全 文 ：第 11卷 第 2期
2 0 0 3年 4月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VO1．11 NO．2
April， 2003
温室番茄生长发育动态模型与计算机模拟系统初探
孙 忠富 陈人 杰
(中国农业科学 院农业气象研 究所 北 京 100081)
摘 要 研 究建 立 了以太 阳辐 射为基本驱 动 因子 的温 室番茄 生长 发 育动 态模型 ，并进 一步开 发 出基于 Windows的
计算机模拟系统，该模型包括太阳辐射、c平衡分析、植株形态发育、干物质分配等重要模块，使模型具有较完善的功
能。计算机模 拟系统采用 MS Visual Basic 6．0和 PowerStation Fortran 4．0混合语 言编 程技术 ，使 模拟 系统在 界面和
功能上达到 较好的统一 。
关键词 温室番茄 作 物模型 专 家系统 温室控制
A i日1i】衄lry studyONthe dynamicmodel and computer simulation system ofgreenhousetomato growth．SUN Zhong-Fu，CHEN
Ren-Jie(Agricultural Metmrology Institute，Chinese Academy of AgrioAtural Sdences，Beijing 100081)，CJEA，2003，11(2)：
84～88
Abstract A greenhouse tomato dynamic model is developed that the solar radiation is taken as the basic driving factor，and
a computer simulation system is programmed on MS Windows 98 also．The mod el as a multi—functional perfect one includes
the most important mod ules such as solar radiation，carbon balance analysis，crop morphological development，dry matter par—
titioning，etc．The computer simulation system is designed with mixed languages by PowerStation Fortran 4．0 and MS Vi—
sual Basic 6．0．By using this programming technique，the software keeps friendly and harmonious in function and interfaca．
Key words Greenhouse tomato，Crop mod el，Expert system，Greenhouse control
作物模型是认识和研究作物生长发育过程的重要手段，也是联系计算机控制系统与智能化管理系统的
纽带和桥梁，是提高设施农业综合水平的关键技术。自20世纪 80年代始以色列、美国等科学家合作开发了
TOMGRO温室番茄模型，荷兰科研人员开发的HORTSIM作物模拟器(包括番茄、黄瓜、甜椒等多种园艺作
物模块)是 目前该领域的典型代表 ，以色列还建立了莴苣和玫瑰等模拟模型，这些模型的研究和建立丰
富了作物模拟的理论 ，促进了作物模拟技术的发展。我国开展作物模型研究的历史较短，且主要集中于大田
作物(小麦、水稻、棉花等)，对温室园艺作物的研究则刚起步。本研究针对我国环境资源特点和品种属性 ，在
消化 、吸收国外研究成果 的基础上(主要以著名的 TOMGRO为基本构架)初 步建立 了番茄生长发育动态模
型 ，并开发了基于 Windows平台的计算机模拟 系统 ，为深化我国温室作物模型的研究奠定 了理论基础 。
1 温室番茄模型研究的理论分析与数学方法
建立作物机理模型是作物模型研究的最重要内容，机理模型主要通过植株各器官(根、茎节、叶片和果实
等)发育、数量、干物质积累和分配等过程的分析，对作物全生育过程进行定量化描述，形成 1组数学物理方
程。在模型实际研究与建立过程中需着重对作物 c平衡、植株形态发育、干物质积累与分配进行分析，作物
c平衡即作物生物量积累的计算是基于 c平衡定量性描述，而 c的动态平衡过程(作物进行光合作用和干
物质积累过程)是指植株总同化量、生长发育呼吸量和维持生长呼吸量三者间的动态平衡。植株形态发育是
