家庭牧场模型模拟研究进展

基金项目辽宁省教育厅科学技术研究项目。作者简介李东（１９７２－），男，辽宁北镇人，在读博士，助理研究员，从事蔬菜栽培与生理生态研究。＊通讯作者。收稿日期２００７!０１!０８作物生长模拟模型是作物科学和计算机科学交叉产生的新兴研究领域。作物生长模拟模型是应用系统分析和计算机技术，综合作物生理、生态、农业气象和农学等学科研究成果，将作物与其生态环境因子作为一个系统进行动态的定量分析和生长模拟研究［１］。计算机技术和人工智能技术在农业管理和决策上的迅速发展，使作物生长模拟模型的研究逐渐深入，在农业科研和生产上的应用日趋广泛。１作物生长模拟模型的发展现状１．１国外作物生长模拟模型的研究进展２０世纪６０年代中期，以ＤｅＷｉｔＣＴ［２］在计算机上模拟玉米等作物冠层的光合速率为标志，不少国家在作物生长模拟模型方面进行了研究。近４０年来，作物生长模拟模型在经历了初创阶段、发展阶段，已向综合化与应用化方向发展。目前，荷兰、美国、英国、日本、澳大利亚、以色列等已对多种作物建立了生长模拟模型，作物涉及到玉米、小麦、棉花、大麦、黑麦、马铃薯、高粱、大豆、甜菜、苜蓿、向日葵、白菜等。研究领域涉及光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、太阳辐射、物质生产和分配、生育进程、形态建成、根系生长、冠层微气候、土壤氮素运行和土壤水分状况等［３］，并已应用到作物产量预测、作物育种和生产管理等方面。荷兰的作物生长模型以综合作物生理生态的研究为主，注重模型的理论性研究，如作物生长模拟器ＢＡＣＲＯＳ［４］和模拟１年生作物生产潜力模型ＭＡＣＲＯＳ［５］；美国的模型开发注重“天气、作物、土壤、管理”等综合作用的结果，强调模型的实用性，代表模型有在国际上影响较大的模型ＣＥＲＥＳ［６］和棉花模拟模型ＧＯＳＳＹＭ［７］。其中最成功的例子是美国农业部农业研究服务中心作物模拟研究所１９８５年研究的棉花管理专家系统ＣＯＭＡＸ!ＧＯＳＳＹＭ。ＣＯＭＡＸ能在农场内为棉花管理提供咨询，用于确定灌溉、施肥、施用脱叶剂和棉桃开裂的最佳方案。１．２我国作物模拟模型的研究进展我国作物生长模拟模型研究起步较晚，２０世纪８０年代初引进荷兰和美国的模型，在学习借鉴的基础上，取得了较大的发展，逐渐形成有中国特色的作物生长模拟模型。１９９１年，科技部把农业专家系统等农业信息技术列入８６３计划重点课题，开展了针对农业领域的智能化农业专家系统、农业系统模拟模型及实用农业信息管理系统等方面的研究与推广应用工作，在水稻、小麦、棉花、玉米生长发育动态模拟研究与应用上，取得较大进展。２０世纪９０年代初江苏省农业科学院等单位研制的作物计算机模拟优化决策系统（ＣＣＳＯＤＳ）已见雏形，现已逐渐完善，它是我国第一个大型的应用性作物生长模拟模型。此外，我国的作物生长模拟模型已开发出的知名模型有：戚昌瀚（１９９４）的水稻生长日历模型ＲＩＣＡＭ［８］，邹应斌（１９９４）的水稻苗情动态模拟模型ＲＳＳＭ［９］，潘学标（１９９６）的棉花生长发育模拟模型ＣＯＴＧＲＯＷ［１０］，夏北成（１９９０）开发的评价小麦产量病虫为害损失的麦田生态系统模拟模型等［１１］，顾慰连（１９８９）的甜玉米生长发育和产量形成的数学模型。２０多年来，我国作物生长模拟模型的发展，正以生长模拟模型研究为基础，与建立专家知识库系统、部分参数的实时采集处理系统和技术经济评估系统相结合，并向能够帮助用户完成生产与经营管理等半结构化决策任务提供友好的作物生产管理辅助决策支持系统的方向发展，关于农田施肥、不同作物栽培管理、病虫害预测预报、农田灌溉等农业专家系统的研究开发成果已在生产应用中发挥了重要作用。基于模拟模型的智能化农业专家系统得到了“８６３”高技术研究发展计划项目的支持，迄今已在吉林、北京、安徽、云南等地建立了４个智能化农业专家系统试验示范区，并进行了较大面积的辐射应用推广，取得了良好的经济效益和社会效益。２作物生长模拟模型在设施园艺中的应用２．１在设施园艺中应用的重要性２０世纪９０年代以来，世界各国为合理利用资源，提高农作物产量，降低生产成本，改善生态环境，提出“精细农作”的想法，其成为２１世纪最富有吸引力的前沿性研究领域之一。作物生产管理决策支持技术是精细农业的主要支持技术；作物生产管理计算作物生长模拟模型及其在设施园艺生产中的应用李东，徐坤鹏，周宝利＊（沈阳农业大学，辽宁沈阳１１０１６１）摘要介绍了作物生长模拟模型在国内外的发展现状和应用效果，以及作物生长模拟模型在设施园艺中的应用现状；分析了建立园艺作物生长模拟模型的可行性、必要性；提出了建立园艺作物生长模型的策略，并对作物生长模拟模型在设施园艺中的应用前景进行了展望。