冬小麦叶片和冠层尺度的光合-蒸腾模拟

利用气孔导度-光合-蒸腾耦合模型(SMPT-SB),选取冬小麦关键生育期的典型日,模拟了冬小麦叶片和冠层尺度的光合与蒸腾速率日变化,并借助光合仪和涡度相关系统获得的观测数据进行了验证。研究结果表明:模型模拟的叶片和冠层尺度光合及蒸腾速率与实测值变化趋势具有较好的一致性,光合速率日均绝对误差不超过1μmol·m^(-2)·s^(-1),蒸腾速率日均绝对误差不超过0.41 mmol·m^(-2)·s^(-1);叶片尺度光合和蒸腾速率模拟值与实测值的决定系数R^(2)均在0.90以上,冠层尺度也分别达到了0.96、0.88。此外,模型中水汽响应函数以f(D_(s))=RH表示时,相对湿度(RH)变化较大会导致参数m值不能准确量化气孔导度(g_(s))的变化,从而降低模拟效果;若分时期率定m值,会大幅提高模拟精度。该模型适用于冬小麦叶片及冠层尺度的土壤-植物-大气之间水碳交换的模拟。

不同温度下灰胡杨叶片气孔导度对光强响应的模型分析

气孔通过调节植物体水分散失和CO2吸收在植物适应环境变化中发挥重要作用,而气孔导度模型是评价植物叶片气孔调节的重要工具。利用LI-6400光合仪测定了灰胡杨(Populus prunisoa Schrenk)在不同温度下的气孔导度响应曲线,采用几种常用的气孔导度模型对灰胡杨气孔导度进行拟合和比较,并将气孔导度模型与光响应修正模型进行耦合(耦合模型)分析了灰胡杨气孔导度的光响应特征。结果表明:灰胡杨净光合速率随气孔导度的增大而升高,但当气孔导度增大到0.397mol·m-2·s-1以上,光合速率逐渐下降。Ball-Berry模型(BB)决定系数最大(0.937)、根均方差最小(0.013 7),较Leuning修正模型(BBL)、气孔导度机理模型(BBY)和Jarvis模型(JA)能更好地描述灰胡杨气孔导度与光合速率之间的关系及拟合气孔导度对光合有效辐射的响应曲线;直角双曲线修正模型与非直角双曲线模型均能较好地描述灰胡杨光合速率与光合有效辐射之间的关系,但直角双曲线修正模型拟合的光饱和点、最大光合速率、光补偿点和暗呼吸速率与实测值更吻合,拟合效果更好。构建BB模型+直角双曲线修正模型(BBP耦合模型)拟合气孔导度的光响应曲线,并与气孔导度机理模型+直角双曲线修正模型(BBYP耦合模型)进行比较与验证,BBP耦合模型的模拟值与观测值更接近且根均方差最小(0.009 9),其拟合效果优于BBYP耦合模型。此外,不同温度下灰胡杨最大气孔导度与最大净光合速率并不同步,最大净光合速率早于最大气孔导度。构建的BBP耦合模型较为合理,可为定量探讨荒漠植物叶片气孔调节行为,进一步估算叶片光合作用和构建适合极端干旱区的水-碳耦合循环机理模型奠定基础。

滴灌冬小麦不同施氮量下光合-气孔导度耦合模拟和验证

针对华北平原冬小麦田过量施氮(N)现象,构建和参数化不同施N量下光合-气孔导度耦合模型有利于理解降低施N量对作物产量影响的生理基础。该文于2013—2014年连续2个生长季在滴灌冬小麦田设置3种施N量:290、190和110 kg/hm2,开展了光合及相关生理因子的测定,确定了光合-气孔导度耦合模型关键参数。结果表明:最大羧化速率V_(cmax)在84.5~153.3μmol/(m2·s)之间变化,V_(cmax)与叶片N含量之间的可用线性关系来量化;最大电子传递速率J_(max)在156.5~236.2μmol/(m2·s)之间变化,二者比值在处理间差异不显著;推导光合模型和气孔导度Ball-Berry模型联立的解析解来求解耦合模型,能较好模拟光合速率日进程,对2次测定模拟的平均绝对误差分别为2.11和2.23μmol/(m2·s)。通过对环境因子及生理因子差异的综合分析,模型可用于模拟施N条件下的光合速率变化,从而为较准确地预测小麦产量奠定基础。

水肥亏缺下水稻叶片气孔导度与光合速率耦合模型

叶片气孔导度-光合速率的耦合模型是作物生理模拟的关键,是估算作物生长及水分利用动态的基础.采用盆栽试验实测资料,建立Leuning-Ball气孔导度模型及其耦合模型,考虑水肥因子对气孔导度、光合速率的影响,引入水稻叶片叶气温差、叶绿素相对含量修正气孔导度模型,并进行比较.结果表明,考虑叶气温差、叶绿素相对含量的气孔导度-光合速率耦合模型具有针对水肥限制条件下更高的模拟验证解释能力,针对气孔导度,最大相对误差由125.5%、128.8%分别降至98.2%和126.6%,针对光合速率,平均相对误差由32.3%、74.3%降至20.5%和39.3%,最大相对误差则由331.5%、327.9%降至177.1%和113.4%.

