作物生长模拟1.ppt

1、作物生长模拟（一）,吕昌河 中国科学院地理科学与资源研究所 Email: 电话：64889110,讲课提纲,系统分析与模拟：基本概念 主要作物模型及其组成 作物生长的影响因子与产量水平 作物生长率 思考题,一、系统分析与模拟：基本概念,基本术语：系统、模型与模拟（system, model and simulation） 系统: a limited part of reality that contains interrelated elements. 模型: a simplified representation of a system. 模拟: building of mathematic

2、al models and the study of their behavior in reference to that of the system they represent,数学模型与非数学模型,非数学模型：如地图；建筑物的模型 数学模型：分为描述性(statistical, stochastic)、解释性 (deterministic, process) 模型 描述性（统计回归）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. 解释性（机理）模型：包括对主要过程的定量描述；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. 按是否考虑时间因子，可分为动态模型和静态模型,状态、速率和驱动变量,状态变量（State variable）：指系统的总量，如生物量、土壤中总含水量等 驱动变量或驱动方程（Driving variable）：系统外部因子或描述系统外部因子影响的方程，如太阳辐射、气温、降水等 速率变量（Rate variable）：特定时刻单位时间内状态变量的变化量 数学模型的前提是：系统的状态、变化可以通过数学公式量化,状态、速率和驱动变量的数学表达,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（人口增长率） 关键是Rate变量,二、主要作物模型及其组成,主要模型 SUCROS, WOFOST：荷兰，着

7、重于潜在和水分限制条件下的作物产量模拟，包括作物小麦、玉米、水稻、大豆、大麦、马铃薯等。 EPIC：美国，能模拟作物生长、养分循环、土壤侵蚀等，是一个综合模型。可模拟主要粮食作物，还可模拟果木、草地、林地等生长； CERES：美国，主要模拟作物生长过程和产量，包括水稻、小麦、大麦、高粱、木薯、大豆、花生、马铃薯、粟等； DSSAT：美国，综合管理模型或决策支持系统。模拟作物产量和管理因子对产量的影响，是一个综合模型,作物模型的组成,模型描述的主要生理过程包括：光合作用（ CO2 同化）、生长发育、干物质形成与分配、叶面积动态、作物蒸散等 一般来讲，模型都尽可能的采用了简便的处理方法，来描述系统

8、中的水、热、CO2传输过程与光合作用过程（如WOFOST模型）,WOFOST model,Major components in the EPIC crop growth model,复杂的模型还包括生态过程的模拟等,地表径流 土壤水分循环 土壤养分循环 土壤温度 土壤侵蚀 农药 作物管理,用于评价全球和区域初级生产力(primary productivity) 用于定量评价大气CO2 、温度、降水和太阳辐射变化对植物生长和水分利用的共同影响。 用于模拟气候变化对作物生长和产量的影响； 作物生长模型与生态过程模型的整合扩展了模型的应用范围，例如作物生长模型与水文模型的结合，与农田水肥管理模型的

9、结合可以分析作物的水分动态和养分动态，应用于水肥利用的优化管理。,作物模型的应用,作物模型包含生理和环境物理部分，涉及作物栽培学、植物生理学、土壤物理学、微气象学等多个领域 生理过程的机理复杂, 现有的作物模型都是在一定理论框架基础上的简化，经验性往往较强。 目前，尚没有一个完全被接受的、适合各种生态类型的模型。如作物生长模型有数百种之多。模型具有显著的区域性。 由于某些生理过程的不明确和模型的简化，模型在全球范围的普适性需要得到检验。,模型应用中应注意的问题,模型应用中应注意的问题,作物生长模型是现实系统的简化。对模拟结果及其结论，需要慎重和细致分析。 模拟结果的精度不可能超过输入资料的精度

