基于植株拓扑结构的生物量分配的玉米虚拟模型

依据植物结构—功能相互作用机理,建立了能模拟玉米生长发育与形态结构建成的虚拟模型。该模型的重要部分为基于植株拓扑结构的生物量分配模块。叙述了该模块的构建原理,以2000年田间试验数据提取了玉米的发育、生物量生产和生物量分配参数。模型模拟了2001年的玉米生长发育与生物量分配过程,模拟结果与田间试验结果比较吻合。应用该模型模拟了2001年玉米不同生育阶段植株的生物量分配和各器官生物量积累动态。     

WOFOST模型在内蒙古河套灌区模拟玉米生长全程的适应性

在河套灌区引入成熟的作物模型并进行适应性验证,可为进一步开展玉米生长监测及估产提供依据和基础。本文利用河套灌区巴彦淖尔农业气象试验站2012年玉米观测数据,结合当地气象、土壤资料对荷兰瓦赫宁根大学开发的WOFOST模型进行参数校准,并利用2013年玉米观测数据和2001—2011年农业气象观测资料对模型的区域适用性进行验证,获得了玉米的基本作物参数,包括各发育阶段比叶面积、最大CO2同化率、单叶光能利用率等。结果表明:通过校准作物参数,WOFOST模型可以较好地模拟LAI扩展、生物量的动态积累过程,LAI、各器官生物量及最终产量的模拟值与实测值吻合较好;独立样本检验中,模型模拟LAI的绝对偏差平均值为0.75,叶生物量、茎生物量、贮存器官生物量、地上部总生物量、产量的归一化均方根误差分别为33%、26%、17%、18%和13%;模拟2001—2011年玉米产量的归一化均方根误差为7.5%。参数校准后的模型对LAI、各器官生物量、产量的模拟结果较为符合实际,WOFOST模型能够适用于河套地区玉米生产过程生理、生态因子诊断、评估等。     

基于光合产物动态分配的玉米生物量模拟

光合产物分配是作物生长发育及生物量形成的关键环节,也是作物生长模拟的重要内容.本研究依据光合产物分配机理,结合玉米不同生长阶段的光合产物分配特点,构建了玉米光合产物分配模型.与WOFOST模型的CO₂同化模块相结合,实现了对玉米各器官生物量动态的逐日模拟.利用锦州农田生态系统野外观测站5年的春玉米大田试验资料对模拟效果进行了验证.结果表明: 模型能解释总生物量变化的95.4%;对营养器官生物量变化的解释率达87.0%;对叶、根、茎生物量变化的解释率分别达85.3%,67.9%和76.5%;对穗生物量变化的解释率达87.5%.模型可实现玉米各器官的生物量动态的准确模拟.     

基于GreenLab原理构建油松成年树的结构-功能模型

 林木的结构-功能模型(functional-structural tree modeling, FSTMs)是基于器官级组件构建的将植物结构和功能结合起来的一类模型, 在应用于成年树时需要解决拓扑结构复杂性和年轮分配模式普适性的问题。该文以18年生和41年生的油松 (Pinus tabulaeformis)成年树为研究对象, 将GreenLab模型应用到成年树的模拟中。采用破坏性取样, 实测了2株油松成年树的形态结构, 利用子结构模型解决成年树拓扑结构复杂性的问题, 引入年轮影响系数λ, 将全局分配模式和Pressler模式结合起 来, 解决年轮分配模式在不同年龄和环境条件下不同的问题。模型的直接参数通过实测数据获得, 隐含参数利用非线性最小二乘法拟合反求获得。通过实测数据与模拟数据的对比、模拟数据与经验模型模拟数据的对比, 对模型的模拟效果进行了评估, 发现节间总重、针叶总重、树高、树干节间重观测值和模型模拟值建立的回归方程的决定系数为0.84–0.98, 结构-功能模型与经验模型对总生物量模拟的决定系数为0.95, 表明该模型能较真实地反映油松的结构和生长过程。     

黄淮海平原林网保护区夏玉米生长过程的数值模拟

利用改进了产量生态学模型ＳＵＣＲＯＳ,对黄淮海平原林网保护区夏玉米的生长过程进行了数值模拟,并与田间监测资料做了比较,分析了影响夏玉米生长的各种生理、生态学因子,结果表明,改进后的模型能成功模拟夏玉米的生长过程,考虑病虫害、杂草影响后,模型输出的叶面积指数、器官生物量与生长监测资料十分一致。与单作农田比较,由于林网地区小气候条件的改善,夏玉米单产提高６．８％左右。播种密度、播种日期与籽粒产量关系的     

