棉花生長模擬與決策支持系統(tǒng)研究.pdf

1、作物生長模擬模型和管理決策支持系統(tǒng)是信息農業(yè)和數字農業(yè)研究與應用的核心與典范。作物生長模擬模型具有系統(tǒng)綜合和動態(tài)預測的功能，但至今尚缺乏對作物品質形成過程的定量模擬，基于模擬模型的作物管理決策支持系統(tǒng)能夠通過模擬試驗，實現系統(tǒng)管理的策略分析和方案評估。本研究以棉花為研究對象，在本實驗室已有棉花生長發(fā)育和產量品質形成模擬模型的基礎上，運用系統(tǒng)分析原理和數學建模技術，綜合了棉花器官建成與蕾鈴脫落、棉鈴干物質積累分配、纖維品質的形成與環(huán)境因子

2、的動態(tài)關系，建立了基于棉花生理發(fā)育時間(PDT)的生育期模擬模型、基于生理生態(tài)過程的棉花器官建成和蕾鈴脫落模擬模型、單鈴干物質積累分配模擬模型、纖維品質時空分布模擬模型。應用面向對象的程序設計與軟構件技術，在Visual C++平臺上構建了綜合性與構件化的棉花生長發(fā)育和產量品質形成的模擬系統(tǒng)；進一步運用決策支持技術，結合基于不同目標的模擬試驗與策略分析，研制了具有輔助決策功能的基于生長模型的棉花管理決策支持系統(tǒng)。研究結果為當今數字化農作

3、系統(tǒng)的開發(fā)提供了基本框架，也為建立其它作物管理決策支持系統(tǒng)提供了開發(fā)模式。具體研究結果如下： (1)系統(tǒng)分析了不同肥料、不同密度試驗棉花生育與環(huán)境因素之間的動態(tài)關系，綜合考慮了熱效應(RTE)、光周期效應(RPE)、品種早熟性(VE)，建立了以PDT為驅動變量的棉花生育期模擬模型；在充分考慮氮素營養(yǎng)、土壤水分脅迫、DPC調控等對棉花生育的影響基礎上，構建了棉花器官建成和蕾鈴脫落模擬模型。利用不同年份、品種和播期的試驗資料對上述模

4、型進行了檢驗。結果表明，棉花生育期模擬值與觀測值間的均方差根(RMSE)為0.80～1.65，吻合度較好，精度較高；葉片數、株高、果枝數、果節(jié)數、脫落數、成鈴數的模擬值與觀察值間的RMSE值分別為0.36葉、1.11cm、0.57臺、2.87個、1.00個、0.59個，模擬誤差小于3％，具有較高的模擬精度，適應性較好。 (2)在系統(tǒng)分析不同基因型、施肥量、開花期棉鈴干物質積累與分配動態(tài)規(guī)律的基礎上，以RTE為驅動變量，在綜合考慮

5、了氮素營養(yǎng)、水分脅迫、同化物供需比等對棉鈴的生長發(fā)育主要影響因子的前提下，建立了基于RTE的棉花單鈴干物質積累分配的分期動態(tài)模型；模擬檢驗結果顯示，棉花四桃(伏前桃、伏桃、早秋桃、晚秋桃)單鈴、籽棉、纖維干物質積累的RMSE值分別為0.1767～0.5659、0.0725～0.5279、0.0613～0.2634g，而單一綜合模擬模型的RMSE值超過或接近分期模擬模型相對應的RMSE值的上限。因此，分期模擬棉鈴干物質的積累與分配比單一綜

6、合模擬模型預測效果要準確、可靠。 (3)在系統(tǒng)分析棉花花鈴期的溫度、光照、水分脅迫、氮素營養(yǎng)等主要因子對棉花纖維品質影響的基礎上，量化了棉花品種、棉株空間不同枝節(jié)和花鈴期的日均溫、光照長度、土壤含水量、棉株含氮率對棉花纖維品質指標形成的影響，并結合已有的棉花纖維品質指標的生態(tài)模型，構建了機理性較強的預測纖維長度、比強度、麥克隆值、長度整齊度的單一纖維品質指標的時空分布模型和綜合模型，利用不同年份、品種類型、生態(tài)區(qū)域、肥水管理條件

7、下的試驗資料對棉花纖維品質指標的時空分布模型進行了檢驗。檢驗結果表明，纖維長度、比強度、麥克隆值、長度整齊度的RMSE值，在時間分布模型中分別為0.15mm、0.29cN·tex<'-1>、0.18和0.36，在空間分布模型中分別為0.22mm、0.60cN-tex<'-1>和0.15和0.86，與實際觀察值間的誤差皆小于5％，說明模型具有較好的預測性、通用性和準確性。 (4)以棉花生長發(fā)育為主線，采用面向對象的程序設計和軟構件

8、技術，結合氣象數據生成模型和品種參數調試模型，構建了機理性和解釋性較強的棉花生長模擬模型(CottonGrow)及棉花生長模擬系統(tǒng)(CGSS)。該系統(tǒng)主要包括生育進程、器官建成及形態(tài)發(fā)生、光合生產、物質分配、水分和養(yǎng)分平衡、產量與品質形成等模塊，可以定量預測不同生態(tài)環(huán)境、生產條件和品種類型下的棉花生長發(fā)育過程和生產力形成動態(tài)。 (5)在構建棉花生長模擬系統(tǒng)的基礎上，結合基于不同目標的模擬試驗及基于模型結果的策略分析評價模型，并充