科技人生

发表于 计算机农业应用. 1994, (1):8-11

董占山
(中国农科院棉花研究所)
作物计算机模拟模型研究可以追溯到60年代，荷兰de Wit(1965)、美国Duncan(1967)分别进行作物冠层光合作用的模拟研究。从此之后，以de Wit为代表的荷兰Wageningen大学理论生产生态系和农业生物研究中心对农业生态系统的动态模拟展开了广泛深入的研究，到80年代已建立了较为系统的作物模拟理论，得到了FAO、WMO等国际性组织和各国科学家的高度评价，20多年中先后研制了多个理论模型，如初级作物模拟器ELCROS、基本作物模拟器BACROS、通用作物模拟器SUCROS、一年生作物模拟器MACROS等。这些模型以较强的生物机理性为特征。

美国继Duncan之后，众多的科学家致力于作物模拟的研究，并取得了举世瞩目的成绩，如Ritche为首研制的CERES作物模型，包括了小麦、玉米、水稻、高梁、大豆、花生等多种作物，Baker为首研制的棉花生长发育模拟模型GOSSYM均是当今世界上最成功的作物模拟模型之一。这些模型以较强的应用性为特征。

我国开展作物模拟模型的研究较晚，始于80年代初，首先是在水稻上取得进展的。较成功的例子是江苏省农科院高亮之等(1989)研制的水稻模拟模型RICEMOD。继他们之后，全国各地展开了广泛的作物模拟模型的研究，涉及的作物有小麦、玉米、水稻、大豆、棉花等。

一、棉花生长发育模拟模型的研究概况
棉花生产发育模拟模型的研究始于60年代末的美国。60年代末，Stapleton(1970)在亚利桑那州开始模拟棉花的生长，建立了第一个棉花生长发育模拟模型，之后Stapleton等(1973)将其发展成为COTTON模型，帮助棉农选择和管理机械、动力和劳力。同期，Duncan(1971,1972)等人在密西西比州立大学建立了SIMCOT模型，该模型用气象资料和土壤特性资料作为输入，模拟”标准”单株生长发育与产量。Hesketh(1972a,1972b)和Baker(1972)等把植物营养学的有关理论应用到模型中，估测碳水化合物生产和碳水化合物胁迫对蕾铃脱落和形态发生的影响，Jones等(1974)增添了氮素估计过程，从而建成了第二代棉花模拟模型SIMCOT Ⅱ(McKinion，1975)，该模型可模拟水分充分满足条件下棉花的光合作用、呼吸作用和器官建成，也可以模拟生理胁迫效应，但关于土壤因素对棉株生长发育的影响考虑得较粗。1975年以后，尤其是在使用SPAR(Soil-Plant-Atmospere-Research unit)(Pene,1978;McKinion,1986)系统之后，Baker和Lambert等人致力于改进上述模型，不仅丰富了温度和水分胁迫以及氮素胁迫影响棉花生长发育和器官建成方面的内容，而且提供了棉花根际土壤系统模拟模型RHIZOS(Lambert和Baker等,1983)，于1983年创立了第三代棉花模拟模型GOSSYM(Gossypium Simulation Model)(Baker,1983)。该模型是一个以土壤物理学性质、土壤养分和水分等为初始条件，以气象要素太阳辐射、昼夜最高和最低温度为驱动变量，以关键农艺措施如施氮、灌水、喷脱叶剂等为控制变量的系统动力学模型。1984年以来，Baker和McKinion等人在原有基础上，进一步改进和完善了棉株生长发育和干物质分配部分的内容，完善了棉株形态建成的功能，同时，又陆续研制了几种主要的除草剂、杀虫剂、植物生长调节剂等化学药品对棉花影响的子程序，使GOSSYM日臻完善(McKinion,1989)。10多年来，GOSSYM模型在美国棉花带各州使用，不断得到验证、修改、完善，使它具有了广泛的适应性和良好的应用性。

此外，美国Jones等人(1979)建立了COTCROP模型，它较为详细地考虑了棉花各个部位之间的关系及环境因子和害虫对棉花生长发育的影响；德克萨斯州农业及机械大学Jackson等人(1988)年建立了COTTAM模型，可以模拟棉花的形态发生和产量形成。

荷兰Mutsaers(1982)建立了KUTUN模型，对棉花生长发育过程和形态发生进行了模拟。澳大利亚Hearn等人(1985)年建立了一个简单的棉花生长发育模拟模型，供SIRATAC系统使用。

我国棉花计算机模拟模型的研究始于80年代末，1988年中国科学院动物研究所吴国伟等从营养供求状况来控制蕾铃脱落，利用以生理时间为变量的Logistic方程来模拟棉花生长发育过程并棉铃虫危害蕾铃对产量的影响。北京农业大学郭向东等(1991)通过修改和重新估测SIRATAC系统1985年增加的棉花生长发育模型的参数，得到了一个适用于我国的简单棉花动态模拟模型。北京农业大学刘文等(1992)以每日的太阳辐射为驱动变量，以温度和水分为影响因子，建立了棉花生长发育、形态发生及产量形成的动态模拟模型。江苏省农科院李秉柏等(1991)建立了逐日的棉花发育和叶龄模型。中国农科院棉花研究所潘学标等(1992)建立了一个以太阳辐射为驱动变量的棉花生长发育模拟模型CGSM。董占山等(1992)利用荷兰Penning de Vries等研制的MACROS中的L1D模型对棉花的潜在产量也进行了研究。但是，这些模型大多至今也没有在生产上试用，因此对它们的可用性还需进一步研究。

二、棉花生长发育模拟模型研究的现状
在上述的棉花模拟模型中，美国的GOSSYM模型是较成熟的一个，代表了当前棉花模拟模型的研究水平，下面详细地介绍GOSSYM模型。