基于GreenLab的油松结构-功能模型

 植物结构-功能模型(Functional-structural models, FSMs)将结构模型与过程模型结合起来, 用以描述环境机制驱动的植物生长, 输出植物的三维结构。GreenLab是一个近年来不断发展着的基于源-汇关系的通用植物结构-功能模型, 它多应用于农作物, 在树木方面的应用还很少。该文以幼龄油松(Pinus tabulaeformis)为研究对象, 首次将GreenLab模型应用到虚拟树木生长的研究中。采用破坏性取样, 实测了9株油松幼树的形态结构、拓扑结构和器官生物量信息, 根据拓扑编码体系组织数据。模型的直接参数是通过实测数据获得的, 隐含参数是利用非线性最小二乘法拟合反求获得的。对模型的假设进行了验证, 并对模型的模拟效果进行了评估, 结果表明: 节间总鲜质量、树木叶总鲜质量、节间鲜质量、节间长度观测值和模型模拟值建立的回归方程的决定系数在0.78~0.91之间, 因此该模型较真实地反映了油松的结构和生长过程。提出的树木结构和生物量测量及编码方法, 可作为针叶树建立结构-功能模型的参照。     

湿地翅碱蓬生物量遥感估算模型

以黄河三角洲HJ-1A CCD遥感数据和滨海湿地翅碱蓬生物量实测数据为数据源,通过对比分析参数回归模型（单变量线性和非线性回归模型,多元线性逐步回归模型）和人工神经网络模型（BP网络、RBF网络、GRNN网络）,构建黄河三角洲湿地翅碱蓬生长初期的生物量湿重遥感估算最优模型。研究表明：基于遥感信息变量能够建立生长初期翅碱蓬生物量湿重估算模型。尽管基于RDVI、MSAVI和PC2的3个变量的多元线性回归模型的拟合效果较优,但是以SAVI、MSAVI、RVI、DVI、RDVI和PC2等7个遥感信息变量构建的BP神经网络模型的精度更高,平均相对误差为12.73%,估算效果最优,能够满足较高精度的生物量湿重估算需求。翅碱蓬生长初期生物量湿重最优估算模型的建立,为滨海地区植被生物量监测、区域翅碱蓬生物量季节动态模拟以及黄河三角洲生态系统功能评价提供技术支持与基础。     

河套灌区不同强度低温冷害对玉米生物量累积和产量的影响

深入揭示不同发育期、不同强度和持续日数的低温冷害对玉米生物量累积和产量的影响,对农业防灾减灾具有重要意义。本文以河套灌区玉米低温冷害为研究对象,在对WOFOST模型进行参数校准的基础上,通过数值模拟试验方法,对模型在研究区域上的适应性进行了分析、检验,同时探讨了不同发育阶段出现不同强度和持续日数低温对玉米贮存器官生物量累积和产量的影响。结果表明:在玉米出苗-灌浆期中的每个发育期发生低温时,玉米贮存器官生物量累积和产量对低温强度和持续日数的响应程度基本一致;当降温强度不同、持续日数相同时,灌浆期低温对玉米产量和贮存器官生物量累积的影响最大;当降温强度相同,持续日数不同时,低温持续日数1 d,玉米拔节至抽雄期发生的低温对贮存器官生物量和产量的影响最大,低温持续日数大于3 d时,玉米灌浆期发生的低温对贮存器官生物量和产量的影响最大;发生时段不同时,出苗至拔节期发生的低温,玉米产量和贮存器官生物量随低温持续日数增加而减少,但持续日数相同,不同低温强度对其影响差别不大;其他发育阶段随着低温强度加大,持续日数增加,玉米产量和贮存器官生物量减少。本文结果较好地反映了研究区低温冷害对玉米生长影响的实际情况,可为当地农业生产决策提供科学依据。     

玉米产量和营养元素吸收的广义生长模型的应用

本文通过介绍广义生长模型的概念及详细的计算过程(基于黄淮海地区夏玉米的生物累积量与氮、磷和钾元素吸收的数据),我们应用广义生长模型来评估在总有效时间内夏玉米(Zea mays L)生物量的积累和生长量以及氮、磷、钾营养元素吸收之间存在如下关系:无论施肥与否,夏玉米生物量与生长量之间均呈线性关系;夏玉米生物量与磷元素和钾元素吸收都呈线性关系,与氮元素吸收呈对数关系;在夏播条件下,黄淮海地区玉米氮的潜在吸收量是2.53,高于春播玉米氮的潜在吸收量.本研究的意义在于明晰生物量与营养元素吸收之间的关系对确定最佳的施肥策略至关重要.     

