温室园艺作物生长模拟模型的研究进展

作物生长模拟模型是进行作物生产精准管理和智能决策的有力工具.本文介绍了园艺作物生长模拟模型在国内外的发展现状和应用效果,分别从园艺作物叶面积、光合作用、干物质生产与分配、园艺作物发育和外观品质模拟模型进行了总结和评价;提出了温室园艺作物生长模拟模型研究中存在的问题和今后的发展方向.     

作物生长的模拟研究

应用计算机模拟作物生长，对作物产量预测、土地生产力评价、资源环境分析、作物栽培指导、作物生长机理研究以及最新发展起来的精确农业技术应用等方面都有重要意义。自6O年代中期以来，研究人员在作物生长计算机模拟领域进行了大量工作，所建的各类模型得到了广泛应用。作物生长模拟涉及到众多领域，包括植物生理学、作物栽培学、农业气象学和微气象学、土壤学、计算科学等学科。现今影响较大的作物生长模拟模型大多是70年代或80年代前期建立的，这些模型的设计必然受建模时期各学科的研究状况、计算机硬软件发展水平和数据采集能力所制…     

我国主要作物生长模拟模型研究进展

作物生长模拟包括阶段发育、形态发生、光合与呼吸作用、干物质积累与分配、作物与水分的关系、作物的养分效应、作物气象环境的模拟等几部分内容．综述了近10年我国主要作物水稻、小麦、棉花、玉米等的生长模拟模型研究状况，将其与遥感技术、地理信息系统和计算机专家咨询系统结合，建立更完善的作物生产计算机决策管理系统，是这一研究领域在我国今后的发展方向．     

EPIC农作物生长模型应用研究进展

侵蚀土地生产力影响评估模型(erosion-productivity impact calculator, EPIC)是美国农业部研制的水土资源管理和作物生产力评价模型.自20世纪80年代提出以来,EPIC模型经过不断的发展完善,在农田、区域以及全球等不同尺度上的诸多领域有广泛的应用.本文系统地综述了EPIC模型在农作物生长过程中的模拟精度、气候变化对农作物的影响、农业旱灾风险研究等领域的国内外应用研究进展.研究表明:通过研究诸多作物限制因子对作物生长影响的关系,已经很好地改善了EPIC模型的模拟精度,但突发性的环境变化对模拟精度的影响程度还不清楚;气象因子对作物影响的敏感性研究已较为完善,而气候的阶段性转折和极端气候事件对农作物生长影响的研究还有待进一步深入;农业旱灾风险的研究主要是从灌溉制度上对农作物需水的数量和时间进行控制管理,运用EPIC模型从灾害系统的角度研究农业旱灾风险还比较少.根据EPIC模型应用研究的现状,以及国内进行EPIC模型研究的良好数据平台,在全球气候变暖及其可能导致的气候渐变和突变的背景下,提出IPIC模型在以下研究方向有着重要的发展前景:1)气候极端事件对农作物生长影响的研究;2)气候渐变对农作物生长影响的研究;3)全球大气环流模式降尺度后的未来气候情景与EPIC模型的结合应用研究;4)恢复农业旱灾承灾体脆弱性曲线,减轻农业旱灾风险的研究.     

基于Agent的作物动画生长技术研究

作物生长模拟是数字农业的前沿性研究方向。在传统的作物生长技术的基础上,提出了基于Agent技术的作物动画生长模型:模型中的作物作为自主智能体,能感知环境信息,确定生长及表现行为,最后通过运动系统产生动作来完成行为。     

城市污水不同土地处理条件下土壤-作物系统中氮净化模拟模型与模拟分析

通过温室条件下冬小麦不同种植方式、污水不同土地处理状态下水氮运移吸收和净化过程模拟试验,分析了作物生长、根系生长与分布、根系对水分氮素吸收规律以及根系竞争吸收与土壤中水、氮含量的关系,以及氮净化规律等．在此基础上,建立了作物生长→根系生长与分布→根系吸水、吸氮→土壤中水氮运移转化→作物生长循环计算联合模型．以模拟试验为背景,用数值模拟分析了城市污水不同水氮土地处理条件下作物生长与土壤─作物系统中水氮运移吸收转化过程和土壤中氮净化机理．为建立环境地学工程的分支模型──污水土地处理控制模型提供了基础模拟计算方法．     

基于Logistic模型研究花生根长与干物质积累的关系

草本植物的根系具有非线性复杂性.花生是具有无限开花结实习性的草本作物,其开花期和结实期很长,生育期也较长.花生根系的长度影响到花生的干物质积累及产量.研究分析花生生长的基本规律.基于Logistic模型,建立描述花生根长与干物质积累之间关系的二维微分方程组模型.通过数值模拟分析,结果表明：花生的根越长,花生干物质积累越多,可增加产量.模型可对花生的实际生长过程作出合理的阐释.     

