方法的核心是将作法的核心是将作物生长状况分为物生长状况分为潜在的生长、可潜在的生长、可获得的生长、实获得的生长、实际
39、生长际生长三大类。三大类。 1.5 5 10ton ha-1 CO2 太阳辐射 温度 作物特性 潜在产量 可获得产量 实际产量 水分 营养 （氮、磷、钾） 杂草 病害 虫害 污染 限制因子 减产因子 决定因子 保护措施 生产水平 减产因子作物模型的结构成分作物模型的结构成分 任何一个模拟模型均可以根据其自身的特性分解成相互关联的结构成分。任何一个模拟模型均可以根据其自身的特性分解成相互关联的结构成分。例如整个作物生育及其环境系统一般可分解成六个相互关联的亚系统。例如整个作物生育及其环境系统一般可分解成六个相互关联的亚系统。第一亚系统为作物的阶段发育与物候期第一亚系统为作物的阶段发育与物候期，主
40、要是有关以温光反应为基础的茎，主要是有关以温光反应为基础的茎顶端发育阶段以及以外部形态特征变化为标志的生育时期，如小麦的小穗分顶端发育阶段以及以外部形态特征变化为标志的生育时期，如小麦的小穗分化期、小花分化期等，以及分蘖期、拔节期、抽穗期等。化期、小花分化期等，以及分蘖期、拔节期、抽穗期等。第二亚系统为作物植株的形态发生与器官建成过程第二亚系统为作物植株的形态发生与器官建成过程，包括根系、叶片、茎杆、，包括根系、叶片、茎杆、小穗、小花、籽粒等器官发生与形成的规律、数量与质量等。小穗、小花、籽粒等器官发生与形成的规律、数量与质量等。第三亚系统为植株的光能利用与同化物生产第三亚系统为植株的光能利用
41、与同化物生产，包括叶片和冠层的光合作用、，包括叶片和冠层的光合作用、呼吸作用、碳水化合物积累及生物量的计算等。呼吸作用、碳水化合物积累及生物量的计算等。第四亚系统为不同器官间的物质分配与利用第四亚系统为不同器官间的物质分配与利用，包括同化物分配系数或分配指，包括同化物分配系数或分配指数和分配量的实时变化、器官的生长和大小、产量和品质的决定等。数和分配量的实时变化、器官的生长和大小、产量和品质的决定等。第五亚系统为土壤植物大气水分关系第五亚系统为土壤植物大气水分关系，包括土壤水分的移动、吸收、蒸，包括土壤水分的移动、吸收、蒸发蒸腾、植物组织的水分平衡等。发蒸腾、植物组织的水分平衡等。第六亚系统为
42、土壤养分第六亚系统为土壤养分( (氮素氮素) )动态与植株利用动态与植株利用，包括主要养分元素在土壤中，包括主要养分元素在土壤中的转化、根系吸收、体内分配和利用等。的转化、根系吸收、体内分配和利用等。 第一至第四亚系统为作物生长模型的基础成分，且不同作物的生第一至第四亚系统为作物生长模型的基础成分，且不同作物的生长发育过程有很大的区别，其中温光条件为贯穿于各亚系统的主导因长发育过程有很大的区别，其中温光条件为贯穿于各亚系统的主导因子，直接作用于不同的生理过程，作物基因型差异则是系统运行的内子，直接作用于不同的生理过程，作物基因型差异则是系统运行的内在动力。因此，在动力。因此，第一至第四亚系统的
43、研究被认为是作物生长模拟研究第一至第四亚系统的研究被认为是作物生长模拟研究的重点。的重点。 第五和第六亚系统受气候和土壤环境因子影响较大，且通过土壤第五和第六亚系统受气候和土壤环境因子影响较大，且通过土壤与根系过程间接地作用于作物的生育过程，同时在很大程度上受到技与根系过程间接地作用于作物的生育过程，同时在很大程度上受到技术措施的调控，故需作为并行的亚系统单独进行模拟。术措施的调控，故需作为并行的亚系统单独进行模拟。 以上各结构成分通过物质和信息的交流联成一个作物生长的动态以上各结构成分通过物质和信息的交流联成一个作物生长的动态平衡系统，例如小麦生长模拟模型的结构框架见图。平衡系统，例如小麦生
44、长模拟模型的结构框架见图。 小麦生长模拟模型的结构框架小麦生长模拟模型的结构框架 光合作用 同化物库 穗 生长呼吸 茎鞘 叶片 维持呼吸 生物量 根 生理发育 时间 每日生理 效应 土壤养分平衡 土壤水分平衡 干物质分配 叶面积指数 发育进程 气象资料、土壤特性、品种参数、技术措施 Simulation Modelsl Rice/Wheat Clock Model 1) Phonological Submodel 2) Leaf Age Submodel 3) Organ Formation Submodell Canopy Photosynthesis Submodel 1) Dynamic
