编程技术、软件应用与系统模拟(Programming, Applicaiton and Simulation) |
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座右铭:
只做有益人类的事
不做有害人类的事
只做有益人类的事
不做有害人类的事
第八章 农业气候信息系统
随着农业生产的发展和科学试验的深入，农业生产与环境条件之间的密切关系逐渐被人们认识，在众
多的环境因素中，农业气候条件是最活跃的因素。80年代以来，随着计算机的发展，我们已进入以信
息处理为标志的信息时代，相应地作物模拟技术高度发展，农业气候资源、灾害的研究进入了全方位、
多层次的研究时期，提出研制并应用农业气候信息系统，为农业生产提供科学的数量化的决策依据已
成为时代的需要。
第一节 农业气候信息系统的发展与现状
一、农业气候信息系统的定义
第二章已经讲过，农业气候系统是作物、气候、土壤和措施组成的复合系统，其中作物是系统的主体，
气候和土壤是系统的主要决定要素，措施是系统的主要调控要素，四者有机地结合，组成一个复杂的
巨系统。在研究农业气候系统时，研究作物的主要方法是作物模拟方法，研究土壤与气候的主要方法
是数值模拟和数据库的方法，研究农业措施的方法是知识工程方法，这些方法均是基于当代最先进的
计算机技术。所以说，在计算机技术高度发达的今天，利用各种信息技术对农业气候系统的各个要素
进行加工处理，研究各要素之间的数量关系，为农业生产提供实时的准确的决策已经成为必然，为此，
我们需要建立以作物、气候、土壤和措施为主体的信息管理软件──农业气候信息系统(ACIS,
ArgoClimate Information System）。
农业气候信息系统(ACIS)是指在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，学管
理和综合分析与农业气候资源开发利用和保护有关的信息数据，并运用各种分类、统计、模拟和决策
模型，为气候资源的开发利用、有效地从事农业生产等方面提供辅助决策。
从定义看出，ACIS是一种计算机软件，用来完成与农业生产有关的数据处理和分析，并为充分合理利
用资源、保护资源，使有限资源发挥出最大的生态效益、经济效益和社会效益，为农业生产的持续稳
定的发展提供服务。
二、农业气候信息系统的发展简介
荷兰，从60年代初开始，de Wit(1965)根据作物叶片光合作用与温度和辐射的关系和作物的冠层结构
计算了作物冠层的光合速率和作物的生长率，建立了一个静态的作物生长与产量模型。70年代，以de
Wit为首的Wageningen大学的专家们系统地完成了作物同化、呼吸和蒸腾的模拟，并把作物生长发育和
产量形成的主要过程和气象因子的变化结合到模型中，建立了作物生长初级模拟器(ELCROS，1970)和
作物生长基本模拟器(BACROS，1978)。80年代以来，Penning de Vries等人总结了四十年来荷兰
Wageningen大学等单位在作物模拟中积累的大量知识和经验，并与de Wit把作物生产划分为四种生产
水平，完成了在营养充分、水分适宜、无病虫害条件下的作物生长及产量形成的模拟模型，以及水分亏
缺和养分不足条件下的作物生长模拟模型MACROS(Penning de Vries，1989)。现在这些模型在水稻、
小麦、玉米、牧草等上广泛应用，并与施肥、灌溉、病虫危害模型结合，为作物生长崐提供预测、调控
和管理手段。
70年代初，由美国农业部农业研究署主持，以J. T. Ritchie教授为首组织土壤学家、作物生理学家、
农学家和计算机专家开始研制作物环境资源系统(CERES),主要包括小麦、玉米等作物的模拟模型。至
今，CERES已包含了小麦、玉米、水稻、大豆、高粱、大麦、花生、马铃薯等作物的模拟模型。同期，
美国农业部农业研究署还主持了棉花作物模拟模型的研制，D. N. Baker 于1983年正式发表了GOSSYM
棉花模拟模型，1984年又研制成了棉花生产管理专家系统COMAX，并把专家系统与作物模型相结合建成
了COMAX-GOSSYM棉花生产管理系统。这些作物模型均是从作物生长的基本过程出发，考虑了作物的品
种特性、生长发育过程、气候因子的变化、土壤特性、耕作制度、灌溉和施肥状况等，把作物生长发育
与产量形成和环境条件融合于一个完整的系统，可以用于生长季内的栽培措施制定、产量的估算，也可
以为农学和遗传育种提供科学数据，具有较高的学术研究和应用价值。
70年代后期，联合国粮农组织(FAO)在对发展中国家的土地资源评价和土地的潜在人口承载力估算中，
把气候资源的清查与各种作物对气侯、土壤的要求结合起来，并提出了生长季的农业气候学定义和计算
方法，计算了不同地区的生长季长短，还采用de Wit的作物产量模型，把不同作物在不同地区的生产能
力定量地计算出来。Kassam进一步结合社会经济条件确定作物在不同地区的适宜性，形成了一套完整的
农业生态区域系统(AEZ)。80年代，奥地利国际应用研究所Parry (1987)和Carter (1984)等人在评
价气候波动对农业生产的影响时，总结和分析了农业气候模型的结构及其输入与输出，以产量为目标使
之能对气候的波动以及其对农业生产的影响作出评价。
80年代以来，我国在作物模拟模型和作物生产管理计算机辅助决策上取得了一定的成绩。江苏省农科院、
北京农业大学、中国农科院、沈阳农学院分别进行了水稻、小麦、棉花、玉米的计算机模拟模型研究，
