棉花生長結(jié)構(gòu)功能模擬模型研究.pdf

1、本論文以棉花為研究對象，借鑒已有的棉花模擬模型方法，以大量的棉花大田試驗資料為基礎(chǔ)，對棉花生長發(fā)育的基本規(guī)律及其與環(huán)境因子的相互關(guān)系進行系統(tǒng)分析和綜合，重點研究棉花生理生態(tài)過程和棉花形態(tài)結(jié)構(gòu)的相互影響，從而構(gòu)建一個將環(huán)境與棉花形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能有機融合在一起的棉花結(jié)構(gòu)功能模型。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面： 1、構(gòu)建棉花冠層幾何結(jié)構(gòu)的動態(tài)模擬模型，實現(xiàn)生育期內(nèi)任一天冠層不同高度的葉面積密度u(z)(m2/m3)、累積葉面積指數(shù)L

2、(z)和冠層葉面積指數(shù)LAI的模擬，以及不同生育期不同高度層上葉傾角分布的模擬。利用不同播期的田間試驗資料對模型進行了驗證，累積葉面積指數(shù)L(z)的模擬結(jié)果與1∶1直線之間的R2和RMSE分別為0.942和0.247，葉面積指數(shù)LAI的模擬結(jié)果與1∶1直線之間的R2和RMSE分別為0.927和0.295；葉傾角分布頻率的模擬結(jié)果和與1∶1直線之間的R2和RMSE分別為為0.945和6.3％。結(jié)果說明模型具有較好的預(yù)測性和實用性。

3、 2、基于冠層結(jié)構(gòu)特征的動態(tài)模擬，進行冠層分層光輻射傳輸?shù)哪M。模型詳細(xì)量化了冠層內(nèi)輻射類型、光輻射的空間分布以及一天中隨太陽時角的日變化，具有較強的機理性。用Sunscan作物冠層分析儀(英國ADC公司)測量冠層頂部及冠層內(nèi)不同高度處的光合有效輻射，試驗結(jié)果表明，在不同太陽高度角下，模擬值和實測值的相對誤差的均方根為7.6％，較為準(zhǔn)確地描述了冠層內(nèi)的光分布狀況。 3、構(gòu)建分層光合作用模型，進而進行干物質(zhì)積累和分配的動態(tài)模擬。模

4、型中充分考慮光合有效輻射的日變化和冠層結(jié)構(gòu)對光傳輸與分布的影響，另外還綜合考慮了溫度、生理年齡、葉片含氮率以及水分脅迫等因子對光合作用的影響。在光合生產(chǎn)模擬的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于生長發(fā)育時間的棉花各器官干物質(zhì)分配模型。利用不同播期的田間試驗資料對模型進行了驗證，綠葉干物重模擬結(jié)果與1∶1直線之間的R2和RMSE分別為0.960和157.74kg·hm-2莖桿干物重模擬結(jié)果與1∶1直線之間的R2和RMSE分別為0.952和201.26kg·

5、hm-2；蕾鈴干物重模擬結(jié)果與1∶1直線之間的R2和RMSE分別為0.942和237.26kg·hm-2。結(jié)果表明模擬值與觀測值吻合度較好，模型可以有效地模擬棉花光合生產(chǎn)與干物質(zhì)積累和分配。 4、基于本研究所已建成的作物結(jié)構(gòu)功能模型，根據(jù)大田試驗提取棉花生長發(fā)育特征參數(shù)，構(gòu)建棉花單株形態(tài)結(jié)構(gòu)模型。模型中利用自動機理論和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣模擬各葉元的順序發(fā)生以及它們之間的拓?fù)溥B接關(guān)系，并在模型中引入連續(xù)生長機制：即葉元的各組成器官的生長

6、變化過程表達為該葉元出現(xiàn)后的有效積溫的連續(xù)函數(shù)。從而使模型既能模擬棉花植株拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化過程，又能同時模擬各器官生長的連續(xù)特性，更真實地模擬棉花植株的生長。 5、以棉花果實發(fā)育為中心，構(gòu)建蕾鈴動態(tài)的功能模型。模型中，碳水化合物的供需比用動態(tài)的蕾鈴承載量(BLOAD)和最大載鈴量(CARP)之比來模擬，并且由它控制蕾的產(chǎn)生速度、蕾鈴的發(fā)育以及脫落過程。利用不同灌溉處理的棉花試驗資料對模型進行驗證，單株蕾數(shù)、成鈴數(shù)及吐絮鈴數(shù)模擬值與

7、觀察值之間的RMSE分別平均為2.35個，1.59個，1.12個；單鈴重的模擬值與觀察值的RMSE為0.14g。結(jié)果表明模擬結(jié)果較準(zhǔn)確，且模型參數(shù)要求少，解釋性好，比較簡單和實用。 6、構(gòu)建棉花結(jié)構(gòu)功能模型，將模擬棉花蕾鈴動態(tài)的功能模型和模擬棉花形態(tài)發(fā)生的結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合，著重研究蕾鈴發(fā)育過程中棉花形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生和生理生態(tài)過程的相互作用，進行棉花分枝結(jié)構(gòu)、棉花的坐果點定位和蕾鈴脫落的空間分布的模擬研究，并對結(jié)果進行可視化的輸出。利用