棉花生長(zhǎng)模擬模型研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：O242.1；S562文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2013）02-0146-02棉花生長(zhǎng)模擬模型就是利用計(jì)算機(jī)程序模擬棉花在自然環(huán)境條件下利用光能資源，把水和二氧化碳結(jié)合制造成有機(jī)物質(zhì)、組織和器官的建成與死亡以及產(chǎn)品的形成等過(guò)程，還包括棉花生長(zhǎng)需要水分和礦質(zhì)元素在土壤中的分配、移動(dòng)和被吸收的過(guò)程，同時(shí)應(yīng)考慮到各種環(huán)境因子的制約。本文綜述了國(guó)內(nèi)外棉花生長(zhǎng)模擬模型的研究進(jìn)展。

1國(guó)際棉花生長(zhǎng)模擬模型研究

20世紀(jì)60年代末，Stapleton和Duncan等人開(kāi)始模擬棉花生長(zhǎng)發(fā)育的研究。Stapleton等（1970）[17]首先建立了第一代棉花生長(zhǎng)發(fā)育模擬模型，并將其發(fā)展為COTTON模型。Duncan（1971，1972）等建立了SIMCOT模型[8]。1972年Baker和Hesketh等人把有關(guān)植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)理論應(yīng)用到模型中，估測(cè)碳水化合物和氮素的脅迫作用[1]。1973年Jones增添了氮素估算程序，至此建立了第二代棉花模擬模型——SIMCOTII[11]。1975年以后Phene 、Baker 等進(jìn)一步研究建立棉花根際土壤系統(tǒng)模擬模型RHIZOS[5]。1978年建立和使用了SPAR棉花與環(huán)境物理模擬系統(tǒng)以來(lái)，Baker等在Stapleton和Duncan的基礎(chǔ)上建立了棉花模型GOSSYM 和大豆生長(zhǎng)模型GLYCIM。Baker、Lambert等人在SIMCOTII基礎(chǔ)上豐富了溫度和水分脅迫以及氮素脅迫影響棉花生長(zhǎng)發(fā)育和器官建成諸方面的資料，并聯(lián)接了根系模型——RHIZOS于1983年建立了GOSSYM模型[2]。1984年以后，Boone等在原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)了棉株生長(zhǎng)發(fā)育和干物質(zhì)分配部分的內(nèi)容，完善了植株的形態(tài)建成的功能[3]。GOSSYM模型在不同氣候條件、土壤和管理措施下得到了驗(yàn)證，并與專家系統(tǒng)COMAX結(jié)合完成了GOSSYM/COMAX棉花管理模型[13]。美國(guó)農(nóng)業(yè)部經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)合作局已經(jīng)用GOSSYM進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)報(bào)。1989年GOSSYM模型又增添普通昆蟲模型和化學(xué)藥物對(duì)棉花生理影響的模型使GOSSYM模型日臻完善，成為目前世界上最完善的棉花生長(zhǎng)模擬模型[15]。此外，美國(guó)Jones等（1979）建立了COTCROP模型；Jackson等（1988）建立了COTTAM模型[4]。deRefye（1988）將 AMAP 模型與棉花模型 GOSSYM 結(jié)合，模擬環(huán)境脅迫對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響[6]。Prusinkiewicz與Room 等 （1990）[15，16]利用植物體冠層與根系通過(guò)物質(zhì)流實(shí)現(xiàn)平衡生長(zhǎng)原理，構(gòu)建了冠層與根系耦合生長(zhǎng)模型。

