全 文 ：ChineseAgriculturalScienceBuletinVol.23No.112007November
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农业工程科学
基金项目：山东省重大科技专项“日光温室智能化监控、自动化管理精准生产技术平台的研究开发与应用示范”（SDSP2004-0720-05）；山东省农业科
学院青年基金“蝴蝶兰栽培管理知识模型的研制”（2005YQ033）资助。
第一作者简介:张晓艳，女，1974年出生，博士，助理研究员，内蒙古通辽人，主要从事农业信息技术方面研究。通信地址：250100山东省济南市历城区
桑园路28号农科院信息中心。Tel：0531-83179076，E-mail:zxylf5367@163.com。
收稿日期:2007-07-17，修回日期：2007-08-20。
温室蝴蝶兰生长动态模型设计与实现
张晓艳,刘 锋,王风云,刘淑云,封文杰
(山东省农业科学院科技信息工程技术研究中心，济南250100)
摘 要:为了对温室蝴蝶兰生育过程的基本规律和量化关系有一个清楚的理解和认识,并对其生长系统
的动态行为进行预测,从而辅助进行对蝴蝶兰生长和生产系统的适时合理调控,研究建立了以太阳辐射
为基本驱动因子的温室蝴蝶兰生长发育动态模型,进一步开发出基于WindowsXP的计算机模拟系统。
模型系统采用C++Builder6.0语言编程技术,主要包括太阳辐射、碳同化、干物质分配等重要模块,可以
输出干物质积累量、光合作用率、叶面积指数、叶片数与花朵数等参数变量,具有较完善的功能,模拟系
统在界面和功能上能够达到较好的统一。对山东省济宁市农业高技术园区温室内蝴蝶兰进行模拟检验
分析表明,模拟结果与实测结果符合较好,模型系统可以动态预测蝴蝶兰光合产物积累量等重要变量指
标,研究认为该模型系统是研究蝴蝶兰生长发育特性及优化管理的重要工具。
关键词:温室蝴蝶兰;生长模型;温室控制
中图分类号:S625.5 文章标识码:A
DesignandImplementationontheDynamicVegetationModel
ofGreenhousePhalaenopsis
ZhangXiaoyan,LiuFeng,WangFengyun,LiuShuyun，FengWenjie
(S&TInformationEngineeringResearchCenterofShandongAcademyofAgriculturalScience,Jinan250100)
Abstract:Inordertounderstandandknowaboutthebasicprincipleandquantificationrelationshipof
greenhousephalaenopsisduringvegetatingphaseandforecastthedynamicactionofvegetationsystemso
astoassistreasonablyregulatingandcontrolingonthevegetationandproductionsystemofphalaehopsis
realtime,adynamicvegetationmodelofgreenhousePhalaenopsisiscreatedonthesolarradiationasthe
basicdrivingfactorandacomputersimulationsystemisdevelopedonWindowsXPsystem.Thesystem
mainlyincludesimportantmodulessuchassolarradiation,carbonassimilationanalysisanddrymater
partitioningandsoonwhichcanoutputdrymateraccumulatedvalue,photosynthesisratio,leafareain-
dex,quantityoflaminaandfloweretcparametersandmakethemodelhaveperfectfunctions.Thecom-
putersimulationsystemusesC++Builder6.0astheprogramminglanguagethatmakestheinterfaceand
functionofsimulationsystemuniformed.Thesimulationexperimentandanalysisarecariedoutinthe
phalaenopsisgreenhouseintheNewandHighAgriculturalTechnologyDemonstrationGardensofJining
City,ShandongProvince.Theresultshowsthatthesimulatedresultisbeterfitwiththeexperimentalre-
sult.Themodelcandynamicalyforecasttheaccumulatedquantityofphotosynthesisproductionetcimpor-
tantindexofphalaenopsisanditisanimportanttooltostudythevegetationcharacteristicofphalaenopsis
andoptimizedmanagement.
