农业模型与数字农业发展探讨

为了进一步深化与促进农业模型与数字农业发展,并融入国际发展潮流,以系统学思想为指导,采用系统分析及认识论挖掘等方法,提出并进一步明晰了农业模型概念与分类,农业模型与数字农业的相互关系、意义与评价,综述了国内外农业模型的研究与应用新动态,通过分析存在问题,提出了进一步发展的对策和建议。分析结果表明,广义上,农业模型是为研究农业问题的定量规律所建立数学模型的总称,包括农业生物模型、农业环境模型、农业技术模型以及农业经济管理模型等;狭义上,农业模型主要包括农业植物模型、农业动物模型、农业微生物模型、农产品贮藏与加工模型等。数字农业体系分为数字种植业、数字林业、数字畜牧业、数字渔业、数字农村工业以及数字农产品市场与管理等。农业模型之间发展不平衡但各有特色;农业模型间的协同较少;不同学科背景下农业模型之间缺乏开放源式的整合与互操作框架;农业模型的检验方法还需进一步完善;虽然目前数字农业的应用还较少,但随着中国农业的发展,它将具有广阔的应用和发展前景。

“互联网+”现代农业的理论分析与发展思路探讨

互联网作为信息技术发展最活跃的领域之一,也是国际上农业信息化的前提和基础,被称为信息高速公路。为了进一步明晰"互联网+"现代农业的内容和方式,促进"互联网+"现代农业持续稳定健康发展,本文采用系统分析、比较及关系框图等方法,通过"互联网+"现代农业定义、内涵、作用等理论分析,比较其国内外发展动态与趋势,提出其发展思路。从"互联网+"现代农业的国内外比较可知,在农业网络信息系统建立及应用方面,中国起步较迟,但由于市场潜力巨大,发展速度飞快,后发优势突显;在WEB与数据库、农业专家系统、农业决策支持系统及农业模型等的集成研究与应用层面,中国与国外基本同步。在农业物联网、农业云、农业大数据以及农业移动互联方面,中国也与国外在同一起跑线上,需要抢抓机遇,加快发展。"互联网+"现代农业就是以互联网为代表的先进信息技术广泛应用于现代农业各种过程、各结构要素以及各部门,通过人-机-物互连互通,推动现代科学技术、现代工业装备、现代管理理念和方法的农业应用进程,促进农业生产科学化、商品化、集约化和产业化,实现高产、优质、高效、生态、安全目标。

基于模型的智慧农业平台的构建

为进一步深化与促进农业模型发展,阐述了模型的重要性及基于模型的智慧农业平台的需求,并以钟模型为例,提出了基于模型的智慧农业平台近期、中期和远景构建目标,以期充分发挥模型在物联网和智慧农业中的重要作用,为多学科模型融合及基于模型的智慧农业平台构建提供参考。

农业科技云服务平台设计与实现

围绕农业科技信息服务,以已建成的农业科技信息资源和系统为依托,通过云计算技术对底层近服务器集群资源、数字化资源及应用系统资源进行综合调配和利用,设计开发了农业科技云服务平台。该平台拥有5大模块和7个咨询通道,方便用户及时获取本地区各类农业数字资源信息,全面提升了农业科技信息服务的精准性和实效性。

氮素营养诊断技术及其在油菜上的应用研究进展

根据油菜氮素营养诊断的发展脉络,从外观诊断、化学诊断、无损诊断技术3方面综述了氮素营养诊断技术若干方法及其在油菜上的应用,对各种方法的应用原理、优缺点、国内外发展现状进行了阐述,重点论述了氮素无损诊断技术的发展状况及其在油菜生产上的应用前景。

