冬小麦夏玉米两熟制周年决策支持系统.docx

冬小麦夏玉米两熟制周年决策支持系统.docx

《冬小麦夏玉米两熟制周年决策支持系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《冬小麦夏玉米两熟制周年决策支持系统.docx（70页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

冬小麦夏玉米两熟制周年决策支持系统

冬小麦—夏玉米两熟制周年决策支持系统

赵巧丽

摘要i

ABSTRACTiii

第一章文献综述与研究目的1

1作物模拟模型概述1

1.1作物模拟模型的涵义和特点1

1.2作物模拟模型的应用2

1.3作物模拟模型研究现状3

1.4国内外主要冬小麦夏玉米模型4

1.5作物模拟模型研究存在的问题和发展方向6

2决策支持系统的研究概况7

3冬小麦夏玉米的生理生态及模拟研究进展8

3.1冬小麦夏玉米水分氮素的生理研究进展8

3.2冬小麦夏玉米水分氮素的动态模拟进展8

4本研究的目的和意义8

第二章研究思路与方法14

1研究思路14

2资料来源14

2.1大棚试验14

2.2田间试验15

3气象和水文资料的收集16

4模型的建立16

4.1模型的构建16

4.2模型检验16

5系统开发17

第三章土壤温度预测模型的构建19

1材料与方法19

1.1试验19

1.2分析方法19

2结果与分析19

2.1同一深度不同水分条件下土壤温度间的差异19

2.2同一水分条件下不同深度土壤温度与气温的日变化20

2.3不同深度土壤温度与日平均气温的关系22

2.4土壤平均温度与日平均气温的关系22

2.5土壤温度的预测模型23

3结论与讨论23

第四章冬小麦—夏玉米生长发育模型的构建26

1夏玉米的品种选择26

2冬小麦夏玉米生长发育模型27

2.1冬小麦生长发育模型27

2.2玉米生育期模型28

2.3叶龄模型30

2.4玉米LAI模拟30

2.5土壤水分平衡模型31

3模型检验33

4讨论与结论33

第五章冬小麦—夏玉米周年决策支持系统36

1系统组成36

1.1数据库36

1.2模型库37

1.3模型字典37

1.4人机接口与用户界面38

2系统主要功能37

2.1数据管理38

2.2品种参数调整38

2.3常年决策38

2.4当年决策38

2.5经济与效益分析评价39

2.6系统帮助39

3系统应用与测试39

3.1系统开发环境与工具39

3.2系统应用39

3.3系统验证39

4结论与讨论45

第六章讨论与结论48

1讨论48

1.1品种选择48

1.2玉米生育期模拟48

1.3冬小麦—夏玉米周年决策支持系统49

1.4本研究的特色及今后的研究设想49

2结论50

附录52

本文主要参数与变量声明52

攻读硕士期间撰写的论文55

致谢57

冬小麦—夏玉米两熟制周年决策支持系统

摘要

作物生长模拟模型与决策支持系统的研究与应用对于农业生产的信息化和数字化具有重要的理论与实践意义。

经过数十年的研究与发展，目前已经有数以百计的作物生长模拟模型，但是绝大部分生长模拟模型只考虑单季作物，较少考虑前茬后茬的影响，实际应用尚显不足。

本研究以我国北方地区冬小麦夏玉米一年两熟种植模式为研究对象，建立了冬小麦—夏玉米周年管理决策支持系统，对于提高模型的实用性和实现该地区的农业信息化等都具有重要意义。

获得的主要结果如下:

1.通过查阅文献资料，根据决策地区年内活动积温、茬口所能提供的作物生长天数以及玉米完成正常生长发育对温度的需求三个条件，对冬小麦收获后后茬夏玉米的种植方式和品种进行选择。

2.研究了不同土壤水分条件下气温和土壤温度的关系。

同一深度土壤含水量越低，土壤温度受气温影响越明显，且随着土壤深度的增加，同一深度土壤在不同水分条件下的土壤温度间的差异逐渐减小。

求取0~10cm和0~15cm土壤温度平均值，分别与气温进行回归分析，结果表明，55%~65%、65%~75%和75%~85%三个土壤水分水平下0~10cm土壤平均温度与气温的回归确定系数均达到0.8以上，两者间具有较好的相关性，通过气温预测0~10cm土壤平均温度可行。

