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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: luch 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 mathe
2、matical 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
3、none 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. cro
4、p growth. 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 varia
5、bles 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
6、 forth. 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
7、：荷兰，着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，
8、来描述系统中的水、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
9、管理模型的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
10、资料的精度。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
11、作物。,光照,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
12、间隙 叶肉细胞原生质 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
13、要原料之一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
14、体除了已构成细胞壁的物质外，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
15、长受到养分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
16、形成较多蛋白质,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,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 r
