基于动态生长模型的植物根系模拟研究

围绕基于动态生长模型的植物根系模拟技术展开研究与讨论,在分析了冬小麦根系动态生长模型的基础上,提出了一种利用改进型L系统规则结合动态数据结构的冬小麦根系模拟方法并予以实现.引入了植物根系的"管道模型",使系统在模拟根系生长的同时,能完成对根系各生长参数的计算,最后能生成根系图形并计算出根系研究所需要的根长、根重、根体积等重要参数,实现了根系生长发育模型和形态发生模型的有机结合.     

水稻根系建成对高产形成的模拟模型与调控决策研究：I水稻 …

为建立水稻根系的模拟,对水稻根系形态建成参数与产量形成及地上部器官建成之间的关系进行了研究,结果表明齐穗期的上位根干重密度和上位根长密度与每蔸穗数、每蔸有效穗数及籽粒产量之间关系密切,根系参数与地上部叶干重、叶面积指数呈正相关,并建立了上位根重密度及根长密度与产量之间的回归方程。     

水稻根系建成对高产形成的模拟模型与调控决策研究──Ⅰ 水稻根系形态建成参数与产量形成关系的初步研究

为建立水稻根系的模拟,对水稻根系形态建成参数与产量形成及地上部器官建成之间的关系进行了研究,结果表明齐穗期的上位根干重密度和上位根长密度与每蔸穗数、每蔸有效穗数及籽粒产量之间关系密切,根系参数与地上部叶干重、叶面积指数呈正相关,并建立了上位根重密度及根长密度与产量之间的回归方程。     

基于动态生长模型的植物根系模拟研究

围绕基于动态生长模型的植物根系模拟技术展开研究与讨论,在分析了冬小麦根系动态生长模型的基础上,提出了一种利用改进型L系统规则结合动态数据结构的冬小麦根系模拟方法并予以实现。引入了植物根系的“管道模型”,使系统在模拟根系生长的同时,能完成对根系各生长参数的计算,最后能生成根系图形并计算出根系研究所需要的根长、根重、根体积等重要参数,实现了根系生长发育模型和形态发生模型的有机结合。     

不同品种和氮肥条件下水稻根系主要几何参数动态量化

目的建立基于生物量的水稻根系主要几何参数动态模型,为水稻功能-结构模型的研究奠定基础。方法于2008和2009年设置3个品种[两优108(V1,杂籼)、86优8(V2,杂粳)和南粳43(V3,常规粳稻)]和2个氮肥水平盆栽试验获取根系形态及根干重等指标,采用SPSSv13.0与Excel2007处理试验数据,RMSE检验模型。结果利用2008年观测资料,通过分析不同品种与施肥处理下水稻单株总根长及根直径与生物量间的定量关系,建立了基于生物量的水稻单株总根长动态模型;根据立体几何原理,构建了基于生物量的水稻总根体积与总根表面积动态模型。经2009年独立试验资料检验,单株总根长、总根体积及总根表面积的实测值与模拟值的RMSE分别为490.660cm/plant、131.859cm2/plant和2.532cm3/plant,说明模型拟合度较好。结论所建水稻根系主要几何参数模型具有一定机理性、解释性和通用性,对水稻功能-结构模型研究及水稻可视化奠定了基础。     

植物生长条件下土壤水分与养分资源动态分布的模拟研究

借助根系功能-结构机理模型,在动态描述根系空间生长发育的基础上,采用根系空间吸水速率函数耦合三维土壤水动力学模型,描述根系吸收条件下土壤水分的时空分布;以根个体为中心,采用扩散方式,描述了由于根系吸收土壤中磷元素而引起的土壤中有效磷分布的动态变化。通过小麦苗期根系结构与生物量的动态观测试验,获取了根系生长参数,利用文献资料获取了土壤水分运移参数、土壤有效磷扩散参数。在设定的灌溉与蒸散情景下,模拟了根长密度与根系吸收速率在三维空间的动态分布、根系吸水条件下土壤水分三维时空变化以及根系吸收磷元素的条件下土壤中有效磷的亏缺区域变化过程。模拟结果显示,根系-土壤系统能够实时地模拟根系生长下土壤环境资源的动态变化。     

烤烟地上部器官形态建成模拟模型

为构建烟草地上部器官的模拟模型,采用盆栽试验方法系统测定了烟草不同生育时期器官的生物量,构建了烟草不同生长阶段器官形态的动态模型.通过对2007年烟草器官形态的模拟,表明烟草地上部不同生长周期的器官形态模拟值与田间试验数据的相关系数在0.735～0.997,达极显著水平,表明模型对烟草地上部器官形态发育动态具有较好的预...     