并于1991年分别建成了小麦生产决策系统(黄金龙,1994)、水稻栽培计算机模拟优化决策系统(高亮之
等,1992)和棉花生产管理决策系统(董占山等,1992)，部分已投入生产应用。
上述研究工作虽重点集中在以作物为核心的模拟上，并且又未把气候作为一种资源突出出来，但大大地
推动了农业气候信息系统的研究，并建成了农业气候信息系统的主体──作物生长发育与产量形成的模
型。
到80年代末期，农业气候信息系统才被正式提出，并开始在计算机上实现。北京农业大学农业气象系于
1992年完成了一个农业气候信息系统的原型，还正在验证和完善中。
三、农业气候信息系统的组成
农业气候信息系统由农业气候模型库、数据库及其管理子系统、推理机和知识库组成的决策支持子系统、
用户接口等几大部分组成。它们之间的关系如图8.1.1所示。
┌─────┐ ┌──────┐ ┌─┐
│数 据 库├──────┤农业气候模型├─────┤用│
└──┬─┬┘ └┬─────┘ │ │
│ │ ┏━━━━━━┿━━━━━━━━━┓ │ │
│ │ ┃┌─────┴┐ ┌───┐┃ │户│
│ └─╂┤ 推 理 机 ├───┤知识库│┃ │ │
┌──┴──┐┃└──┬───┘ └─┬─┘┃ │ │
│数 据 库│┃ │ 决策支持子系统 │ ┃ │接│
│管理子系统│┗━━━┿━━━━━━━━━┿━━┛ │ │
└──┬──┘ │ │ │ │
┌──┴───────┴─────────┴────┘ │
│ 用 户 接 口│
└──────────┬────┬───────────┘
输入数据或提出要求│ │输出结果
┌┴────┴┐
│ 用 户 │
└──────┘
图8.1.1 农业气候信息系统各部分之间的关系
数据库是信息系统的基石。农业气候信息系统的数据库是包含农业、气候、土地、地理、社会经济、科
学技术在内的数据库的集合体。一方面把各类信息分门别类地存储到一定的数据库中，另一方面要不断
地添加或更新数据库。
数据库管理子系统则是为了快速简便地管理、使用数据库而设计的一个辅助子系统，简化系统操作，提
高系统效率。
农业气候模型是农业气候信息系统为农业提供决策服务的基本工具，是农业气候资源评价、作物生态适
应性评价必不可少的，也是进行农业生产管理决策所必需的。所以它在农业气候信息系统中占有很重要
的地位。
决策支持子系统是模拟模型与用户之间的一个智能化接口。它可以把模拟模型的输出结果用文字的形式
解释给用户，使用户易于理解这些结果；也可以把用户的提示解译成控制指令，驱动模拟模型运行，完
成用户的请求。
农业气候信息系统是一个应用系统，是供广大农业科技工作者使用的，所以要求它应该具有一个界面友
好的人机接口，并具有下面的特点：
⑴窗口式界面：系统应该使用多窗口的用户界面，给用户一个爽心悦目的工作环境，提高系统的透明度；
其次使用窗口式界面可以在有限的空间内显示尽可能多的信息给用户。
⑵提示菜单化：采用菜单提示有下列优点，首先，在一定时间内可输入更多的信息；其次，减少输入错
误；其三，系统的功能一目了然，提高了系统的透明度；最后，用户操作起来方便。所有这些优点均能
显著地提高工作效率。
第二节 数据库及其管理子系统
一、基本资料及其作用
基本资料就是指与农业生产过程有关的农业、气候、土壤等的数据资料及参数。所以ACIS应有下列基本
信息：
(1)基本地理信息：位置、界线、居民点、山川、河流、湖泊等；
(2)气候信息：太阳辐射、温湿度、水分、风、灾害性天气等；
(3)土地土壤信息：地貌类型、土壤类型、土壤特征参数等；
(4)水资源信息：江河水文数据、水资源量、洪涝灾害、水质及其污染状况；
(5)生物信息：物种、品种、原产地、生态型、生物学特性和对气候条件的要求等；
(6)农业统计信息：农业投入量和产出量、播种面积、耕地面积、人口数量等。
基本资料是农业气候信息系统中必不可少的基础数据，它与模型的功能直接相关，如与作物的生长发育
和产量形成密切相关，与种植制度和种植结构也密切相关。就气候资料而言，太阳辐射是作物光合作用
的原动力；作物的发育必须在一定的温度下进行，超过一定的界限温度就不能生长；在无灌水条件的地
区，降雨量的多少决定着农业生产的成败；空气湿度与作物的开花受精、病虫害的流行密切相关等等。
收集适合于模拟的气候、作物、土壤的资料并不容易，因需要的资料多，且往往难以收集到第一手的材
料，因此，需查找现有的数据库和文献。有关作物和土壤的资料，在文献上可以查到一些，但大多难于
应用，例如，试验条件常常描述的不够；测定时间与模拟时间不一致；使用的单位很难转化为标准单位
等等。如果使用发表的资料，必须对当时使用的测定方法和有关的测定环境做出判断。大田条件下作物
或品种间的全面比较分析还少见，从一次试验中获得单个品种的关键特性的完整数据也很少刊出。需花
大力气逐渐完善基本信息。
二、数据库及其特点
数据库是按照一定方式组织、存储、检索和维护的数据集合。具体的数据库可以使用各种数据库管理系
统建立，也可以由系统开发人员使用BASIC、PASCAL、C等高级计算机程序设计语言建立。在微型计算
机上可以使用dBASE、FOXBASE、FOXPRO等通用数据库管理软件。农业气候信息系统的数据库应具有以
下特点。
⑴数据的独立性：设计数据库时，首先要保证数据的独立性，即数据的存贮结构和存取方法独立于它的
应用程序。数据的逻辑结构或存贮结构发生变化后，不影响用户的应用程序。
