基于叶面积指数改进的直角双曲线模型在玉米农田生态系统中的应用

一般认为,生态系统的总初级生产力(GPP)对光合有效辐射(LAI)的响应曲线可以用直角双曲线来描述。研究表明,在不同的生长季进行模拟,模拟的直角双曲线的两个参数Amax和α值不同。为消除模型参数季节变化对模拟结果的影响,直角双曲线模型通常应用于较短的时间尺度(如半月、10d或5d),然而,这种在较短的时间尺度上进行模拟的方法过于繁琐,并且当通量数据缺失过多时,在短的时间模拟窗口上,少量的数据不足以拟合直角双曲线模型。在这种情况下,无法利用直角双曲线模型对生态系统的GPP进行准确的模拟,或者对缺失的碳通量数据进行插补。以玉米农田生态系统为例,旨在阐明生态系统的环境因子和生物因子在不同生长季对直角双曲线模型中两个参数Amax和α值的影响。结果表明,Amax与LAI具有显著的直线关系:Amax=a LAI+b(a=0.64,b=0.15,R=0.74,P=0.002)。据此我们对直角双曲线模型进行了改进,用以预测半小时尺度的玉米农田生态系统GPP。与未改进的直角双曲线模型进行比较,在整个生长季进行模拟,改进的直角双曲线模型明显提高了模拟的精度;当在较短的时间窗口上进行模拟(半月时间尺度),改进的直角双曲线模型与之有着相似的精度。利用改进的双曲线模型不仅可以非常简捷地对生态系统GPP进行模拟,而且可以解释直角双曲线模型参数Amax值的连续变化,尤其是,当涡相关观测数据大量缺失时,可以很方便并且较为准确地插补缺失数据。

基于双曲线临界状态的改进剑桥模型及数值实现

针对传统剑桥模型不能很好反映重塑黏土力学及临界强度特性的缺陷,在试验研究的基础上,对其临界状态进行改进。不排水三轴试验发现,重塑黏土的临界状态线表现为双曲线的形态,因此,将双曲线临界状态与剑桥模型相结合,建立改进的剑桥模型,并在FLAC3D程序中进行二次开发。同时针对FLAC3D中对塑性因子算法较为繁琐的问题,引入牛顿–辛普森迭代法进行改进。最后,运用改进的剑桥模型对不同压实度土样进行三轴数值模拟试验。结果表明:改进的剑桥模型能较好地反映重塑土体的力学特性,改进后的算法计算精度较高,执行效率较好。

光合作用对光响应的直角双曲线修正模型和非直角双曲线模型的对比研究

利用直角双曲线修正模型和非直角双曲线模型拟合了三叶鬼针草、水稻和冬小麦的光响应曲线并进行了对比研究。拟合结果表明:非直角双曲线模型可以很好地拟合植物不出现净光合速率随光强增加而降低的光响应曲线,但得到的最大净光合速率大于实测值。此外,该模型不能很好地拟合植物净光合速率随光强的增加而降低的光响应曲线,且最大净光合速率低于实测值。直角双曲线修正模型则可以拟合植物在不同生境下的光响应曲线,且拟合得到的光合参数与实测值符合,这为研究植物在不同生境下的光合特性提供了一个更有效的工具。

干旱胁迫下3种玉米光响应曲线模型的比较

研究了不同土壤水分条件下玉米的光合作用,对光响应曲线进行拟合,比较3种不同拟合方法的优劣,优选出干旱胁迫下最优的光合作用光响应模型。利用玉米穗位叶光合数据,用直角双曲线模型、非直角双曲线模型以及直角双曲线修正模型对适宜土壤水分条件及中度干旱胁迫下玉米光响应进行拟合。从拟合的相关参数看,对照(CK)的拟合结果中,直角双曲线模型整体高于非直角双曲线模型,其中表观量子效率与最大净光合速率均提高33%,光补偿点提高10%,暗呼吸速率提高40%,直角双曲线修正模型得到的最大净光合速率低于非直角双曲线模型,其余参数差别很小。在对水分胁迫(MS)的拟合中,3种曲线所得参数的差异与CK一致。直角双曲线修正模型可以直接得到饱和光强与最大净光合速率,得到的光合参数比另外2种模型更接近实测值,因此该模型可以更好的拟合适宜土壤水分和中度干旱胁迫下的玉米光响应曲线。

