大气CO2浓度升高及气候变化对作物冠层光合影响的数值模拟

利用美国Licor-6200光合作用测定仪,对黄淮海地区代表性冬小麦品种鲁麦23号叶片光合作用速率进行了较为全面的测定,分别确定了冬小麦叶片光-光合作用响应曲线和CO2-光合作用响应曲线,在此基础上,建立了叶片光合作用模式,并进而建立了一个具有瞬时时间尺度,空间积分为叶片尺度的冬小麦冠层模式,利用模式分别分析了大气中CO2浓度升高和温度变化对冠层光合作用的不同影响,并在此基础上进一步进行了综合数值分析.单因子分析表明晴天状况下,冠层光合速率随CO2浓度升高而上升,当CO2浓度由330×10-6上升至660×10-6时,冠层光合日总量可增加19.7 %;冠层光合速率随辐射增加而增大,辐射量增加10.0 %,冠层光合日总量可增加6.7 %;冠层光合速率随温度升高而下降,温度升高1 ℃,冠层光合日总量减少2.9 %.多因子综合数值分析表明在辐射量较大的气候背景下,冠层光合日总量对温度和CO2变化响应更加敏感.本文的实测数据为研究气候变化对中国农业影响提供了最基本的可靠模型参数,冠层光合模型为未来改进作物模型提供了理论基础.     

近地层O3和CO2浓度变化对冬小麦影响的数值模拟：Ⅰ模型结构

在试验研究的基础上,文中尝试利用数值模拟方法评估O3和CO2浓度变化对作物的影响.以农田生态系统碳氮生物化学模型(DNDC)为基础,对其中的作物子模型进行改进,加入O3对冬小麦光合作用和叶片生长影响的模拟,结合原模型中有关CO2对冬小麦光合作用影响的模拟,建立反映O3和CO2浓度变化对冬小麦生长发育和产量形成影响的作物模型.文章对DNDC模型进行了参数修正以适用于中国华北地区;文章参考前人的工作,引用了两种O3对作物光合作用影响的模拟方法进行比较,分别是O3对初始光利用率的影响和O3对叶片光合作用的直接影响;在此基础上,进一步考虑O3对冬小麦叶片生长的影响,根据试验资料,建立了O3对叶片生长影响系数.     

包含CO2因子的冠层光合作用简化模型及其关键参数数值敏感分析

利用美国Licor公司生产的Li-6200便携式光合作用测定仪对冬小麦叶片光合作用进行了较为系统的测定研究,在实测资料支持下建立了包含CO2因子的叶片和冠层光合作用模型,验证结果表明,模型具有较高准确性.利用模型对CO2影响参数μ进行数值敏感分析,结果表明:对叶片光合而言,μ=0.83时叶片光合作用模型拟合最好,随μ减小或增大,拟合精度均下降;对冠层光合而言,μ=0.83时模拟光合日总量达到最大值,μ减小或增大,光合日总量均下降.多因子数值分析表明:在辐射值较大的状况下,μ对冠层光合的影响更为显著.     

大气CO2浓度升高及气候变化对作物冠层光合影响的数值模拟

利用美国Licor-6200光合作用测定仪,对黄淮海地区代表性冬小麦品种鲁麦23号叶片光合作用速率进行了较为全面的测定,分别确定了冬小麦叶片光—光合作用响应曲线和CO₂—光合作用响应曲线,在此基础上,建立了叶片光合作用模式,并进而建立了一个具有瞬时时间尺度,空间积分为叶片尺度的冬小麦冠层模式,利用模式分别分析了大气中CO₂浓度升高和温度变化对冠层光合作用的不同影响,并在此基础上进一步进行了综合数值分析。单因子分析表明:晴天状况下,冠层光合速率随CO₂浓度升高而上升,当CO₂浓度由330×10^-6上升至660×10^-6时,冠层光合日总量可增加19.7%;冠层光合速率随辐射增加而增大,辐射量增加10.0%,冠层光合日总量可增加6.7%;冠层光合速率随温度升高而下降,温度升高1℃,冠层光合日总量减少2.9%。多因子综合数值分析表明:在辐射量较大的气候背景下,冠层光合日总量对温度和CO₂变化响应更加敏感。本文的实测数据为研究气候变化对中国农业影响提供了最基本的可靠模型参数,冠层光合模型为未来改进作物模型提供了理论基础。     