马铃薯生育期进程的动态模拟研究

本研究系统解析和改进了前人关于作物生长温度效应的非线性模型,并对修改后的模型进行了解释,结合4年的田间试验数据和本研究提出的基于高斯方程的作物生长温度效应模型,建立了不同生态条件下马铃薯生育期进程的模拟模型．模型解析了地膜覆盖条件下土壤温度增加对马铃薯生育期进程的数值贡献,模拟了不同生态条件下马铃薯的生育期进展,结果表明模拟值与实测值具有良好的一致性。     

生物量统一模型构建及非线性偏最小二乘辩识——以毛竹为例

树种生物量数据是研究许多林业与生态问题的基础,如何准确估算树种的生物量十分重要,建立生物量模型是生物量估测的主要手段.鉴于常用估算生物量模型具有多样性、经验性、在实际应用中有很大限制等特点,提出利用Chebyshev正交多项式系构建生物量估算统一模型的新思路,这种构建模型的方法有完备的理论基础、统一的模型结构,其实质是一种进行变量区间变换,缩小变量定义域的数值插值方法,模型阶数越高,插入的点越多,估算结果越符合实际,这与树木的树干解析与树木生长原理是相一致的;鉴于常用最小二乘具有的一些缺陷,用适应范围更广的偏最小二乘对统一模型进行参数辩识;指出毛竹生物量的研究与其它树种生物量的研究不同,根据毛竹自身的生长特征,把其生物量的研究分成2个阶段;最后估算了毛竹第1阶段的生物量,结果表明拟合精度很高:当提取55个主成分时,SPRESS,h达到最小,其值为31.4390,R2=0.9987,离差平方和为0.2518,比传统方法估计误差5.623提高了一个数量级.     

星载大光斑LiDAR与HJ-1A高光谱数据联合估测区域森林地上生物量

以吉林省汪清林业局经营区为研究区,利用HJ-1A/HSI高光谱数据和ICESat-GLAS波形数据,估测区域森林地上生物量。从平滑后的GLAS波形数据中提取波形长度W和地形坡度参数TS,建立GLAS森林最大树高估测模型;从GLAS波形数据中提取能量参数I(植被回波能量Ev和回波总能量E之比),建立GLAS森林郁闭度估测模型;利用GLAS估测的森林最大树高和森林郁闭度联合建立森林地上生物量模型。由于GLAS呈离散条带状分布,无法实现区域估测,因此研究将GLAS波形数据与HJ-1A/HSI高光谱数据联合,基于支持向量回归机算法实现森林地上生物量区域估测,得到研究区森林地上生物量分布图。研究结果显示,基于W和TS建立的GLAS森林最大树高估测模型的adj.R~2=0.78,RMSE=2.51m,模型验证的adj.R~2=0.85,RMSE=1.67m。地形坡度参数TS能够有效的降低地形坡度的影响;当林下植被高度为2m时,得到的基于参数I建立的GLAS森林郁闭度估测模型效果最好,模型的adj.R~2=0.64,RMSE=0.13,模型验证的adj.R~2=0.65,RMSE=0.12。利用森林最大树高和森林郁闭度建立的森林地上生物量模型的adj.R~2=0.62,RMSE=10.88 t/hm~2,模型验证的adj.R~2=0.60,RMSE=11.52 t/hm~2。基于支持向量回归机算法,利用HJ-1A/HSI和GLAS数据建立的森林地上生物量SVR模型,生成了森林地上生物量分布图,利用野外数据对得到的分布图进行验证,验证结果显示森林地上生物量估测值与实测值存在很强的线性关系(adj.R~2=0.62,RMSE=11.11 t/hm~2),能够满足林业应用的需要。因此联合ICESat-GLAS波形数据与HJ-1A高光谱数据,能够提高区域森林地上生物量的估测精度。     

乌兰布和沙漠东北缘荒漠-绿洲过渡带植被地上生物量估算

干旱区荒漠植被地上生物量是植被生长状况评价与荒漠化监测的重要指标。在乌兰布和沙漠东北缘的荒漠-绿洲过渡带选取典型区,基于地面调查数据构建主要植物种的异速生长方程,对样方内的植被地上生物量进行估算;基于样方调查数据和Quick Bird影像数据,分别建立植被指数与人工固沙林和荒漠植被地上生物量的回归模型,并对研究区植被地上生物量进行估算。结果表明:植冠体积V是较好的预测变量,所得荒漠植物异速生长方程精度较高,能够满足样方内荒漠植被地上生物量估算需要;采用RVI对数模型估算人工固沙林地上生物量的效果最好(R~2=0.72,RMSEP=56.15),采用RVI线性模型估算荒漠植被地上生物量的效果最好(R~2=0.82,RMSEP=15.07);研究区内荒漠植被和人工固沙林的单位面积地上生物量分别为90.73g/m~2和105.28g/m~2。该研究可以为荒漠化监测和荒漠植被遥感信息提取提供参考。     