野生小蓬竹的光合光响应曲线及其模型拟合

应用5种典型的光响应模型对野生小蓬竹叶片光响应曲线进行了拟合,并探讨了几种模型在光响应研究中的适用性。结果表明:①直角双曲线、非直角双曲线及指数函数模型无法求取植物最大净光合速率(Pnmax)和光饱和点(Isat)的解析解,而结合其它方法拟合的相应值却与实测值相差很大,同时也不能处理光抑制部分的光响应数据;②二次多项式模型能够一定程度地处理光抑制部分的光响应数据,但其拟合得到的各项光合参数与实测值相差较大,甚至会出现逻辑错误;③修正的直角双曲线模型拟合的各项光合参数均比较准确,同时也能很好地处理发生光抑制部分的光响应数据;④采用修正的直角双曲线模型拟合的野生小蓬竹Pnmax、Isat、光补偿点(Ic)、暗呼吸速率(Rd)和初始量子效率(α)分别为8.53μmol.m-2s-1、1 750.75μmol.m-2s-1、21.40μmol.m-2s-1、1.06μmol.m-2s-1、0.054。

岩溶植物光合-光响应曲线的两种拟合模型比较

用直角双曲线和非直角双曲线两种模型,对桂林岩溶区石山植物红背山麻杆(Alchornea trewioides)、九龙藤(Bauhinia championii)、青檀(Pteroceltis tatarinowii)和圆叶乌桕(Sapium rotundifolium)光合作用的光响应曲线进行拟合。结果表明,直角双曲线拟合的表观量子效率(α)、最大净光合速率(Pmax)、暗呼吸速率(Rd)、光补偿点(Lcp)和光饱和点(Lsp)数值均高于相应的非直角双曲线拟合结果;直角双曲线模型拟合的参数值大小和曲线变化趋势不符合实际情况;非直角双曲线模型拟合结果更符合生理意义。红背山麻杆和九龙藤具有较高的表观量子效率和较低的光补偿点,对光能的利用效率和耐荫性均强于圆叶乌桕和青檀。

3种专用型甘薯光合光响应曲线及其模型拟合研究

为了揭示甘薯光合光响应特性,并为其筛选出最佳的光合响应曲线拟合模型,准确求得光合主要参数,运用直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数函数模型以及直角双曲线修正模型的方法分别对3种专用型甘薯(鲜食型甘薯、淀粉型甘薯和花青素型甘薯)叶片的光合光响应曲线进行拟合。直角双曲线模型拟合的最大净光合速率(Pnmax)和暗呼吸速率(Rd)远大与实测值,光饱和点(Isat)小于实测值,非直角双曲线模型拟合的Pnmax大于实测值,Isat则远小于实测值,而指数函数模型拟合的Isat、Rd和光补偿点(Ic)均远小于实测值;只有经直角双曲线修正模型拟合所得的光合参数值最接近实测值,且能拟合甘薯光合光响应曲线的光抑制部分。通过比较3种类型甘薯光合特性可知,鲜食型甘薯和淀粉型甘薯的Pnmax和Isat均高于花青素型甘薯,但各类型甘薯的Ic和Rd无明显差异。直角双曲线修正模型所求得光合参数值最接近实测值,日后可运用该模型准确、高效地研究甘薯光合特性;鲜食型甘薯和淀粉型甘薯具有更大的光强适应范围和光合产物的积累潜力。

