油菜生长模拟与决策支持系统研究

论文摘要

作物生长模型与决策支持系统的研究和广泛应用对于农业生产的信息化和数字化有重要的理论意义和应用价值。本研究借鉴国际上先进的建模理论和本实验室形成的作物模拟方法体系和基本框架，运用系统分析原理和动态建模技术，通过不同类型品种的播期和氮素试验对油菜生长发育的基本规律及其与环境因子之间的关系予以定量解析和综合，构建了一个基于生理生态过程的油菜生长模拟模型；采用面向对象技术、软构件技术及决策支持技术，构建了符合COM标准的油菜生长模型组件，进一步研制了基于生长模型的油菜管理决策支持系统（包括单机版、网络版），实现了在网络和单机环境下油菜生长动态模拟预测和管理决策支持功能，为数字化油作系统的构建奠定了基础。以油菜生理生态过程为基础，通过定量分析油菜对温度（包括春化作用）和光周期的反应，构建了以生理发育时间为尺度的油菜生育期模拟模型。每日生理发育时间由每日生理效应累积形成，每日热效应、春化效应、光周期效应与品种灌浆速率互作共同决定每日生理效应大小。模型通过引入温度敏感性、生理春化时间、光周期敏感性和基本灌浆因子4个参数反应不同油菜品种的遗传差异，从而使得每个油菜品种达到特定生育时期所需的生理发育时间恒定。建立油菜叶面积指数模拟模型综合基于库或源限制下的叶面积增长模式，其中库限制下叶面积指数的增长呈指数方程，且受到温度、水分和氮素因子的影响；源限制下叶面积指数增长用比叶面积法来模拟。油菜角果面积指数由比角果面积和角果干物重来决定。比叶面积和比角果面积均为生理发育时间的函数。针对油菜冠层生态结构的特点，构建了油菜光合作用和干物质积累的模拟模型。采用“三层模型”法，即通过对花、角果、叶三层分别计算光能截获和光合作用，利用高斯积分法计算每层的光合量而得出每日的冠层总同化量。模型充分量化了油菜生理年龄、温度、氮素、水分等因子对最大光合速率的影响，同时考虑了维持呼吸与生长呼吸的消耗，使模型具有较强的机理性和通用性。利用油菜器官生育进程及环境因子之间的定量关系，构建了基于分配指数的油菜地上部器官干物质分配动态模拟模型。各器官干物质分配指数随着生理发育时间而动态变化，基因型、播期、氮素及水分水平对各器官干物质分配指数的模式没有显著影响，但影响各器官干物质分配指数的大小。其中，氮素营养水平对绿色叶片干物重分配影响最大，氮素营养水平越高，绿色叶片分配指数越大；播期影响角果分配指数，晚播的角果分配指数高于早播。模型引入氮素营养指数、水分影响因子及播期影响因子来定量油菜各器官在实际生产条件下的分配强度，同时考虑了品种遗传特性的影响。进一步结合实验室已有的水分平衡模型和养分平衡模型，集成建立了综合性油菜生长模拟模型（RapeGrow），包括阶段发育、器官生长、光合作用与光合作用与物质生产，物质分配与产量形成，水分平衡和养分平衡等。利用不同品种的播期试验和氮肥试验的资料对建立的模型进行了初步的校正和核实，结果表明，模型能较好的预测油菜的油菜主要生育期、绿色面积指数增长和消亡动态、干物质积累和分配动态以及籽粒产量。模型总体上具有较好的机理性、预测性和适应性。通过定量分析冬油菜绿色面积指数动态与品种类型、生态环境和生产技术水平之间的关系，运用系统工程与动态建模的方法，以基于生理发育时间的动态生长度日为主线，建立了定量化和广适性的冬油菜适宜绿色面积指数动态设计的知识模型，包括群体叶面积指数动态和角果面积指数动态。利用不同生态点的常年逐日气象资料以及不同品种类型、产量目标资料对所建知识模型进行了实例分析，表明知识模型对不同条件下冬油菜适宜绿色面积指数的设计具有较好的可靠性和适用性。在气象因子、土壤条件、品种特征和栽培管理数据库的支持下，利用作物生长模拟技术、决策支持技术、计算机软构件技术，构建了基于生长模型的油菜管理决策支持系统（GMDSSRSM），包括单机版（GMDSSRSMA）和网络版（GMDSSRSMW）。其中单机版系统利用VB和VC++语言编程实现，网络版系统在．net平台上用C#语言开发系统，分别具有数据管理、模拟预测、方案评估、时空分析、敏感性分析、专家咨询、系统帮助等功能。本研究所建立的油菜生长模型及决策支持系统为进一步构建数字化油作系统奠定了技术基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述与研究目的
