作物生长模拟模型及其在设施园艺生产中的应用

基金项目辽宁省教育厅科学技术研究项目。

作者简介李东（１９７２－），男，辽宁北镇人，在读博士，助理研究员，从事蔬菜栽培与生理生态研究。

＊通讯作者。

收稿日期２００７!０１!０８作物生长模拟模型是作物科学和计算机科学交叉产生的新兴研究领域。

作物生长模拟模型是应用系统分析和计算机技术，综合作物生理、生态、农业气象和农学等学科研究成果，将作物与其生态环境因子作为一个系统进行动态的定量分析和生长模拟研究［１］。

计算机技术和人工智能技术在农业管理和决策上的迅速发展，使作物生长模拟模型的研究逐渐深入，在农业科研和生产上的应用日趋广泛。

１作物生长模拟模型的发展现状１．１国外作物生长模拟模型的研究进展２０世纪６０年代中期，以ＤｅＷｉｔＣＴ［２］在计算机上模拟玉米等作物冠层的光合速率为标志，不少国家在作物生长模拟模型方面进行了研究。

近４０年来，作物生长模拟模型在经历了初创阶段、发展阶段，已向综合化与应用化方向发展。

目前，荷兰、美国、英国、日本、澳大利亚、以色列等已对多种作物建立了生长模拟模型，作物涉及到玉米、小麦、棉花、大麦、黑麦、马铃薯、高粱、大豆、甜菜、苜蓿、向日葵、白菜等。

研究领域涉及光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、太阳辐射、物质生产和分配、生育进程、形态建成、根系生长、冠层微气候、土壤氮素运行和土壤水分状况等［３］，并已应用到作物产量预测、作物育种和生产管理等方面。

荷兰的作物生长模型以综合作物生理生态的研究为主，注重模型的理论性研究，如作物生长模拟器ＢＡＣＲＯＳ［４］和模拟１年生作物生产潜力模型ＭＡＣＲＯＳ［５］；美国的模型开发注重“天气、作物、土壤、管理”等综合作用的结果，强调模型的实用性，代表模型有在国际上影响较大的模型ＣＥＲＥＳ［６］和棉花模拟模型ＧＯＳＳＹＭ［７］。

其中最成功的例子是美国农业部农业研究服务中心作物模拟研究所１９８５年研究的棉花管理专家系统ＣＯＭＡＸ!ＧＯＳＳＹＭ。

ＣＯＭＡＸ能在农场内为棉花管理提供咨询，用于确定灌溉、施肥、施用脱叶剂和棉桃开裂的最佳方案。

１．２我国作物模拟模型的研究进展我国作物生长模拟模型研究起步较晚，２０世纪８０年代初引进荷兰和美国的模型，在学习借鉴的基础上，取得了较大的发展，逐渐形成有中国特色的作物生长模拟模型。

１９９１年，科技部把农业专家系统等农业信息技术列入８６３计划重点课题，开展了针对农业领域的智能化农业专家系统、农业系统模拟模型及实用农业信息管理系统等方面的研究与推广应用工作，在水稻、小麦、棉花、玉米生长发育动态模拟研究与应用上，取得较大进展。

２０世纪９０年代初江苏省农业科学院等单位研制的作物计算机模拟优化决策系统（ＣＣＳＯＤＳ）已见雏形，现已逐渐完善，它是我国第一个大型的应用性作物生长模拟模型。

此外，我国的作物生长模拟模型已开发出的知名模型有：戚昌瀚（１９９４）的水稻生长日历模型ＲＩＣＡＭ［８］，邹应斌（１９９４）的水稻苗情动态模拟模型ＲＳＳＭ［９］，潘学标（１９９６）的棉花生长发育模拟模型ＣＯＴＧＲＯＷ［１０］，夏北成（１９９０）开发的评价小麦产量病虫为害损失的麦田生态系统模拟模型等［１１］，顾慰连（１９８９）的甜玉米生长发育和产量形成的数学模型。