梨枣人工林有效吸收根系密度分布规律研究

【目的】为黄土高原丘陵沟壑区梨枣根系吸水模型的建立提供关键参数。【方法】通过分层分段挖掘法,对8年生梨枣人工林根区有效根长密度和根质量密度的空间分布进行研究。【结果】在水平方向上,梨枣根长密度分布呈典型的负指数型,根质量密度分布呈抛物线型,吸收根根长和根质量密度主要集中在距树干0～60 cm水平距离内,分别占总吸收性根长和根质量密度的73.5%和75%,其中最大有效根长和根质量密度均在0～30 cm水平距离,其有效根长和根质量密度分别占总吸收性根长和根质量密度的56.77%和50.26%;在垂直方向上,梨枣根长密度和根质量密度分布均呈幂函数型,吸收根系根长和根质量密度主要分布在0～40 cm土层,其有效根长和根质量密度分别占总吸收性根长和根质量密度的79.1%和78.88%,其中最大有效根长和根质量密度均分布在0～20 cm土层,其有效根长和根质量密度分别占总吸收性根长和根质量密度的61.62%和59.47%。【结论】非线性参数拟合分析表明:采用RD=ea+bX+cZ的函数模型,能较好地模拟梨枣有效根长密度和有效根质量密度的空间分布状况,为梨枣根系空间分布状况的估计提供了参考。     

不同氮吸收效率玉米品种的根系构型差异比较：模拟与应用

 【目的】研究玉米根系构型及其在土壤中的空间分布与氮吸收效率的关系,并通过根系功能-结构模型将根系构型可视化。【方法】以玉米自交系氮高效478与氮低效Wu312为材料,在田间试验的基础上,通过对种子根和不同轮次节根扫描,并以实测根长结果为参数,在改进的根系功能-结构模型的基础上对根系形态进行模拟。【结果】氮高效自交系478的种子根和每一轮节根长度、根系形态,以及根系在土壤空间中的分布都优于氮低效自交系Wu312。从模拟的角度可以看出,478根系具有较大的生长速率和分支密度。对不同轮次节根的发生、生长和衰老规律研究表明,第1～3层节根仅占总根长的很小部分,其根长分别在播种后35、57和76 d左右达到最大值,随后开始衰老;第4层以后的节根发生时间集中,与植株进入快速生长期、吸氮速率迅速增加密切相关。第4层以后节根的根长均在播种后93 d左右达到最大值,随后开始迅速衰老。【结论】玉米根系形态及其在土壤中的时空分布差异是造成氮素吸收效率差异的重要因素。以根系长度为参数,可以利用根系功能-结构模型实现不同生长发育阶段的玉米根系构型差异的可视化。     

不同抗旱性花生品种的根系形态发育及其对干旱胁迫的响应

为明确不同抗旱性花生品种的根系形态发育特征,探讨其根系形态发育特征对不同土壤水分状况的响应机制,在防雨棚旱池内进行土柱栽培试验,研究抗旱型品种"花育22号"、"唐科8号"和干旱敏感型品种"花育23号"3个不同抗旱性花生品种根系形态发育特征及其对干旱胁迫的响应。结果表明:抗旱型品种根系较发达,具有较大的根系生物量、总根长、总根系表面积。干旱胁迫使抗旱型品种根系总表面积和体积增加,而干旱敏感型品种则相反。干旱胁迫显著增加抗旱型品种"花育22号"20 cm以下土层内根长密度分布比例及根系表面积和体积,但"唐科8号" 相应根系性状仅在20-40 cm土层内增加;干旱胁迫使干旱敏感型品种"花育23号"40 cm以下土层内各根系性状升高,但未达显著水平且其深层土壤内各根系性状增加幅度小于"花育22号"。花生根系总长、总表面积及0-20 cm土层内根系性状与产量间呈显著或极显著正相关。土壤水分亏缺条件下,花生主要通过增加深层土壤内根长、根系表面积和体积等形态特性,优化空间分布构型,以调节植株对水分的利用。     

