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1、作物生长模拟（一）1.举例说明什么是状态、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.速率变量（Rate variable）：特定时刻单位时间内状态变量的变化量。例如人口增长速率:State (t+t) = State (t) + Rate (t)t ,用Rate (t) = State (t)（t时间时人口数）*constant（人口增长率）2.简要说明各产量水平的主要影响因子。一作物产量的决定因素：作物性状、光、CO
2、2、温度（1）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.以及作物类型，如C3和C4作物，像小麦是C3作物，玉米是C4作物，玉米比小麦的最大单叶光合能力要强；谷类作物、根茎作物、豆科作物、油料作物的作物产量也不相同。（2）光照：是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-光合曲线中有光补偿点、光饱和点。植物光合作用达到最大值时的光照强度，称为该种植物的光饱和点。光合作用和呼吸作用相等时的光照强度称为光补偿点。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。即随着有效光强的不断增加，光合速率也不断增加
3、，当有效光强达到光饱和点时，光合速率不再增加（3）CO2:是光合作用的主要原料，CO2浓度增加，作物的光合速率提高，但是到达饱和点，光合数量从降低。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。（4）温度：作物有三基点温度：最低温度，最高温度，最适温度。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。温度不仅影响作物的光合速率，还影响生育期长度，当温度升高时，作物的生育期反而降低。二作物产量的限制因素：水、养分。对作物生长的影
4、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。（1）水分是光合作用的主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。（2）养分：是植物细胞结构物质的组成成分。例如，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
5、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.三作物产量的减产因素：病虫害、杂草、污染物（1）病虫害：降低作物叶片的光合能力（2）杂草：与作物竞争光、热、水和养分（3）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，破坏叶绿体四作物产量的减产因素：病虫害、杂草、污染物（1）病虫害：降低作物叶片的光合能力（2）杂草：与作物竞争光、热、水和养分（3）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3.简要说明影响作物生长的因素。1）潜在生长条件潜在产量n水分、养分充分供应，无病虫害、杂草
6、危害；n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n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或同时水分短缺的影响；n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n作物生长受到减产因子病虫害、杂草、污染等影响。4.一般来讲，C3作物的净光合效率（生长率）要低于C4作物，豆类作物要低于谷类作物，为什么？净光合作用=总光合作用-呼吸作用消耗。净光合率（dw/dt，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。净光合速率公式：1）CVF =碳
7、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，其中谷类作物CVF = 0.7，豆类CVF= 0.65，所以豆类转化成干物质量（CVF）低于谷类作物，因此C3作物的净光合效率（生长率）比C作物低。2）并且在，式子中，谷类作物的MC = 0.015，豆类= 0.025，豆类维持正常呼吸消耗量比较大，即C3作物的维持系数（MC）比C4大；并且C3作物的Tref=20，C4作物的Tref=25，因此C3作物的温度校正系数（TC）比C4的大，综上C3作物的维持呼吸（Rn）比C4作物的高。那么C3作物的净光合效率（生长率）比C作物低。3）适宜温度条件下
8、，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)，C3作物的E值比C4小，因此C3作物的CO2同化量（Ag）比C4作物的低，因此C3作物的净光合效率（生长率）比C作物低。5.提高大气中CO2的浓度可提高作物的光合效率，简要说明原因。（1）CO2的流通速率P（光合速率）可表示为：由公式可以看出，光合效率与CO2浓度成正比，当CO2的浓度（Ca）增加时，因此作物光合速率也增加。（2）暗反应阶段需要CO2，CO2是植物体内合成有机物的原料。增加CO2含量，增强暗反应，也就增强光反应的原料来源。当大气中CO2大量增加时，气孔只要微微张开，就可以吸收到足够
