基于功能-结构模型的玉米大豆间作不同行向辐射分布研究

【目的】构建不同种植模式和行向的玉米大豆间作功能-结构模型,为解析玉米大豆间作系统的产量优势、生长发育规律及种植模式和行向对光截获、光分配和辐射利用效率的影响提供有力支持。【方法】基于不同种植模式的玉米大豆间作田间试验,解析种植行向如南北行向、东西行向、传统行向(梨树当地长期使用的种植行向,即南偏西40o)对作物生物量、产量和形态结构的影响,构建玉米大豆间作功能-结构模型,模拟不同种植模式和行向下作物群体生长发育和结构变化,量化种植行向对间作系统光截获量和辐射利用效率的影响,并探索玉米大豆间作高光截获量的最佳种植行向。【结果】玉米大豆间作系统的籽粒土地当量比(landequivalentratio,LER)南北行向最高(1.20±0.07),东西行向最低(1.16±0.09)。构建的模型较好地模拟了不同种植方式和种植行向下玉米和大豆的生长发育,与田间实测值相比,玉米株高、单株叶面积和冠层光截获系数的均方根误差(RMSE)分别为0.09—0.14 m、0.04—0.08 m^(2)·plant(-1)和0.07—0.12,大豆株高、单株叶面积和冠层光截获系数的RMSE分别为0.07—0.09 m、0.02—0.04 m^(2)·plant^(-1)和0.09—0.10。传统行向间作系统的累积光截获量最高,为(758.48±1.00)MJ·m^(-2),南北行向和东西行向的辐射利用效率比传统行向分别降低了7.18%、10.57%。【结论】间作种植可以提高玉米生物量和产量,降低大豆生物量和产量。玉米大豆间作种植模式中,种植行向对作物生长有显著影响,矮秆大豆通过改变叶片大小、节间长度和叶柄倾角规避高秆玉米的遮荫影响,以增加受光量和辐射利用效率,最终提高产量。种植行向对群体累积光截获影响较大,间作系统的辐射利用效率与累积光截获量均表现为传统行向>南北行向>东西行向。本研究有助于田间布局优化,为解释不同种植行向玉米大豆间作的光截获和光分配提供了数据支持。

基于植物功能-结构模型的玉米-大豆条带间作光截获行间差异研究

间作种植形成了异质冠层空间结构,但因此导致的作物生长、表型和光截获的行间差异目前还少有定量化。为解析条带间作生产力的行间差异,本研究基于田间观测数据构建植物功能-结构模型(Functional-Structural Plant Model,FSPM),量化间作系统中光截获的行间差异。于2017—2018年开展了玉米和大豆单作、2行玉米和2行大豆的2:2 MS间作以及3行玉米和6行大豆的3:6 MS间作田间试验。基于植物生长平台GroIMP开发了玉米-大豆间作的FSPM,模型较好地模拟了叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)、株高和光截获系数动态三个指标,均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别为0.24~0.70 m^(2)/m^(2)、0.06~0.17 m和0.06~0.10。田间试验结果表明,间作种植显著增加了玉米节间直径。受玉米遮阴影响,大豆节间变长、变细,且随大豆条带变窄差异越明显。模型模拟的2:2 MS间作玉米光截获比单作玉米高35.6%,3:6 MS边行玉米和内行玉米的光截获分别比单作玉米高27.8%和20.3%。2:2 MS与3:6 MS边行大豆的光截获比单作大豆分别少36.0%和28.8%;3:6 MS大豆内Ⅰ行和内Ⅱ行比单作大豆的光截获分别少4.1%和1.8%。基于三维FSPM,未来可进行不同生长环境下间作种植模式等的布局优化,以达到最佳系统光截获优势。

基于多模块方法的拟南芥功能结构模拟研究

花卉植物生长模拟中,构建反映植物形态和生理特征的功能结构模型是目前虚拟植物的研究热点。对植物形态结构的表达方法和碳汇生物量在植物组织器官间的分配方法进行了研究,基于多模块方法实现了功能结构相统一的虚拟花卉植物生长模拟。利用自定义的光反应曲线模拟碳汇生物量,基于源汇理论实现了碳生物量在器官间分配,利用L+C多模块方法实现了植物叶片和节间的动态生长。通过对拟南芥植物的生长模拟,证明了方法的实用性和有效性。

