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
计算机在我国棉花科研和生产中应用研究的现状与发展对策董占山 中国农科院棉花研究所 摘要: 计算机在棉花科研和生产上的应用研究已在全国范围内展开，经过近10年的努力，有了初步进展，已涉 及了棉花生长发育模拟、棉花生产管理决策、棉花昆虫种群动态模拟、棉花害虫管理、棉花品种资源研究等方 面。但其中存在不少亟待解决的问题，如研究力量分散、经费不足、科研条件差、低水平重复劳动较严重，以 及科研与生产脱节造成的成果转化困难等，不过，计算机在我国棉花科研和生产上应用研究的发展前景还是广 阔的。最后提出我国发展计算机在棉花科研和生产上的应用研究的对策为：采取“引进、改造、利用”的方针 ，缓解经费紧张；稳定基础性研究，确保学科发展的后劲；加强应用性研究，为棉花生产服务；国家协调，组 织多学科攻关，克服低水平重复劳动。 关键词：棉花，计算机，科研，生产 60年代中期，由de Wit(1965)和Duncan(1967)首创了作物生长发育的计算机模拟模型之后，计算机在农业科 研与生产中的应用日益广泛，自80年代开始，在世界范围内普遍展开。对棉花而言，美国Stapleton等人 1969年开始在亚利桑那州研究棉花模拟模型，Baker等人于1983年研制成了直接应用于生产的第三代棉花模拟 模型GOSSYM，1985年建成第一个棉花生产管理系统GOSSYM-COMAX，同年在生产上进行验证试验，到1993年在 全美棉花带各州300多个农场应用，每公顷可获169美元纯利。这是计算机在农业上应用的典范。 我国计算机农业应用研究起步于80年代初，首先在水稻上取得进展，而后在小麦、玉米、棉花等作物上展开， 目前为止，已取得了一定的进展，但离在生产上应用还有一段较大的距离。本文对计算机在我国棉花科研和生 产中的应用研究进行全面分析，概括了当前的研究现状和今后的发展前景，并根据我国的具体国情，提出了目 前在我国开展计算机在棉花科研和生产中应用研究的具体对策。 1 研究现状 从“六五”开始，部分产棉省在棉花高产优质规范化栽培研究中已开始应用计算机，这时计算机只是充当计算 的工具。国家“七五”计划期间，农业部明确下达了计算机在农业上应用的研究课题，其中包括了棉花部分。 这一时期的研究，已明确要把计算机作为棉花生产管理的决策工具，在认识上已前进了一大步，不过由于先前 的研究水平较低，并没有取得明显的进展。国家“八五”计划期间，这些研究计划仍然在延续，但大多数研究 团体均面临共同问题，即研究经费不足和试验手段落后，很难使研究深入下去。今后，我国如何发展计算机在 棉花上的应用还有待进一步探讨，下面就当前的研究现状做一综述。 1.1 棉花生长发育和产量形成的模拟模型 中国科学院动物所吴国伟等(1988，1990)建立了一个中等复杂程度的棉花生长发育的动态模拟模型。该模型 中各组分由物质流和信息流来连接，净光合作用根据光能、叶面积指数、气温、氮素和水分压力等级来求得， 并在器官之间进分配，根据生理时间确定主茎节数，并由棉花顶芽和腋芽伸长的同步性，确定果枝和果节数， 果实发育或脱落由茎养供求状况控制。通过河北省饶阳县5年大田资料的验证，可适用于对不同肥力地块棉花 生育的模拟，并对棉花超补偿作用有良好的模拟功能。本模型可以用于研究棉花的超补偿机制，也可用于优化 棉田管理决策。 中国农科院棉花所潘学标等(1991，1992)建成了一个棉花生长发育与产量形成模拟模型CGSM。该模型以太阳 辐射、气温为驱动变量，逐日模拟出棉田生产的净生物量，并分配到各个器官，根据棉花生育期间的积温，模 拟株高、主茎叶数、果枝数、果节数和蕾铃的发生与分布。经检验，本模型基本上能较准确地模拟棉花生长发 育动态，可在一定程度上为生产管理决策提供参考。该模型已与棉花生产管理决策支持系统CPMSS组合形成 CPMSS/CGSM系统，适合于我国黄河流域一熟春棉的决策管理。 有关棉花生长发育模拟模型的研究还有：北京农业大学刘文等(1992)建成的棉花生长发育模拟模型COTSIM， 湖北省农科院唐仕芳等(1990)建成的水分胁迫下棉花生长发育模拟模型CDSM，江苏省农科院李秉柏等 (1991)建成的棉花生育期模拟模型。 