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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

影响植被内部辐射状况的冠层结构特征研究

植被冠层结构特征是影响植被内部辐射状况的重要因子之一,对于植被群体的光合特性来说,冠层结构特性影响了光合有效辐射的截获、吸收和透射。本文着重分析了冠层结构的数量特征（如叶面积指数）和冠层几何结构特征,综合考虑叶倾角、叶方位角和Ｇ函数等群体几何特征,以便直接用于遥感光合植被生物量机理估测模型的建立。     

O3,CO2浓度及太阳光谱变化对作物光合作用影响的数值模拟研究

对光合作用 蒸腾作用 气孔调节进行耦合 ,从生物化学尺度扩展至冠层尺度 ,发展了一个冬小麦冠层光合作用生态动力模式 ,模式考虑了O3,CO2 和光谱变化对作物光合的综合影响。利用美国光合作用实测资料对模式进行验证 ,叶片模式通过了相关显著性检验并具有较高的准确度。数值分析表明 :当O3 浓度由 0× 10 -9V/V上升至2 0 0× 10 -9V/V时 ,冠层光合速率下降 2 9%左右 ;当CO2 浓度由 330× 10 -6V/V上升至 6 6 0× 10 -6V/V时 ,冠层光合速率增加大约 37% ;当光谱比例系数由目前的 0 .5下降至 0 .4时 ,冠层光合速率将下降 2 7%左右。对于污染严重、易发生光化学烟雾的城郊附近 ,在阳光强烈的典型晴天 ,中午O3 浓度达到 2 0 0× 10 -9V/V时 ,即使气候条件不发生改变 ,CO2 浓度对作物光合作用的正效应也不足以弥补O3 浓度升高所造成的负效应 ,冠层光合速率将比目前干洁地区略有下降 ,如果进一步考虑光合作用有效辐射光谱成分下降至 0 .4左右 ,冠层光合作用将比目前的BASE值下降 35 %左右。     

干旱环境下夏玉米各生育时期光响应特征

2011年6—9月在中国气象局河北固城生态试验站借助大型电动式防雨棚及人工灌溉, 开展水分影响夏玉米生长发育的田间试验。首先进行夏玉米叶片光合作用日变化和光合作用光响应曲线的观测,然后利用不同模型拟合光响应曲线确定最适模型并提取光合特征参数,探讨土壤水分条件对不同生育时期夏玉米叶片光合特性的影响规律。结果表明:土壤水份适宜时,玉米抽雄期的光合能力最强,重度干旱时,抽雄期的光合能力降低幅度也最大,其次为乳熟期、拔节期;直角双曲线修正模型最适合描述干旱环境下的玉米光合能力光响应过程,轻度干旱使各生育时期光饱和点及最大净光合速率下降,而对光补偿点量子效率和光补偿点的影响不明显; 重度干旱下各生育时期光饱和点、最大净光合速率较轻度干旱又进一步下降,同时各生育时期光补偿点量子效率也有明显下降,而光补偿点明显上升,表明玉米叶片的强光利用能力对干旱敏感,而它的弱光利用能力对干旱响应较迟钝。     

夏玉米植被指数与叶面积指数的关系研究

利用ASD便携式地物光谱仪和SunScan冠层分析仪实测了陕西杨凌区和扶风县夏玉米关键生育期冠层光谱反射率及叶面积指数(LAI),对归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)和差值植被指数(DVI)与叶面积指数进行了相关性分析,建立了基于三种植被指数的LAI估算模型,并进行精度检验。结果表明:基于抽穗期和蜡熟期NDVI以及灌浆期RVI的LAI估算模型的均方根差和相对误差较低,模拟效果较好。结果对夏玉米生长状况及病虫害监测、产量预测以及田间管理具有参考价值。     

夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的遥感反演

高光谱遥感技术监测作物含水量是了解作物生长状况的重要技术。为实现夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的快速、精细化、无损监测,本文基于2014年和2015年的6—10月华北夏玉米不同生育期不同灌水量干旱模拟试验数据构建了植被水分指数（W_I,M_SI,G_VMI）、复比指数（W_NV和W_CG）和红边反射率曲线面积（D_area）的夏玉米冠层等效水厚度（E_WTC）和叶片可燃物含水量（F_MC）的反演模型。结果表明:6个指标反演夏玉米三叶期的E_WTC模型均未达到0.05显著性水平,三叶期后各指标反演E_WTC模型均达到0.01的显著性水平,且总体而言模型精度从高到低为抽雄期、拔节期、灌浆期、成熟期和七叶期。6个指标反演七叶期和拔节期的F_MC均达到0.01显著性水平。因此,同一光谱指标反演夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的精度差异较大。光谱指标反演夏玉米叶片和冠层含水量指标的精度与夏玉米生育期有很大关系,进而提出了夏玉米不同生育期含水量反演模型。研究结果可为准确模拟夏玉米不同生育期含水量提供技术支撑。     

