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农业信息技术第六章作物模拟模型3作物生长模型研究及其应用虚拟植物模型研究及其应用作物生长与产量形成的数学模拟原理EPIC模型应用示例第六章作物模拟模型以作物或植物为对象的计算机模拟模型被称为作物模拟模型（CropSimulationModel）根据其研究内容和模拟技术的差别，通常可以分为基于作物生理生态过程分析的数值模拟模型和基于植物形态结构再现的虚拟植物模型二类，前者通常简称为作物生长模型，后者简称为虚拟植物模型。第一节作物生长模型研究及其应用一、作物生长模型的概念与特点二、作物生长模型的类型与结构三、作物生长模拟原理四、作物生长模型的研制步骤五、作物生长模型研究进展六、著名作物生长模型简介七、作物生长模型的应用领域八、作物生长模型研究发展趋势一、作物生长模型的概念与特点第一节作物生长模型研究及其应用（一）作物生长模型的概念作物生长模型，其全称为作物生长模拟模型（CropGrowthSimulationModel），简称为作物模型（CropModel），是指能定量地和动态地描述作物生长、发育和产量形成的过程及其对环境反应的计算机模拟程序。又被称为机理模型（functionalmodel）或过程模型（processmodel）。作物生长模型的开发和应用过程，称为作物生长模拟（CropGrowthModeling）或作物模拟（CropModeling）。一、作物生长模型的概念与特点第一节作物生长模型研究及其应用（二）作物生长模型的特点①系统性：能对作物的生理过程和生态环境系统进行系统的全面的分析与描述；②动态性：逐时或逐日的描述各种生理生态过程和状态的动态变化；③机制性：能对主要的生理过程进行较为真实的机制性描述；④预测性：能在给定条件下对作物系统的未来发展动态进行定量描述；⑤通用性：适用于任何地点、时间和作物品种，不受地区、时间、作物品种和栽培技术的限制。一、作物生长模型的概念与特点第一节作物生长模型研究及其应用（三）作物生长模型的作用和功能作物生长模型研究是对作物生产系统所涉及的气象、土壤、肥料、生理、栽培、水利、生态等不同学科的知识综合和关系量化，能促进作物生长发育基本规律和田间管理知识由传统定性描述向定量分析转变，深化了作物系统过程定量化认识和数字化表达，并能鉴定作物学科已有知识的积累程度和空缺情况，明确学科新的研究方向。作物生长模型的主要作用是能够帮助人们深刻理解和认识作物生产系统的基本规律和量化关系，并对系统动态行为和最终表现进行预测，从而辅助生产者对作物生产系统进行适时合理调控，实现作物生产的高产、高效、优质、生态、安全的可持续发展。第一节作物生长模型研究及其应用二、作物生长模型的类型与结构（一）作物生长模型的类型按照模型所描述的作物种类，作物生长模型可分为单作物专用模型和多作物通用模型。单作物专用模型（modelforsinglecropspecie）是根据某一具体作物的生理生态特性开发研制而成并专门用于该作物生长模拟的模型。多作物通用模型（modelformultiplecropspecies）是根据各种作物生理生态过程的共性研制而成模型的主体框架，再结合各种作物的生长参数和田间管理参数分别进行各种作物的生长模拟。作物模型名称作者或发表者及发表年份小麦CERES-WheatRitchie（1985）CERES-Wheat（氮素版）Godwin等（1985）TAMWMaas和Arkin（1980）（未定名）Aggarwal等（1989）SIMTAGStapper（1984）WHEATSM冯利平（1997）CROPSIM-WHEATHunt等（1995）AFRCWHEATPorter等（1993）WCSODS高亮之等（1998）WheatGrow曹卫星等（1996）已发表的大田作物生长模型名录(单作物专用模型)作物模型名称作者或发表者及发表年份玉米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孙睿等（1997）（未定名）尚宗波等（1999）（未定名）郑国清等（2000）已发表的大田作物生长模型名录(单作物专用模型)作物模型名称作者或发表者及发表年份水稻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骆世明（1992）RSSM邹应斌等（1993）高梁CERES-SorghumAlagarwamy等（1990）SORGFArkin等（1976）SORKAMRosenthal等（1989）RESCAPMontieth等（1989）已发表的大田作物生长模型名录(单作物专用模型)作物模型名称作者或发表者及发表年份谷子CERES-milletRitchie等（1989）大麦CERES-BarleyRitchie等（1989）马铃薯POTATONg和Loomis（1984）POTATO（修订版）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）已发表的大田作物生长模型名录(单作物专用模型)作物模型名称作者或发表者及发表年份棉花GOSSYMBaker