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目录1

第一章　农业生态系统分析概述1

一、农业生态学与系统分析3

二、系统的概念4

（一）系统的定义4

（二）系统的特点5

三、系统分析的基本步骤6

（一）系统分析的定性阶段6

（二）系统分析的定量阶段8

（三）系统分析的模型综合阶段8

（四）系统分析的深入阶段12

（五）系统分析结果的应用12

（二）数学模型的类型14

（一）模型的类型14

四、模型的概念14

（三）模型的优点与局限16

第二章　农业生态系统有关因素的定量描述17

一、时间的定量描述19

（一）普通时间19

（二）生理时间20

二、空间及空间关系的定量描述25

（一）空间的一般描述25

（二）平面分布的定量描述27

三、定性性状的数值化描述33

（一）连续性状的数值化描述34

（二）非连续性状的数值化描述36

（三）模糊概念的定量描述36

（一）利用信息指数量度多样性39

四、多样性的量度39

（二）利用Simpson多样性指数（D）41

五、相关性的量度41

（一）二元数据间的相似性42

（二）计数数据间的相似性42

（三）计量数据间的相似性43

第三章　生态因子模型51

一、周期性生态因子的描述性模型53

二、日长及太阳辐射54

（一）日长54

（二）太阳辐射54

（三）光强的垂直分布57

三、土壤的水分平衡58

（一）土壤蒸发（E）和植物蒸腾（T）58

（二）土壤底层下渗量（P）和毛细管上升量（C）62

（三）土壤径流输出（D）71

四、流动与扩散72

（一）流动与扩散的一般模型72

（二）土壤的水热运动73

（三）上壤中的物质迁移74

（四）大气污染物的迁移75

（五）河流污染物迁移的基本模型76

（六）水体的BOD模型和含氧量变化模型76

五、微分方程的数值解77

（一）微分方程的初值问题78

（二）稳态条件下偏微分方程的边值问题83

（三）非稳态条件下偏微分方程的边值问题91

农业生态系统分析计算机程序目录94

程序3.1 计算日长的程序94

程序3.2 用欧拉法解例3.1的程序95

程序3.3 梯形法解例3.1的程序96

程序3.4 四阶龙格库塔法解例3.1的程序97

程序3.5 线性多步法解例3.1的程序98

程序3.6 欧拉法解微分方程组初值问题99

程序3.7 欧拉法解二次微分方程初值问题100

程序3.8 用Gause-Seidel方法解例3.4的程序101

程序3.9 模拟例3.5土温变化的程序104

第四章　基本生物学过程及其受环境影响的模拟105

一、光合作用与光强关系的模型107

二、两种常用的内插法113

（一）直线内插法114

三、温度对生物化学过程的影响模型115

（二）拉格朗日内插法115

（一）阿伦纽斯（Arrhenius）方程115

（二）温度效应的描述性模型116

（三）温度对光合作用的影响117

四、限制因子作用模型119

（一）限制因子的莫诺（Monod）模型119

（二）限制因子的米氏（Mitscherlich）模型120

（三）光合作用的水肥制约模型120

五、植物的呼吸作用模型122

（二）增重模型124

六、动物个体生长的基本模型124

（一）能量平衡模型124

（三）产奶模型125

（四）产蛋模型126

（五）产毛模型127

七、模拟模型中的时间常数及模拟步长128

八、延迟与分散现象的模拟129

（一）基本模型130

（二）分状态法在种子发芽预测中的应用132

（三）分状态法在果树红蜘蛛及捕食螨模拟中的应用136

程序4.1 模拟不同水深下光合作用的程序140

程序4.2 模拟光合作用随时间和水深变化的程序141

程序4.3 用拉格朗日插值法求值的程序142

程序4.4 O'Neill温度与生化反应速度关系模型143

程序4.5 温度与生化反应关系的指数模型144

程序4.6 模拟水池水位变化的程序145

程序4.7 用分状态法对延迟与分散的模拟146

程序4.8 预测植物种子萌发的程序148

程序4.9 模拟红蜘蛛种群变化的模型153

第五章 作物群体生产的模拟157

一、单一品种的作物群体生产模拟——以RSM为例159

（一）总体设计159

（二）功能模块的主要关系式161

（三）形态模块的主要关系式169

（四）计算机程序的编制176

（五）模型检验178

（六）参数的敏感性分析183

（七）模型试验185

（八）模型的应用187

二、作物群体的密度效应187

（一）作物群体密度效应的描述性模型188

（二）作物群体密度效应的机理性模型190

三、作物的间作模型192

（一）间作优势的定量描述192

（二）栽培措施与间作优势的关系193

（三）间作群体的动态模拟195

程序5.1 大麦和燕麦间作的程序204

第六章 种群系统的动态模拟207

（一）与种群增长模型有关的一些概念209

一、种群增长模拟209

（二）指数增长模型211

（三）逻辑斯蒂增长模型212

二、生命表及其在种群动态模拟中的应用217

（一）生命表217

（二）基于生命表的分析和动态模拟223

（一）分布类型228

三、种群分布格局及其测度228