基于物候相机归一化植被指数估算高寒草地植物地上生物量的季节动态

准确评估地上生物量对优化草地资源管理和理解草地碳、水和能量平衡具有重要意义。该文通过近地遥感归一化植被指数(NDVI)构建最优经验模型, 对青藏高原高寒草地地上生物量进行估算。该文利用2018-2019年5-9月野外实测的地上生物量和植物冠层光谱仪(RapidSCAN)测定的NDVI_RS数据, 构建了生长季不同时期地上生物量的估算模型; 并结合2018年NetCam物候相机测定的NDVI_Cam时间序列数据, 实现地上生物量季节动态的模拟。主要结果: (1) NDVI_Cam、NDVI_RS与地上生物量具有相似的单峰型季节变化格局, 但NDVI峰值出现的时间(7月)较地上生物量(8月)更早; (2)基于NDVI的生物量估算最优经验模型在5、7和9月是幂函数, 在6和8月是二次多项式, 估算精度为0.29-0.77; (3)基于NDVI_Cam时间序列数据, 生长季不同时期建模(R² = 0.91)较单一时期(9月)建模(R² = 0.49)对地上生物量季节动态的估算更为准确。这些结果表明, 近地遥感是估算高寒草地植物地上生物量的有效手段, 开展季节性植物生长调查将有助于准确评估草地资源。     

塔克拉玛干沙漠南缘玉米对不同荒漠化环境的生理生态响应

为了研究玉米对不同荒漠化环境的适应性,以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲外围不同荒漠化程度下生长的玉米为试验材料,大田试验为手段,布置3个胁迫水平(轻度荒漠化、中度荒漠化、重度荒漠化),研究了玉米的土壤含水率、植株高度、生物量分配、脯氨酸(Proline)、丙二醛(MDA)、可溶性糖(Sugar)、叶绿素(Chl)、叶绿素荧光参数、比叶面积(SLA)等在不同胁迫梯度下的变化特征。结果显示:随着荒漠化程度的加剧,玉米生物量、脯氨酸、丙二醛、叶绿素、类胡萝卜素、Chl a/b、叶绿素荧光参数都有不同幅度的下降;中度荒漠化可溶性糖含量最低,重度最高,轻度介于两者之间;Car/Chl、比叶面积和地下生物量占总生物量的比重都随荒漠化程度的加剧,呈增加趋势。结果表明,荒漠化环境明显对玉米的生长产生了抑制作用;随着荒漠化程度的加剧,玉米植株的光合色素含量降低,PSⅡ受到影响,从而影响植株的光合作用,使玉米物质的积累受到影响;玉米自身通过在营养器官分配更多的能量和积累调控物质,并且在形态结构上也会发生某些改变以适应更恶劣的环境。随着胁迫程度的加剧,对其生长抑制愈严重。     

日光温室黄瓜生长发育模拟模型

实现日光温室黄瓜生长发育动态模拟预测,可为日光温室黄瓜智慧生产管理提供技术支撑.本研究依据黄瓜生长发育的光温反应特性,以‘津优35’为试验品种,利用2年4茬分期播种试验观测数据建立基于钟模型的温室黄瓜发育模拟模型.依据温室黄瓜叶片生长与关键气象因子(温度和辐射)的关系,以辐热积(TEP)为自变量构建了黄瓜叶面积指数(LAI)模拟模型;依据单位叶面积光合作用对叶面积指数和日长的二重积分,结合黄瓜不同器官的呼吸消耗,构建了黄瓜干重生产分配模拟模型,结合器官含水量,构建了黄瓜器官鲜重模拟模块.基于各子模块构建了温室黄瓜生长发育模拟模型,确定了模型品种参数并进行检验.结果表明: 日光温室黄瓜移栽期-伸蔓期、移栽期-初花期、移栽期-采收初期和移栽期-拉秧期的模拟值与观测值的均方根误差(RMSE)在3.9～10.5 d,归一化均方根标准误差(nRMSE)在6.5%～28.6%,符合度指数(D)在0.79～0.97.LAI与TEP呈S型曲线变化关系,LAI模拟值与实际观测值的RMSE为0.19,nRMSE为17.2%,D值为0.90.根、茎、叶、花和果干重模拟值与实际观测值的RMSE在0.39～8.94 g·m^-2,nRMSE在10.9%～17.7%,D值均为0.98以上.表明模型能够较准确地模拟黄瓜关键发育期、叶面积和各器官干鲜重,定量化日光温室黄瓜生长发育过程.     