华北地区冬小麦叶片光合作用模型在农业干旱预测中的应用研究

在冬小麦抽穗—灌浆期进行了水分胁迫实验,利用美国Licor公司生产的Licor-188B辐射量子照度仪及Licor-6400便携式光合作用测定仪,对水分胁迫引起的冬小麦光合生理生态变化进行了系统观测,系统地给出了冬小麦多种农业气象指标对水分胁迫的响应状况。在大量实测数据基础上,给出了包含辐射强度、温度及土壤水分因子的冬小麦叶片光合作用模式。该模式具有严格的理论推导过程和大量实验数据的支持,改进了传统水分胁迫对叶片光合速率影响的简单阶乘方法,从而为进一步准确推算水分胁迫对大田冬小麦光合作用的可能影响,以及水分胁迫对区域农业干旱的可能影响奠定了前提条件。该研究是冬小麦干旱预测模型的叶片子模型,为冬小麦农业干旱预测模型提供了丰富的基本参数,同时也为建立冬小麦干旱预测模型奠定了基本条件。     

华北地区冬小麦光合作用的光响应曲线的特征参数

在冬小麦各生育期测定了田间叶片光合作用速率及其相应的气象要素, 拟合了各生育期的光合作用的光响应曲线.得出它们的几个特征参数:初始量子效率、最大光合速率和凸度.在华北地区冬小麦的整个生育期, 初始量子效率大多在0.050~0.075之间变化, 最大光合速率在5~25 μmol·m-2·s-1之间变化.表明初始量子效率随生育期的变化不大, 最大光合速率在营养生长期较高, 为20~25 μmol·m-2·s-1, 在生殖生长期, 随着叶片氮、磷、钾等营养元素含量的下降, 叶片的最大光合速率显著降低.     

近地层大气臭氧对作物光合作用影响的数值模拟研究

近地层O3浓度增加对作物光合产生不利影响,因此,利用TE-49C型臭氧自动观测仪对常熟农田上方O3浓度进行了逐时测定,同时利用OTC-1型农田开顶式气室,测定了不同O3浓度对冬小麦叶片光合作用的影响.在此基础上,首次建立了O3对冬小麦光合作用影响的数值机理模式,模式分辨率达到瞬时时间尺度,空间积分采用Ross方案,具有较高分辨率和准确度.对O3浓度观测表明:O3浓度逐时值变化在0～160×10-9之间,相比之下日平均值变化较小,仅在5×10-9～60×10-9之内;长江中下游地区农田上方O3存在三种典型日变化形式:高浓度单峰型、高浓度多峰型和低浓度平缓型.数值分析表明:全晴天状况下高浓度单峰型对光合作用日总量影响最大.数值敏感分析表明:O3浓度和辐射同步变化时,随着日总辐射量的加大,臭氧浓度增加对光合作用的影响程度逐渐加强.全生育期积分表明:水肥适宜时,由于O3影响冬小麦光合总损失量约为9.22%.     

华北冬小麦品种演变过程中CO2补偿点变化分析

CO₂补偿点是作物生长模型中最基本的关键模型参数之一,本文利用Licor-6400便携式光合作用测定仪,对1949年以前和1949-2005年中国华北地区不同年代冬小麦主要品种的生理生态参数进行大量的系统测定,在此基础上,对华北地区不同冬小麦品种的光合作用模型进行拟合,以确定不同年代不同品种冬小麦CO2的补偿点。结果表明：中国华北地区冬小麦CO₂补偿点随光强升高而降低,在800 μmol·m^-2·s^-1光量子通量密度条件下,野生麦种CO₂补偿点最高,达123.40 μmol·mol^-1。1949-2005年华北地区不同冬小麦品种中泰山1号CO₂补偿点最高,达107.07 μmol·mol^-1;红秃头CO₂补偿点最低,为57.25 μmol·mol^-1;不同品种冬小麦CO₂补偿点最高值和最低值差值为49.82 μmol·mol^-1,说明华北地区冬小麦随品种演化CO₂补偿点变化明显。建立了中国华北地区7个典型冬小麦品种包含CO₂因子的直角双曲线光合作用模型,确定了不同年代不同品种冬小麦CO₂的补偿点,为进一步建立包含CO₂直接作用的气候变化影响评估机理模型提供基础数据。     

