病害流行系统模拟system stmulation of disease epidemics

应用系统论的理论与方法，对病害流行系统的结构和功能进行分析综合，组建模型，模拟系统的变化规律，加深对病害流行整体及动态规律的认识和病害流行规律的研究，服务于病害的系统管理。
基本原理 系统是由相互依存、相互作用的若干组成部分以一定结构组成的一个整体，有特定的结构和功能，有自己的边界，同外部环境具有一定的关系，并以输入输出的方式完成工作。系统分析是对系统的结构与功能进行研究，包括分析与综合两方面。分析是将系统分解为一个个组分，研究组分间的相互关系。综合则将各组分按其特有结构综合一起，研究系统的总体功能，再现系统的客观完整性。系统分析采用定性与定量相结合的分析方法，目的在于解释和理解系统的动态规律性与结构功能，以及实现系统的管理、控制与优化。
植物病害流行系统是一个因素繁多，组分间关系复杂的多维多变系统。系统分析是将病害流行所涉及的寄主、病原、环境与人为因素间的生物学关系、数学与逻辑关系以种种模型方式组合在一起，经反复检验，使之应用于规律性研究以及预测与决策。
步骤和方法 包括以下几方面。
明确目的 系统分析的内容、方法，以及模型的结构、功能均因目的不同而异。在系统分析前要明确所做系统模型所要解决的问题和用途。目的决定了系统的难易与繁简程度以及结构与组分。例如： 小麦条锈病在田间流行规律的模拟模型，在结构设计上考虑到寄主生长，病原菌繁殖与传播，环境条件的作用以及人为因素对系统的影响等。目的是研究此病害在气候、品种抗性、栽培以及人为防治措施综合作用下的流行规律。
确定系统的边界 确定系统的外部环境与内部组分，明确系统的输出与输入。系统的边界以及哪些外部环境对系统产生影响，视系统的目的与内容而定。如一个病害流行系统模型的边界可以是一块具体的作物田块，也可以是一个地区或县、乡管辖的农田，前者所要求的外部环境为田间小气候，后者则为本地区大范围的天气平均情况。输入输出也因之不同。
系统的框架设计 框架设计又称总体设计，是分析和综合的过程，按照客观的生物学规律与病害流行过程及研究目的，用框图表示系统内各子系统之间定性与定量的关系以及外部环境对系统的影响途径。病害流行系统的总体设计是以病程为轴线，以生物学过程为基础进行顺序分析。如小麦条锈病流行侵染过程可划分为侵入、潜育、产孢、病斑扩展、孢子传播、再侵染等，称为纵向分析。此外每一过程又受寄主抗性、气象因素如温度、湿度等的影响，这种分析过程称为横向分析。各个过程相互关系，一个过程不仅影响下一过程，而且受上一过程的影响。过程间有不同程度、不同方向的反馈，形成了错综复杂的网络结构。
系统分析特别是动态模拟模型通常采用状态变量方法即以系统各类相联系的事物的状态变化，做为分析的主轴，如叶斑病害流行模拟中健叶数—病叶数—报废叶数的状态变化或由空位点—潜育位点—发病位点—传染位点—报废位点的不同状态的定量变化为分析的主轴（见图）。

叶斑病害流程框图
(肖悦岩，1990)

系统的繁简程度取决于系统的目的，比如研究一个孢子的侵入过程，可以将系统设计为孢子着落一孢子萌发—孢子侵入—定置等。然而要模拟这一过程必须具备每一过程的变化速率同温度、湿度、抗性和环境的定量关系。如条锈病菌夏孢子侵染机率与温、湿度组合的关系，潜育期与温度的关系，产孢量与寄主生育、温度的关系等。系统的繁简程度也取决于对这一系统掌握的知识的精细程度，系统愈复杂，分析的工作量愈大。
收集数据和组分间及环境因素相互关系的描述 根据系统需要，收集整理与加工有关数据，如统一量纲、进行必要的统计分析、转换，建立数学表达式，进行必要的测验。定性与定量相结合，实现网络的联结。比如通过实验获得条锈病菌孢子萌发速率同温、湿度的关系；获得潜育病点显症率同温度关系的表达式等。在此阶段，对某些过程还要做出必要的参数估价，如品种抗病性参数范围、孢子萌发的最低温限、产孢量的最大数限等等。
编程与组建模型 计算机语言的选择根据系统的结构、功能、特点、用途决定。一个较详尽的流程框图是编程前必不可少的。框图用实物流程与信息流程连接状态变量和速率变量以及辅助变量，表示系统输入与输出部位，并由驱动变量促使系统运转。系统内各组分的反馈关系以及决定速率变量的因子方程与参数都由确定的符号表示。编程讲究简练，结构性强，模块调用与操作灵活，接口明确，界面友善，解释清晰等。动态模型需应用模拟理论科学地确定模拟的时间间距。例如小麦条锈病菌潜育期的模拟可以日为时间间距，但模拟夏孢子萌发与侵入就应以小时为时间间距。
模型运转与调试 模型建立后要做逻辑性检验和调试，使其符合生物学原理。对模型的运转结果做逻辑性检验有助于建模者找到逻辑性错误与不合理之处。对子模型分别进行测试和调试，使模型更精练，结构性强，易发现问题。
模型检验和敏度分析 模型检验，以估价模型的合理性和可靠性，一般采用建模中未用过的系统实测数据，与模型运行结果做比较。相应的统计方法有主观的综合评价法、参数检验法和非参数检验法。
敏度分析的目的是比较模型中各环节或各变量在整个系统中的重要程度。其基本方法是将待测的参数按其程度设若干变化梯度，分别运转模型，比较由于取值不同而得出的不同结果。变幅小而输出结果变化大的参数，为敏感参数。系统取值必须精确，或对其意义必须做深入研究，以此为依据安排下一步试验。如对小麦条锈病模拟模型中孢子着落率参数，可设定变动范围，分别赋值，运转模型。然后从整个模型的最后输出的结果中分析判断这个参数在系统中的敏感程度，这个敏感程度应符合客观实际。检验和敏度分析结果都将反馈到前面的几个步骤中去，以利于模型的下一轮改进。
模型的应用 模型是系统分析的工具，利用模型可以深入研究植物病害系统的结构与病害流行规律，为设计实地实验提供依据。运行模型可以用来部分代替实际上难以进行或无法实现的实地试验。模拟模型还可按照研究目的，通过对模型输入的控制，模拟采用抗病品种、化学控制。调整播期等措施或各种组合的防治效果。可靠的模型可以用于病害预测和病害综合决策等。