基于辐射照度的作物冠层光分布计算系统设计

以玉米为例,使用C++语言和OpenGL图形函数库,在Windows平台下,开发基于辐射度-图形学结合模型(RGM)的作物冠层光分布计算系统。以相对成熟的RGM方法提取模型参数,并针对作物冠层特点对方法做适当改进。在冠层三维模型基础上,通过用户交互指定参数,可计算出冠层内每个面元的光分布状态。该系统所需模型参数少,且参数均具有较为明确的植物学和农学意义,便于与传统作物模型相结合,操作界面友好、使用方便。

不同株型水稻冠层内光分布的模拟研究

[目的]对不同株型水稻冠层结构、冠层内光分布和光合作用之间的定量化关系进行了模拟计算研究。[方法]采用双参数椭圆函数和Beer-Lambert光传播定律分直射光和散射光对作物的冠层结构和光分布进行了数值模拟。[结果]函数模拟值与实测值的曲线变化趋势一致。两优培九的模拟值与实测值变化较为一致。但是汕优63无论是直射光还是散射光,均表现为在冠层上方实测值比模拟值大,而在冠层下方模拟值比实测值大。通过对消光系数的模拟研究表明,9:00～17:00两优培九直射光消光系数要比汕优63平均小0.45,而散射光消光系数两优培九为0.34,汕优63为0.38。[结论]在一定环境下,作物叶倾角分布密度的差异程度决定了冠层光分布差异的大小,因此,将消光系数视为常数是不适当的;可以在冠层光分布模型的基础上进一步建立冠层光合作用的数值模型,进而估算作物的生产潜力,为作物育种与栽培提供科学依据。

水稻群体冠层三维结构的计算机模拟分析

由于冠层结构的时空复杂性和实验手段的相对落后,在一定程度上迟滞了水稻理想株型理论的发展,本研究尝试将计算机技术引入传统农业科研中,旨在为研究方法的创新提供新思路。在VC++6.0环境下,结合OpenGL图形函数库,开发出软件RPTDS(rice plant type design system),以三维重建法实现了对水稻群体冠层结构的模拟。进一步以冠层光分布为指标,通过田间试验与应用模型进行的光线追踪虚拟实验的比较研究,对软件的准确性与精确性进行了考察。结果表明,虚拟试验结果与田间试验结果虽然在数值上存在一定差异,但具有极显著的正相关关系。说明RPTDS系统基本能够反映群体冠层结构和光分布态势,通过对建模方法和假设条件合理性等方面的改进,有望为冠层结构研究提供有效参考。

基于株型的水稻光合生产模拟研究进展

株型是反映水稻(Oryza sativa L.)冠层结构与群体光合态势的综合性状,理想株型塑造与籼粳亚种间杂种优势利用相结合是提高水稻单位面积产量的关键。利用计算机可视化技术和三维数字化技术可实现对不同株型水稻的单株及群体冠层三维结构的可视化模拟,克服了G函数应用复杂与繁琐的缺点。通过调控栽培管理措施可构建高光效的水稻冠层结构,提高水稻冠层的光能截获量和单位面积产量。利用辐射度和光线跟踪技术可在三维空间上实现不同株型水稻冠层内光合有效辐射分布的精确模拟,弥补了指数模型应用假设的不足。基于生理生态过程的水稻光分布与光合作用模拟研究得到了快速广泛的发展,为数字农业技术的发展提供了强有力的模型化和定量化支撑。水稻株型的差异明显改变了光在水稻冠层内的分布和利用,进而影响冠层光合作用和物质积累,因而系统分析水稻株型与冠层内光分布及冠层光合作用间的定量关系,有利于提高水稻群体光能利用率与产量。

水稻冠层三维结构模型的田间实验验证

在水稻株型设计系统(Rice Plant Type Design System,RPTDS)基础上,以冠层光分布为指标,利用改造后的非自然群体,通过田间实验和虚拟实验的比较研究,对RPTDS系统中水稻冠层三维模型的准确性进行了检验,结果表明,虚拟实验结果与田间实验结果虽然在数值上存在一定差异,但具有极显著的正向相关关系,同时,虚拟实验结果更能够有效反映冠层结构差异,冠层模型具有较高的准确性。说明RPTDS系统基本能够准确反映群体冠层结构和光分布态势。

混农林业生态系统内部的光能分布

林农混作中作物相互影响,除了争夺土壤肥力以外,主要是争夺光能。光能的合理分布是取得林粮双丰收的前提。分析生态系统内部光能分布的方法很多,但主要有两种:一是分析由于树木遮荫造成的光照时间的减弱。

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。

灰霾导致太阳辐射变化的田间开放模拟装置设计及其效果

灰霾天气导致到达地面的太阳总辐射下降及散射辐射比例增加,从而影响作物生长和产量。为研究灰霾导致的太阳辐射变化对作物的影响,设计了田间开放式灰霾模拟装置。以空气质量等级做为灰霾严重程度的标准,根据不同程度灰霾条件下太阳辐射变化情况,确定了轻度、中度、重度霾下太阳总辐射和散射辐射比例。测定不同聚乙烯(PE)塑料薄膜的光学特性(透光率和散射特性及其覆盖下不同光质的光占总可见光比例的空间分布),选择光学特性满足模拟不同程度灰霾条件下太阳辐射状况的PE塑料薄膜作为覆盖材料。根据作物生长季节太阳高度角和方位角变化范围,确定了保证上午10:00到下午14:00遮荫面积达到4 m2的最小处理小区面积为20 m2,南北向边长为4 m,东西向边长为5 m。在2013-2014年水稻生长季利用所设计的试验装置进行田间模拟不同程度灰霾导致的太阳辐射变化处理试验,对太阳辐射和冠层微气候进行了持续观测。结果表明:该研究设计的灰霾模拟装置可以模拟中度及重度灰霾导致的太阳辐射变化情况。灰霾模拟装置在改变辐射状况的同时,保持了不同光质的光占总可见光比例的空间分布与自然灰霾条件相比没有显著变化。并且处理与对照小区的作物冠层温度及环境温湿度没有显著差异。该研究所设计装置可以较好地模拟不同程度灰霾条件下的太阳辐射变化,为研究灰霾对作物生长和产量的影响提供了有效的田间试验手段和技术支持。

双季稻光合生产模型的建立与应用

综合已有作物模型(包括冠层结构、冠层光分布和冠层光合作用与干物质生产模型)的优点,构建了双季稻光合生产模型.利用独立的田间试验资料,对冠层内的光分布和干物质积累量进行了初步检验;利用模型定量分析了直接辐射在上挺下挺、上挺下披和上披下披3种典型株型水稻冠层内水平面上和叶面上的分布、冠层日光合量及其随叶面积指数的变化特征.结果表明:模拟值与观测值之间具有较好的一致性,预测双季稻冠层内光分布的根均方差、相对根均方差和相关系数分别为12.01 J·m^(-2)·s^(-1)、8.2%和0.9929;预测双季稻干物质积累量的根均方差、相对根均方差和相关系数分别为0.83 t·hm^(-2)、14.6%和0.9772,表明模型预测性较好;上挺下披株型水稻的冠层日光合量最高,取决于较大的叶面受光量、叶片光合效能和叶面积指数.