• 1 作物生长模型研究进展
• 1.1 国外研究进展
• 1.2 国内研究进展
• 1.3 作物生长模型的存在问题及发展趋势
• 1.4 油菜生长模型的研究进展
• 2 基于生长模型的决策支持系统研究进展
• 2.1 作物管理决策支持系统研究进展
• 2.2 决策支持系统的存在问题及发展趋势
• 2.3 油菜管理决策支持系统研究进展
• 3 本研究的目的与意义
• 参考文献
• 第二章 研究思路和方法
• 1 研究思路与技术路线
• 2 资料来源
• 2.1 田间试验
• 2.2 文献资料
• 2.3 生长观测
• 2.4 气象资料的获取
• 3 模型的构建与检验
• 3.1 模型的构建
• 3.2 模型的检验
• 4 系统设计与实现
• 4.1 系统设计思路
• 4.2 系统组织结构
• 4.3 系统的实现方法
• 第三章 油菜生育期模拟模型
• 1 模型构建与描述
• 1.1 模型的构建
• 1.2 生育阶段划分
• 1.3 生理发育时间的计算
• 1.3.1 相对热效应
• 1.3.2 相对春化效应
• 1.3.3 春化进程
• 1.3.4 相对光周期效应（RPE）
• 1.3.5 每日热敏感性
• 1.3.6 生理发育时间
• 2 模型的校正
• 3 模型检验
• 4 讨论
• 5 结论
• 参考文献
• 第四章 油菜绿色面积指数动态模拟模型研究
• 1 模型的描述
• 1.1 叶面积指数的模拟
• 1.1.1 库限制下的叶面积指数增长模式
• 1.1.2 源限制下的叶面积指数增长模式
• 1.2 角果面积指数的模拟
• 1.3 花面积指数
• 2 模型的参数化
• 2.1 比叶面积模型参数的校正
• 2.2 角果面积模型参数的校正
• 3 模型的验证
• 4 讨论
• 参考文献
• 第五章 油菜光合作用与干物质积累的动态模拟模型
• 1 模型的描述
• 1.1 各层内光合有效辐射
• 1.2 冠层光合有效辐射的吸收
• 1.3 光合作用与物质生产
• 2 模型的检验
• 3 讨论
• 第六章 油菜地上部干物质分配与产量形成模拟模型
• 1 模型的描述
• 1.1 模型构建
• 1.2 干物质在地上部各器官间的分配模式
• 1.3 地上部各器官干物重的增长
• 1.4 籽粒产量的预测
• 2 模型的检验
• 3 讨论
• 参考文献
• 第七章 冬油菜适宜绿色面积指数动态设计的知识模型
• 1 材料与方法
• 1.1 模型的建立
• 1.2 模型的检验
• 2 结果与分析
• 2.1 模型算法的描述
• 2.1.1 群体叶面积指数动态
• 2.1.2 群体角果面积指数动态
• 2.2 模型的实例分析
• 3 结论与讨论
• 参考文献
• 第八章 基于生长模型的油菜管理决策支持系统
• 1 系统的组织结构与内容
• 1.1 数据库
• 1.2 模型库
• 1.2.1 油菜生长模拟模型
• 1.2.2 品种生育期参数调试模型
• 1.2.3 气象因子生成模型
• 1.3 模型应用系统
• 1.4 人机接口
• 2 系统的基本功能
• 2.1 数据管理
• 2.2 动态模拟
• 2.3 方案评估
• 2.4 因苗预测
• 2.5 时空分析
• 2.6 敏感性分析
• 2.7 专家咨询
• 2.8 系统帮助
• 3 系统设计与实现
• 3.1 系统的整体设计
• 3.2 生长模型组件的设计
• 3.3 其它组件
• 4 小结与讨论
• 参考文献
• 第九章 讨论与结论
• 1 讨论
• 1.1 油菜生育期预测
• 1.2 油菜绿色面积指数预测
• 1.3 油菜光合作用与干物质积累预测
• 1.4 油菜干物质分配动态与产量形成模拟
• 1.5 油菜适宜绿色面积指数的设计
• 1.6 基于生长模型的油菜管理决策支持系统
• 2 存在问题与今后设想
• 2.1 油菜生长模拟模型
• 2.2 基于生长模型的油菜管理决策支持系统
• 3 结论
• 参考文献
• 附录1 本文主要参数与变量
• 附录2 在校期间发表或投稿的论文
• 致谢