编程技术、软件应用与系统模拟(Programming, Applicaiton and Simulation) |
 |
|||
|
|||
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
棉花生产管理系统COMAX/GOSSYM
董占山 朱薇薇
(中国农科院棉花研究所)
摘要: COMAX/GOSSYM系统是由美国密西西比农业试验站与密西西比州立大学等单位合作研制成的, 经过20多年
的发展, 现已投入大面积使用阶段, 并取得了良好的社会效益和经济效益。本文就其结构与功能进行介绍, 并
说明了其应用情况。
关键词: COMAX/GOSSYM, 棉花, 生产管理, 模拟模型
从60年代开始, 国际上已兴起各种各样的作物生产或产量形成的模拟, 把特定的气候因素与作物的产量相联系;
从70年代起, 人们开始把农业气候资源中的太阳辐射和温度等作为驱动变量, 模拟作物的光合作用、呼吸作用
和植株的生长等, 随着时间的推移, 逐渐把环境中的其它因素也加入到生长发育模型, 从而研制出依赖一定环
境资源的作物生长发育和产量形成的动力学模型, 为充分利用地区自然资源, 发展农业生产, 起到了积极的作
用。
目前, 国内外对作物模拟模型的研究方兴未艾, 正在蓬勃发展, 特别是我国, 从80年代初开始, 广大农业科研
工作者, 多学科联合协作, 在作物生长发育模拟模型的研究上取得了一定的成果, 但由于底子薄, 时间短, 还
很不完善。相反, 国外在这方面已取得了许多成功的经验, 譬如, 美国的棉花生产管理系统COMAX/GOSSYM,
从1985年建成以来, 已在生产上大面积推广, 到1990年应用面积达16万公顷, 每公顷净利润169美元[8]。
一、COMAX/GOSSYM的发展过程
1.GOSSYM的产生与发展
1970年, Stapleton等人在亚利桑那州开始模拟棉花的生长发育, 建立了第一个棉花生长发育模拟模型, 随后
他们于1973年又将其发展程为COTTON模型[9,10]。同期, Duncan等人在密西西比州建立了SIMCOT模型[3], 该
模型用气象站资料和土壤特性资料作为输入, 模拟"标准"单株生长发育过程。1972年, Baker和Hesketh等人
把植物营养学的有关理论应用到模型中, 估测碳水化合物生产和碳水化合物胁迫对果实脱落和形态发生的影响
[1], 1974年Jones增添了氮素估计过程[4], 从而建成了第二代棉花模拟模型SIMCOT Ⅱ[6], 该模型可用来模
拟水分充分满足条件下棉花的光合作用、呼吸作用和器官建成, 也可以模拟生理胁迫效应, 但关于土壤因素对
棉株生长发育的影响考虑甚少。1975年以后, 尤其是在使用SPAR(Soil-Plant-Atmospere-Research)系统之
后, Baker和Lambert等人致力于改进上述模型, 不仅丰富了温度和水分胁迫以及与氮素胁迫影响棉花生长发育
和器官建成方面的内容, 而且提供了棉花根际土壤系统模拟模型RHIZOS, 于1983年创立了第三代棉花模拟模型
GOSSYM(Gossypium Simulation Model)[2]。该模型是一个以土壤物理学性质、土壤养分和水分等为初始条
件, 以气象要素太阳辐射、昼夜最高和最低温度为驱动变量, 以关键农艺措施如施氮、灌水、喷脱叶剂等为控
制变量的系统动力学模型。1984年以来, Baker和McKinion等人在原有基础上, 进一步改进和完善了棉株生长
发育和干物质分配部分的内容, 完善了棉株形态建成的功能, 同时, 又陆续研制了几种主要的除草剂、杀虫剂
、植物生长调节剂等化学药品对棉花影响的子程序, 使GOSSYM日臻完善[8]。
2.COMAX的发展
COMAX是一个用于棉花生产管理的专家系统, 1984年研制出原型, 1985年投入试运行, 到1989止已发展得比较
完善[5,7,8]。它解决了GOSSYM模型与棉农之间的接口, 并负责GOSSYM所需数据的准备和运行结果的解释工作
。COMAX由Lisp语言写成, 是在Symbolics 3670计算机上研制成功的, 且可以在PC机的GCLisp环境下直接运行
。
二、COMAX/GOSSYM的结构与功能
1.GOSSYM模型
GOSSYM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崐内碳和氮的物质平衡的模型。其结构如图
1所示。各子程序的主要功能简介如下。
CLYMAT(气候)子程序将全部天气资料读入, 并调用DATES(日期换算)计算模拟所要用到的儒略日数, 调用
TMPSOL(土壤温度)计算各层土壤的温度。
┌───┐
│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1. GOSSYM的主框架
Fig.1 The main framework of GOSSYM
SOIL(土壤)子程序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。根区土壤在纵横两个方向分成
