作物根系吸水特性研究进展

综述了作物根系吸水模型的研究现状、存在问题和研究展望。根据根系吸水源汇项S(z，t)的构造方法不同，可将作物根系吸水模型大致分为微观模型和宏观模型。微观根系吸水模型能够描述根区微域内土壤水分运动规律，但根系分布的均一性假设和田间情况相差较大；宏观根系吸水模型的边界条件容易确定和控制，但该类模型忽略了根系微域的水势梯度和其他类似现象。今后的研究应集中在对以往根系吸水模型进行修改与完善、根系过程(吸水、吸肥、渗流、呼吸等)模拟以及根系结构与分布等方面。     

冬小麦植株生长的形态构造模型研究

植物的结构与其生理功能关系密切。考虑植物经历的平均气候条件，在生长单元周期的水平上，建立了无水肥胁迫环境中冬小麦生长的形态构造模型，模拟了小麦地上植株拓扑结构的生成、鲜物质的生产和分配过程；根据实验数据估算模型的参数，模拟出了冬小麦在不同生长阶段的结构。该模型经完善后可用于指导农业生产。     

温室蔬菜生长发育模型研究进展

作物模型是进行作物生产精确管理的有力工具,对设施作物生产优化管理具有重要理论指导意义和应用价值.该文对国内外温室蔬菜生长发育模型的研究成果从功能模型、结构模型两个方面进行了阐述.对功能模型分别从叶面积、冠层辐射传输、光合作用、呼吸作用、干物质分配、产量形成的模拟以及生育期预测等方面进行了总结和评述.对结构模型,重点评述了从结构模型发展到结构-功能模型所取得的成果.最后讨论了研究中存在的薄弱环节以及今后的主要研究方向.     

棉花地上部形态模拟模型的建立

为构建基于生理生态过程的棉花虚拟生长模型,本研究以棉花模型COTGROW为基础,利用棉花品种"美棉33B"的3年田间密度试验数据,分析了棉株器官生物量-形态的关系,改进了COTGROW模型中的发育和形态发生模块,建立了基于生理生态过程的棉花地上部分形态模拟模型,并利用独立试验数据对模型进行检验。结果表明:模型对棉花地上部各器官形态特征的模拟值和测定值的吻合度较好,棉花株高、主茎节数、果枝数、各果枝果节数、节间长度、节间直径、叶片长度、叶片宽度、叶柄长度、叶柄直径、棉铃长度以及铃直径测定值与模拟值间的相关系数分别为0.99、0.99、0.99、0.92、0.95、0.93、0.75、0.71、0.81、0.62、0.98和0.98,均方根误差分别为3.85 cm、0.64、0.52、0.66、1.00 cm、0.15 cm、1.58 cm、2.39 cm、2.54 cm、0.05 cm、0.13 cm和0.10 cm。本研究建立的棉花地上部形态模拟模型能较准确地模拟棉花地上部分的生长状况,这将为棉花生长虚拟模型的开发奠定基础。     

棉花地上鲜生物量的高光谱估算模型研究

通过测试棉花6个生育时期350～2500 nm波段的冠层高光谱数据，采用连续统去除和波段深度归一化的分析方法，计算出棉花反射光谱550～750 nm波段深度参数(Dc)；同时，将冠层反射光谱数据与棉花鲜生物量进行逐步回归分析，确定了近红外波段763 nm及红光波段670 nm是棉花鲜生物量的2个敏感波段，并组成了高光谱归一化植被指数(NDVI)和比值植被指数(RVI)；基于Dc参数和NDVI、RVI植被指数，建立了棉花地上鲜生物量的5种单变量线性与非线性函数模型，分析表明，RVI的指数函数模型反演的棉花地上鲜生物量的估计值与实测值的相关系数最大(R=0.7289^**，RMSE=0.8776)；5种函数模型方程，经检验均达到1%的极显著水平，其中，以指数函数、幂函数和双曲线函数构建的棉花鲜生物量估算模型精度相对较高；该研究采用高光谱植被参数和指数，实时、无损、动态、定量提取了棉花地上鲜生物量，为分析、模拟、评价、预测棉花群体大小，设计理想棉花群体及棉花高光谱遥感估产提供了科学的依据。     