指作物株高、茎叶、花果等发育速率及形态变化等。干物质积累与分配指干物质在不同器官的分配依赖汇强
(Sink strength)的大小 ，所谓汇强指作物不同类器官潜在的生长速率 ，其大小决定干物质在不同类 器官问分
配状况。目前作物机理模型的研究大多基于荷兰 De Wit教授为核心所创立的作物模拟理论，园艺作物模型
的建立虽有一定特殊性，但许多模拟过程则符合一般作物模型的数学通式，可完全借鉴应用。
1．1 温室作物冠层太阳辐射计算
理论研究表明，作物对光能的最大利用率不超过总辐射的 5％，而 目前对太阳辐射有效利用率一般在
*“九五”北京市科技产业工程项目“温室番茄高产稳产规模化栽培技术体系研究”部分研究内容
收稿 日期：2002-07—18 改回日期：2002-08—12
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第 2期 孙忠富等：温室番茄生长发育动态模型与计算机模拟系统初探 85
2％左右，故如何提高太阳能最优利用是进行作物模型研究的核心问题。温室内太阳辐射计算过程涉及到多
方面相关因子 ，除天气状况(阴晴、能见度等 )影 响、太阳位置(时间、地点 、季节等)变化等 ，还要考虑温室覆盖
物透射率 、设施 内遮光 、覆盖材料老化污染等造成的透光率衰减等。温室内太阳辐射典型计算式为“ ：
J (t)=J (t)R (t)sinh’(t) (1)
式 中，J (t)为温 室透 射 辐射 ，即 到达作 物 冠 层顶 部 的 太 阳辐射 (W／m2)，J (t)为 温室 外 部 太 阳辐 射
(w／m )，R (t)为温室透射率，与覆盖材料光学特性、老化污染程度等有关，h’(t)为太阳相对于温室采光屋
面的高度角 ，其计算式为⋯ ：
sinh’(t)= sinh(t)COS +cosh(t)sinacos(A — ) (2)
式中 ，a和 口分别为温室采光屋面与水平 面的夹角和方位角 ，A 为太阳方位角 ，h(t)为太阳高度角 ，太阳高
度角和太阳方位角可根据天文三角函数计算 ]：
f ：n ‘ sin sin +cosXItcos$cost]cobt I．．{A 两
} (3) 1
． sin^(￡)sin 一sin 1 [
cosA — 了 一 J
式 中， 为地理纬度 ， 为太阳赤纬 ，t为计算时刻 的时间。太 阳辐射作物冠层时 尚需考虑叶片等器 官反射
系数、消光系数、叶片有效截获率和透射率等因素，根据 Lambert—Beer定律，进入冠层后的太阳辐射计算式
为 ：
J (t)= (1一lD)J (t)exp(一是L) (4)
式中，J⋯ (t)和 J。 (t)分别为冠层深度 L和 0时的太 阳辐射 ，k为作物冠层消光系数 ，其取值一般为 0．5～
0．8，p为冠层反射率，其取值一般为 0．07-0．7。根据叶片光合作用反应曲线，总光合作用率(P )计算式 ]
为 ：
P = P
，一 ，(X) (5)
式 中，
，～ 为最大叶片光合速率 ，f( )为订正函数，其值分布为0(完全黑暗)～1(光饱和点)。
1．2 作物 C平衡分析
对植株 c平衡进行模拟是作物模型研究的主要内容 。Spitters C．J．T．对作物冠层内光合作用进行深
入研究 ，分析了光通量密度在植株冠层 内分布特征 ，并结合 C02、温度等环境因子和叶面积指数 、叶角分布等
作物生理特性因子提出作物植株 日同化量数学模式 ]：
。 ·n{ (6)
式中，A 为日同化量(co2 g／m 面·d)，J为光通量密度(J／m~面·s)，D为同化量单位从CO2／lmol／m~面·s到
cO2g／m 面·d的转换因子，A 为光饱和下叶片c02同化率(c02tLmol／m~面积·h)，k为消光系数，￡为光能利
用率(c02tlmol／J)，L为叶面积指数(m2叶面积／m 面)，其中光能利用率￡在20*(3下为12．5t~g／J，对c，作物光饱
和下叶片 CO2同化率为 4g／m2·h。该模型给出光饱和下 叶片 CO2同化率 A 计算式 为 ：
A = AMc×F丁^ ×FLA (7)
式中，AMc为相应于环境 cO2浓度的光饱和下叶片CO 同化率(co ~mol／m2·s)，F丁A为环境温度对光饱和下
叶片cO2同化率函数因子，FL^为叶龄对光饱和下叶片C02同化率函数因子。干物质增长速率是决定作物最
终果实产量 的关键 因子 ，其中作物生长器官(叶片、根 、茎
等)和生殖器官(花果 )生物量积累是作物光合作用 、呼吸
消耗及能量转换的结果(见 图 1)。对植株 C平衡分析计
算得出植株光合作用瞬时速率 ，并通过积分得 出植株在
相应生长期内总同化量，其中部分用于植株维持生命呼
吸量和生长发育呼吸量的消耗，维持生命呼吸量和生长
发育呼吸量数学模式为 ]：