（二）分布格局模型230

（三）聚集强度的测度233

（四）格局分析236

（一）种群相互作用的类型239

四、种间相互作用分析及模拟239

（二）捕食模型241

（三）竞争模型246

（四）种间联结252

（五）生态位和生态位重叠模型259

第七章　群落系统分析271

一、概述273

（一）群落的基本概念273

（二）群落在生态系统中的位置273

二、群落结构分析274

（一）群落中的种群数量特征274

（二）群落组成结构数量特征280

（三）群落生产结构286

（四）植冠几何结构287

（五）个体植物群丛结构288

（一）波动分析289

三、群落动态分析289

（二）边缘效应293

（三）森林群落稳定性与动态测度296

（四）演替分析298

四、群落关系分析310

（二）相似度系数311

（一）群落系数311

（三）相似性百分率312

程序7.1 计算Simpson物种多样性指数的程序313

程序7.2 计算Shannon-Wiener物种多样性指数的程序314

程序7.3 计算PIE物种多样性指数的程序315

程序7.4　计算Mcintosh物种多样性指数的程序316

程序7.5 计算Peng-Wang群落均匀度指数的程序317

第八章　生态系统分析319

一、农业生态系统分析321

（一）概述321

（二）农业生态系统中养分循环的一般模式323

（三）稻田生态系统初级生产的能量和物质转化模拟325

（四）畜牧生态系统分析327

（五）具相对自给自足的水稻和畜牧农业生态系统分析329

（一）引言329

二、生态农业系统：鱼塘亚系统329

（二）生态农业中相互作用的亚系统和养分再循环330

（三）鱼塘系统333

（四）水藻亚模型336

（五）鱼亚模型339

（六）有机废料与养分亚模型341

（七）鱼塘模型——合并几个亚模型343

（八）鱼塘模型模拟结果344

（九）模型结果讨论345

（一）概述349

三、森林生态系统分析349

（二）森林生态系统的元件和结构351

（三）土壤过程的一个模拟模型（SOIL）354

（四）树木生长的模拟模型（TREE）359

（五）从一些亚模型（树木）构造森林生态系统的模拟模型362

（二）模型结构369

（一）引言369

四、森林生长与产量模型369

（一）引言382

五、污染胁迫环境下树木生长模拟模型382

（二）模拟模型概述383

（三）模拟结果385

（四）结论386

程序8.1 鱼塘模型的计算机程序389

程序8.2 土壤模型的计算机程序392

程序8.3 树模型的计算机程序395

程序8.4 污染胁迫环境下树木生长模拟模型的计算机程序398

程序8.4（1） 污染胁迫环境下树木生长模拟亚模型的计算机程序（WOODS亚模型）408

程序8.4（2） 污染胁迫环境下树木生长模拟亚模型的计算机程序（MEADOW和LIGHT亚模型）415

第九章　农业生态系统及生态经济系统的线性模型及其分析421

一、农业生态系统线性模型的能物流分析423

（一）农业生态系统线性组分模型的建立424

（二）库存分析427

（三）流动的分析432

（四）滞留时间分析439

（五）循环分析443

（六）农业生态系统线性模型能物流分析方法的应用445

（七）程序9.1的使用447

二、农业生态经济系统的投入产出表分析447

（一）投入产出表的基本结构448

（二）投入产出表的基本应用450

（三）投入产出表在能耗系数计算和能量平衡中的应用455

（四）投入产出表在环境保护中的应用459

（五）投入产出表的进一步应用465

（一）线性规划的基本形式466

三、线性规划466

（二）解线性规划的单纯形法468

（三）线性规划应用的前提471

（四）非标准形式线性规划的变换474

（五）线性规划的参数敏感性分析479

（六）线性规划在农业生态经济系统结构优化中的应用484

＊程序9.1 生态系统能物流线性模型分析的程序488

＊程序9.2 计算逆矩阵的程序502

＊程序9.3 用于矩阵相乘的程序505

＊程序9.4 输入线性规划初始表的程序507

＊程序9.5 用单纯形法解线性规划的程序512

＊程序9.6 线性规划中单个参数敏感性分析的程序518

第十章　数值分类和排序在农业生态系统分析中的应用527

一、数值分类的基本步骤529

二、数据标准化方法530

（一）总和标准化、最大值标准化、极差标准化和模标准化530

（二）标准差标准化、离差标准化和数据中心化531

三、组平均距离聚合法分类533

四、信息分划法分类537

五、模糊聚类法分类539

六、主分量分析方法在排序和分类中的应用542

（一）主分量分析的基本思路542

（二）主分量分析的步骤545

（三）主分量分析应用实例549

＊程序10.1 常用数值分类与主元分析的程序554

第十一章　蒙特卡罗法在生物与环境随机模型及系统优化中的应用571

一、随机数的产生573

二、产生服从已知分布规律的随机数575

（一）产生均匀分布的随机数576

（二）产生指数分布的随机数577

（三）产生正态分布的随机数577

（四）产生普阿松（Poisson）分布的随机数579

