美国黑核桃实生苗生态生理过程对环境因素响应的数值模拟(Ⅲ):植株冠层光合作用数理模型

以1-2年生北加州黑核桃为试材,建立了具有较高分辨能力的植株群体结构、光分布模型和冠层光合作用模型．将植株冠层按叶面积指数划分为若干层次。上下层之间水平面上太阳辐照度按Monsi＆Saeki所提出的指数递减规律分布．冠层内太阳散射光的消光系数由冠层结构决定,而直射光的消光系数则决定于冠层结构与太阳在天空的位置．在同一层次。将叶片的叶倾角划分为6个等级。将叶片的水平位置划分为8个方位．设同一层次中水平面上的太阳辐照度相同。某一方位角和叶倾角的叶面的直接辐射由太阳视运动方程决定．以此为基础,分别计算“光斑区”和“遮荫区”内叶片的光合速率,并通过数值积分计算整个冠层的光合速率及光合日总量．用田间实测资料验证了冠层内太阳辐射分布模型和冠层光合作用模型．敏感性试验分析表明。模型对环境因子和生物学因素有良好的响应．     

水稻物质生产与氮、磷、钾、硅素积累特点及其相互关系

大田条件下研究了30个水稻基因型的干物质与N、P、K、Si积累特性及其相互关系.结果表明,水稻干物质积累总量随N、P、K和Si积累总量的增加呈直线增加,其相关系数早季和晚季均达极显著水平.同时,N、P、K、Si积累的平衡有利于干物质积累,干物质积累量随NBI(养分平衡指数)直线增加,随NDI(养分偏离指数)直线下降.30个水稻品种平均N、P、K、Si积累总量比值早季为3.76:1:4.55:7.10,晚季为2.88:1:4.54:8.09.干物质积累能力以中期最强,前期最弱,而N积累能力却以前期最强,后期最弱.水稻抽穗前积累的干物质主要分配在茎鞘中,当抽穗期茎鞘比率达到最大时,茎鞘重约为叶片重的2倍,而抽穗前积累的N主要分配在叶片中,叶片中N的分配比率全生育期均比干物质分配比率高.成熟期积累的干物质、N和P主要分配在穗部,早、晚季稻的平均分配比率分别为58.01%、66.42%和70.06%,而K主要分配在茎鞘中,早、晚季稻的平均分配比率为62.08%.早季Si在茎中的分配比率(43.11%)最大,而晚季却以穗中的分配比率(46.99%)最大.     

水稻物质生产与氮、磷、钾、硅素积累特点及其相互关系

大田条件下研究了30个水稻基因型的干物质与N、P、K、Si积累特性及其相互关系．结果表明,水稻干物质积累总量随N、P、K和Si积累总量的增加呈直线增加,其相关系数早季和晚季均达极显著水平．同时,N、P、K、Si积累的平衡有利于干物质积累,干物质积累量随NBI(养分平衡指数)直线增加,随NDI(养分偏离指数)直线下降．30个水稻品种平均N、P、K、Si积累总量比值早季为3．76：1：4．55：7．10,晚季为2．88：1：4．54：8．09．干物质积累能力以中期最强,前期最弱,而N积累能力却以前期最强,后期最弱．水稻抽穗前积累的干物质主要分配在茎鞘中,当抽穗期茎鞘比率达到最大时,茎鞘重约为叶片重的2倍,而抽穗前积累的N主要分配在叶片中,叶片中N的分配比率全生育期均比干物质分配比率高．成熟期积累的干物质、N和P主要分配在穗部,早、晚季稻的平均分配比率分别为58．01％、66．42％和70．06％,而K主要分配在茎鞘中,早、晚季稻的平均分配比率为62．08％．早季Si在茎中的分配比率(43．11％)最大,而晚季却以穗中的分配比率(46．99％)最大．     

叶幕PAR光能截留和分配对葡萄群体光合同化物源库关系的调控

 田间自然条件下在葡萄园群体水平上多年的研究证明：叶幕PAR光能截留率与葡萄群体净光合速率、叶幕和单叶PAR光能截留率与果实干物质总量占地上部生物量干重的百分比、与果实总糖产量占果实本身干物质总量的百分比、以及与果皮色素产量占果实本身干物质总量的千分比之间呈现显著或极显著的线性正相关关系。说明利用叶幕结构变异调节叶幕PAR光能截留和分配,可以对光合同化物源库关系和果实中物质代谢方向进行有效的调控。PAR光能截留率较高和分配合理的叶幕,不但通过较高的群体光合速率为产量和品质形成提供了丰富的同化物“源”,而且通过调节器官间“库”关系使同化物以较高的比例流向果实,同时使果实中物质代谢过程有利于合成构成品质的要素。     

