第六章_作物模拟模型.pptx

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农业信息技术,李军西北农林科技大学农学院,模型与模拟模型模型（Model）是指采用简化、抽象和类比的表示方法，以文字、图形、图像、符号、实物和数学公式等形式来描述客观真实世界研究对象的系统状态和运行过程的一种研究方法。

按描述方法不同，模型可以分为：

形象模型：

建筑模型、火箭模型抽象模型：

图形模型、数学模型和概念模型模拟模型（Simulationmodel）是指模仿客观复杂系统动态变化过程的抽象模型。

第六章作物模拟模型,第六章作物模拟模型,计算机模拟模型与作物模拟模型计算机模拟模型是指反映物理世界中真实对象的数学抽象描述模型，能够模拟被研究对象的发生、发展过程，为解释现象、揭示机理、发现规律、预测未来提供有效工具。

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）,第六章作物模拟模型,作物模拟模型分类作物生长模型：

基于作物生理生态过程分析的数值模拟模型。

如作物产量、叶面积指数、生物量以及土壤水肥利用状况。

虚拟植物模型：

基于植物形态结构再现的虚拟植物结构模型。

如作物根、茎、叶、花、果、实等形态结构和水肥环境因素的时空变化。

第六章作物模拟模型,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,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

（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。

它是对气候、土壤、作物和管理复杂系统的简化表达形式。

作物生长模型对作物生长和发育的基本生理生态机制和过程的模拟，又被称为机理模型（functionalmodel）或过程模型（processmodel）。

可在全球范围内用来帮助理解、预测和调控作物的生长发育及其对环境的反应。

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）。

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）作物生长模型的特点反应“处理产量”的统计回归模型，具有经验性强、解释性差、考虑的因素少，需要的样本数较大、试验周期长、费工费时、难以外推等特点。

作物生长模型是一个模拟作物生产全过程的模拟系统，具有系统性、动态性、机制性、预测性、通用性等特点。

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与特点

（二）作物生长模型的特点系统性：

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；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；机制性：

能对主要的生理过程进行较为真实的机制性描述；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；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。

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（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。

已发表的大田作物生长模型名录（单作物专用模型）,已发表的大田作物生长模型名录（单作物专用模型）,已发表的大田作物生长模型名录（单作物专用模型）,已发表的大田作物生长模型名录（单作物专用模型）,已发表的大田作物生长模型名录（单作物专用模型）,已发表的大田作物生长模型名录,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拟模型所包含的生态因子划分,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）,

（二）作物生长模型的结构输入模块模拟模块,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,气候数据土壤数据作物数据栽培管理措施,光截获和光合作用动力学模型营养吸收和根系活动动力学模型干物质分配模型水分吸收与蒸腾模型生长和呼吸模型叶面积增长模型发育和器官形成模型衰老模型田间管理措施模型,模拟结果的数据或图形,作物生长模型的结构框图,作物生理生态过程的模拟模型,光截获和光合作用动力学模型，涉及冠层结构、辐射特性和叶片特性；营养吸收和根系活动动力学模型，涉及根系结构、土壤营养状况等；干物质分配模型，干物质在源与库间的运输、贮藏及器官间的分配；水分吸收与蒸腾模型，涉及植株和土壤的水分平衡，植株的水分状况与水分胁迫；,作物生理生态过程的模拟模型,生长和呼吸模型，干物质用于生长和呼吸的消耗；叶面积增长模型，叶面积的动态变化；发育和器官形成模型，包括阶段发育、形态发育和新器官（茎、叶、花、果、贮藏器官）的形成；衰老模型，包括根、叶等器官的衰老与死亡对作物生长的影响；田间管理措施模型，田间管理措施对光、温、水、肥的时空分布与数量改变对作物生长发育和产量的影响。

作物生长模型程序运行框图,EPIC模型源程序代码（部分）,PRNTREADKR5,13READ（KR5,300）（KDC1（I）,I=1,NKY）IF（KDC1

（1）.EQ.0）GOTO16DO14I=1,NKYIF（KDC1（I）.LE.0）GOTO1514KY（I）=KDC1（I）15NKY=I-1,KL=ANNUALSOILOUTPUTTOFILEKW1-VARIABLEIDNOS.LEAVECBLANKFORSTANDARDOUTPUT,ENTER-1TOOMIT,ORSELECTFROMCTHISLIST:

（UPTO13VARIABLES）CC,1PLAB,2PMAC,3PMST,4ORGP,5TNO3,6ONAC,7ONST,8POR,9FC,10SSFT,11ON,12ST,13BDD,PRNTREADKR5,CEPIC5125COMPLETE950505cIF（IPD.LT.6）GOTO13IF（KDC1

（1）.EQ.0）GOTO13DO11I=1,NKDIF（KDC1（I）.LE.0）GOTO1211KD（I）=KDC1（I）12NKD=I-1CKY=ANNUALOUTPUTTOFILEKW1-VARIABLEIDNOS（ACCUMULATEDCANDAVERAGEVALUES）LEAVEBLANKFORSTANDARDOUTPUT,ENTERC-1TOOMIT,ORSELECTFROMTHEKALISTABOVE:

（UPTO26VARIABLES）CREADLINE7/8CCREADLINE9,16READ（KR5,300）（KDC1（I）,I=1,NKL）IF（KDC1

（1）.EQ.0）GOTO19DO17I=1,NKLIF（KDC1（I）.LE.0）GOTO1817KL（I）=KDC1（I）18NKL=I-1,EPIC模型模拟结果（部分）,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）,第一节作物生长模型研究及其应用,四、作物生长模型的研制步骤

（一）模拟系统定义与分析首先，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。

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,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作物生长通用概念模型（姜海燕等，2008）,第一节作物生长模型研究及其应用,四、作物生长模型的研制步骤

（一）模拟系统定义与分析然后，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,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,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,作物品种逐日土壤生理遗传气象水分生态性状要素养分运转,析因法是以系数形式来分别建立温度、光照、水分和养分等环境因子对作物生长的响应模型或者效应因子模型，再采取最小法和乘积法等数学方法定量分析系数因子间的互作，简化处理多因子响应模型,系数化是指通常将光温水气肥等环境效应因子的特征值设定在01区间,第一节作物生长模型研究及其应用,四、作物生长模型的研制步骤（三）数学模型构造与程序编写在确定模拟系统概念流程模型后，通过数据分析建立各种数学模型。

要深刻理解和分析作物生产系统变量、参数及其生物学和生态学关系，采用适当数学方法构造适宜的数学模型。

可采用数据拟合曲线的线型选配技术和最小二乘法，也可采用前述的作物生产第一层次模型、第二层次模型和第三层次模型等建模思路。

建立包含生活因子数量较少、关系较为简单、描述潜在生产力的基本作物模型，逐渐增加水分、氮素、磷素等生态因子的数量，并定量描述这些生态因子对潜在生产力的胁迫程度。

通常分别构建作物、气候、土壤等作物系统各部分子模型，然后进行子模型装配，构造完整的作物系统模型。

第一节作物生长模型研究及其应用,四、作物生长模型的研制步骤（三）数学模型构造与程序编写在程序模块设计和编程时，要将主程序和子程序设置成合理的模块化结构，突出模块的可读性和解释性，增强可改性和灵活性，采用表现友好的人机界面，便于用户操作，减少模型运行时间。

绘制计算机程序流程图，划分各子程序及其主次关系、先后次序、分支关系、汇合关系和反馈关系等，以便农学家、数学家和程序员等模型开发者记录和理解程序中的复杂关系。

作物模型编程语言包括模拟算法编程语言和界面编程语言。

模拟算法编程语言通常采用VisualFortran和VisualC+。

还需要编写模型数据输入和输出子模型程序，确定适宜的输入输出内容和形式，便于用户操作。

第一节作物生长模型研究及其应用,四、作物生长模型的研制步骤（四）模型验证、检验与改进,实际上，作物生长模型的开发工作是一个不断补充、修改和扩充的完善过程，需要逐步的进行升级和换代，直至日趋完善和成熟。

五、作物生长模型研究进展,第一节作物生长模型研究及其应用,作物生长模型研究是作物学科和计算机学科新兴的交叉研究领域以美国和荷兰开始时间最早，研究力量较强，研究水平也较高。