10、。因此，应小心选择输入的资料。 模型参数多是通过实验获得，具有很强的地域性，因此，使用时需要进行参数和模拟的结果的校验。 模型越复杂，参数越多，因此模拟结果的不确定性可能越大；复杂模型的模拟结果并不一定要好于简单模型 尽量避免使用平均气候数据，应先模拟后平均。,三、作物生长因素和产量水平,作物产量的决定因素：作物性状、光、CO2、温度 作物产量的限制因素：水、养分 作物产量的减产因素：病虫害、杂草、污染物 作物生长条件与产量水平,作物性状,作物生理性状：如CO2的同化能力、生育期长度、收获指数、叶面积指数，等等； 作物类型：C3和C4作物（见下表）；谷类作物、根茎作物、豆科作物、油料作物。,光

11、照,光照：光和作用的能量来源，形成叶绿素的必要条件；影响光和作用的重要因素 光强-光合曲线：光补偿点、光饱和点 一般来说，光补偿点高的植物其光饱和点也高：草本木本植物；C4C3植物；阳生阴生植物,有效光强,光合速率,光强对作物光合量的影响,CO2：光合作用的主要原料,CO2光合曲线：CO2补偿点和饱和点,CO2浓度,C4植物的CO2补偿点和饱和点均低于C3植物 增加CO2浓度可提高植物的光合能力，尤其对C3植物效果明显 CO2浓度增加，气孔导度下降，蒸腾速率降低，植物的水分利用效率提高,光合速率,C3作物,C4作物,CO2的供应与光合速率,re rs ri rm 大气 气孔 叶肉细胞间隙 叶肉

12、细胞原生质 叶绿体基质 用re, rs, ri, rm分别表示扩散层阻力、气孔阻力、叶肉阻力和羧化阻力，ca和cc分别为大气和叶绿体基质中CO2浓度，k为系数，则CO2的流通速率P（光合速率）可表示为：,温度,三基点温度：低温导致叶绿体结构破坏和酶的钝化，影响光合作用；高温下光呼吸和暗呼吸加强，净光合速率下降 表3 小麦、玉米三基点温度,温度影响光合速率和生育期长度,出苗到开花期日数,净光合率,C3作物,C4作物,对作物生长的影响符合Liebig的最大限制因素法则，即作物产量决定于水肥等生长要素亏缺最重的一个。,作物产量的限制因素：水、养分,作物产量的限制因素：水,水分是光合作用的主要原料之一

13、和植物体的主要成分（70-90%）。缺水使： 气孔导度下降，导致进入叶肉内的CO2减少，光合速率降低 光合产物输出变慢在叶片中积累光合作用产生反馈抑制 光合机构受损光合速率下降 叶片死亡光合面积减少 湿度：在一般自然条件下，湿度对光合的影响并不明显。空气饱和水汽压差越大，大气蒸发力越强，引起叶片失水，气孔关闭，CO2供应不畅而导致光合速率下降。,作物产量的限制因素：养分,养分是植物细胞结构物质的组成成分 氮：蛋白质的主要成分（16-18%）；氮过多不利于同化物向子粒分配，缺氮则引起叶功能早衰 磷：促进光合作用和有机物的运输，促进蔗糖合成 钾：促进糖分转变成淀粉；有利于有机物运输,植物体除了已构

14、成细胞壁的物质外，其他物质都可以被转移到其他组织或器官中去。当叶片衰老时，大部分的糖和NPK都要就近转移到新生器官。如小麦叶片衰老时，85%的氮、90%的磷要转移到穗部。,病虫害：降低作物叶片的光合能力 杂草：与作物竞争光、热、水和养分 污染物：重金属；SO2，氮氧化物（NO2, NO）等，进入叶肉组织，很容易被吸收，破坏叶绿体,作物生长的减产因素,作物生长条件与产量水平,1）潜在生长条件 潜在产量 水分、养分充分供应，无病虫害、杂草危害； 作物生长和产量仅决定于太阳辐射、温度和作物性状 2）限制生长条件 可获得（限制）产量 除上述因子外，在作物生长季节至少部分阶段出现缺水；或作物生长受到养分

