RCSODS一水稻栽培计算机模拟优化决策系统

RCSODS一水稻栽培计算机模拟优化决策系统一、RCSODS的研制背景国际作物模拟研究的进展与存在问题作物生长过程的计算机模拟(以下简称作物模拟)是国际上近20年来迅速崛起的一项新技术，它的发展与应用已引起了农学家、作物生理学家、作物生态学家和农业气象学家日益广泛的兴趣。作物模拟是由荷兰的deWti和美国的Duncan同时创立的,其发展大致历经三个时期。1965一1790年为开创时期。deWit研制成玉米光合生产的计算机模型;Duncna等人(1967)发表了玉米叶面积与叶片角度对群体光合作用影响的模型。这是国际上最早的在计算机上模拟作物群体生产过程的模型。07年代是作物模拟在深度与广度上同时发展的时期。在美、荷、英、澳、日和前苏联等国家，研制成01多种作物的模拟模型，如棉花、小麦、大麦、黑麦、马铃薯、高粱、大豆、甜菜、首蓓、三叶草、向日葵和白菜等。对一些重要作物生理过程的数量化研究亦日趋深入，如Thonley(1970，1971，1977)关于作物呼吸过程模拟模型的研究;Chanter(1976)关于生长曲线的概括性研究；Charles一Edwards(1976)关于作物干物重分配模型的研究；以及Ritcihe(l972)关于蒸发模型的研究等。80年代则是作物模拟向综合化与应用化方向发展的时期。其重要标志是美国CERES模型(Cro一EnvironmentalResourceSynthesis,即作物一环境综合系统)的研制成功。同早期的作物模型相比,CERES系列在综合性与应用性两方面都有所加强，它不仅能模拟作物的生理与生长过程,还能模拟土壤养分平衡(矿化、硝化反硝化、固氮、淋溶、吸收和利用等与水分平衡(有效降水、还流、蒸发、蒸腾、土壤的垂直流动与渗漏等)。1982年之后，CERES模型在美国以外的许多国家，特别是在发展中国家，得到了广泛的验证，并被用于一些农业先进技术的传播。除CERES系列外，较为成功的模型还有：SIMCOT（Simulatorofcotton，即棉花模拟模型，Ducan，1972年），EPIC（Erosionproductivityimpaccalculator，即土壤侵蚀影响生产力计算着，Williamsetal，1989年），SICM（SoybeanintegratedCropModel，大豆综合作物模型，Jonesetal，1986）以及PenningdeVeries等研制的MACROS（主要是一年生作物的模拟模型）由于作物模拟技术向人们展示了一种全新的农业研究的方法，因此倍受青睐。与传统的研究方法相比，它有以下一些基本的优点：1，可以包容数十个乃至几百个重要因子，而传统方法一般只能处理为数很少的因子(如单因子试验、双因子试验等)；2，可以反映作物生长发育、产量形成、效益构成等内在的过程，而传统方法一般只能进行的“处理一结果”这类简单的因果分析；3，作物模拟模型有可能在不同环境、不同气候条件下模拟作物生产，而采用传统方法所得的结论常受试验地点与年份的限制；4，可以动态(逐日以至逐时)地模拟作物生长发育和其他生理过程，这是传统方法难以做到的。应该指出，作物模拟毕竟是一门年轻的学科，发展时间不长，因此不可避免地还存在着一些尚待解决的重要问题：1，还没有建立严格的方法论体系。例如，现有作物模型中各有关数学模型及其参数还往往缺乏严格的检验。2，研究重点还局限在作物生长发育、光合生产、器官形成等方面,而对作物生产与病、虫、草害的关系，作物生产与各种技术措施的关系，作物生长与经济因素的关系等都还缺乏深入的研究。3，可以直接指导生产的作物模型还为数甚少，多数仍停留在科研阶段，仅被用来说明或解释作物生产的过程。综上所述，各类作物模型尽管发展很快，但在联系生产实际方面都还做得不够。这一方面固然与某些模型(例如研究模型)的研制目标有关；但另一方面，一个很重要的原因乃是未能将作物模拟技术与作物栽培的优化原理相联系。