基于生物量的油菜主茎叶片形态参数模拟研究

为了定量油菜主茎叶片形态参数与生物量间的关系,本研究基于2011—2012年和2012—2013年不同品种、移栽密度及施肥水平油菜田间试验,通过观测不同品种和处理油菜叶片长、最大叶宽和叶柄长等形态参数,并分析了上述参数与叶片生物量的关系,构建了基于生物量的油菜叶长、最大叶宽和叶柄长模型。结果表明,在全生育期,不同品种和处理下油菜主茎叶长和最大叶宽均与叶片生物量的平方根成正比,而叶柄长与叶长成正比。所建模型利用截距为0的线性函数描述叶长和最大叶宽随生物量平方根的变化,用直线式描述叶柄长随叶长的变化。经独立试验资料检验,除宁油16叶柄长模型误差较大外,所建模型对其余形态参数均具有较好预测性,为通过生物量将油菜生长模型与形态结构模型结合提供了机理性较强的方法,为建立油菜功能-结构模型奠定了基础。

设施番茄发育期与叶龄动态模拟模型研究

根据"发育生理日数恒定"原理构建设施番茄发育期与叶龄的动态模拟模型,利用2009年和2010年南京两个试验点的设施番茄品种(系)与播期、茬口试验及气象资料获取模型参数并检验模型。结果显示:所建发育期模型模拟的各发育阶段(出苗-定植、定植-现蕾、现蕾-坐果、坐果-成熟)模拟值与观测值之间的根均方差(RMSE)和平均绝对误差(ADe)分别为2.65d和3d、1.51d和1d、1.18d和1d、1.21d和1d;模拟全发育期时,RMSE值和ADe值分别为3.74d和3d,明显优于有效积温模拟模型的预测精度;利用叶龄动态模型模拟叶龄数时,RMSE值和ADe值都小于0.5片叶。说明本文所建模型可用于预测番茄的发育期和叶龄,并且具有较好适用性和可靠性,可为设施番茄生长模型的研究应用及数字化管理提供依据。

作物模型发展探讨

为进一步深化与促进作物模型发展,并融入国际潮流,论文以系统学思想为指导,采用系统分析、分类、比较及认识论挖掘等方法,通过作物模型概念、分类、作用及其与数字种植业的关系分析,阐述了作物模型的作用,综述了国内外作物模型研究与应用新动态,比较了国际上作物生长模型四大研究组(DSSAT,School of de Wit,APSRU及中国)和功能-结构植物模型三大研究组(L-Studio,GREENLAB及中国)间作物模型的差异,分析了存在问题,提出了进一步发展的对策和建议。目前,虽然作物模型在数字种植业中的应用较少,但随着中国农业的发展,特别是城乡结构的变化,未来它将具有广阔的应用和发展前景。

基于生物量的油菜越冬前植株叶片空间形态结构模型

油菜越冬前的形态建成是油菜苗后期乃至整个生长中、后期的物质基础,叶片是该期最重要的营养器官。为了明确油菜植株的形态结构要素与器官生物量的关系,以3个甘蓝型油菜品种为材料,于2011—2013年分别设置品种和肥料试验、品种、肥料和密度试验、品种试验,越冬前测定油菜植株不同叶位叶片形态指标,分析油菜主茎叶片形态参数与叶片干物重的关系,构建了基于生物量的油菜越冬前植株叶片空间形态结构模型。建模后以独立试验数据检验,除短柄长、叶切角和叶弦角、不施肥品种叶片干物重分配系数值(partitioning coefficient of leaf blade dry weight,CPLB)误差较大外,油菜越冬前植株叶片空间形态结构模型观察值与模拟值一致性较好,所建模型可靠性较高,具有一定的解释性。

基于生物量的油菜叶曲线模型

叶片是油菜最主要的光合器官之一。为定量描述油菜主茎叶曲线,基于2011~2012年和2012~2013年不同品种、移栽密度及施肥水平油菜田间试验,通过观测不同处理油菜叶片的长度、切角、弦角和弦长,分析了直叶片叶曲线方程的生物学意义,构建了直叶片概率模型;假设并验证了弯曲叶片叶曲线方程,定量了叶弯曲度与生物量的关系,构建了叶曲线模型。结果显示,直叶片概率在归一化叶位区间（0,0.4]和（0.4,1]内趋势不同,可用分段函数拟合;叶弯曲度随生物量的增大而减小,可用倒数函数拟合。所建模型利用直线方程模拟直叶片叶曲线,用二次函数模拟弯曲叶片叶曲线。经独立试验资料检验,所建模型对直叶片概率及叶弯曲度均具有较好预测性。

