Programming and Application(编程与应用)

棉花生产管理系统COTMAN的设计与实现

The Implementation of Cotton Management System (COTMAN)*

中国农科院棉花所 董占山

新疆农科院经作所 文如镜 田立文

在国家“九五”科技攻关计划资助下，中国农科院棉花所和新疆农科院经作所联合进行研究，已经建立了棉花生产管理系统COTMAN原型，现将系统主要功能、设计思想和实现方法分述如下。

1．静态决策：在棉花播种之前，根据一个地区的农业资源条件，对如何选用棉花品种、最佳播期、底肥施用量等作出决策。

2．动态决策：在棉花出苗之后，系统可以根据棉花的长势长相，向用户推荐各个时期棉花的生产管理措施，供生产技术人员和生产管理者选择使用。

3．生长发育模拟：将棉田的有关信息正确地输入到计算机中，并将各项生产管理措施输入系统，那么该系统可以调用棉花生长发育模拟模型GOSSYM，模拟各个时期的棉花生长发育状况，为科学研究人员和生产技术人员提供必要的科学数据。

该系统是以作物生产管理系统的理论为指导，综合运用计算机科学技术，将农业科学研究的结果用数学语言和计算机语言表达出来，以棉花模拟模型和棉花生产管理专家系统的形式表现为计算机程序，可以在当前最流行的WINDOWS 95操作系统下，以全中文的界面向广大农业科技人员和棉农提供生产管理决策。

在棉花生产管理系统COTMAN中，为了实现专家的推理决策，将决策地点的自然资源条件、农业生态条件和社会经济条件归类整理，分别存放到不同的知识子库中，以方便管理、更新和检索等。目前暂将知识库分为3个子库：地理知识库、品种知识库、气候知识库。地理知识库用来存放决策地点的地理知识信息，具体内容见表1所示。品种知识库用来存放各优良品种的知识信息，具体内容表2见所示。气候知识库用来存放决策地的各种气候知识信息，具体内容见表3所示。

表1 地理知识库结构

表2 品种知识库结构

表3 气候知识库结构

这些知识库全部采用FOXPRO数据库格式实现，系统专门提供了编辑修改这些知识库的对话窗口。

在知识库种存放的都是基本的事实性知识，决策性知识，即推理知识，全部包含到有关的推理类中，形成了特定的推理机。与静态决策相关的知识全部包含在静态决策推理类中。图1显示了静态决策推理机的实现原理。

图2显示了动态决策的实现原理。

图2 动态决策推理流程图

本系统的棉花模拟模型是美国农业部农业研究署作物模拟所Mckinion等人研制的GOSSYM模型。其基本内容如下：

GOSSYM模型本质上是一个表达植物根际土壤中水分和氮素与植株体内碳和氮的物质平衡的模型，包括了水分平衡、氮素平衡、碳平衡、光合产物的形成与分配、植株的形态建成等子模型。各子模型的主要功能简介如下。

气候子模型(CLYMAT)将全部气象资料读入，并调用日期换算子模型(DATES)计算模拟所要用到的儒略日数，调用土壤温度子模型(TMPSOL)计算各层土壤的温度。

土壤子模型(SOIL)计算向植株提供的氮素、土壤水势和根系存贮氮和糖的能力。根区土壤在横向分成20个等份，在纵向上分成40个等份，形成一个20x40的矩阵，即800个小室，每个小室大约为5x5厘米。模型逐日计算各室的水分、硝态氮和铵态氮以及根的生物量，用来计算根的生长量和水分吸收量。其中的二级子模型，施肥子模型(FRTLIZ)用来分配铵态氮、硝态氮和尿素于土壤剖面中，重力水移动子模型(GRAFLO)用来完成在重力作用下的雨水和灌溉水在土壤剖面中的移动过程，蒸腾子模型(ET)估计土壤表面的蒸发速率和作物的蒸腾速率，吸引子模型(UPTAKE)计算根区水分、氮素的吸收，毛管水移动子模型(CAPFLO)估计毛管水的流动状况，硝化子模型(NITRIF)计算土壤中微生物作用下的铵态氮向硝态氮的转变情况。

化学药剂子模型(CHEM)估计化学物质对植物生理过程的作用，目前这些化学物质包括植物生长调节剂PIX和PREP、脱叶剂DEF、DROPP、GRAMOXONE、FOLEX和HARVADE。

光合呼吸子模型(PNET)逐日计算植株的总光合产物、呼吸消耗和净光合产物。

生长子模型(GROWTH)计算植株各器官潜在的和实际的生长速率。其中二级子模型根系生长子模型(RUTGRO)计算各土室中根的生长和分布，根延伸子模型(RIMPED)计算增加土壤容重对根延伸能力的影响，氮素分配子模型(NITRO)计算植株中氮素的分配，代谢物平衡子模型(MATBAL)保持模型中碳、氮等的物质平衡的轨迹。

形态发生子模型(PLTMAP)模拟棉株的形态发生和各器官的成熟与衰老，包括蕾铃的生理脱落和各种胁迫因素的计算。脱落子模型(ABCISE)估计蕾铃和叶片由于胁迫和衰老的脱落速率。

GOSSYM模型具有多种用途，可以广泛地应用于科研、教学、生产等各方面。它可以用来研究棉花生长发育及与环境条件之间关系、检验假说、安排试验计划等，也可对棉花生产管理提出有价值的决策等。

本研究课题经过在南疆两年的定点试验，研究了在不同盖膜条件下棉花根际环境的动态变化规律，修改了GOSSYM中相关的部分，使其适合与模拟南疆棉花的生长发育过程。

系统的界面设计采用多文档界面（MDI）标准，在中文WINDOWS 95下实现了全中文提示，每一步操作都在状态栏给出简要的提示信息。系统主窗口见图3所示。

图3 棉花生产管理系统的主窗口

系统提供了10多个对话窗口，通过这些窗口，用户可以极方便地输入数据，包括田间概况数据、各种天气数据、基础肥力、耕作措施、生长状况、喷施缩节安、喷施杀虫剂、喷施杀菌剂等数据。

系统的静态决策和动态决策部分全部使用决策向导，一步一步指导用户输入数据，选择决策内容，简化了决策的全过程。图4是静态决策向导的第一屏。

图4 输入田间概况数据对话窗口

模拟模型的输出结果以图表等多种形式形象地显示给用户，便于用户分析比较输出模型结果，发现问题。图5是模拟模型的输出结果的一部分。

图5 模拟模型的输出结果