２０多年来，我国作物生长模拟模型的发展，正以生长模拟模型研究为基础，与建立专家知识库系统、部分参数的实时采集处理系统和技术经济评估系统相结合，并向能够帮助用户完成生产与经营管理等半结构化决策任务提供友好的作物生产管理辅助决策支持系统的方向发展，关于农田施肥、不同作物栽培管理、病虫害预测预报、农田灌溉等农业专家系统的研究开发成果已在生产应用中发挥了重要作用。

基于模拟模型的智能化农业专家系统得到了“８６３”高技术研究发展计划项目的支持，迄今已在吉林、北京、安徽、云南等地建立了４个智能化农业专家系统试验示范区，并进行了较大面积的辐射应用推广，取得了良好的经济效益和社会效益。

２作物生长模拟模型在设施园艺中的应用２．１在设施园艺中应用的重要性２０世纪９０年代以来，世界各国为合理利用资源，提高农作物产量，降低生产成本，改善生态环境，提出“精细农作”的想法，其成为２１世纪最富有吸引力的前沿性研究领域之一。

作物生产管理决策支持技术是精细农业的主要支持技术；作物生产管理计算作物生长模拟模型及其在设施园艺生产中的应用李东，徐坤鹏，周宝利＊（沈阳农业大学，辽宁沈阳１１０１６１）摘要介绍了作物生长模拟模型在国内外的发展现状和应用效果，以及作物生长模拟模型在设施园艺中的应用现状；分析了建立园艺作物生长模拟模型的可行性、必要性；提出了建立园艺作物生长模型的策略，并对作物生长模拟模型在设施园艺中的应用前景进行了展望。

关键词作物生长模拟模型；设施园艺；应用中图分类号Ｓ６２６文献标识码Ａ文章编号０５１７－６６１１（２００７）１１－０３１４１－０２ＣｒｏｐＧｒｏｗｔｈＳｉｍｕｌａｔｅｄＳｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＨｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒａｌＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＬＩＤｏｎｇｅｔａｌ（ＳｈｅｎｙａｎｇＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ１１０１６１）ＡｂｓｔｒａｃｔＰｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｒｏｐｇｒｏｗｔｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｉｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅｗａｓａｌｓｏｅｌａｂｏｒａｔｅｄ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｎｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｇｒｏｗｔｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓａｓｗｅｌｌａｓｇｒｏｗｔｈｍｏｄｅｌｓｆｏｒｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒａｌｃｒｏｐｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒａｌｃｒｏｐｇｒｏｗｔｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｉｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＣｒｏｐｇｒｏｗｔｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓ；Ｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅｕｎｄｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ安徽农业科学，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎｈｕｉＡｇｒｉ．Ｓｃｉ．２００７，３５（１１）：３１４１－３１４２，３１４５责任编辑姜丽责任校对王淼机辅助决策支持系统（ＤＳＳ）是应用计算机信息处理技术，其综合现代农业科学技术成果，制定作物生产管理措施实现处方农作的基础，它包括模型库、数据库、知识库和方法库。

其核心部分就是作物生长模拟模型，因而决策支持系统的水平体现在模型的建立上。

工厂化设施农业是一个高效农业生产体系，同时也是生物工程、系统工程、信息工程和控制工程紧密结合的农业生产体系，它正在向着自动化控制水平更高，生产效率更高，集约化、专业化以及水平更高，投资回报率更高的方向发展。

如何实现设施环境的优化控制与管理是温室生产的关键所在。

研究作物本身对环境变化的反应，并建立相应的数量关系，通过这种定量的关系，提供温室环境最有效的控制管理策略或方案。

但由于温室系统的主体是作物，所以是否在控制系统中应用作物生长模拟模型，是衡量该系统综合性能的重要指标。

２．２在设施园艺中的应用进展近２０年来，国外兴起了研究设施作物生长模拟模型的热潮，并取得较大地进展。

由ＤｅＫｏｎｉｎｇ建立的关于番茄植株和果实发育的模拟模型（ＴＯＭＳＩＭ１．０）［１２］，是以番茄干物质生产与干物质分配为主的生长发育的动力学模型。

Ｍａｒｃｅｌｌｉｓ在Ｇｉｊｚｅｎ的黄瓜干物质生产模拟模型（ＩＮＴＫＡＭ）和Ｍａｒｃｅｌｌｉｓ的黄瓜干物质分配和果实生长模拟模型基础上，于１９９８年建立了关于预测黄瓜生产和品质的模型（ＫＯＳＩ１．０）［１３］，它对黄瓜生产和品质的预测较好。

