在人工智能(AI)和深度学习席卷各行各业的今天,农业领域的数据科学依然保留着其独特的严谨性。不同于纯数据驱动的“黑箱”模型(Black-box),农业机理模型(Process-based Models) 属于“白箱”模型。它们基于植物生理学、土壤物理学、大气动力学和生态化学的经典方程,从第一性原理出发,对农业生产系统进行数学重构。
第一章:作物生长模型 (Crop Growth Models)
—— 数字化的生命引擎
作物模型是农业模拟的核心,它本质上是一套描述植物从种子萌发到产量形成的能量与物质转换方程组。它不仅预测“长多少”,更解释“为什么长”。
1. 核心机理逻辑
作物模型通常由以下几个核心子模块驱动:
当累积温度达到特定阈值,生长阶段切换。
光合生产模块(Photosynthesis): 决定生物量(Biomass)的积累。
同化物分配模块(Partitioning): 决定光合产物分配给根、茎、叶还是果实(源库关系)。
胁迫响应模块(Stress): 引入水分胁迫系数(0-1)和氮素胁迫系数,对潜在生长量进行折减。
2. 代表性模型体系
DSSAT (Decision Support System for Agrotechnology Transfer)
APSIM (Agricultural Production Systems sIMulator)
WOFOST (WOrld FOod STudies)
AquaCrop
STICS
第二章:土壤过程模型 (Soil Process Models)
—— 看不见的地下微观世界
土壤不仅是基质,更是一个复杂的生物化学反应器。土壤模型主要解决水、热、溶质(盐、养分、污染物)在多孔介质中的运移与转化。
1. 核心机理逻辑
土壤水分运移: 核心是Richards方程,描述非饱和土壤中水分在基质势(吸力)和重力势驱动下的流动。
溶质运移: 基于对流-弥散方程 (CDE),模拟氮磷钾或盐分随水流动(对流)以及浓度梯度下的扩散(弥散)。
碳氮循环: 将土壤有机质(SOM)划分为不同周转速率的“库”(Pools):
2. 代表性模型体系
第三章:农业气象模型 (Agro-meteorology Models)
—— 能量平衡与气候驱动
农业气象模型是所有其他模型的“驱动器”,它负责将宏观天气数据转化为作物可感知的微环境指标。
1. 核心机理逻辑
2. 代表性模型体系
第四章:农业水文模型 (Agricultural Hydrology Models)
—— 从田块到流域的水循环
与土壤物理模型关注“垂直剖面”不同,水文模型关注“水平流动”和流域尺度的水量平衡,涉及灌排管理和面源污染。
1. 核心机理逻辑
2. 代表性模型体系
第五章:农业遥感机理模型 (Agricultural Remote Sensing Models)
—— 光与叶的物理法则
遥感模型(辐射传输模型,RTM)是连接“卫星/无人机信号”与“农学参数”的桥梁。它解释了为什么光谱会呈现出某种特征。
1. 核心机理逻辑
2. 代表性模型体系
PROSPECT (叶片尺度)
SAIL (Scattering by Arbitrarily Inclined Leaves, 冠层尺度)
PROSAIL (PROSPECT + SAIL)
SCOPE (Soil Canopy Observation, Photochemistry and Energy fluxes)
DART (Discrete Anisotropic Radiative Transfer)
第六章:农业生态模型 (Agro-ecological Models)
—— 环境足迹与可持续性
生态模型关注农业生产对环境的反馈,特别是温室气体排放和生态系统服务。
1. 核心机理逻辑
2. 代表性模型体系
第七章:大田管理与决策支持模型 (Field Management & DSS)
—— 从“预测生长”到“生成处方”
这是连接理论模型与实际生产最关键的一环。之前的模型大多是“描述性”的(预测作物怎么长),而大田管理模型是“处方性”的(告诉种植者怎么做)。
1. 核心机理逻辑
这一类模型的核心逻辑通常是反演或优化:给定一个目标(如目标产量、最大利润、最小环境代价),计算出需要投入多少水、肥、药,以及机械该如何作业。
2. 代表性模型体系
QUEFTS (QUantitative Evaluation of the Fertility of Tropical Soils)
Nutrient Expert (NE)
WinSRFR
Path Planning Algorithms (CPP)
IFSM (Integrated Farm System Model)
第八章:结构-功能植物模型 (FSPM)
—— 迈向“三维数字孪生” 传统的作物模型(如DSSAT)通常将冠层视为一个“大叶子”或“均匀层”,而FSPM模型则在三维空间内精细刻画植物的几何结构。
核心机理逻辑
拓扑结构: 模拟每一个叶片、节间、分蘖的生长规则(基于L-System算法)。
反馈机制: 结构决定功能(如光拦截),功能反馈结构(如光合产物多则分蘖多)。
应用: 非常适合果树修剪模拟、温室植物工厂的光照布局优化。
代表性模型
第九章:基因型-环境-管理互作模型 (G×E×M)
—— 数字化育种与“处方定制” 在气候变化的背景下,如何为特定土地选择最合适的品种?这需要将遗传信息引入模型。
核心机理逻辑
代表性工具
APS-Sim (Breeding module): APSIM体系中专门用于支持育种决策的模块。
CROPGR0-Genomic Prediction: 尝试将全基因组选择(GS)与作物机理模型耦合,实现真正的“设计育种”。
CGM-WGP (Crop Growth Model based on Whole Genome Prediction)
第十章:病虫害群体动力学与流行病模型
—— 农业防灾的减震器 在大田管理中,生物胁迫(病虫害)的机理模型与作物生长模型的耦合是目前的难点,也是痛点。
核心机理逻辑
代表性模型
第十一章:畜禽环境与代谢模型
—— 种养结合的闭环 智慧农业不仅包含“地”,还包含“畜”。在碳中和背景下,畜禽排放与粪肥还田的模拟至关重要。
核心机理逻辑
代表性模型
第十二章: 国际模型比较计划 (MIPs):让模型“华山论剑”
在农业和气候科学界,大家发现单打独斗不行:“所有的模型都是错的,但有些是有用的。” 既然每个模型都有偏差,那就把大家拉到一个擂台上比一比,取平均值。
这就是 MIPs (Model Intercomparison Projects) 的由来。
1. AgMIP (Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project)
—— 农业建模界的“联合国”
2. ISIMIP (Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project)
—— 跨界打击,统揽全局
地位: 德国波茨坦气候影响研究所(PIK)主导。
特点: “跨部门”。它不仅比较农业模型,还把水文模型(WaterMIP)、生物群落模型(BiomeMIP)、健康模型、能源模型放在一起跑。
核心逻辑: 气候变暖水文模型算出缺水,农业模型算出减产,经济模型算出粮价上涨。ISIMIP致力于打通这个全链条。
3. GGCMI (Global Gridded Crop Model Intercomparison)
—— 这是一个让电脑显卡燃烧的项目
结语:迈向“多模型融合”的未来
单一领域的模型往往存在局限:气象模型不懂作物生理,遥感模型只能看到表象("Skin deep"),作物模型容易在空间上产生误差。
未来的智慧农业是模型融合(Model Coupling)与数据同化(Data Assimilation)的时代:
机理+AI: 利用AI的高效计算能力替代机理模型中复杂的微分方程求解(代理模型 Surrogate Model),提高运算速度。
天-空-地-机理一体化:
这些机理模型体系,共同构成了农业数字化转型的底层逻辑。只有深入理解这些原理,我们才能真正读懂作物无声的语言,从“看天吃饭”走向“计算生长”。