面源污染减排增汇措施下的农业生态经济系统耦合状态分析--以三峡库区忠县为例

三峡库区是国家生态环境建设重点治理区,实现农业经济发展和控制农业面源污染是该区域当前面临的两大难题。为明确库区面源污染减排增汇政策与措施下的农业生态经济系统耦合态势,以三峡库区典型面源污染治理区的忠县为例,利用生态农业发展和面源污染治理相关方面的数据,构建结构方程模型,考察三峡库区忠县农业面源污染减排增汇政策与措施背景下的农业资源利用、农业发展与农业生态经济耦合系统中各要素的相互关系与作用路径。通过设定面源污染减排增汇政策与措施、农业资源利用、农业发展、耦合状态的4个潜变量及其所对应的观测变量,根据对研究区农业生态经济系统耦合关系的感性认识,提出了6个基本假设,在此基础上设计农业生态经济系统耦合关系模型。实证结果表明:农业面源污染减排增汇措施与农业资源利用之间具有相互影响的关系,其路径系数为0.79,说明政府的农业面源污染减排增汇措施促进了农业资源的合理利用;农业面源污染减排增汇措施与农业发展之间具有相互影响的关系,其路径系数为0.80,说明面源污染的减排措施与政策对农业发展具有较强的激励作用;农业发展与农业资源利用具有相互影响的关系,其路径系数为0.77,说明农业经济的发展建立在农业资源合理利用的基础上;农业面源污染减排增汇措施对农业生态经济系统耦合态势具有正向作用,路径系数为0.85,说明研究区面源污染减排措施对耦合态势具有明显改善作用;农业资源利用和农业发展对农业生态经济系统耦合态势具有正向作用且作用较大,其路径系数分别为0.91和0.89,说明农业产业与农业资源系统的耦合符合其本质的运行规律发展。综合考虑上述潜变量之间的结构关系,发现农业面源污染减排增汇下的农业资源与农业经济发展成为影响系统耦合的关键,这是理解系统耦合的一个有效视角。     

耦合粘虫胁迫的玉米生长可视化模拟

针对难以定量化模拟虫害影响植物形态结构和生理过程的问题,提出将虫害影响耦合至植物功能-结构模型中的可视化模拟方法。根据粘虫啃食叶片的空间分布特征,改进细胞纹理特征点和基函数,适用于描述粘虫啃食路径,采用单叶被啃食率描述被啃食程度,并以三维可视化形式模拟虫害啃食效果;结合粘虫数量、啃食量以及分布规律,估计各单叶被啃食率,根据单叶虫洞可视化方法,定量化表达粘虫对单株玉米形态结构的影响;根据植物形态结构变化,将粘虫胁迫作用于生物量产量、生物量分配等植物生理过程,确定粘虫对植物形态发育的影响。试验结果表明,单叶虫洞可视化方法能较形象、逼真的仿真不同受灾程度下粘虫对叶片形态的影响,并将虫害影响耦合至功能-结构模型中,实现虫害胁迫下植物生长发育的模拟和仿真,为定量描述和理解灾害程度提供新思路。     

基于生长模型的玉米三维可视化研究

为了实现对玉米形态结构的定量化和可视化描述，提出了基于生长模型的玉米形态模拟及三维可视化的技术框架。通过资料收集和田间观测研究，构建了可描述不同玉米品种叶片、叶鞘和节间等器官的主要形态结构参数随叶序变化的形态知识模型。在玉米生长模型框架内，整合玉米形态知识模型和基于形态特征参数的器官几何模型，使玉米生长模型可输出玉米拓扑结构和各器官的形态特征参数，实现了对玉米形态建成过程的定量化模拟，并进一步驱动几何模型进行玉米植株和冠层的三维重建。根据上述“生长模型-形态模型-数学模型-显示模型”的思路，模拟了玉米“农大108”的三维形态建成过程及冠层的三维形态，具有较强的真实感，为玉米形态结构研究提供了新的思路和手段。     

林木根系结构动态模型研究

林木根系结构和发展的动态模型,是综合根系各种发展过程,模拟多种动态交互作用,分析树种、土壤和环境条件对根系形态的影响,研究土壤-植物-大气系统的重要工具。根据近年来国外林木根系模型研究现状综述了垂直根型,水平根型,复合根型和具有一般性的根系动态模型。     

草地净第一性生产力估算的研究进展

草地净第一性生产力(NPP)是全球变化与陆地生态系统研究的核心内容之一。草地NPP的模拟方法从站点实测法、统计模型发展到了机理性的过程模型，NPP的站点实测数据为统计模型和过程模型模拟结果提供参考。统计模型通过NPP和温度、降雨等气候因子或者直接与遥感获得的植被指数建立统计关系计算NPP；过程模型从机理上对植物的生物生理过程进行模拟并能够对NPP的影响因子进行分析,主要过程包括了光合作用、生长和维持呼吸、蒸散、氮吸收和释放、光合物质分配与分解，和季相变化等。遥感过程模型通过遥感手段获得地表覆盖状况、植被冠层结构变量值(如LAI)、地表反射率、地表辐射温度及土壤水分状况等作为重要参数应用到模型中，改善了模拟结果的时空精度，成为当前草地生产力模型的主要研究方向。最后对遥感监测草地NPP研究中存在的问题进行了分析并提出了展望。     