水稻叶片几何参数的模拟分析

【目的】在生长模型输出的基础上，构建预测水稻叶片几何参数的动态模型，以便更准确地实现水稻的虚拟生长。【方法】在试验观测的基础上，分析了不同品种类型水稻分蘖与主茎同伸叶片叶长之间以及叶长与叶宽之间的定量关系，进一步耦合水稻叶龄、叶面积和茎蘖数模拟模型，进行水稻叶片几何参数变化的动态模型构建。【结果】不同品种类型水稻分蘖与主茎同伸叶片的叶长比随分蘖叶序呈二次曲线变化，叶长与叶宽的关系可用幂指数函数描述。运用独立实测资料对模型进行的初步检验显示，本模型可较好地模拟不同生长条件下水稻不同叶位叶片的几何参数。【结论】本研究构建的水稻叶片几何参数分析模型较好地体现了器官几何参数受生态环境、品种类型和栽培措施影响的形态生理规律，为水稻虚拟生长提供了可靠和普适的叶片几何特征确定方法。     

基于APSIM模型旱地小麦叶面积指数相关参数的优化

【目的】 模型的有效应用依赖于参数的快速、准确估算。本研究拟解决作物生长模型参数本土化率定过程中运算量大、耗时长、精度低、效率低的问题。【方法】 依据甘肃省定西市安定区2个试验点（李家堡镇麻子川村和凤翔镇安家沟村）,多年（2002—2005年和2015—2017年）大田试验数据以及定西市安定区1971—2017年气象资料,利用混合蛙跳算法智能的迭代搜索原理,对APSIM模型旱地小麦叶面积指数相关参数进行了优化,并采用相关性分析方法对模型校正结果进行检验。【结果】 利用青蛙群体即相对独立又合作协调的子群内局部深度搜索与子群间全局信息交流生物进化学习策略,有效提高了运算的速度,实现了对APSIM模型中与旱地小麦叶面积指数相关参数的快速、准确估算。相关参数主要包括：主茎上节出现所需的热时间间隔、小麦出苗后初始化的节数、小麦出苗后初始化的叶片数、小麦出苗后初始化的叶面积指数、某日正在生长的节数和最大比叶面积。分别使用穷举试错法所得参数值和混合蛙跳算法所得参数值模拟叶面积指数,参数优化后,叶面积指数模拟值和实测值之间的RMSE（root mean square error）平均值由0.069降低到0.027,NRMSE（normalized root mean square error）平均值由8.09%降低到4.56%,M_E（model effective index）平均值由0.979提高到0.993。【结论】 相对于参数率定常用穷举试错法,混合蛙跳算法具有自发学习特征的智能迭代行为,实现了参数的自动率定,提高了效率。基于该算法进行APSIM模型旱地小麦叶面积指数相关参数的优化,使得模型对叶面积指数的模拟精度显著提高,证明该算法的使用对作物生理生态系统复杂模型的校正效果良好,为改善模型参数率定过程存在的运算量大、耗时长、精度低、效率低的缺点提供了一种行之有效的方法。     

作物生长模型同化SAR数据模拟作物生物量时域变化特征(英文)

生物量是监测作物长势的一个重要指标,可以反映作物的生长状况,和作物产量有密切关系。遥感获取生物量的方法之一是通过基于矢量辐射传输方程的微波冠层散射模型反演,但多数模型反演方法并未考虑作物生物量在不同阶段的变化特征。运用数据同化方法,将 SAR 数据提取的生物量信息和作物生长模型结合,描述作物生物量与时间变化的关系,提高生物量估测精度。通过分析生物量和 SAR 数据提取的后向散射系数的时域变化关系建立反演模型估算生物量。在构建代价函数的基础上,采用共轭梯度法对生长模型参数进行优化,使模型估算的生物量和SAR 数据反演的生物量差值最小。结果表明,引入 SAR 数据修正后的作物生长模型模拟生物量和实测值的时间分布基本吻合,且比未引入 SAR数据的结果精度有明显提高。因此采用 SAR 数据提取的作物实时生长信息可以修正作物生长模型关键参数以提高模拟生物量的精度。     

Integrating remote sensing information with crop model to monitor wheat growth and yield based on simulation zone partitioning

