光合作用模型在长江下游冬麦区的适用性研究

以直角双曲线、非直角双曲线、渐进指数及修正直角双曲线等4种光响应模型为基础,结合CO2浓度和温度变化对冬小麦光合作用的影响,推导出4种植物叶片光合作用模型。分别利用长江下游冬麦区2个主栽冬小麦品种的田间试验资料,确定模型参数并对模型预测效果进行检验。结果表明,修正直角双曲线模型的预测效果最好,预测值与实测值相关系数（r）为0.925,均方根误差（RMSE）为1.666μmol.m-2.s-1。修正直角双曲线模型考虑了光抑制问题,从而能够更好地预测高光强情况下的冬小麦光合速率,因而最适于长江下游地区冬小麦光合作用的模拟。研究结果可为选择最佳的光合作用模型进行冬小麦生长模拟及产量预测提供参考。     

土壤水分对冬小麦气孔导度及光合速率的影响与模拟

为了更精确掌握水分在作物模型中的贡献,通过田间设置5种不同程度的水分控制试验,分别选择冬小麦抽穗期（2011年4月18日）和开花后期（5月5日）两个典型日,利用Li-6400光合作用仪测定冬小麦叶片气孔导度和光合速率的日变化及其光响应过程,并利用SPSS软件进行分析;考虑土壤湿度因子,对气孔导度模型（Jarvis模型）和光合模型（非直角双曲线模型）进行修订,利用实测资料拟合得到各项参数,并分析其模拟效果。结果表明,气孔导度、光合速率的日变化与土壤水分含量间呈正相关关系,土壤含水量越少,气孔导度、光合速率越小。加入土壤湿度因子的气孔导度和光合作用模型,两个指标均具有更好的模拟效果,实测值与模拟值之间的相关系数由修订前的0.907、0.769分别提高至0.967、0.987,实测值与模型回代值之间的相关系数也由修订前的0.572、0.316分别提高至0.768、0.874,且均方差均显著降低。因此,土壤湿度对调节冬小麦叶片气孔导度和光合作用非常重要,在气孔导度模拟和光合作用模拟中不能忽略土壤湿度的影响。     

土壤水分对冬小麦气孔导度及光合速率的影响与模拟*1

为了更精确掌握水分在作物模型中的贡献,通过田间设置5种不同程度的水分控制试验,分别选择冬小麦抽穗期（2011年4月18日）和开花后期（5月5日）两个典型日,利用Li-6400光合作用仪测定冬小麦叶片气孔导度和光合速率的日变化及其光响应过程,并利用SPSS软件进行分析;考虑土壤湿度因子,对气孔导度模型（Jarvis 模型）和光合模型（非直角双曲线模型）进行修订,利用实测资料拟合得到各项参数,并分析其模拟效果。结果表明,气孔导度、光合速率的日变化与土壤水分含量间呈正相关关系,土壤含水量越少,气孔导度、光合速率越小。加入土壤湿度因子的气孔导度和光合作用模型,两个指标均具有更好的模拟效果,实测值与模拟值之间的相关系数由修订前的0.907、0.769分别提高至0.967、0.987,实测值与模型回代值之间的相关系数也由修订前的0.572、0.316分别提高至0.768、0.874,且均方差均显著降低。因此,土壤湿度对调节冬小麦叶片气孔导度和光合作用非常重要,在气孔导度模拟和光合作用模拟中不能忽略土壤湿度的影响。     

冬小麦叶片光合作用农业气象数学模型研究

给出了水肥适宜状况下冬小麦叶片光合作用理论模式。模式包含了光，温因子以及CO2浓度对叶光合速率的影响。由于综合模式参数过多难以直接求解。作者给出了模式参数的简易求解方法。最后。利用Licor-6200光合作用测定系统对鲁麦22号冬小麦叶片光合速率进行测定。在此基础上建立起水肥适宜状况下的冬小麦叶片光合作用模型。为进一步建立更加准确的农业气候资源数值模拟提供了前提条件。     

