编程技术、软件应用与系统模拟(Programming, Applicaiton and Simulation) |
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只做有益人类的事
不做有害人类的事
黄淮海棉区棉田管理专家系统*
摘 要 棉田管理是通过定性和定量相结合而进行的，专家系统是操作定性知识的工具。本文利用专家系统技术，在验证美国的棉花模拟模型GOSSYM的基础上，通过对我国黄淮海棉区植棉知识和经验的提炼，建立了一个可以对棉田水、氮、缩节安管理提供辅助决策的棉田管理专家系统CMES。该系统采用面向对象的编程方法，建立了一个棉田管理的抽象对象，并从此对象衍生出水分管理、氮肥管理和植物生长调节剂管理的对象，将棉田管理的知识规则组织到对象的方法中，通过消息传递，在规则的引导下推理，完成棉花生产管理中使用水分、氮素和缩节安的辅助决策。施肥是棉花生产管理中的一项基本生产活动，本文提供了一个利用CMES推荐棉田施氮决策的实例。 关键词 棉花，知识，管理，专家系统 中国是世界产棉大国，植棉历史悠久，宜棉区域广阔。目前，我国棉花总产量居世界首位，但是，平均单产低于世界先进植棉国家的水平，与以色列、美国、澳大利亚等国的棉花生产管理水平相比，还有较大的差距，例如，1993年澳大利亚皮棉单产为1160公斤/公顷，而我国为749公斤/公顷；1994年澳大利亚皮棉单产为1244公斤/公顷，而我国为765公斤/公顷。鉴于此有必要在我国发展棉花生产管理系统及深入进行棉花模拟模型的研究，以期对提高我国棉花生产水平有所帮助。 黄淮海棉区包括冀、鲁、豫三省平原地区及淮河以北的苏、皖两省的淮北平原地带。据1983年统计，全区植棉面积和总产量已超过全国半数[11]。该区地势平坦、土层深厚、土质疏松、排水良好、光照充足、水热适中、春季气温回升快、秋季多晴朗天气，自然生态条件有利于棉花的早发、稳长和吐絮，使其成为我国的主要集中植棉地带[14]之一。 本研究是在以往同类研究[2～7]和验证美国的棉花模拟模型GOSSYM[16,17]的基础上[9]，通过对我国黄淮海棉区植棉知识和经验的提炼，建立了一个解释GOSSYM输出结果、对指定棉田的动态管理提供决策的棉田管理专家系统CMES，它作为黄淮海地区棉花生产管理系统COTMAS[8]的一部分，可以对黄淮海棉区棉田水、氮和缩节安管理提供辅助决策。 1 概述 棉花播种出苗后，棉农即开始对棉田进行动态管理，某项管理措施的使用与否及使用时间成为棉田管理要解决的中心议题，棉田管理需要有专家的指导才能实现高产优质，取得良好的社会、经济和生态效益。 棉花生产管理中的决策，主要是根据棉花当时的长势长相，即是否正常，或旺、弱，提出相应的管理措施，如施肥、灌水、喷缩节安等。 采用面向对象程序设计方法中的对象来表示棉田管理的实体单位。将棉田管理中的知识规则化，用程序表达出来，编写到作物管理对象的方法中，在进行决策时，只要通过消息传递，调用决策方法进行推理，在规则的引导下，确定使用农艺措施的时期和用量，然后运行GOSSYM模型，通过分析多次模拟结果，决定具体的措施，向用户推荐拟采用的管理决策方案。 棉田管理专家系统(Cotton crop Management Expert System，简称CMES)实际上是由水分管理、氮肥管理和缩节安管理对象构成的。在该系统中知识与程序相连接，使知识与处理知识的方法相互依存。下面具体介绍棉田水分、氮素和缩节安的管理决策方法。 2 棉田水分管理决策 GOSSYM模拟结果指明了实际气象资料结束后水分胁迫的日期并建议进行灌溉，但这样过于简单，没有充分利用GOSSYM提供的信息。图1显示了水分灌溉决策的流程。
图1 棉田水分管理决策流程 水分胁迫日期的确定 水分胁迫日期主要是根据水分胁迫指数和根区土壤水势的大小来确定的。如果GOSSYM模拟出的水分胁迫指数低于0.75或根区土壤水势小于-0.5巴，应该决定哪一天进行灌溉。如果灌溉面积大，则灌溉应该在发生水分胁迫之前开始。虽然土壤水势是土壤对植物供水能力的指示器，但它没有水分胁迫指数对未来天气变量的反应敏感。灌水定额的确定 灌水定额主要依赖于土壤质地、土壤水分特性和作物需水量而定。一般来说，适宜灌水定额可以根据灌溉时期来确定，现蕾期的灌水定额为30～45毫米(300～450立方米/公顷)，开花结铃期为45～75毫米(450～750立方米/公顷)，成熟吐絮期为45毫米(450立方米/公顷)[15]。灌溉的优化管理具有生态和经济的两重重要性。GOSSYM模拟结果提供了优化灌溉的信息。通过检查变量CUMSOK(水分渗出土壤剖面的累计量)的值可以知道是否有水和N发生深层渗漏，如果发生这样的情况，就应当重新计算灌水定额。一般来说，确定灌水定额要多次运行GOSSYM，灌水定额以毫米为单位，以10毫米作为增量，连续运行GOSSYM，以确定最佳的灌水定额。该灌水定额不仅能够有效地解除棉田的旱象，同时不致于产生水资源的浪费。 3 棉田氮肥管理决策 氮肥的管理决策如图2所示。氮肥管理的第一个问题是是否为灌溉棉田，如果是灌溉棉田，应保证能够有效地缓解水分胁迫。氮素胁迫通常是由于根区土壤中的有效氮素减少所致。用氮的供需比(即氮素胁迫指数)来估计缺氮的程度，当氮素胁迫指数小于1.0时，植株就处于氮素胁迫状态下。