⑵减少数据的冗余度：即减少重复存贮的数据，提高共享程度，压缩存贮空间。
⑶数据库系统的可靠性、安全性和完整性：数据库系统的可靠性是指当数据库发生各种故障后，数据库
管理系统可以自动封闭故障区域，并且可以快速地恢复到可用状态，不致于使整个系统崩溃。安全性是
指数据库系统对数据采取的各种方式的保护。通过数据密码、口令、数据存取级别等手段，控制用户对
数据库的访问权，防止数据的泄露和破坏。完整性是指始终保持数据库数据的正确性，尽量排除用户操
作产生的数据错误以及数据的不一致。
⑷数据库的可更改性：数据库在结构上应该容易修改或扩充，且修改或扩充之后，不应影响原有用户的
使用方式。
⑸数据库应能充分描述数据间的逻辑关系：在数据库设计时，既要定义记录的结构，也要定义记录间的
从属关系。对数据库中数据的逻辑关系进行描述的方法，称为数据库的数据模型。数据库常用的数据模
型有关系模型、网络模型和层次模型。
关系模型是将关系代数的概念应用于数据库的数据模型。关系数据库是二维表的集合，它由行和列组
成，列是具有同一属性的数据的集合，行是数据插入和删除的单位。
网络模型是以记录类型为结点的网状结构，用于设计网状数据库。其特点是：①一个子记录可以有两个
以上的父记录；②两个记录之间，可以有两种以上的联系，记录类型之间的从属关系均要定义。
层次模型是一种层次联系的集合，是以记录类型为结点的有序树。它的主要特点是除根结点之外，任何
结点只有一个父结点。一个父记录对应于多个子记录，而一个子记录只对应于一个父记录。
在农业气候信息系统中使用数据库中的数据有两种方法: 一种方法是在系统中设计一个通用的接口，直
接对数据库进行数据检索等操作，提取其中的数据；另一种方法是用数据库管理软件自身的功能，把数
据库文件转换成文本文件，供系统的其它部分使用。
三、数据字典与数据库管理子系统
1.数据字典
数据字典即是指系统所有数据库及其所含有的数据项的意义、内容和作用的说明信息库，是数据库使用
和维护的有效工具。在数据字典内要解释具体数据库的内容与作用、具体数据项的含义与用途等，所以
数据字典可分两类，一类是数据库的字典，一类是数据项的字典。对于数据项的字典，一般来说应包括
表8.2.1所示的项目。
表8.2.1 数据项字典的内容
┌──┬─────┬──────────┐
│序号│内 容│ 意 义 │
├──┼─────┼──────────┤
│ 1 │数据项名称│记录内容的编码 │
├──┼─────┼──────────┤
│ 2 │数据项含义│编码所表示的具体内容│
├──┼─────┼──────────┤
│ 3 │数据项类型│字符型或数字型等 │
├──┼─────┼──────────┤
│ 4 │数据项长度│给定的精度范围 │
├──┼─────┼──────────┤
│ 5 │取值范围 │数据项检验标准 │
├──┼─────┼──────────┤
│ 6 │更新频率 │动态数据的生命周期 │
├──┼─────┼──────────┤
│ 7 │所属库编码│数据项的存放地点 │
└──┴─────┴──────────┘
2.数据库管理子系统
数据库建立起来之后，要不断地充实完善和维护，就有必要建立一个简便的管理程序，方便用户的使
用。为此应当建立一个数据库管理子系统，它至少应具有如下功能：
①数据的修改与删除；
②数据的添加；
③数据的拷贝；
④数据的统计、排序；
⑤报表打印；
⑥数据的图形显示。
第三节、农业气候模型
一、农业气候模型的定义、种类、作用
模型是现实的量化或逻辑的抽象，能比较完整而客观地反映事物的内在联系。农业气候模型是指农业生
产依气候要素的各种模型和对农业气候进行分类、评价、预测、规划、统计的各种模型。
农业气候模型是农业气候信息系统的主要组成部分，是数据库的使用者，是决策的基础。有了农业气候
模型，农业气候信息系统才有其赖以生存的活力，才能为农业生产提供科学的决策。因此，农业气候模
型是农业气候信息系统的精髓。
农业气候模型因模型的不同作用各异，分述如下:
1.作物模拟模型
其主要作用是模拟作物在自然条件下的生长发育及产量形成过程，分析生长季内出现的问题及对产量的
影响, 为生产管理提供科学依据；对不同的作物, 由于其生物学特性不同, 都要建立相应的生长发育模
型，如有小麦、玉米、水稻等生长发育模型等。
2.种植制度模拟模型
其主要作用就是根据地区的自然条件，用作物模拟模型模拟不同的复种、套种结构的产量，分析其经济
效益，推荐最佳的种植结构和计划，使某地区的的农业生产在自然环境资源一定的前提下取得最好的结
果。
3.地区作物生产力评价模型
此模型可以用来估算不同作物在不同地区各种条件下生产力的高低，如用来估算一个地区的某作物的光
合生产力、气候生产力、土地生产力等，为地区作物选择和布局提供依据。
4.作物生长季分析模型
此模型可以定量分析地区的气候资源特点、不同地区作物生长季的长短和生长季内的气候特点。
5.农业气候资源分析模型
该模型可以根据数据库中的气候数据, 对其进行统计分析, 并以报表、图形等形式提供年内和年际间的
农业气候资料, 分析不同季节和作物生长的不同时段内的气候特点, 分析对作物生产的利弊。
6.各种统计模型
包括进行农业气候区划的分类和规划模型, 如聚类分析、模糊聚类; 进行农业气候资源评价的各种评价
模型, 如权重法评价模型、综合评判模型、因子选择模型等；对农业气候要素、作物产量等进行预测的
模型，如回归预测模型、时间序列模型、灰色系统模型。