45、s of leaf area Index 2) Canopy photosynthesis 3) Respiration 4) Dry matter accumulation12112/)(JioJYA6/ )cos()(121JtjnJYian6/)sin()(121JtjnJYibnknOiitnbntnanAtCTtY1)sin()cos()()(365284n 0 -4 VE= ( +4)/7 -4 3 1 3 7 （半冬性） (18- )/11 7 18 0 18 /5 0 5 VE= 1 5 18 （弱春性） (30- )/12 18 30 0 30 iTiTiTiTiTiTiTi
46、TiTiTiTiTiT小麦器官形成模型小麦器官形成模型小麦器官形成与叶面积之间有如下关系： 当(n)叶片伸出时, (n-3)节间伸出分蘖. 第 n 叶伸出时，(n-2)茎节伸出。 第 n 叶伸出时，(n-3) 叶位的根系同步。叶龄与穗发育的同伸关系是： 小麦叶、茎节、穗的同伸关系 叶龄穗 发 育茎 节 发 育 倒 4 叶护颖分化第 1 节间 倒 3.5 叶小花分化第 2 节间 倒 3 叶雌雄蕊分化第 3 节间 倒 0.5 叶减熟分裂第 4 节间 剑叶出现花粉形成第 5 节间式中：式中：PHDi 是第是第i天的群体光合量；天的群体光合量；TF 是温度订正因子，是日平均温度是温度订正因子，是日平均
47、温度Ti的函的函数；数；NF是是N肥订正因子；肥订正因子；Qi是第是第i 天的太阳辐射强度；天的太阳辐射强度；是群体反射率；是群体反射率；0.47是是太阳辐射转换成光合有效辐射的系数；太阳辐射转换成光合有效辐射的系数；LAIi是叶面积指数，是叶面积指数， Di 为日长；为日长；A、B是光合作用参数，随品种和生育期而变；是光合作用参数，随品种和生育期而变；E是群体消光系数。是群体消光系数。Qi 可按下式计算可按下式计算:Qi TQi / Di这里，这里，TQi是第是第i 天的太阳辐射总量。天的太阳辐射总量。iLAI0iD)LAI(dPARA1PARBNFTFPHD)LAIE(EXPQ)1(47.
48、 0A1Q)1(47. 0 .A1LnAEBNFTFDiiii群体光合生产模型群体光合生产模型 采用采用 Monsi 积分公式和积分公式和 Beer 公式计算群光合速率公式计算群光合速率: 小麦呼吸作用模型小麦呼吸作用模型 根据McCree的研究， 呼吸作用可分为生长呼吸RG 与维持呼吸RMG二部分。 RG 与光合作用有关；RM 与植株干重与温度有关。 为 CO2 与碳水化合物(CH2O)的转换因子， 式中，Q10为呼吸的温度系数，取值 2.0；W(I) 为第 i 天的群体干重(gm-2)；Rg 为生长呼吸系数,取值为:0.30 (g CO2g-1CO2)；Rm 为维持呼吸系数，抽穗前后分别取
49、值 0.02 与 0.01(g CO2g-1CO2)。 RMRGRPGd*Rg*RG)I(WQRmRM1025T1068. 022COOCH N N 肥订正因子肥订正因子 N N 肥订正因子（肥订正因子（NFNF）需考虑以下几个因素：）需考虑以下几个因素：N N 肥施用量、土肥施用量、土壤供壤供 N N 能力。用下式表达：能力。用下式表达： 式中，式中，N N0 0为最适施为最适施 N N 量，随水稻发育阶段和量，随水稻发育阶段和 N N 肥利用率而变肥利用率而变化；化；N NS S、N NF F分别为土壤供分别为土壤供 N N 能力和施能力和施 N N 量；量； a a、b b 为模型参为模
50、型参数，一般可取发育阶段的平均值，这样可令数，一般可取发育阶段的平均值，这样可令 c c0 0。因水稻群。因水稻群体吸体吸 N N 能力有限，故一般能力有限，故一般 NFNF1.21.2。 )NNNba(NF0SF土土壤壤供供 N N 量量模模型型 作业区第作业区第 j 个小区的土壤供个小区的土壤供 N 量量(NSj)，按下式计算：，按下式计算： TNsi： 为： 为 j 小区的土壤全小区的土壤全 N 测定值；测定值； A： 小区面积；： 小区面积； Q10为土壤有机为土壤有机 N 矿化的温度系数， 取矿化的温度系数， 取 Q10=1.5；T 为全生育期平均气温；为全生育期平均气温；0.08