GreenLab模型20余年研究回顾与展望

【有关概念】GreenLab是器官尺度的植物功能结构模型(Functional-Structural Plant Model,FSPM),采用离散动态系统的形式来描述植物的生长和发育过程,包括植物生物量产生和分配,以及结构形成等,是融合植物学、数学、农业、计算机、自动化领域学科知识的通用模型。【目前研究现状】自1998年以来,基于中法合作,围绕GreenLab模型发展了包括双尺度自动机理论、分枝结构植物的参数反求方法、随机的植物功能结构模型以及理论计算、植物快速建模与可视化算法,开发了SciLab以及MatLab环境下的作物生长模拟与拟合软件,以及基于c++的面向复杂植物计算的软件。目前,GreenLab模型已应用于玉米、小麦、黄瓜、番茄、油菜、菊花、松树、枫树等具有不同特点的几十种植物,涵盖的植物类型从草本作物到复杂的树木。模型特色在于可通过观测植物的器官生物量和数量等数据,反求影响生物量产生和分配的模型内部源库参数;对于单枝或分枝结构、确定性或随机性结构,均能采用通用的器官尺度的数据进行模型校准。【本文的内容概括】本文回顾GreenLab模型的发展历程及其最新进展,介绍模型的基本概念和主要方法,包括双尺度自动机、器官序列,以及通用的植物拟合目标。详细介绍了GreenLab模型中所包含的结构模型(器官数量的计算、器官产生的随机性模拟等)、功能模型(植物和器官需求、生物量产生和分配、器官生长等),以及二者相结合进行参数反求的计算方法。【展望】随着植物表型技术的成熟和普及,GreenLab模型可用于平行农业种植系统的构建,服务植物与环境关系的深入理解,以及生产管理与控制中的智能决策支持。

基于三维冠层模型的玉米光合作用和光能利用模拟

光线分布和叶片光合特征在冠层内部具有极强的时空异质性,基于三维冠层模型的玉米光合模型是精确评估品种高光效的重要手段。该研究将作物三维冠层模型、光线分布模型、光合模型与光能利用模型相耦合,建立了玉米冠层光合生产模型3DMaizeCaP,设置3个不同株型的玉米品种(矮单268、京科968和郑单958),2种不同光照条件(晴天和阴天),通过大田试验与模型模拟研究揭示了玉米冠层光合速率和光能利用效率对品种和环境的响应。结果表明,矮单268、京科968和郑单958的叶片最大光合速率和暗呼吸速率均随节位下降呈线性降低的垂直分布规律,各品种中矮单268的最大光合速率最大,而暗呼吸速率最小;冠层净光合速率日变化趋势明显,矮单268在阴天和晴天下的冠层最大净光合速率(以CO2计)为21.6和26.2μmol/(m^2·s),均显著(P<0.05)高于京科968(20.8和24.9μmol/(m^2·s))和郑单958(19.6和24.4μmol/(m2·s));矮单268的日CO2净同化量在阴天和晴天下均显著(P<0.05)高于郑单958,增幅分别高达14.8%和12.4%,各品种间株型虽有显著差异(P<0.05),但冠层日累积光截获并无显著差异(P>0.05);单叶尺度上,各叶片中第16节位的单叶日净同化量达到最大;矮单268的光能利用效率最大,在阴天和晴天下分别为3.22和3.03 g/MJ,比京科968分别高4.5%和5.6%,比郑单958分别高7.7%和7.8%;初始光量子效率对玉米冠层光能利用效率的敏感性显著高于最大光合速率(P<0.05)。从提高玉米冠层光能利用效率考虑,建议设计株型紧凑、叶片光合性能强的玉米品种。研究可为定量研究玉米冠层光合速率提供估算方法,也可为高光效品种选育提供评价依据和鉴定技术。

