[科普中国]-农业气象模式

定义

农业气象模式是指农业生产对象与气象气候和水文条件相互关系的数学表达式或文字逻辑图式。前者是根据已知的农业生产与气象条件的数量关系和各种理论假设，建立的由一些变量和常数组成的数学方程式；后者是由各种文字、符号构成的逻辑框图。1

意义或作用1、模式可定量表示农业气象研究中的各种关系，描述农业气象研究中各个复杂过程特征，认识和解释各种农业气象规律；

2、建立模式有助于进一步判断研究所缺乏的知识和数据，能激起新的研究思路和方法。

3、建立模式可以缩减不必要的试验，能更好地利用数据，并可汇集不同的资料和结果得出综合性的概念。

4、模式可给出内插、外推和预测结果，给人们以决策的依据。

分类按考虑时间因子的状态分类可分为静态模式和动态模式。

● 静态模式

● 动态模式

式中，y为作为时间t函数的产量；为生育期或所选时段的平均农业气象条件的特征值；xi(t)为作为时间函数研究的农业气象条件的特征值。

上述两式的差异主要表现在：

第一式中时间因子间接考虑，且平均值平滑掉了许多有用的信息；

第二式则反映出了不同情况下的不同变化，即考虑了当时作物的基础和当时（前期）条件以及农业气象条件的时间变化对作物的影响，物理意义和生物学意义明显。

因此，农业气象条件的动态模拟是当前农业气象模式研究中的主要方向。

按考虑物理和生理机制的程度分类按考虑物理和生理机制的程度不同，可将农业气象模式分为：

● 经验统计模式：应用统计学方法建立的回归模式。

● 理论统计模式：实质上是统计模式。是在回归统计模式中更充分地考虑到影响作物生长发育和产量形成的物理和生理机理，属半理论、半经验模式。

● 理论模式

主要依据物理学和生物学规律，模拟作物最重要的生命过程如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用和营养物质输送、分配等，由此而确定作物生产系统的生产力水平。概括地说，就是模拟作物群体的能量和物质转化过程。1

研究历史中国关于农业气象模式的研究大致始于70年代，主要集中于作物一天气模式，特别是天气一产量模式或农业气象产量模式的研究。关于产量模式的研究情况已有许多文章作过专题介绍，而且还出版了几种专著，如刘树泽的《作物产量预报方法》，王馥棠主编的《我国粮食产量气象预测预报研究》，张宏名等的《农作物遥感监测与估产》等等。2

研究方法系统分析方法1、农业气象系统的特征

（1）系统和外界环境的复杂性

系统的复杂性主要体现在两个方面。

一是在系统的中心环节农业群落中，活的组织可分为几级：生物圈、生物地理群落、有机体、器官、细胞和亚细胞等，其结构的复杂性是显而易见的。在低等级向高等级过渡时，某些特征变得比较复杂，而某些特征又会变得不太复杂和较少变化。

二是系统内的无生命成分即土壤和大气同样也有其复杂的内部结构。系统所处的外界环境的复杂性，首先体现在系统是受环境的多因子性（多维性）制约的。

一般而言，外界环境因子对农业群落的作用不是累加的，而是由于其影响的单优势性、协同作用、拮抗作用、相关性等现象而复杂化。其次是外界环境的很多因子具有活动性，这种特性极端复杂，如时间变化特性等。

（2）系统的非定常性

非定常性是指系统对外界环境条件作用做出反应的性质在时间上的变化。系统的非定常性是由作物的生长发育造成的。在个体发育的过程中，作物对外界环境条件的要求和对外界环境条件影响的反应是呈现规律性变化的。在发育期间，其重要生理过程的基本点不是固定不变的。

作物的生长过程是以下列方式决定着系统的非定常性的：

一是系统内部环境范围的增大，即上界和下界的延伸。二是生物量（叶片、茎杆、根系）在充满环境时，环境本身的特性也发生变化。这些变化同样会改变作物对外界环境条件作用所做出的反应。

（3）系统的惯性

除了日常的气象条件之外，农业群落生物量的增长是由许多惯性特征 — 叶面积、根系大小、土壤根层含水量等所决定的。而另一些生物学惯性因素 — 有效分蘖数、每穗小穗数、小穗籽粒数也在很大程度上决定着籽粒的产量水平。

