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1、温度对夏玉米光合生产力影响的数值模拟研究温度对夏玉米光合生产力影响的数值模拟研究 刘建栋 周秀骥(中国气象科学研究院,北京100081)于 强(中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)提 要利用美国L icor 6200便携式光合作用仪测定了夏玉米光合作用速率,给出了叶片光合作用模型,建立了夏玉米冠层光温生产力数值模式,阐明了日平均气温与冠层群体光合作用之间的相对确定性关系,并提出了光合等效温度的概念及计算方法。在此基础上,推导出温度对群体光合作用影响的函数表达式,使温度订正函数f (T )不再是简单的假设,而是建立在较为严格的理论基础之上,从而实现了光合模型的时间尺度转换,为更准确
2、地建立生态动力模型及农业气候资源数值模型提供了前提条件。关键词:夏玉米 光合作用 温度订正函数 数值模拟引 言人口增长对食物的需求已远不能只靠扩大耕地面积来解决,提高单产,已经成为世界各国解决粮食生产问题的主要途径。作物单产潜力一直是国内外科学界广为探讨的一个重要课题,在中国,竺可桢1首先论述了气候与粮食生产之间的关系,黄秉维提出了光合生产潜力的概念2。当计算出光合生产潜力后,进一步计算光温生产潜力或气候生产潜力时,为了进行温度订正,不同学者提出了众多温度订正系数或函数3。进入20世纪90年代以来,国际上开始用数值方法研究农业气候资源,在中国,韩湘玲、吴连海等4,5首先运用数值模式对生产力进行
3、了评价研究,王天铎等6则首次将数学模型应用于黄淮海地区进行生物资源评价,自此,中国地学界开始利用数值模拟方法研究不同地理区域各种作物的农业生产潜力711。近年来,随着多学科综合研究的逐步深入,作物数值模式开始与地球生物数值模式相耦合1214,建立生态系统综合数值模式,其中温度订正仍然是模型中的关键影响因子之一。迄今为止,包括传统统计模式或目前所运用的数值模式,往往是依据了作物光合作用三基点温度的概念建立温度订正函数,一个温度明确地对应于一个固定的订正系数。长期以来,人们尚没有对温度影响函数这一最基本的概念进行更深一步的探讨。实际上,由于一个确定的日平均气温值并不一定对应于一个固定的温度日变化过
4、程,因而也就不一第13卷4期 2002年8月 应用气象学报JOU RNA L OF A PPL IED M ET EORO LOG ICA L SCIEN CE V ol.13,No.4Aug ust 2002国家自然科学基金重大项目(49899270)及中国气象科学研究院博士后启动基金资助。2000 10 24收到,2001 08 05收到修改稿。定对应于一个确定的温度订正系数。本文将对此进行较为深入的探讨,以期在实验及理论基础上,讨论温度对光合的影响,并在此基础上提出建立温度影响函数的理论方法,推导出黄淮海地区夏玉米的温度订正函数。1 生产力模型的建立1.1 气象资料的推算(1)辐射过程推
5、算一日中各时刻直接辐射强度S(w)和散射辐射强度D(w)可表示为9,15S( )=(sin sin!+cos cos!cos )?( 0sin sin!+cos cos!sin 0) S(1)D( )=(sin sin!+cos cos!cos )?( 0sin sin!+cos cos!sin 0) D(2)式中S为直接辐射日总量;D为散射辐射日总量;为地理纬度;!为赤纬;?为日长; 0为日没时角。由此得到任一时刻直接光合有效辐射S*( )和散射光合有效辐射D*( )S*( )=0.42S( )(3)D*( )=0.53D( )(4) (2)温度日变化的推算将作物生长期内从日出到次日日出定义