3.适时套播是套播玉米成功的关键条件之一。

玉米出苗前主要受土壤温度和土壤湿度的影响，根据土壤温度和土壤湿度建立的玉米播种到出苗模型，机理性强，对准确模拟套播条件下玉米出苗期具有重要意义。

通过土壤湿度和气温预测的土壤温度对玉米播种到出苗进行模拟，结果表明，模型可以准确模拟玉米出苗期。

根据冬小麦收获时间及此时玉米达到3叶期的要求，逆推即可以得到玉米的适宜套播日期。

4.在冬小麦夏玉米生长发育模拟模型基础上，耦合土壤水分平衡模型，根据作物的播种和收获时间调用下一季水分模拟所需的作物参数，实现冬小麦夏玉米土壤水分的一体化模拟。

在以上基础上建立的冬小麦—夏玉米周年决策支持系统，进一步增强了模型的实用性。

系统由模型库、数据库、模型字典、人机接口和用户界面五部分组成，具有数据管理、品种参数调整、品种选择、常年决策、当年决策等功能。

利用大田实测套播、直播条件下冬小麦夏玉米生长发育数据对系统进行测试，结果表明：

冬小麦—夏玉米周年决策支持系统可以较好的模拟冬小麦夏玉米套播、直播两种种植方式下的生长发育。

关键词：

冬小麦；夏玉米；品种选择；生育期模拟；决策支持系统

STUDYONANNUALDECISIONSUPPORTSYSTEMFORWINTERWHEATANDSUMMERMAIZE

ABSTRACT

Theresearchandapplicationofcropgrowthsimulationmodelanddecisionsupportsystemwouldhaveanimportanttheoreticalandpracticalsignificanceforfacilitatingdevelopmentofinformationalanddigitalagriculture.Afterdecadesofresearchanddevelopment,hundredsofcropgrowthsimulationmodelshavebeenconstructeduptonow.Butthevastmajorityofgrowthsimulationmodelsonlyconsideredtheinfluenceofsinglecrop,withlittleconsiderationoftheimpactoftheformercropongrowingcropandthegrowingcroponthesucceedingcrop,soitisstillinadequateforpracticalapplication.ThisstudytooktheplantingpatternofwinterwheatandsummermaizecontinuouscroppingsysteminnorthernChinaassubject,andestablishedthewinterwheatandsummermaizeannualmanagementdecisionsupportsystemwhichissignificantforimprovingthepracticalityofmodelandpromotinginformationalagriculturalproductionandsoon.

Themainresultsareasfollows:

1.Thecroppingpatternofwinterwheatandsummermaizewasselectedandcorrespondingvarietyselectionwasdecidedaccordingtoannualactiveaccumulatedtemperature,numberofdaysavailableformaizegrowinganddevelopingandthetemperaturerequirementformaizecompletingthenormalgrowthanddevelopment.

2.Therelationbetweenairtemperatureandsoiltemperatureunderdifferentsoilmoistureconditionswasstudied.Atthesamesoildepth,thelowerthesoilmoisture,themorethesoiltemperaturewasimpactedbyairtemperature.Thedifferenceamongthesoiltemperaturesunderdifferentsoilmoistureatthesamedepthsoildecreasedwiththeincreaseofsoildepth.Itwasanalyzedrespectivelythattherelationbetweensoiltemperature（0~10cm,0~15cm）andairtemperature.Theresultsshowedthatsoiltemperature（0~10cm）hadgoodrelationwithairtemperature.Theregressiondecisioncoefficientsofsoiltemperature（0~10cm）underdifferentsoilmoisturetreatmentswhichwere55%~65%,65%~75%and75%~85%andairtemperatureallreachedmorethan0.8.Itisfeasiblethatairtemperatureforecastedsoiltemperature（0~10cm）.

3.Optimumseedingtimeisoneofthekeyconditionsforthesuccessofwheatinterplantingofcorn.Beforeemergencethegrowthofcornismainlycontrolledbysoiltemperatureandsoilmoisture.Themodelestablishedaccordingtosoiltemperatureandsoilmoisturetosimulatingcornfromsowingtoemergingismechanism,whichissignificantforsimulatingaccuratelyemergencestageofintercroppingcorn.Simulatingcornfromsowingtoemergingbysoilmoistureandsoiltemperatureforecasted,theresultsshowedthatthemodelcansimulateaccuratelycornemergencestage.Thesuitableintercroppingsowingdatecanbeachievedbybacksteppingagainstmodelaccordingtowheatharvesttimeandcornbeingthreeleafages.

4.Couplingwaterbalancemodelwiththegrowthanddevelopmentsimulationmodelofwheatandmaize,theparametersneededforsimulatingsoilmoistureofsucceedingseasoncropcanbecalledaccordingtothesowingtimeandharvesttimeofcrop,realizingintegralsimulationofsoilmoisture,whichlaysthefoundationforthewaterintegratedmanagement.Finally,thewinterwheatandsummermaizeannualdecisionsupportsystemwasconstructedbasedonaboveresearchwork,furtherincreasingthepracticalityofthemodel.Thesystemincludesfiveparts:

modelbase,database,modeldictionary,man-machineinterfaceanduserinterfacewiththefunctionofdatamanagement,adjustmentofparameters,varietyselection,normaldecision-making,currentdecision-makingandsoon.