基于功能平衡假说的玉米光合产物分配动态模拟

基于中国气象局沈阳大气环境研究所锦州农田生态系统定位观测站2004-2008年玉米各器官（根、茎和叶）生物量及相应环境因子的连续动态观测资料,检验了Friedlingstein模型在站点与日尺度上的适用性,并发展了基于施肥、土壤温度和土壤有效水分系数的玉米农田土壤有效养分系数模型,建立了基于功能平衡假说的日尺度的玉米光合产物的分配模型结果表明：与Friedlingstein模型相比,本文所建的玉米光合产物分配模型能更好地模拟玉米光合产物分配动态,为准确模拟日尺度的玉米农田生态系统生产力提供了技术支持.     

种群密度对大果虫实形态特征与异速生长的影响

为揭示种群密度与植物形态特征、器官生物量间的异速生长关系,阐明植物在退化土地恢复过程中的适应策略,以大果虫实为材料,通过异速生长分析方法,研究种群密度对其形态特征、生物量分配与异速生长的影响。结果表明,种群密度对大果虫实的株型构建产生了显著地影响。随着密度增大,大果虫实株高呈减小趋势,其分枝数及分枝长度明显减小。大果虫实各器官生物量随密度增大而显著减小。随密度增大,茎和繁殖器官生物量分配呈减小趋势,根和叶片生物量分配呈增大趋势。这与最优化分配理论中水分、营养物质及光资源受限时的情况一致。密度对大果虫实株高:根生物量间异速生长具有显著影响,且对株高与器官生物量间异速指数和个体大小产生了极显著影响。密度对根:地上部分、叶片:根、繁殖器官:根生物量间的影响属于表观可塑性,而对根:茎、茎:地上部分、叶:其他器官及繁殖器官:其他器官生物量间的影响属于真正可塑性,说明密度改变了大果虫实的株型发育系统,并影响各器官间的异速生长,进而权衡器官生物量分配以完成生活史。     

基于过程模型CROBAS的全局灵敏度分析方法比较

过程机理模型在开发过程中常受限于生理学参数无法直接或准确测量。全局灵敏度分析可以评估模型预测结果对于生理学参数变化的响应,为模型结构改进、数据收集和参数校准提供参考。本研究基于过程模型CROBAS,以华山松为例,选取模型中描述树木结构关系的10个参数,以树高和各器官生物量的Nash-Sutcliffe效率(NSE)为目标函数,比较了3种应用较广泛的全局灵敏度分析方法,即Morris筛选法、基于方差的Sobol指数法和扩展的傅里叶幅度检验法(EFAST)。结果表明: 参数灵敏度排序在不同方法中仅略微有所变化,但对于不同目标函数则区别明显。对算法耗时和收敛效率而言,Morris和EFAST性能较高,Sobol效率相对较低。所有模型输出变量均对单位面积年最大光合速率、比叶面积、消光系数敏感,林冠光截留状态对于林木生长量有着关键性影响,意味着光合固碳量是CROBAS在模型校正和林木生长动态模拟中需要优先进行数据收集、验证与测试的模块。灵敏度分析同时表明,碳平衡理论在林木生物量模拟中最为核心部分是树叶生物量模块的计算与验证。对于复杂过程模型的参数灵敏度分析,如需定性研究可选Morris,而量化评估采用EFAST更适合。     

西安市4种城市绿化灌木单株生物量估算模型

以西安市常见的4种绿化灌木(小叶女贞、雀舌黄杨、紫叶小檗、大叶黄杨)为研究对象,利用不同函数和自变量构建单一物种的器官及个体生物量估算模型,筛选出相关性最高、拟合度最好的模型作为生物量最佳估算模型.结果表明： 4种灌木各器官及个体生物量最优估算模型除大叶黄杨叶生物量模型为对数函数(VAR)模型外,其余无论是器官生物量模型还是个体生物量模型均为幂函数(CAR)模型.模型包含的自变量有基径、植株冠幅直径、植株冠幅直径与株高乘积、植冠面积和植冠体积.大叶黄杨和其他3种灌木在自变量选取上有着明显不同.大叶黄杨生物量模型主要以基径为自变量,其他3种灌木生物量模型主要以与冠幅相关的因子为自变量.