基于人工神经网络的涡度相关仪观测蒸散量的数据插补方法

立足于绿洲农田生态系统,采用人工神经网络方法对潜热通量数据进行模拟和插补.根据作物生长季分阶段模拟,对比整体模拟结果,发现分阶段模拟效果(R2=0.91～0.95,RMSE=28.9～41.3 W/m2,MAE=21.3～28.8 W/m2)优于整体模拟效果(R2=0.87～0.92,RMSE=39.6～50.7 W/m2,MAE=27.6～34.9 W/m2).通过模型网络连接权值对各阶段环境因子的相对贡献率作了定量分析,并从数学统计的角度对研究区蒸散发环境因子影响机理进行了分析.结果表明为了提高潜热通量的插补精度,合理地根据作物生长季分阶段建模插补是有必要的.     

Venlo型玻璃温室黄瓜动态生长模型的研究

黄瓜发育动态模型对于动态掌握温室作物生长规律具有重要意义。以de Koning模型为基础建立温室黄瓜动态生长模型,分别对黄瓜生长的光合速率、蒸腾速率、呼吸速率、生育期、同化物暂存库、叶干质量、果实干质量模型等进行研究。通过实验得到各观测指标的模拟值与实测值之间的相关系数平方R2和根均方差RMSE依次为:叶干质量:R2=0.9998,RMSE=0.0601 kg·m2;果实干质量:R2=0.9975,RMSE=0.9596 kg·m2;日同化物积累量:R2=0.9983,RMSE=0.0067 kg·m2,结果表明该模型对作物生长发育具有较好的预测性,可为温室作物生长环境优化控制提供依据。     

栽有番茄的玻璃温室内气流场分布CFD数值模拟

以栽有番茄作物的Venlo型两连栋玻璃温室为研究对象,基于计算流体动力学(CFD)技术,运用多孔介质模型、组分传输模型及DO辐射模型对自然通风工况下温室内湿空气的传输过程进行了3D数值模拟,并对模拟结果进行了试验验证.结果表明:温室中部测点气流速度的模拟值与实测值变化趋势相同,总气流速度和y向气流速度的模拟值与实测值平均相对误差分别为15.0%和10.9%,所建立的CFD模型有效.温室南部气流紊流程度高,存在大小不等的涡;北侧流速均匀;温室中部作物区及冠层上方气流流动平缓,作物冠层阻力对室内气流分布模式有影响.靠近侧窗的温室空间以风压通风为主,作物冠层及侧窗上部空间热压作用明显.     

西北干旱区农业灌溉水资源优化分配的DDP模型

西北干旱区水资源短缺,实行农业节水灌溉和水资源最优分配至关重要。在作物生长季节,灌区内多种作物并存,并且不同类作物有其各自的生长规律和需水要求,以水量分配和经济效益为决策目标,建立多种作物间灌溉水资源最优化分配的双层动态规划（ＤＤＰ）模型。第一层为单项作物在生长季节的水量分配;第二层为多种作物间水量的分配。以甘肃省景泰川一期灌区为实例,对模型进行模拟和较正。     

作物生育期模拟研究进展

综述了作物生育期模拟模型的研究概况以及水稻、小麦、棉花等作物生育期模拟的研究进展．     

薄膜生长与原子尺度的计算机模拟

总结了近年来多篇文献报道的新现象,在传统公认的薄膜生长过程与模式基础上,进行了补充和完善.介绍了计算机模拟薄膜生长的多种模型与方法及其应用特点,包括了分子动力学模型、蒙特卡洛模型、动力学蒙特卡洛模型以及具有发展潜力的量子力学模型.简介了当前国内外计算机模拟薄膜生长的研究现状.     

