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。     

干旱区荒漠-绿洲过渡带3种典型灌木气孔导度对环境变化的响应及其对蒸腾的调控

利用LI-6400XT便携式光合作用测定系统和Model 1505植物压力室对河西走廊中部荒漠-绿洲过渡带3种优势种C_4植物梭梭(Haloxylon ammodendron)、沙拐枣(Calligonum mongolicum)和C_3植物泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)的水分交换过程和叶片水势(Ψ)变化进行了观测试验,对比了荒漠植物生长季降水前后水分传输因子的变化;模拟了气孔导度对主要环境因子和叶片水势的响应;从饱和水汽压差(VPD)对气孔导度的制约作用研究了荒漠植物蒸腾的调控机制。结果表明:影响3种灌木气孔导度的主要因子依次为VPD、气温(T)和Ψ,气孔导度随着VPD和T的升高而降低,随着Ψ的降低逐渐减小;不同荒漠植物气孔导度对环境因子和叶片水势的综合响应模拟研究表明,模型能够很好地模拟气孔导度日内变化,C_3植物泡泡刺对这些因子变化的响应比C_4植物梭梭和沙拐枣更敏感;通过类比于欧姆定律,表明可用气孔导度和VPD的乘积来对蒸腾速率进行线性模拟,相关性很强。     

基于碳水通量耦合原理改进Penman-Monteith蒸散发模型

陆地蒸散(ET)涵括地表和潮湿叶片的蒸发和植物的蒸散发,是陆地水循环的重要组成部分。Penman-Monteith方程是估算陆地蒸散的重要方法,方程中的叶片或冠层气孔导度是提高估算精度的关键因子。根据碳水循环的耦合原理,植物光合作用模型可用于估算叶片或冠层气孔导度。植物光合作用模型可分为三类:1)使用总冠层导度的大叶模型(BL),2)区别阴、阳叶冠层导度的双大叶模型(TBL),3)区别阴、阳叶叶片导度的双叶模型(TL)。与这三类光合作用模型相对应,衍生出基于不同导度计算方法的三种蒸散估算模型。三种蒸散模型之间的主要区别在于是否进行从叶片尺度到冠层尺度的气孔导度集成。这三种模型中,双叶模型使用叶片尺度的气孔导度,集成度最低。反之,大叶模型使用冠层尺度的气孔导度,集成度最高。由于在Penman-Monteith中,蒸腾和气孔导度之间的关系是非线性的,气孔导度的集合会导致负偏差。因此,与通量测量相比,大叶蒸散模型的估算偏差最大,而双叶蒸散模型的估算偏差最小。     

C3植物光合作用日变化的模拟

对前人光合作用-气孔导度耦合模型进行了修正,建立了光合作用-蒸腾作用-气孔导度的耦合模型,它概括了叶片上各主要物理过程和生理过程之间的相互联系和制约关系。 用数值方法研究了不同环境因子（太阳辐射、温度、湿度和风速等）对光合作用、蒸腾作用和气孔导度的日变化及中午降低（midday depression）的影响。 主要结果是:（1）当边界层导度减小时,光合“午睡”加剧,蒸腾作用减弱,但作为反馈调节,气孔导度增加。 （2）气孔导度的最适温度最低,光合作用次之,蒸腾作用最适温度最高。当光合作用中午受到高温的胁迫时,气孔导度下降的幅度最大,光合作用次之,蒸腾作用的降幅最小。一天中,气孔导度降低的持续时间最长,蒸腾作用降低的持续时间最短。（3）空气绝对湿度越低,气孔导度越低,光合午睡越明显。蒸腾作用则决定于饱和水汽压差(Vpd)和气孔导度两个因素的相反的作用。蒸腾作用随Vpd增加而增大,但Vpd超过一定值后,反而使蒸腾作用下降。 （4）当温度在光合最适温度以上时,太阳辐射的增加使叶温增加,引起光合“午睡”的加剧和气孔导度的降低。（5）ci/cs在中午的降低表明气孔的关闭是光合作用“午睡”现象的原因。     

