基于叶片尺度观测数据的气孔导度模型评价

气孔导度(g)是控制冠层与大气之间能量和水分交换的重要因素。空气湿度是控制植物叶片气孔导度的一个关键环境因子。在过去的十几年中,普遍得到应用的是Ball-Woodrow-Berry(BWB)模型和Leuning模型中气孔导度与湿度的关系。本研究使用一个诊断变量f(H),基于农田叶片水平的光合-气孔导度观测数据,对BWB模型、Leuning模型以及新发展的power-h模型和power-D模型进行了气孔导度模拟效果的比较和评价。结果表明:BWB模型描述的是g和相对湿度(hs)之间的一种线性关系,当空气较为湿润时,模拟结果存在较大的低估;Leuning模型中反映的是g与饱和水汽压差(Ds)的非线性函数,降低了模拟结果的误差,但仍然不能很好地描述g在较湿状况下的显著升高;相比之下,两个新的模型,即Ds的指数函数和(1-hs)的指数函数形式模型能提高模拟结果的精度。这个研究结果也表明基于Ds的模型模拟效果要好于基于hs的模型。     

植被-大气相互作用中的气孔导度及其尺度转换

气孔导度是衡量植物和大气间水分、能量及CO2平衡和循环的重要指标,探讨气孔导度在叶片、冠层及区域尺度间的尺度转换及累积效应,对更好地认识植被与大气间的水热运移过程,合理评价植被在陆面过程中的地位和作用具有重要意义.本文着重从叶片尺度气孔导度模拟、气孔导度在冠层尺度的累积表现、冠层到区域尺度转换研究及气孔导度累积效应在陆面过程模型中的作用等4个层次总结了近期国内外研究状况,指出其中存在的异质性等问题,并就今后应加强多尺度间的同步观测提出了展望.     

长白山阔叶红松林叶片气孔导度与环境因子的关系

通过对阔叶红松林主要树种叶片的野外测定,研究了长白山阔叶红松林叶片气孔导度对环境因子的响应,结果表明,阔叶红松林叶片的气孔导度与瞬时光合有效辐射（PAR）和温度（Ta）呈正相关,而与水汽压亏损（PVD）呈负相关。对气孔导度模型的验证表明：Jarvis的非线性模型比Ball的线性模型更适于阔叶红松林叶片的气孔导度模拟。长白山阔叶红松林叶片的气孔导度对环境因子的响应模型为：gs=PAR（1.606T2a＋118.19Ta-1878.67）/（355.70＋PAR）（-430.433＋VPD）。此模型有助于进一步估算叶片光合作用,通过尺度化模拟阔叶红松林群落生产力以及土壤-植物-大气系统之间的水热交换奠定了基础。     

华北平原冬小麦冠层导度的环境响应及模拟

通过引入叶面积指数,将叶片水平的气孔导度组合模型扩展到冠层水平,建立了冠层导度环境响应组合模型,组合模型所需参数较少,且均可在冠层水平直接测量,便于应用;模型由潜在气孔导度（PSC）和相对气孔开度（RDO）组成,二者分别由环境变量的日际（inter-day）和日间（intra-day）的值决定。分析表明,冠层导度在日际尺度和日间尺度上对环境变量具有多尺度响应特性,在日际尺度上,温度是影响冠层导度的主要因子,在日间尺度,光是影响气孔开闭的主要因素。利用以温度和光合有效辐射为输入变量构建的组合模型,模拟了华北平原冬小麦农田生态系统的冠层导度,并用Penman-Monteith方程估算的表面导度进行验证。结果显示,在不同天气情况下,二者的日变化均具有较好的一致性;将组合模型与电学类比模型结合,进一步估算了拔节．灌浆期的冠层潜热通量,利用涡度相关系统观测的潜热通量数据进行验证,结果表明对冬小麦冠层潜热通量模拟精度较高,直线回归斜率为0．7054,R^2=0．7894。     

光合作用—蒸腾作用—气孔导度的耦合模型及C3植物叶片对环境因子的生理 …

以叶片的气体传输过程为基础,将蒸腾作用包括在以往光合作用－气孔导度的耦合模型中,建立了光合作用－蒸腾作用－气孔导度的耦合模型。该模型可以模拟边界层导度对生理过程的影响。模拟了Ｃ３植物叶片对环境因子,如光照、温度、湿度、边界层导度和ＣＯ２浓度等的生理响应（光合作用、蒸腾作用、气孔导度）以及Ｃｉ和水分利用效率的变化。在环境因子变化于较大范围的情况下,模拟结果符合许多实验结论。     