GOSSYM模型本质上是一个表达植物根际土壤中水分和氮素与植株体内碳和氮的物质平衡的模型，包括了水分平衡、氮素平衡、碳平衡、光合产物的形成与分配、植株的形态建成等子模型。各子模型的主要功能简介如下。

气候子模型(CLYMAT)将全部天气资料读入，并调用日期换算子模型(DATES)计算模拟所要用到的儒略日数，调用土壤温度子模型(TMPSOL)计算各层土壤的温度。

土壤子模型(SOIL)计算向植株提供的氮素、土壤水势和根系存贮氮和糖的能力。根区土壤在横向分成20个等份，在纵向上分成40个等份，形成一个20×40的矩阵，即800个小室，每个小室大约为5×5厘米。模型逐日计算各室的水分、硝态氮和铵态氮以及根的生物量，用来计算根的生长量和水分吸收量。其中的二级子模型，施肥子模型(FRTLIZ)用来分配铵态氮、硝态氮和尿素于土壤剖面中，重力水移动子模型(GRAFLO)用来完成在重力作用下的雨水和灌溉水在土壤剖面中的移动过程，蒸腾子模型(ET)估计土壤表面的蒸发速率和作物的蒸腾速率，吸引子模型(UPTAKE)计算根区水分、氮素的吸收，毛管水移动子模型(CAPFLO)估计毛管水的流动状况，硝化子模型(NITRIF)计算土壤中微生物作用下的铵态氮向硝态氮的转变情况。

化学药剂子模型(CHEM)估计化学物质对植物生理过程的作用，目前这些化学物质包括植物生长调节剂PIX和PREP、脱叶剂DEF、DROPP、GRAMOXONE、FOLEX和HARVADE。

光合呼吸子模型(PNET)逐日计算植株的总光合产物、呼吸消耗和净光合产物。

生长子模型(GROWTH)计算植株各器官潜在的和实际的生长速率。其中二级子模型根系生长子模型(RUTGRO)计算各土室中根的生长和分布，根延伸子模型(RIMPED)计算增加土壤容重对根延伸能力的影响，氮素分配子模型(NITRO)计算植株中氮素的分配，代谢物平衡子模型(MATBAL)保持模型中碳、氮等的物质平衡的轨迹。

形态发生子模型(PLTMAP)模拟棉株的形态发生和各器官的成熟与衰老，包括蕾铃的生理脱落和各种胁迫因素的计算。脱落子模型(ABCISE)估计蕾铃和叶片由于胁迫和衰老的脱落速率。

GOSSYM模型具有多种用途，可以广泛地应用于科研、教学、生产等各方面。它可以用来研究棉花生长发育及与环境条件之间关系、检验假说、安排试验计划等，也可对棉花生产管理提出有价值的决策等。其它棉花模拟模型与GOSSYM相比，相去甚远，不再赘述。

三、今后的发展趋势
随着现代农业实验技术和计算机技术的迅速发展，作物模拟技术也在不断向纵深发展。

其一，模拟模型包括的内容越来越广泛，涉及的学科越来越多，逐步向综合方向发展，一个模型不但可以模拟作物的生长发育，也可以模拟害虫的群体动态和危害程度，还会包括经济效益模型。GOSSYM模型涉及了生理学、土壤物理学、土壤化学、水动力学、经济学等。目前，GOSSYM不仅可以模拟棉花的生长及产量形成，而且可以模拟棉花纤维品质性状如纤维长度、强度和马克隆值等，也可模拟种子的含油量和种子活力(McKinion,1989)。再如德克萨斯州农业及机械大学研制的综合作物生态系统管理模型ICEMM(Landivar,1992)。

其二，现有作物模拟模型中还存在许多经验性的部分，如生育期、同化物分配、许多与土壤有关的过程等，在今后的发展过程中，这些经验性部分会逐步得到改善，机理性进一步加强,使模型可以模拟作物在不同的生态环境条件下的生长发育和产量形成。

其三，研制作物模拟模型的目的是在生产实践中应用，改善模拟模型的应用性将是其今后发展中的一个重要议题。模拟模型进一步与专家系统结合，形成基于模型的集成专家系统，可以促成模拟模型直接服务于农业生产(Plant et al,1991)，GOSSYM/COMAX系统就是一个很好的例证(McKinion,1989)。

四、我们的对策
作物模拟模型具有三个特点：⑴机理性：模拟模型的各部分是作物对应部分的生理生化机制的简要表示，可以模拟作物本身的内在变化和对环境的反应;⑵通用性：模拟模型一般是基于作物生长发育的生理过程的，使这样的模型具有较为广泛的适应性，通过模型校正可以应用到不同的地区。GOSSYM模型即是如此，它已在美国棉花带的十几个州广泛应用；⑶复杂性：由于作物本身的复杂性，模拟模型要模拟现实世界的全部或主要结构和功能，必然具有众多的内容和复杂的结构。

如要研制一个类似于GOSSYM的棉花模拟模型，需要花费大量的人力、物力、财力，并且要具备一定的科研技术条件。GOSSYM模型的研制花了许多科学家20多年的心血，目前我国要从新研制一个类似模型几乎是不可能的，同时也将大大落后于国际先进水平。那么我们应该采取什么对策才能迎头赶上国际先进水平呢?

