全 文 ：第 11卷 第 4期
2 0 0 3年 1 0月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VO1．11 No．4
0ct．． 2003
温室作物模型与环境控制管理研究
孙 忠 富 陈人 杰
(中国农业科学院农业气象研究所 北京 100081)(北京理工大学 北京 100081)
摘 要 阐述 了 国内外 作物模 型研 究现 状 ，温 室园艺 作物模 型研 究进 展 以及 温 室作 物模 型 在 现代 化农 业 环境 控制
管理 中的重 要作 用 ，并 简介 了温 室番 茄作 物模 拟 系统 研制 开发 现状 及 其进 展 。
关键 词 温 室模 型 作 物模 型 温室 控制 模 拟 系统
Greenhouse crop model and environmental control and management．SUN Zhong-Fu(Institute of Agrometeorology，
Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081)，CHEN Ren—Jie(Beijing Institute of Science and Technology，
Beijing 100081)，CJEA，2003，11(4)：1～3
Abstract In this paper，firstly the authors have briefly introduced the general situation of crop mod el development over
the world．secondly have outlined the development and research for greenhouse horticultural mod el，and finally have ana—
lyzed the function and signifcance of crop mod el development in environmental control and management of mod ern agricul—
ture．Besides the discussion as above，the paper，giving an example for tomato crop，has abstractively introd uced the cur—
rent situation and development for the greenhouse crop simulation system．
Key words Greenhouse mod el，Crop mod el，Greenhouse control，Simulation system
l 作物模型发展概况
1．1 国外作物模型研究简况
20世纪 60年代现代系统分析理论的建立与计算机技术的发展为作物生长发育定量化分析研究提供了
强有力的方法和工具 ，推动了作物模型研究及模拟技术的迅速发展。70年代末～80年代初随着世界范围内
设施园艺的迅速发展 ，园艺作物模型研究n， ， 逐步兴起 ，且涉及的作物品种逐渐增多，其研究成果对设施
农业的发展起到重要的推动作用。荷兰的作物模拟技术研究以其理论性强而著称 ，荷兰模型研究与发展历
程经历了对作物生长过程的透彻理解(1965～1980年)、面向实际应用(1981～1990年)和可业务化(1990年
后 )3个阶段 ，期间先后研究建立了一批应用于不同方面的作物模型如 BAcRoS(基础作物生长模拟程序)，
ARID CROP(旱作作物模型)，SUCROS(简单和通用的作物生长模型)，MACROS(1年生作物生长模拟模
型 )和 oRYZAI(灌溉水稻生 态生理模 型)。20世纪 60年代初期美 国 以统计 学方法 开始研 究作物 生长模 型 ，
其研究工作注重了模型的实践应用，70年代中期推出 CERES(作物一环境·资源综合评价系统)小麦(1．0版
本)模拟模型，之后相继建成玉米 、高梁 、水稻和谷子等作物模型 ，推出 CERES作物模型群组成农业技术转
让决策支持系统(DSSAT)用于作物生产管理和区域产量评估，90年代又将作物模型、DSSAT联结到 GIS软
件 Arc／Info，形成农业 环境地理信 息系统 (AEGIS)，用于预测拉 丁美 洲 的波 多黎各 3个地 区土地 利用策 略 的
影响，目前美国的作物模型研究已取得 巨大成果。日本较早在农业生产推广使用计算机技术，在作物模型研
究中借鉴了荷兰与美国的理论依据和研究方法，结合专家系统主要开发为农业生产提供预测、指导和病虫害
诊断等信息的模型，同时大力发展工厂化农业，在温室设施内利用传感器和计算机对温室多因素环境进行控
制 ，将温度、湿度 、cO2浓度和肥料等控制在最适合作物 、蔬菜等生长发育的水平 ，提高产量和质量，实现周年
生产。1976年澳大利亚开始建立棉花害虫计算机管理系统 SIRATAC，在此管理系统中以简单的棉花模型
为核 心 ，后 发展 成澳大利 亚棉 花模 型 OZCOT，并 以美 国的 CERES系列模 型 为基 础研究 建 立 了小 麦和玉 米
模型。英国专门针对气候变暖建立了评价牧草生长的模型，用于评价 C02浓度增高和全球气候变暖对奶牛