温度对夏玉米光合生产力影响的数值模拟研究

利用美国Licor-6200便携式光合作用仪测定了夏玉米光合作用速率，给出了叶片光合作用模型，建立了夏玉米冠层光温生产力数值模式，阐明了日平均气温与冠层群体光合作用之间的相对确定性关系，并提出了光合等效温度的概念及计算方法。在此基础上，推导出温度对群体光合作用影响的函数表达式，使温度订正函数f (T)不再是简单的假设，而是建立在较为严格的理论基础之上，从而实现了光合模型的时间尺度转换，为更准确地建立生态动力模型及农业气候资源数值模型提供了前提条件。     

下期要目

·ＥｌＮｉｎｏ和ＬａＮｉｎａ冬季增强型和减弱型及其对中国夏季旱涝的影响·黄海气旋数值模拟的可视化·利用随机天气模式及多种插值方法生成逐日天气变化情景的研究·华北地区冬小麦光合作用的光响应曲线的特征参数·甘肃省雨养农业区土壤水分变化规律的研究·拉萨地区１９９８年夏季臭氧总量及垂直廓线的观测研究下期要目     

基于约束性分析的数据与作物模型同化方法

同化观测数据可为作物生长模型的区域应用提供支持。该文定义了观测数据对模型参数的约束性,研究发现华北夏玉米观测数据对WOFOST模型的可约束参数主要包括初始总干物重、不同发育阶段的比叶面积、初始最大CO₂同化速率、叶片衰老系数、初始土壤有效水、最大根深日增量以及初始根深的初始土壤水分含量等。建立了基于参数约束性分析的观测数据与作物生长模型同化方法和流程, 利用优化算法进行作物生长模型所有参数和变量初值的敏感性分析,遴选出各状态变量的敏感参数;根据拟合度与优化结果之间关系进行敏感参数的约束性分析,获得不同变量的可约束参数;组合优化可约束参数得到各参数最优值,由此实现了观测数据与作物生长模型的同化。约束性体现了观测数据对模型参数或变量初值的控制能力,可约束参数作为待优化参数使数据模型同化获得了最优结果。     

相对湿度对黄瓜叶片光合特性的影响

以黄瓜“津优1号”为试材,于2011年4月在南京信息工程大学进行人工环境控制试验,设计8个相对湿度梯度,用LI 6400进行光合参数的测定,系统研究不同相对湿度处理对黄瓜叶片光合特性的影响。结果表明：黄瓜叶片的净光合速率和胞间CO2浓度随着相对湿度的减小而降低;气孔导度、蒸腾速率和叶片的水分利用效率在相对湿度为75%时达到最大;而气孔限制值在相对湿度为75%时降到最低;黄瓜叶片最大光合作用速率（Pmax）与空气相对湿度呈指数关系：Pmax=22375e189085fRH;随空气相对湿度的减小,黄瓜叶片的表观量子效率、光饱和点均降低,而光补偿点增加;相关分析表明,净光合速率与叶面水汽压差呈负相关,而与气孔导度、胞间CO2浓度、相对湿度、蒸腾速率均呈正相关,且相关性均达到极显著水平。     

不同土壤水分对向日葵光合光响应的影响

以食用向日葵为试验材料,大田试验采取人为控制土壤水分在胁迫、适宜和过湿 (土壤田间持水量的40%~54.9%,55%~69.9%和70%~90%) 条件下,研究了向日葵3个生育期 (二对真叶—花序形成期、花序形成—开花期、开花—成熟期) 的光合光响应特性。结果表明:在试验设置光强条件下,各生育期净光合速率随着光合有效辐射的增加而增加,同等的光合有效辐射下净光合速率也随着土壤水分的减少依次降低,尤其是随着光合有效辐射的增大愈加明显。土壤湿度对最大净光合速率和表观量子效率的影响并不是同步的,最大净光合速率随着土壤湿度的增加而增大,而表观量子效率在一定程度的水分胁迫情况下出现最大值。不同的土壤水分含量对光补偿点和光饱和点影响不同,光饱和点随着土壤水分的增加而增加,光补偿点却相反,表明水分胁迫使向日葵可利用光的范围缩小,而适宜水分则扩大了光的利用范围,更有利于干物质积累。暗呼吸速率随着植物的生长进程逐渐降低,不同生育期的水分胁迫均导致暗呼吸速率降低。     