6、为作物生长发育日,可以利用三次样条函数法16模拟温度日变化过程。样条函数插值可以保证各结点的拟合值与实际值相等,同时又保证各结点的光滑连接。对于一个作物生长发育日内全天温度的拟合,02:00、08:00、14:00、20:00的温度位于固定结点,日最低气温一般出现在日出前20min左右,最高气温一般出现在14:0015:00左右。1.2 冠层光合生产力模型(1)冠层光分布模式在太阳光线n s方向上G函数可表示为17G(n s)=G(h,A)=122 d#L/2 g(?L,#L)|cos n S n L|sin?L d?L(5)式中h为太阳高度角,A为太阳方位角,g(?L,#L)为叶方位角为#L
7、、叶倾角为?L的叶倾角分布函数,n L为叶片法线方向的单位矢量,cos n S n L为太阳光线方向和叶片法线方向夹角的余弦,可表示为cos n S n L=sin h cos?L+cos h sin?L cos(A-#L)(6)直射光穿透函数?s(L,n s)和散射光穿透函数?d(L)为?s(L,n s)=e-L G(ns)sin h(7)?d(L)=1 2 /2 ?s(L,n)cos?sin?d?d#(8)其中?s(L,n)为倾角?和方位角#所决定矢量方向的透过函数。G(n s)sin h即是消光系数3994期 刘建栋等:温度对夏玉米光合生产力影响的数值模拟研究K ,当太阳高度角为h 、方
8、位角为A 时,叶面积深度L 处水平面直接光合有效辐射为S *(L ,n s )=S *( )?s (L ,n s )(9)那么叶面积深度(L -1)L 层次内、倾角为?L 、方位角为#L 叶片上的直接光合有效辐射为S *(L -1,?L ,%L )=S *(L -1,n s )sin h cos n S n L (10)在太阳高度角h,方位角为A 时,考虑了一次散射过程后的叶面积深度L 处水平面散射光合有效辐射强度为D *(L )=D *( )?d +Q *( )&*K (e -KL -e -L)1-K(11)式中&*=(?*+?*)/2,其中?*为叶片光合有效辐射反射系数,?*为叶片光合有效
9、辐射透射系数,根据各向同性的辐射理论,在叶面积深度(L -1)L 层次内、倾角为?L 、方位角为#L 的叶片接收到的散射辐射量与叶方位角无关,可以表达为D *(L -1)L ,?L ,#L )=D *(L -1) (1+cos ?L )2(12)(2)作物叶片光合作用模式肥力及管理措施适宜状况下的叶片光合作用模式可以表示为4,18P n =P z -R d =(I +)C -(I +)C )2-4?(I )C )2?F(T )-R d F (T )=2(T +B)2(T max +B)2-(T +B )4(T max +B )4R d =R m +R gR m =r m DM Q T -T m
10、 1010R g =(1-CVF) (P z -R m )(13)式中P n 为净光合速率;P z 为总光合速率;(为初始光合速率;)为最大光合速率参数;?为凸度;C 为CO 2浓度;I 为光合有效辐射光量子通量密度;F (T )为温度影响函数;T 为气温;B 为温度订正函数中的温度影响廓线参数;R d 为暗呼吸速率;R m 为维持呼吸速率;R g 为生长呼吸系数;r m 为维持呼吸系数;DM 为干物重;Q 10=2为呼吸商;C VF 为初始光合产物的转换。(3)日光温生产力将太阳时角 时刻,叶面积深度L 、叶倾角?L 、叶方位角%L 、叶片上的光合有效辐射Q *( ,L ,?L ,%L )代