北方黑云杉林冠内空气CO2浓度及其上方通量模拟

考虑植物阴叶和阳叶对环境的反应、植物叶片丛聚特性以及叶片氮素水平的垂直差异,建立了黑云杉林与大气之间物质输送和能量交换的一维完全多层模式.模式中对阳叶和阴叶的叶面积指数借用Chen J M等提出的方法,并经过修改以适用于多层模拟.叶水平的光合作用c运用Farq uhar方程并与CO2传导方程联列获得.模式验证的资料取自BOREAS(Boreal Ecosystem-fAtmosphere Study)研究计划中加拿大Saskatchewan的南试验区,属于温带气候.通过对冠.层上方的显热、感热和CO2通量、以及植物光合作用、蒸腾作用和气孔传导等生理作用t过程的实测值进行了计算结果的验证,结果表明计算的显热通量比实测值偏低,潜热通量则略高于实测值,而CO2通量只有在较高水平时偏高,3个通量的计算值与实测值比较接近,R 2分别为0.71,0.78和0.65,取得了较好的效果.气孔导度、光合作用和蒸腾作用的模拟结果表明,三者的实测与模拟值之间的R 2分别达到0.57,0.69和0.66,均通过0.01显著度检验,且无显著的系统偏差.因此,可以认为在多层模拟中充分考虑叶片不同受光状况,不同氮素水平以及叶片丛聚特性的影响有助于更好地研究植被与大气的交换过程.     

基于陆面过程模式CLM4的中国区域植被总初级生产力模拟与评估

植被总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)决定进入陆地生态系统的初始物质和能量,是陆地碳循环与大气碳库的重要联系纽带。利用陆面过程模式CLM4-CN(Community Land Model version 4 with CarbonNitrogen interactions)模拟和分析中国区域1982~2004年GPP(CLM4_GPP)时空变化特征,并通过与基于观测数据升尺度所得到的MTE_GPP(Model Tree Ensemble,MTE)进行比较,评估CLM4在中国区域GPP的模拟能力,同时探讨了不同土地覆盖资料对GPP的影响。结果表明:(1)CLM4-CN能够较好地刻画中国区域GPP空间分布格局,表现为由东南向西北递减,但在量值上大部分区域尤其是30°N以南地区存在高估,CLM4-CN模拟的GPP多年平均值为13.7 Pg C a-1,而MTE_GPP仅为6.9 Pg C a-1;(2)CLM4-CN可以合理模拟GPP的季节变化(与MTE_GPP相关系数大于0.9),在量值上对温带阔叶落叶林、寒带阔叶落叶林、寒带阔叶落叶灌木、C3极地草地、C3非极地草地和农作物模拟较好(均方根偏差RMSD100 g C m-2 month-1);(3)不同植物功能型CLM4_GPP表现出的年际变率均大于MTE_GPP,仅热带针叶常绿林、寒带阔叶落叶林和C3极地草地的CLM4_GPP与MTE_GPP变化趋势一致;(4)降水是研究时段内控制整个中国区域GPP的主要气候因子,但不同地区存在较大差异;(5)两种不同土地覆盖资料GPP模拟结果的显著差异表明,精确的土地覆盖是准确模拟GPP的重要基础。     