9、的CO2，当CO2浓度比较大的时候，在空气中扩散阻力小，进入细胞内的阻力也比较小，因此能提高作物的光合效率。（3）实际上，大气中的CO2浓度小，现在大气中CO2的浓度约为350ppm，农作物光合作用CO2的最适浓度一般约为1000ppm，因此提高大气中的CO2浓度，有利于提高作物的光合效率。（4）空气中的二氧化碳含量一般占体积的0.033(即0.65mgL，0，101kPa)，对植物的光合作用来说是比较低的。如果二氧化碳浓度更低，光合速率急剧减慢。当光合吸收的二氧化碳量等于呼吸放出的二氧化碳量，这个时候外界的二氧化碳数量就叫做二氧化碳补偿点(CO2compensation point)。水稻单
10、叶的二氧化碳补偿点是55mgLCO2(25，光照10klx)，其变化范围随光照强度而异。光弱，光合降低比呼吸显著，所以要求较高的二氧化碳水平；才能维持光合与呼吸相等，也即是二氧化碳补偿点高。当光强，光合显著大于呼吸，二氧化碳补偿点就低。作物高产栽培的密度大，肥水充足，植株繁茂，吸收更多二氧化碳，特别在中午前后，二氧化碳就成为增产的限制因子之一。植物对二氧化碳的利用与光照强度有关，在弱光情况下，只能利用较低的二氧化碳浓度，光合慢，随着光照的加强，植物就能吸收利用较高的二氧化碳浓度，光合加快。6.简要说明计算净光合率（生长率）的步骤。吸收的总有效光：总同化量：TC为温度（T）校正系数：维持呼吸消耗
11、：作物生长率：nMC（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；r=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；E=作物CO2同化效率(CO2 ha-1/(MJ m-2)；T =日均温nQ10一般等于2nTref= 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）nCVF =碳水化合物转化为干物质系
12、数（kg DM kg-1 CH2O），与作物类型即淀粉、蛋白质和脂肪含量有关作物生长模拟（二）1作物在早期阶段，生物量一般成指数增长，而在中期阶段则成线性增长，为什么?作物在早期是指数生长阶段；一般生物量低于100 g m-2（1000 kgha-1)时，作物生物量呈指数增长。生物量的相对增长率（rm）（g g-1 d-1）:取决于温度、光照和作物品种，因此早期阶段，作物的生长率一直都在增加，作物成指数增长。而当作物生长率达到最大的时候，新增生物量不增加作物生长率，因此作物从指数转变为线性增长。比如人口增加的生育能力一直在增加，才会有指数增长；当人口生育能力达到最大，不在增加了，生育能力不变，
13、是一个常数，因此人口增长就成线性增加。2简要说明长日照和短日照植物的主要差别按不同植物光周期类型，可分为三类：长日性、短日性和光期钝感三类.（1）短日照作物：只有在光照时间长度小于某一时段才能开花，加长光照时数，就不会开花结实。水稻、大豆、玉米，高粱、谷子、棉花、甘薯等原产于热带亚热带的植物。（2）长日照植物：只有在光照长度大于某一时数后才能开花，缩短光照时数就不开花结实。小麦、大麦、燕麦、豌豆、亚麻、油菜、甜菜、胡萝卜、洋葱、蒜、菠菜等原产于高纬度地区的植物。3简要说明影响作物发育速度的因素作物发育速度：取决于有效温度和日照长度一日照长度对作物发育速度的影响：1）日照长度与光合系数Fpr的关
14、系（图P9）：对于长日照植物，低于10h时，Fpr小，作物不正常发育；高于10h，Fpr增加，作物开始正常发育，到12h，Fpr=1，作物正常发育，而短日照刚好相反。2）按对光长的敏感程度，可分为感光性强、中、弱三种类型。感光性很强：植物当光长超过或小于临界光长时，就不能进行花芽分化，如水稻晚熟种、大豆等。感光性中等：在满足其临界光长要求时能明显促进花芽分化，提早开花；反之，在不适宜的光长条件下，虽然能进行花芽分化，但开花所需天数明显增加。一般多为中熟品种。感光性很弱：光照长短对促进开花的效果不显著，而其中对光反应极迟钝的，多为早熟和特早熟种。3）按不同植物光周期类型，可分为三类：长日性、短日
15、性和光期钝感三类：短日照作物：只有在光照时间长度小于某一时段才能开花，加长光照时数，就不会开花结实。水稻、大豆、玉米，高粱、谷子、棉花、甘薯等原产于热带亚热带的植物。长日照植物：只有在光照长度大于某一时数后才能开花，缩短光照时数就不开花结实。小麦、大麦、燕麦、豌豆、亚麻、油菜、甜菜、胡萝卜、洋葱、蒜、菠菜等原产于高纬度地区的植物。中间性植物：开花不受光照时间长度的影响。如西红柿、大豆中的某些特早熟品种，时间长度一般为12-14小时。二温度对作物发育速度的影响： 1）植物生长发育对温度非常敏感。例如，作物的开花期与平均气温呈很好的相关性。温度低的时候，开花期长，温度高的时候开花期短；温度与作物的生长期成正相关，温度升高，作物生长期延长；开花期与纬度成正相关，纬度高的地方开花期长。（因为纬度高的地方温度低）。2）温度对生物的作用可分为最低温度、最适温度和最高温度，即生物的三基点温度。当环境温度在最低和最适温度之间时，生物体内的生理生化反应会随着温度的升高而加快，代谢活动加强，从而加快生长发育速度；当温度高于最适温度后，参与生理生化反应的酶系统受到影响，代谢活动受阻，势必影响到生物正常的生长发育。当环境温度低于最低温度或高于最高