Evaluation of a radiosity based light model for greenhouse cucumber canopies

Light distribution is a key factor of developmental and growth processes, and strongly depends on the foliage distribution which is affected, e.g., by the arrangement of the plants in the canopy. The precise simulation of the light distribution on organ level is an essential component for dynamical plant models which incorporate structural and physiological adaptions of plants to their environment. Combinations of static 3D plant models with 3D light models are used for analyzing the complex light distribution on leaf level in silico, but detailed measurements for evaluation of simulation results are almost non-existent. This study addressed the evaluation of a model on a high level of detail using individual leaf based light measurements in canopies of cucumber (Cucumis sativus L.). We combined a static 3D plant model derived from digitized plants on an individual organ scale with a mock-up of the surrounding canopy and a 3D radiosity based light distribution model. Variations of plant density and spacing were analyzed to cover a range of canopy architectures. An exclusion of components of the light environment by applying a shading encasement followed by a successive uncovering allowed investigating the scene under increasing levels of complexity. The combined 3D plant-light distribution approach allowed determining the interaction of the light directions and the canopy architecture as well as differences in the accuracy of the simulations. Depending on canopy architecture and shading treatment, the light distributions covered a range from exponentially shaped vertical gradients in encased treatments to nearly flat light profiles in nonencased conditions. In conclusion, simulations of leaf level PAR based on combinations of detailed 3D surfaced-based plant and light distribution models are suitable to derive light-induced physiological responses on organ level.     

油菜光合生产模拟模型

Photosynthetic production is a major determinant of final yield in crop plants. A simulation model was developed for canopy photosynthesis and dry matter accumulation in oilseed rape (Brassica napus L.) based on the ecophysiological processes and using a three-layer radiation balance scheme for calculating the radiation interception and absorption by the layers of flowers, pods, and leaves within the canopy. Gaussian integration method was used to calculate photosynthesis of the pod and leaf layers, and the daily total canopy photosynthesis was determined by the sum of photosynthesis from the two layers of green organs. The effects of physiological age, temperature, nitrogen, and water deficit on maximum photosynthetic rate were quantified. Maintenance and growth respiration were estimated to determine net photosynthetic production. Partition index of the shoot in relation to physiological development time was used to calculate shoot dry matter from plant biomass and shoot biomass loss because of freezing was quantified by temperature effectiveness. Testing of the model for dynamic dry matter accumulation through field experiments of different genotypes, sowing dates, and nitrogen levels showed good fit between the observed and simulated data, with an average root mean square error of 10.9% for shoot dry matter. Thus, the present model appears to be reliable for the prediction of photosynthetic production in oilseed rape.     

台湾泥岩地区刺竹林之微气候模式

以野外土壤立地条件而言,植物环境的微气候,不仅会影响植物之发育与生长,亦能作为仿真野外现场之试验用。因此,如何量化微气候之变异与植物生理反应之关系,对土壤贫瘠之泥岩地区植物之生长就显得格外重要。探讨泥岩地区盆栽植物之微气候影响因素,并以蒸发散量模式量化这些因子。并由此盆栽之试验结果,推衍至大面积不同植群之微气象量化模式。以台湾西南部泥岩地区之刺竹植物为例,推演微气候能量平衡模式,以描述植物蒸发散及其周围温湿度、叶温及日射等环境微气象因子之变化,并以实测数据验证比较不同模式之适称性与预测性能。由野外实测值与模式之预测值比较结果,经统计残差分析显示此模式合乎物理之合理性。对于刺竹覆盖植物之微气候蒸发散预测模式,此模式的显著误差出现于日照迅速变化时段或极端温湿度变动大时。     