基于树干液流测定值的马占相思(Acacia mangium)冠层气孔导度计算及数值模拟

为深入揭示华南地区马占相思冠层气孔导度对环境因子的响应规律,在2005年7月至11月,利用Granier热消散式探针法对马占相思(Acacia mangium)的树干液流(sapflow)进行了连续测定,计算出整树的蒸腾,并由Penman-Monteith方程得出马占相思的冠层气孔导度值。通过分析,发现:马占相思冠层气孔导度是控制马占相思树整树蒸腾的主要因素;冠层气孔导度随着水汽压亏缺增加呈负指数函数下降的趋势。使用包括了太阳总辐射、水汽压亏缺和气温的Jarvis模型可以较好地模拟马占相思冠层气孔导度对环境因子的响应特征;模拟结果表明:环境变量对模型精确度的影响程度依次为:水汽压亏缺>太阳总辐射>气温。     

植物光合生产力与冠层蒸散模拟研究进展

植物的光合与蒸腾的模拟已经从经验模型发展到过程模型的时代。概括地论述叶片和冠层尺度上,植物生理生态的基本过程,分析近年来几个有代表性的模型在模拟光合作用,蒸腾作用时,对这些听参数化处理的方法,即在叶片水平上,以Ｆａｒｑｕｈａｒ的叶片光合作用的生化模型,Ｂａｌｌ－Ｂｅｒｒｙ的气孔导度模型等为基础。     

桂花树冠层气孔导度模型的优化及其参数分析

冠层气孔导度(g_c)是许多陆面过程模型中的重要参数,提高对冠层气孔导度的模拟精度非常重要。以环境因子阶乘的Jarvis形式的模型是气孔导度模型中的典型代表,但研究中不同的环境因子有不同的响应方程和参数。研究认为不同的响应方程有不同的模拟效果,并通过比较各环境因子的不同响应方程组合的模型的模拟效果来确定最优的g_c模型。以桂花树为例,测定了树干液流、茎水势和微气象环境,用Penman-Monteith(PM)方程反推计算冠层气孔导度并检验不同方程组合的16种模型。模型的参数用DiffeRential Evolution Adaptive Metropolis(DREAM)模型优化。结果表明这种方法能够有效地找到各环境因子最优的响应方程,从而最优化g_c模型。优化的g_c模型很好地模拟了桂花树冠层气孔导度的变化,尤其是对干旱的响应,模拟值与PM计算值的相关系数和均方根误差分别为0.803和0.000623 m/s。同时也证明了模型中温度函数f(T)1的现象并非个例,由于温度(T)和水汽压亏缺(D)常是高度相关的,建议在以后的g_c模型研究中应把T和D看成一个影响因子,但f(T)1的这种现象是否具有全球性还有待进一步研究证实。     

北京山区油松和元宝槭冠层气孔导度特征及其环境响应

叶片气孔是植物进行水汽交换的通道, 影响着植物的蒸腾和光合作用。然而叶片气孔行为受环境条件和树种类型的影响, 不同树种冠层气孔导度对环境因子响应的差异性, 以及在生长季不同时期叶片气孔对冠层蒸腾的调节作用是否会发生改变, 仍不清楚。该研究目的是通过探究各环境因子对不同树种冠层气孔导度的相对贡献率以及叶片气孔对冠层蒸腾的调节作用, 为深入了解植物水分利用状况和山区森林经营提供参考依据。于2018年生长季以北京八达岭国家森林公园内的58年生油松(Pinus tabuliformis)和39年生元宝槭(Acer truncatum)为研究对象, 利用热扩散技术对其树干液流进行连续监测, 并同步监测环境因子。利用彭曼公式计算冠层气孔导度(G_s)。主要结果: (1)油松和元宝槭日间G_s在日、月时间尺度上存在明显差异。5-7月油松和元宝槭日动态G_s均随饱和水汽压差(VPD)和太阳辐射(GR)的增加呈上升趋势, 上升持续时间比8月和9月长; 在月尺度上, 随着VPD、GR的降低和土壤湿度(VWC)的升高, G_s从5月到9月整体上升。(2)利用增强回归树法分析得到VWC和VPD对G_s的贡献率最大, 其次是GR、气温和风速。VWC和VPD对油松G_s的贡献率分别为66.4%和17.4%, 对元宝槭G_s的贡献率分别为54.8%和21.0%。(3)油松和元宝槭的dG_s/dlnVPD值与参考冠层气孔导度之间的斜率均显著高于0.6, 气孔调节作用相对较强。综上所述, 气孔对环境因子的响应在树种以及生长季不同时期之间存在差异, 为防止水分过度散失, 两树种在不同土壤水分条件下均通过严格的气孔调节控制蒸腾量。     