土壤水分对冬小麦叶片光合速率影响模型构建

植物叶片光合速率是表征植物光合能力的重要参数,对土壤水分反应敏感,建立不同土壤水分对冬小麦叶片光合速率影响模型,有助于准确理解冬小麦的光合作用和产量形成。该文收集整理了1996—2017年我国冬小麦主产区11个试验地点、17个冬小麦品种的干旱和渍水试验数据共64组310个样本,分别构建干旱和渍水对冬小麦叶片光合速率影响的分段式和指数型模型,形成土壤水分对冬小麦叶片光合速率影响模型（the model for Soil Moisture Effects on leaf Photosynthesis rate of winter wheat,SMEP）。结果表明:随着土壤相对湿度增加,冬小麦叶片光合速率系数呈稳定低值-线性增加-稳定高值-缓慢下降的特点;随着渍水时间延长,冬小麦叶片光合速率系数呈缓慢下降-快速下降的特点。对SMEP模型进行回代检验、外推检验、单点验证、单发育期验证发现,模型模拟结果与文献数据有较好的一致性,回归系数在1.0附近,且均达到0.01显著性水平。SMEP模型将嵌入中国农业气象模式（CAMM1.0）,为CAMM不断完善提供科技支撑。     

淹涝胁迫对水稻植株叶片光合性能的影响

为提高水稻作物生长模型中淹涝胁迫对水稻生长和产量影响的定量评估能力,通过开展水稻盆栽淹涝试验,研究了不同淹涝胁迫程度对粳稻和籼稻植株叶片光合性能的影响,并将两者之间的关系进行了定量化,结果表明:1)两种水稻植株叶片的光量子效率AQE、最大光合速率P_m均随淹涝天数的增加而明显下降,全淹处理的下降幅度较大,受全淹处理8天后平均下降幅度近五成,而半淹处理的下降幅度较小,半淹处理8天后平均降幅约一成左右;叶片基础荧光F_0、最大荧光产额F_m和最大光化学效率F_v/F_m也均随着淹涝胁迫天数的增加出现不同程度的降低。2)植株叶片光量子效率和最大光合速率随淹涝深度和淹涝天数变化可用定量关系模型y=1-aH-bH~3T来描述,用独立的试验资料对该模型进行检验后表明,模型的模拟值与实测值有很好的一致性,两者的相关系数高、RMSE值低,模拟效果令人满意。3)全淹处理下,水稻植株叶片最大光合速率P_m和最大荧光产额F_m下降幅度具有较好的相关性,可运用荧光测定的信息来快速估计淹涝胁迫对水稻叶片光合速率影响的程度。本研究可为改进水稻模型中淹涝胁迫条件下的水稻干物质累积和产量的模拟提供依据。     

碳四植物光合生化机理模型的叶片含水量修正

叶片光合作用的准确模拟对陆地生态系统模型及全球变化对植被影响研究具有重要意义。水分是影响光合作用的重要因素,目前研究多采用土壤含水量表示,而非直接起作用的叶片含水量,这限制了光合作用的准确模拟。以玉米为研究对象,利用2014年6—10月中国气象科学研究院固城生态与农业气象试验站玉米6个水分梯度持续干旱试验数据,结合光合生化机理模型,定量研究最大羧化速率与叶片含水量的关系。结果表明:两者呈显著二次曲线关系,其拟合方程的决定系数达0.88;参数不同时,最大羧化速率的绝对值不同,但归一化后的叶片含水量修正函数与参数无关,当叶片含水量为80%左右时,其修正函数值为1,当叶片含水量降至70%左右时,其修正函数值为0。研究从叶片含水量影响方面完善了碳四植物光合生化机理模型,可为进一步提高光合作用模拟的准确性和玉米干旱监测预警提供参考。     

