本书针对数字农业与智慧农业的发展需求，综合运用系统分析原理和定量建模技术，以农作系统中品种 -环境-技术-生长的动态关系为主线，全面介绍有关作物模拟模型与数字作物系统的基本原理、研究方法、关键技术，并展望未来的发展趋势与应用前景，突出基于生理生态过程的综合性和普适性作物生长与生产力形成模型，基于作物模型的决策支持技术及数字化作物模拟预测系统，为作物生产力预测预警、气候变化效应评估、生产管理方案优化、适宜品种性状设计等提供定量化和智能化工具，对于发展现代农业和保障粮食安全具有重要意义。全书在框架结构与内容体系上兼顾前沿性与知识性、机理性与应用性，反映了作者团队在作物模拟领域的最新研究成果及未来发展愿景。
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前言
第1章作物模拟发展概述1
1.1作物模拟的产生与发展1
1.1.1作物模拟的定义1
1.1.2作物模拟模型的类型2
1.1.3作物模拟的发展历程3
1.1.4作物模拟不同学派的发展特点5
1.2作物模拟的主要特征7
1.2.1作物系统模拟的意义7
1.2.2作物生长模型的基本特征7
1.2.3生长模拟与生长分析的比较8
1.2.4生长模型与统计模型的比较8
1.3作物模拟的功能与作用9
1.3.1作物模型的功能9
1.3.2作物模型的应用领域10
1.3.3作物模型与其他技术的耦合10
第2章作物模拟原理与方法14
2.1作物生产系统特征分析14
2.1.1作物生长系统分析方法14
2.1.2作物生产系统的等级性15
2.1.3作物生产系统的水平和过程16
2.2作物模拟的数据支撑21
2.2.1历史资料获取21
2.2.2模拟支持研究22
2.3作物关系定量表达23
2.3.1模拟研究的尺度23
2.3.2析因法与系数化24
2.3.3遗传参数25
2.4作物模拟模型研制程序26
2.4.1模型选择与系统定义26
2.4.2资料获取与算法构建26
2.4.3模块设计与模型实现27
2.4.4模型检验与改进完善28
2.5作物情景模拟技术31
2.5.1作物情景模拟思路31
2.5.2作物情景模拟应用32
第3章作物阶段发育与器官建成模拟35
3.1作物温光反应与生理发育时间35
3.1.1发育阶段的定义与划分36
3.1.2阶段发育的生理因子与概念模式36
3.1.3作物温光反应的模拟37
3.2生理发育时间与阶段预测45
3.2.1每日热敏感性45
3.2.2生理发育时间46
3.2.3顶端发育阶段的预测46
3.2.4物候期的预测47
3.3作物个体器官建成模拟48
3.3.1顶端原基的分化48
3.3.2叶片的出现50
3.3.3根系与茎秆的生长53
3.3.4籽粒发育与衰老55
3.4作物群体器官建成58
3.4.1群体叶面积59
3.4.2分蘖动态与成穗61
第4章作物光合作用与同化物积累模拟64
4.1冠层光能分布与截获64
4.1.1大气上界的光合有效辐射64
4.1.2冠层顶部的光合有效辐射65
4.1.3冠层内光的分布与吸收65
4.2叶片和冠层光合作用66
4.2.1单叶光合作用67
4.2.2冠层光合作用68
4.2.3光合作用影响因子70
4.2.4呼吸作用76
4.3同化物积累与生物量79
4.3.1群体净同化量79
4.3.2群体干物质积累80
第5章作物籽粒产量与品质形成模拟81
5.1作物籽粒产量形成模型81
5.1.1日同化量的分配82
5.1.2作物各器官干物质增长87
5.2作物籽粒品质形成模型89
5.2.1籽粒蛋白质形成模型89
5.2.2籽粒淀粉形成模型95
第6章作物温度胁迫效应模拟99
6.1作物温度胁迫效应99
6.1.1我国作物温度胁迫时空特征100
6.1.2作物温度胁迫的生理效应104
6.2作物低温胁迫响应模拟107
6.2.1作物生长模型对低温胁迫响应能力的比较107
6.2.2低温胁迫对作物生长发育及产量形成影响的模拟111
6.3作物高温胁迫响应模拟118
6.3.1作物生长模型对高温胁迫响应能力的比较118
6.3.2高温胁迫对作物生长发育和产量形成影响的模拟119
第7章作物水分关系模拟128
7.1土壤-作物水分模型描述128
7.1.1土壤水分模型的基本公式128
7.1.2作物对降水的截留129
7.1.3地表径流的计算129
7.1.4降水或灌溉的入渗130
7.1.5农田蒸散的算法130
7.1.6根系吸水函数131
7.1.7层间水分再分配132
7.1.8土壤水分特征值的估算132
7.2水分影响因子133
7.2.1水分胁迫对作物生长过程的影响133
7.2.2水分影响因子计算142
7.3模型计算与验证145
7.3.1计算流程145
7.3.2模型验证146
第8章作物养分动态模拟150
8.1土壤氮素动力学150
8.1.1土壤无机态氮的淋洗量151
8.1.2矿化与固定（生物固持）152
8.1.3作物残留与还田秸秆分解155
8.1.4硝化作用与反硝化作用156
8.1.5铵的黏土矿物固定与释放、吸附与解吸157
8.2土壤磷素的动态模拟158
8.2.1土壤有效磷基本平衡模型158
8.2.2土壤有效磷各组分的动态模拟159
8.3土壤钾素的动态模拟161
8.3.1土壤有效钾基本平衡模型161
8.3.2土壤有效钾各组分的动态模拟161
8.4养分吸收与分配163
8.4.1氮素的吸收与分配动态163
8.4.2磷素的吸收与分配动态167
8.4.3钾素的吸收与分配动态170
8.5养分效应因子173
8.5.1氮效应因子174
8.5.2磷效应因子174
8.5.3钾效应因子174
8.5.4养分亏缺因子175