15、或同时水分短缺的影响； 在无灌溉、无病虫害和杂草危害，以及养分充分满足的条件下，作物可能实现的产量，称为雨养潜力。 3）实际生长条件 实际产量 作物生长受到减产因子病虫害、杂草、污染等影响。,产量水平图示,四、作物生长率,光合作用、CO2同化量 呼吸作用、呼吸消耗量 净光合率（生长率）,光合作用,可见光 H2O + CO2 +光能 CH2O + O2,作物吸收可见光，将CO2和水同化为碳水化合物，释放出氧气：全球每年合成有机质约500亿吨，同化碳素约200亿吨，释放氧气535亿吨 大多数高等植物的光合产物是淀粉；但洋葱、大蒜等的产物是葡萄糖和果糖，小麦、蚕豆是蔗糖 幼龄叶片除糖类外还形成较多蛋

16、白质,波长：400-700 nm,CO2总同化量,Ag = CO2总同化量（kg CO2 ha-1d-1） E = 作物CO2同化效率 (CO2 ha-1/(MJ m-2) 适宜温度条件下，C3和C4作物在生长发育期的最大E值分别为70和90 kg CO2 ha-1/(MJ m-2) 同化的CO2转化为干物质的效率大致在0.3-0.5之间。,作物吸收的总有效光,Iabs = 作物吸收的总有效光（MJ m-2 d-1） = 作物太阳辐射反射率（0.1 - 0.2） I0 = 太阳总辐射（MJ m-2 d-1） k = 作物消光系数（多在0.4 - 0.7） L = 作物叶面积指数,CO2同化曲线

17、,CO2总同化量：考虑各叶层光强的变化,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.,各叶层的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,各叶层吸收的有效光,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,释放化学能 C6H12O6 + O2 6 CO2 + 6H2O 生物细胞内的有机物，在一系列酶的参与下，逐步氧化分解成简单物质，并释放能量的过程。 为生命活动提供能量：植物对养分和水的运输、有机物的合成、细胞分裂与生

21、长等 为有机物质合成提供合成原料：分解过程中的中间产物如-酮戎二酸、苹果酸等可为合成糖类、脂类、氨基酸、蛋白质等的原料,呼吸作用类型,暗呼吸：在光照和黑暗中都可以进行（生活细胞） 维持呼吸：维持生物器官的正常功能 生长呼吸：将碳水化合物转化为作物的结构性物质（纤维素、蛋白质、脂肪等） 光呼吸 植物的绿色细胞在光下吸收O2，放出CO2的过程 与光合作用密切相关：光强、温度和氧含量提高增加光呼吸；CO2浓度提高减少光呼吸 仅发生在C3作物，可占同化量的35%，造成作物生长率降低,Fig. 2: WOFOST model,维持呼吸消耗与要维持的总生物量和温度有关 W = 总生物量（kg DM ha-

22、1） MC（kg CH2O kg-1 DM）是标准温度（20 C，C3作物；25 C，C4作物）时维持系数，即维持作物的正常生长需要消耗的碳水化合物量 TC为温度（T）校正系数,维持呼吸消耗（Rm, kg CH2O ha-1）,T = 日均温 Q10 一般等于2 Tref = 20 C（温带，C3作物），谷类作物的MC = 0.015，豆类= 0.025，油料作物 = 0.030 Tref = 25 C (热带， C4作物）,温度校正系数TC,CVF = 碳水化合物转化为干物质系数（kg DM kg-1 CH2O） 与作物类型（淀粉、蛋白质和脂肪含量）有关：如谷类作物 = 0.7，豆类 = 0

23、.65，油料作物 = 0.5,生长呼吸消耗 (Rg, kg DM d-1),To convert carbohydrates into structural plant material, such as cellulose and proteins,净光合率（ ，kg DM ha-1 d-1）：等于总同化量减去维持呼吸和生长呼吸消耗 CVF = 碳水化合物转化为干物质系数（kg DM kg-1 CH2O），与作物类型即淀粉、蛋白质和脂肪含量有关 谷类作物 = 0.7，豆类 = 0.65，油料作物 = 0.5,净光合率-作物生长率,气温（T）= 22 C 太阳总辐射（I0）= 24 MJ m-2 d-1 总生物量（W）= 5000 kg DM ha-1 叶面积指数（LAI）= 4 消光系数（K） = 0.6