玉米生長(zhǎng)計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬研究

張玉秋+劉雪利

摘要：本研究是以玉米的生育模型為主要對(duì)象，研究的主要依據(jù)是以作物生理、生態(tài)學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)分析原理和數(shù)學(xué)建模技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)研究玉米的栽培管理知識(shí)體系，分析和構(gòu)建一個(gè)以玉米為中心的環(huán)境整體體系，運(yùn)用計(jì)算機(jī)知識(shí)，結(jié)合軟件管理和數(shù)字技術(shù)，研究玉米的產(chǎn)量與生育環(huán)境間的關(guān)系，使玉米的生育過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化的表達(dá)，可以定量地分析玉米的整個(gè)生育過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)玉米生長(zhǎng)過(guò)程的定時(shí)、定量、定位，對(duì)玉米進(jìn)行數(shù)字化和精確化的農(nóng)作信息管理，為整體的生長(zhǎng)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玉米；數(shù)字化；精確農(nóng)業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.10.020

農(nóng)作物模擬技術(shù)的發(fā)展為我國(guó)的農(nóng)業(yè)建設(shè)提供了廣闊的發(fā)展空間，同時(shí)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的重要組成部分，其主要方式是應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，分析和管理作物的生長(zhǎng)，一面通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)合作物的生理學(xué)和生態(tài)學(xué)原理，可以更好地將作物的生長(zhǎng)過(guò)程加以概括和抽象，通過(guò)抽象的分析建立一個(gè)作物生長(zhǎng)相關(guān)的物候發(fā)育、光合生產(chǎn)、器官建成和產(chǎn)量形成等生理過(guò)程的模擬數(shù)字化程序，同時(shí)結(jié)合環(huán)境因子的關(guān)系組建一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，這個(gè)系統(tǒng)兼具解釋能力強(qiáng)、應(yīng)用面較寬，同時(shí)容易控制等優(yōu)良的性能，可以及時(shí)地為設(shè)計(jì)者提供優(yōu)化的動(dòng)態(tài)決策。以現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模型為核心基礎(chǔ)，模擬優(yōu)化互相結(jié)合，與專(zhuān)家進(jìn)行溝通，形成現(xiàn)有模型下的優(yōu)化配套，系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)涉及作物科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、農(nóng)業(yè)氣象學(xué)、土壤學(xué)和植物保護(hù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，具有整體性反饋控制、優(yōu)化和動(dòng)態(tài)定量決策的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)“精確農(nóng)業(yè)”的前提和基礎(chǔ)。

1 研究的意義

玉米在我國(guó)的整體種植面積位居第三，也是生長(zhǎng)期最長(zhǎng)的作物之一，其生育期適中，適應(yīng)能力較強(qiáng)。玉米的實(shí)用性廣泛，從生活到養(yǎng)殖，從農(nóng)業(yè)到工業(yè)，玉米都是具有很高的價(jià)值，對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展具有舉足輕重的作用。為了更好地促進(jìn)民生發(fā)展，玉米的發(fā)展至關(guān)重要，為此我國(guó)的玉米優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)是農(nóng)業(yè)發(fā)展永恒不變的話(huà)題。

為了使玉米種植得到更好的發(fā)展，建立計(jì)算機(jī)模擬動(dòng)態(tài)程序是一種非常優(yōu)秀的方式，利用玉米生育過(guò)程中與環(huán)境之間的切合程度，建立一套玉米、光、溫度、水分、土壤等條件相結(jié)合，模擬玉米的整體生育過(guò)程，從光合作用、呼吸作用到作物的生長(zhǎng)和干物質(zhì)的積累，最后到各個(gè)器官的發(fā)展和生理分配的過(guò)程。這是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，從作物的營(yíng)養(yǎng)吸收到作物的生長(zhǎng)，可以系統(tǒng)地對(duì)玉米生長(zhǎng)進(jìn)行分析和總結(jié)，可以將相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用到其他種類(lèi)的作物上，更好地推動(dòng)種植業(yè)的深化發(fā)展，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展得到的理論將成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)全新領(lǐng)域。

2 研究的發(fā)展

在目前的農(nóng)業(yè)發(fā)展方面，研究農(nóng)業(yè)模型的重點(diǎn)還是生物生理生態(tài)的過(guò)程，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理作用，形成結(jié)構(gòu)化的生長(zhǎng)模型，建立一種長(zhǎng)效的生殖生長(zhǎng)和生長(zhǎng)生長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)元素的同化方面的系統(tǒng)模擬，同時(shí)利用現(xiàn)有的多媒體技術(shù)制成相應(yīng)的動(dòng)態(tài)動(dòng)畫(huà)，以期更好地分析營(yíng)養(yǎng)元素的攝入與生長(zhǎng)間的總體關(guān)系。

