作物生長模擬1.ppt

1、作物生長模擬（一）,呂昌河 中國科學院地理科學與資源研究所 Email: 電話：64889110,講課提綱,系統(tǒng)分析與模擬：基本概念 主要作物模型及其組成 作物生長的影響因子與產量水平 作物生長率 思考題,一、系統(tǒng)分析與模擬：基本概念,基本術語：系統(tǒng)、模型與模擬（system, model and simulation） 系統(tǒng): a limited part of reality that contains interrelated elements. 模型: a simplified representation of a system. 模擬: building of mathematic

2、al models and the study of their behavior in reference to that of the system they represent,數(shù)學模型與非數(shù)學模型,非數(shù)學模型：如地圖；建筑物的模型 數(shù)學模型：分為描述性(statistical, stochastic)、解釋性 (deterministic, process) 模型 描述性（統(tǒng)計回歸）模型：usually describes the behavior of a model in a relatively simple manner and reflects little or none

3、of the mechanisms that are the cause of that behavior. 解釋性（機理）模型：包括對主要過程的定量描述；Processes acting at a lower integration level, like e.g. the photosynthesis-light response curve of a single leaf, are integrated with other processes to explain system behavior at a higher integration level, e.g. crop gro

4、wth. 按是否考慮時間因子，可分為動態(tài)模型和靜態(tài)模型,狀態(tài)、速率和驅動變量,狀態(tài)變量（State variable）：指系統(tǒng)的總量，如生物量、土壤中總含水量等 驅動變量或驅動方程（Driving variable）：系統(tǒng)外部因子或描述系統(tǒng)外部因子影響的方程，如太陽輻射、氣溫、降水等 速率變量（Rate variable）：特定時刻單位時間內狀態(tài)變量的變化量 數(shù)學模型的前提是：系統(tǒng)的狀態(tài)、變化可以通過數(shù)學公式量化,狀態(tài)、速率和驅動變量的數(shù)學表達,Rate variables are used to calculate the new values of the state variables

5、at (t+t) by rectangular numerical integration: State (t+t) = State (t) + Rate (t)t (1) State variables and the driving variables at (t+t) are used to calculate the rate variables at (t+t). These rate variables are then used to calculate the state variables at (t+2t), according to Eq (1), and so fort

6、h. In crop growth simulation models（e.g., WOFOST), the time step t is one day. A simple example of a state determined dynamic model is that of exponential growth of a population. The rate is calculated according to: Rate (t) = State (t) constant（人口增長率） 關鍵是Rate變量,二、主要作物模型及其組成,主要模型 SUCROS, WOFOST：荷蘭，著

7、重于潛在和水分限制條件下的作物產量模擬，包括作物小麥、玉米、水稻、大豆、大麥、馬鈴薯等。 EPIC：美國，能模擬作物生長、養(yǎng)分循環(huán)、土壤侵蝕等，是一個綜合模型?？赡M主要糧食作物，還可模擬果木、草地、林地等生長； CERES：美國，主要模擬作物生長過程和產量，包括水稻、小麥、大麥、高粱、木薯、大豆、花生、馬鈴薯、粟等； DSSAT：美國，綜合管理模型或決策支持系統(tǒng)。模擬作物產量和管理因子對產量的影響，是一個綜合模型,作物模型的組成,模型描述的主要生理過程包括：光合作用（ CO2 同化）、生長發(fā)育、干物質形成與分配、葉面積動態(tài)、作物蒸散等 一般來講，模型都盡可能的采用了簡便的處理方法，來描述系統(tǒng)

8、中的水、熱、CO2傳輸過程與光合作用過程（如WOFOST模型）,WOFOST model,Major components in the EPIC crop growth model,復雜的模型還包括生態(tài)過程的模擬等,地表徑流 土壤水分循環(huán) 土壤養(yǎng)分循環(huán) 土壤溫度 土壤侵蝕 農藥 作物管理,用于評價全球和區(qū)域初級生產力(primary productivity) 用于定量評價大氣CO2 、溫度、降水和太陽輻射變化對植物生長和水分利用的共同影響。 用于模擬氣候變化對作物生長和產量的影響； 作物生長模型與生態(tài)過程模型的整合擴展了模型的應用范圍，例如作物生長模型與水文模型的結合，與農田水肥管理模型的

9、結合可以分析作物的水分動態(tài)和養(yǎng)分動態(tài)，應用于水肥利用的優(yōu)化管理。,作物模型的應用,作物模型包含生理和環(huán)境物理部分，涉及作物栽培學、植物生理學、土壤物理學、微氣象學等多個領域 生理過程的機理復雜, 現(xiàn)有的作物模型都是在一定理論框架基礎上的簡化，經驗性往往較強。 目前，尚沒有一個完全被接受的、適合各種生態(tài)類型的模型。如作物生長模型有數(shù)百種之多。模型具有顯著的區(qū)域性。 由于某些生理過程的不明確和模型的簡化，模型在全球范圍的普適性需要得到檢驗。,模型應用中應注意的問題,模型應用中應注意的問題,作物生長模型是現(xiàn)實系統(tǒng)的簡化。對模擬結果及其結論，需要慎重和細致分析。 模擬結果的精度不可能超過輸入資料的精度

