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(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)研究與應(yīng)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(yù)測的功能，但至今尚缺乏對作物品質(zhì)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(xiàn)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(chǎn)量品質(zhì)形成模擬模型的基礎(chǔ)上，運用系統(tǒng)分析原理和數(shù)學(xué)建模技術(shù)，綜合了棉花器官建成與蕾鈴脫落、棉鈴干物質(zhì)積累分配、纖維品質(zhì)的形成與環(huán)境因子

2、的動態(tài)關(guān)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(zhì)積累分配模擬模型、纖維品質(zhì)時空分布模擬模型。應(yīng)用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計與軟構(gòu)件技術(shù)，在Visual C++平臺上構(gòu)建了綜合性與構(gòu)件化的棉花生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)形成的模擬系統(tǒng)；進一步運用決策支持技術(shù)，結(jié)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(jié)果為當今數(shù)字化農(nóng)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(jié)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(guān)系，綜合考慮了熱效應(yīng)(RTE)、光周期效應(yīng)(RPE)、品種早熟性(VE)，建立了以PDT為驅(qū)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(diào)控等對棉花生育的影響基礎(chǔ)上，構(gòu)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(jié)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(shù)、株高、果枝數(shù)、果節(jié)數(shù)、脫落數(shù)、成鈴數(shù)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(yīng)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(zhì)積累與分配動態(tài)規(guī)律的基礎(chǔ)上，以RTE為驅(qū)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(zhì)積累分配的分期動態(tài)模型；模擬檢驗結(jié)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(zhì)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(yīng)的RMSE值的上限。因此，分期模擬棉鈴干物質(zhì)的積累與分配比單一綜

6、合模擬模型預(yù)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(zhì)影響的基礎(chǔ)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(zhì)指標形成的影響，并結(jié)合已有的棉花纖維品質(zhì)指標的生態(tài)模型，構(gòu)建了機理性較強的預(yù)測纖維長度、比強度、麥克隆值、長度整齊度的單一纖維品質(zhì)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(zhì)指標的時空分布模型進行了檢驗。檢驗結(jié)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(yù)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?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計和軟構(gòu)件

8、技術(shù)，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)生成模型和品種參數(shù)調(diào)試模型，構(gòu)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(chǎn)、物質(zhì)分配、水分和養(yǎng)分平衡、產(chǎn)量與品質(zhì)形成等模塊，可以定量預(yù)測不同生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)條件和品種類型下的棉花生長發(fā)育過程和生產(chǎn)力形成動態(tài)。 (5)在構(gòu)建棉花生長模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于不同目標的模擬試驗及基于模型結(jié)果的策略分析評價模型，并充