Ｇｉｊｚｅｎ等建立了关于温室作物和温室气候的综合模型（ＨＯＲＴＩＳＩＭ）［１４］。

这几个模型是目前温室园艺作物生长模拟模型研究发展的典型代表。

ＫＯＳＩ（１．０）是一个预测黄瓜每周的鲜重生产以及收获时单个果实的鲜重和发育阶段的机理模型。

它是在模拟干物质生产的ＩＮＴＫＡＭ模型（Ｇｉｊｚｅｒ，１９９４）和模拟干物质分配及果实生长的Ｍａｒｃｅｌｉｓ模型（１９９４）的基础上发展起来的。

后两者是评价黄瓜果实质量的主要标准。

此模型由以下模数组成：温室中光的传透率，作物对光的吸收，叶片和冠层的光合作用，同化物的分配，干物质的分配，干物质生产，果实生长，果实干物质含量以及果实的收获。

ＨＯＲＴＩＳＩＭ是关于温室作物和温室气候的一个动力学机理模型。

ＨＯＲＴＩＳＩＭ包含７个次模型（天气、温室气候、土壤、作物、温室管理、土壤管理和作物管理）和１个模拟进程管理所组成。

ＨＯＲＴＩＳＩＭ组成的大部分已经形成别的模型或次模型，次模型在合适的步长条件下称为Ｔａｓｋ，Ｔａｓｋ分为进程（ｐｒｏｃｅｓｓ），而进程又分为次进程（ｓｕｂｐｒｏｃｅｓｓ）。

在某一时刻，次模型、Ｔａｓｋ、进程、次进程是强相关的，并由模拟进程管理统一控制。

ＨＯＲＴＩＳＩＭ的一个重要特征是可以通过强制函数来激活或关闭以及代替不同的次系统来改变它的结构，而且，许多Ｔａｓｋ或进程可通过选择性的描述代替，以便使用者选择。

在国内，设施园艺作物生长模拟模型研究刚刚起步，比较成熟的园艺作物生长模拟模型还不多。

孙忠富等在消化吸收国外研究成果的基础上，针对我国的环境特点和资源特性初步建立了以太阳辐射为基本驱动因子的温室番茄生长发育模拟模型［１５］。

李萍萍等建立了温室中生菜生长动态及生产潜力的模拟模型［１６］。

３建立设施园艺作物模拟模型的策略３．１园艺作物建立模拟模型的特点及可行性国内园艺作物模拟模型的研究工作才刚刚起步，虽有几个用于生产管理的专家系统正在研制中，但还没有基于园艺作物模拟模型的智能决策系统。

温室中园艺作物的生长具有复杂性、精确性和多样性［１７］，在建模和模型的参数选定上与大田作物的差异较大，这无疑增加了模型研制的难度。

但随着信息技术和智能决策技术的迅速发展并向农业领域的渗透，特别是大田作物模拟模型研究的可借鉴之处，使基于园艺作物模拟模型的智能决策系统的研制成为可能。

３．２建立设施园艺作物模拟模型策略３．２．１从栽培技术出发。

从栽培技术定量化或半定量化出发，建立各项栽培管理规范的量化模式、园艺作物产量形成的特性和各种栽培技术措施与产量相关关系的知识模型，包括播期、栽培密度、温度、光照、水肥管理、病虫害防治等对产量影响的分析，从模型上来实现以最小投入获取最佳效益的机制。

３．２．２从生理指标出发。

建立与园艺作物相关的生长发育模拟及有关生理生态指标的模拟。

初级模型建立比较简单，包括园艺作物植株各部分与光合相关的动态生长发育模拟，并逐渐发展以干物质分配为核心，对生长进行定量测定，描述产量的形成过程。