深研作物模型 推动农业发展 ——记我国著名作物模型学家冯利平教授科研成果

近年来，数字化智能化热潮不断，已经渗透应用到了各个领域。在农业领域，科技也在逐渐推动着作物研究步入定量化和数字化。我国作为农业大国，自然是对农业领域大力支持，以推动农业现代化的发展。作为现代科技不可或缺的组成部分，模型的概念或许有很多人并不清楚，在农业种植领域应用的一种机理性过程模型被称为“作物模型”，也叫做“作物生长模拟模型”。事实上，近几年来才备受关注的作物生长模拟模型研究，国外早在20世纪60年代就已经开始了，我国从80年代也已在开始研究。作物模型现已成为发展数字农业、智慧农业的核心内容与技术。

我国知名的农业气象学家、作物模型学家和教育家，中国农业大学冯利平教授，长期以来对作物系统模拟与决策系统、农业气象与气候变化影响进行了深入的研究，是我国最早开展作物生长模拟模型研究的学者之一，底层开发了我国具有自主知识产权主要作物系列模型，突破了关键技术，推动了中国农业模型自主研发和应用，引领了中国农业模型领域发展，为我国农业现代化、智能化发展贡献了科研力量。

潜心研究作物机理模型

首先需要科普一个概念，什么是作物生长模型？通俗的讲，就是基于作物生理生态过程和系统学的方法构建的能够定量、动态地描述作物生长发育和产量形成过程及其对环境和管理措施反应的计算机模拟程序。如果你玩过一款叫做《我的世界》的游戏，你会发现，这就类似于在电脑程序里模拟作物生长的过程；专业来讲，就是根据气象条件、土壤条件以及作物栽培管理措施，定量描述和模拟作物生长发育、籽粒形成及产量等动态过程。

作为作物模型研究领域知名专家，冯利平于1992年师从中国农业模型开创者高亮之教授，开始从事小麦模型研究，此后，他始终致力于中国自主作物模型的研究。现已主持了数十项国家自然科学基金、国家“863”“973”计划项目课题、科技支撑计划、行业专项及国际合作项目等，自主研发了我国具有自主产权小麦、水稻、玉米等10余种作物系列模型并推广应用，成效显著。

虽然我国作物模型研究起步比较晚，但是好在有着像冯利平这样的众多科研人员奋力追赶、创新突破，他执着于研究适于我国大面积范围应用的具有自主版权作物生长模型软件系统，掌握了模型核心技术，提升了我国农业模型研究的国际话语权和影响力，解决我国数字农业发展的“卡脖子”问题，满足我国农业科研教学、业务与智慧农业生产管理决策需求，支撑我国农业数字化与智能化。就以小麦生长发育模拟模型WheatSM为例，该模型是基于我国小麦生态类型、小麦栽培理论和小麦生产特点与实践，在大量的田间实验和大范围的相关研究资料基础上、进行建模与不断算法改进、系统设计与软件研制以及模型参数率定与检验验证等开发完成，是我国第一个底层开发、拥有自主知识产权的基于小麦生长发育过程模拟和动态仿真的大型综合模拟模型。

具体来说，小麦模型WheatSM的核心模块包含了从小麦发育期、生长变化、物质积累、器官动态到产量形成，以及土壤水分变化、N素动态及胁迫因子影响等，这些子模型按照小麦发育的生理生态学及农业气象学原理有机的衔接构成整体的小麦生长模拟模型。小麦模型WheatSM操作简单、使用方便、功能完备、性能优良，模拟结果以图形和表格等形式输出。系统具有多选择模拟（单年、多年模拟，单点、区域模拟，日、小时尺度模拟）功能。目前小麦模型版本已经更新为WheatSM　V5.0，该模型可用于发育期预测、生长评价、产量预测、作物生产管理、气候变化影响评估等方面。

目前，小麦模型WheatSM已应用于高校教学、科学研究、行业业务服务与决策、作物生产管理决策支持等方面，为政府部门决策、区域作物生产与科学研究、涉农高校作物虚拟仿真教学等提供了有力的支撑。作为中国气象局中国作物生长模拟监测系统中首批唯一的中国自主开发核心模型，在全国16个省市的小麦长势监测、产量预报、农业气象灾害影响评估等农业气象业务中应用。在进行本地化调参和有效性验证的基础上，结合实时监测数据，提升了区域小麦生长发育动态与预测准确性。在田块尺度上，将WheatSM与一体化精准监测和农业物联网数据对接，进行产量预测和实时综合诊断，配合管理决策模拟，制定优化种植管理方案，在小麦主产区落地应用，取得了显著的社会和经济效益。小麦模型WheatSM荣获2023年度中国仿真学会科学技术奖创新技术类二等奖。