温度、光辐射及水分对温室甜瓜幼苗干物质积累与分配的影响及其模拟模型

利用分期播种法和灌溉上限法,研究了温度、光辐射和水分等环境因子对温室甜瓜幼苗植株干物质积累与分配的影响,并基于积温学原理,综合环境其他因子,模拟建立了甜瓜幼苗受有效积温、日温差积累、光辐射积累等多因子驱动的干物质积累与分配模型．结果表明：周年不同播期,随着有效积温、光辐射积累及不同灌溉水分上限的变化,甜瓜幼苗期植株干物质积累和分配分别呈指数函数和二次抛物线函数变化,但不同播期及水分处理函数常数不同．综合分析认为,干物质积累和分配模型分别为有效积温驱动下的指数函数和二次抛物线函数,常数项均由日温差积累和光辐射积累驱动,它们之间为一次函数关系．验证结果表明,该模型能较为真实、客观地模拟植株干物质积累与分配变化过程,对甜瓜苗期生长分析与生产管理具有应用价值．     

黑石顶常绿阔叶林群落冠层树木光合生理特性研究

本文用封闭式的光合作用测定仪测定了黑石顶南亚热带常绿阔叶林群落冠层的两种优势种群──相和光叶红豆的光合速率以及其它生理因子的日变化,同时测定了群落冠层的环境因子──光量子通量密度、气温和相对湿度等的日变化。冠层中ｃｏ＿２浓度的平均值为３０６．６ｍｇ／ｋｇ,日变幅为±６．０ｍｇ／ｋｇ。树种间光合速率差别很大,硬叶相叶片的日平均净光合速率为２．６３７４μｍｏｌ／ｍ￣２·ｓ．日最高净光合作用速率在１１时左右。分析了净光合速率与叶片气孔导度之间的显著相关性,并指出气孔导度的差异可能是引起不同种间净光合速率差异的主要原因之一。     

定植密度对日光温室甜椒干物质生产与分配影响的模拟研究

2007年10月—2009年5月,在中国山东省寿光市日光温室内设计不同定植密度和不同定植日期的甜椒栽培试验,系统收集温室环境数据和作物生长数据,分析定植密度对日光温室甜椒干物质生产与分配的影响。结果表明,定植密度在2.0—6.7株·m-2范围内,不同定植密度处理的甜椒叶面积指数与定植后天数的关系较好地符合logistic模型,收获时最大叶面积指数与定植密度呈线性正相关。研究发现,不同密度处理的单位面积甜椒生物量与冠层累计截获的光合有效辐射日积分呈线性正相关,单位面积植株干物质增长率和叶片的干物质分配指数随定植密度增加而增加,果实的干物质分配指数随密度增加而减少,茎的干物质分配指数受密度影响不显著。在此基础上,首先构建甜椒叶面积指数模型和冠层光截获模型,然后建立以冠层截获的PAR日积分为尺度的温室甜椒干物质生产与分配模型,并利用独立试验数据对模型进行检验,表明定植密度为2.0、4.0、6.7株·m-2的总干重、叶干重、茎干重、果实干重和产量的模拟值与实测值间基于1:1线的决定系数(R2)分别为0.946、0.891、0.945、0.923和0.867,回归估计标准误差(RMSE)分别为51.97g·m-2、3.53g·株-1、4.72g·株-1、16.4g·株-1和910.8g·m-2,说明所建模型的模拟值与实测值有较好符合度,能够较准确地模拟日光温室甜椒的干物质生产与分配,模型参数少,实用性强,可以为日光温室甜椒产量预测提供决策支持。     

兰考泡桐生物量积累规律的定量研究

对农桐复合经营兰考泡桐的干物质生产、积累和归还规律的系统研究表明,兰考泡桐生物量随树龄增大而增加,生物量在各器官的分配比例依次为：树干＞树枝＞树根＞树叶＞花;兰考泡桐年干物质生产主要集中在５～７月,占全年干物质生产总量的７７．３％;兰考泡桐凋落物绝大部分为落叶,占凋落物总量的８７．１％,凋落伴随年生长季节的全过程,且每年出现两次高峰;兰考泡桐干物质积累主要发生在５～７月,占全年干物质积累总量的７２．７％;兰考泡桐全生育期的干物质归还率为３３．７３％．     

