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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