這種系統(tǒng)可以應(yīng)用到大田間試驗(yàn)中，代替人對(duì)田間進(jìn)行更加系統(tǒng)的管理，但是與人的管理存在一定的局限。一是系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中是以輸入來(lái)產(chǎn)生的智能，這在很大程度上無(wú)法建立決策支撐系統(tǒng)，多數(shù)的實(shí)踐都是應(yīng)用到科學(xué)的發(fā)展上，造成系統(tǒng)中知識(shí)密集型不足；二是這種系統(tǒng)的建立過(guò)程復(fù)雜，同時(shí)也涉及建設(shè)者的問(wèn)題，地域性決定了無(wú)法大面積應(yīng)用，除非建立一個(gè)全世界的專(zhuān)家?guī)?，而這種設(shè)備建立的過(guò)程太復(fù)雜，沒(méi)有辦法完成；三是建立的知識(shí)無(wú)法自動(dòng)更新，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，但是系統(tǒng)的知識(shí)總是跟不上模型的發(fā)展，建立的系統(tǒng)生育模型往往不能準(zhǔn)確概括生育的整個(gè)過(guò)程，我國(guó)現(xiàn)有的發(fā)展不能更好的概括，所以采用的往往是國(guó)外現(xiàn)有的模型，但只對(duì)我國(guó)的氣候、種植現(xiàn)狀、生育特點(diǎn)等方面的內(nèi)容都存在著不同的誤差；四是模型的建立還是應(yīng)用于數(shù)值的估算，對(duì)于理論的疊加和數(shù)字理論的吸收過(guò)少，造成系統(tǒng)分析不夠全面；五是由于模型建立過(guò)程中對(duì)現(xiàn)實(shí)的依據(jù)采集較少，所以模型的實(shí)用性有限，其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)的輸出單一，沒(méi)有系統(tǒng)的分析和解讀，對(duì)于大多數(shù)使用者來(lái)說(shuō)相對(duì)比較復(fù)雜，沒(méi)有專(zhuān)家加以輔導(dǎo)很難對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)用價(jià)值比較低。

3 模型在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀

模型的建立與發(fā)展在我國(guó)起步較晚，其應(yīng)用到玉米上就更晚了。近年來(lái)，我國(guó)的模型研究都是在外國(guó)基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，隨著我國(guó)軟件開(kāi)發(fā)工作的發(fā)展開(kāi)始取得了一些顯著的進(jìn)步，建立了一系列的典型玉米生長(zhǎng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)的生長(zhǎng)分析，不斷應(yīng)用到現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展的加快，農(nóng)民對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)程度不斷增加，這種技術(shù)模型在我國(guó)一些地區(qū)比較成型，且有較大影響能力的模型相繼成型并問(wèn)世。我國(guó)最早將這種模型應(yīng)用到生產(chǎn)中，還要追溯到玉米生產(chǎn)光學(xué)模型的建立，例如1987年山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高新學(xué)等發(fā)表了“玉米光強(qiáng)的光合速率的數(shù)學(xué)模型分析”，這是我國(guó)發(fā)現(xiàn)的比較早的模型建立和應(yīng)用了，之后在1993年葉修祺等研究室通過(guò)在數(shù)據(jù)支撐的基礎(chǔ)上分析，建立了玉米產(chǎn)量與整體氣候間的氣候模型，比較接近現(xiàn)在的研究是1999年在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)尚宗波等通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的比較和模擬，建立和完善了玉米生育發(fā)展的綜合動(dòng)力模擬，其主要研究目的是可以使系統(tǒng)通過(guò)利用氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)，形成氣候要素的影響因子，分析和建立土壤水分動(dòng)態(tài)模型分析系統(tǒng)，這種通過(guò)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)了土壤水分可以為植物生長(zhǎng)帶來(lái)不同影響，對(duì)我國(guó)玉米生長(zhǎng)發(fā)育作出了卓越的貢獻(xiàn)。

這說(shuō)明我國(guó)農(nóng)業(yè)生育模型的建立還處在發(fā)展階段，雖然我國(guó)還不能完全監(jiān)測(cè)整個(gè)生育過(guò)程，但是通過(guò)對(duì)玉米生育過(guò)程模型的建立，可以應(yīng)用模型來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐中的玉米種植，隨著模型的建立與完善，未來(lái)的玉米種植可能走出傳統(tǒng)的種植模式，走向一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。

作者簡(jiǎn)介：張玉秋，碩士，中級(jí)農(nóng)藝師，研究方向：玉米栽培，玉米育種。