氮素胁迫日期的确定 在GOSSYM的模拟结果中，可以得到氮素胁迫指数小于1.0的日期，也就是氮素的胁迫日期，这个日期就是需要追施氮肥的日期。实际上，在出现氮素胁迫之前，就应该追施氮肥，理由是由于地块的大小不同，追肥需要的时间是不同的，再则施肥后肥效发挥也有一个过程。虽然理论上，上述的日期是最合理的，但是氮肥必须在水分的作用下才能有效地为作物所利用。所以追肥和灌溉应当相互协调，使土壤中水、肥能够及时得到补充，这样的日期才是最有效的施肥日期。因此，确定施肥日期还要参照上节确定的灌溉日期。 施氮量的确定 如果在整个生育期间不发生氮素胁迫，GOSSYM模拟结束应达到最大产量。通过以一个较小的增量来逐步增加施氮量，多次执行GOSSYM模型，来决定植株的需氮量。当氮素胁迫系数在全生育期内保持1.0时，即为作物的需氮量。另一方面，可以从预计达到的皮棉产量推算出作物全生育期的需氮量。一般来说，每生产1公斤皮棉棉株需要吸收0.12～0.18公斤纯氮[15]，据此可以推算出棉花的全生育期总的需氮量，再根据前期使用的纯氮量和土壤的供氮量，即可推算出需要的追氮量。确定了棉花的需氮量，可以根据发生氮素胁迫的日期及胁迫发生的程度，在发生氮素胁迫的日期，以不同的施氮量为措施，多次运行GOSSYM，即可决定合理的氮肥用量。 4 棉田缩节安决策 在农业实践中，往往因为肥水的使用不当或降水太多，致使棉株旺长，造成减产，在这种情况下，应该考虑喷施缩节安，以控制棉株的旺长，减少产量损失。缩节安通常被用来抑制过旺的营养生长，协调生殖生长与营养生长的关系，以得到早熟和取得较高的产量。近年来我国对缩节安在棉花上的应用研究结果表明，一般在棉花初花期喷施适量的缩节安，具有稳定的增产作用，在花铃期喷施缩节安的用量要根据棉花当时的长势长相而定。一般来说当棉花遭受严重干旱和N素不足时，不宜喷施缩节安。 喷施缩节安大致分为3个时期 蕾期、初花期和花铃期，在现蕾前，一般不使用缩节安。在正常年型下，蕾期每公顷喷施0～15克缩节安，初花期每公顷喷施30～60克缩节安，花铃期每公顷喷施45～60克缩节安[1,12,13]。具体使用多少，要利用GOSSYM模型进行模拟，以确定其实际的应用效果，如果能够有效地抑制过旺的营养生长，并且皮棉产量和品质提高，就据此提出决策，否则围绕这个值，增加或减少缩节安用量，用GOSSYM模型确定最佳的用量。缩节安的管理决策如图3所示。
5 氮肥决策实例 下面是一个用CMES进行棉田氮肥管理的决策实例。设用中棉所12品种在4月12日播种，4月23日出苗，种植密度45千株/公顷，行距80厘米，播种前测定土壤中有效氮含量为120公斤/公顷，生育期间不追施氮肥，试决定如果欲获得2000公斤/公顷的皮棉产量，在棉花生育期间应当追施多少氮肥，何时追施? 根据每生产1公斤皮棉约需0.12～0.18公斤纯氮，可知要生产2000公斤/公顷的皮棉约需要240～360公斤/公顷的纯氮，已知土壤可以供给120公斤/公顷的纯氮，那么每公顷需要追施120～240公斤纯氮，到底何时追施，具体追施多少，棉田管理专家系统CMES需要多次运行GOSSYM模型来决定。CMES的决策结果见图4和图5。最后推荐的施肥方案是7月27日追施纯氮140公斤/公顷。
从图4可以看出，在不追施氮素的情况下，于8月6日，棉田发生严重的氮素胁迫，最后的皮棉产量只有678.1公斤/公顷(图4a)；若于7月27日追施120公斤/公顷的纯氮，氮素胁迫日期后推到9月6日，最后的皮棉产量为1642.1公斤/公顷，氮素胁迫程度得到缓解(图4b)；若于7月27日追施140公斤的纯氮，氮素胁迫日期推迟到9月15日，最后可以获得1806.2公斤/公顷的皮棉产量，氮素胁迫基本解除(图4c)；若于7月27日追施160公斤/公顷的纯氮，氮素胁迫日期后推到9月27日，只有极轻微的胁迫发生，最后的皮棉产量为1939.1公斤/公顷(图4d)。从皮棉产量结果看以每公顷追施160公斤的纯氮为最好，但是这还需要参照图5的棉株生长动态变化情况才能确定。 