根据模拟模型所具有的特点，我们提出如下对策：立足当前，引进消化国外先进的模拟模型，进行试验，评估模型参数，修改模型，完善和发展适合于我国的棉花模拟模型。GOSSYM模型是目前国际上最优秀的棉花模拟模型，我们可以在全国各大棉区布置验证试验，收集数据，验证GOSSYM模型在我国的适应性，并根据我国的具体情况，修改和完善GOSSYM模型，使其能够在我国各大棉区应用。

参考文献
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发表于 农牧情报研究. 1994, (2):15-18

董占山
中国农科院棉花研究所

摘要: 计算机在棉花科研和生产上的应用研究已在全国范围内展开，经过近10年的努力，有了初步进展，已涉
及了棉花生长发育模拟、棉花生产管理决策、棉花昆虫种群动态模拟、棉花害虫管理、棉花品种资源研究等方
面。但其中存在不少亟待解决的问题，如研究力量分散、经费不足、科研条件差、低水平重复劳动较严重，以
及科研与生产脱节造成的成果转化困难等，不过，计算机在我国棉花科研和生产上应用研究的发展前景还是广
阔的。最后提出我国发展计算机在棉花科研和生产上的应用研究的对策为：采取“引进、改造、利用”的方针
，缓解经费紧张；稳定基础性研究，确保学科发展的后劲；加强应用性研究，为棉花生产服务；国家协调，组
织多学科攻关，克服低水平重复劳动。

关键词：棉花，计算机，科研，生产

60年代中期，由de Wit(1965)和Duncan(1967)首创了作物生长发育的计算机模拟模型之后，计算机在农业科
研与生产中的应用日益广泛，自80年代开始，在世界范围内普遍展开。对棉花而言，美国Stapleton等人
1969年开始在亚利桑那州研究棉花模拟模型，Baker等人于1983年研制成了直接应用于生产的第三代棉花模拟
模型GOSSYM，1985年建成第一个棉花生产管理系统GOSSYM-COMAX，同年在生产上进行验证试验，到1993年在
全美棉花带各州300多个农场应用，每公顷可获169美元纯利。这是计算机在农业上应用的典范。
我国计算机农业应用研究起步于80年代初，首先在水稻上取得进展，而后在小麦、玉米、棉花等作物上展开，
目前为止，已取得了一定的进展，但离在生产上应用还有一段较大的距离。本文对计算机在我国棉花科研和生
产中的应用研究进行全面分析，概括了当前的研究现状和今后的发展前景，并根据我国的具体国情，提出了目
前在我国开展计算机在棉花科研和生产中应用研究的具体对策。

1 研究现状

从“六五”开始，部分产棉省在棉花高产优质规范化栽培研究中已开始应用计算机，这时计算机只是充当计算
的工具。国家“七五”计划期间，农业部明确下达了计算机在农业上应用的研究课题，其中包括了棉花部分。
这一时期的研究，已明确要把计算机作为棉花生产管理的决策工具，在认识上已前进了一大步，不过由于先前
的研究水平较低，并没有取得明显的进展。国家“八五”计划期间，这些研究计划仍然在延续，但大多数研究
团体均面临共同问题，即研究经费不足和试验手段落后，很难使研究深入下去。今后，我国如何发展计算机在
棉花上的应用还有待进一步探讨，下面就当前的研究现状做一综述。

1.1 棉花生长发育和产量形成的模拟模型
中国科学院动物所吴国伟等(1988，1990)建立了一个中等复杂程度的棉花生长发育的动态模拟模型。该模型
中各组分由物质流和信息流来连接，净光合作用根据光能、叶面积指数、气温、氮素和水分压力等级来求得，
并在器官之间进分配，根据生理时间确定主茎节数，并由棉花顶芽和腋芽伸长的同步性，确定果枝和果节数，
果实发育或脱落由茎养供求状况控制。通过河北省饶阳县5年大田资料的验证，可适用于对不同肥力地块棉花
生育的模拟，并对棉花超补偿作用有良好的模拟功能。本模型可以用于研究棉花的超补偿机制，也可用于优化
棉田管理决策。
中国农科院棉花所潘学标等(1991，1992)建成了一个棉花生长发育与产量形成模拟模型CGSM。该模型以太阳
辐射、气温为驱动变量，逐日模拟出棉田生产的净生物量，并分配到各个器官，根据棉花生育期间的积温，模
拟株高、主茎叶数、果枝数、果节数和蕾铃的发生与分布。经检验，本模型基本上能较准确地模拟棉花生长发
育动态，可在一定程度上为生产管理决策提供参考。该模型已与棉花生产管理决策支持系统CPMSS组合形成
CPMSS/CGSM系统，适合于我国黄河流域一熟春棉的决策管理。
有关棉花生长发育模拟模型的研究还有：北京农业大学刘文等(1992)建成的棉花生长发育模拟模型COTSIM，
湖北省农科院唐仕芳等(1990)建成的水分胁迫下棉花生长发育模拟模型CDSM，江苏省农科院李秉柏等
(1991)建成的棉花生育期模拟模型。

1.2 棉花生产管理决策系统
北京农业大学肖荧南等(1990，1991)建立了棉花生产决策系统，该系统由数据库、知识库和推理机组成，具
有多目标决策、播前决策和动态决策等功能。播前决策就是根据用户对产量目标的要求和天气年型的预报，对
专家咨询表进行综合推理、判断，作出产量预测及品种、播期、密度、氮磷钾肥数量、灌溉次数等决策；动态
决策就是确定棉花蕾、花期调控措施的决策。
中国农科院棉花所董占山等(1992，1993)建立了一个棉花生产管理模拟系统CPMSS/CGSM。该系统由知识库、
推理机、知识解释机构、知识获取机构、动态数据库、关系数据库、生长发育模拟模型、人机接口等组成，其
主要功能：1.整体决策：根据植棉地区的气候资源、土地资源、水资源等基本条件，对当地高产棉花生产做出
整体决策，包括选择品种、适宜播期、株行距配置、施用底肥的种类及用量，以及正常生长条件下生育期间应
追肥量、缩节安的施用适期及用量。2.生育期间的动态调控决策：在棉花生育期间，根据基本条件、植株当时
的长势长相和前期所采取的农艺措施，判断棉花当时的生长状态，判断苗情的好坏，长势的旺弱，提出最近半
月内的推荐措施。3.根据棉株中前期和当时的生长发育状况，于8月底以后，模拟产量结构，预测本年度的皮
棉产量。