Keywords:GreenhousePhalaenopsis,Vegetatemodel,Greenhousecontrol
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中国农学通报 第23卷 第 11期 2007年 11月
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农业工程科学
0引言
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。荷
兰科研人员开发了 HORTSIM，包括番茄、黄瓜、甜椒
等多种园艺作物模块的作物模拟器[1,2]。以色列建立了
莴苣和玫瑰等模拟模型，还与美国等科学家合作于20
世纪80年代开发了TOMGRO温室番茄模型，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。中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、油菜等），对
温室园艺作物的研究较少。蝴蝶兰（Phalaenopsis）[3]原
产亚洲热带，是兰科多年生常绿附生草本植物，作为名
贵的花卉品种之一，很受人们的青睐，设施栽培蝴蝶兰
可以获得较高的经济效益，但蝴蝶兰生产中缺乏利用
信息技术，笔者针对中国环境资源特点以及蝴蝶兰属
性，在前人研究成果的基础上（主要以著名的TOM-
GRO为基本构架）初步建立了蝴蝶兰生长发育动态模
型，为深化中国温室作物模型的研究奠定理论基础。
1研究温室蝴蝶兰模型的数学方法
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、叶片、花和
花梗等）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，形成一组数学物
理方程。在模型实际研究与建立过程中着重对作物碳
同化、干物质积累与分配进行分析。目前作物模型的
研究大多基于荷兰DeWit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，因此，此研究
也借鉴该理论。
1.1温室蝴蝶兰冠层太阳辐射作用
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2%左
右，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透光率衰
减等。温室内太阳辐射典型计算式为[4]：
SRin(t)=SRout(t)Ri(t)sinh’(t) !!!!!!! (1)
式中，SRin(t)为温室透射辐射，即到达作物冠层顶
部的太阳辐射 (W/m2)；SRout(t)为温室外部太阳辐射
（W/m2）；Ri(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[4]：
sinh’(t)=sinh(t)cosα+cos(t)sinαcos(A-β)! (2)
式中，α和β分别为温室采光屋与水平面的夹角
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[4]：
sinh(t)=sinψsinδ+cosψcost!!!!!!! (3)
sinA=cosδsint/sinh(t!!!!!!!!!!) (4)
cosA=[sinh(t)sinψ-sinδ]/sinh(t)sin !!!!ψ (5)
式中，ψ为地理温度；δ为太阳赤纬；t为计算时刻
的时间。太阳辐射作物冠层时还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Lamber-Beer定律，进入冠层后的太阳辐射计算
式为[5]：
SRcrop(t)=(1-λ)SRin(t)exp(-kL !!!!!!) (6)
式中，SRcrop(t)和SRin(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
0.21~0.29；λ为冠层反射率，其取值一般为0.07~0.1。
根据叶片光合作用反应曲线，总光合作用率（Pg）计算
式[5]为：
Pg=Pg,maxf(x !!!!!!!!!!!!!) (7)
式中，Pg,max为叶片最大光合速率；f(x)为订正函
数，其值分布为0（完全黑暗）~1（光饱和点）。
1.2碳同化分析
碳的同化与积累主要涉及光合作用和呼吸作用等
生理生态过程，其中，光合作用是作物生长的根本驱动
力，是物质积累的基础；呼吸作用包括光呼吸和暗呼
吸，暗呼吸又包括生长呼吸和维持呼吸。对植株碳同
化进行模拟是作物模型研究的主要内容[6]。SPITTERS
C.J.T.对作物冠层内光合作用深入研究，分析了光通量
密度在植株冠层内分布特性，并结合CO2、温度等环境
因子和叶面积指数等作物生理特性因子提出作物植株
日同化量数学模式[7,8]：
Ad=D
Am
k
ln
Am+!kI
Am+!kIe
-kLAI! !!!!!! (8)
式中，Ad为日同化量（CO2g/）；D为同
化量单位从 CO2μmol/(m2地面·s)到 CO2g/(m2地面·d)的
转 换 因 子 ；Am 为 光 饱 和 下 叶 片 CO2同 化 率
（CO2μmol/）；k为消光系数；I为光通量密
度（J/）；ε为光能利用率（CO2μmol/J）；LAI
为叶面积指数（m2叶面积/）。其中光能利用率ε
在20℃下12.5μg/J，对C3作物光饱和下叶片同化率
为4g/(m2·h)，该模型给出光饱和下叶片同化率Am计
算式[8]为：
Am=AMC*FTA*FL !!!!!!!!!!!A (9)
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式中，AMC为相应CO2浓度环境的光饱和下叶片
同化率（CO2μmol/）；FTA为环境温度对光饱
和下叶片 CO2同化率函数因子；FLA为叶龄对光饱和
下叶片CO2函数因子。
