苹果叶片的净光合速率和光能利用效率的动态模拟

根据构建的苹果叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和光能利用效率（LUE）的耦合模型可模拟一般小气候条件下苹果叶片的Pn和LUE变化。结果表明,小气候因子对Pn和LUE的影响不同,并且不同小气候因子之间还有明显交互作用。Pn主要由有效光合辐射（PAR）和CO2浓度决定,并随着叶片水势和空气湿度的升高而增大,正常条件下Pn的最适温度约为25℃,PAR、CO2浓度和空气湿度下降时,Pn的最适温度也随之下降。PAR值较小时,LUE与PAR正相关;在PAR达到400μmol·m-2·s-1左右时,LUE值最大,而后随着PAR的增加而减少。由于LUE是Pn和PAR的比值,所以其它小气候因子和叶片水势对LUE的影响与对Pn的影响相一致。     

不同辐射条件下苹果叶片净光合速率模拟

以富士苹果(Malus domestica Borkh.cv.‘Fuji’)为试材,将C3植物光合生化模型、气孔导度半机理模型、叶片最大光合速率和相对光合有效辐射(RPAR)之间的经验公式相耦合,能够模拟出不同RPAR(或树冠不同部位)下叶片净光合速率(Pn)对小气候因子和叶水势(Ψl)的响应,及Pn日变化。模拟表明,不同RPAR下Pn变化主要依赖于光合有效辐射(PAR)大小,并对CO2浓度有很高敏感性。不同RPAR下叶片Pn最适温度约为20—30℃,并随PAR或CO2浓度的升高而升高。相对湿度(RH)和Ψl对不同RPAR下叶片Pn影响不大,Pn只随RH和Ψl的减小而略有降低。数值模拟表明,当RPAR减小时Pn随之迅速减小,从冠层3 m到1 m处,叶片RPAR从57.18%减少到16.22%,而最大Pn从16.65μmol.m-.2s-1减小到4.24μmol.m-.2s-1。在平均气象条件下,树冠顶部单位面积叶片每天固定CO2为420 mmol.m-.2d-1,而下层叶片只有40 mmol.m-.2d-1。当苹果树冠内叶片接受RPAR低于12%时,全天净光合总量为0,这类叶片可称为无效叶,其所在树冠空间为无效光区。果树整形修剪的主要目的就是尽量减少无效枝叶,利用该模型可确定出这类枝叶在树冠中的位置。     

不同水分条件下盆栽苹果树蒸腾速率动态模拟

土壤水分是制约作物产量和品质的主要环境因素之一,估算不同水分条件下的蒸腾速率（r3对于作物的优质高产和节水灌溉等具有十分重要的意义。通过构建蒸腾．气孔．光合耦合模型可模拟出不同水分条件下苹果树的蒸腾动态,模型参数根据逐步干旱条件下盆栽‘富士’苹果树试验获取。结果表明,Tr主要由饱合水气压差和气孔导度（G。）驱动,同时气象因子和土壤水势对其有强烈的交互作用影响。Tr随土壤水势的下降而减小,当土壤水势低于-0．4MPa时减小幅度更加显著。晴天时,G。在一天中呈双峰曲线,而一呈单峰曲线,最大值出现在13：00左右,约为3．6mmol·m-Ls。根据该模型可计算出不同水分条件下1株盆栽苹果树（总叶片积为O．26m-2）全天的蒸腾总量,供水充足时为652．1g,严重干旱时（土壤水势为-1．5MPa）为85．4g。实测值和模拟值的比较表明,该耦合模型能够模拟出不同土壤水分条件下盆栽苹果树的蒸腾动态以及土壤的含水量。     

苹果三维树冠的净光合速率分布模拟

构建三维树冠光合模型可模拟出叶片净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)和光能利用效率(LUE)在树冠内的三维分布。以17年生纺锤形"富士"苹果树(Malus domestica Borkh. cv. ‘Fuji’)为试材,通过实测确定三维树冠内叶片和辐射分布,根据不同部位叶片最大光合速率经验公式模拟叶片P_n 在三维树冠空间内分布,并据2007-2009年测定数据拟合相关模型参数。模拟表明,苹果树冠叶片P_n 和辐射的三维分布相似,在树冠上部P_n 三维分布比较平缓,然后随辐射的减少而迅速降低。高辐射条件下(PAR=1500 μmol·m^-2·s^-1),从树冠上部3 m处降到到1 m,平均相对辐射从71.18%降到8.05%,减少了89%,叶片平均P_n从15.05 μmol·m^-2·s^-1降到1.92 μmol·m^-2·s^-1,减少了87%。单位体积小室内的总净光合速率大小主要取决于叶面积密度,部分取决于P_n。G_s三维分布与P_n相似,而LUE分布与辐射相反,中下部高,上部低。根据光合机理模型、树冠内辐射和叶面积三维分布可模拟出苹果三维树冠内叶片的P_n、G_s和LUE分布,该模型参数少,可方便用于其它果树三维光合模型构建和果树整形修剪研究。     