在众多的模型中，大部分模型已经有了，只有模拟模型没有现成的可以使用，还必须根据地区的特点进
行组建。研制这些模型是一个复杂的过程，首先要找出农业生产对象或过程与农业气候要素之间的定量
关系，然后才能在计算机上完成程序的编制。
二、作物的生长发育及产量形成的模拟模型
从60年代至今，作物的生长发育及产量形成的模拟模型(以下简称为作物模拟模型)日趋成熟。它是建立
在作物生理学、土壤学、农业气象学、植物病理学等学科的理论基础上的。这些理论均具有普遍的适应
性，可以在不同环境条件、不同作物、不同品种、不同的种植制度下应用，因此作物模拟模型具有较强
的适应力。
作物模拟模型可以应用于以下几个方面：①估计特定的气候土壤条件下某一作物的光温生产潜力、气候
生产潜力等；②分析作物生产过程中的限制因子，提出高产、稳产、优质、高效的栽培途径；③在作物
生长发育过程中，推荐优化的农艺措施；④进行计算机模拟试验，加速作物育种、引种试验和其它田间
试验的进度等。
作物模拟模型就是指以太阳辐射为驱动变量，以其他气象因子、土壤因子等为环境变量，动态地模拟作
物的生长发育和产量形成过程的模型。作物模拟模型一般包括作物发育模型、光合作用模型、干物质分
配模型、作物形态建成模型等，今就作物发育模型和光合作用模型进行讨论。
1.作物发育模型
在作物的生长过程中会出现许多变化，有些变化如重量和叶面积的变化较容易定量，而植株的生理年龄
和发育则较难定量。但对作物发育期进行定量很有必要，因为新的生物量的分配这一重要过程直接依赖
于生理年龄状况。
某一作物的“发育时期”决定其生理年龄的大小，并与其形态表现有关。在作物生长模型中，发育时期
是一个状态变量。发育时期不能用简单的日历年龄来表达，因为一些环境因子如温度、水分胁迫可以加
速或延缓发育速率。温度在不同发育阶段对发育速率的影响不同，在营养生长期的作用大于在生殖生长
期的作用。日长仅在营养生长期有影响。这些差异表明，在开花前后，发育的生理过程是不一样的
(Penning de Vries，1989)。
(1)在营养生长期，发育速率近似等于出苗至开花所需时间的倒数。当温度恒定和日长不影响发育时，
此值就是营养生长期的发育速率常数。如水稻在温度为25℃和日长为10小时的发育速率常数等于0.014。
发育速率与温度的关系一般为非线性关系(Roberts和Summerfield,1987)，如图8.3.1所示。
图8.3.1 小麦品种QU189发育速率对温度的反应曲线
实线表示开花前的关系，虚线表示开花后相对效应是相对于25℃的值(Angus等，1981)
对热带地区的光周期敏感的作物来说，日长是一个重要的因子。长日照促进长日作物的发育，但延缓短
日作物的发育。有些作物在开花前，需要一定时间的最短或最长夜长，进行开花诱导。在此期内，作物
对日长的敏感性也会发生变化(Vergara和Chang,1985)。图8.3.2为一个感光性中等的小麦品种的发育
速率对日长的反应曲线。
图8.3.2 小麦品种QU189发育速率对日长的反应曲线
相对效应是相对于日长14小时的值(Angus等，1981)
(2)在生殖生长期，由于温度的影响，发育速率常数与营养生长期的有别。日长不影响这一阶段的发
育。图8.3.1表示了发育速率与温度之间的非线性关系。对无限生长型作物，只要环境适宜，营养生
长和生殖生长并行，所以可以认为开花后发育进程很慢。
(3)根据上述讨论，发育期模拟模型如下：
①营养生长期
Dv(t)=Cv x f1(T) x f2(L)
D1
DS=∫Dv(t)dt
0
式中：Dv(t)代表营养生长期逐日的发育速率;DS代表发育时期,0.0为萌芽期,1.0为开花期,2.0为成熟
期; Cv代表营养生长期的发育速率常数;T代表生育期间逐日白天的平均温度（℃）;L代表逐日的日长
（小时）;f1(T)为营养生长期间发育速率依温度的函数;f2(L)为发育速率依日长的函数;t从萌芽开始
的天数（天）;D1从萌芽到开花(DS=1.0)的天数（天）。
②生殖生长期
Dr(t)=Cr x f3(T)
D1 D2
DS=∫Dv(t)dt + ∫Dr(t)dt
0 D1
式中：Dr(t)代表生殖生长期逐日的发育速率;Cr代表生殖生长期的发育速率常数;T代表生育期间逐日
白天的平均温度（℃）;f3(T)为生殖生长期间发育速率依温度的函数;t从萌芽开始的天数（天）;D2从
萌芽到成熟(DS=2.0)的天数（天）。
根据以上的模型, 以日为单位进行积分即可模拟出各发育时期。
2.作物光合作用模型
作物光合作用是作物生长的基本生理过程。光合作用是作物生长过程中的碳的来源，是作物生长所必需
的。
(1)叶片光合作用：叶片光合作用对光合有效辐射PAR(J/(m2.s))的反应，可用总光合作用速率PL(kg
CO2/(ha.h))与PAR的指数曲线来描述(Goudriaan, 1982)，如图8.3.3所示，用方程表示为：
PL = PLMX x (1.0 - exp(-PLEA x PAR/PLMX))
图8.3.3 单叶总光合作用对PAR的反应曲线(Penning de Vries, 1989)
式中：PLMX为光饱和时的单叶最大光合速率(kg CO2/(ha.h))；PLEA为单叶的光能初始利用率(kg
CO2.ha-1.h-1)/(J.m-2.s-1)，为图8.3.3上角α的正切值，其大小基本上只受温度的影响，随着温度
的升高，光呼吸作用相对增强，结果是其值降低(Penning de Vries，1989)，同时也受作物种类的影