基于生物量的冬小麦越冬前植株地上部形态结构模型

越冬前植株地上部形态建成是冬小麦株型构建和可视化的重要基础。为定量分析冬小麦越冬前植株地上部形态结构参数与器官生物量的关系,以济麦22、泰农18和鲁原502为材料,于2013—2014和2014—2015年度开展品种和施氮试验。利用2013—2014年度越冬前植株地上部形态结构参数和器官生物量等数据构建了冬小麦越冬前植株地上部形态结构模型。经2014—2015年度数据检验,除叶鞘长和叶弦长模型精度略低外,叶长、最大叶宽、叶切角和叶弦角模型精度均较高,所建模型可较好地模拟不同品种与各施氮水平冬小麦越冬前植株地上部形态结构。

拔节抽穗期不同时长干旱胁迫对水稻冠层光谱特征的影响

基于水稻干旱胁迫试验,采用ASD(Field Spec Pro FR2500)光谱辐射仪测定水稻拔节期和抽穗期不同时间尺度(10d、20d)干旱处理与对照(正常处理)的冠层光谱反射率,对干旱胁迫下水稻冠层光谱变化规律、植被指数、水分指数、导数光谱特征进行分析。结果表明:水稻拔节期和抽穗期干旱胁迫后冠层光谱反射率与对照(CK)相比,可见光、近红外波段反射率均显著减小,短红外波段反射率显著增加,导数光谱红边位置均向短波方向推移,红边面积和红边斜率均显著减少,复合构建的6种植被指数或水分指数呈下降趋势,四波段水分指数(SRND)、归一化差异红外指数(NDVII)下降幅度最大;与CK相比,拔节期干旱胁迫20d和抽穗期10d的水稻冠层对可见光、近红外波段的反射率极显著降低,对短红外波段反射率极显著升高,在此阶段红边特征参数、植被水分指数减少幅度最低。研究结果可为利用高光谱遥感技术快速无损监测水稻干旱灾害提供技术支持。

干旱胁迫下水稻光合特性、冠层-空气温差及水分利用效率的变化

通过设计不同水分处理进行2个水稻品种不同生育期干旱胁迫试验,采用Li-6400光合作用测定仪,对水稻拔节期和抽穗期的2个生长阶段不同时间尺度(10、20 d)的干旱处理与对照(CK)进行同步测定,并对比研究了干旱胁迫下水稻冠层光合特性变化的响应。结果表明:随土壤含水率的减少,叶片净光合速率和蒸腾速率均明显下降;叶片气孔导度降低,但胞间CO2浓度明显上升;冠层-空气温差(Tc-Ta)增大;光合有效辐射(PAR)明显降低。"镇稻9424"的叶片净光速率和蒸腾速率、气孔导度、光合有效辐射下降幅度比"淮稻5号"明显;胞间CO2浓度与冠层-空气温差的上升幅度比"淮稻5号"明显。与对照相比,水分利用效率随不同时间尺度干旱胁迫程度的加重而整体明显上升,"镇稻9424"的水分利用效率明显高于"淮稻5号"。

9个品种(系)冬小麦籽粒灌浆特性分析

以9个冬小麦品种(系)为材料,用Logistic方程拟合籽粒质量增加过程,并推导出次级参数,同时对千粒质量与不同参数进行相关性分析。结果表明:小麦籽粒质量增加过程呈"S"型曲线,籽粒灌浆期可分为渐增期、快增期、缓增期3个阶段。相关分析表明:平均灌浆速率、最大灌浆速率与千粒质量呈极显著正相关(P<0.01);快增期灌浆速率与平均灌浆速率、最大灌浆速率呈极显著正相关(P<0.01);快增期灌浆速率对籽粒质量的作用显著。通过科学合理的栽培措施可以使千粒质量接近或达到最大值。