农业系统模拟模型技术

计算机农业系统模拟模型在生态农业中是一项非常重要的技术，特别是在农业资源利用、政策制定、农业发展预测、农业管理的改善方面得到了非常广泛的应用，研究的范围从全球到全国、地区农场生物群体及个体生长等不同层次，研究内容极其广泛，简直可以说是应有尽有，无所不包。在计算机化的生态农业管理中，模型是应用系统的基本成分。计算机模型模拟的对象是具有各种不同属性和规模的农业生物系统。世界各国已开发的模型从宏观的农业经济发展到微观的光合作用过程，几乎涉及到所有农业问题，如国家和区域农业发展战略规划和政策、人口增长、资源利用、能源消耗、农业生态、农业结构、果园生产、林业生产、草原经营、农作物生长、畜禽饲养、病虫测报、灌溉施肥管理和温室环境等。美国、荷兰、澳大利亚等国家在这方面的研究处于世界领先地位。

E.O.Heady等完成的美国全国范围的农业资源与农业生产结构的研究被认为是目前为止应用模型技术在生态农业中应用的典范。这项研究全面分析了美国各州的土地与水分资源、作物、土壤、肥料、畜牧、国外与国内市场需要、交通运输条件，并建立了大型模式。主要应用线性规划方法求得美国各地最适宜的旱地与灌溉农田面积，不同作物在不同类型土壤上的产量，土地、水分、劳力、肥料、机械等农业资源的合理利用，不同畜群对各种饲料、牧草、水分资源的合理利用，各种土壤耕作方法（普通耕作、少耕、等高耕作、带状耕作等）的合理安排等。

荷兰是最早开始作物模型研究的国家之一。荷兰的瓦赫宁根农业大学的作物模型自成体系，与美国的作物模型相比很有特色，在国际上具有代表性。荷兰的早期模型（1965～1980）是以对作物生长发育深入理解为目标开发的模型。ELCROS（作物初步模拟程序）是荷兰第一个动态作物生产模型，它用于探讨不同条件下的作物潜在生产水平。在该初始模型中包含了详细的冠层光合作用部分、描述器官生长速率的组成部分及最初有关呼吸的设想。而后又陆续开发出了BACROS、SUCROS、WOFOST、MACROS等一系列的模型。这些模型的应用范围越来越宽，而且其开发目标也逐渐由解释逐渐向应用的方向发展。

生长模拟模型广泛用于帮助农民进行逐日管理，还用于确定管理措施，如不同环境条件下的播种期、密度、灌时间和灌溉量、施肥时间和施肥量的长期平均产量和产量概率。但作物模型应用于支持管理决策时仍不很成功，主要是这类系统中的应用知识还不很丰富，所接受的农业技术仍然有限，过分强调科学问题而不是实际应用，非专业人员由于缺乏必要的专业知识，应用能力很难达到模型使用的水平。模型的主要功能是系统动态预测，而不能直接做出生产管理的决策。另外，软件开发没有按照现代软件工程标准进行，操作使用很不方便。另外造成模型应用不好的还有三个方面原因：一是由于农业产量变化的主要来源是大气条件，决策成功与否取决于预报未来天气的能力。由于现在只能进行几天较准确的天气预报，因而决策支持系统必须依赖于长期历史资料进行概率分析或用天气发生器发生天气数据。二是缺乏准确的土壤和作物数据输入。三是其空间变异性限制了模型的成功应用。模型常用于田间条件下，而其研制是在经过严格定义的假设田间均一的生产情形下（潜在生产、水分限制生产等）进行的。在农民的田里，几种限制因素和减产因素可同时发生，使外界条件有时超出了模型边界条件的有效范围。作物模型应用的出路之一是在作物生长模型使用过程中，用田间观测、遥感等其他信息源的输入定时对状态变量进行调节；同时将模型预测功能与专家系统决策功能相结合。

我国农业系统模拟模型技术研究应用主要开始于国外农业系统工程技术引进到我国的20世纪80年代，一方面利用农业系统模型技术进行生态农业的区域规划，另外是利用农业系统模型技术于农业生产的实际管理。江苏农业科学院自20世纪80年代初开始，研究建立了水稻栽培计算机模拟优化决策系统（RCSODS），较好地模拟了水稻生长发育、产量形成，并能进行施肥、病虫害防治等管理决策。江西农业大学和华南农业大学也分别建立了水稻模拟模型RICAM和RSM。中国农业科学院棉花研究所建立了棉花生产管理模拟与决策系统（CPMSS/CGSM）。中国农业大学建立了小麦计算机辅助决策系统（DSSWPM）。20世纪80年代末、90年代初，作物模式化栽培优化分析是我国继线性规划之后的另一重要方面。该技术是采用回归旋转设计，建立模型，然后通过计算机模拟选择适合当地生产的最优栽培管理方案。这些研究应用推动了信息技术在我国生态农业中的应用发展。