（4）系统的非线性性

决定着作物生产力的所有生物学过程与外界环境因子的关系是非线性的。

（5）系统的适应性

系统的重要特征是行为的适应性。现代生物学把生物有机体看成是一个开放的自动调节和自我建设的动态系统，对正在变化的情况具有适应性，而且只有生物才具备这种特性。个体发育过程中起作用的调节原则有二。一是按照遗传因子即发育的内部因子进行发育；二是发育与外界环境状况相适应，即以外界因子为转移。

2、系统分析

农业气象系统是一个复杂的系统。系统的思想就是所说的系统观点。

主要论点是：一个系统无论如何复杂庞大，总可以细分为一些单位，最后总是由若干简单的单元（或元素、元件）组成，而这些单元是相互联系相互影响的。在研究某一专题时，总有其明确的目标，即系统内各单元之间的关系是为了达到统一的目标而分工合作的关系。

按照系统的思想来分析问题就是系统分析。系统分析不仅要研究清楚系统与环境之间、系统与其它系统之间、系统内部各部分之间定性和定量的关系，并且要用一个适当的表达方式来表示这种关系。这样处理自有不少方案，而用系统的观点，可求得一个最佳方案。最后，这个最佳方案拿到实验中去验证，检验是否达到预期效果。当然，必须注意，最佳方案是辩证的，是在一定时间、地点等具体条件下的产物。

农业气象模式的建立1、建立模式的步骤

● 明确建立模式的目的和要解决的问题；

● 收集和整理有关资料和数据；

● 形成概念模式；

● 以设想的函数为基础，建立具体的模式；

● 形成一个合乎逻辑的算法；

● 核对算法；

● 编程；

● 用系统资料估算必要的参数；

● 调试程序；

● 检验模式对各种参数和因素的敏感性；

● 设计并进行模式试验，检查其结果；

● 分析实验数据，验证模式；

● 用模式解决实际问题。

2、建立模式应考虑的因素

● 输入变量：与系统内部状态无关，是作用于系统的外因。

● 输出变量：是输入变量对系统状态变量的作用而产生的。

● 状态变量：是表示系统特征状态变量，能直接引起输出变量的变化。

● 比率变量：是由各种变量变化所引起的各种反应的比率，比率变量常称为参数。

农业气象模式的运用科学研究方面光、热、水和CO:等天气气候条件对农作物光合、呼吸、蒸腾等生长发育和产量形成过程影响的生理机制，是农业气象学研究的重点内容之一。198。年，美国的H. V.凯伦采用农作物光合、呼吸和蒸腾作用等模式，证明了增加外界空气中CO2浓度的效应。他通过兰种不同气孔控制类型(不加控制的气孔、气孔腔内CO2浓度固定不变、气孔腔内外CO2浓度比率不变)的农业气象模式进行模拟分析:在同一CO2浓度水平下，日总净同化量、蒸腾量均以不加控制的气孔类型最高，气孔腔内CO2浓度固定不变类型最低;但蒸腾与同化比率则以不加控制的气孔类型最大，气孔腔内CO:浓度固定不变类型最小，说明前者同化效率小，后者同化效率大。在不同的CO2浓度水平下，随着外界空气中CO2浓度增大，日总净同化量除气孔腔内C02浓度固定不变类型保持不变外，其余两种类型均相应增大;日总蒸腾量除不加控制类型保持不变外，其余两种类型均有所减小;蒸腾与同化比率，三种类型均相应减小，说明同化效率有所提高。因此，采用CO2施肥或大量使用化石肥料，以及把林地垦为耕地或草地，增加大气中CO2浓度对农作物生长发育和产量形成的影响，完全取决于农作物的气孔控制类型。