基于生物量的油菜叶曲线模型

叶片是油菜最主要的光合器官之一。为定量描述油菜主茎叶曲线,基于2011~2012年和2012~2013年不同品种、移栽密度及施肥水平油菜田间试验,通过观测不同处理油菜叶片的长度、切角、弦角和弦长,分析了直叶片叶曲线方程的生物学意义,构建了直叶片概率模型;假设并验证了弯曲叶片叶曲线方程,定量了叶弯曲度与生物量的关系,构建了叶曲线模型。结果显示,直叶片概率在归一化叶位区间（0,0.4]和（0.4,1]内趋势不同,可用分段函数拟合;叶弯曲度随生物量的增大而减小,可用倒数函数拟合。所建模型利用直线方程模拟直叶片叶曲线,用二次函数模拟弯曲叶片叶曲线。经独立试验资料检验,所建模型对直叶片概率及叶弯曲度均具有较好预测性。

控制结构下苜蓿生物量分配与累积过程的模拟

以紫花苜蓿(Medicago sativa L.)各类器官归一化的生长扩展速率与相应的库强乘积作为权重,表征各器官竞争获取苜蓿个体在不同阶段产生的净光合同化产物的相对能力大小,描述不同生长阶段生物量在组成苜蓿个体的各器官中分配与累积的动态过程,从而构建定量化描述结构与功能互反馈过程的苜蓿生长过程数字化模型,为提高苜蓿生产性能与优化苜蓿生态功能提供理论支持。通过田间栽培控制试验,对苜蓿的形态结构与生物量进行动态测定,获取模拟参数;并进行控制结构下苜蓿各器官生物量测定值与模拟值的比较。结果表明:各器官生物量与几何特征测定值的变化趋势基本上与对应的模拟值变化趋势一致。因此,本研究给出的生物量分配模式能够应用于控制结构下苜蓿个体内可用生物量资源在各器官中分配与累积的定量描述。

水稻株型优化设计系统的设计与实现

在理想株型研究中,传统的基于田间试验的方法存在耗时长,难以验证株型是否达到最优形态等问题。为减少作物株型设计过程中人工干预所带来的成本提高和结果的不确定性,自动而又快速地获得作物高产株型,基于水稻的功能结构模型,将优化算法应用到虚拟水稻的株型优化上。在VS2005平台上,使用C++编程语言、Open GL图形渲染引擎以及MFC框架,开发了水稻株型数字化设计与株型优化系统。介绍了系统的模块、系统构建的关键技术以及系统的实现。研究的基于虚拟模型的水稻株型优化设计方法,可为作物株型的定量化设计提供新的思路。

棉花根系生长发育的虚拟研究

采用GREENLAB植物功能-结构模型的原理构建了棉花根系模型。该模型以根系基本生长单元为基础,模拟了棉花根系的拓扑结构;根据不同类型的根个体获取生物量能力的不同,通过模拟不同根个体(库)对植株地上部分配给根系的生物量(源)的竞争,实现了生物量在根系中的分配;根据异速生长规则实现了根个体几何结构计算,从而模拟出根个体的轴向生长、径向生长。最后,根据根个体空间伸展规则与空间Voxel元技术,实现了棉花根系的空间结构的虚拟。

作物栽培适宜间距参数的优化方法

针对目前植物布局的控制方法大多基于专家经验或田间试验。尽管专家的经验模型简单、实用,但是它往往针对的是某特定地区的某些品种,而对其它地区则不适用,因而普适应性较差。而传统的田间试验方法也往往针对有限的几个品种,更换品种后需要重做试验,导致这种方法相当耗时且工作繁琐。针对这些问题,该文提出了一种基于虚拟植物模型和优化算法的植物布局优化模拟算法。该方法采用功能结构植物模型,将植物的结构和生理功能结合起来,构建了一个种植场景。以作物种植的株距和行距为遗传因子,采用二进制编码方法对遗传算法的染色体进行编码。以作物单位种植面积的光合产量作为适应度值来评价个体的优劣。利用该方法对玉米-大豆间作和水稻单作进行了研究。试验结果表明,该方法可以获得高产栽培方案。