短生长周期栽培对耐迟播棉花品种干物质积累的影响研究

本文以棉花早熟品种"JX0010"为实验材料,采用二次最优回归设计(311设计),研究了施氮量、种植密度、播种期对棉花干物质积累和分配的影响。结果表明:棉花单株营养器官与生殖器官干物质积累动态基本一致,符合"S"型曲线变化规律,生长前期积累速度缓慢,中期积累速度加快,后期干物质积累趋于平缓。种植密度是影响干物质积累的主要因子,施氮量次之,播种期影响最小。单株营养器官干物质积累随施氮量的增加、播种期的推迟出现先上升后下降的趋势,随密度的增加而下降;单株生殖器官干物质积累随施氮量增加而上升,随密度增加和播种期推迟而减少。各处理棉花群体干物质积累随着生育进程的推进而逐渐增加,以处理9群体干物质总量最大,达到20 640 kg/hm~2,比其他处理高15.74%-137.48%。     

会同杉木人工林不同生长阶段植物固碳特征

为了探讨杉木人工林不同生长阶段的固碳功能,以会同杉木林为研究对象,在定位连续测定林分生物量和碳素含量的基础上,研究了杉木林不同年龄阶段的储存碳量及在各组分的分配和植物固碳能力。结果表明:杉木各器官碳素含量树叶树皮树根树干树枝,且随着林龄增加而增大;杉木林植被储存碳量为22.93—86.98 t/hm2,各个层次储存碳量乔木层林下植被层枯死物层;乔木层碳素在器官间的相对分配大小依次为树干树根树叶树皮树枝;树干碳素分配比随着年龄增长而增大,树枝、树叶随年龄增长而减少,树根和树皮虽有波动,但变化较平稳;树枝、树叶、树干、树皮和树根碳积累年均变化都呈单峰形曲线,但波峰出现林龄各有不同;杉木林固碳动态特征可分为固碳功能建立、固碳能力迅速增长、固碳能力最大、固碳能力相对平稳和固碳能力下降等5个阶段;杉木林的固碳能力,不仅受不同生长阶段生长发育生物学特性的制约,而且还受林分冠层结构特征以及土壤肥力条件的影响。     

鼎湖山锥栗+黄果厚壳桂+荷木群落生物量及其特征

通过永久性地调查编目和生物量预测模型估算了鼎湖山季风常阔叶林锥栗＋黄果厚壳桂＋荷木群落植物现存量。结果表明：（１）群落植被生物总量为２９５．６４０ｔ／ｈｍ＾２,其中乔木层为２８６．０６１ｔ／ｈｍ＾２,灌木层８．９００ｔ／ｈｍ＾２,草本层０．３３０ｔ／ｈｍ＾２,层间植物０．３４９ｔ／ｈｍ＾２,分别占植被总生物量的９６．７６％、３．０１％、０．１１％和０．１２％。（２）乔木层生物总量中、树干、枝、叶和     

八大公山常绿落叶阔叶混交林影响幼苗存活的主要因子分析

幼苗是植物生活史中最脆弱的阶段,对幼苗存活影响因子的分析有助于我们更清楚的了解森林群落的天然更新机制。利用广义线性混合模型（GLMM）对八大公山常绿落叶阔叶混交林中影响幼苗存活的主要生物与非生物因子进行了研究。结果表明：（1）在群落水平上,幼苗存活与生物因子中的同种幼苗密度呈显著负相关,与非生物因子中的冠层开阔度呈显著正相关;（2）从年龄上看,4年生以下龄级的幼苗存活更容易受到同种幼苗密度的影响,与同种幼苗密度呈显著负相关;4年生及其以上的幼苗存活则主要受非生物因子影响;（3）从生活型上看,相对于常绿物种,落叶物种的幼苗存活率更容易受到同种幼苗密度的影响,也与冠层开阔度呈正相关;（4）在物种水平上,生物因子与非生物因子对不同物种幼苗存活率的影响也不相同。其中,宜昌润楠（Machilus ichangensis Rehd.et Wils.）的存活率与冠层开阔度呈正相关;薄叶山矾（Symplocos anomala Brand）幼苗的存活率与同种幼苗密度、异种大树胸高断面积、林冠开阔度、坡向均呈显著负相关,而与异种幼苗密度和海拔呈显著正相关。本研究表明影响幼苗存活的因子是多样的,而且不是随机发生的。在不同水平上影响幼苗存活的因子不同。     

马尾松人工林发育过程中的养分动态

为了解马尾松人工林不同发育时期的养分动态,利用空间代替时间的方法对7、17、31和51年生4个年龄阶段的马尾松人工林养分积累、分配及循环进行了研究.结果表明:马尾松人工林发育过程中,生物量积累与养分积累具有不同步性,从17年生到51年生,生物量积累增长速率是N、P、K、Ca和Mg积累增长速率的3.3、5.4、3.3、3.7和9.8倍;各器官中养分的分配与养分库增长速率有关,随着林龄的增长,树干养分的比重和养分的根冠比增大;单位养分生产的干物质量随林龄增长而提高,51年生时林分的养分循环系数较高,具有低存留、高归还的特点,养分利用效率最高.缩短轮伐期降低了养分高效利用的机会.为维持林地的长期生产力,建议将马尾松人工林轮伐期延长到50年以上,同时降低收获强度.     