田间试验方面当天气一作物或天气‘土壤一作物等农业气象模式被充分证实有效时，就可用来检验迄今尚不清楚的农作物生长特性。这方面的应用可以1978年由荷兰、以色列、秘鲁联合在秘鲁南部大草原进行FAPROCAF计划研制的BACROS模式为例。这项计划的目的在于研究影响该地区饲料和粮食作物生产力的因素，采用了当地既作为人们口粮、又作为牲畜饲料的玉米作物进行试验，以确定其在当地水分、养分供应保持最佳水平时的产量潜力。结果表明:田间作物实际生长速率远远低于模式给出的最低值。但当试验的土壤'M河谷地带扩大到底层为砂质壤土的南美大章京时，模拟分析的可能生长速率是能达到的，因为底层为砂质的壤土促进了作物被}}#}C永分和养分的活力。而这些水分和养分在拔节、抽雄等关键发育期是大量需要的。

土地利用方面为了尽可能有效地利用现有土地，一般都将其分为上、中、下或好、中、差等级来处理。’在这种等级处理中，产量水平是主要变量，它取决于气候、土壤和作物生理特性等综合影响。对于不同的技术水平，有关的物质输入、生产过程中需要的劳动量以及可进行的劳动天数等来说，迄今所作的土地利用分析已经形成了包括每种作物、每个地区、每种开垦程度的产量水平等内容的表格。:·在这些表格和有关田间资料基础上，就能进行改善农业生产系统和土地合理利用的分析。从生物技术观点看，可以回答下列问题:

(1)能够最大限度利用有效劳动的农场规模；

(2)一年当中劳动效率受到限制的时期厂；

(3)最佳的机械数量和轮作制度等。

在联合国粮农组织的农业生态地带计划中，提供了有关土地利用潜力方面的类似分析，其中天气一作物模式常被用来估算地区范围的各种农作物产量和各个地区植物群体密度的上限。

栽培管理方面根据模式，通过计算机计算，可以帮助作出栽培管理的决定。例如原由荷兰研制、‘目前多数西欧国家都在运用的冬小麦病虫预报和防治系统EPIPRE模式，包括每块农田的地点、土壤类型、前茬、本茬播种期、播种密度、当前生长状况、施肥、喷药以及经过连续校正的病虫影响和严重程度等基本资料。定期观测病虫动态后，及时将观测结果输入系统中心的计算机;按照预定的模式程序可以计算出末来病虫害发生发展及流行程度、预计减产损失以及防治对策，并打印出来，在4天以内寄到每块农田主人的手里，分别不同情况，具体建议:，、

(1)如果预计减产损失将超过防治费用时，则建议积极进行防治，包括选用药剂种类奋喷洒时间和次数；

(2)一如果田块处在病虫发生的边缘地区，则建议在指定时间内定期为该系统提供病虫动态变化观测资料;

(3)如果没有所预料的危害情况发生，则建议注意抑制病虫活动。

1982年，英、法和瑞典等国在试验基础上，进一步扩展充实了这个系统，把施肥、灌溉等栽培管理措施也包括在内。目前，这种经过扩展充实的农业气象模式，正指导着以色列的棉花生产，产量较前提高20-30，而成本却较前降低15-20 % ,.农场主和农民非常满意。

农作物产量预测方面农作物产量预测对于各国政府编制国民经济计划、指导进出口贸易等均具有十分重要的意义。1975年，H. V.凯伦提供了第一个半干早条件下自然植被产量模式应用实例。1977年在非洲撒哈拉地区研究计划的准备阶段，D. V.彭宁和B.希姆斯特将撒哈拉地区有关天气和土壤资料代入上述模式计算，结果获得了该地区产量潜力的基本印象。在撒哈拉地区的天气和土壤条件下，其南侧延伸部分(年降水量540mm左右)天然牧草干物质产量潜力可增至每公顷9吨左右，大约相当于地中海天气条件下年降水量一半的情况。这种差异主要是由于撒哈拉地区夏季强烈的光合有效辐射和高温低湿，导致蒸腾与干物质产量的比率，大致比地中海地区高一倍造成的。

1975-198。年在撒哈拉南部边缘—马里共和国试验的结果进一步证实了上述产量潜力预测值的正确性。在直接模拟试验的基础上，原来每公顷年产干物质只有1, 500-3, 000公斤的山地，施用N, P肥以后，只要年降水量>360mm，即可获得每公顷8, 00。公斤以上的产量，增产2-4倍。3