Testingthesystemwiththemeasuredgrowingdataofwheatandmaizewhichwereunderthepatternofsolecroppingandintercropping,theresultsshowedthatwinterwheatandsummermaizeannualdecisionsupportsystemcansimulateperfectlythegrowthanddevelopmentofwheatandmaizeunderthedifferentcroppingpatterns.

KEYWORDS:

Winterwheat;Summermaize;Varietyselection;Growthperiodsimulation;Decisionsupportsystem

第一章文献综述与研究目的

摘要：

本章主要介绍了作物模拟模型的涵义、特点、应用、研究现状、以及作物模拟研究存在的问题和将来的发展趋势，简述了基于作物生长模型的决策支持系统的研究现况。

本章还对冬小麦夏玉米一年两熟种植模式下的水分氮素的生理生态及其模拟研究进展进行了总结，并在此基础上提出了本研究的目的和意义。

关键词：

作物模拟模型；决策支持系统；冬小麦；夏玉米

农业是我国国民经济的基础，农业和农村经济的发展状况直接影响到整个国民经济的发展和稳定。

科学技术是实现农业现代化的根本途径，信息技术作为科学技术的重要组成部分，与农业科技相结合，改造传统农业，以农业的信息化促进农业的现代化，对于提升农业生产系统的管理水平、生产效益和产业竞争力，具有重大的现实意义和应用前景。

1作物模拟模型概述

1.1作物模拟模型的涵义和特点

作物模拟模型是农业信息技术的重要内容，它将系统科学和计算机技术引入作物科学，根据作物生理学和生态学原理，通过对作物生长发育过程中获得的试验数据加以理论概括和数据抽象，建立关于作物物候发育、光合生产、器官建成和产量形成等生理过程与环境因子之间关系的动态数学模型[1]，它具有解释能力强、应用面宽、考虑的影响因子多和易于控制等优点，其功能主要是提供目标、动态、定量与优化决策。

以农业系统模拟模型为核心，将模拟与优化相结合并与有关领域专家知识融合，形成作物栽培模拟优化决策系统，它涉及作物科学、系统科学、农业气象学、土壤学、植物保护学以及计算机信息技术，具有整体性反馈控制、优化和动态定量决策的特点，是实现“精确农业”的前提和基础[2]。

较理想的作物生长模拟模型应具有以下8个特征：

（1）系统性：

对整个作物生长系统进行全面的定量描述和预测，包括作物阶段发育、器官建成、同化物积累与分配、产量和品质形成、土壤水分和养分动态及其与作物吸收和利用的关系；

（2）动态性：

包括受环境因子和品种特性驱动的各个状态变量的时间变化过程及不同生育过程间的动态关系；（3）机理性：

通过进行深入的支持研究，模拟较为全面的系统等级水平，能提供对主要生理过程的理解和解释；（4）预测性：

通过正确建立模型的主要驱动变量及其与作物状态变量的动态关系，对系统行为提供可靠的定量描述；（5）通用性：

系统原则上适用于任何时间、地点和品种；（6）易用性：

可为非专家操作应用，要求的数据资料易获取；（7）灵活性：

可容易地进行修改和扩充以及与其他系统相耦合；（8）研究性：

可利用作物生长模拟模型进行作物生理生态及管理调控方面的模拟研究，避免实物研究中干扰因素多、周期长、费用高等的不足。

在上述8个特征中，动态性和预测性是作物生长模拟模型最显著和重要的特征[3]。

1.2作物模拟模型的应用

作物模型是对整个作物生育系统的知识进行综合，并量化生理生态过程及其相互关系，即综合知识和量化关系。

作物模型是利用计算机的信息处理和计算功能，对不同生育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。

在知识合成的过程中，还能鉴定知识空缺，从而明确新的研究方向。

同时，作物模拟研究在理解作物生理生态过程及其变量间关系的基础上，进行量化和数理模拟，从而促进了对作物生长发育由定性描述向定量分析的转化过程，深化了对作物生长过程的定量认识。

成功的作物模型之所以受到作物科学家的肯定和重视，是因为模型模拟具有其他研究手段不可替代的功能：

理解、预测、调控。

作物模型能够帮助人们理解和认识作物发育过程的基本规律和量化关系，并对作物生长系统的动态行为和最后产量进行预测，从而对作物生长和生产系统适时合理调控，实现高产、优质、高效和持续发展的目标。

总的来说，作物模型的主要应用有四个方面，即教学、研究、管理、评估。

（1）应用作物模型开展作物学的辅助教学和科技推广活动，提供有关作物生物学过程及其与环境和技术关系的直观动态教学及科普工具。

（2）利用作物模型在计算机上进行假设测验和模拟试验，研究数量生理生态过程的反应模式、栽培管理的技术途径及品种改良的目标性状等，已成为作物学科的一种有效的研究手段。

