李德明
(黑龙江省农垦科学院作物所)
李兴喜
(黑龙江省国营共青农场)
陈广义
(黑龙江省宝泉岭农场管理局)

[摘要]: “寒地水稻生育诊断、预测及丰产技术专家系统”是以著名水稻专家徐一戎高级农艺师多年的科研成果和有关科研单位的试验数据为依据，采用正态回归模拟模型、专家模型和优化决策模型三者相结合的方法，用QUICK BASIC 语言编制而成的电脑软件系统, 适于在水稻高产、优质、高效栽培中应用。
　　关键词：正态回归、寒地水稻、生育诊断、生育预测、专家系统。
一 引 言
　　近三十年来，国内外一些科学工作者在致力于计算机在作物生产管理中的应用研究。归纳起来方法有三：⒈模拟模型方法；⒉专家系统方法；⒊优化决策模型方法。
　　模拟模型方法是用计算机来模拟环境因子（包括气象、土壤、和技术措施等）对作物发育、生长和产量形成过程的影响，在理论研究上有重要意义，在生产上也有一定指导作用。美国用 FORTRAN语言编写的 CERES软件［1 ］以及荷兰和国际水稻研究所用 CSMP 语言编制并使用的MACROS软件基本上都属于此类方法［2］。
　　专家系统方法是用计算机程序将专家的知识和经验具体化，通过计算机推理实现对生产的科学管理。这种方法可以充分的反映专家的种田思想，而不用更多地考虑内在的机理。在七十年代和八十年代，国内外先后推出的一些作物病虫害诊断和预测系统，就是这类方法。
　　优化决策模型方法是通过数据分析，建立农业生产中各项因子间的关系，然后再用计算机进行选优，得出最佳措施，来指导生产。八十年代中期，我国一些省份以正交旋转回归试验为基础，所建立的一些水稻（或其它作物）的高产模型就是此类方法。这种方法，如果试验数据可靠，寻优方法合理，则也会在生产中发挥作用。
　　三种方法单独发展都有局限性，人们试图几种方法的结合。1989－1990年河北农垦对“水稻生育诊断和高产栽培”进行了研究，但未能建成计算机系统［3］。九十年代初， 江苏省农业科学院推出“水稻栽培计算机模拟优化决策模型”（RCSODS），将模拟模型方法和优化决策方法结合，应用效果有所改进［4］。
　　从1985年起日本在山形县进行了“水稻生育诊断、预测系统”的研究与试验，该系统以专家模型方法为主，结合使用模拟模型方法，并利用气象信息，使诊断和预测相当准确，是当时国际上应用于水稻生产的最先进的计算机管理系统［5］。
　　黑龙江省农垦科学院作物所于1991－1995年研制的“寒地水稻生育诊断、预测及丰产技术专家系统”将模拟模型、专家系统模型、优化决策模型三者结合起来，取众家之长，避各家之短，应用效果更好。可以说是一套较为完善的“水稻生产管理系统”。这为将来“水稻生产管理系统”向高度集成化、高度智能化、高度自动化方向发展打下了基础。
二、“寒地水稻生育诊断、预测及丰产技术专家系统”理论模型
　　１、水稻模拟模型
　　水稻模拟模型是发育预测和产量预测的基础，是将专家理论、专家经验、试验数据和计算机联系起来的纽带。本系统使用的模拟模型是正态模型，主要用于以下三个方面：
　　①水稻发育的正态模型
　　水稻发育的正态模型是描述水稻发育速度与温、光条件之间关系的模型，其表达式如下：
　　dM/dt＝1/N＝EXP[K+P(T-T`[0`])`(2`)+G(D-D`[0`])`(2`)] (1)
　　其中：N--特定发育期的天数;
　　M--特定发育期的发育进程,完成该发育期时,M=1;
　　dM/dt--该发育期内的发育速度,其值用1/N表示;
　　T--该发育期内的平均气温(℃);
　　D--该发育期内的平均日长(小时);
　　K、P、G、T`[0`]和D`[0`]均为模型参数。
　　用方程（１）描述水稻的发育速度时，参数Ｋ、Ｐ、Ｇ、Ｔ0 和Ｄ0 有明确的生物学意义。其中，Ｔ0 是该品种特定发育期的发育最适温度；Ｄ0 是该发育期的发育最适日长。
　　Ｐ称为感温系数，且Ｐ＜０；Ｇ称为感光系数，且Ｇ＜０；Ｋ为基本营养性系数。
　　由于寒地水稻对光不敏感，Ｇ值很小，模型可简化成，
　　dM/dt＝1/N＝EXP[K+P(T-T`[0`])`(2`)] (2)
　　②水稻生长和产量形成的正态模型（与水稻发育的正态模型类同，具体表达式从略）。参见文献［6、　7、8、9］。
　　２、水稻专家模型
　　①农时诊断模型
　　农时诊断模型以当地逐日气温资料为依据，详见文献［10］。
　　②叶令诊断模型
　　叶令诊断模型以当地逐日气温资料和水稻品种所需积温为依据，详见文献［11、12］。
　　③长势长相诊断模型
　　长势长相诊断模型以水稻的功能叶姿态为依据，详见文献［13］。
　　④叶长叶宽诊断模型
　　叶长叶宽诊断模型以水稻品种的主茎叶数为依据。详见文献［12、13］。
　　３、优化决策模型
　　本系统的优化决策模型主要用于水稻的优化施肥，根据当地的气象、土壤、品种等条件提出优化施肥配方。其过程是在建立水稻产量与生态条件关系的多元非线性回归方程之后，用非线性规划方法，由计算机通过大量计算，寻找出最佳农艺措施。这种方法克服了已往所用的频数统计方法的若干缺点，使所寻出的施肥方案，合理、可行，参见文献［14］。
　　三、系统构成及系统功能
　　“水稻专家系统”是以著名水稻专家徐一戎高级农艺师多年的科研成果和水稻所的试验数据为依据, 以农垦系统气象数据库为基础, 采用国内外最先进的数学模型和方法编制而成的电脑软件系统, 适于在水稻高产、优质、高效栽培中应用。依其功能，可分成六大子系统：