响。表8.3.1列出了C3和C4作物在不同温度下的光能初始利用率。
表8.3.1 C3和C4作物在不同温度下的单叶光合作用
的光能初始利用率(kg CO2.ha-1.h-1)/(J.m-2.s-1)
(Penning de Vries，1989)
┌──┬─────────────────┐
│作物│ 温 度 │
│ ├──┬──┬──┬──┬──┬──┤
│种类│0 ℃│10℃│20℃│30℃│40℃│50℃│
├──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤
│ C3 │0.5 │0.5 │0.45│0.3 │0.1 │0.01│
├──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤
│ C4 │0.4 │0.4 │0.4 │0.4 │0.4 │0.01│
└──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘
PLMX对作物生长模拟十分重要，其值通常在25-80kg CO2/(ha.h)之间。单位叶面积的叶片光合作用最
大速率与叶片的厚度和温度密切相关：
SLA
PLMX = PLMXP x f(TPAD) x (──)
SLC
式中PLMXP为标准比叶重常数(SLC)和最适条件下的PLMX；f(TPAD)为PLMXP随白天平均温度的变化速率
函数;TPAD为白天的平均温度(℃)；SLA，SLC分别为比叶重的实际值和比叶重常数；
(2)冠层光合作用：如果光合作用速率与光强度成比例，且所有的叶片特性相同，则冠层光合作用就可
以简单地表示为光合有效辐射与光能利用率的乘积。但是叶片在高光强下出现饱和，且叶子的受光姿态
也各不相同。植物冠层的光合作用速率取决于射入的可见太阳辐射、总的叶面积、叶的分布角度、叶的
光学特性及冠层内光的分布等。
冠层光合作用速率是所有叶片光合作用速率的总和,用每天单位面积土地上所同化的CO2量来表示,单位
为kg CO2/(ha.d),为了计算,把冠层再分成相对较薄的叶层,层厚约为每平方米地表包含0.1～1 m2叶面
积。顶层的光强最大，越到下层光强越弱。
1965年由de Wit首创了冠层光合作用模型，随后得到了改进和扩充(Goudriaan，1977，1986； de
Wit等，1978)，下面对它作简要介绍。
首先根据天气条件把作物冠层光合作用分成两类来考虑：完全晴天和完全阴天。对瞬时速率积分就可产
生每日的CO2固定量。
在叶面积指数为5和高光强时单叶的最大光合速率FG: C3植物为40kg/(ha.h)，C4植物为70kg/(ha.h)。
根据作物种类、纬度和日期,通过内插法就能求得晴天和阴天密集冠层的同化速率。每日的同化速率可
由下式求得：
FGC = fo x FOV + (1 - fo) x FCL
式中:FGC为冠层总的CO2同化速率(kg/(ha.d))，fo为阴天日所占的比例(完全晴天时为0，完全阴天时
为1)，FOV为完全阴天日的总CO2同化速率(kg/(ha.d))，FCL为完全晴天日的总CO2同化速率
(kg/(ha.d))。
完全阴天日的总辐射接近完全晴天日的总辐射的20%，于是阴天日所占的比例fo由下式计算：
fo = (HG - HA) / (HG - 0.2 x HG)
式中：HG为全晴天的总辐射(J/(m2.d))，HA为测定的总辐射(J/(m2.d))。
如果冠层还未完全密闭，比如在生长周期的开始和结尾时，则入射辐射不能被完全截获，并且与密闭冠
层相比，CO攬2攭同化作用下降。如前所述，可从作物截获的辐射比例估算其下降量：
fh = 1 - exp(-k.LAI)
式中：fh为作物截取光的比例；k为可见光的消光系数，介于0.5和0.8之间。
三、土壤水分动态模拟模型
土壤水分动态模拟模型是用来模拟根层土壤水分的动态变化的计算机模型。水分在时间和深度上的分布
状况是重要的，因为它决定了作物可利用的水量的多少，但它又是相当不稳定的，可由降雨和灌溉进入
土壤，或由毛管上升水进入根层土壤，经蒸发、排水或被植物吸收而离开土壤。重力和水分吸力梯度是
水分在土壤中运动的动力。
土壤水分平衡模型可用公式表示：
DW = P + IR + Q - RO - U - E - I
式中DW为水分平衡量，P为降雨量，IR为灌溉项，Q为毛管上升水，RO为径流量，U为渗漏量，E为蒸散
量，I为截流量。
Penning de Vries等人(1989)建立的MACROS模型中，把土壤水分平衡模型分为两类，分别建立了用于
地下水位深(根系剖面无毛管上升水)以及土壤导水率不限制向下水流情况下的简单模型，和用于土壤导
水率可能限制水分流动以及地下水能够上升到根层情况下的较复杂的模型。
第四节 决策支持子系统
一、决策支持子系统的概念及其作用
由于制订决策的过程越来越需要大量定性和定量的信息，终于使人们认识到必须要有帮助做出正确决策
的辅助手段不可。一个现实、经济的决策支持系统，就是一种有效的手段，以帮助人们做出有信息根据
的决策。70年代以来，决策活动在决策方法的数学化、模型化、计算机化的第一次飞跃的基础上，正在
进行第二次飞跃，即向决策活动以创造性逻辑思维与定量化相接合的方向飞跃。
决策支持子系统是农业气候信息系统的中枢神经，在系统中起着决策与控制的主导作用，其主要作用如
下：
(1)与用户交互：向用户提出问题，并给用户以解答；