华北平原冬小麦品种演化过程中叶片光合作用模型关键参数的变化分析

CO2光合作用响应参数是作物生长模式的一个关键敏感参数。本文利用Licor-6200便携式光合作用测定仪,对华北平原不同年代冬小麦主要品种叶片光合作用进行了系统测定。在此基础上,建立了一个包含CO2直接影响的叶片光合作用简易模型。利用模型确定了新中国成立以来不同年代华北冬小麦主要品种光合作用中CO2响应参数μ值,并对其进行了初步分析。结果表明：新中国成立以来10个主要冬小麦品种CO2响应参数值变化在0.57-1.02,不同冬小麦品种CO2响应参数存在明显差异,但总体并没有明显时间变化趋势。统计结果表明CO2响应参数与初始量子效率及最大光合速率间相关并不显著,这为建立简易阶乘模型提供了实验支持,并为进一步建立适用于华北平原包含CO2影响因子的冬小麦生长模型奠定了基础。     

冬小麦光合作用的光响应曲线的拟合

测定了田间冬小麦叶片光合作用速度及其相应的气象要素，分别用直角双曲线和非直角双曲线方程拟合了光合作用对光强的响应。指出在田间条件下，用直角双曲线拟合得到的初始量子效率（α）偏高。由于非直角双曲线中引入了反映光合曲线弯曲程度的参数（凸度），使得α值政党，在高光强下光合作用趋于光饱和，拟合结果更加符合生理意义。     

不同高度层冬小麦叶片水分利用效率对CO2浓度变化的响应

大气CO2浓度升高会给地球生态系统带来一系列环境问题,植物能够通过气孔调节光合作用和蒸腾作用,对环境变化做出响应。本研究以评价植物光合作用和蒸腾作用相互关系的指标水分利用效率为切入点,以冬小麦为研究对象,在灌浆期将冠层按距离地面高度分上、中、下三层,采用LI-6400便携式光合作用测量系统测定数据对各层叶片光合、蒸腾特性随CO2浓度变化的响应进行了对比分析。结果表明：随着CO2浓度的增加,（1）各层叶片净光合速率呈直角双曲线形式增加,不同层叶片之间净光合速率对CO2浓度响应的差异不显著（P〉0.05）,但各层羧化速率、光合能力、光呼吸表现不一致,均为上层〉中层〉下层;（2）各层叶片蒸腾速率总体下降,不同层叶片之间蒸腾速率对CO2浓度响应的差异显著（P〈0.01）,蒸腾速率的变化是气孔导度随CO2浓度变化的结果,两者呈显著正相关（P〈0.01）;（3）净光合速率提高与蒸腾速率降低,共同使叶片水平水分利用效率提高。研究工作有利于加深气候变化对农业影响的认识,也为农田生态系统碳、水耦合循环的多层模型研究奠定基础。     

冬小麦光合特性对CO2浓度与土壤含水量的响应机制

光合作用是衡量植物对环境响应的重要指标,通过光响应曲线拟合量化光合特征,可从生理机制方面揭示出植物在不同生长环境下自身的调节与适应机制。本文利用Li-6400便携式光合仪测定了冬小麦在4种不同处理条件下灌浆期旗叶的光响应曲线,采用直角双曲线模型(RHM)、非直角双曲线模型(NRHM)、直角双曲线修正模型(RHMM)、指数模型(EM)和指数改进模型(MEM)对光响应数据进行拟合,分析了不同CO_2浓度和土壤含水量对冬小麦光合特征的影响。结果表明,直角双曲线修正模型对各处理下冬小麦光响应曲线和光响应曲线参数的拟合值都与实测值较为接近,拟合效果最好;随着CO_2浓度升高,各水分处理下冬小麦表观量子效率(α)、光饱和点(LSP)和最大净光合速率(P_(nmax))增大,光补偿点(LCP)和暗呼吸(R_d)降低,即CO_2浓度升高能有效增加冬小麦的光能转化率和光能利用范围,提高冬小麦的光合能力;随着土壤含水量的降低,冬小麦光补偿点(LCP)和暗呼吸速率(R_d)升高,但表观量子效率(α)、光饱和点(LSP)和最大净光合速率(Pnmax)降低,即冬小麦虽然能通过提高初始光合效率抵消一部分干旱胁迫的影响,但干旱胁迫仍会降低冬小麦光合能力;此外,CO_2浓度的增加能抵消部分冬小麦因干旱胁迫引起的光合能力降低。     