第9章作物形态结构模拟与可视化表达176
9.1作物形态结构模型的构建176
9.1.1叶片生长的动态模拟176
9.1.2叶鞘长度的动态模拟183
9.1.3节间长度和宽度的动态模拟185
9.1.4茎叶夹角的动态模拟185
9.1.5叶曲线的动态模拟186
9.1.6穗生长的动态模拟188
9.2作物结构-功能模型的构建193
9.2.1作物单位器官干物质分配的动态模拟193
9.2.2作物单位器官干物质增长的动态模拟195
9.2.3作物单位叶片叶面积的模拟196
9.3作物形态结构的可视化表达197
9.3.1作物器官的可视化表达197
9.3.2作物个体的可视化表达203
9.3.3作物群体的可视化表达204
9.3.4碰撞检测技术及效果展示209
第10章作物模型的不确定性分析214
10.1模型参数的不确定性214
10.1.1模型参数的敏感性分析215
10.1.2模型参数的估算方法217
10.1.3模型参数不确定性的量化221
10.2模型输入数据的不确定性224
10.2.1气象数据输入的不确定性224
10.2.2土壤数据输入的不确定性226
10.2.3管理措施数据输入的不确定性229
10.3模型算法的不确定性229
10.3.1模型算法的不确定性量化230
10.3.2作物模型不同来源不确定性的比较231
第11章作物模型集成构造与辅助建模234
11.1作物模型集成构造的概念与内涵234
11.1.1作物建模知识库235
11.1.2作物模型软件组件库236
11.1.3作物生长模型集成构造236
11.2作物生长建模通用知识框架237
11.2.1作物生长建模通用概念模型的组分分析238
11.2.2作物生长子模型分析与算法框架240
11.3作物模型集成构造的原理244
11.3.1作物模型的表示与映射245
11.3.2作物生长集成建模的构造原理249
11.4作物生长集成建模方法253
11.4.1基于概念的模型结构集成253
11.4.2基于组件的模型动态组装254
11.4.3模型算法动态集成256
11.4.4模型参数集成与校正257
11.5作物生长集成建模辅助系统与建模案例257
11.5.1ICMCS结构258
11.5.2ICMCS主要功能261
11.5.3基于ICMCS的小麦生长模型构建案例263
第12章作物模型与空间信息耦合267
12.1作物模型与地理信息系统（GIS）耦合267
12.1.1作物模型与GIS耦合的基本策略267
12.1.2作物模型与GIS耦合的尺度效应272
12.1.3作物模型与GIS耦合的软件工具273
12.2作物模型与遥感（RS）耦合274
12.2.1作物模型与遥感耦合机制275
12.2.2作物模型与遥感耦合方法277
12.3作物生产力的时空预测281
12.3.1基于时空大数据的作物生产力预测282
12.3.2基于机器学习的作物生产力时空预测282
第13章作物生产力分析与评估284
13.1作物层次生产力预测284
13.1.1不同层次生产力的划分284
13.1.2不同层次生产力的概念及估算方法285
13.2作物产量差估算287
13.2.1产量差的提出与发展287
13.2.2产量差的估算方法287
13.2.3产量差的划分288
13.3作物产量影响要素的贡献率评估289
13.4粮食安全预测预警293
13.4.1作物供给量模拟与预测方法293
13.4.2粮食需求量模拟295
13.4.3粮食供需平衡与安全保障296
第14章作物模拟与决策支持299
14.1气候变化效应评估299
14.1.1未来气候情景生成300
14.1.2气候变化对作物生产力影响的定量评估301
14.2作物生产管理方案的优化310
14.2.1播期310
14.2.2氮肥运筹312
14.2.3综合管理方案315
14.3作物理想品种设计316
14.3.1作物基因效应模拟与品种遗传参数设计316
14.3.2基于模型的作物株型设计319
第15章数字作物平台的构建与实现322
15.1作物生长模拟与决策支持系统322
15.1.1系统结构设计322
15.1.2系统主要功能模块324
15.1.3系统的实现与示例325
15.2作物生长可视化系统331
15.2.1系统结构设计331
15.2.2系统主要功能模块333
15.2.3系统的实现与示例334
15.3基于模型与GIS的作物生产力预测预警系统339
15.3.1系统结构设计340
15.3.2系统主要功能模块340
15.3.3系统的实现与示例343
15.4基于模型与遥感的作物生长监测与生产力预测系统347
15.4.1系统结构设计348
15.4.2系统主要功能模块348
15.4.3系统的实现与示例348
15.5数字作物综合应用平台350
15.5.1平台架构设计351
15.5.2平台主要功能模块352
15.5.3平台的实现与示例352
第16章作物模拟与数字作物前景展望356
16.1数字作物研究方向356
16.1.1量质协同形成模拟356
16.1.2作物生长虚拟表达357
16.1.3功能基因效应模拟359
16.1.4土壤质量关系模拟360
16.1.5极端气候效应模拟361
16.1.6多模型耦合与高性能智能计算361
16.2数字作物应用前景362
16.2.1数字作物与农作精确管理363
16.2.2数字作物与资源利用评价364
16.2.3数字作物与作物表型设计365
16.2.4数字作物与气候变化应对367
16.2.5数字作物与粮食安全预警368
16.2.6数字作物与未来农场构建369
参考文献372
京公网安备 11010102004214号