(2)准备数据：根据用户的要求，准备必要的数据文件，供模拟模型使用；
(3)调用模拟模型：在用户提出问题后，依据一定的规则，调用有关的模拟模型来完成工作；
(4)解释结果：把模拟模型的输出结果用文字、图表的形式解释给用户；
(5)推荐优化决策措施：依据模拟的结果，结合知识库内的知识，经过推理，推荐一套或多套优化的农
艺措施，供生产和决策部门参考使用。
总之，决策支持系统是农业气候信息系统的灵魂，有了它农业气候信息系统才能协调运转，充分发挥系
统的功能。
二、决策支持子系统的构成
农业气候信息系统的决策支持子系统由推理机和知识库组成，推理机还可以分为与农业气候模型的接口、
与数据库的接口、决策核心模型，如图8.4.1所示。
┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓
┃推┌─────┐ ┌─────┐┃
┃ │ 与 数 据 │ │与农业气候│┃
┃ │ 库的接口 │ │模型的接口│┃
┃理└──┬──┘ └──┬──┘┃
┃ └───┐ ┌──┘ ┃
┃ ┌─┴───┴┐ ┃ ┌───┐
┃机 │决策核心模型├─────╂─┤知识库│
┃ └──────┘ ┃ └───┘
┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛
图8.4.1 决策支持子系统的组成部分
1.与数据库的接口
该模块可以根据用户提出的基本目标，从有关数据库提取数据，并把这些数据制成数据文件，供农业气
候模型使用。
2.与农业气候模型的接口
该模块把模拟模型的运行结果提取出来，并将它们解译成有关的事实，加入到动态的事实数据库中，供
决策核心模型使用，以提出优化的决策方案。
3.决策核心模型
决策核心模型是决策支持子系统中与知识库同等重要的组成部分，它包含了多个决策子模型，有作物栽
培生产管理决策子模型、种植制度决策子模型、品种布局决策子模型、地区气候资源评价决策子模型等。
例如种植制度决策子模型的决策过程如图8.4.2所示。
───
开始
─┬─
┌──────┴──────┐
│对地区气候资源进行综合评估│
└──────┬──────┘
┌──────┴──────┐
│对地区土壤资源进行综合评估│
└──────┬──────┘
┌───────┴───────┐
│对地区作物品种资源进行综合评估│
└───────┬───────┘
┌──────┴──────┐
│ 提出最理想的种植制度方案 │
└──────┬──────┘
┌───────┴───────┐
│对地区社会经济条件进行综合评估│
└───────┬───────┘
┌─────┴─────┐
│ 提出现实种植制度方案 │
└─────┬─────┘
─┴─
返回
───
图8.4.2 种植制度决策子模型的决策过程简框
由图8.4.2可知，如果要对一地区的种植制度进行决策，第一步，决策支持子系统从数据库中提取有关
的数据，对该地区的农业气候资源进行综合评价，分析其利弊条件；第二步，根据土地状况、地理位置、
水文条件等，对土地资源进行综合评估；第三步，对农作物品种资源进行评估；第四步，提出一个最理
想条件下的种植计划；第五步；结合社会经济条件进行评估，提出切实可行的种植方案。
4.知识库
知识库是决策支持子系统的一个组成部分，是以一定形式存储的各种相关的知识集合。它不同于一般的
数据库，它不仅包含了多种已知的事实和规则，更重要的是可以从这些已知的规则和事实出发,推出大
量的未知的事实。它不仅包含有书本知识，而且还包含了专家的经验性知识等。
在知识库中，知识表达是很重要的，它不仅要表达出特定领域内的大量事实和规律，而且要真实、全面
地反映出专家的实践经验。知识表达是决策系统的基础，关系到系统的推理是否能够模拟出人类专家的
思维过程。
在农业气候信息系统中，一般应采用生产式规则的知识表达方式。知识的单位是：
if <前提条件> then <结论>
农业气候信息系统的知识库应存放农业生产和农业气候中的定性的知识，在系统运行过程中，它向推理
机提供必要的知识规则，引导推理过程，做出优化的决策方案。
第五节 农业气候信息系统设计
一、农业气候信息系统的建立应具备的条件
(一)基础理论的研究
农业气候信息系统是利用高新技术改造传统产业的产物，它是集诸门现代科学于一体而形成的系统。欲
要建立农业气候信息系统，需要具备农业气候学、农学、生理学、生态学、土壤学、农业系统学和计算
机科学的知识和技术，所以必须进行多学科的联合协作。
上面提到的各门学科，有的还在蓬勃发展、日臻完善，如计算机科学、农业气候学等，有的已非常成熟，
如土壤学等。在农业气候信息系统的发展过程中，在系统的设计和验证上还要花大力气，使系统在理论
上有可靠的基础。
(二)基础的试验研究
农业气候信息系统实践性较强，它来源于实践，反过来要为实践服务。在系统的建立前期要做大量的试
验，采集数据，为系统的建立提供依据。在系统的原型建成之后，还要做大量试验，收集数据，对其进
行正确性和可靠性验证。在系统投入使用以后，要不断地发现问题，分析问题，进行有关的试验，改正
或改建模型，或者组建新的模型以完善和扩充系统。
有关的试验有：作物新品种参数的测定试验、土壤特性的鉴定试验、气候因素对农业生产影响的试验、
新的栽培措施的试验、新的化学药剂对作物的影响试验等。
(三)基础资料的收集与整理
农业气候信息系统的决策结果好坏与所用的数据密切相关，所以要求数据尽可能准确和全面。数据的质