附图：“寒地水稻生育诊断、预测及丰产技术专家系统”示意图

　　１、数据管理子系统。用该子系统可进行气象、土壤、水文数据的查询，以便在科学计算时使用。
　　２、文献管理子系统。用该子系统可对水稻生态区划和有关水稻生产的文字资料进行查阅，以便指导生产。
　　３、生育诊断子系统。用该子系统可进行农时、叶令、叶长叶宽和叶长相的生育诊断，并给出诊断结果和调控措施。
　　４、生育预测子系统。用本子系统可预测未来水稻的发育进程和成熟期，以便进一步决定所应采取的技术措施，并合理地安排生产计划。
　　５、产量预测子系统。该子系统可在育苗之前预测年景；在生长前期预测未来产量；也可在生长后期进行测产。
　　６、丰产技术子系统。用该子系统可进行优化施肥，得到优化施肥配方和进行水肥调解的具体措施，并可模拟最终产量。
　　四、在水稻生产上的使用步骤
　　１、育苗之前（在备耕季节），可利用１、２子系统查阅科学种田的有关资料；用３、６子系统制定年度生产计划，选择最优施肥方案，模拟当年水稻生长情况及最终产量等。
　　２、在生长前期，利用３、４、５、６子系统，每７－１０天可进行一次生育诊断、生育预测、产量预测，并可根据诊断、预测结果，采取调控措施，以促进水稻群体向高产方向发展。
　　３、在生育后期可利用５子系统进行测产。
五 应用举例及经济效益
　　１、1995年在黑龙江省农垦科学院水稻所和黑龙江省绥滨农场设了两个试验点，平均亩产达到 569.5公斤，比对照增产13.7％。每亩增加经济效益１３７元。
　　其中，水稻所试点，播前用微机分析，得出施肥和种植方案，并用微机模拟水稻的产量可达690.6公斤／亩，结果按“专家系统”指导种植的稻田，在9 月中旬顺利通过了产量验收，六位专家同时分头下田测产，平均亩产为 693.6公斤，与模拟产量特别吻合。
　　绥滨农场试验点，开始不仅农户不相信计算机所提供的方案，就连当地的有关专家也有怀疑，但试验结果教育了群众。
参考文献
[1]葛道阔，利用CERES 模拟模型作水稻栽培模拟试验，计算机农业应用，27－31页，1993年 3期；
[2]（荷）F.W.T 彭宁德弗里斯等著，朱德峰、程式华等译，几种一年生作物生长的生态生理过程模拟，中国农业科技出版社，1991年 5月；
[3]高桥保一等，水稻生育诊断和高产栽培，河北农垦科技，39－46页，1990年 1期；
[4]高亮之等，RCSODS－水稻栽培计算机模拟优化决策系统，计算机农业应用，14－20页，1993年 3期；
[5]荒桓宪一，日本山形县水稻生育诊断、预测及其灵活应用气象信息系统的建立，水稻文摘，13－15页，1990年 9月；
[6], 张隐君等, 运用正态回归模型研究春小麦产量与气象条件关系的初步尝试, 黑龙江气象, 1987年1 期；
[7], 李德明, 嘉荫农场气象－－大豆产量模型,现代化农业,1989年11期；
[8], 潘铁夫、李德明等，中国大豆发育动态的计算机模型，中国农业气象，1－8页，1993年8 月；
[9], 潘铁夫、李德明等，作物正态回归模型及其在大豆、玉米产量分析上的应用，吉林农业科学，1995年第 3期，73－78页；
[10], 徐一戎等，寒地直播水稻亩产八百斤栽培技术总结，水稻研究总结、论文选篇，49－53页，1976－1983年；
[11], 徐一戎等编译，水稻增产新理论与稀植栽培，黑龙江省农垦科学院，1992年12月；
[12], 徐一戎等，寒地水稻旱育稀植高产栽培技术，黑龙江省农垦科学院情报所，1991年；
[13], 徐一戎等，寒地水稻旱育稀植高产栽培技术（图历），黑龙江科技出版社，1996年；
[14], 范鸣玉等, 最优化技术, 156--171页, 清华大学出版社,1982年11月