甘蔗光合作用模型的构建与大田实验验证

光合作用和干物质生产模型是作物生长模型中最基础的部分。在综合已有作物生长模型的基础上,构建了甘蔗的光合作用模型。甘蔗光合作用模型以门司-佐伯的模型为基础,包括叶面积指数动态子模型、单叶光合子模型、呼吸作用子模型以及干物质积累动态模型。利用大田甘蔗的实验数据对模型进行了检验,结果表明:甘蔗植株在整个生育期的干物质积累量模拟值与实测值的相对误差为3.83%,这表明模型对甘蔗的干物质生产(产量)的预测较为理想,可作为育种的参考指标。但是用此模型来模拟甘蔗不同生育期的干物质积累,在某些发育阶段,与实测值间还存在较大差异,故需进一步完善模型。     

播期对水稻生长模拟影响及优化比较

为了进行水稻作物动态监测和科学管理,利用江西省农业气象试验站田间观测数据,结合同期气象资料分别采用ORYZA2000和WOFOST两个模型进行了水稻生长模拟,调试确定了水稻作物生育期参数,对生育期、叶面积指数、生产量等指标的模拟结果进行了验证与适应性评价。结果表明：两个模型对于江西地区水稻生长的模拟效果较好,实测值与模拟值基本一致。ORYZA2000模型模拟的各生物量的标准化均方根误差值(NRMSE)均小于30%,而WOFOST模型模拟的叶面积指数和穗干重NRMSE值偏差较大,为41%和51%,总体模拟性能不如ORYZA2000,后者在江西省推广使用有更好的前景。     

基于线性双源遥感蒸散模型的作物估产——以河套灌区为例

为探究干旱与半干旱地区作物生育期用水,估算作物产量和优化配置作物灌溉制度,以河套灌区为研究对象,基于Landsat 8遥感影像数据提取一定时序植被指数监测主要农作物种植结构,利用MODIS数据及改进线性双源遥感蒸散模型,预测研究区作物在不同生育期蒸散量并使用常用水分生产函数模型进行主要作物玉米估产分析。结果表明：研究区近年来作物种植面积相对稳定,其中玉米种植量最多,葵花其次,小麦最少;研究区玉米在初期、中期、旺盛期和末期4个生长阶段平均日蒸散分别为2.0、3.09、4.2和2.79 mm/d,R²分别为0.660 1、0.761 7、0.770 1和0.721 9;水分生产函数估产模型中Stewart模型在研究区模拟效果较好,其中临河区2016年玉米估产量为11 018.5 kg/hm²,相对误差为6.82%。该研究可作为干旱区作物生育期监测及估产的重要方法之一,为灌区科学灌溉提供依据。     

数据挖掘技术在预测农作物生长过程中的应用研究

数据挖掘是一种决策支持过程.它主要融合了人工智能、统计学、数据库、机器学习等领域的技术.其目的是在大量的数据中发现有价值的信息,故又称为数据库中的知识发现.随着多种农业数据的增加,人工分析会变得越来越难.作者采用数据挖掘技术预测温室作物生长,因作物生长是时序性的,在时序模型转化为关系模型时,引入程度副词来进行转换,而在预测作物的生长时,又提出了在作物生长的历史数据中提取潜在规律并采用数据挖掘技术,通过与其他预测技术的比较,发现运用数据挖掘的方法具有较高的预测精度.     

利用Delphi开发温室黄瓜生长动态模拟系统

介绍温室黄瓜生长动态模拟系统的设计思路、模块划分和各模块的主要功能．以通过实验得到的黄瓜光合作用数学模型及不同生育阶段中干物质分配比例等建模所需的作物参数为基础，运用积分的方法，进行黄瓜干物质增长量和在各器官中的分配的逐日模拟．研究表明：用Delphi开发的温室作物模拟模型比较简洁，易于实施；模拟值比实际值略高，误差在4．7％～14．8％之间，基本达到了预期的效果；如果进一步在模型中加入水肥等因子修正参数，则可以达到更高的精度．     

我国麦类作物生长模拟研究进展

综述了我国麦类作物关于阶段发育、形态发育、物质积累和产量形成、田间土壤水分和养分效应、作物气象环境和灾害的模拟研究及其在大田生产中的应用概况.将作物模拟技术与麦类作物栽培学相结合的同时,将麦类作物栽培优化原理和专家知识相结合,使麦类作物生产向动态、定量、目标与优化方向发展,最终实现智能化、精确化与科学化管理, 是这一研究领域今后的发展方向.     

基于机理模型的现代温室湿度系统建模

温室模型定性地描述了在特定温室结构、材料的条件下,温室作物生理过程和室外气候相互作用的过程.温室湿度不仅受温室外温度、湿度、光照强度等环境因子影响,而且与作物蒸腾作用等生理过程相关.基于能量和物质平衡理论,从辐射、通风、水气、热交换等基本过程综合得出温室湿度小气候模型,研究温室湿度动态系统的各影响因素,分析小气候模型的特点.在小气候模型基础上,推导并验证了仿真模型的有效性,为研究温室输入输出建模以及控制提供了充分的模型依据.实验证明,机理模型能在一定程度上模拟温室湿度动态系统,为研究人员更好地种植作物以及温室控制提供了必要的理论基础.