3种模型对毛竹快速生长期冠层叶片叶绿素荧光—快速光响应曲线(RLC_S)拟合的比较

为定量研究亚热带经济竹种毛竹(Phyllostachys edulis)在大小年快速生长期的叶绿素荧光特性及其光响应规律.以2龄竹、4龄竹和6龄竹的3个竹龄毛竹为材料,采用便携式调制式叶绿素荧光仪测定各竹龄毛竹出笋前期(4月)冠层叶片叶绿素荧光快速响应曲线(RLC_S),应用直角双曲线修正模型、双指数方程、非直角双曲线模型拟合,计算对应参数,筛选出最佳的光合响应曲线拟合模型,并进一步测定拟合整个快速生长期(4-7月)3个竹龄的快速响应曲线参数变化.结果表明:直角双曲线修正模型在最大电子(J_(max))、饱和光强(PAR_(sat))、初始斜率(α)及拟合系数(R^2)均优于传统双指数方程和非直角双曲线模型,为拟合毛竹叶绿素荧光快速响应曲线(RLC_S)最优模型;毛竹叶片光合机制大小年差异显著,大年与小年的光合高峰分别出现在6月和5月,快速生长期内的光合响应能力总体表现为Ⅱ度竹>Ⅰ度竹>Ⅲ度竹.因此,建议在竹林经营中,应集中在大小年光合高峰期间追施肥料,并且注意维持各竹龄的适当立竹结构,以促进毛竹林整体可持续发展.

美洲商陆光合光响应曲线及其模型拟合

为探讨不同光响应模型对美洲商陆光合特性的适用性,利用4种典型的光响应模型拟合了美洲商陆的光响应曲线,通过分析光合参数模拟值与实测值的拟合相似度,在4个模型中筛选最佳美洲商陆光响应模型。结果表明,直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数方程以及修正的直角双曲线模型对美洲商陆的光合光响应曲线都可以进行拟合,决定系数均为R2>0.99,但只有修正的直角双曲线模型可以计算它们的饱和光强。由各模型计算的光合参数可知,非直角双曲线模型求得的Pnmax远高于实测值,指数方程与修正的直角双曲线模型求得的Pnmax与实测值最为接近。直角双曲线、非直角双曲线模型以及指数方程求得的Isat均远低于实测值,唯有修正的直角双曲线模型求得的Isat与实测值最为相符。因此,修正的直角双曲线模型对于美洲商陆的光合光响应曲线的拟合以及各光合参数的求取最为适合。由修正的直角双曲线模型计算得到的美洲商陆的光合参数可知,美洲商陆的Pnmax为16.98μmol·m-2·s-1,Isat为1614.54μmol·m-2·s-1,Ic为14.14μmol·m-2·s-1,表明美洲商陆对光强具有较大的适应范围。

桫椤对光照和CO_2的响应曲线及其模型拟合研究

以濒危植物桫椤为研究材料,使用Li-6400便携式光合测定系统测定光合-光响应曲线,应用直角双曲线模型、非直角双曲线模型和修正的直角双曲线模型3种模型进行模拟研究,并探讨不同模型对桫椤光响应及CO_2响应中的适用性。结果表明:采用修正直角双曲线模型拟合的桫椤光响应参数为0.077,Pnmax、Iisat、Ic、Rd分别为8.162、917.96、16.021、-0.975μmol/m2·s,CO_2响应参数为0.035,Cisat、Pmax、Γ、RP分别为1577.624、14.170、61.666、-2.028μmol/m2·s。修正直角双曲线模型能很好地拟合桫椤的光响应及CO_2响应数据,并能较准确地直接计算出光合参数,同时能很好地处理桫椤产生光抑制部分的光响应数据,高光强下直角双曲线模型和非直角双曲线模型不能处理光抑制问题。修正直角双曲线模型下光饱和点和CO_2饱和点高于直角双曲线模型和非直角双曲线模型,最大净光合速率表现相反。光补偿点、暗呼吸速率、光呼吸速率和CO_2补偿点介于直角双曲线和非直角双曲线模型之间,修正直角双曲线模型模拟值与实测值最接近。桫椤具有一定的耐阴性,能适应一定低光照的环境条件,对CO_2的适应范围较宽。修正直角双曲线模型是拟合桫椤光合-光响应曲线的理想模型,该模型能较好地对桫椤植物光能利用效率进行模拟,为桫椤植物的有效保护提供参考。