1.3 棉花害虫种群动态模拟模型
中国科学院动物所李典漠等(1990)利用生态学中的实验组成成分法，以生理学时间为基础，考虑棉蚜各龄期
的成活率，有翅蚜的比率，以及不同年龄不同密度下的生殖率，建立了棉蚜的种群动态模型。有效性检验表明
：模型输出的总趋势量与观察得到的田间状态相吻合，但由于蚜虫繁殖量大，影响种群变化的随机因素很多，
种群波动激烈，有些子波动尚不易预测。
中国科学院动物所翟连荣等(1990)以时变延迟过程为基本模式，建立了棉铃虫种群动态模拟模型，该模型可
以同时将个体之间的差异以及群体受到外界环境(如温度、天敌、自然死亡、降雨)的影响反应出来，适合于预
测田间种群的动态。

1.4 棉花害虫管理专家系统
中国科学院动物所纪力强等(1990)建立了棉花害虫管理专家决策支持系统(COPMEDS)，该系统由三部分组成，
即数据库、模型库和知识库。数据库内存储了近年来实验观测的害虫、天敌、作物、气象等数据;模型库中有
主要棉花害虫种群动态的模拟模型;知识库中有害虫动态经济阈值、农药使用、作物管理等知识。田间观测员
定时将观测结果输入系统，用户可向系统咨询，系统可根据实时实地的特点向用户提供建议，并根据数学模型
作出决策。

2.5 棉花品种资源数据库的建立
我国目前收集保存棉花种质5317分，其中陆地棉4200份，海岛棉387份，草棉12份，陆地棉半野生种系305份
，棉属野生种31份，近缘植物10种。“七五”期间，国家下达“农作物品种资源研究”的项目，其中“农作物
品种资源数据库建立及其软件开发”的一个子专题“棉花、麻类品种资源数据库的建立及软件开发”，其主要
研究内容是建立具有中国特色的棉麻品种资源数据库，为棉麻新品种选育及资源研究服务，也可为生产单位及
个人提供棉麻优良品质服务。本子专题完成后，在国内首次建成了一套棉麻品种资源数据库，共录入棉花种质
资源4486份，麻类1967份。建立了国内第一个棉麻种质资源数据子系统，使繁育、鉴定、入库、建数据库成
龙配套，使棉花品种资源研究达到了一个新的阶段，即科学化、标准化、自动化的阶段，提高了我国棉麻品种
的保存和管理水平。

2 存在问题

计算机在棉花科研与生产中的应用研究是研究用高新技术改造我国的传统植棉业，这是一系列技术密集型多学
科协同攻关的科学研究活动。从过去近十年的研究活动来年看，其间存在不少问题亟待解决。

2.1 研究力量分散，低水平重复劳动比较严重
就棉花生长发育模拟型的研究来说，中国科学院、中国农科院和不少省农科院以及农业院校均在研究，造成了
许多重复劳动，这不仅是浪费有限的国家科研经费，更重要的是这些重复劳动产生不了高质量的完善的棉花生
长发育模拟模型。再如棉花生产管理决策系统的研究，同是”七五”国家下达的科研计划，经费分两摊，北京农
业农大学和中国农科院各一摊，最后都拿出了一个大同小异的研究结果，只是都难在棉花生产中实际应用。这
些均说明：在我国目前科研经费尚不充足时，研究力量分散，会造成较严重的低水平重复劳动，也是对国家有
限的科研经费的浪费。

2.2 经费不足，科研条件较差
要研究棉花生长发育模拟模型，需要对棉花本身的生理过程及各个生理过程对环境条件(如气候、土壤等)的反
应等进行深入细致的研究，就目前我国现有的科研资助强度和实验条件，尚不能进行如此深入的研究，于是棉
花生长发育模拟模型也就只好在低水平上进行。再者要研究一个适用于棉花生产管理的决策系统，必须有良好
的作物模型支持，另外必须在产棉区进行大范围、大尺度的生态验证，要做到这一点，没有足够的研究经费是
很难办到的。

2.3 科研与生产脱节，科研成果转化困难
我国棉花生产发展很快，产棉区棉花的种植方式与种植制度在近年来有较大的改进和发展，而科研计划下达之
后，不能随着生产的发展而改变，还按原方案执行，导致科研计划完成后，研究成果过时，不能在生产上发挥
应有的作用。

3 发展前景

随着计算机科学的发展，它已诱透到农业科研与生产的各个环节，既作为科研的工具，又作为生产决策的工具
，同时为科研与生产服务，今后我们应该在以下有潜在应用价值和社会经济效益的领域发展计算机应用研究。

3.1 在棉花生态生理及昆虫种群动态研究中应用
就棉花生境生态而言，有关棉花生态生理、害虫种群动态与取食危害、病害的发生发展的基础性研究，还必须
花大力气进行，这些研究的成果为建立以棉花为中心的综合气候、土壤、害虫、病害等的模拟模型提供了科学
依据，反过来说，这样的模拟模型又是棉花科学研究和生产管理的预测工具。

3.2 在棉花生产管理决策中的应用
棉花生产管理包括了品种选择、播期与密度选择、施肥、防治病虫害等众多方面，这些生产活动均需要一定水
平的棉花生产管理技术，不是人人能行的。植棉专家可以对品种、播期、密度、灌水等做出较好的决策，而植
保专家则可以对病虫害防治作出好的决策。只有棉花生产中的各个环节不出较大的偏差，棉花才能丰收，才能
做到高产、优质、高效。对棉花生产管理而言，模拟模型可以对棉花生长发育做出预测，专家系统可对生产管
理中的问题做园满的决策，因此，我们要进一步发展和完善棉花生产管理决策系统。