分根交替灌溉对桃树生长发育及水分利用效率的影响

以12年生桃树为对象，研究了分根交替灌溉（APRI）对半干旱气候条件下桃树生长、产量和水分利用效率的影响.结果表明：APRI处理的桃树湿润一侧土壤含水量随深度的增加而减小，而干旱一侧则随深度的增加而增大，二者含水量最大差值出现在土壤表层(0~25 cm)；每2周和每4周交替灌溉1次的APRI处理在黎明前叶水势明显低于常规对照(充分灌溉)，但随着时间（白天）的推移，所有处理的叶水势都趋于降低，下午APRI处理与对照差异不显著.APRI处理桃产量比对照降低10%，但供水量减少了50%，水分利用率提高了75%；APRI处理明显降低了桃树植株的新梢生长量，但对果实直径没有显著影响.     

干旱胁迫下桃树果实直径的动态模拟

根据SPAC理论和果实的体积公式我们模拟出了桃树(Prunus persica var.nec- tarina Maxim.)果实直径的动态变化.数值模拟表明果实的水势在晴天大致呈正弦规律波动,阴天的水势变化比较平缓.果实贮存水的变化与水势的变化率成正比.果实直径呈波动式增长,早晨最大,傍晚最小,晚上平稳增大,在阴天的变化较小,干旱胁迫处理后直径的大小和振幅均小于对照.直径的变化是由水势的变化引起的,而水势的变化最终由气象因子、土壤水势和植物自身的特性所决定.在整个生长季果实直径的生长大致呈“S”型曲线,可用Logistic曲线来拟和.     

苹果叶片气体交换日变化动态模拟

根据苹果叶片气体交换模型可模拟不同小气候条件下光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)的日变化。Pn和Gs在晴天呈现出不对称双峰曲线:上午增加,约8:00前后达到最大值,然后下降,到16:00左右时再升高到第2个峰值,最后再下降。Tr晴天的日变化与Pn和Gs相似,在晴天呈"n"字形曲线,但是Tr的午休现象较Pn和Gs轻,并且最大值出现在午后。晴天时WUE在太阳出来不久就达到了最大值,并迅速下降到一个比较稳定的水平,傍晚前后降到0。模型模拟表明气体交换的日变化主要是由太阳辐射驱动的,而午休现象主要是由叶水势和湿度的减少引起。根据在富士苹果园观测数据(Maluspumila Mill.Fuji;北纬40°13′,东经116°13′,海拔79m)对模型进行了验证。结果表明在不同的有效光合辐射、温度、湿度和CO2浓度下Pn的观测值和模拟值非常吻合,树冠上层叶片Pn和Gs日变化的实测值和模拟值也基本一致。Tr的模拟值略有高估,可能是由叶片的相互遮荫及Pn和有效光合辐射之间的非线性关系引起。     

桃树冠层蒸腾动态的数学模拟

将气孔导度公式、Penman—Monteith公式和土壤水分限制模型相结合,可以模拟出不同环境因子对植物蒸腾进程的影响。通过对盆栽桃树（Prunus persica var．nectadna Maxim．）数值模拟发现：影响桃树蒸腾速率的主要气象因子是太阳辐射、大气温度和湿度。植物通过气孔导度的改变来响应气象因子的变化,蒸腾的日变化主要是由气象因子的日变化引起的。土壤的水分状况也对气孔导度有显著的影响,进而影响植物的蒸腾大小。通过数值模拟还发现植物的蒸腾量并不总是随叶面积的增大而增大,对于桃树而言叶面积指数为4左右时日蒸腾量达到最大值。通过对气孔导度和蒸腾速率的模拟值和实测值进行检验发现,两者基本吻合,说明利用数学模拟的方法可以求出不同环境条件和不同叶面积桃树冠层的蒸腾速率。     

桃树不同部位调节贮存水的能力

一天中不同时间的桃树贮存水的调节能力各异:在上午贮存水为茎液流总量的14%,中午为7%,下午为23%.不同部位贮存水的相对调节能力大小也有明显的差异.其由大到小顺序依次为主干、主根、枝条、侧根、叶片、细根、果实,这种差异是由各部位水容、阻力和体积的不同引起的, 且基本上不随时间的变化而变化.