荷兰的deWit（1965）和美国的Duncan（1967）率先相继发表了对作物群体光合作用的模拟模型。

五、作物生长模型研究进展,第一节作物生长模型研究及其应用,荷兰：

瓦格宁根大学，deWit，Keulen，PenningdeVries，相继研发了作物初步模拟模型ELCROS（ElementalCropSimulation）（deWit，1969）作物生长基础模拟模型BACROS（deWit，1978）水分决定牧草产量模型ARIDCROP（Keulen，1986）简单通用作物模拟模型SUCROS（Simpleanduniversalcropgrowthsimulator）（Keulen，1982）一年生作物生长模拟模型MACROS（PenningdeVries，1989）世界粮食研究模型WOFOST（Boogaard，1998）等。

荷兰的模型研究强调生物机理性和作物共性，对作物的形态发育和阶段发育上的差异性描述相对薄弱。

第一节作物生长模型研究及其应用,五、作物生长模型研究进展美国Ritchie、Baker、Williams等先后研发了30多个单作物专用模型和数十种多作物通用模型,第一代棉花模型SIMCOT和第一代玉米模型SIMAIZ（Duncan，1971，1975）作物与环境资源综合系统CERES（CropEnvironmentResourceSynthesisSystem）系列模型（包括小麦、玉米、水稻、大麦、谷子、高粱等作物）（Ritchie等，1985，1986，1986，1990，1989，1990）棉花生长模型与棉花生产管理系统GOSSYM/COMAX（Baker，1983）等,土壤侵蚀和土地生产力评价模型EPIC（Erosion/ProductivityImpactCalculator）（Williams，1984）包含氮素、耕作与残茬管理的作物模型NTRM（Shaffer，1987）作物系统模型Cropsyst（Stockle，1991）2种植物竞争生长模型ALMANAC（Kiniry，1991）等,第一节作物生长模型研究及其应用,五、作物生长模型研究进展美国还开发了包含多种单作物专用模型的农业技术转让决策支持系统DSSAT（DecisionSupportSystemforAgrotechnologyTransfer）（Tsuji，1994）基于EPIC的作物生产与管理模型CROPMAN（CropProductionandManagementModel）（Gerik等，2003）等美国的作物模型研究强调“气候土壤作物管理”系统的综合性与解决问题的实用性。

五、作物生长模型研究进展,第一节作物生长模型研究及其应用,澳大利亚、加拿大、英国等国也已开发出了若干较有影响的作物生长模型。

棉花模型OZCOT（Hearn，1994）作物生产力、径流与保护性耕作技术评价模型PERFECT（Littleboy，1993）农业生产系统模拟器APSIM（AgriculturalProductionSimulator）（CSIRO，2001）,小麦生长模型AFRCWHEAT（Porter，1993）等,春小麦生长和产量模拟模型CROPSIMWHEAT（Hunt，1995）,澳大利亚,加拿大,英国,第一节作物生长模型研究及其应用,五、作物生长模型研究进展我国高亮之、戚昌瀚、曹卫星、潘学标等相继研制出以水稻钟模型为核心的水稻生长模型RICEMOD（高亮之等，1989）小麦生长发育模拟模型WHEATSM（冯利平等，1997）棉花栽培计算机模拟决策系统COTSYS（冯利平等，1999）基于前述模型的作物栽培模拟优化决策系统CCSODS（CropCultivationSimulationOptimizationDecisionmakingSystem）系列RCSODS、WCSODS、MCSODS和CTSODS（水稻、小麦、玉米、棉花）（高亮之等，1991，1999；郑国清，高亮之等，2001；冯利平，高亮之等，2000）水稻生长日历模型RICAM（戚昌瀚等，1991）水稻模拟模型RSM（骆世明等，1992）水稻苗情动态模拟模型RSSM（邹应斌，1993）棉花生长发育模拟模型COTGROW（潘学标等，1996）基于CERES模型的小麦玉米连作智能决策系统（诸叶平等，2001）等,五、作物生长模型研究进展,第一节作物生长模型研究及其应用,南京农业大学经过对小麦、油菜、棉花、水稻等作物生长发育和产量形成机理的细致研究和总结集成，建立了小麦、油菜、棉花和水稻生长模拟模型（曹卫星，1996；严春美，曹卫星等，2000，2001；李存东，曹卫星等，2001；张立祯，曹卫星等，2003）,中国作物模型研究注重将作物生长模型、栽培优化模型或知识模型与专家知识相结合，研制粮棉油等各种栽培模拟优化决策系统,五、作物生长模型研究进展,第一节作物生长模型研究及其应用,据不完全统计，经过40年的研究开发，全世界已开发出了包括大田作物、园艺作物、森林树木和草原牧草在内的各种作物模型愈百个。