量对系统的正确运行很重要，那么数据的收集就是一个细致的过程。完善的数据集是很少的，在大多数
情况下，数据集是不完整的。数据的空缺要用近似的数据或标准的平均值来填补。在实际应用时，我们
可以使用与真实情况相差不远的标准值；在不能用标准值的地方，近似数据必须由模型的使用者估算，
如气象站之间的地区的气象数据可以用内插法或外推法来估算；在其它情况下，请当地有经验的专家帮
助是必要的，他能通过对生产环境的定性或半定量描述加以分析，从而作出可靠的估算。
二、农业气候信息系统的设计
(一)设计目标
1.总体目标
农业气候信息系统的总体目标是在充分利用农业气候资源的基础上，为获得农业的高产、稳产、优质、
高效益提供优化的决策措施，包括栽培措施、种植业结构或计划、品种的合理布局、趋利避害的措施等。
2.分目标
要实现上述总体目标，首先要实现以下分目标:
(1)农业气候模型的建立：农业气候模型是农业气候信息系统的主要组成部分，其中的作物模型更是系
统的精华，只有有了它们农业气候信息系统才能作出正确的决策，才具有应用价值。
(2)数据库的建立：数据库是农业气候信息系统的进行决策支持的先决条件，只有具有了完善的数据库，
才能进行全面正确地决策。这部分工作是在农业气候信息系统建立的过程中，首先要完成的。
(3)决策子系统的建立：决策支持子系统是农业气候信息系统的中枢神经系统，它控制着整个系统的信
息和数据流动，负责调用农业气候模型和数据库中的数据，并完成各项优化的决策。
(4)知识库的建立：知识库中存储着农业气候信息系统进行推理的定性知识，是决策支持子系统的基础。
(二)农业气候模型的设计与实现
农业气候模型种类繁多，有些模型属于经典模型，而有些模型还在研制阶段，需要在实践中研究与发展。
下面以棉花生长发育与产量形成的模拟模型GOSSYM(D. N. Baker等，1983)为例说明作物模拟模型的设
计与实现。
GOSSYM模拟模型是一个动态模型，能在生理过程水平上模拟棉花的生长发育和产量形成。该模型本质上
是一个表达植物根际土壤中水分和氮素与植株体内碳和氮的物质平衡的模型，包括了水分平衡、氮素平
衡、碳平衡、光合产物的形成与分配、植株的形态建成等子模型。
在GOSSYM模型中，植株光合、生长、形态发生部分的模拟步长(或模拟时间)以天为单位，而与土壤水分
再分配有关的部分的模拟步长为一天10次。
GOSSYM模型可以模拟棉花对外界条件的反应，如逐日的太阳辐射、最高和最低气温、风速、降雨等气象
条件，以及种植密度、行距、耕作措施、施氮肥和灌溉等农艺措施。
GOSSYM模型的基本结构如图8.5.1所示。各子程序的主要功能简介如下。
┌───┐
│GOSSYM│ ┌───┐
└─┬─┘┌┤DATES │
┌─┴─┐│└───┘
┌──┐ │CLYMAT├┤┌───┐
│PIX ├─┐└─┬─┘└┤TMPSOL│
└──┘ │ │ └───┘
┌──┐ │┌─┴─┐ ┌───┐
│PREP├─┤│SOIL ├┬ FERT ─┤FRTLIZ│
└──┘ │└─┬─┘│ └───┘
┌───┐│ │ │ ┌───┐
│TEMIK ├┤ │ ├ RAIN ─┤GRAFLO│
└───┘│ │ │ └───┘
┌───┐│┌─┴─┐│ ┌───┐
│ANTIR ├┴┤CHEM │├─────┤ ET │
└───┘ └─┬─┘│ └───┘
│ │ ┌───┐
│ ├─────┤UPTAKE│
│ │ └───┘
│ │ ┌───┐
┌─┴─┐├─────┤CAPFLO│
│PNET ││ └───┘
└─┬─┘│ ┌───┐
│ └─────┤NITRIF│
│ └───┘
┌─┴─┐ ┌───┐┌───┐
│GROWTH├┬┤RUTGRO├┤RIMPED│
└─┬─┘│└───┘└───┘
│ │┌───┐
┌────┐┌─┴─┐├┤NITRO │
│ABSCISE ├┤PLTMAP││└───┘
└───┬┘└─┬─┘│┌───┐
┌───┐ │ │ └┤MATBAL│
│PMAPS ├┐ │ └───┘
└───┘├ FREQ │
┌───┐│ │
│COTPLT├┘ ┌─┴─┐
└───┘ │OUTPUT│
└───┘
图8.5.1 GOSSYM的主框架(引自McKinion等,1989)
● 气候子模型(CLYMAT)
气候子模型读入全部气象资料(实际的、预报的、未来的)，用Robinson和Russelo的算法计算日长，
采用Acock提出的方法利用日最高温度、最低温度和太阳辐射计算昼间、夜间和全天的平均温度，用
株高和行距计算棉田截光率；然后调用土壤温度子模型(TMPSOL)计算根层2米深各层土壤的温度；
并调用地表水径流子模型(RRUNOFF)计算降雨或灌溉可能引起的径流量，采用美国农业部水土保持局
推荐的估计方法。
● 土壤子模型(SOIL)
土壤子模型计算向植株提供的氮素、土壤水势和根系存贮氮和糖的能力。根区土壤在横向上分成20个等
份，在纵向上分成40个等份，形成一个20x40的矩阵，即800个小室，每个小室大约为5x5厘米。模型逐
日计算各室的水分、硝态氮和铵态氮以及根的生物量，用来计算根的生长量和水分与氮素的吸收量。
其中的二级子模型，施肥子模型(FRTLIZ)用来分配铵态氮、硝态氮和尿素于土壤剖面中；重力水移动子
模型(GRAFLO)用来完成在重力作用下的雨水和灌溉水在土壤剖面中的移动过程；蒸腾子模型(ET)估计土