打造农业系统模型平台

随着世界格局巨大改变、气候变化以及人口增加等客观因素，给全世界粮食安全带来巨大挑战，农业结构布局调整和提高粮食生产力是应对这些挑战的有效策略，同样需要定量化的农业模型进行系统分析与农业决策支持。

如今，冯利平教授已带领团队成员研制了作物模拟模型系统软件产品30多份，包括小麦模拟模型系统、玉米、水稻、棉花、甘蔗、苜蓿等作物模拟模型，小麦栽培计算机模拟决策系统、天气数据生成器、农田作物灌溉管理决策系统等，有力地支撑了气候变化、农业气象灾害、资源高效利用、智能管理决策及智慧农业等相关基础应用研究与产业发展。

我国幅员辽阔，疆域广大，从南到北气候多样、自然条件复杂，因此，作物种类、种植方式与生产管理也是多种多样。为了让作物生长模型应对各种不同环境，同时，也为了解决极端气候、灾害因子影响及病虫害的影响等难题，必须建立一个农业模型交流平台，让中国所有研究作物模型的团队共同协作、互补长短、攻坚克难，协同研发中国创新和具有特色的综合农业模型系统。

为此，从2014年开始，冯利平组织国内外从事作物生长模型的学者，召开全国作物模型高级研讨会，后来发展成为了农业模型开发和应用全国或国际研讨会，至今已成功举办九届。研讨会的举办，不仅凝聚了国内不同领域农业模型研究力量，提供了学术交流学习平台，而且随着国内外同行学者参加人数、规模与影响力日益扩大，学术影响愈来愈强烈。冯利平在举办研讨会的基础上，　联合同行学者分别于2017年和2019年创建了中国农业模型联盟和中国仿真学会农业建模与仿真专业委员会，组织和壮大了农业模型研究队伍。同时，联合国内外农业模型科学家，以打造新一代农业模型系统集成与模拟平台为目标，设计开发了农业系统模拟工作站AgroStudio，该平台具有领先业界的模型接口开放、自主定制模块、多模型集成运行、云计算模拟等创新功能，推动中国农业模型的创新与发展。

冯利平已在重要刊物发表学术论文150余篇，出版著作8部，获作物模型及决策系统软件著作权30余件，国家及省部级奖励6项。目前，冯利平团队继续开发和优化完善多种作物生长模型和系统模拟平台，并积极开展推广与普及，推动农业模型在解决实际问题中的应用，以发挥其作为工具和核心技术的支撑作用。

“雄关漫道真如铁，而今迈步从头越”，农业模型作为核心关键理论与技术方法，现代智慧农业的“大脑”，需要更多冯利平这样的科学家共同努力。充分利用好现在平台，加强交流合作、加强产学研结合、掌握核心技术，研发更多具有自主知识产权的农业模型系统，积极推动中国农业模型研究与应用，更好地服务于我国智慧农业、数字农业，助力乡村振兴，建设新时代农业强国。（文／陈伟）

人物简介：

冯利平，博士，农业气象、农业模型专家。中国农业大学教授、博士生导师，智慧农场技术与系统全国重点实验室作物模型首席科学家，航天新气象数字减灾研究院特聘专家，国际农业模型比较与改进项目（AgMIP）核心成员。兼任中国仿真学会农业建模与仿真专业委员会副主任委员、农业模型联盟主席，中国仿真学会理事、中国农学会农业气象分会理事，《智慧农业》、《农业大数据学报》等编委。

冯利平长期从事农业系统模拟与决策系统、农业气象与气候变化方面的研究，是农业模型研究的领军人。研究团队始终致力于农业（作物）系统模拟模型开发与应用研究，着重于研发适合我国应用的具有自主版权农业模型系统及相关工具软件，已开发有十余种作物系列模拟模型CropSM系统，如小麦模型（WheatSM）、玉米模型（MaizeSM）、水稻模型（RiceSM）、甘蔗模型（SugarSM）等。研究成果已在高校、科研单位及企业的教学、科研与生产管理决策中应用。