东兴金花茶和长尾毛蕊茶光合响应曲线拟合模型比较研究

为探索东兴金花茶和长尾毛蕊茶最佳的光合响应曲线拟合模型,用直角双曲线模型、非直角双曲线、直角双曲线修正模型和指数方程模型对2种植物的光合响应曲线进行拟合,以期为东兴金花茶和长尾毛蕊茶的生理生态和栽培技术研究提供技术支撑,以及为濒危植物东兴金花茶的保护研究提供理论基础。结果表明,4种拟合模型中,直角双曲线模型拟合得到的最大净光合速率、表观量子效率、光饱和点、光补偿点和决定系数与测量值差异最大,非直角双曲线模型和直角双曲线修正模型的这5个值与测量值较接近,但非直角双曲线模型无法拟合出光饱和点和光补偿点。说明东兴金花茶和长尾毛蕊茶最佳的光响应曲线拟合模型为直角双曲线修正模型。

成龄枣树光合特性与光响应曲线模型

【目的】不同灌溉定额条件下,研究红枣光合特性变化规律及适用于滴灌模式下红枣的光响应曲线模型,为红枣滴灌决策提供数据支撑和理论依据。【方法】以新疆南疆阿克苏地区进行地表滴灌的6年生红枣树为研究对象,通过田间试验测定不同水分处理条件下的光合-光响应曲线。【结果】6年生红枣在20、30 m 3667 m^2灌溉水量区间内,最大净光合速率呈递减趋势。拟合模型针对新疆南疆成龄枣树叶片适用性排序为直角双曲线修正模型>非直角双曲线模型>指数模型>直角双曲线模型。通过对比分析4种不同模拟机制的模型。【结论】在轻度水分胁迫条件下有利于提高净光合速率及水分利用效率;直角双曲线修正模型对于南疆成龄枣树叶片的适用性最好。

小叶杨的光响应曲线及其模型拟合

分别采用直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数模型、二次多项式模型及直角双曲线修正模型对小叶杨的光合光响应数据进行拟合,以确定小叶杨光响应曲线拟合的最适宜模型。结果表明:通过直角双曲线模型、非直角双曲线模型及指数模型拟合得到的最大净光合速率均大于实测值,光饱和点则远小于实测值,且不能处理光抑制部分的光响应数据;二次多项式模型能够较好的处理光抑制部分的光响应数据,但拟合得到的光合参数值与实测值不相符,甚至有悖常识;直角双曲线修正模型拟合的各项光合参数值均与实测值最相符,同时亦能很好处理光抑制部分的光响应数据,是小叶杨光响应研究的最适宜模型;利用直角双曲线修正模型拟合得到的小叶杨最大净光合速率(Pmax)、光饱和点(Is)、光补偿点(Ic)、暗呼吸速率(Rd)和初始量子效率(α)分别为19.93μmol·m^(-2)s^(-1),1 680.60μmol·m^(-2)s^(-1),28.97μmol·m^(-2)s^(-1)、-1.97μmol·m^(-2)s^(-1)和0.073。

油茶光合作用光响应曲线的拟合

为探讨不同光响应模型对油茶光合特性的适用性,利用非直角双曲线模型、直角双曲线模型和改进的直角双曲线模型拟合了油茶的光响应曲线,通过分析光合参数模拟值与实测值的接近度,在3个模型中筛选最佳油茶光响应模型。结果表明,非直角双曲线和直角双曲线模型都无法直接估算光饱和点,也不能解释光饱和区域的光抑制现象;而改进的直角双曲线模型能较好地描述油茶在不同生境下的光响应曲线,其光合参数均接近实测值。因此,可将改进的直角双曲线模型作为研究油茶光响应曲线的首选模型。

不同桉树无性系光响应曲线研究

分别应用直角双曲线模型、非直角双曲线模型和叶子飘构建的新光响应模型对8个参试不同桉树无性系的光响应曲线进行拟合,比较它们之间的差异,找出最优模型,筛选高光效桉树优良无性系。结果表明,与直角双曲线和非直线双曲线模型相比,叶子飘新构建的模型拟合的效果更好,拟合的结果与实测值最为接近。新模型拟合的光响应曲线在达到饱和光强之后呈非线性缓慢下降,出现光抑制现象。而直角双曲线和非直角双曲线模型拟合的光响应曲线在强光下光合曲线仍呈现不断上升的趋势,与超过饱和光强后光合速率下降的预期和事实不符。新模型拟合得到的φ0、φc0、φc三个参数不相等,这表明新模型可以处理在低光照强度条件下的光响应问题。以新模型拟合的8个桉树无性系的光响应曲线特征参数作为参考值,综合各参数,在8个桉树无性系中,无性系1号在光合上为表现较优良的无性系。

