科技人生

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。 [...]

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。 [PDF]

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 [...]