不同分布区栓皮栎实生苗更新及其影响因子

分别在栓皮栎分布的边缘区黄土高原、半干旱核心区秦岭北坡以及湿润核心区秦岭南坡设置8块固定样地,调查了栓皮栎实生苗的年龄结构、生长状况、干质量累积与分配,并采用通径分析对影响实生苗更新的因子进行分析.结果表明:各分布区栓皮栎实生苗密度均随苗龄的增长而减小,且1～8年生实生苗密度均为秦岭南坡＞秦岭北坡＞黄土高原;各分布区相邻苗龄间的转化率差异显著,在黄土高原,7年生向8年生的转化率最低,为(30.2±2.9)％,在秦岭北坡和南坡,4年生向5年生的转化率最低,分别为(53.9±3.7)％和(50.0±2.1)％.随苗龄增长,各分布区实生苗的高度和干质量积累呈增加趋势,且秦岭南坡＞秦岭北坡＞黄土高原;主根长/株高逐渐下降,根幅/冠幅、根茎比则先升高后降低,三者均是黄土高原最高,秦岭南坡最低.温度、光照、林分郁闭度和灌层盖度是影响栓皮栎实生苗更新的直接因子,其中温度和光照起促进作用,郁闭度和灌层盖度起阻碍作用;而土壤速效氮含量和草本层盖度是重要的间接因子,分别起正向和负向作用.     

灌溉水稻生长发育和潜力产量的模拟模型

本文提出的HDRICE模型是灌溉水稻生长的生理生态模型,它由相互衍接的水稻形态发育、干物质积累和叶面积发育三模块组成。形态发育模块用以模拟逐日温度和日长对水稻发育的影响,其参数可反映水稻品种的基本营养性、感温性和感光性;干物质积累模块用以模拟冠层CO_2同化、作物的维持呼吸和生长呼吸及干物质分配等过程;叶面积发育模块用以模拟叶面积指数的动态。本文还讨论了模型的输入参数和模型检验。模型可应用于模拟水稻的生长发育,预测水稻品种潜在产量及为取得潜在产量所必需的群体数量指标。     

哀牢山亚热带常绿阔叶林光合有效辐射的时空分布

光合有效辐射(PAR)是影响生态系统能量转化和物质生产的重要生态因子,对其时空格局的研究,有助于深入理解生态系统的生理生态因子变化和光合行为.本研究分析了2009年哀牢山亚热带常绿阔叶林生态系统PAR的时间与垂直分布特征及相互关系.结果表明,在日尺度上,PAR在进入冠层内部的过程中,其强度不断减弱;各层次PAR月总量的年变化不尽相同,冠层上在2月和1月分别达到最大值和最小值.冠层上的PAR( PAR1)的日均变化呈单峰曲线,冠层底部(PAR2)、乔木亚层( PAR3、PAR4)和灌木层(PAR5)则为不规则的单峰曲线;各层全年PAR总量分别为8824.98、682.20、403.09、216.62、208.52 mol·m-2.全年PAR2 -PAR5占PAR1的比率分别为7.73％ 、4.57％、2.45％和0.92％;雨季各层次PAR的平均值分别为干季的89.77％、89.34％、97.32％％、116.36％和115.09％.     

夏播菘蓝不同居群干物质和活性成分积累特征

为研究夏播菘蓝不同栽培居群的最佳采收期,以来自于山西、安徽、甘肃、江苏和河南的5个栽培居群为材料,设置盆栽土培实验,于菘蓝生长第60天起,间隔10d采样,共采集6次样品,采用HPLC法测定其叶片、叶柄、根茎和根4个部位的靛蓝与靛玉红含量。结果表明:(1)不同栽培居群随着生长时间的延长,其叶片、叶柄、根茎及根的生物量持续增加,其中来自于山西居群的生长最佳,干物质积累量最大。(2)不同居群叶片及叶柄内靛蓝与靛玉红含量最大值出现在生长90~100d,即为叶内活性成分积累的高峰期。(3)综合分析其活性成分与干物质的积累量,各居群叶片靛蓝积累量最大值在生长90~100d,叶片、叶柄与根茎的靛玉红积累量也出现在90~100d。若以中国药典的靛玉红为质量控制指标,同时综合考察其生物量指标与活性成分积累量指标,夏季播种的来自于山西、安徽和河南的菘蓝居群最佳采收期为生长100d左右,而来自于甘肃与江苏居群的则以生长90d最佳。     