基于树干液流测定值的马占相思（Acacia mangium）冠层气孔导度计算及数值模拟

为深入揭示华南地区马占相思冠层气孔导度对环境因子的响应规律,在2005年7月至11月,利用Granier热消散式探针法对马占相思（Acacia mangium）的树干液流（sap flow）进行了连续测定,计算出整树的蒸腾,并由Penman-Monteith方程得出马占相思的冠层气孔导度值。通过分析,发现：马占相思冠层气孔导度是控制马占相思树整树蒸腾的主要因素;冠层气孔导度随着水汽压亏缺增加呈负指数函数下降的趋势。使用包括了太阳总辐射、水汽压亏缺和气温的Jarvis模型可以较好地模拟马占相思冠层气孔导度对环境因子的响应特征;模拟结果表明：环境变量对模型精确度的影响程度依次为：水汽压亏缺>太阳总辐射>气温。     

春玉米持续干旱过程中常用气孔导度模型的比较研究

气候变化背景下,干旱频发导致的土壤水分变化将影响气孔导度模型的适用性,进而影响生态系统碳-氮-水循环模拟的准确性。基于春玉米持续干旱田间模拟试验资料,比较了常用气孔导度模型在干旱条件下的模拟效果,评价了土壤水分响应函数对气孔导度模型效果的影响,并探讨了气孔导度模型的适用土壤水分范围。结果表明,在持续干旱过程中,模型模拟效果表现为BBL模型最优,其次是USO模型和BWB模型,Jarvis模型最差;引入土壤水分响应函数,提高了BWB模型和USO模型的模拟效果,而降低了Jarvis模型和BBL模型模拟效果,模型模拟效果表现为USO修正模型最优,其次是BBL修正模型和BWB修正模型,Jarvis修正模型最差。在持续干旱过程中,Jarvis模型和BWB模型的剩余气孔导度较大,而BBL模型和USO模型的剩余气孔导度相对较小,表明BBL模型和USO模型在干旱条件下具有一定的稳定性。基于95%置信区间判断表明:Jarvis模型、BBL模型和USO模型在土壤相对湿度范围为33%—83%条件下适用,而BWB模型的适用土壤相对湿度范围为33%—76%,引入水分响应函数后可在试验条件下适用。研究结果可为干旱条件下选取合适的气孔导度模型以准确模拟陆地生态系统碳循环和水循环提供依据,并为改善农业水资源的有效使用和评估提供支撑。     

植物气孔扩散传导率的研究

本文对生长在可控环境温室中的花生气孔扩散传导率进行了实验研究,揭示了单个植株之间、上下表面之间、叶片不同部位以及冠层垂直方向上气孔扩散传导率的变异性。同时以气孔扩散传导率与环境条件的测定值为基础,对传导率对环境因子的反应进行了分析,植株顶部叶片气孔扩散传导率与太阳总辐射和空气饱和差有关系;冠层传导率与冠层截留辐射和空气饱和差有相关关系。     

Stomatal control of transpiration in the canopy of a clonal Eucalyptus grandis plantation