3.3 在棉花品种资源研究和棉花育种中的应用
棉花生产的发展很大程度上取决于良种的推广应用，所以选育优良品种成为历来棉花科研的重点。目前除了少
数单位能够用生物技术把优良基因导入棉花，产生出抗病虫的新品种外，大多数单位还是沿用传统的育种方法
。在传统育种中，杂交组合的选配是非常重要的，这就要求育种工作者对棉花品种资源有较清楚的了解，才能
在育种中取得突破。所以建立种质资源数据库和信息系统，目的是帮助育种工作者做好种质资源的筛选与评判
，为选育优良品种服务。

3.4 在棉花情报信息管理中的应用
随着信息服务和信息传递的自动化，棉花科研和生产对棉花信息的需求也越来越迫切， 急需对目前棉花信息
的存储、传递、检索状况进行改进，提高其自动化程度，这就要求加紧建立和完善棉花情报信息数据库，以便
为科研和生产及时提供可靠的信息。

4 发展对策

上面对我国计算机在棉花科研和生产中应用研究的现状和存在问题等进行了阐述，并阐述了今后的发展前景，
那么我们对开展这项研究应采取什么策略呢?

4.1 采取”引进、改造、利用”的方针，缓解经费紧张
我国经济实力比较薄弱，还不能一下拿出许多资金资助计算机农业应用研究，必须寻找解决经费不足的途径。
在计算机农业应用研究中，棉花生长发育模拟模型研究属于基础性研究，需要经费最多，对研究条件要求最高
；然而决策系统等面向应用的研究，对人财物的要求较宽。笔者认为我国目前仅具备研究棉花生产管理决策系
统的条件，尚不具备研究大型复杂的棉花生长发育模拟模型的条件，那么我们将如何进行模拟模型的研究呢？
模拟模型在国外发展较早，已取得了比较明显的进展，并在生产实践中发挥其作用。由于模拟模型是基于作物
或昆虫内在的发育机理的，所以具有较广泛的适应性和通用性，可以从一地区引至另一地区应用。鉴于此，我
们与其白手起家重建立一个模拟模型，不如把别人先进的模型拿过来，进行改造，在各棉花生态区进行验证，
直接利用之。这样我们可以做到”多、快、好、省”的目标，促使我国的棉花模拟模型更上一层楼，赶上国际先
进水平。目前，我们可以把美国的棉花生长发育模拟模型GOSSYM引入我国，根据我国各棉区的生产技术条件
、种植方式和种植制度，进行修改，并在各棉花生态区布置试验，验证此模型，在2-3年内，我们即可以达到
一个高水平的棉花模拟模型。

4.2 稳定基础性研究，保证学科发展的后劲; 加强应用性研究，为棉花生产服务
对棉花模拟模型等的基础性研究，国家应当予以财力、物力的保证，在不扩大研究规模的前提下，集中人力、
物力、财力，重点攻关，分阶段进行研究，作到步步高，克服力量分散、重复劳动的问题，保证本学科发展的
强大后劲。
对于棉花生产管理决策系统面向应用的研究，是建立在模拟模型研究基础上的，可直接为棉花生产服务; 棉花
种质资源信息系统的研究，则是直接服务于科学研究的项目，这些项目要求的研究条件相对较宽，不需要有大
型的高精密度的研究设备，只要有计算机，由棉花专家和计算机工程师有机合作，协同攻关，收集有关的信息
和知识，即可完成。对这些研究，我们应该努力开拓，加紧研制，尽早应用到棉花科研和生产上，为我国棉花
生产再上一个新台阶服务。

4.3 国家协调，组织多学科攻关，克服低水平重复劳动
对计算机在棉花科研和生产上应用研究的众多领域，不能一视同仁，对那些适合我国国情，能够对棉花生产发
展起巨大推动作用的研究领域，国家应该重点资助，组织有关单位和学科的科学家协同攻关，消除研究中出现
的人员分散和低水平重复劳动的弊端。

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发表于 农业计算机应用. 1994, (增刊):193-194

中国农科院棉花研究所 董占山

国外，计算机农业应用研究已开展了30多年，并取得了举世瞩目的成绩。如美国的粮食作物生长发育系列模型CERES和棉花生产管理系统GOSSYM-COMAX，这些模型和管理系统已在农场推广使用，取得了可观的经济效益和生态效益。

国内，近10年来，许多科研单位和农业院校也展开了广泛的计算机农业应用研究，且取了一定成绩。如江苏省农科院研制的水稻栽培计算机模拟优化决策系统(RCSODS)已投入生产使用。但是，在这方面的研究中仍存在不少问题亟待解决。

一、我国计算机农业应用研究中存在的问题
计算机农业应用是计算机科学对农业科学的渗透，是一门新的交叉学科群，虽然国外在该领域的研究中已取得了一定的进展，但完整的学科体系仍没有建立起来，其研究方法和途径也千差万别。鉴于此，我们有必要总结我国近年来从事这方面研究的经验，找出存在问题，探讨解决问题的办法，开拓未来的研究。

1.研究力量分散，低水平重复劳动
　　对近10年来的研究工作分析可知，研究力量分散，工作在较低水平上重复，是研究工作中存在的主要问题。就作物模拟模型来说，仅棉花生长发育模拟模型研究一项，就有中科院动物所、北京农业大学、中国农科院棉花所、江苏省农科院等单位在独立进行研究，到目前为止，都发表或申报了研究成果，均为初级产品，结构较简单，功能极相似，这是研究力量分散造成的低水平重复劳动。若国家有关部门出面协调，组织多单位多学科协同攻关，则可以在短期内研制出性能较佳的棉花生长发育模拟模型。这仅是一个例子，计算机农业应用其它方面的研究也存在类似问题，不一一赘述。