PROSAIL模型和水云模型耦合反演农田土壤水分

土壤水分的实时、动态监测对农业生产及作物估产有着非常重要的意义。该文提出一种光学和雷达遥感半经验耦合模型,该模型通过引入植被覆盖度将作物覆盖下的散射贡献与裸露地表的直接散射贡献区分开,结合水云模型和PROSAIL模型对农田区域土壤水分进行反演研究。结果表明：该耦合模型模拟得到的后向散射系数与实测值之间具有较好的线性关系,在HH和VV极化下决定系数R2分别为0.792和0.723,RMSE分别为0.600和0.837 dB。同时该模型对农田区域土壤水分的反演精度也较高,其R2为0.809,RMSE为0.043 cm3/cm3。因此该模型可以有效分离农田作物及裸露土壤对雷达信号的影响,准确建立地表直接后向散射贡献与土壤水分的关系,为大面积复杂地表类型覆盖区域的土壤水分反演提供研究思路和理论支持。     

基于夏玉米冠层内辐射分布的不同层叶面积指数模拟

为了模拟夏玉米冠层内各层叶面积指数垂直分布,光合有效辐射（photosynthetically active radiation, PAR）是研究作物群体光合作用和长势的重要特征参数,阐明冠层内PAR的垂直分布规律与冠层结构等参数之间的相关关系,可为遥感定量反演冠层结构参数提供模型基础。该文基于PAR在冠层内的辐射传输规律结合冠层结构模拟不同太阳高度角的PAR透过率垂直分布模型,并用地面冠层分析仪测量值进行验证,结果表明模型对封垄前玉米抽雄期冠层内PAR透过率垂直分布模拟精度较高。通过不同太阳高度角PAR透过率的垂直分布模型结合消光系数运用不同算法分别反演层叶面积指数（leaf area index, LAI）,并与不同高度层LAI实测值进行比较。结果显示：Bonhomme& Chartier算法反演不同高度层LAI精度较高,上层均方根误差（root mean square error,RMSE）为0.18,中层RMSE为0.55,下层RMSE为0.09。不同太阳高度角反演结果存在差异,30°和45°高度角均能较好地反演下层LAI,RMSE分别为0.11与0.09;30°高度角反演中层LAI精度较高,RMSE为0.30;45°高度角反演上层LAI精度较高,RMSE为0.18。结果表明基于不同太阳高度角构建的层LAI反演模型更适于实现夏玉米不同高度层LAI的遥感估算。该研究可为模拟垄行结构冠层内LAI垂直分布提供参考。     

核桃果实表面微气候环境与果实外观品质的关系

以核桃品种‘温185’为试验材料，观测树冠不同方位和冠层果实表面微气候的变化规律与果实外观品质，分析微气候与果实外观品质的相关性，以探讨核桃树冠内不同位置的果实表面微气候对果实外观品质的影响，为核桃叶幕结构优化和树体微环境调控管理提供理论依据。结果表明：（1）在冠层内不同高度，随着冠层区域由下层到上层，全发育期果实表面平均光照强度和温度均增加，平均湿度表现为下降，果实的青皮果鲜重、青皮厚度、坚果鲜重、坚果干重、坚果纵径、坚果横径、果壳厚度、仁干重均有不同程度增加，而果壳露仁率减少；（2）同一高度冠层内，果实表面微气候环境和果实品质的差异明显小于树冠下层与上层的差异，优质的核桃果实主要集中在冠层外围和上层区域；在树冠不同方位，东侧和南侧的果实表面光照强度和温度均高于北侧和西侧，但东侧果实表面湿度却大于西侧，光照强度在同一高度冠层内不同方位差异显著，温度和湿度均无显著差异；（3）树冠不同方位和不同冠层的果实外观品质差异显著，与果实表面微气候有很强的相关性，其中，果实青皮果鲜重、青皮厚度、坚果鲜重、坚果干重、坚果纵径、坚果横径、果壳厚度、仁干重与光照强度、温度均呈显著正相关，与湿度呈显著负相关；果壳露仁率与果实表面光照强度和温度呈极显著负相关，与果实表面湿度呈显著正相关，东侧和南侧树冠果实的果壳露仁率与光照强度（−0.965、−0.838）和温度的负相关性最强（−0.895、−0.878），北侧和西侧树冠与湿度正相关性最强，相关系数分别为0.929和0.945；果实表面光照强度在不同方位和冠层高度对果实品质的影响最大，果实表面温度对果实品质的影响仅次于光照强度，而果实表面湿度对果实品质的影响相对较小。树冠内相应区域果实表面微气候显著影响核桃果实结构的建成，其协同效应对核桃果实品质的影响更大；树冠东侧和南侧、上层和外围接受的光照强度和温度较好，有利于果实的生长发育；树冠中、下层和树冠中部、内部果实品质更强烈地受到微气候环境的影响，基于叶幕结构和果实品质特性的园艺措施可改善果实表面微气候环境，有利于核桃果实品质的整体提高。     