关键词作物生长模拟模型；设施园艺；应用中图分类号Ｓ６２６文献标识码Ａ文章编号０５１７－６６１１（２００７）１１－０３１４１－０２ＣｒｏｐＧｒｏｗｔｈＳｉｍｕｌａｔｅｄＳｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＨｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒａｌＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＬＩＤｏｎｇｅｔａｌ（ＳｈｅｎｙａｎｇＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ１１０１６１）ＡｂｓｔｒａｃｔＰｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｒｏｐｇｒｏｗｔｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｉｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅｗａｓａｌｓｏｅｌａｂｏｒａｔｅｄ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｎｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｇｒｏｗｔｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓａｓｗｅｌｌａｓｇｒｏｗｔｈｍｏｄｅｌｓｆｏｒｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒａｌｃｒｏｐｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒａｌｃｒｏｐｇｒｏｗｔｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｉｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＣｒｏｐｇｒｏｗｔｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓ；Ｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅｕｎｄｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ安徽农业科学，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎｈｕｉＡｇｒｉ．Ｓｃｉ．２００７，３５（１１）：３１４１－３１４２，３１４５责任编辑姜丽责任校对王淼机辅助决策支持系统（ＤＳＳ）是应用计算机信息处理技术，其综合现代农业科学技术成果，制定作物生产管理措施实现处方农作的基础，它包括模型库、数据库、知识库和方法库。其核心部分就是作物生长模拟模型，因而决策支持系统的水平体现在模型的建立上。工厂化设施农业是一个高效农业生产体系，同时也是生物工程、系统工程、信息工程和控制工程紧密结合的农业生产体系，它正在向着自动化控制水平更高，生产效率更高，集约化、专业化以及水平更高，投资回报率更高的方向发展。如何实现设施环境的优化控制与管理是温室生产的关键所在。研究作物本身对环境变化的反应，并建立相应的数量关系，通过这种定量的关系，提供温室环境最有效的控制管理策略或方案。但由于温室系统的主体是作物，所以是否在控制系统中应用作物生长模拟模型，是衡量该系统综合性能的重要指标。２．２在设施园艺中的应用进展近２０年来，国外兴起了研究设施作物生长模拟模型的热潮，并取得较大地进展。由ＤｅＫｏｎｉｎｇ建立的关于番茄植株和果实发育的模拟模型（ＴＯＭＳＩＭ１．０）［１２］，是以番茄干物质生产与干物质分配为主的生长发育的动力学模型。Ｍａｒｃｅｌｌｉｓ在Ｇｉｊｚｅｎ的黄瓜干物质生产模拟模型（ＩＮＴＫＡＭ）和Ｍａｒｃｅｌｌｉｓ的黄瓜干物质分配和果实生长模拟模型基础上，于１９９８年建立了关于预测黄瓜生产和品质的模型（ＫＯＳＩ１．０）［１３］，它对黄瓜生产和品质的预测较好。Ｇｉｊｚｅｎ等建立了关于温室作物和温室气候的综合模型（ＨＯＲＴＩＳＩＭ）［１４］。