2.经费不足，科研条件较差
　　研究力量分散是造成低水平重复劳动的一个原因，另一个原因是由于研究经费不足，科研手段落后造成的。还就作物模拟模型的研究来说，要进行此项研究，要求较高的资助强度和先进的研究手段。比如美国农业部农业研究署作物模拟研究所在研制GOSSYM的20多年里，耗资几百万美元，1976年开始使用先进的SPAR系统，该系统具有高度过自动化控制功能，它能够完全控制许多环境因子，如昼夜的气温、土壤温度、土壤水分、空气中CO2的浓度等，而且还可以定时自动采集200多个土壤、大气、作物的数据，为研究作物对环境因子的反应提供了有力手段。在国内，我们使用一个人工气候箱来研究作物对环境的生理反应，其费用就高达难以承受。所以在进行计算机农业应用研究时，要分类管理，对意义重大的研究项目国家应给予重点资助。

3.科研与生产脱节，研究成果转化难
　　众多的计算机农业应用研究，获得的研究成果如果都能即时应用到农业科研与生产中，则会产生巨大的社会效益和经济效益。不幸的是，有不少研究成果在完成之后，其命运只能是“束之高阁”，主要原因是由于研究课题在执行过程中不能即时调整其研究目标导致研究成果过时。如“七五”农业部重点科研项目《计算机及核技术在农业上的应用》中第一专题《作物高产栽培计算机模拟系统》,在“七五”结束后，研制成了棉花生产管理模拟系统CPMSS/CGSM，只适用于一熟春棉，而不能应用到麦套棉、夏播棉等，然而夏棉已占到我国棉田面积的60%，如果在课题执行过程中及时调整研究方向，则不会出现这种局面。

二、解决问题的几条途径
针对计算机农业应用研究中存在的问题，结合我国的国情，权衡我国的经济实力和农业生产的实际需要，本着兴利除弊和为农业生产持续发展服务的原则，兹提出以下几点解决问题的途经。

1.采取“引进、改造、利用”的方针, 缓解经费紧张
我国经济实力比欧美差，还不能一下子拿出许多资金资助计算机农业应用研究，必须寻找解决经费不足的途径。在计算机农业应用研究中，作物模拟模型研究属于基础性研究，需要经费最多，对研究条件要求最高；然如决策系统、管理系统等面向应用的研究，对人财物的要求较低。笔者认为我国目前仅具备研究农业决策系统和管理系统的条件，尚不具备研究大型复杂的作物模拟模型的条件，那么我们将如何进行作物模拟模型的研究呢？

　　作物模拟模型是建立在作物生态生理的理论基础之上的，具有广泛的通用性和高度的复杂性，可以从一地区引入到另一地区使用；再则，目前国际上各种作物模拟模型大多是开放的，如美国的CERES作物模型、GOSSYM模型，荷兰的ELCROS、BACROS、SUCROS、MACROS等。这为我国进行作物模拟模型的研究提供了便利条件。

　　我国在进行作物模拟模型的研究时，可以采取“引进、改造、利用”的方针，迅速有效地发展我国的作物模拟模型。“引进”就是把国外的作物模拟模型引进国门，为我所用。作物模拟模型虽然有较强的机理性和通用性，但还有一部分内容是经验性的，具有地域性，必须对这部分进行“改造”，以符合我国的实际情况。模型经过改造，要在各生态区进行广泛的验证，直到满意为止。模型一但改造完成，我们就要在农业科研和生产上广泛应用，提高我国的农业研究和生产水平。

2.稳定基础性研究，保证学科发展的后劲；加强应用性研究，服务农业生产
在计算机农业应用研究中，有些是属于基础性的研究，有些是面向应用的研究，所以对各种计算机农业应用研究，应该分别对待，分类指导。如各种作物模拟模型、昆虫种群动态模型等属于基础性研究，而作物生产管理系统、灾害防御系统则属于面向应用的研究，对这两类研究，我们应该采取“稳定基础性研究，保证学科发展的后劲;加强应用性研究，服务农业生产”的对策。对模拟模型等的基础性研究，我们不能老从国外引进，而后利用，我们首先引进，而后在此基础应发展完善，逐步创新，开拓我国计算机农业研究的新领域，力争赶上世界先进水平。对决策系统、管理系统等的应用性的研究，我们应该努力开拓，加紧研制，尽早应用到农业生产，为我国农业生产再上一个新台阶服务。

3.国家协调，组织多学科攻关，克服低水平重复劳动
在计算机农业应用研究的众多领域中，不能一视同仁，对适合我国国情，能够对农业生产发展起巨大推动作用的研究领域，国家应该重点资助，组织有关单位和学科的科学家协同攻关，消除研究中出现的人员分散和低水平重复劳动的弊端。

发表于 中国农学通报. 1994, 10(4):41-43

董占山
(中国农科院棉花研究所, 河南安阳, 455112)

摘要 本文详细叙述了棉花生产管理决策系统的发展与现状，剖析了代表当前国际水平的GOSSYM/COMAX系统，指出作物生产管理决策系统今后的发展趋势是：集成化、智能化、自动化和网络化，并提出了我国研制棉花生产管理决策系统的策略方针是：立足当前国际先进水平，验证和修改 GOSSYM模型，根据我国各棉区的生态环境条件、生产技术条件和社会经济条件，建立一个符合我国棉花生产管理水平的专家系统，而后将二者集成为一个完整的棉花生产管理系统。