20个等份, 形成一个20x20的矩阵, 即400个小室。模型逐日计算个室的水分、硝态氮和氨态氮以及根的生物量,
用来计算根的生长量和水分吸收量。其中的二级子程序, FRTLIZ用来分配铵态氮、硝态氮和尿素于土壤剖面中,
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, ET估计土壤表面的蒸崐发速率和作物
的蒸腾速率, UPTAKE计算根区水分吸收, CAPFLO估计毛管水的流动状况, 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。
CHEM(化学药剂)子程序是计算化学物质对植物生理过程的作用效果的, 目前这些化学物质包括植物生长调节剂
PIX、杀虫剂PREP和TEMIK、减弱植物蒸腾速率的化学药剂ANTIR。
PNET(净光合生产率)子程序逐日计算植株的总光合产物、呼吸消耗和净光合产物。
GROWTH(生长)子程序计算植株各器官潜在的和实际的生长率。其中二级子程序RUTGRO计算根的生长及其在土室
中的分布, RIMPED计算增加土壤容重对根延伸能力的影响, NITRO计算植株中氮素的分配, MATBAL维持模型中
碳、氮等的物质平衡。
PLTMAP(植株图)子程序模拟棉株的形态发生和各器官的成熟与衰老, 并包括蕾铃的生理脱落和各种胁迫因素的
计算。ABCISE估计蕾铃和叶片由于胁迫和衰老的脱落速率, PMAPS和COTPLT则是运行结果的图表输出子程序。
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。
GOSSYM模型具有多种用途, 从研究的角度看, 模型最佳的用途是作为了解棉花生长及它与环境之间的相互作用
的一个工具。
2.专家系统COMAX
COMAX是一个基于规则的棉花生产管理的专家系统, 如图2所示, 它由知识库、推理机、GOSSYM、气象站和数据
文件集(包括品种参数、土壤参数、假定的天气数据和农艺措施等)组成。知识库是由一系列接近英语的事实和
规则组成。推理机检验规则与事实, 决定做什么, 并根据设定的天气和设定的水和氮的使用量来准备一系列数
据文件, 然后调用GOSSYM, 由它读取推理机准备好的数据文件并模拟在指定条件下棉花的生长状态, 模拟结果
(如作物进入水分胁迫的日期)将作为事实存入知识库。
┌───┐ ┌──────┐
│推理机├─┤ 知识库 │
└─┬┬┘ │(事实和规则)│
││ └──────┘
│└──────┐
┌───┐ ┌──┴──┐ ┌─┴─┐
│气象站├─┤ 数据文件 ├──┤GOSSYM│
└───┘ └─────┘ └───┘
图2.COMAX的组成部分
Fig.2 The components of COMAX
COMAX 每天都重新计算优化的管理决策, 并在运行完毕时输出推荐的作物管理措施方案, 如有必要还可以用模
拟的中间结果来解释推荐措施的依据, 并能在打印机上以图表形式输出所需要的结果。在农场进行操作管理时,
具有以下几方面的功能。
⑴制订灌溉定额
COMAX通过在正常天气、干热天气和冷湿天气等三种假定的天气类型下执行GOSSYM模型, 模拟棉花在生长期间
可能出现水分胁迫的日期, 从而推荐优化的灌溉定额, 供棉农参考
⑵决定施氮量及施氮时期
COMAX首先通过GOSSYM拟定出一份假想的灌水方案, 保证棉花在整个生育期内不受水分胁迫, 然后经模拟优化,
制定出安全的最小施氮量、最大施氮量和最佳施氮量。棉农可以根据自己对未来天气的估计来决定选用那种施
氮量。
⑶决定收获期? 应用COMAX, 棉农可以提前几周知道棉花什么时间成熟, 科学地选定收获时间。
三、COMAX/GOSSYM的应用
COMAX/GOSSYM从研制成功到现在, 已在全美棉花带各州试验、示范、推广, 取得了良好的经济效益, 从1990
年开始,美国农业部组织了一个COMAX/GOSSYM的推广小组GCIU, 由它负责COMAX/GOSSYM在美国的推广应用。下
面举两例说明其应用效果。
1985年, COMAX/GOSSYM建成后不久, 在Mitchener农场试运行, 试验区中每公顷净增129公斤皮棉, 净利润为
148美元。
1987年, 美国棉花带14个州全部开始参与试验和应用, 其中在6个州的1254公顷的棉田上使用该系统, 结果见
表1。由表1可知, 熟练的用户每公顷可获350美元的纯利, 新的用户则每公顷可获100美元的纯利, 平均每公顷
可以取得169美元纯利。
表1.1987年6个州使用COMAX/GOSSYM的经济效益估计表
Table 1. Econamic benefits estimated by users
in 6 states in 1987
┌─────┬───┬───┬────────┐
│州 名│田块数│面 积│ 总 的 增 产 值 │
│ │ │(公顷)│ (美元) │
│ States │Fields│ Area │Increased value │
│ │ │(Ha.) │ ($) │
├─────┼───┼───┼────────┤
│密西西比 │ 12 │ 835 │ 1891700 │
├─────┼───┼───┼────────┤