这几个模型是目前温室园艺作物生长模拟模型研究发展的典型代表。ＫＯＳＩ（１．０）是一个预测黄瓜每周的鲜重生产以及收获时单个果实的鲜重和发育阶段的机理模型。它是在模拟干物质生产的ＩＮＴＫＡＭ模型（Ｇｉｊｚｅｒ，１９９４）和模拟干物质分配及果实生长的Ｍａｒｃｅｌｉｓ模型（１９９４）的基础上发展起来的。后两者是评价黄瓜果实质量的主要标准。此模型由以下模数组成：温室中光的传透率，作物对光的吸收，叶片和冠层的光合作用，同化物的分配，干物质的分配，干物质生产，果实生长，果实干物质含量以及果实的收获。ＨＯＲＴＩＳＩＭ是关于温室作物和温室气候的一个动力学机理模型。ＨＯＲＴＩＳＩＭ包含７个次模型（天气、温室气候、土壤、作物、温室管理、土壤管理和作物管理）和１个模拟进程管理所组成。ＨＯＲＴＩＳＩＭ组成的大部分已经形成别的模型或次模型，次模型在合适的步长条件下称为Ｔａｓｋ，Ｔａｓｋ分为进程（ｐｒｏｃｅｓｓ），而进程又分为次进程（ｓｕｂｐｒｏｃｅｓｓ）。在某一时刻，次模型、Ｔａｓｋ、进程、次进程是强相关的，并由模拟进程管理统一控制。ＨＯＲＴＩＳＩＭ的一个重要特征是可以通过强制函数来激活或关闭以及代替不同的次系统来改变它的结构，而且，许多Ｔａｓｋ或进程可通过选择性的描述代替，以便使用者选择。在国内，设施园艺作物生长模拟模型研究刚刚起步，比较成熟的园艺作物生长模拟模型还不多。孙忠富等在消化吸收国外研究成果的基础上，针对我国的环境特点和资源特性初步建立了以太阳辐射为基本驱动因子的温室番茄生长发育模拟模型［１５］。李萍萍等建立了温室中生菜生长动态及生产潜力的模拟模型［１６］。３建立设施园艺作物模拟模型的策略３．１园艺作物建立模拟模型的特点及可行性国内园艺作物模拟模型的研究工作才刚刚起步，虽有几个用于生产管理的专家系统正在研制中，但还没有基于园艺作物模拟模型的智能决策系统。温室中园艺作物的生长具有复杂性、精确性和多样性［１７］，在建模和模型的参数选定上与大田作物的差异较大，这无疑增加了模型研制的难度。但随着信息技术和智能决策技术的迅速发展并向农业领域的渗透，特别是大田作物模拟模型研究的可借鉴之处，使基于园艺作物模拟模型的智能决策系统的研制成为可能。３．２建立设施园艺作物模拟模型策略３．２．１从栽培技术出发。从栽培技术定量化或半定量化出发，建立各项栽培管理规范的量化模式、园艺作物产量形成的特性和各种栽培技术措施与产量相关关系的知识模型，包括播期、栽培密度、温度、光照、水肥管理、病虫害防治等对产量影响的分析，从模型上来实现以最小投入获取最佳效益的机制。３．２．２从生理指标出发。建立与园艺作物相关的生长发育模拟及有关生理生态指标的模拟。初级模型建立比较简单，包括园艺作物植株各部分与光合相关的动态生长发育模拟，并逐渐发展以干物质分配为核心，对生长进行定量测定，描述产量的形成过程。开展与作物产量直接相关的项目研究。３．２．３从环境因子出发。考虑围绕作物的环境因子，建立温室内各项环境因子的数据库，结合作物和管理建立系统的综合性模型，采取与多媒体数据库交流信息的接口模块，建成可以用于宏观生产计划制定和微观实时动态决策的多媒体决策系统，从而完成作物生长模拟与专家决策的统一，以此来指导智能化温室的作物生产。４结语与展望作物生长动态模拟模型研究正日益受到各国农业科学工作者的普遍关注，这不仅是因为模拟模型具有充分的理论依据和可解释性，更重要的是它具有较广的时空适应性［１８］。随着全球经济一体化进程的加快，园艺产业作为我国出口创汇的优势产业已成为共识，建立在生长模拟模型及标准化栽培模式基础上的生产决策系统有助于理解、预测和调控作物生产，提高决策水平和研究工作效益。２０世纪９０年代以来，我国开始发展“工厂化高效农业”，实现在相对可控环境条件下，采用工业化生产模式，实现高集约化的现代精准农业生产方式［１９］。但是与温室工程发达国家相比，我国温室工程技术与管理方式存在不小的差距，尤其在作物－环境－管理互作体系的协调控制方面的软件开发和应用上差距更大［２０］。建立温室小环境的作物生长模拟模型，在计算机生长模拟基础上开发温室生产智能化操作与管理软件，可分析作物生长与水肥和温室环境的相关性，进行温室内外环境差异分析和能耗评价，因时因地对肥水管理和温室环境进行精确有效地控制，从而实现对园艺作物生长和采收期的智能管理，协调投入产出比，提高经济效益。随着计算机技术与人工智能技术的发展，研究温室栽培条件下以作物生产模拟模型为基础的园艺作物生产决策系统，发挥模拟模型预测功能和推理决策功能［２１］，对于（下转第３１４５页