Numerical Simulation Study on the Impacts of Tropospheric O3 and CO2 Concentration Changes on Winter Wheat.Part I: Model Description

Ozone is well documented as the air pollutant most damaging to agricultural crops and other plants.It is reported that tropospheric O3 concentration increases rapidly in recent 20 years. Evaluating and predicting impacts of ozone concentration changes on crops are drawing great attention in the scientific community. In China, main study method about this filed is controlled experiments, for example, Open Top Chambers. But numerical simulation study about impacts of ozone on crops with crop model was developed slowly, what is more, the study about combined impacts of ozone and carbon dioxide has not been reported.The improved agroecosystem model is presented to evaluate simultaneously impacts of tropospheric O3 and CO2 concentration changes on crops in the paper by integrating algorithms about impacts of ozone on photosynthesis with an existing agroecosystem biogeochemical model (named as DNDC). The main physiological processes of crop growth (phenology, leaf area index, photosynthesis, respiration, assimilated allocation and so on) in the former DNDC are kept. The algorithms about impacts of ozone on photosynthesis and winter wheat leaf are added in the modified DNDC model in order to reveal impacts of ozone and carbon dioxide on growth, development, and yield formation of winter wheat by coupling the simulation about impacts of carbon dioxide on photosynthesis of winter wheat which exists in the former DNDC. In the paper, firstly assimilate allocation algorithms and some genetic parameters (such as daily thermal time of every development stage) were modified in order that DNDC can be applicable in North China. Secondly impacts of ozone on crops were simulated with two different methods-one was impacts of ozone on light use efficiency , and the other was direct effects of ozone on leaves photosynthesis. The latter simulated results are closer to experiment measurements through comparing their simulating results. At last the method of direct impacts of ozone on leaf growth is adopted and the coe cients about impacts of ozone on leaf growth and death are ascertained. Effects of climate changes, increasing ozone, and carbon dioxide concentration on agroecosystem are tried to be simulated numerically in the study which is considered to be advanced and credible.     

Numerical Simulation Study on the Impacts of Tropospheric and CO_2 Concentration Changes on Winter Wheat. Part I: Model Description

Ozone is well documented as the air pollutant most damaging to agricultural crops and other plants. It is reported that tropospheric O3 concentration increases rapidly in recent 20 years. Evaluating and predicting impacts of ozone concentration changes on crops are drawing great attention in the scientific community. In China, main study method about this filed is controlled experiments, for example, Open Top Chambers. But numerical simulation study about impacts of ozone on crops with crop model was developed slowly, what is more, the study about combined impacts of ozone and carbon dioxide has not been reported. The improved agroecosystem model is presented to evaluate simultaneously impacts of tropospheric O3 and CO2 concentration changes on crops in the paper by integrating algorithms about impacts of ozone on photosynthesis with an existing agroecosystem biogeochemical model (named as DNDC). The main physiological processes of crop growth (phenology, leaf area index, photosynthesis, respiration, assimilated allocation and so on) in the former DNDC are kept. The algorithms about impacts of ozone on photosynthesis and winter wheat leaf are added in the modified DNDC model in order to reveal impacts of ozone and carbon dioxide on growth, development, and yield formation of winter wheat by coupling the simulation about impacts of carbon dioxide on photosynthesis of winter wheat which exists in the former DNDC. In the paper, firstly assimilate allocation algorithms and some genetic parameters (such as daily thermal time of every development stage) were modified in order that DNDC can be applicable in North China. Secondly impacts of ozone on crops were simulated with two different methods- one was impacts of ozone on light use efficiency, and the other was direct effects of ozone on leaves photosynthesis. The latter simulated results are closer to experiment measurements through comparing their simulating results. At last the method of direct impacts of ozone on leaf growth is adopted and the coefficients about impacts of ozone on leaf growth and death are ascertained. Effects of climate changes, increasing ozone, and carbon dioxide concentration on agroecosystem are tried to be simulated numerically in the study which is considered to be advanced and credible.