干旱及复水对芭蕉芋干物质及氮磷钾积累与分配特征的影响

以抗旱性弱的‘兴芋-1’和抗旱性强的‘兴芋-2’芭蕉芋品种为材料,通过盆栽试验,研究了干旱及复水对芭蕉芋干物质以及N、P、K积累与分配的影响,以明确干旱条件下芭蕉芋干物质的构成特点及N、P、K吸收分配特性,为芭蕉芋节水高效栽培提供理论依据。结果表明:(1)干旱胁迫显著抑制了芭蕉芋的生长,降低了根茎、茎和叶中干物质积累及其在根茎中的分配,而促进了根中干物质积累与分配。(2)干旱胁迫显著降低了芭蕉芋对N、P、K的吸收和积累,且N、K的降幅大于P,同时也改变了N、P、K在各器官中的分配比例。(3)干旱胁迫条件下,N优先向芭蕉芋叶中分配,而P和K优先向根和叶中分配,同时这些变化存在品种差异,抗旱性强的‘兴芋-2’受影响程度小于抗旱性弱的‘兴芋-1’,但‘兴芋-2’根茎中K的分配率降幅大于‘兴芋-1’。(4)复水后芭蕉芋茎、叶恢复效果优于根茎,P吸收积累的恢复效果优于N和K,但短期复水的补偿效应仍不足以弥补干旱胁迫的伤害。研究发现,干旱胁迫增加了芭蕉芋根、叶中矿质元素的分配比例,增强其渗透调节能力,提高其耐旱性;干旱条件下抗旱性强的芭蕉芋品种‘兴芋-2’的K利用率低于抗旱性弱的品种‘兴芋-1’。     

不同林龄长白落叶松人工林碳储量

基于7—41 a长白落叶松人工林样地生物量调查,探讨了不同发育阶段长白落叶松人工林碳储量的时空变化规律。结果表明:随林龄的增大,长白落叶松人工林林木和各器官生物量增加,树干所占比例增加,生物量转换因子(BEF)、根茎比(R)等参数分布正常。林下植被层、倒落木质物层生物量随林龄增大呈增加趋势。群落总碳储量的空间分布序列是:乔木层倒落木质物层林下植被层。未成林期、幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林群落的碳储分别为6.585、66.934、90.019、125.103、162.683t.hm-2,乔木层碳储量分别为3.254、58.521、78.086、108.02、138.096 t.hm-2,倒落木质物层和林下植被层碳储量平均值分别为10.859、1.988 t.hm-2。乔木层、倒落木质物层和林下植被层碳储量占总量的平均比率分别为85.99%、2.17%和11.85%。在不同发育阶段群落和乔木层碳储量的年生产力呈先降后升的变化趋势,中龄林的碳储量累积速率高于幼龄林及成熟林,碳素年固定量分别为0.940、3.889、3.615、3.628、3.968 t.hm-2,乔木层年生产力分别为0.465、3.39、3.137、3.133、3.368 t.hm-2。林下植被层年生产力呈"U"形变化,平均值为0.079 t.hm-2。倒落木质物层的年生产力呈线性增长,平均值为0.423 t.hm-2。研究认为长白落叶松人工林群落碳储量随林龄增加的变化规律明显,碳汇潜力巨大。     

热带山地雨林生态系统的水分生态效应——冠层对暴雨势能的消减、暴雨养分贮存

基于对尖峰岭热带山地雨林集水流域的定位研究,分析了３年间该群落冠层对大雨、暴雨及大暴雨势能的消减、缓冲耗能效应以及年暴雨携带养分在系统中贮存效应,其冠层消减大雨、暴雨及大暴雨势能占年总消减势能在６１．８％～７１．８％之间,其中消减（≥２００ｍｍ）大暴雨势能量占年总消减势能的４３．９％;大雨、暴雨及大暴雨雨水的年均养分含量为５５．１２２ｋｇ／ｈｍ２,其产流流失为４２．９１７ｋｇ／ｈｍ２,年均净积累为１２．２０５ｋｇ／ｈｍ２,除取Ｓｉ外,年净积累量达３２．６７４ｋｇ／ｈｍ２,充分体现出热带山地雨林生态系统具有的环境生态效应。