第一节作物生长模型研究及其应用,五、作物生长模型研究进展国外发达国家作物生长模拟技术已历经了40多年的理论研究和实践探索，初步形成了较为有效的研究理论和方法体系。

我国经过20多年对作物模拟模型技术的学习和引进、研究和应用，初步建立了一支作物模拟研究的人才队伍，在作物模型研究和应用的理论和技术方面也积累了一定的经验，取得了一定的成绩，但和发达国家相比，仍然有较大差距。

我国作物模拟研究队伍人员数量少、力量分散、合作研究少，研究项目少，研究经费不足。

和世界著名作物模型相比，我国研究的作物模型在科学性、实用性、通用性上仍有明显差距，有待于进一步提高。

六、著名作物生长模型简介,第一节作物生长模型研究及其应用,

（一）DSSAT模型DSSAT（DecisionSupportSystemforAgrotechnologyTransfer）模型是在19831993年美国IBSNAT（国际农业技术转化基准站网络）计划资助下、在1994至今的ICASA（国际农业系统应用协会）组织下，相继由夏威夷州立大学、佛罗里达大学和乔治亚州立大学等多家研究机构长期协作，将已开发的CERES、CROPGRO、SUBSTOR、CROPSIM、CANEGRO等系列26种单作物专用模型与CENTURY模型中土壤碳素和氮素模拟模型集成，组装成具有共同用户界面的通用作物系统模型CSM（CroppingSystemModel）。

2000年以前发布的DSSAT2.1、3.0和3.5版本是DOS版，2000年以后发布的DSSAT4.0和4.5版本是Windows版。

第一节作物生长模型研究及其应用,六、著名作物生长模型简介

（一）DSSAT模型,DSSAT4.0模型结构,第一节作物生长模型研究及其应用,六、著名作物生长模型简介

（二）EPIC模型侵蚀和生产力影响计算模型EPIC（ErosionProductivityImpactCalculator），现在改称为环境政策综合气候模型（EnvironmentalPolicyIntegratedClimate）是一种综合性多作物通用型土壤作物系统过程模拟模型，是美国农业部农业研究局草地土壤和水分研究所、德克萨斯州农工大学J.R.Williams等研制的定量评价“气候土壤作物管理”综合系统的动力学模型（Williams，etal.,1989,1990）。

六、著名作物生长模型简介,第一节作物生长模型研究及其应用,

（二）EPIC模型EPIC模型自1984年首次发布以来，经过了连续多年不断修订和广泛验证能够逐日定量模拟气候变化、径流与蒸散、水蚀与风蚀、养分循环、农药迁移、植物生长、土壤管理、经济效益分析等过程与环节，能够输出逐日作物生长和产量、逐日分层土壤水分和养分模拟结果特别适合于土壤作物系统过程综合模拟和分析，分析和预测水土资源利用和作物生产力长周期动态变化过程，评价农业生态系统管理策略和水土资源环境效应,作物生长,模拟结果,耕作,土壤,作物营养,土壤侵蚀,作物环境,数据输入,水文学,气象数据,结果输出,肥料数据,作物管理过程,作物数据,农机具数据,农药数据,农场数据,土壤数据,作物系统,气象数据,运行数据,结果输出,EPIC,模型结构及其运行过程,第一节作物生长模型研究及其应用,六、著名作物生长模型简介（三）APSIM模型APSIM（AgriculturalProductionSystemsSimulator）是由澳大利亚联邦科工组织CSIRO、昆士兰州政府、昆士兰大学等机构联合组建的APSRU（AgriculturalProductionSystemsResearchUnit）开发研制的农业生产系统模拟模型，其最新版本为2009年11月发布的APSIM7.1。

APSIM模型由生物物理模块（biophysicalmodule）、管理模块（managementmodule）、数据输入和输出模块（datainputandoutputmodule）、模拟引擎（simulationengine）等4部分组成,APSIM模型结构（冯利平，2009）,第一节作物生长模型研究及其应用,六、著名作物生长模型简介（三）APSIM模型APSIM模型采用“插拔”式模块化结构设计，包括多种作物、草原和树木、土壤水分平衡、氮磷运转、土壤pH、土壤侵蚀