（五）产生任意非连续分布的随机数580

三、蒙特卡罗法估计取样量582

四、随机过程的模拟583

五、蒙特卡罗法解方程及优化计算587

（一）一步蒙特卡罗法588

（二）分段蒙特卡罗法590

（三）多步蒙特卡罗法591

（四）蒙特卡罗调优法593

程序11.1 产生均匀分布随机数的程序595

程序11.2 产生指数分布随机数的程序597

程序11.3 产生正态分布随机数的程序599

程序11.4 产生普阿松分布随机数的程序601

程序11.5 估计Poisson分布取样量的程序603

程序11.6 蒙特卡罗法估计标记重捕法取样量的程序606

程序11.7 模拟狼群捕食麋鹿行为的程序607

程序11.8 模拟牛群繁殖中公母比的程序608

程序11.9 模拟生物单基因性状在环境选择下的构成变化的程序610

程序11.10 一步蒙特卡罗法寻优的程序612

程序11.11 蒙特卡罗法解非线性规划的程序613

程序11.12 蒙特卡罗法求定积分的程序614

程序11.13 用蒙特卡罗法解方程组的程序615

程序11.14 分段蒙特卡罗法寻优的程序616

程序11.15 多步蒙特卡罗法寻优的程序617

程序11.16 蒙特卡罗调优法的程序618

第十二章　资源的合理利用与资源的经济管理模型619

一、资源与生态系统发展的动力学模型621

（一）利用可更新资源的系统动力学模型621

（二）利用不可更新资源的系统动力学模型623

（三）同时利用可更新与不可更新资源的系统动力学模型624

二、生物资源的矩阵模型626

（一）生物资源增殖的矩阵模型626

（二）蓝鲸资源的数学模型627

（三）森林资源的管理模型628

三、人口发展的离散模型及人口控制629

（一）人口生命表629

（二）人口发展的离散模型631

（一）自有资源的基本经济学模型632

四、资源经济的基本模型632

（二）公共资源的基本经济学模型633

（三）资源投入量的边际效益分析634

（四）可替代资源在投入中的组合规律636

（一）控制收获量的模型638

五、直接限制生产规模的生物资源管理模型638

（二）控制收获手段的模型640

六、以最大现值为目标的动态收获策略641

（一）自治线性模型的最优控制642

（二）非自治线性模型的最优控制644

（三）非自治线性模型的最优控制应用于林业的例子646

七、一维非线性资源经济模型的最优控制650

（一）一维非线性模型的最优控制理论基础651

（二）一维非线性模型在渔业最优捕获上的应用652

八、多维资源经济模型的最优控制659

（一）多维模型最优控制的理论基础659

（二）多维最优控制在渔业中的应用661

九、淡水渔业资源的模拟模型665

（一）鱼塘能物流模型的总体结构665

（二）浮游植物库碳流模型的建立667

（三）鱼塘的能物流模拟及管理方案的“实施”669

程序12.1 模拟利用可更新资源的生态系统变化的程序672

程序12.2 模拟利用不可更新资源的生态系统变化的程序673

程序12.3 模拟利用可更新与不可更新资源的生态经济系统发展的程序674

＊程序12.4 计算人口生命表的程序675

程序12.5 一维非线性渔业模型求解的程序678

程序12.6 渔业资源二维非线性模型采用极端税率时求种群数量N和收获比例E的程序681

程序12.7 模拟美国佐治亚州一个鱼塘的利用与管理的程序683

第十三章　农业生态系统的综合评价与决策689

一、评价的基本步骤691

（一）建立评价系统692

（二）确定评价项目的评价标准与计分办法694

（三）评分的综合696

二、层次分析法在评价与决策中的应用697

（一）层次分析法的基本步骤697

（二）递阶层次结构的分层701

（三）判断矩阵的一致性检验703

（四）相对权重的几种计算方法705

（五）多个判断矩阵的综合办法706

（一）利用模糊变换进行综合评判708

三、模糊数学方法在综合评价中的应用708

（二）利用模糊线性加权变换进行综合评价710

（三）利用海明距离和相似优先比进行综合评价711

（一）确定评价指标体系（目标集）712

四、灰色系统评价712

（二）确定评价的事件集713

（三）确定决策集713

（四）确定局势集713

（五）确定各局势综合评分713

五、利用数量化理论对定性因子的重要性进行评价715

（一）建立正规方程716

（二）求正规方程组的解，得到回归式718

（三）回归式预报精度检验718

（四）评价各自变量（项目）的作用718

（五）定性与定量项目混合的处理办法721

（六）数量化理论Ⅰ在评价牧草与杂草关系中的应用721

六、专家经验在评价与决策中的利用723

（一）特尔斐法在评价与决策中的应用724

（二）利用模糊关系方程反推专家心目中的评价权重725

（三）利用模糊数学进行人工智能模拟727

（四）建立专家系统728

＊程序13.1 求矩阵特征多项式的程序730

＊程序13.2 求一元高次方程解的程序733

＊程序13.3 解线性方程组的程序736

＊程序13.4 数量化理论Ⅰ的程序739

程序13.5 蒙特卡罗法求模糊关系方程近似解的程序748

参考文献……………………………………………………………751

名词术语索引757