干物质积累量是决定蝴蝶兰花朵数量及花期长短
的关键因子，其中作物生长器官（叶片、根、茎等）和生
殖器官（花）生物量是作物光合作用、呼吸消耗及能量
转换的结果。对植株碳同化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[7]：
Rm=∫024Q10（T-20）/10×rm×（WSH-WF）×d !!!t (10)
式中，Rm为日维持生长呼吸率（CH2Og/d>）；WSH为蝴蝶兰地上部分生物干物质量（g/m2地面）；
WF为花干物质量（g/m2地面）；Q10为相关系数；rm为维
持生长呼吸系数（CH2Og/）；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[8]
为：
GSnet=E×(Pk-Rm !!!!!!!!!!!) (11)
式中，GSnet为日生长发育速率（干物质g/d>）；E为光合作用同化速率到干物质积累速率的转换
系数 （CH2Og/g干物质）；Pk为日总光合作用率
（CH2Og/）。群体日增量 TDRW（kgDW/
）可以表示为：
TDRW=GSnet×15×666.7×10-!!!!!!!!!!!!3 (12)
1.3干物质积累与分配
同化物分配是指供生长的同化物分配到叶、茎、根
和贮藏器官的过程。在作物的生育过程中，植株积累
的同化物或生物量一部分及时分配到不同的器官中
去，另一部分作为暂时的贮存物，可用于生长后期同化
量不能满足需求时的再分配。作物通过光合作用生产
的最初同化物主要为葡萄糖和氨基酸，二者随后用于
形成植株干物质。描述干物质分配的一个重要概念是
分配系数，它是某一个植株部分干重的增加量占整株
干重增加量的比例。在干物质分配的研究中，常假设
干物质首先在地上部分与地下部分之间进行分配，然
后以地上部分分配量为基础，再进一步向茎、叶、花和
花梗中进行分配[9~12]。总干物质向地上、地下部分及地
上部分总干物质向各器官的分配指数计算如下：
PISH=WSH/BIOMASS !!!!!!!! (13)
PIR=WR/BIOMASS !!!!!!!!! (14)
PIS=WS/WS !!!!!!!!!!!!H (15)
PIL=WL/WSH !!!!!!!!!!! (16)
PIF=WF/WS !!!!!!!!!!!!H (17)
PIFF=WFF/WS !!!!!!!!!!!H (18)
式中，PISH、PIR、PIS、PIL、PIF、PIFF分别为总干
物质向地上部分、地下部分的分配指数，地上部分总干
物质向茎、叶、花及花梗分配指数；BIOMASS、WSH、
WR、WS、WL、WF、WFF分别为蝴蝶兰总干物质重、
地上部分、地下部分、茎、叶、花及花梗干物质重。公式
（13）~（18）中的蝴蝶兰总干物质重 BIOMASS等于取
样测得的地上部分和地下部分的干重总和、地上部分
干物质重WSH等于地上部分茎、叶、根、花及花梗的
总干重。地下部分干重WR包括气生根在内的所有根
系总和。则地上、地下部分分配指数之间以及地上部分
各器官的分配指数之间存在以下关系：
PISH+PIR=1 !!!!!!!!!!!! (19)
PIS+PIL+PIF+PIFF= !!!!!!!!!1 (20)
2模型的测试
绘制实测值与模拟值之间的1:1关系图，以直观
地展示模型的拟合度和可靠性。模拟时直接利用各生
育时期的地上部分和地下部分及地上部分各器官干重
的实测值与Model计算出的模拟值作图比较。
3蝴蝶兰生长模型的动态设计与实现
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
些模块和参数进行了修改调试，使之更适于蝴蝶兰生
产现状。该模型系统采用C++Builder6.0为编程语言，
在 Pentium (R)4CPU、512MB内存计算机、中文
WindowsXP操作平台上开发实现可执行模型系统。
最后通过运行实例去检测原型系统的正确性和灵活
性，并通过理解和分析系统的反馈信息，对模型中的某
些参数进行调整或对知识模型进行必要的修改和完
善，具体开发过程如图1所示。2005—2006年对山东
省济宁市农业高技术园区温室内蝴蝶兰进行模拟检验
分析表明，模型系统可以输出干物质积累量、光合作用
率、叶面积指数、叶片数与花朵数等重要参数变量，模
拟结果与实测结果符合较好（见图2，3，4）。系统界面
和计算功能能够达到较好的统一，此模型系统是研究
蝴蝶兰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，尚还需要开展研究工作才
能达到预定目标，模型的某些模块需进一步改进和完
善。特别是应进一步根据中国不同区域资源与环境特
点、品种属性以及温室特性等进行参数调试研究。
4结论
蝴蝶兰生长模型系统可以动态预测光合产物积累
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图1温室蝴蝶兰动态模型流程图
图2地上、地下部分干重的模拟值与实测值比较
注：●地上部分干重(×10-3kg／hm2)；○地下部分干重(×10-3kg／hm2)；—1:1直线
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图4花器官干重的模拟值与实测值比较
注：◇花干重；—1∶1直线。
量，能够实时计算出地上部分器官茎、叶、花、花梗及地
下部分器官根等干物质积累量。前期干物质积累的多
少，直接影响到将来花朵数及花期的长短。蝴蝶兰生
长模型系统的建立，能够对设施园艺作物的栽培管理
起到理论指导作用。
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（责任编辑：李碧鹰）
图3地上部分各器官干重的模拟值与实测值比较
注：○叶干重(×10-3kg／hm2);△茎干重(×10-3kg／hm2);●花梗干重(×10-3kg／hm2)；—1:1直线。
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