10、。因此，應小心選擇輸入的資料。 模型參數(shù)多是通過實驗獲得，具有很強的地域性，因此，使用時需要進行參數(shù)和模擬的結果的校驗。 模型越復雜，參數(shù)越多，因此模擬結果的不確定性可能越大；復雜模型的模擬結果并不一定要好于簡單模型 盡量避免使用平均氣候數(shù)據(jù)，應先模擬后平均。,三、作物生長因素和產量水平,作物產量的決定因素：作物性狀、光、CO2、溫度 作物產量的限制因素：水、養(yǎng)分 作物產量的減產因素：病蟲害、雜草、污染物 作物生長條件與產量水平,作物性狀,作物生理性狀：如CO2的同化能力、生育期長度、收獲指數(shù)、葉面積指數(shù)，等等； 作物類型：C3和C4作物（見下表）；谷類作物、根莖作物、豆科作物、油料作物。,光

11、照,光照：光和作用的能量來源，形成葉綠素的必要條件；影響光和作用的重要因素 光強-光合曲線：光補償點、光飽和點 一般來說，光補償點高的植物其光飽和點也高：草本木本植物；C4C3植物；陽生陰生植物,有效光強,光合速率,光強對作物光合量的影響,CO2：光合作用的主要原料,CO2光合曲線：CO2補償點和飽和點,CO2濃度,C4植物的CO2補償點和飽和點均低于C3植物 增加CO2濃度可提高植物的光合能力，尤其對C3植物效果明顯 CO2濃度增加，氣孔導度下降，蒸騰速率降低，植物的水分利用效率提高,光合速率,C3作物,C4作物,CO2的供應與光合速率,re rs ri rm 大氣 氣孔 葉肉細胞間隙 葉肉

12、細胞原生質 葉綠體基質 用re, rs, ri, rm分別表示擴散層阻力、氣孔阻力、葉肉阻力和羧化阻力，ca和cc分別為大氣和葉綠體基質中CO2濃度，k為系數(shù)，則CO2的流通速率P（光合速率）可表示為：,溫度,三基點溫度：低溫導致葉綠體結構破壞和酶的鈍化，影響光合作用；高溫下光呼吸和暗呼吸加強，凈光合速率下降 表3 小麥、玉米三基點溫度,溫度影響光合速率和生育期長度,出苗到開花期日數(shù),凈光合率,C3作物,C4作物,對作物生長的影響符合Liebig的最大限制因素法則，即作物產量決定于水肥等生長要素虧缺最重的一個。,作物產量的限制因素：水、養(yǎng)分,作物產量的限制因素：水,水分是光合作用的主要原料之一

13、和植物體的主要成分（70-90%）。缺水使： 氣孔導度下降，導致進入葉肉內的CO2減少，光合速率降低 光合產物輸出變慢在葉片中積累光合作用產生反饋抑制 光合機構受損光合速率下降 葉片死亡光合面積減少 濕度：在一般自然條件下，濕度對光合的影響并不明顯?？諝怙柡退麎翰钤酱?，大氣蒸發(fā)力越強，引起葉片失水，氣孔關閉，CO2供應不暢而導致光合速率下降。,作物產量的限制因素：養(yǎng)分,養(yǎng)分是植物細胞結構物質的組成成分 氮：蛋白質的主要成分（16-18%）；氮過多不利于同化物向子粒分配，缺氮則引起葉功能早衰 磷：促進光合作用和有機物的運輸，促進蔗糖合成 鉀：促進糖分轉變成淀粉；有利于有機物運輸,植物體除了已構

14、成細胞壁的物質外，其他物質都可以被轉移到其他組織或器官中去。當葉片衰老時，大部分的糖和NPK都要就近轉移到新生器官。如小麥葉片衰老時，85%的氮、90%的磷要轉移到穗部。,病蟲害：降低作物葉片的光合能力 雜草：與作物競爭光、熱、水和養(yǎng)分 污染物：重金屬；SO2，氮氧化物（NO2, NO）等，進入葉肉組織，很容易被吸收，破壞葉綠體,作物生長的減產因素,作物生長條件與產量水平,1）潛在生長條件 潛在產量 水分、養(yǎng)分充分供應，無病蟲害、雜草危害； 作物生長和產量僅決定于太陽輻射、溫度和作物性狀 2）限制生長條件 可獲得（限制）產量 除上述因子外，在作物生長季節(jié)至少部分階段出現(xiàn)缺水；或作物生長受到養(yǎng)分

15、或同時水分短缺的影響； 在無灌溉、無病蟲害和雜草危害，以及養(yǎng)分充分滿足的條件下，作物可能實現(xiàn)的產量，稱為雨養(yǎng)潛力。 3）實際生長條件 實際產量 作物生長受到減產因子病蟲害、雜草、污染等影響。,產量水平圖示,四、作物生長率,光合作用、CO2同化量 呼吸作用、呼吸消耗量 凈光合率（生長率）,光合作用,可見光 H2O + CO2 +光能 CH2O + O2,作物吸收可見光，將CO2和水同化為碳水化合物，釋放出氧氣：全球每年合成有機質約500億噸，同化碳素約200億噸，釋放氧氣535億噸 大多數(shù)高等植物的光合產物是淀粉；但洋蔥、大蒜等的產物是葡萄糖和果糖，小麥、蠶豆是蔗糖 幼齡葉片除糖類外還形成較多蛋