基于流固耦合模型的U型渡槽模态分析及验证

为提高渡槽结构工作模态特征的准确度,结合附加质量法原理和流固耦合（fluid solid interaction,FSI）系统理论,以景电工程输水渡槽为研究对象,建立不同形式的固-液耦合模型,对其进行工作模态数值分析,并将数值分析结果与采用小波阈值-经验模态分解联合滤波的希尔伯特-黄变换法（hilbert-huang transform,HHT）实测提取的频率值进行对比。结果表明：考虑FSI系统耦合模型的结果与HHT辨识结果吻合的较好,最大误差值为4.59%,比附加质量模型最大误差小5.97百分点,同阶次频率误差均比附加质量模型小,且弥补了附加质量模型出现的模态缺失现象。可见考虑FSI系统耦合模型的计算结果在模拟阶数和精度方面都优于附加质量模型,能准确反映渡槽结构的工作特性,可用在渡槽结构动力特性分析中,亦可作为后续渡槽结构损伤诊断研究的基准有限元模型。     

Waterlogging of cotton calls for caution with N fertilization

Abstract

The main objective of this investigation was to evaluate the effects of nitrogen on waterlogging resistance in terms of changes in dry-matter accumulation, root antioxidant enzyme activities, root vigor, and photosynthesis under waterlogging during the flowering and boll-development stage. Cotton plants grown in pots with three N levels (0, 4.5, and 9.0 g N pot^?1, equivalent to 0, 240, and 480 kg N ha^?1, respectively) were subjected to waterlogging for eight days and then permitted to recover for fifteen days. The dry weights of root and shoot were decreased by waterlogging, and were highest at 240 kg N ha^?1. In waterlogged root, the activities of superoxide dismutase and catalase decreased and that of peroxidase increased in comparison with the control. The application of N increased the activities of catalase and peroxidase of both waterlogged root and the control, but decreased superoxide dismutase activity. Malondialdehyde content, an indicator of membrane lipid peroxidation, was significantly increased, and was lowest in the 240 kg N ha^?1 N treatment during waterlogging. Both root vigor and canopy apparent photosynthesis rate, which were weakened by waterlogging, reached a peak at 240 kg N ha^?1. At the 15th day after termination of waterlogging, N application promoted root vigor and canopy apparent photosynthesis rate of waterlogged cotton plants. These results indicated that an appropriate N supply (240 kg N ha^?1) may contribute to waterlogging resistance of cotton by adjusting the antioxidant enzyme activities of root, reducing lipid peroxidation and boosting root vigor; however, excessive N supply (480 kg N ha^?1) may lead to an adverse impact on waterlogging resistance of cotton. Therefore, the application of N should be reduced to decrease stress when waterlogging occurs, and additional N fertilizer may be used to promote cotton growth after waterlogging.     

秒尺度温室番茄作物-环境互作模型构建与验证

为了解决现有温室模型时间尺度不统一的问题,该研究建立了一个时间尺度统一的温室番茄作物-环境互作模型,描述作物与环境之间的相互作用,提高模型的精准性。首先,将番茄作物生长模型拆分成SUPPLY、PARTITION、GROWTH3个子模块,针对3个模块在由天数量级时间尺度到秒数量级时间尺度变换时存在的问题,通过模型替换、结构改造、参数辨识等方法对时间尺度进行了转换,并利用EFAST敏感性分析算法将模型中的不确定参数分为敏感参数和不敏感参数两类。然后,在秒时间尺度番茄作物生长模型的基础上,考虑番茄作物对温室环境的实时反馈,结合小气候模型形成包含未知参数的"通用"的互作模型结构。最后,利用贝叶斯优化方法及番茄生产温室的实际数据,分别对互作模型中生长模型和小气候模型的未知参数进行参数辨识,确定互作模型全部结构与参数,得到可用的互作模型。利用该研究得到的秒时间尺度生长模型对2015—2018年上海崇明A8温室番茄产量进行模拟,其与真实产量值间的均方根误差在7.34～18.85 g/m~2之间,平均相对误差在5.8%～18%之间,均小于TOMGRO模型与Integrated模型,可以更好地预测产量变化。含作物反馈的小气候环境模型经参数辨识后,模拟番茄作物3个不同生长时期(幼苗期、开花坐果期、结果期)的环境因子(温室内温度、湿度、CO_2浓度)变化的平均相对误差均在3%～6%之间,且相较于未考虑作物反馈的一般小气候模型有更好的模拟效果。互作模型的建立将作物与温室小气候环境统一成一个模型,可以为温室环境控制提供模型基础。