倡　国家自然科学基金项目（４０５７５０５６）和中国气象局气候变化专项（ＣＣＳＦ２００６唱４０）资助 收稿日期：２００５唱０１唱２０　改回日期：２００５唱０４唱１５草地牧草物候发育模型的应用研究倡

———以锡林郭勒草原为例

魏玉蓉１　潘学标２　敖其尔３　郝　璐１

（１畅内蒙古自治区气象卫星遥感中心　呼和浩特　０１００５１；２畅中国农业大学资源与环境学院　北京　１０００９４；３畅内蒙古锡林郭勒盟牧业气象试验站　锡林浩特　０１２６００）

摘　要　天然草地牧草生长发育受环境条件影响很大，牧草的发育期年际间和年内有很大变化。利用多年牧草物候观测资料，分析了影响草地牧草生长发育的主要气象要素并建立了锡林郭勒草原主要牧草物候发育模型。关键词　草地　牧草　物候发育　模型

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｇｒａｓｓｐｈｅｎｏｐｈａｓｅｍｏｄｅｌｓｉｎｇｒａｓｓｌａｎｄ—ＡｃａｓｅｓｔｕｄｙｆｒｏｍＸｉｌｉｎＧｏｌｇｒａｓｓｌａｎｄ．ＷＥＩＹｕ唱Ｒｏｎｇ１，ＰＡＮＸｕｅ唱Ｂｉａｏ２，Ａｏｑｉｅｒ３，ＨＡＯＬｕ１（１．ＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｅＣｅｎｔｅｒｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＲｅｇｉｏｎ，Ｈｕｈ唱ｈｏｔ０１００５１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＮａｔｕｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉ唱ｎａ；３．ＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＢｕｒｅａｕｏｆＸｉｌｉｎＧｏｌＬｅａｇｕｅ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＲｅｇｉｏｎ，ＸｉｌｉｎＨｏｔ０１２６００，Ｃｈｉｎａ），ＣＪＥＡ，

２００７，１５（１）：１１７～１２１Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅｇｒａｓｓｇｒｏｗｔｈｉｎｎａｔｕｒａｌｇｒａｓｓｌａｎｄｉｓａｆｆｅｃｔｅｄｓｅｒｉｏｕｓｌｙｂｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌｐｅｒｉｏｄｏｆｇｒａｓｓｉｓｖｅｒｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｅｖｅｒｙｙｅａｒ．Ａｌｏｎｇ唱ｔｅｒｍｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｄａｔａｏｆｇｒａｓｓａｎｄｍａｉｎｃｌｉｍａｔｅｄａｔａｉｎｎａｔｕｒａｌｇｒａｓｓｌａｎｄａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｐｈｅｎｏｐｈａｓｅｍｏｄｅｌｓｏｆｆｏｕｒｓｐｅｃｉｅｓａｒｅｂｕｉｌｔｉｎｔｈｅｇｒａｓｓｌａｎｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｇｒａｓｓｌａｎｄ，Ｇｒａｓｓ，Ｐｈｅｎｏｐｈａｓｅ，Ｍｏｄｅｌ