16、白質,波長：400-700 nm,CO2總同化量,Ag = CO2總同化量（kg CO2 ha-1d-1） E = 作物CO2同化效率 (CO2 ha-1/(MJ m-2) 適宜溫度條件下，C3和C4作物在生長發(fā)育期的最大E值分別為70和90 kg CO2 ha-1/(MJ m-2) 同化的CO2轉化為干物質的效率大致在0.3-0.5之間。,作物吸收的總有效光,Iabs = 作物吸收的總有效光（MJ m-2 d-1） = 作物太陽輻射反射率（0.1 - 0.2） I0 = 太陽總輻射（MJ m-2 d-1） k = 作物消光系數(shù)（多在0.4 - 0.7） L = 作物葉面積指數(shù),CO2同化曲線

17、,CO2總同化量：考慮各葉層光強的變化,Daily gross CO2-assimilation rate of a crop is calculated from the absorbed radiation (Ia), and the photosynthesis-light response curve of individual leaves. This response is dependent on temperature and leaf age. The absorbed radiation is calculated from the total incoming radia

18、tion and the leaf area. Photosynthesis responds to light intensity in a non-linear way, so, variation in radiation level should taken into account.,各葉層的CO2同化量,AL is gross assimilation rate kg (CO2) m-2 (leaf) s-1. Am is the maximum gross assimilation rate at light saturation kg (CO2) m-2 (leaf) s-1

19、is the initial light use efficiency kg (CO2) J-1 (absorbed PAR) of individual leaves Both and Am are temperature-dependent. k, and Am are crop specific. Generally, Am of C4 crops are higher than that of C3 crops,各葉層吸收的有效光,Radiation flux decreases more or less exponentially with increasing leaf area

20、within the canopy:,L is the leaf area index (m2 (leaf) m-2 (ground); IL is the net radiation flux at depth L k is the extinction coefficient IaL is the adsorbed radiation by leaf layer L,呼吸作用,釋放化學能 C6H12O6 + O2 6 CO2 + 6H2O 生物細胞內的有機物，在一系列酶的參與下，逐步氧化分解成簡單物質，并釋放能量的過程。 為生命活動提供能量：植物對養(yǎng)分和水的運輸、有機物的合成、細胞分裂與生

21、長等 為有機物質合成提供合成原料：分解過程中的中間產物如-酮戎二酸、蘋果酸等可為合成糖類、脂類、氨基酸、蛋白質等的原料,呼吸作用類型,暗呼吸：在光照和黑暗中都可以進行（生活細胞） 維持呼吸：維持生物器官的正常功能 生長呼吸：將碳水化合物轉化為作物的結構性物質（纖維素、蛋白質、脂肪等） 光呼吸 植物的綠色細胞在光下吸收O2，放出CO2的過程 與光合作用密切相關：光強、溫度和氧含量提高增加光呼吸；CO2濃度提高減少光呼吸 僅發(fā)生在C3作物，可占同化量的35%，造成作物生長率降低,Fig. 2: WOFOST model,維持呼吸消耗與要維持的總生物量和溫度有關 W = 總生物量（kg DM ha-

22、1） MC（kg CH2O kg-1 DM）是標準溫度（20 C，C3作物；25 C，C4作物）時維持系數(shù)，即維持作物的正常生長需要消耗的碳水化合物量 TC為溫度（T）校正系數(shù),維持呼吸消耗（Rm, kg CH2O ha-1）,T = 日均溫 Q10 一般等于2 Tref = 20 C（溫帶，C3作物），谷類作物的MC = 0.015，豆類= 0.025，油料作物 = 0.030 Tref = 25 C (熱帶， C4作物）,溫度校正系數(shù)TC,CVF = 碳水化合物轉化為干物質系數(shù)（kg DM kg-1 CH2O） 與作物類型（淀粉、蛋白質和脂肪含量）有關：如谷類作物 = 0.7，豆類 = 0

23、.65，油料作物 = 0.5,生長呼吸消耗 (Rg, kg DM d-1),To convert carbohydrates into structural plant material, such as cellulose and proteins,凈光合率（ ，kg DM ha-1 d-1）：等于總同化量減去維持呼吸和生長呼吸消耗 CVF = 碳水化合物轉化為干物質系數(shù)（kg DM kg-1 CH2O），與作物類型即淀粉、蛋白質和脂肪含量有關 谷類作物 = 0.7，豆類 = 0.65，油料作物 = 0.5,凈光合率-作物生長率,氣溫（T）= 22 C 太陽總輻射（I0）= 24 MJ m-2 d-1 總生物量（W）= 5000 kg DM ha-1 葉面積指數(shù)（LAI）= 4 消光系數(shù)（K） = 0.6