从图5可以看出，在每公顷追施160公斤纯氮时，棉株出现二次生长(图5d)，根据棉田管理的一般规则，追施氮肥量已经过多，而追施140公斤/公顷的棉田，没有出现二次生长(图5c)，且皮棉产量与追施160公斤/公顷的相近似，并能有效地解除氮素胁迫，所以最后推荐于7月27日每公顷追施140公斤纯氮作为最佳的追氮肥措施。 参考文献 邓绍华，蒋国柱等.棉花化学调控与产量关系的数学模型研究.棉花学报.1992，4(增刊)：45～52 董占山，潘学标等.棉花生产管理决策系统CPMSS/CGSM. 全国首届青年农学学术年会论文集.北京：中国科学技术出版社，1992.p.427～432 董占山，潘学标等.棉花生产管理决策支持系统CPMSS的设计与实现. 计算机农业应用，1993，(1)：16～19 董占山.计算机在美国棉花生产中的应用.世界农业.1993，(3):27～28 董占山.计算机在我国棉花科研和生产中应用研究现状与发展对策.农牧情报研究.1994，(2)：15～18 董占山.棉花生产计算机管理系统的研究现状与对策.中国农学通报.1994，10(4)：41～43 董占山.作物生产管理系统的理论与发展.中国科学技术协会第二届青年学术年会论文集¾ 农业科学技术研究进展与展望.北京:中国科学技术出版社.1995.6,p.56～60 董占山，韩湘玲.黄淮海地区棉花生产管理系统.自然资源学报.1996,11(2):164～169 董占山，韩湘玲，潘学标.GOSSYM模拟模型在黄淮海棉区的验证.1996.(待发表) 韩湘玲，曲曼丽等.黄淮海地区农业气候资源开发利用.北京：北京农业大学出版社，1987.p.66～75 韩湘铃等编.作物生态学.气象出版社，1991.p.189～197 何钟佩，李丕明等.DPC化控技术在棉花上的应用和发展从防止徒长到系统的定向诱导.北京农业大学学报.1991，17(增刊)：58～63 潘小康，董占山等.棉花高产的调控措施与诊断指标的研究. 计算机农业应用，1991年专刊，p.80～85 王素云.我国棉花生产专业化地带的特点及发展.农牧情报研究，1993，(4)：12～18 中国农科院棉花研究所主编.中国棉花栽培学.上海：上海科学技术出版社.1983 Baker, DN, JR Lambert and JM McKinion.GOSSYM: A simulator of cotton growth and yield. S.C. Agri. Exp. Stn. Tech. Bull.1089.1983 McKinion, JM, DN Baker et al. Application of the GOSSYM/COMAX system to cotton crop management. Agric. Syst.,1989, 31:55～65 作者简介 董占山，1965年11月生，毕业于北京农业大学，获理学硕士学位；现为中国农科院棉花所助理研究员、中国棉花学会理事兼学术组成员；主要从事计算机农业应用研究，研究方向是作物管理专家系统、作物模拟模型的研究与应用；近年来出版2部技术性专著，达100万字，发表论文40余篇。通讯地址：河南安阳白壁中国农科院棉花所，邮政编码：455112，电话（传真）：0372-2923711。
CMES: A Cotton Management Expert System for the Huang-Huai-Hai Region in China Dong Zhanshan (Cotton Research Institute,CAAS, Anyang, Henan 455112) Han Xiangliang (Chinese Agricultural University, Beijing 100094) ABSTRACT By application of the technique of expert system and object-oriented programming, a Cotton Management Expert System (CMES) was established, it will recommend the management measures about application of nitrogen fertilizer, irrigation and plant growth regulator. Key words cotton, knowledge, management, expert system |
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