二、RCSODS的原理自80年代以来，作者剖析了国际上20多种主要的作物模型，并有机会多次与国际上著名的、氮素动态模型、产量物模拟模型专家交谈切磋，得出如下认识:单纯地依靠作物模拟本身是难以直接指导作物生产的，必须将其与作物优化原理相结合，才能有效地指导和促进生产。RCSODS的基本原理就是将水稻模拟技术与水稻栽培的优化原理相结合，从而可以针对不同品种和不同环境，为制定水稻高产栽培的各项措施提出决策建议。RCSODS的各子系统，均以水稻模拟模型与水稻栽培的优化模型两者的结合为基础，并由此建立各种栽培措施的决策模型。当今的大多数农业决策系统，其技术路线一般都采用专家系统方法，所建的知识库、推理机等亦都建立在领域专家的经验之上。但农业是一种地域性很强的产业，农业专家的经验一般都受到地区条件的限制。以某一地区农业专家经验为基础的决策系统，一般难以在条件相差较大的其他地区应用。而RCSODS则不同，它是在作物模拟与优化原理的基础上作出决策的，因此具有较强的机理性和通用性，并且不受某一地区专家经验的限制。正因如此，它就有可能广泛地适用于不同的品种、不同的气候、不同的土壤、不同的前茬作物、不同的播期和地形条件、不同的栽培方法等。其优越性要明显高于以专家系统为基础的其他农业决策系统。三、RCSODS的数学模型RCSODS包含了100多组数学模型，可以分为两大类：一类是模拟模型，如水稻钟模型、光合生产模型、茎蘖动态模型、产量形成模型，每个模型又含有若干个子模型；另一类是水稻栽培的优化模型，如最佳季节模型、最佳叶面积动态模型、最佳茎蘖动态模型、最佳产量模型、最佳施肥决策模型上述模型均是以日为模拟时间单元。1.水稻模拟模型(1)水稻钟模型水稻钟模型包括了与水稻形态发育有关的4个子模型，即①发育期模型，②叶龄期模型，③总叶龄模型，①器官形成模型。(2)水稻发育期模型在RCSODS中，发育期模型起着时标(timescale)作用，控制着整个系统在模拟过程中何时应调用哪些子模型与相应的参数值；同时各种优化栽培决策的制定，亦是针对特定生育期的。因此生育期模型是RCSODS的核心部分。在研制发育期模型时，遗传特性和环境因素对水稻发育速率的影响都被充分考虑了。对于前者，力图将日本科学家最早提出的“三性”，即基本营养生长性、感温性和感光性用数学方程表达出来，并通过变换4个参数(K、P、Q、G)值对不同品种的“三性”进行定量描述。对于后者，不仅考虑了“三基点”温度，即上限、最适和下限温度在影响水稻发育方面所起的不同作用，而且还考虑了日长对发育的影响。水稻发育期模型成功地应用并发展了现代植物生理学中有关发育生理日的概念。模型将一个发育生理日定义为在最适温光条件下的一个昼夜循环，并假定对某个给定的水稻品种，完成特定生育期所需要的发育生理日数是恒定的。生理日数恒定原理的提出，是对传统积温法所依据的热量恒定原理(即完成特定生育期所需要的积温为常数)的改进和革命。“生理日数恒定”原理在学术界产生了较大反响:国内某些学者已将生育期模型移殖到其他作物上(李秉柏等，1991)，并取得了良好效果；在国外，自介绍水稻“钟模型”的英文论文在国际学术刊物上发表后，有20多个国家的近70位学者纷纷来函索取单行本。(3)叶龄模型叶龄模型所依据的理论同样是生理日恒定原理，即对于特定的水稻品种来说，由出苗至第n个叶片出现日所需要的叶龄生理日数是恒定的。在RCSODS中，一个叶龄生理日同样被定义为在最适温度条件下的一个昼夜循环。在计算叶龄生理日时，除考虑叶龄随着时间的推移而渐增外，还考虑了温度对叶龄发育的非线性影响。叶龄模型不仅具有模拟各叶片出现日的功能，还可用来作为预测其他物候期(如有效分羹终止期、减数分裂期等)的指标。(4)总叶龄模型在田间诊断上，总叶龄是个很重要的变量。因为许多物候期都是通过余叶龄或叶龄余数加以判断的。如果总叶龄为未知，将会给田间诊断造成困难。如何预测特定品种在不同条件下的总叶龄，是生产中哑待解决的问题。RCSODS中，对总叶龄的预测采用了生育期模型与叶龄模型相衔接的方法加以较圆满的解决。