1.2 棉花生产管理决策系统 北京农业大学肖荧南等(1990，1991)建立了棉花生产决策系统，该系统由数据库、知识库和推理机组成，具 有多目标决策、播前决策和动态决策等功能。播前决策就是根据用户对产量目标的要求和天气年型的预报，对 专家咨询表进行综合推理、判断，作出产量预测及品种、播期、密度、氮磷钾肥数量、灌溉次数等决策；动态 决策就是确定棉花蕾、花期调控措施的决策。 中国农科院棉花所董占山等(1992，1993)建立了一个棉花生产管理模拟系统CPMSS/CGSM。该系统由知识库、 推理机、知识解释机构、知识获取机构、动态数据库、关系数据库、生长发育模拟模型、人机接口等组成，其 主要功能：1.整体决策：根据植棉地区的气候资源、土地资源、水资源等基本条件，对当地高产棉花生产做出 整体决策，包括选择品种、适宜播期、株行距配置、施用底肥的种类及用量，以及正常生长条件下生育期间应 追肥量、缩节安的施用适期及用量。2.生育期间的动态调控决策：在棉花生育期间，根据基本条件、植株当时 的长势长相和前期所采取的农艺措施，判断棉花当时的生长状态，判断苗情的好坏，长势的旺弱，提出最近半 月内的推荐措施。3.根据棉株中前期和当时的生长发育状况，于8月底以后，模拟产量结构，预测本年度的皮 棉产量。 1.3 棉花害虫种群动态模拟模型 中国科学院动物所李典漠等(1990)利用生态学中的实验组成成分法，以生理学时间为基础，考虑棉蚜各龄期 的成活率，有翅蚜的比率，以及不同年龄不同密度下的生殖率，建立了棉蚜的种群动态模型。有效性检验表明 ：模型输出的总趋势量与观察得到的田间状态相吻合，但由于蚜虫繁殖量大，影响种群变化的随机因素很多， 种群波动激烈，有些子波动尚不易预测。 中国科学院动物所翟连荣等(1990)以时变延迟过程为基本模式，建立了棉铃虫种群动态模拟模型，该模型可 以同时将个体之间的差异以及群体受到外界环境(如温度、天敌、自然死亡、降雨)的影响反应出来，适合于预 测田间种群的动态。 1.4 棉花害虫管理专家系统 中国科学院动物所纪力强等(1990)建立了棉花害虫管理专家决策支持系统(COPMEDS)，该系统由三部分组成， 即数据库、模型库和知识库。数据库内存储了近年来实验观测的害虫、天敌、作物、气象等数据;模型库中有 主要棉花害虫种群动态的模拟模型;知识库中有害虫动态经济阈值、农药使用、作物管理等知识。田间观测员 定时将观测结果输入系统，用户可向系统咨询，系统可根据实时实地的特点向用户提供建议，并根据数学模型 作出决策。 2.5 棉花品种资源数据库的建立 我国目前收集保存棉花种质5317分，其中陆地棉4200份，海岛棉387份，草棉12份，陆地棉半野生种系305份 ，棉属野生种31份，近缘植物10种。“七五”期间，国家下达“农作物品种资源研究”的项目，其中“农作物 品种资源数据库建立及其软件开发”的一个子专题“棉花、麻类品种资源数据库的建立及软件开发”，其主要 研究内容是建立具有中国特色的棉麻品种资源数据库，为棉麻新品种选育及资源研究服务，也可为生产单位及 个人提供棉麻优良品质服务。本子专题完成后，在国内首次建成了一套棉麻品种资源数据库，共录入棉花种质 资源4486份，麻类1967份。建立了国内第一个棉麻种质资源数据子系统，使繁育、鉴定、入库、建数据库成 龙配套，使棉花品种资源研究达到了一个新的阶段，即科学化、标准化、自动化的阶段，提高了我国棉麻品种 的保存和管理水平。 2 存在问题 计算机在棉花科研与生产中的应用研究是研究用高新技术改造我国的传统植棉业，这是一系列技术密集型多学 科协同攻关的科学研究活动。从过去近十年的研究活动来年看，其间存在不少问题亟待解决。 2.1 研究力量分散，低水平重复劳动比较严重 就棉花生长发育模拟型的研究来说，中国科学院、中国农科院和不少省农科院以及农业院校均在研究，造成了 许多重复劳动，这不仅是浪费有限的国家科研经费，更重要的是这些重复劳动产生不了高质量的完善的棉花生 长发育模拟模型。