关键词: 棉花, 决策系统, 生产管理, 模拟模型

一、棉花生产管理决策系统的研究概况

近10年来，有关棉花生产管理的计算机自动化决策日益增多，在生产管理上，已经涉及棉花生产的各个方面，如棉花的害虫管理、灌溉方案的制订、农事活动、经济和资金计划、作物生长状况诊断、营养管理等(Lambert, 1993)。
在美国比较成熟的棉花生产管理系统有3个，德克萨斯农业及机械大学的COTFLEX(Stone, 1986)，加利福尼亚州立大学的CALEX/Cotton(Plant,1987;Goodell, 1990)，美国农业部农业研究署(USDA-ARS)的GOSSYM/COMAX(Lemmon, 1986)。CALEX/Cotton可为加利福尼亚棉花生产提供PIX、害虫管理、收获期等的决策;GOSSYM/COMAX是基于棉花生长发育模拟模型GOSSYM(Baker, 1983)的一个农场级棉花生产管理系统，GOSSYM提供关于棉花生长发育等生理学方面的信息，COMAX则制订出关于施肥、灌溉和植物生长调节剂等方面的决策方案。
目前，美国有4个专家系统用于棉花害虫管理，除上面提到的COTFLEX和CALEX/Cotton外，还有CIC-EM(Bowden,1990)和rbWHIMS(Olson, 1992)。CIC-EM是一个基于分类规则的专家系统,主要在密西西比州使用，可以完成13个棉花害虫的管理。rbWHIMS是由USDA-ARS的CSRU(Crop Simulation Research Unit)设计的，包括700多条规则，可以完成9组至少15种害虫的管理，下一步，rbWHIMS将集成到GOSSYM/COMAX中。
自80年代末开始，我国在棉花生产管理决策支持系统方面也取得了长足发展。国家”七五”计划期间，由农业部下达了有关农作物生产管理专家系统的研制课题，中国农科院棉花研究所和北京农业大学分别独立完成了一个棉花的生产管理决策系统(肖荧南等, 1991;董占山等, 1992)。

二、一个典型的棉花生产管理决策系统

棉花生产管理在不同地区不同季节均有不同的内容，在一个地区研制的生产管理系统不能完全照搬到另一个地区，不过其中某些部分是可以相互借用的，比如作物的模拟模型，有关生产管理的决策支持部分则必须大量修改和补充或重建。因此有必要剖析成功的例子，以发展和完善适合我国应用的棉花生产管理系统。下面重点介绍GOSSYM/COMAX(Lemmon,1986;McKinion,1989;Baulch,1992;Lambert,1993)的特点和功能。
GOSSYM/COMAX系统是由棉花生长发育模拟器、专家系统和其它多个分析工具组成的，它可以对棉花的灌溉、施肥和化学生长调节剂的使用时间和用量及作物收获期提供决策。此系统由GOSSYM、COMAX、工具箱和图形用户界面GUI(Graphical User Interface)组成，下面对这四个部分介绍。
1.GOSSYM模型
GOSSYM模型本质上是一个表达植物根际土壤中水分和氮素与植株体内碳和氮的物质平衡的模型，是一个以土壤物理学性质、土壤养分和水分等为初始条件，以气象要素太阳辐射、昼夜最高和最低温度为驱动变量，以关键农艺措施如施氮、灌水、喷脱叶剂等为控制变量的系统动力学模型。GOSSYM是GOSSYM/COMAX中最早完成的一个组成部分，也是其核心部分。
2.COMAX专家系统
COMAX是一个基于规则的专家系统，它可以调用GOSSYM模型，对灌溉和施氮的时间和用量进行决策，实现了在农场使用GOSSYM的目标。用户可以设定农艺措施，用GOSSYM分别模拟用与不用此措施经济收益的差别，然后决定是否采用该措施。目前COMAX仅能对灌溉和施氮作出决策，其它方面的决策，如害虫管理则有待另外的专家系统来完成，如前面提到的rbWHIMS。
3.GOSSYM/COMAX工具箱
情景分析(scenario analysis)，如把天气和化学生长调节剂的几个脚本组合起来进行分析。风险分析(risk analysis)，根据未来可能的天气条件推荐最佳的施氮方案。
4.图形用户界面
GUI把以上三个部分和数据的输入与结果的输出集成一个系统，为GOSSYM/COAMX的用户提供一个友好的操作环境。
目前，GOSSYM/COMAX可以提供以下四个方面的决策：
1.灌溉日期和灌溉量的决策
根据水分胁迫、灌水对最终产量的效应和距成熟期的时间进行决策，GOSSYM预报由于缺水而引起的生理胁迫的时间，COMAX则作出减轻或消除生理胁迫的灌溉方案。
2.施氮时间和用量的决策
根据氮素胁迫、施肥对最终产量的效应和对营养生长的作用来决策，制定出减轻或消除生理胁迫的施氮肥方案。
3.化学生长调节剂决策
化学生长调节剂能降低株高，促进光合产物向生殖部分分配，缓解营养生长过快带来的负效应。PIX是当前最流行的化学生长调节剂，其使用时间和用量依赖于未来的天气状况。PIX价格较高，只有能带来明显的经济效益时才使用。GOSSYM能模拟PIX的使用效果，从而对PIX的使用日期和用量作出决策。
4.收获期决策
一旦大量的棉铃成熟，就要使用脱叶剂和催絮剂，加速作物成熟过程，以便在不利的天气到来之前，完成收获。
GOSSYM/COMAX系统从1985年建成后，就开始示范推广，到目前为止，已推广至全美棉花带14个植棉州的300多个农场, 平均每公顷可获纯利润169美元。1988年美国农业部组织了一个GOSSYM/COMAX的推广组织GCIU(GOSSYM/COMAX Information Unit)，在GOSSYM/COAMAX的推广过程中起着重要的协调作用。