这样可以成功地避免实验研究中干扰因素多、周期长、费用高等不足。

（3）在作物模型的基础上，建立作物管理决策支持系统及智能化专家系统等，可进行栽培方案的设计，并在生长过程中确定适宜的管理调控措施，为精确农业的实施提供系统动力学的工具。

例如将生长模型的动态预测功能与专家系统的推理决策功能相结合，可以提高决策系统的机理性和适用性。

（4）计算机模拟试验有助于评估作物生产系统的综合表现及可持续发展的能力，或进行农业政策分析，如土地生产力、资源与环境质量、全球气候变化的影响与对策等。

1.3作物模拟模型研究现状

20世纪60年代，荷兰和美国首先开始了作物生长模型的研究。

1965年，deWit[4]研制成玉米光合生产的计算机模型。

1967年，美国Duncan等[5]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。

这是国际上最早的作物模拟研究，在计算机上模拟作物的群体生产过程。

四十多年来，作物模拟的发展经历了从定性的概念模型到定量的模拟模型、从单一的生理生态过程模拟到完整地描述和预测作物生长及产量形成的综合性模拟的发展过程，并逐步地协调了模型的机理性、系统性和通用性的矛盾，使生长模拟逐步走向成熟，从理论研究走向实际应用。

随着研究的不断深入，作物模拟研究形成了不同学派且各有特点。

国际上的作物模拟可以概括为三个学派，分别以荷兰、美国、中国为不同学派的突出代表，特别是荷兰和美国的作物模拟研究在国际上奠定了良好的学术地位，并取得了较大范围的评价和应用。

荷兰的作物模拟研究注重模型的机理性，多偏重于理论研究，一般利用现有理论或假说构造生理生态过程模型或子模型，然后将数学模拟结果与有关实验数据相比较，评价现有理论和假说。

它强调作物的共性，只要输入统一的参数或数据，模型可适合于大多数作物，所描述的物理过程和生理过程适用于不同的环境条件。

它对光合、呼吸、蒸散、物质分配、转化等基本生理过程，从生理生化的角度进行了深入研究，对环境条件，特别是群体状况也进行了分析。

1978年，荷兰DeWit提出的综合性模拟模型——作物生长基础模拟器BACROS，可以模拟田间作物在适宜条件下的生长和蒸腾作用。

BACROS理论性强，对作物生理生态过程量化细致，荷兰的科学家们把BACROS作为研究其它模型的一种参考模型和衡量标准[6，7]。

VanKeulen等于1982年对有关作物生长模拟各方面的研究进行总结，在BACROS基础上建立了SUCROS[9]，为作物广泛深入的研究奠定了基础。

1982年，DeWit根据作物生长的不同限制因子将作物生产系统分成4个水平[8]，为作物模拟研究提供了思路：

（1）第一水平——潜在生产水平，作物生长仅受光温条件制约。

（2）第二水平——水分限制下的水平，养分充足，除受光、温条件影响外，作物生产还受到水分的限制。

（3）第三水平——除受光、温、水条件限制外，作物生产还受氮素不足限制。

（4）第四水平，作物生产受磷、钾及其他矿质元素等养分的限制。

目前现有的模型也主要是按这四个水平建立的，其中第一、第二水平的模型相对成熟。

荷兰前期模型主要是为透彻理解作物本身而开发的，描述过程较细，相应的参数也比较多，不适合实际应用，80年代后，模型开始转向实际应用研究。

PenningdeVires[10]等研制了一年生作物生长模拟模块MACROS，模拟热带半湿润地区作物生长。

美国所建立的作物模拟模型除了深入考虑作物的共同机理性外，还强调各种作物的特性，建立不同作物生长模拟模型，其目的是研究作物生长生理生化过程与环境条件的关系及解决作物栽培和管理中的一些实际问题，为作物生长管理和决策提供依据。

首先被纳入DSSAT（DecisionSupportSystemforAgrotechnologyTransfer,农业技术转让决策支持系统）系统的CERES系列模型，不仅能模拟作物的生长过程，还能模拟土壤的养分平衡与水分平衡。

目前已涵盖了小麦、玉米、谷子、大豆、水稻、高粱、马铃薯等十多种作物。

CERES模型在美国以外的许多国家，特别是发展中国家得到了验证，并被广泛用于一些农业先进技术的传播[11，12]。

中国作物生产系统模拟始于20世纪80年代中期，与发达国家相比迟了20年左右。

90年代以后，国内作物模拟飞速发展。

较早、较系统的作物模型是1992年江苏省农科院高亮之等研究的水稻计算机模型RCSODS[13]，是国内开发的第一