│路易斯安那│ 1 │ 28 │ 1400 │
├─────┼───┼───┼────────┤
│德克萨斯 │ 1 │ 60 │ 900 │
├─────┼───┼───┼────────┤
│加里福尼亚│ 3 │ 120 │ 29180 │
├─────┼───┼───┼────────┤
│佛罗里达 │ 1 │ 4 │ 300 │
├─────┼───┼───┼────────┤
│佐治亚 │ 3 │ 207 │ -7990 │
├─────┴───┼───┼────────┤
│总计(Total) │1254 │ 211960 │
└─────────┴───┴────────┘
经过多年的试验验证、示范推广, 证明了COMAX/GOSSYM系统对农业生产的有效性。该系统为应用现代科学技术
改造传统农业的一个典范。
参考文献
[1] Baker, D. N. et al, Simulation of growth and yield in cotton: I. Gross photosythesis,
respiration and growth, Crop Science, 1972, 12:431-435
[2] Baker, D. N., Lambert, J. R. & McKinion, J. M., GOSSYM: A simulator of cotton crop
growth and yield, S. C. Expt. Bull. Technical Bulletin No.1089, S. C. Agricultural
Experiment Station, December, 1983
[3] Duncan, W. G., SIMCOT: A simulation of cotton growth and yield,in Proc. worshop on
tree growth dynamics and modelling, Duke University, Oct.,1972, 115-118
[4] Jones, J. W. et al, Development of a nitrogen balance for cotton model: a first
approximation, Crop Science, 14(1974), 541-546
[5] Lemmon, H. E., COMAX: An expert system for cotton crop management, Science, 1986,
233:29-33
[6] McKinion, J. M. et al, SIMCOT II: A simulation of cotton growth and yield, In
computer simulation of a cotton production system---A User's Manual, ARS-S-52, 1975, 27-82
[7] McKinion, J. M. & Lemmon, H. E., Expert system for agricultue, Computer and
Electronics for Agriculture, 1(1985), 31-40
[8] McKinion, J. M. et al, Application of the GOSSYM/COMAX system to cotton crop
management, Agricultural System, 1989, 31:55-65
[9] Stepleton, H. N., Crop production system simulation, Trans. of ASAE, 1970,
13:110-113
[10]Stepleton, H. N. et al, COTTON: A computer simultion of cotton growth, Arizona Agr.
Exp. Station Tech. Bull., No. 206, 1973, p.124
The COMAX/GOSSYM System and its Application
Dong Zhanshan Zhu Weiwei
(Cotton Research Institute, CAAS, Anyang, Henan, 455112)
Abstract: This paper describes the historical processes that COMAX/GOSSYM has been
developed, and explains the structures and functions of the system in detail, and gives a
brief description of application of the system.
Key words: COMAX/GOSSYM, cotton, crop management, simulation
|
转载文章请注明出处(www.sunfinedata.com/articles)。