再如棉花生产管理决策系统的研究，同是"七五"国家下达的科研计划，经费分两摊，北京农 业农大学和中国农科院各一摊，最后都拿出了一个大同小异的研究结果，只是都难在棉花生产中实际应用。这 些均说明：在我国目前科研经费尚不充足时，研究力量分散，会造成较严重的低水平重复劳动，也是对国家有 限的科研经费的浪费。 2.2 经费不足，科研条件较差 要研究棉花生长发育模拟模型，需要对棉花本身的生理过程及各个生理过程对环境条件(如气候、土壤等)的反 应等进行深入细致的研究，就目前我国现有的科研资助强度和实验条件，尚不能进行如此深入的研究，于是棉 花生长发育模拟模型也就只好在低水平上进行。再者要研究一个适用于棉花生产管理的决策系统，必须有良好 的作物模型支持，另外必须在产棉区进行大范围、大尺度的生态验证，要做到这一点，没有足够的研究经费是 很难办到的。 2.3 科研与生产脱节，科研成果转化困难 我国棉花生产发展很快，产棉区棉花的种植方式与种植制度在近年来有较大的改进和发展，而科研计划下达之 后，不能随着生产的发展而改变，还按原方案执行，导致科研计划完成后，研究成果过时，不能在生产上发挥 应有的作用。 3 发展前景 随着计算机科学的发展，它已诱透到农业科研与生产的各个环节，既作为科研的工具，又作为生产决策的工具 ，同时为科研与生产服务，今后我们应该在以下有潜在应用价值和社会经济效益的领域发展计算机应用研究。 3.1 在棉花生态生理及昆虫种群动态研究中应用 就棉花生境生态而言，有关棉花生态生理、害虫种群动态与取食危害、病害的发生发展的基础性研究，还必须 花大力气进行，这些研究的成果为建立以棉花为中心的综合气候、土壤、害虫、病害等的模拟模型提供了科学 依据，反过来说，这样的模拟模型又是棉花科学研究和生产管理的预测工具。 3.2 在棉花生产管理决策中的应用 棉花生产管理包括了品种选择、播期与密度选择、施肥、防治病虫害等众多方面，这些生产活动均需要一定水 平的棉花生产管理技术，不是人人能行的。植棉专家可以对品种、播期、密度、灌水等做出较好的决策，而植 保专家则可以对病虫害防治作出好的决策。只有棉花生产中的各个环节不出较大的偏差，棉花才能丰收，才能 做到高产、优质、高效。对棉花生产管理而言，模拟模型可以对棉花生长发育做出预测，专家系统可对生产管 理中的问题做园满的决策，因此，我们要进一步发展和完善棉花生产管理决策系统。 3.3 在棉花品种资源研究和棉花育种中的应用 棉花生产的发展很大程度上取决于良种的推广应用，所以选育优良品种成为历来棉花科研的重点。目前除了少 数单位能够用生物技术把优良基因导入棉花，产生出抗病虫的新品种外，大多数单位还是沿用传统的育种方法 。在传统育种中，杂交组合的选配是非常重要的，这就要求育种工作者对棉花品种资源有较清楚的了解，才能 在育种中取得突破。所以建立种质资源数据库和信息系统，目的是帮助育种工作者做好种质资源的筛选与评判 ，为选育优良品种服务。 3.4 在棉花情报信息管理中的应用 随着信息服务和信息传递的自动化，棉花科研和生产对棉花信息的需求也越来越迫切， 急需对目前棉花信息 的存储、传递、检索状况进行改进，提高其自动化程度，这就要求加紧建立和完善棉花情报信息数据库，以便 为科研和生产及时提供可靠的信息。 4 发展对策 上面对我国计算机在棉花科研和生产中应用研究的现状和存在问题等进行了阐述，并阐述了今后的发展前景， 那么我们对开展这项研究应采取什么策略呢? 4.1 采取"引进、改造、利用"的方针，缓解经费紧张 我国经济实力比较薄弱，还不能一下拿出许多资金资助计算机农业应用研究，必须寻找解决经费不足的途径。 在计算机农业应用研究中，棉花生长发育模拟模型研究属于基础性研究，需要经费最多，对研究条件要求最高 ；然而决策系统等面向应用的研究，对人财物的要求较宽。笔者认为我国目前仅具备研究棉花生产管理决策系 统的条件，尚不具备研究大型复杂的棉花生长发育模拟模型的条件，那么我们将如何进行模拟模型的研究呢？ 模拟模型在国外发展较早，已取得了比较明显的进展，并在生产实践中发挥其作用。由于模拟模型是基于作物 或昆虫内在的发育机理的，所以具有较广泛的适应性和通用性，可以从一地区引至另一地区应用。鉴于此，我 们与其白手起家重建立一个模拟模型，不如把别人先进的模型拿过来，进行改造，在各棉花生态区进行验证， 直接利用之。