中国奶牛养殖模式及其效率的研究进展

中国的奶牛养殖模式可以大致分为传统养殖和现代养殖两种。传统养殖主要依靠农民家庭或农业合作社进行，采用自然放牧的方式，牛只以天然草地为食，养殖规模相对较小，产量有限。而现代养殖则采用集约化、工业化的养殖方式，主要依靠大中型养殖场进行养殖，采用圈养方式，利用人工配种、饲养管理等科学方法提高牛只的产量与品质。

中国的奶牛养殖效率在过去几十年有了显著的提升。在养殖技术方面，中国引进和开发了一系列适合我国气候和环境的奶牛品种，如荷斯坦奶牛、黑白花奶牛等，这些品种具有产量高、乳质好的特点，能够适应中国的养殖环境。养殖管理水平也得到了提升，包括饲养管理、疾病防控、饲料配方等方面。养殖场的规模化经营也逐渐成为主流，这样可以更好地利用资源，提高生产效益。

与发达国家相比，中国的奶牛养殖效率仍有一定差距。首先是养殖场规模和标准化程度相对较低，大部分养殖场仍然是小型家庭农场，管理水平和科技设备相对较落后。饲料资源的不足和饲料成本的上升也是制约奶牛养殖效率提高的重要因素。中国的饲料产量和质量都相对较低，而进口饲料的成本较高，对养殖成本造成一定压力。疾病防控、兽医服务等方面的不足也是制约养殖效率提高的问题。

针对以上问题，近年来中国在奶牛养殖方面加大了科研投入和政策支持。通过卫生防疫、饲养管理、饲料配方等方面的研究，提高了牛只的免疫力和产量。政府也出台了一系列支持奶牛养殖业发展的政策，包括贷款优惠、税收减免等，进一步推动了行业的发展和创新。

中国的奶牛养殖模式和效率在近年来有了明显的改善，但与发达国家相比仍存在一定差距。要进一步提高养殖效率，需要加强科研投入，提高养殖规模和标准化程度，改善饲料资源和质量，加强疾病防控等方面的工作。政府也应加大支持力度，提供更多的政策支持和资金投入，推动奶牛养殖业的健康可持续发展。

家庭牧场的经济效益和社会效益报告

家庭联产承包经营是20世纪80年代初期我国农村推行的一项重要改革，其功绩有目共睹。根据我国国情和农牧业生产特点，家庭承包经营要长期稳定不变。当前，我国农牧业要实现现代化发展，既要保持现有土地承包关系长久不变，又要实现向规模化、集约化经营转变。以下是深入研究家庭牧场的发展，得出家庭牧场的经济效益和社会效益报告。

一、社会效益

1、家庭承包经营有力地促进了农村经济的发展，家庭牧场作为农牧业家庭经营制度的完善与创新，是农牧业家庭经营的生产关系与农牧业生产力发展的要求保持动态适应与协调的必然产物。家庭牧场经营是我国未来农牧业经营制度创新的方向，要积极培育并发展家庭牧场。

2、家庭牧场是农牧业家庭经营制度的完善与创新

我国改革开放以来家庭承包经营的成功经验为家庭牧场的发展奠定了基础。家庭经营极大地解放了生产力，有力地促进了农村经济的发展，是推动农牧业高效发展的根本性动力。家庭牧场是农牧户向集体承包较多土地或通过农户之间土地流转后实行规模化、专业化、集约化的经营形式，可以更加适应现在农牧业发展的要求，提高市场效率和农牧业生产、流通、消费全过程的组织化程度，是以家庭经营为基础的新型农牧业经营体系的有机组成部分。

二、经济效益

20世纪80年代以来我国已有不少地区开展了家庭牧场的探索。截至2012年底，全国33个农村土地流转规范化管理和服务试点地区已有家庭牧场6670多个。吉林、上海、山西、浙江、湖北、江苏、江西等地家庭牧场发展较快，其经济效益、社会效益比一般农户家庭经营高得多。以上海松江为例，家庭牧场的粮食经营规模为每户2~3个劳动力、每户7~10公顷养畜面积，提高了农牧业机械化水平和科技的推广应用，加强了农牧业综合生产能力，实现了粮食生产面积增、产量增、效益增的现象，户均净收益6.7万元。