统计降尺度方法集合预估华东气温的初步研究

利用共同经验正交函数(EOF)分解和逐步线性回归相结合的统计降尺度方法,研究了1月和7月华东地区41个气象观测站2070—2100年未来月平均温度变化情景的集合预估。同时采用850 hPa温度场、850 hPa位势高度和温度的联合场以及海平面气压和850 hPa温度的联合场作为预报因子变量场,对于两个场联合的预报因子变量场,采用的是两个变量场空间联合的EOF分解的方法。同时通过改变统计降尺度过程中输入的预报因子变量场、预报因子变量取值的区域,以及输入逐步线性回归方程的主分量个数共建立27种统计降尺度模型,并把它们应用于2种全球气候模式(GCMs):Echam5和HadCM3 IPCC AR4 20C3M和A1b情景,从而每个站点均生成1950—2099年(HadCM3)或1951—2100年(Echam5)1月和7月共54个IPCC TR4 A1b温度变化情景,然后对54种预估情景进行集合分析。多个温度变化情景的集合预估采用它们的中位数来表示。结果表明:(1)当前气候条件下,多个统计降尺度结果的集合预报如采用箱线图的中位数能够在一定程度上提高统计降尺度方法的模拟性能;(2)2070—2100年1月和7月未来气温情景相比当前气候条件的增温约3～4℃,7月与1月相比不确定性增大。     

北方玉米冠层光合有效辐射垂直分布及影响因子分析

玉米冠层内光合有效辐射(PAR)的大小直接影响冠层内叶片的光合作用,进而影响玉米净第一性生产力或作物产量的准确评估。为弄清玉米冠层内光合有效辐射的分布规律及其影响因子,基于锦州玉米农田生态系统于2006年生育期的光合有效辐射观测数据和叶面积指数动态观测数据,对玉米冠层光合有效辐射的垂直分布特征及其影响因子进行了分析。结果表明:玉米冠层内不同垂直层次叶片的PAR分布随生育期变化显著,与叶面积指数呈显著的负相关(R2=0.89);玉米冠层光合有效辐射的消光系数K值在生育期呈动态变化,约为0.76,且表现为苗期较大、生育后期较小。分析表明,在进行光合有效辐射及与此密切相关的光合作用模拟时,应考虑消光系数的动态变化。     

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.     

影响青藏高原植被生理过程与大气C02浓度及气候变化的相互作用

利用一陆面过程模式,初步模拟研究了青藏高原夏季风盛行期植被生理过程与大气CO2浓度及气候变化的相互作用.结果表明,气候以及大气CO2浓度变化对青藏高原地区的植被生理过程有较明显的影响,高温、高湿和高CO2浓度将加强高原植被的光合作用和呼吸作用,有利于植被生长.高原植被也可通过生理过程,产生净C02吸收,降低大气C02含量,起到调整温室效应的作用,从而影响全球气候变化;当气温升高、大气C02增加时,这种作用更加有效.青藏高原地区大气C02浓度加倍,对高原地区气候的直接影响不明显.植被的存在也会影响区域气候变化,并可通过改变高原热源,进而影响高原及其周边地区气候变化.文中还归纳出了植被生理与气候相互作用的简单概念模型.     

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。     

干旱胁迫对夏玉米叶片光合及叶绿素荧光的影响

选用华北地区大面积种植的夏玉米品种郑单958、承玉2号、鲁单981作为试验材料,通过研究干旱胁迫条件下的玉米叶片光合、叶绿素荧光等指标随着土壤水分的动态变化规律,以期为夏玉米干旱的生理生态变化监测及水分高效利用提供理论依据。研究发现,在土壤含水量70％左右时,随着土壤相对湿度的下降,上述3个夏玉米品种仍能保持其叶片水分状态。郑单958、承玉2号、鲁单981的叶片净光合速率在土壤水分中等条件下最大,分别为39．9、38．8、38．4μmolCO2／m^2·s;在土壤相对湿度较低时,郑单958、承玉2号、鲁单981的叶片净光合速率下降趋势明显（P〈0．05）。叶片水势变化规律为：在土壤相对湿度〉90％时,对水分胁迫郑单958、承玉2号不敏感,鲁单981敏感;在土壤相对湿度〈70％时,水分胁迫条件下承玉2号不敏感,而鲁单981、郑单958敏感。气孔导度（g1）变化规律：随着水分胁迫加剧,3个夏玉米品种气孔导度均下降,在土壤水分较高时,气孔导度变化规律不明显,在土壤水分较低时,气孔导度明显下降（P〈0．01）,细胞间隙CO2浓度（Ci）随土壤水分胁迫加剧而上升。上述结果表明：与叶片的光合和水分状况相比,夏玉米的气孔对土壤水分的匮缺更为敏感。     