棉花具有無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性，器官種類多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，國(guó)外學(xué)者在其結(jié)構(gòu)功能方面做了一定研究， 成為虛擬生長(zhǎng)系統(tǒng)研究比較成功的作物之一。法國(guó)學(xué)者Jallas等（2000）[12]以機(jī)理模型GOSSYM為基礎(chǔ)，通過(guò)干物質(zhì)重計(jì)算各器官尺寸大小及角度，應(yīng)用“植物形態(tài)學(xué)”sub-model、L系統(tǒng)和坐標(biāo)軸法及OpenGL技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)虛擬棉花生長(zhǎng)系統(tǒng)，考慮了不同株型對(duì)截光量的影響。 Room等（1996）[16]基于開(kāi)放式 L系統(tǒng)構(gòu)建的 L-Cotton 模型，對(duì)棉花的形態(tài)特征進(jìn)行簡(jiǎn)單模擬。 Hanan 等（2003）[9]將棉花生長(zhǎng)模型OZCOT與結(jié)構(gòu)模型（L-COTTON）相結(jié)合，模擬了環(huán)境因素在棉花各個(gè)生理過(guò)程和最終生長(zhǎng)結(jié)果中發(fā)揮的作用，它通過(guò)棉花生長(zhǎng)模型來(lái)配置棉花每天生長(zhǎng)的花芽，并根據(jù)結(jié)構(gòu)模型來(lái)推測(cè)棉花器官的可能生長(zhǎng)位置，最終實(shí)現(xiàn)了基于生長(zhǎng)模型的棉株生長(zhǎng)可視化。

2我國(guó)棉花生長(zhǎng)模擬模型研究

我國(guó)棉花計(jì)算機(jī)模擬模型研究始于20世紀(jì)80年代末。近年來(lái)我國(guó)學(xué)習(xí)了外國(guó)先進(jìn)的建模思想并且引進(jìn)了一些模型，使模擬模型研究取得一定進(jìn)步。1988年吳國(guó)偉等從營(yíng)養(yǎng)供求狀況來(lái)控制蕾鈴脫落，利用以生理時(shí)間為變量的Logistic方程來(lái)模擬棉花生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和棉鈴蟲危害蕾鈴對(duì)產(chǎn)量的影響[27]。北京農(nóng)業(yè)大學(xué)郭向東等（1991）[21]通過(guò)修改和重新估測(cè)SIRATAC系統(tǒng)，增加了棉花生長(zhǎng)發(fā)育模型的參數(shù)，得到了一個(gè)適用于我國(guó)的簡(jiǎn)單棉花動(dòng)態(tài)模擬模型。中國(guó)農(nóng)科院棉花所及北京農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了棉花生產(chǎn)管理模擬與決策系統(tǒng) （CPMSS/CGSM）。北京農(nóng)業(yè)大學(xué)劉文等（1992）[23]以每日的太陽(yáng)輻射為驅(qū)動(dòng)變量，以溫度和水分為影響因子，建立了棉花生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)發(fā)生及產(chǎn)量形成的動(dòng)態(tài)模擬模型。中國(guó)農(nóng)科院棉花研究所潘學(xué)標(biāo)等（1992） [25]建立了一個(gè)以太陽(yáng)輻射為驅(qū)動(dòng)變量的棉花生長(zhǎng)發(fā)育模擬模型CGSM。潘學(xué)標(biāo)等（1996）[24]利用荷蘭Penning de Vries等研制的MACROS中的L1D模型，根據(jù)國(guó)家棉花生產(chǎn)的實(shí)際情況建成了一個(gè)適合中國(guó)國(guó)情的基于棉花生理生態(tài)理論的生長(zhǎng)發(fā)育模擬模型COTGROW。馮利平等（1999）[20]以棉花高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效為目標(biāo)，研制完成了棉花栽培計(jì)算機(jī)模擬決策系統(tǒng)（COTSYS）。楊娟等（2006）[28]基于NURBS 和 VC++6.0建立了棉花可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)以實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，但未考慮品種特性、環(huán)境因素和栽培措施等。楊艷敏等（2005）[29]借鑒美國(guó)第二代棉花生長(zhǎng)模擬模型GOSSYM/COMAX，結(jié)合新疆棉花品種特性、環(huán)境條件及栽培管理技術(shù)，對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行修改和驗(yàn)證，建立了適合新疆當(dāng)?shù)孛藁ㄉa(chǎn)的模擬模型。參考文獻(xiàn)：

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