黄淮海地区冬小麦光合作用参数的取值范围

叶片初始量子效率α和最大光合速率Pmax是作物模型中计算光合作用的两个关键的敏感参数。这两个参数的确定一直是作物模型研究的难点。本文利用Li-6400便携式光合作用测定仪在山东农业大学实验基地进行了为期7a的大量田间观测实验。在获取大量实验数据的基础上,拟合了光合作用的光响应曲线,并确定了冬小麦初始量子效率α和最大光合速率Pmax。则结果表明,这两个参数依冬小麦品种的不同而变化,即存在较大的不稳定性,但当把各品种7a的实验数据进行综合拟合时,变化范围则较稳定。在本研究中,α变化范围为0．053—0．107mol·mol^-1,Pmax的变化范围为10．1～49．2μmol·m^-2·s^-1。确定的初始光量子效率α和最大光合速率Pmax的取值范围,可为作物模型关键参数的确定提供参考。     

南方丘陵区油茶气孔导度模型修正

为探求南方丘陵地区油茶叶片气孔导度最优响应模型,该研究于2020年和2021年对油茶叶片的气孔导度、净光合速率、CO2浓度等参数进行观测,运用9种不同组合的Jarvis模型以及2种不同CO2浓度（叶片CO2浓度和胞间CO2浓度）计算的Ball-Woodrow-Berry（BWB）模型和Ball-Berry-Leuning（BBL）模型对油茶叶片气孔导度进行模拟,并引入油茶叶片叶气温差、气孔内外CO2浓度差对Jarvis模型和BBL模型进行修正和比较。结果表明：去除土壤水分函数提高了Jarvis模型的模拟效果,说明在南方丘陵区利用Jarvis模型时可以忽略土壤水分这一因子的影响。Jarvis-8模型以及用叶片CO2浓度计算出的BWB和BBL模型对油茶气孔导度模拟效果较好。在三种经典模型中,BBL模型的相关系数最大（R2=0.76）,绝对值平均误差最小（0.015）,说明其对油茶气孔导度模拟的效果较好。在引入两种参数后,叶气温差对Jarvis-8模型和BBL模型的模拟效果有所提高,但不显著;气孔内外CO2浓度差对Jarvis-8模型无明显改变,但显著提高了BBL模型的精度,引入气孔内外CO2浓度差后的BBL-C模型相关系数从BBL模型的0.76提高到了0.95,模型斜率非常接近于1（1.004）,模拟结果贴近于实测的气孔导度值,很好地模拟了2020年（R2=0.92）和2021年（R2=0.95）油茶生长关键期的叶片气孔导度值以及不同场景下的油茶气孔导度日变化值。因此推荐引入气孔内外CO2浓度差的 BBL模型作为南方丘陵区油茶叶片气孔导度响应模型。研究结果可为南方丘陵区油茶气孔导度模型选取提供参考依据。     

作物冠层表面温度诊断冬小麦水分胁迫的试验研究

利用红外测温装置能够观测获得作物的冠层表面温度,从而诊断作物是否遭受水分胁迫。基于这种技术,使用作物水分胁迫指数CWSI反映我国华北平原地区冬小麦的水分胁迫状况。研究比较了作物水分胁迫指数CWSI的经验模式和理论模式,根据它们的波动特征,可以看出用CWSI经验模式反映华北地区冬小麦水分胁迫不很理想。研究分析了作物水分胁迫指数理论模式与其他一些反映作物水分状况的指标,包括叶水势、叶片气孔阻力,叶片最大净光合速率以及土壤水分含量之间的关系,结果表面理论模式与上述这些指标关系良好,表明其很好地反映了作物的水分胁迫特征。该研究给出了适合于我国华北平原地区冬小麦的作物水分胁迫指数计算的主要参数。研究从实际田间应用的可能性出发,分析并提出了作物水分胁迫指数经验模式和理论模式应用的改进方向     