香鳞毛蕨净光合速率的环境响应及模拟

为了探明香鳞毛蕨[Dryopteris fragrans(L.)Schott]净光合速率对环境因子的响应及其函数关系,采用Lci便携式光合仪对野生香鳞毛蕨的瞬时净光合速率(Pn)对环境因子(光合有效辐射(PAR)、温度(Ta)、饱和水汽压差(VPD)和大气CO2浓度(Cs))进行了测定,借助于叶子飘提出的直角双曲线光合作用修正模型和Ball-Berry提出的气孔导度修正模型,建立了耦合模型,探讨模型的准确性、精度及Pn对环境因子的生理响应。结果表明:该模型模拟精度较高,能够很好地模拟香鳞毛蕨主要生长季节的Pn变化规律;香鳞毛蕨Pn对环境因子的响应规律:(1)Pn随PAR的变化出现了陡增,之后又有所下降的现象,当PAR达到1200μmol/(m2·s)左右时,Pn达到最大,为6.5μmol/(m2·s);(2)香鳞毛蕨Pn对Ta的响应呈单峰形变化,最适温度为25℃左右;(3)Pn随Cs的增加而逐渐升高,Cs浓度为300～450μmol/mol时,Pn增加速度较快,随着Cs超过450μmol/mol,Pn上升的较慢;(4)当VPD值达到4.0kPa左右时,Pn达到最高。因此,可以利用此模型结合环境因子模拟Pn,为香鳞毛蕨生产实践提供理论依据。

植物叶片厚度耦合因子及其模型的研究

植物叶片厚度变化反映了植物的生长状态,叶片厚度的耦合因子包括叶气温差、气孔开度及叶片含水量。为测量叶气温差,设计了一种新型的叶片温度测量方法,采用自主研发的YI-20020A型植物叶片厚度精密测量仪,以花生为研究对象,研究叶片厚度与3个耦合因子的关系,结果表明各耦合因子与叶片厚度均呈高度显著相关关系;采用时间分段法建立了叶片厚度与叶气温差及空气相对湿度的数学模型,F检验其显著性,利用花生成长期的数据评估模型的准确性,结果表明实测值与估算值相差5μm以内。

西北旱区葡萄园水碳通量耦合模拟

对旱区葡萄园采用MAESTRA模型进行参数化并对其气孔导度子模型进行筛选,模拟了冠层辐射传输和碳同化量积累过程。结果表明PARp最大值集中在冠层顶0.4m深度以上及南侧0.1m深度以外,冠层北侧和中心部位的光强迅速减小。以液流测定结果为基准,检验了Jarvis系列气孔导度模型的效果。考虑土壤水分影响和引入参考冠层导度的J-Ref子模型使单株蒸腾量的模拟结果(18.34mol·vine-1·h-1)与测定值(17.74mol·vine-1·h-1)之间没有显著偏差。摸清了西北旱区葡萄园的干物质积累过程。干物质积累量模拟值为1 441.0g,仅比实测值高3.8%。模拟值积累曲线斜率滞后于实测值说明当年初葡萄萌芽消耗的碳水化合物并非来自当年光合产物,而是源于上年储存量,该储存量约占当年干物质总积累量的15%。本研究为西北旱区葡萄园冠层辐射传输和水碳通量研究提供了一套简单易行的模拟方法和参数化方案。

最优气孔行为理论和气孔导度模拟

气孔调节功能是陆地生态系统碳-水耦合过程中最重要的环节。与即时的气孔导度测量相比,气孔导度斜率能有效地反映气孔导度对CO_2浓度、饱和水汽压亏缺和光合作用的敏感性,包含了环境因子对光合作用和临界水分利用效率等的综合影响,为研究全球变化下陆地生态系统碳-水耦合关系提供了一个简明且综合的框架。气孔导度模型从经验模型、半经验模型发展到机理模型,经过很多学者的改进,但是模型参数的生物学意义和变化规律还不明确。鉴于气孔导度斜率方面研究的重要性和研究的不足,为了加强对气孔导度调节规律的认识,并减少气孔导度模拟的不确定性,该文主要综述了长期以来国内外关于最优气孔行为理论和气孔导度模拟方面的研究成果,其中包括广泛使用的气孔导度模型及参数意义,讨论影响气孔导度斜率的主要因素以及气孔导度机理模型的应用,并对最优气孔行为理论和气孔导度模拟方面的研究做了简单展望。