不同水肥条件下达乌里胡枝子的光合-光响应曲线特征

为揭示黄土丘陵区达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)在不同土壤水分与养分供应条件下的光合生理特征,采用盆栽控制试验,比较研究了在3种水分水平(高水HW,80±5%田间持水量FC;中水MW,60±5%FC和低水Lw,40±5%FC)与4种养分处理(CK,N,P和NP)下达乌里胡枝子生长旺期的叶片光合-光响应曲线特征。结果表明:直角双曲线修正模型比非直角双曲线模型更准确地拟合了不同水肥条件下达乌里胡枝子的光合一光响应曲线。HW水平下,P处理显著提高达乌里胡枝子的最大净光合速率(P_(nmax),表观量子效率(AQY)与光饱和点(LSP);施磷肥有利于提高充分供水条件下达乌里胡枝子的光合能力,单施磷肥可以改善其在水分胁迫条件下叶片光合作用,以及提高达乌里胡枝子对光能的广幅利用能力。

一个光合作用光响应新模型与传统模型的比较

为了解决传统光合作用光响应模型(如直角双曲线和非直角双曲线模型)中光合速率虽沿着渐进曲线响应光照强度的增加,但拟合植物叶片的最大光合速率却远大于实测值,且无法给出光饱和点等问题。在对传统的光合作用光响应模型进行认真分析,发现其关键在于未考虑光呼吸的基础上,提出了一个新的光合作用光响应模型,详细讨论了该模型的主要特性,并与传统直角双曲线和非直角双曲线模型进行比较分析。用这3个模型拟合了不同试验条件下冬小麦光合作用光响应,结果表明:新模型较传统的模型更好地模拟不同温度及CO2浓度条件下冬小麦光合作用光响应,包括低光强条件下和光抑制条件下的光响应问题,且可求得最大光合速率、饱和光照强度、光补偿点和暗呼吸速率等。此外,新模型可以合理地描述植物叶片的光抑制,因此新模型具有普遍性。

石漠化区6种退耕树种光响应曲线研究

以桂西南石漠化山地6种退耕林为对象,采用修正直角双曲线光响应曲线模型比较不同林分光响应曲线及最大净光合速率(Pmax)、暗呼吸速率(Rd)、光补偿点(Lcp)、光饱和点(Lsp)等光合生理指标的差异。结果表明:任豆Zenia insignis、柚木Tectona grandis、樟树Cinnamomum camphora光响应曲线存在光抑制现象,其他树种则无该现象。修正直角双曲线模型对6种树种光响应曲线拥有良好的拟合效果,对主要生理指标的预测与实测值相近。弱光下净光合速率与叶片中叶绿素含量间存在显著相关性,但与树木胸径、树高间无显著相关性。

两种光响应及CO_2响应模型在喀斯特树种中的应用

为了找到光及CO2响应曲线最优拟合模型,采用目前应用最广泛的非直角双曲线模型和叶子飘新模型对4种喀斯特森林树种的光响应数据及CO2响应数据进行了拟合。结果表明,光合作用对光及CO2响应的叶子飘新模型能很好地拟合4个树种的光及CO2响应数据,且可以直接计算出其主要光合参数。4个树种光合特性由强到弱为:翅荚香槐>光皮树≈黄连木>椤木石楠。

植物电子传递速率对光响应模型的比较研究

测量不同光照条件下绿豆幼苗叶片的电子传递速率对光的响应数据和有效光量子效率,进一步利用光合电子传递速率对光响应的机制模型(模型1)和非直角双曲线模型(模型2)拟合这些数据,比较这2种模型的适用性和参数特点。结果表明:模型2估算3种光照条件下绿豆的最大电子传递速率约为实测值的63%,且不能直接估算其饱和光强,拟合曲线与实测曲线存在显著差异,且不能解释绿豆幼苗叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)的动力学下调现象。模型1不但可以准确计算绿豆的最大电子传递速率和饱和光强,而且计算得到的最大电子传递速率和饱和光强与实测值高度符合,还可合理解释植物的PSⅡ动力学下调现象。