这是因为这两种模型基于相同的原理（生理日恒定），具有类似的形式，并拥有一个相近的变量。将发育期模型计算得到的由出苗至抽穗的天数(N)，代入叶龄模型中，即可得到由出苗至抽穗(将它想象成一片“叶子)，的“全叶龄”。再对“全叶龄”作简单的经验性处理，即可求得某个品种在特定地点、气候和播期条件下的总叶龄。(5）器官形成模型器官形成模型主要依据水稻叶龄或余叶龄与羹、茎、根、穗等器官发育之间的同伸关系(松岛省三等,1962；Yoshida，1981；凌启鸿等，1983)。例如，①n叶与n-3叶腋分羹的伸长同步；②n叶与n-2节间有同伸关系，或倒n叶与倒n+2节间有同伸关系，③n叶与n-3叶位的根系有同伸关系，④倒3、5叶龄与幼穗分化同步出现，等等。(6)群体光合生产模型水稻群体光合生产模型可表达为:群体光合生产=光合时间x光合面积x光合强度一呼吸系统其中，光合时间在一日之内是指从日出至日没之间的时间间隔，是所在纬度和日期的函数，可由天文公式求得；在整个生长季是指由出苗至成熟的生育期长度，可按水稻钟模型求算。光合面积是指绿叶面积，在RCSODS中，假设抽穗前叶面积的增长服从Loigistc生长方程，并受到温度的制约；抽穗后叶面积的衰减服从箕舌线分布。群体光合强度采用Monis一Saeik积分公式(王天铎，1961）进行计算，并考虑了温度对光合作用的影响。所涉及到的有关变量主要有冠层上方的水平自然光强和叶面积；参数主要有群体消光系数(K)和光合作用新技术A、B，不同的生育期取值不同，可分别由大田和实验室测定获得。将逐日的光合生产量，在全生育期内累加，即可得到光合产量。(7)产量形成模型产量形成来源于抽穗前的结构物质、储存物质(约占三分之一)，以及抽穗后的光合作用同化物(约占三分之二)(殷宏章，1965)。在RCSODS中，按抽穗前、后两个阶段的光合积累量，分别确定前、后期群体光合生产对产量的贡献。同时考虑温光条件对光合产物向籽粒转移的影响以及温光条件对粒重和结实率的影响。国内外许多学者在考虑产量形成问题时，一般是将全生育期的光合产量乘上经济系数，或只注重后期光合作用对产量形成的影响。这也是RCSODS有别于其他方法之处。2.水稻优化模型(1)最佳季节模型最佳季节的确定服从以下三项原则:①产量最高或较高；②茬口适宜；③灾害较轻，稳产性好。对于南方单季稻或双季晚稻，可利用“水稻钟”；口光合生产模型模拟并确定在当地适宜茬口下，对应于产量最高或较高、受灾较小的齐穗期温度指标，进而确定最佳齐穗期；然后根据前述“发育生理日数恒定”原理，用“水稻钟”模型逆向或正向确定相应的最佳播种期和最佳成熟期。对于稻麦两熟和三熟制早稻，可以前作成熟期与适宜秧龄为确定最佳播栽期的依据；对南方双季稻和北方单季稻，可根据当地温光条件，确定最佳播种期，之后再采用“水稻钟”模型推算相应的最佳齐穗期和最佳成熟期。(2)最佳叶面积和茎羹动态模型RCSODS在确定最佳叶面积动态时，首先抓住了几个关键生育期，分别建立适宜的叶面积指标；然后将其代入前述抽穗前、后的叶面积生长方程(Logisit或箕舌线分布)，即可得到最佳的叶面积动态。在诸关键生育期中，以抽穗期的最佳叶面积最为重要。这不仅因为抽穗前后的40天是决定水稻产量的关键时期，还因为抽穗期的最佳叶面积决定着最适穗数，而最适穗数决定着前中期最适分羹数，前中期最适分羹数决定着最适栽插基本苗，而最适基本苗又决定着分羹期与栽擂期的最适叶面积。抽穗期最佳叶面积的确定遵循作者提出的“全日补偿光强原理”(又称最大光合积累原理)，即群体基部全日真光合量正好等于全日暗呼吸量，这时群体可以实现最大的光合积累。在计算中，还综合考虑了太阳辐射、温度、温度日较差、叶片光合速率、群体消光系数等因子对抽穗期最佳叶面积的影响。拔节期最佳叶面积以水稻群体在拔节后10一15天封行为原则，其光强指标是群体基部光强为4klux左右，将其代人Mosni公式，即可求得。分蘖期最佳叶面积应以保证实现最佳穗数