淮北棉区花铃期冠层不同高度叶片光合特性的差异

基于多层二叶模型,在自然群体条件下,将棉花冠层分为上、中、下三层,研究淮北棉花花铃期冠层上、中、下层,阴叶（无直射光照射）与阳叶（有直射光照射）的光合特性的差异。结果表明,同一高度阳叶的光量子通量密度与光合速率显著大于阴叶;不同高度叶片光量子通量密度与光合速率均表现为上层阳叶〉中层阳叶〉下层阳叶,上层阴叶〉中层阴叶〉下层阴叶;上层阳叶气孔导度大于阴叶,中、下层阴、阳叶的气孔导度无显著差异;上部叶片气孔导度〉中部叶片〉下部叶片;同一高度阳叶胞间二氧化碳浓度显著小于阴叶,随着冠层深度（形态学自上而下）的增加,两者差异增大;不同高度叶片胞间二氧化碳浓度随着冠层深度的增加,呈增加趋势,阳叶差异不显著,阴叶差异显著。     

利用遥感信息研究区域冬小麦气孔导度的时空分布

气孔导度是影响作物蒸散和作物的光合速率进而影响作物产量的重要因子。文中通过利用NOAA－AVHRR数据首次对华北平原典型区冬小麦气孔导度分布进行了研究,给出了华北平原典型区冬小麦不同生长季节的气孔导度空间分布状况,为进一步研究田间水分和作物蒸散对产量影响以及建立遥感作物水分胁迫生物量模型和监测不同生育期的农田缺水等提供依据。     

Improving Simulation of the Terrestrial Carbon Cycle of China in Version 4.5 of the Community Land Model Using a Revised Vcmax Scheme

The maximum rate of carboxylation(Vcmax) is a key photosynthetic parameter for gross primary production(GPP) estimation in terrestrial biosphere models. A set of observation-based Vcmax values, which take the nitrogen limitation on photosynthetic rates into consideration, are used in version 4.5 of the Community Land Model(CLM4.5). However, CLM4.5 with carbon-nitrogen(CN) biogeochemistry(CLM4.5-CN) still uses an independent decay coefficient for nitrogen after the photosynthesis calculation. This means that the nitrogen limitation on the carbon cycle is accounted for twice when CN biogeochemistry is active. Therefore, to avoid this double nitrogen down-regulation in CLM4.5-CN, the original Vcmax scheme is revised with a new one that only accounts for the transition between Vcmax and its potential value(without nitrogen limitation). Compared to flux towerbased observations, the new Vcmax scheme reduces the root-mean-square error(RMSE) in GPP for mainland China by 13.7 g C m-2 yr-1, with a larger decrease over humid areas(39.2 g C m-2 yr-1). Moreover, net primary production and leaf area index are also improved, with reductions in RMSE by 0.8% and 11.5%, respectively.     

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。     

冠层CO2分布廊线的农业气象数值模拟研究

本文将农田微气象模式与冬小麦冠层光合模式进行耦合，建立了一个具有较强机理的冬小麦冠层CO2分布廓线模式，冠层光合模式中考虑了气孔对叶片光合的调节作用，具有明确的生物学意义，实测资料验证表明，模式可以较准确地模拟拔节期冬小麦冠层CO2分布状况，平均相对误差为6．47％，数值分析表明：当冬小麦冠层风速为1m/s时，CO2廓线弯曲最为明显，随着风速加大，CO2廓线弯曲程度变小，CO2浓度升高后风速对廓线影响的基本规律没有发生改变，但是冠层中CO2浓度差将进一步加大。     

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。