Research into crop growth models at the spatial scale is of great significance for evaluating crop growth, predicting grain yield and studying global climate change. Coupling spatial remote sensing (RS) data can effectively promote the simulation of growth models at spatial scales. However, the integration of RS data and crop models to produce a coupled model based on pixel by pixel requires a large amount of calculations. Simulation zone partitioning is used to separate and cluster the large area into a few relatively uniform zones. Then, the growth model can run on the basis of these units. This method both reflects spatial heterogeneity and avoids repeated simulations of regions with similar attributes, improving the simulation efficiency. In this study, simulation partitioning was performed using soil nutrient indices (organic matter content, total nitrogen content and available potassium content) and corresponding spatial characteristics of wheat growth, as indicated by RS data. A coupled model, integrating RS information and the WheatGrow model, using vegetation indices as the coupling parameters (based on the Particle Swarm Optimization algorithm and PROSAIL model), was developed. The aim was to realize accurate prediction of wheat growth parameters and grain yield at the spatial scale. Good zone partitions were obtained by partitioning with the spatial combination of soil nutrient indices and the wheat canopy vegetation index, calculated during the main growth (jointing, heading and filling) stages. The variation coefficients of each index within individual simulation sub-zones were much smaller than those of the indices across the whole area. An analysis of variance showed that the indices were significantly different between the simulation sub-zones, which indicated that appropriate simulated sub-zones had been defined. The minimum root mean square error of the leaf area index, leaf nitrogen accumulation and yield between the predicted values and the values simulated by the coupled model were 0.92, 1.12 g m^?2, and 409.70 kg ha^?1, respectively, which were obtained when the soil-adjusted vegetation index was used as a partitioning zone and assimilating parameter. These results demonstrated that the coupled model of the crop model and RS data, based on the simulation sub-zones had a good prediction accuracy. The results provide important technical support for increasing model efficiency, when crop models need to be applied at the spatial scale.     

麦饭石矿物肥对海南茄衣生理特性及工业可用性的影响

以海南2号为材料,通过大田实验研究了不同施用量麦饭石矿物肥对海南茄衣烟叶生长、叶片抗氧化酶活性及渗透调节物质含量、光合荧光特性以及烤后烟叶品质的影响。试验结果显示,与常规施肥相比,增施麦饭石矿物肥能显著增加根长、根体积、根系活力,促进烟株生长发育(P<0.05);能有效降低叶片MDA含量、SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性;茄衣叶片的光合作用指标Pn、Gs、Ci和WUE以及叶绿素荧光参数Fv/Fm、ΦPSⅡ、qp均显著高于常规施肥处理,而Tr、NPQ则明显较低(P<0.05);同时,有效提高烟叶的拉力和平衡含水率、降低烟叶厚度、叶质重和含梗率等物理特性指标,显著降低烟叶氮碱比,提高钾氯比、灰分含量和感官评吸分数。上述结果表明,增施促进烟株生长发育,改善叶片生理特性,同时改善烤后烟叶物品质,以450 kg/hm2施用量效果最好。     

不同烤烟新品种苗期根系形态建成及相关研究

为了对宜宾市烟区及类似烟区筛选优良新品种及培育壮苗提供理论依据,采用相关分析、通径分析等统计方法对新近育成的烤烟新品种移栽前根系长度、宽度、根数、根面积、根体积、干物质等指标相互之间的关系进行分析.结果表明:根系长度、根系数量对干物质积累影响作用较大,其他根系构成因素的影响相对较小.     

烤烟叶面积指数增长的优化模型研究

以不同土壤水分处理条件下烤烟叶面积指数的变化为基础,对烤烟叶面积指数增长模型进行了优化研究。结果表明,不同土壤水分处理条件下,烤烟叶面积指数的变化呈单峰曲线,各处理间无明显差异。用普适增长模型可较好地模拟叶面积指数变化,而用修正的指数增长模型模拟的效果更好,模拟值与实测值间的相关系数高于普适增长模型,可作为模拟烤烟叶面积指数增长的优化模型。     

Mapping Spatial and Temporal Variations of Leaf Area Index for Winter Wheat in North China

Leaf area index(LAI)is an important parameter in a number of models related to ecosystem functioning,carbon budgets,climate,hydrology,and crop growth simulation.Mapping and monitoring the spatial and temporal variations of LAI are necessary for understanding crop growth and development at regional level.In this study.the relationships between LAI of winter wheat and Landsat TM spectral vegetation indices(SVIs)were analyzed by using the curve estimation procedure in North China Plain.The series of LAI maps retrieved by the best regression model were used to assess the spatial and temporal Variations of winter wheat LAI.The results indicated that the general relationships between LAI and SVIs were curvilinear,and that the exponential model gave a better fit than the linear model or other nonlinear models for most SVIs.The best regression model was constructed using an exponential model between surface-reflectance-derived difference vegetation index(DVI)and LAI,with the adjusted R2(0.82)and the RMSE(0.77).The TM LAI maps retrieved from DVILAI model showed the significant spatial and temporal variations.The mean TMLAI value(30m)for winter wheat of the study area increased from 1.29(March 7,2004)to 3.43(April 8,2004),with standard deviations of 0.22 and 1.17,respectively.In conclusion,spectral vegetation indices from multi-temporal Landsat TM images can be used to produce fine-resolution LAI maps for winter wheat in North China Plain.