等（1983）COTCROPBrown等（1985）COTTAMJackson等（1988）COTGROWilsonCOTGROW潘学标等（1996）OZCOTHearn等（1994）CTSODS马新明等（1996）苜蓿ALSIMI（level2）Fick（1981）ALFALFADenison和Loomis（1989）SIMEDHolt（1975）已发表的大田作物生长模型名录(单作物专用模型)类型模型名称作者或发表者及发表年份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陈家麟等（1994）PERFECTLittleboy等（1989）APSIMAPSRU（2001）SPWS胡克林等（2007）已发表的大田作物生长模型名录(多作物通用模型)第一节作物生长模型研究及其应用二、作物生长模型的类型与结构（一）作物生长模型的类型层次名称模拟模型所包含的生态因子出现年代温度辐射水分平衡和水分有效性氮素有效性、氮肥效应及与水分和气候因素的交互作用所有其它因子第一层次模型光温潜力模拟模型√√1980年以前第二层次模型光温水潜力模拟模型√√√1980～1985年第三层次模型光温水氮潜力模拟模型√√√√1985年以后第四层次模型现实产量模拟模型√√√√√目前尚无第一层次模型关系图（PenningdeVries等，1989）（引自潘学标，2003）第二层次模型关系图（PenningdeVries等，1989）（引自潘学标，2003）第三层次模型关系图（PenningdeVries等，1989）（引自潘学标，2003）输入模块模拟模块输出与分析模块第一节作物生长模型研究及其应用二、作物生长模型的类型与结构（二）作物生长模型的结构气候数据土壤数据作物数据栽培管理措施⑦发育和器官形成模型⑧衰老模型⑨田间管理措施模型①光截获和光合作用动力学模型②营养吸收和根系活动动力学模型③干物质分配模型④水分吸收与蒸腾模型⑤生长和呼吸模型⑥叶面积增长模型模拟结果的数据或图形作物生长模型的结构框图第一节作物生长模型研究及其应用三、作物生长模拟原理（一）作物生长模型的建模原理假设作物生产系统的状态在任何时刻都能够定量表达，该状态中的各种物理、化学和生理机制的变化可以用各种数学方程加以描述;还假设作物在较短时间间隔（如1h）内物理、化学和生理过程不发生较大的变化，则可以对一系列的过程（如光合、呼吸、蒸腾、生长等）进行估算，并逐时累加为日过程，再逐日累加为生长季，最后计算出整个生长期的干物质产量或可收获的作物产量;还假设同一作物的不同植株在田间都是均匀一致的，具有相同生长发育进程。典型作物生长模型流程图（曹卫星，2005）第一节作物生长模型研究及其应用三、作物生长模拟原理（二）作物生长模型的模拟过程作物生长和产量模拟中的难点是对作物生长持续期、生长速率以及由于水分、营养及极端温度引起的胁迫的模拟。单株生长发育模拟（播种→成熟）逐日气象数据阶段形态发育面积扩大体积扩大质量增长单位面积上的作物产量单位面积上的植株密度生物学产量×经济系数描述了穗的分化、生长和籽粒灌浆时的干物质分配等生理过程，以穗粒数和单粒重来计算经济产量第一节作物生长模型研究及其应用三、作物生长模拟原理（三）作物生长模型的模拟范围已开发的绝大多数模型的模拟范围属田间水平（FieldLevel），适用于田间范围内生态条件相对一致的情况。对农场或较大范围的区域进行作物产量模拟时，则需要按照光、热、水、土等生态条件相对一致性进行分区模拟，然后加权计算全区域作物产量。称为区域水平（RegionalLevel）的模拟。若将作物模拟模型与地理信息系统（GIS）结合，可有效地利用（GIS）中的土壤和生态条件数据进行区域性作物产量模拟，得出全县、全省和全国的作物产量农业与环境地理信息系统(AEGIS/WIN)的主要组成（Engel等，1997）（潘学标，2003）四、作物生长模型的研制步骤第一节作物生长模型研究及其应用（一）模拟系统定义与分析为保证作物生产系统相对一致性，大多数模型的空间尺度一般为农田尺度。为了合理描述系统变量变化动态，大多数模型的时间步长一般为1天。作物生产系统成分一般包括作物和土壤，而气象条件、农产品输出等作为系统环境。作物及其环境系统通常分为作物阶段发育与物候期、植株形态发生与器官建成、植株光能利用与同化物生产、不同器官间干物质分配与利用、土壤－作物－大气水分平衡、土壤养分动态与作物利用等6个亚系统首先，应对作物生产系统进行实地深入调查，确定模拟系统边界和尺度，划分系统成分和系统环境，分析系统结构和功能。作物生长通用概念模型（姜海燕等，2008）四、作物生长模型的研制步骤第一节作物生长模型研究及其应用（一）模拟系统定义与分析云朵代表系统输入源小室代表系统状态变量开关代表过程速率变量以实线代表物质流以虚线代表信息流然后，明确模型参数和系统变量，制定模拟系统目标，绘制系统框图和结构动态图。采用分室模型符号，如四、作物生长模型的研制步骤第一节作物生长模型研究及其应用（二）数据获取与量化处理试验测定文献查阅合作交流土壤－作物系统的详细试验研究数据系统参数状态变量的定量表达式或者算法程序析因法系数化作物生理生态品种遗传性状逐日气象要素土壤水分养