基于气候适宜度的夏玉米发育期模拟模型

结合前人气候适宜度的研究成果,以作物生理生态发育过程为基础,构建了夏玉米发育期预报模型。模型中分别建立了夏玉米温度、降水、日照时数适宜度函数,并结合河南省19个农业气象试验站的夏玉米发育期资料,运用通径分析法确定各个生育期温度、降水和日照的影响权重系数,计算出综合适宜度,用来预测夏玉米生育期。结果表明,模型能够较好地预测各个发育期(出苗、七叶、拔节、抽雄、乳熟和成熟)。建模资料的模拟值与观测值比较的均方根误差分别为1.5、3.1、3.4、2.9、4.0、4.5 d。运用独立资料对模型所作预测值的均方根误差在1.0~4.6 d之间。     

基于AEZ模型的产量动态预报研究

利用洛阳地区1981-2014年夏玉米产量资料、9个气象站点的逐日观测资料、农田0-50 cm土壤墒情资料,结合夏玉米生物学特性,采用农业生态区域法(AEZ模型),计算了夏玉米不同生长阶段的气候生产潜力,通过气候生产潜力与夏玉米产量的相关关系,建立以旬为尺度的夏玉米产量动态预报模型,并进行历史回代和试报检验。结果表明:气候生产潜力与夏玉米单产增减率呈显著正相关,气候生产潜力可以客观地反映夏玉米单产水平及其动态变化。构建的产量动态预报模型对1981-2010年单产历史回代检验的准确率为88.3%~90.7%,单产丰歉趋势回代检验准确率为65.5%~75.9%;对2011-2014年模型准确性试报检验,单产预报准确率为82.7%~87.5%,趋势预报准确率为50.0%~100.0%。     

基于遥感数据的夏玉米高温热害监测评估

玉米作为一种重要的粮食作物,其产量对于国家粮食安全的影响至关重要。该文结合遥感与地面实测气温数据,基于地表温度与气温具有显著的线性相关关系,构建我国夏玉米主产区高温热害评估模型,并对该模型进行精度检验。结果表明:平原区域日平均气温的模拟结果决定系数在0.8以上,达到0.001显著性水平,均方根误差在1.8℃左右的小范围内波动;平原区域精度略高,山区精度略低（均方根误差为2.4℃）。利用该模型对2008—2018年黄淮海夏玉米主产区高温热害进行评估,发现2017年和2018年夏玉米受高温热害影响最严重,高温热害区主要分布在河北省东南部、河南省大部以及山东省西部,该结果与实际情况相符。     

安徽省夏玉米涝渍灾害时空特征及其灾损风险

为分析安徽省夏玉米全生育期涝渍灾害发生的特征,定量化评估涝渍灾害风险程度.利用安徽省48年的气象资料(1971 2018年),采用夏玉米涝渍指数模型,计算分析了安徽省夏玉米涝渍指数的时空特征,并确定了夏玉米涝渍指数等级指标,最后采用灾损风险指数模型得到了安徽省夏玉米产量涝渍灾损风险分布.结果 表明:①夏玉米全生育期涝渍...     

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。     

中国农业气象模式(CAMM1.0)构建与应用

为发展适宜中国区域农业种植特点的农业气象模式,基于国外作物生长模拟方法,通过模式机理过程改进或重构以及应用方式革新,建立了中国农业气象模式（Chinese AgroMeteorological Model version 1.0,CAMM1.0）。CAMM1.0利用平均温度和土壤水分改进了作物发育进程模式,利用土壤水分改进了作物叶片光合作用、干物质分配和叶面积扩展过程模式,通过蒸发比法扩展了作物蒸散过程模式;自主建立了基于发育进程的冬小麦株高、基于遥感信息的作物灌溉、遥感数据同化、作物长势与灾害评价等模式。基于互联网技术构造了实时运转平台,主要功能包括作物生长过程实时常规模拟与用户个性化定制模拟。CAMM1.0的部分子模式采用多种方法构造,便于多模式集成。CAMM1.0对作物发育进程、光合过程、株高的模拟效果较好,但对土壤水分变化过程的拟合略差,模拟产量略偏低。CAMM1.0评价淮河流域夏玉米年际干旱减弱而涝渍增加的趋势与实际基本相符。     

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。     

河南省夏玉米气候适宜度评价

为定量评价气象条件对作物生长及产量形成的影响,本文依据夏玉米不同发育阶段上限温度、最适温度、下限温度、需水量、需光性等生物学指标,构建了河南省夏玉米气候适宜度评价模型。通过对13个代表站30 a全生育期气候适宜度和相对气象产量进行相关分析,表明该模型能较好地反映河南省夏玉米的气候适宜水平及其动态变化。利用检验后的模型计算了河南省67个站1981-2011年夏玉米生长季单因子及综合气候适宜度,结果表明河南省夏玉米大部分生育期光热资源较适宜,能满足玉米生长所需,仅在灌浆后期略显不足,降水是影响夏玉米产量形成的主要限制因子,且降水适宜度年际变化幅度大于日照和温度。综合气候适宜度年际波动表现为抽雄—乳熟期〉出苗—抽雄期〉全生育期。空间分布上气候适宜度呈自西北向东南方向的递增趋势,适宜度高值区分布在南阳东部及驻马店部分地区。