t,24
R =I Q n。×r ×(v 一WM)×dt (8)
植株光合作用 卜_—叫 总同化量
太阳辐射、co2、温度、
水、营养物质等因子
生长发育呼吸量
维持生命呼吸量
垂亟 壬 夏至虱
图 1 作物 C平衡
Fig．1 The carbon balance
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86 中 国 生 态 农 业 学 报 第 ll卷
式 中，R 为 日维持生长呼吸率(CH O g／m 面·d)，W 为植株地表器官生 物干物质量(g／m 面)，wM为成熟
果实干物质量(g／m~面)，Q 。为相关系数，r 为维持生长呼吸系数(CH 0 gig干物质‘d)，t为时间(d)，T为每
小时平均温度(℃)。 日生长发育呼吸率计算式 为：
GR = E ×(P 一R ) (9)
式中，GR 为日生长发育呼吸率(干物质量 g／m 面·d)，E为光合作用同化速率到干物质积累速率的转换系
数(CH 0 gig干物质)，P 为日总光合作用率(CH Og／m~面‘d) 。
1．3 植株形态发育与千物质形成
番茄生长发育过程模拟以植株茎节数即间隔期指数表征植株生理年龄 ，这就需从植 物形 态学角度进行
分析。首先涉及合轴(Sympodium)概念，即一般正常生长发育的番茄植株是由 1组连续的合轴组成，其中除
第 1个合轴是由 7～15个茎节和 1个花束组成外，其余合轴均由 3个茎
节和 1个花束组成(见图2)，且 1个花束可开 5～12朵花，最终可结 3～
会蚰 12个果，每个合轴均可通过植株各器官生理参数(叶片、果实、茎节数量
和重量及叶面积指数等)表征 。这些特征参数属于动态变量，且随植
株的生长发育而连续变化。植株每个合轴的各器官特征参数称为年龄群
组 ，其中植株生长是指年龄群组内各参数变化(又称滞 留期 )，它与植株年
龄群组数 的乘积 即植株 整个生理年龄 。植株发育则 指年龄群组 间 的转
换，故植株各器官发育速率决定年龄群组间的转化速率。改变(减少或延
长)年龄群组的滞留期 即改变植株生理年龄 ，改变植株各器官发育速率 ，
图2 番茄生理年龄间隔期指数 从而调控植株的生理周期 ，这在实际生产中具有很重要 的意义 。]。模 型
Fig-2 Tomato physiological 中表征器官(如叶片、茎节或果实等)在某个年龄组内数量变化率数学公
age-plastochron inde 式为 2l：
= R×N ×[Q( 一1)一Q( )]一R ( ) (10)
式中，N 为植株某器官数量( )，Q(i)为年龄组 i内器官数( ／m 面)，其中 1
植物生长发育过程中具有光合作用和消耗能量双重作用，因此叶面积指数计算是作物模型中重要环节。美
国的 Jones J．w ．和荷兰 的 Goudriaan等建立 了叶面 积指数计算相似数学模 式，其 中对不 同植株 生理年龄阶
段分别采用指数和线性 关系模拟计算 · ：
当 A≤A 时 ：
=P× × (Td ×筹 ⋯
当 A>A 和 LAI>0时：
： 一 (P ×F1)×P×筹 (12)
式中，LAI为叶面积指数(叶片 m ／m 面)，A为植株生理年龄( ／茎节)，A 为相关系数，A 为叶面积指数
值最大时植株生理年龄 ， 为相关系数 ， 为每茎节 叶面积指数最大发育速率 (m ／茎节)，it(Td)为影响叶面
积指数 变 化 的温 度 函数 ，P为 植 株 密 度 (株 m )，F，为 比叶 面 积
(m ／g)，P 为叶面积指数达 最大值后 叶片干物 质损失率 (g／茎节 )。
植株器官生长发育随生理年龄的变化而呈现不 同特征 ，且某些 生理
现象是在某生理年龄阶段才出现，如叶片死亡率(正常脱落和因叶片
遮蔽造成脱落)、果实败育率，作物栽培管理措施(如植株修剪等)也
影响作物器官生长发育 ，故建立作 物生理因子动态变化数学模式需
综合考虑多方面的影响因素 ’ 。
植株各器官 的汇强是一种动态变化过程 ，植 株器官发育早期汇
强随生理年龄的增 长而快速增 长，到达一定生理 阶段 时汇强基本保
持最大不变，此期是干物质积累速率最大时期，之后随器官的逐步成
0 20 40 60 80 100
年龄群~ltO=l—1001
图 3 果实 、叶片相对汇强 函数 曲线
Fig．3 Sink strength of fruit and leave
加 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 0
螽 ]{餐
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第 2期 孙忠富等：温室番茄生长发育动态模型与计算机模拟系统初探 87