*国家 自然科学基金项 目(30170538)和国家高技术研究(863)发展计划项目(2001AA247042)共同资助
收稿 日期 ：2002—12—10 改 回 日期 ：2003—01—16
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2 中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
草场生产的影响。加拿大小麦局建立了基于小麦作物模型的农业气候信息系统 ，根据气候对小麦的影响，确
立国家内部的粮食生产政策 ，以保证小麦出口。德国设计将 电子数据处理软件(EDP)应用于设施园艺中，主
要内容有温室智能化、自动化控制管理，市场需求分析 ，温室环境动态变化研究 ，EDP用户顾问以及对系统
选择的建议 。早期 的作物模型研究主要集 中在粮食作物(如玉米 、水稻 、小麦等)以及一些重要 的经济作物
(如棉花、大豆等)，而对园艺作物如花卉蔬菜的研究相对较少。根据统计资料显示，在作物模型的研究 中有
关园艺作物模型的研究仅 占5％左右，但随着对作物生长发育机理和模拟技术研究 的不断深入以及现代设
施园艺的发展，园艺作物的模拟研究得到逐步重视并取得重要进展，促进了整个作物模型研究的理论与技术
发展，且丰富了作物模型研究的内涵。
荷兰在园艺作物模型研究方面依旧保持领先地位，较有代表的研究成果有 HORTISIM 系统 (Horticul—
tural Simulator)，它实际是可模拟多种作物的通用系统，通过一系列研究和技术集成 ，以建立通用模拟工具
为导向，实现对番茄 、黄瓜 、甜椒等多种园艺作物生长发育过程的模拟，该系统借鉴 、引入了许多有关番茄、黄
瓜 、甜椒 等模型和研 究成果 ，并通过结 合环境控 制 、栽 培管理 、决策支持 等方面 的研 究进行模块化设 计和技术
集成 ，最终形成 7个子模块(天气、温室气候 、土壤 、作物、温室管理、土壤管理和作物管理)，并通过 1个驱动
模块 进行调用 的模 拟 系统 。美 国在 园艺作物模 型研 究方 面除与荷兰 、以色列等 国进行合作研 究外 ，还开展 了
大量研究 开发工作 ，如 卡罗莱纳州立 大 学研制 开 发 了常见 温 室作 物栽 培模 型 ，加利 福尼 亚州 立 大学 和美 国
Computer Associates软 件开发公 司合作开 发了常见 温室 花 卉栽培 管 理模 型 ，密 执根 州立 大学 研制 开 发 的温
室花卉决策支持系统——Greenhouse CARE System通过温差对花卉株高进行精准控制 ，达到定时上市的目
标 ，是较成功的作物模型。由于自身独特的地理位置和气候环境 ，以色列特别重视设施农业 的发展，较早地
进行了园艺作物模型的研究工作，于 20世纪 80年代中期研究开发了著名的 T0MGRO温室番茄生长发育
模拟模型，主要研究番茄生长发育与太阳辐射、温度 、co：等环境因子间的作用关系，对番茄整个生长发育过
程进行科学管理和产量预测。该模型的 1．0版本用 MS—FORTRAN语言编写 ，包括 1个主程序和 15个子程
序 ，共涉及近 270个过程变量 ，是 目前温室番茄生长发育模拟研究 中最具代表性的模型 ，并 已研究出不同版
本如 2．0版本和 3．0版本。以色列科研人员特别注重系统的完善和技术集成性能的提高，在对温室 内各环
境因素和作物生理因子分析模拟中引入了适用于非线性模拟数据的人工神经 网络技术 ，应用于准稳定状态
模型 、经济投入决策分析等方面 ，并研究开发了运用不同模式和 自组织学习规则系统的 NNS技术。以色列
还进行某些观赏花卉的模拟研究 ，其 中开发的玫瑰生长模型 ROSEGRO具有一定代表性。
1．2 国内作物模型研究简况
我国在作物模型方面的研究 工作 比国外起步晚近 20年 ，与国际先进水平有一定差距。直至 20世纪
70年代初期农业气象学科率先将统计学方法应用于植物与环境相关性的研究中，80年代初模式化栽培在我
国得到较大发展，此间主要是引进、修改和验证 国外的作物模型，在参考国外模型的基础上根据国内作物生
产实际和研究工作建立了一些模型。我国现有研究成果中以水稻计算机模拟模型 RICEMOD(高亮之 。1989
年)和水稻生长 日历模型 RICAM(戚昌瀚，1988年)最具代表性 ，这些研究在 20世纪 90年代得到进一步发
展和完善。高亮之等 将水稻模拟模型与作物栽培优化决策原理相结合 ，形成水稻栽培计算机模拟优化决
策系统 RCSODS。中国农业科学院潘学标先生等研究建立了棉花模型 COTGROW ，并在新疆维吾尔族 自治
区等地棉花产区进行系统验证和生产应用取得较好成效，中国农业大学冯利平先生进行了小麦模型的研究。
同时我国科研人员 已开始用模型评估气候变化对农业生产的影响，并把模型与地理信息系统、遥感技术进行
初步结合 ，为农业政策制定 、农业区划生产等工作提供科学依据。由于计算机控制技术和智能化管理技术的
发展，设施农业更需模拟模型的研究成果加以支持 ，近年来我国在作物栽培、生理生态、环境模拟等方面开展
了很多相关研究 ，但 目前尚缺乏关于作物模型系统深入的研究，特别是建立实用化的模型仍需开展大量的
深入研究工作 。
2 温室作物模型与环境控 制管理
2．1 温室作物模型与环境控制管理