这样我们可以做到"多、快、好、省"的目标，促使我国的棉花模拟模型更上一层楼，赶上国际先 进水平。目前，我们可以把美国的棉花生长发育模拟模型GOSSYM引入我国，根据我国各棉区的生产技术条件 、种植方式和种植制度，进行修改，并在各棉花生态区布置试验，验证此模型，在2-3年内，我们即可以达到 一个高水平的棉花模拟模型。 4.2 稳定基础性研究，保证学科发展的后劲; 加强应用性研究，为棉花生产服务 对棉花模拟模型等的基础性研究，国家应当予以财力、物力的保证，在不扩大研究规模的前提下，集中人力、 物力、财力，重点攻关，分阶段进行研究，作到步步高，克服力量分散、重复劳动的问题，保证本学科发展的 强大后劲。 对于棉花生产管理决策系统面向应用的研究，是建立在模拟模型研究基础上的，可直接为棉花生产服务; 棉花 种质资源信息系统的研究，则是直接服务于科学研究的项目，这些项目要求的研究条件相对较宽，不需要有大 型的高精密度的研究设备，只要有计算机，由棉花专家和计算机工程师有机合作，协同攻关，收集有关的信息 和知识，即可完成。对这些研究，我们应该努力开拓，加紧研制，尽早应用到棉花科研和生产上，为我国棉花 生产再上一个新台阶服务。 4.3 国家协调，组织多学科攻关，克服低水平重复劳动 对计算机在棉花科研和生产上应用研究的众多领域，不能一视同仁，对那些适合我国国情，能够对棉花生产发 展起巨大推动作用的研究领域，国家应该重点资助，组织有关单位和学科的科学家协同攻关，消除研究中出现 的人员分散和低水平重复劳动的弊端。 参考文献 [1]吴国伟等. 棉花生长发育模拟模型的研究. 生态学报，1988，8(3)：201--210 [2]吴国伟，李典漠. 棉花生长发育的动态模拟. 见：陈其焕，李典漠等主编. 棉花病虫害综合防治及研究进 展. 北京：中国农业科技出版社，1990. 319-323 [3]潘学标，蒋国柱等. 高产优质棉花的生长发育模拟模型研究. 见：北京农业大学系统工程室编. 作物生产 计算机调控系统的研究. 北京：北京农业大学出版社，1990. 73-79 [4]潘学标，龙腾芳等. 棉花生长发育与产量形成模拟模型(CGSM)研究. 棉花学报，1992年增刊，11-20 [5]刘文，王恩利，韩湘玲. 棉花生长发育的模拟模型研究初探. 中国农业气象. 1992，13(6)：10-16 [6]唐仕芳，别墅. 水分胁迫下棉花生长发育动态模拟研究. 见：北京农业大学系统工程室编.作物生产计算 机调控系统的研究. 北京：北京农业大学出版社，1990. 80-87 [7]李秉柏，方娟. 棉花生育期模拟模型研究. 棉花学报，1991，3(2)：59-68 [8]肖荧南，郭向东等. 棉花生产决系统. 见：北京农业大学系统工程室编.作物生产计算机调控系统研究. 北京：北京农业大学出版社，1990.41-46 [9]肖灾南，郭向东等. 棉花高产栽培的动态决策系统. 计算机农业应用，1991年专刊，66-74 [10]董占山，潘学标等. 棉花生产管理模拟系统CPMSS/CGSM. 棉花学报，1992年增刊，3-10 [11]董占山，潘学标等. 棉花生产管理决策支持系统CPMSS设计与实现. 计算机农业应用，1993，(2)： 16-19 [12]李典漠，谢宝瑜. 棉蚜种群的动态模型. 见：陈其焕，李典漠等主编. 棉花病虫害综合防治及研究进展. 北京：中国农业科技出版社，1990，300-305 [13]翟连荣，李典漠. 时变迟滞过程与棉铃虫种群动态的建模. 见：陈其焕，李典漠等主编.棉花病虫害综合 防治及研究进展. 北京：中国农业科技出版社，1990. 305-308 [14]纪力强，李典漠. 棉花害虫管理专家决策支持系统的初步研究. 见：陈其焕，李典漠等主编. 棉花病害 综合防治及研究进展. 北京：中国农业科技出版社，1990，334-337 [15]方嘉禾主编. 作物品种资源研究进展. 北京：中国农业科技出版社，1992.181-182 |
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