黄淮海地区冬小麦品种进化过程中叶片农业气象指标演化分析

利用Licor-6200便携式光合作用测定仪，对建国以来黄淮海地区不同年代有代表性的12个冬小麦品种光合速率进行了测定，确定了相应的最大光合速率，此外，利用Licor-188B辐射量子照度仪测定了不同年代冬小麦品种的叶片光学特性和比叶重。研究表明国外参数与中国实际情况存在一定差异；即使国内同一作物，不同年代不同品种导致参数差异十分明显。因此作物模型输入参数不宜直接引用国外文献结论。文中给出了中国不同年代冬小麦叶片最大光合速率等农业气象指标，为农业气象数值模式提出了多种模型参数。     

冬小麦叶面积指数高光谱遥感反演方法对比

冬小麦叶面积指数(LAI,leafarea index)是评价其长势和预测产量的重要农学参数,高光谱遥感能够实现快速无损地监测叶面积指数。该文旨在将田间监测与高光谱遥感相结合,探索研究不同冬小麦叶面积指数高光谱反演方法的模拟精度及适应性。针对国际上普遍应用的2种高光谱遥感反演LAI模型方法,即回归分析法和BP神经网络法,在介绍2种LAI反演模型的基础上,选择位于黄淮海平原的山东省济南市长清区为研究区域,通过ASD地物光谱仪和SunScan冠层分析系统对冬小麦的冠层光谱及LAI变化进行田间观测,然后利用回归分析法和BP神经网络法构建冬小麦LAI反演模型,将模型估算LAI值和田间观测LAI值进行比对,分析评价2种方法的反演精度。结果表明,BP神经网络法较回归分析法估算冬小麦LAI的精度有较大提高,检验方程的决定系数(R2)为0.990、均方根误差(RMSE)为0.105。利用BP神经网络法构建反演模型能较好的对冬小麦LAI进行反演。研究结果可为不同冬小麦长势遥感监测提供理论和技术上的支持,并为大尺度传感器监测冬小麦长势和估产提供参考。     

Comparison of two inversion methods for winter wheat leaf area index based on hyperspectral remote sensing

冬小麦叶面积指数（LAI, leaf area index）是评价其长势和预测产量的重要农学参数,高光谱遥感能够实现快速无损地监测叶面积指数。该文旨在将田间监测与高光谱遥感相结合,探索研究不同冬小麦叶面积指数高光谱反演方法的模拟精度及适应性。针对国际上普遍应用的2种高光谱遥感反演LAI模型方法,即回归分析法和BP神经网络法,在介绍2种LAI反演模型的基础上,选择位于黄淮海平原的山东省济南市长清区为研究区域,通过ASD地物光谱仪和SunScan冠层分析系统对冬小麦的冠层光谱及LAI变化进行田间观测,然后利用回归分析法和BP神经网络法构建冬小麦LAI反演模型,将模型估算LAI值和田间观测LAI值进行比对,分析评价2种方法的反演精度。结果表明,BP神经网络法较回归分析法估算冬小麦LAI的精度有较大提高,检验方程的决定系数（R2）为0.990、均方根误差（RMSE）为0.105。利用BP神经网络法构建反演模型能较好的对冬小麦LAI进行反演。研究结果可为不同冬小麦长势遥感监测提供理论和技术上的支持,并为大尺度传感器监测冬小麦长势和估产提供参考。     

小麦叶形空间分布的模拟模型及推理系统

对不同类型冬小麦品种叶形空间分布参数进行了定量描述,建立了叶片形状、叶面积指数随生长期的变化、叶面积随高度的分布及叶倾角分布(LAD)等叶形空间分布的模拟模型及推理系统,提出了叶片形状因子和长势模拟模型,单叶空间最高点、高度层间隔内累积投影叶面积及各组分的空间取向与叶倾角分布解析模型系统及其主要设计算法。上述模型为具有普适意义的冬小麦冠层结构机理模型,其推理系统可以精确计算任意高度层次的投影叶面积分布特性,是评价作物株形结构优劣判断群体结构合理与否的有力工具,同时对于解析和利用多角度遥感数据监测作物长势等也具有重要参考价值