三、今后的发展趋势

随着计算机技术的飞速发展，超级微机和多媒体技术使原来许多由微型机难以实现的算法和大型软件系统得以实现，研制大型的综合专家决策系统也成为可能。内容庞杂的农业生产管理专家决策系统也不例外，它也在这个潮流的带动下迅猛地发展。发展趋势有以下几方面：
1.高度集成化
随着计算机技术的高度发达，农业生产管理专家决策系统也会把农场管理、资金计划、灌溉与施肥的决策、病虫害的管理、市场预测等内容结合到一起，形成一个全面的农场管理系统。GOSSYM/COMAX是一个集成了决策支持、模拟、诊断、风险评估的智能专家系统。
2.高度自动化
目前的专家系统已经具有了自动化功能，如COMAX系统就可以通过电话线，拨通安装在田间的自动气象站，获取气象数据。今后这种自动化会越来越强，比如美国目前正在研制适用于农田的自动定位系统，把这种定位系统安装在田间工作的农具上，通过室内的主机可以控制农具在田间的具体操作，实现农业生产的高度现代化。美国目前已提出要在每一寸土地上实现控制的思想(Lambert,1993)，就是要研制基于卫星定位系统的农业智能专家系统，以全面控制在田间作业的所有农机具。
3.高度智能化
人们希望专家系统不仅要具有决策咨询的功能，还应当具有自学习功能，使其具有人类专家的特点，在实践中不断地积累经验和知识，完善系统本身，这是基于知识系统应具有的学习功能。
4.网络化
随着社会的信息化程度的提高，信息的发生、发展、传递和使用越来越多地依赖于计算机,计算机信息的网络化是其重要标志，世界各国都投入大量的人力物力发展计算机网络系统，以提高信息的交换速度，促进本国经济的发展。与农业有关的信息也是如此，农业生产管理的决策也越来越多地依赖于信息量的大小和信息的交换与更新速度，所以农业生产管理专家决策系统也要加入到网络系统中，使其决策更及时和准确。美国从1987年开始筹建GOSSYM/COMAX远程通讯网络系统，以便即时准确地得到棉花生产信息的双向交流。

四、我们的对策

植棉业是我国农业的支柱产业，总产居世界前列，但仍存在原棉供不应求的状况。我国的棉花生产管理水平与美国、澳大利亚等国相比还有较大差距，因此，我们应当引进、消化、吸收国外的先进技术，在充分运用传统植棉技术的同时，加强棉花高新技术的研究，促进计算机在棉花生产管理上的应用，提高我国棉花生产管理水平，发展我国棉花生产。
要研制一个比较完善的棉花生产管理系统，且在生产中发挥作用，需要多学科的科学家共同合作，经过长期的努力才能实现。其中，若想研制达到GOSSYM/COMAX水平的棉花生产管理系统，则必须研制一个类似于GOSSYM的棉花模拟模型，但要开发一个这样的模型，需要花费大量的人力、物力、财力，并且要具备一定的科研技术条件。GOSSYM模型的研制花了许多科学家20多年的心血，目前我国要从新研制一个类似模型几乎是不可能的，同时将也大大落后于国际先进水平。那么我们应该采取什么对策才能迎头赶上国际先进水平呢?
首先，从作物模拟的观点看，作物模拟模型具有三个特点：⑴机理性：模拟模型的各部分是作物对应部分的生理生化机制的简要表示，可以模拟作物本身的内在变化和对环境的反应;⑵通用性：模拟模型一般是基于作物生长发育的生理过程的，使这样的模型具有较为广泛的适应性，通过模型校正可以应用到不同的地区。GOSSYM模型即是如此，它已在美国棉花带的十几个州广泛应用；⑶复杂性：由于作物本身的复杂性，模拟模型要模拟现实世界的全部或主要结构和功能，必然具有众多的内容和复杂的结构。
因此，对于棉花模拟模型，我们的对策是：立足当前，引进消化国外先进的模拟模型，进行试验，评估模型参数，修改模型，完善和发展我国的棉花模拟模型。GOSSYM模型是目前国际上最优秀的棉花模拟模型，我们可以在我国各大棉区布置验证试验，收集数据，验证GOSSYM模型在我国的适应性，并根据我国的具体情况，修改和完善GOSSYM模型，使其能够在我国各大棉区应用。
对于专家系统，由于农业生产的地域性和发展的不均衡性，造成农业生产管理的方法和内容均有较大的差异，所以农业生产管理专家系统的通用性较差。要研制一个专家系统，不象研制模拟模型那样需要特殊的实验设备和较高的技术条件，只要农学家和知识工程师有机地合作,即可完成专家系统的研制。
总之，我们的策略方针是引进消化GOSSYM模型，把其改造成为适合我国应用的模型，并根据我国各棉花生态区的自然条件和生产管理的具体内容，建立一个符合我国棉花生产管理水平的专家系统，最后将二者集成为一个适合于我国应用的棉花生产管理决策系统。

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Advances of Crop Management System of Cotton

Dong Zhanshan
(Cotton Research Institute, CAAS, Anyang, Henan, 455112)

Abstract

This paper gives a summary of crop management system of cotton in detail,and describes the GOSSYM/COMAX, which stands for the highest level in this research field all over the world. It is discussed the tendencies of development on the crop management system that are the integration, intellectualization, automation and software networking. Finally, it is suggested that our policies are that validate and calibrate GOSSYM and develop a crop management expert system, then piece both together to form the crop managemnt system of cotton suitable foe being used in Huang Huai region, China.

Key Words: cotton, simulation model, crop management, decision-making system