温室园艺生产作为设施农业的最典型代表，是具有高投入和高产出、知识与技术高度集成、工厂化生产
特征 明显 的特殊农业生产 方式 ，与传统 常规农业最 大区别是温室 园艺生产可充 分利用对环境 条件 的可控 性
，
依照生产者预先设计的方案实现对产量、采收与上市时间、植物发育形态
、品质 、果实 大小 等方面进行精确 管
理 目标控制 ，从而最合理地利用 自然资源并获得最理想 的产出，而要真正实现此 目标
，就 必须 对作物 生 长发
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第 4期 孙 忠 富等 ：温室 作 物模 型 与环境 控 制 管理 研究 3
育生理生态过程进行定量化研究，从而达到对温室设施内综合环境进行优化控制和管理。建立温室作物模
拟系统一是开展科学研究的需要，模型最大优点是可通过系统模型的输入输出，全面认识与了解复杂系统的
特征和结构 ，由于模 拟实验可快速地 改变和重组输 入条件 ，有 助于发 现新 的知识 和 规律 ，故 模 型是 开展研 究
和深入揭示 系统 结构与功 能关系 的强有 力工具 。二是 生产应用 的需 要 ，建立 作物 模 型的不 同阶段其 目标 和
应用范围不同，但其实用性是所有模型建立过程中必须考虑的，特别是随着信息技术在农业领域 的大量应
用 ，模型将作为连接农业与信息技术的桥梁和纽带，对模型的需求 日趋明显。没有相关模型的支持 ，很多农
业信息系统的开发将成为无本之木、无源之水。20世纪 80年代以来我国现代化设施农业得到迅速发展 ，一
些现代化温室设施，特别是从国外引进的现代化温室大都具备自动化控制能力，国内有关单位也相继开发研
制了一些计算机控制系统和专家管理系统，对我国设施农业的现代化发展起到积极的推动作用 ，但真正将作
物模型技术 应用 其 中的研究 成果 目前 尚少见 。没有模 型支持 的专 家系统 和控制 系 统一 定是 残缺 的 系统 ，而
残缺系统 的应 用则具有很 大 的局 限性 ，因此建 立理论性强 、实用性好 的作物模 型已迫在 眉睫。
2．2 温室作物模拟系统的开发
目前我 国温室作物模 型 的研究总体 尚处于起步 阶段 ，在 消化 吸收发 达 国家研 究成果 的基础 上 已开始 着
手针对 中国特色进行研究 和探索 ，特别是“十五”期间该项 研究 工作 相继 得 到 国家 自然科 学 基金 和 国家高技
术发展(863)项 目的支持，分别开展了温室番茄与黄瓜等作物的模型研究并取得阶段性成果。如笔者经过近
3年 的研究 基本完成温 室番茄模型框 架 的建立 与模拟 系统 开发 ，为今后 深入 系统 的研 究奠 定 了基 础 。本 研
究 首先在消化 吸收 国外研究 成果 的基础 上建立 了较 完整 的番茄生 长发 育动 态模 型 ，并利 用 Visual Basic 6．0
作为主要开发工具，开发出基于 Windows平台的模拟系统软件。其次通过对系统参数 、变量的优化分析 ，建
立了适应我国环境资源特征 、品种生理特性和设施栽培管理的参数组和数据库。三是系统采用模块化 、标准
化以及面向对象和可视化编程等先进技术 ，提高了模拟系统 的通用性、集成性和可维护性 ，所开发的系统界
面友好，集图形、图像、文档、多媒体与数据库等多项技术为一体 ，较好地体现了系统功能与实用性 的协调与
统 一 。四是模 型和模拟 系统 考虑 的因子较 齐全 ，可通过系统设定 和用 户 自定义参 数设置 ，对温室 内基本环境
因子(太阳总辐射量 、温度、CO：浓度)动态变化 、番茄主要器官(叶片、茎节、果实)的发育速率 、数量与重量变
化 、光合速率、干物质积累分配等进行动态模拟，达到设计要求。五是对模拟系统进行了初步验证 ，模拟分析
表明模拟效果与实测资料以及有关文献资料相比，有一致变化趋势和 良好的准确性。 目前对系统进行深入
研究和分析包括模型改进、参数获取以及通过实验进行模型验证等工作正在进行和完善中。
参 考 文 献
1 孙忠富，陈人杰．温室园艺作物生长发育模型研究现状与发展趋势．园艺学报，2001，28(增刊)：700～704
2 严力蛟 ，沈秀芬 ，周煦朝等 ．作物模拟模型研究概况与展望 ．农业系统科学与综合研究 ，1998，14(2)：126～132
3 高亮之 ，金之庆，黄 耀．水稻栽培计算机模拟优化决策系统．北京：中国农业科技 出版社 ．1992
4 戚昌瀚 ．作物生产系统的模拟模型研究进展 ．江西农业大学学报 ，1991(专刊)：1～6
5 Cohen S．Implementation of software engineering concepts in the greenhouse crop model HORTISIM
． Acta Horticulture。1998．456：431
6 Dayan E．，Van Keulen H．，Jones J．W ．Development，calibration and validation of a greenhouse tomato growth mod el I
． Description of the
mode1．Agricultural System。1993．43(2)：148～163
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