壤表面的蒸发速率和作物的蒸腾速率；土壤蒸发子模型(EVPSOIL)估计土壤表面的水分蒸发量；吸收子
模型(UPTAKE)计算根区水分、氮素的吸收；毛管水移动子模型(CAPFLO)估计毛管水的流动状况；硝化子
模型(NITRIF)计算土壤中微生物作用下的铵态氮向硝态氮的转变情况。
● 化学药剂子模型(CHEM)
该模型估计化学物质对植物生理过程的作用。目前这些化学物质包括植物生长调节剂PIX和PREP、脱叶
剂DEF、DROPP、GRAMOXONE、FOLEX和HARVADE。
● 光合呼吸子模型(PNET)
该模型根据日太阳辐射量、棉田截光率、种植密度和水分对光合作用的胁迫系数计算植株的日总光合产
物，根据日平均温度计算光呼吸量，根据植株重计算维持呼吸量，然后计算出日总净光合产物。
● 生长子模型(GROWTH)
生长子模型计算植株各器官潜在的和实际的生长速率，将光合作用产物分配到各器官，计算各器官的总
生物量，同时计算株高的日生长量。其中二级子模型根系生长子模型(RUTGRO)计算各土壤小室中根
的生长和分布；根延伸子模型(RIMPED)计算增加土壤容重对根延伸能力的影响；氮素分配子模型
(NITRO)计算植株中氮素的分配；代谢物平衡子模型(MATBAL)保持模型中碳、氮等的物质平衡轨迹。
● 形态发生子模型(PLTMAP)
形态发生子模型模拟棉株的形态建成和各器官的成熟与衰老，包括蕾铃的生理脱落和各种胁迫因素的计
算。在GOSSYM模型中，各器官的形成时间基本上是依温度的函数关系，如现第一蕾的时间与温度有：
TSQ = (a - T*(b-T*c) * CALBRT[1]
其中TSQ是从出苗到现第一蕾的时间，T为从出苗到现蕾这段时间的日平均气温，CALBRT[1]是第一个品
种参数(见表1)，a、b、c为方程的系数。
主茎节位、果节的出现时间，由蕾到开花的时间、开花到吐絮到时间均是温度的函数，基本形式同第一
蕾出现时间依温度的关系式，在此不再详述。
● 脱落子模型(ABCISE)
脱落子模型估计蕾铃和叶片由于胁迫和自然衰老的脱落速率。
在生长季结束后, 调用OUTPUT输出各种模拟结果, 包括成铃数、铃重和产量等数据。
在农业气候模型的设计中，可以使用各种高级计算机语言，如BASIC、PASCAL、C等，但是要遵守一定
的协议，便于系统的接口。
(三)数据库及其管理系统的设计
我们经常要对数据库进行操作，为此设计一个管理子系统是必要的，子系统应具有如图8.5.2的基本结
构。
┌───────┐
│数据库管理系统│
│ DBMS │
└───┬───┘
┏━━━━━━━━┿━━━━━━━━┓
┃ ┌────┬┴──┬───┐ ┃
┃┌─┴┐ ┌─┴┐ ┌┴┐ ┌┴┐┃
┃│数成│ │数模│ │报│ │分│┃
┃│据模│ │据块│ │表│ │类│┃
┃│库块│ │检 │ │打│ │统│┃
┃│生 │ │索 │ │印│ │计│┃
┃└─┬┘ └─┬┘ └┬┘ └┬┘┃
┃ └┬───┴┬──┴─┬─┘ ┃
┗━━━┿━━━━┿━━━━┿━━━┛
┌─┴─┐┌─┴─┐┌─┴─┐
│气 候││作 物││土 壤│
│数据库││数据库││数据库│
└───┘└───┘└───┘
图8.5.2 数据库管理子系统结构
根据图8.5.2的结构，可以用dBASE、FOXBASE、FOXPRO等数据库管理系统进行程序设计，建立系统，
调试完成后，编译生成执行文件(.EXE)，由农业气候信息系统的主程序调用。也可以由系统设计人员用
高级语言设计完成。
(四)决策支持子系统的设计与实现
图8.4.1显示了决策支持子系统的结构，可采用人工智能计算机程序设计语言TURBO PROLOG或LISP进
行程序设计，也可以使用已有的专家系统工具进行设计，应用模块化的技术对系统进行设计，使系统应
用和维护起来比较方便。
(五)系统的输入和输出与图形用户界面
系统与操作员之间的交互采用会话的形式，由系统操作员输入用户的请求，然后系统根据问题的性质和
内容一步一步向用户征询需要的数据，一旦数据征询完毕，系统就会马上执行相应的功能，然后向用户
推荐一种或多种方案，供用户选择使用。
在与系统交互期间，系统会用图表或文字等多种形式给用户提供信息，便于用户了解或证实有关的事实，
以作为决策的依据。
目前，随着MS WINDOWS操作系统的流行,人们对计算机软件的要求越来越高。图形用户界面(GUI)受到
广大用户的普遍欢迎,所以在建立农业气候信息系统时,必须赶上时代的步伐,应用当前先进的计算机编
程技术,建立可以在WINDOWS系统下运行的应用程序,给用户创造一个良好的工作环境。这样的图形用户
界面会进一步简化操作步骤，使信息的输入和输出更方便。
三、ACIS与其它有关专业系统的衔接
农业气候信息系统(ACIS)是农业信息系统中的一个子系统，它既可以直接为农业生产提供服务，也可以
作为大系统的一部分，同其它子系统协同使用。
农业气候信息系统(ACIS)可以和地理信息系统(GIS)联合使用，共享数据资源；和各种作物模拟模型结
合，开发有关的知识库，进行作物生长动态监测、生产管理决策、作物产量的估测等多种农业生产的宏
观的管理，使农业生产沿着持续发展的道路前进。
农业气候信息系统的基础数据库可用dBASE等数据库管理系统建立，增强其通用性。
另一方面，农业气候信息系统是一个开放的系统，可以根据需要，随时扩充或增加相应的功能，使系统
本身具有较大的灵活性。
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