11、入单叶光合作用模式中得到此时叶片净光合作用速率Pj ( ,L ,?L ,%L ),那么对时角 时进行积分,得到日光温生产力为Pz ( )=- !0- 0 L 0 2 0 /20Pj ( ,L ,?L ,#L )?P (L ,?L ,#L )d ?L d #L d L d (14)式中- !0、- 0分别为日出时角和次日日出时角;P (L ,?L ,#L )为叶面积深度L 处、倾角为?L 、方位角为#L 的叶面积密度值,本文为保证其计算精度,对叶面积深度进行逐层400 应 用 气 象 学 报 13卷积分,叶倾角、方位角分别划分为6个区域和8个区域进行积分。2 光合等效温度定义及计算方法2.1 光
12、合等效温度的定义上述模式尺度为瞬时状态,一定的光、温对应确定的光合速率,所计算的光合生产力可以做为标准值。但是气候资源模拟中一般至多可以得到日平均气温,平均气候状况下的02:00、08:00、14:00、20:00、最高、最低气温值则往往无法得到。因此模式用于光温生产力研究时,受资料限制,不得不利用日平均气温对日光合生产力进行订正,得到日光温生产力。那么由此产生一个问题:对于某一确定的辐射日变化过程,可以存在多种温度日变化过程与之匹配,例如一日中温度一直保持光合作用最适温度T o ,或白天温度一直保持光合作用上限温度T h ,夜间一直保持光合作用下限温度T l ,并且日平均气温也为T o 。显
13、然,尽管两者的日平均气温相同,但日光温生产力会有非常大的差异。因此,同一个日平均气温值由于可以对应不同的温度日变化过程,可能对应于不同的日光温生产力。因此,当模式积分步长不是瞬时状况,而是1d 或更大时,利用日平均温度对日光合生产力进行温度订正并不是一种绝对确定的关系。国内外的数值模式,积分步长大多为1d,但迄今为止尚未对这种温度的非确定性影响进行过深入探讨。设日光温生产力为P W ,日光合生产力为P G ,那么P W #P G F(T 0)-R d (15)温度订正函数F(T 0)仍采用公式(13)中的函数形式。那么显然,对光合作用而言,T 0是与实际温度日变化过程产生同样光温生产力的一个恒
14、定温度,定义T 0为光合等效温度。2.2 光合等效温度的计算方法上面逐时积分模式,具有很强的理论基础,得到验证后,利用逐时辐射及逐时温度值,可以计算出P W 做为标准值。然后对上述模型中的温度变化过程不予考虑,即温度一直保持最适状况,得到P G ,那么式(15)中仅T 是未知量,进行非线性迭代,其计算结果即是T 0。显然用T 0对日光合生产力进行温度订正所得到的日光温生产力,与考虑了温度日变化过程的光温生产力相等。将当日的T 0值与当日平均温度T 进行比较,并建立起T 0与T 之间的数学模型,那么即可由日平均气温换算出光合等效温度,进而求算出温度订正系数。3 参数确定及光合等效温度的计算3.1
15、 实验场地及研究方法实验在山东农业大学农学系试验农场内进行,采用大口径培养盆,于1999年6月18日播种,品种为目前黄淮海地区高产栽培界一致认为生产潜力较高的夏玉米当家品种掖单13号,每盆播种3粒,苗期结束时定苗。培养盆内夏玉米水、肥、管理均非常适宜。在8月18日利用L icor 6200便携式光合作用测定仪测定了叶片的光合生理等指标,L icor 401 4期 刘建栋等:温度对夏玉米光合生产力影响的数值模拟研究6200光合测定仪每次可以同时采集光合作用强度、温度、光合有效辐射光量子通量密度、CO 2浓度等多项指标贮存在机内芯片中形成一个数据文件,大量测定后一次打印全部输出,通过纱布遮光测定光强渐变时夏玉米叶片光合速率变化过程。3.2 参数确定代入实测数据利用非线性迭代法求解,得到黄淮海地区水肥适宜状况下的夏玉米叶片光合作用模式P n =(I +)C -(I +)C)2-4?(I )C )2? 2(T +B )2(T max +B)2-(T +B)4(T max +B)4-R d R d =R m +R gR m =r m D M Q T-Tm 1010R g =(1-CV F) (P z -R m )(16)模式中:(=0.081;)=0.18121;?=0.8;T m