 Predawn leaf water potential, stomatal conductance and microclimatic variables were measured on 13 sampling days from November 1995 through August 1996 to determine how environmental and physiological factors affect water use at the canopy scale in a plantation of mature clonal Eucalyptus grandis Hill ex-Maiden hybrids in the State of Espirito Santo, Brazil. The simple ”big leaf” Penman-Monteith model was used to estimate canopy transpiration. During the study period the predawn leaf water potential varied from –0.4 to –1.3 MPa, with the minimum values observed in the winter months (June and August 1996), while the average estimated values for canopy conductance and canopy transpiration fell from 17.3 to 5.8 mm s^–1 and from 0.54 to 0.18 mm h^–1, respectively. On the basis of all measurements, the average value of the decoupling coefficient was 0.25. During continuous soil water shortage a proportional reduction was observed in predawn leaf water potential and in daily maximum values of stomatal conductance, canopy transpiration and decoupling coefficient. The results showed that water vapour exchange in this canopy is strongly dominated by the regional vapour pressure deficit and that canopy transpiration is controlled mainly by stomatal conductance. On a seasonal basis, stomatal conductance and canopy transpiration were mainly related to predawn leaf water potential and, thus, to soil moisture and rainfall. Good results were obtained with a multiplicative empirical model that uses values of photosynthetically active radiation, vapour pressure deficit and predawn leaf water potential to estimate stomatal conductance. Received: 10 June 1998 / Accepted: 20 July 1998     

羊草叶片气孔导度特征及数值模拟

对松嫩平原草地羊草叶片气孔导特征及与环境因子关系的研究结果表明,羊草叶片气孔导度日变化与环境因子密切相关,晴天表现为双峰曲线,阴天为单峰曲线,同时叶片气孔导度（gs)对瞬时光合有效辐射（PAR）,叶片与空气间的水汽压亏损（VPD）,空气温度（Ta）反应十分明显,依据野外实测资料,在对国际上两类代表性气孔导度模型验证比较的基础上,建立了适用于羊草草原的羊草叶片气孔导度对环境因子的响应模型gs=PAR(2.01Ta^2 147.74Ta-2321.11)/(444.62 PAR)(-538.04 VPD).     

Phosphoglycerate dehydrogenase from soybean nodules : partial purification and some kinetic properties

The relationship between single leaf photosynthesis and conductance was examined in cotton (Gossypium hirsutum L.) across a range of environmental conditions. The purpose of this research was to separate and define the degree of stomatal and nonstomatal limitations in the photosynthetic process of field-grown cotton.

Photosynthetic rates were related to leaf conductance of upper canopy leaves in a curvilinear manner. Increases in leaf conductance of CO₂ in excess of 0.3 to 0.4 mole per square meter per second did not result in significant increases in gross or net photosynthetic rates. No tight coupling between environmental influences on photosynthetic rates and those affecting conductance levels was evident, since photosynthesis per unit leaf conductance did not remain constant. Slowly developing water stress caused greater reductions in photosynthesis than in leaf conductance, indicating nonstomatal limitations of photosynthesis.

Increases in external CO₂ concentration to levels above ambient did not produce proportional increases in photosynthesis even though substomatal or intercellular CO₂ concentration increased. The lack of a linear increase in photosynthetic rate in response to increases in leaf conductance and in response to increases in external CO₂ concentration demonstrated that nonstomatal factors are major photosynthetic rate determinants of cotton under field conditions.

     

华北山区侧柏冠层气孔导度特征及其对环境因子的响应

冠层气孔导度(g_s)是衡量冠层-大气界面水汽通量的重要生物学常数,研究其特征及对环境因子的响应,能为开展森林冠层水汽交换过程的机理性研究提供理论依据.于2014年利用SF-L热扩散式探针测定了侧柏的树干液流密度(J_s),同步监测光合有效辐射(PAR)、饱和水汽压差(VPD)、气温(T)等环境因子,计算侧柏的冠层气孔导度特征并分析其对各环境因子的响应.结果表明: 侧柏液流密度的日变化总体呈双峰曲线,生长季高于非生长季,且胸径越大液流密度越大;冠层气孔导度日变化与单位叶面积冠层蒸腾(E_L)趋势相近,均呈双峰曲线,生长季的冠层气孔导度和蒸腾较非生长季略高.侧柏冠层气孔导度与空气温度呈抛物线关系,在10 ℃左右冠层气孔导度达到峰谷;光合有效辐射以400 μmol·m^-2·s^-1为界,小于该阈值两者呈正相关关系,大于该阈值则冠层气孔导度受其影响较小;与饱和水汽压差呈负对数函数关系,随饱和水汽压差增大而逐渐降低.较高的空气温度和光合有效辐射、较低的饱和水汽压差有利于侧柏形成较大的冠层气孔导度,进而促进冠层蒸腾.     

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。