熟老化，相应的汇强快速减少而最终为零(见图3)。植株各器官问干物质分配是一种动态变化过程，其关键
是确保作物干物质分配的优化平衡关 系，即使果实产量最大而又保证干物质生成器官叶片的最佳数量 ，对这
一 过程进行模拟并优化控制是模型研究中的难点和应用价值的关键所在。美国的Jones J．w．在温室番茄生
长发育模拟模型研究 中以茎节数的动态生长表征植株生理年龄 ，并结合番茄生理形态特点对果实干物质积
累进行数学模拟 ：
』 I ，
= GR ×aF×iF( )×[1一e-O(A-AF’]×g( ) (13)
l L
式中，w_F为植株果实生物干物质量(g／r~面)，A阡为当生成第1个果实时茎节数，a，为果实干物质最大分配比，
iF( )为温度函数，g( )为温度函数，GR 为生长发育速率(干物质量 m 面·d)， 为 日均温度(℃)， 为 白
天平均温度(℃)。在 TOMGRO模型中对植株各器官相对汇强的计算也给出相关数学模式 。
2 计算机模拟系统设计与实现
作物模型的最终研究成果只有在计算机上实现才能发挥其真正价值，模拟系统核心代码采用 PowerSta—
tion Fortran 4．0程序语言设计而成(主要为与已有研究成果兼容)，模型中各子模块构建和逻辑关系主要基
于国外相对成熟的先进理论 与技术 ，同时对某些模块 (如
太阳辐射计算)和参数进行修改调试，使之更适于我国现
状 。由于 Fortran语言在界面和图形功能 的局限性 ，本模
拟系统采用混合语 言编程技术集成 ，即主程序 和用户界
面采用 MS Visual Basic 5．0设计而成 ，使系统界面和计算
功能达到较好的统一。对北京地 区温室番茄进行模拟分
析 ，模型输入基本数据见表 1，模 型流程与模拟结果见图
4和图 5。模 拟结 果分析 表 明，模型可 以输 出干物质 积
累、光合作用率 、呼吸消耗 、叶面积指数 、叶片与果实数等
重要参数变量 ，是研 究番茄生长发育 特性及优化 管理的
重 要 工 具 。
鉴 于作物机理模型研究的复杂性 ，尚还需 开展大量
研究工 作才能达到预定 目标 ，模型 的某些模块 尚需进一
表 1 北京番茄 模拟参数表 I北纬 40 )
Tab．1 Input parameters of tomato model in Beijing，N40。
步改进和完善，特别是应进一步根据我国不同区域资源与环境特点、品种属性以及温室特征等进行参数
调试研究 。
图 4 温 室番茄 动态模型流 程图
Fig．4 Flow chart of computer programming for crop model
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赣
壮
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赣
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模拟日期(月一日)
模拟日期(月一日)
模拟日期(月‘日)
模拟日期(月一日)
图 5 北京地 区番茄模型模 拟结果 (1999~2000)
Fig．5 Results of tomato model in Beijing area
参 考 文 献
450
400
350
300 孚
1 50
100
50
0
1 陈青云 ，吴毅明 ．计算机在建筑 环境分析中的应用 北京 ：北京大学 出版社 ，1994
2 Dayan E．，et a1．Development，calibration and validation of a greenhouse tomato growth model：I．Description of the mode1．Agricultural Sys—
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4 G~Zen H．，Dayan E．HORTISIM：A mode[for greenhouse crops and greenhouse e|imate．Aeta Hortieukurae，1998．456
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Calculation of canopy photosynthesis．Agricultural and Forest M eteorology，1986。38：231～242
如 加 仲 ， 0
Ⅲ． 、舔 苦
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