水稻株型與光能利用的模擬研究.pdf

1、水稻株型影響冠層光分布與光截獲,進(jìn)而影響冠層光合作用與物質(zhì)生產(chǎn),因此定量分析水稻株型與冠層內(nèi)光分布和光合作用之間的關(guān)系,對(duì)于提高水稻群體光能利用率和單位面積產(chǎn)量具有重要意義。本研究以水稻(Oryza sativa L.)作物為對(duì)象,通過(guò)實(shí)施不同株型品種與氮素水平的田間試驗(yàn),闡明了水稻植株形態(tài)、冠層內(nèi)光合有效輻射(PAR)的時(shí)空分布和地上部干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)特征,構(gòu)建了水稻冠層光分布模型和相對(duì)干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)模型,進(jìn)一步定量模擬分析了不同情景下

2、水稻株型與冠層光合作用間的關(guān)系,從而為水稻高產(chǎn)栽培及理想株型的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。主要研究結(jié)果如下:
　　 以2個(gè)不同株型水稻品種為材料,設(shè)置高、中、低3個(gè)施氮水平,利用SunScan冠層分析儀于灌漿期系統(tǒng)測(cè)定了不同株型水稻品種在不同施氮水平下植株形態(tài)和冠層內(nèi)光合有效輻射(PAR)的時(shí)空分布狀況。結(jié)果表明:施氮量對(duì)水稻株高、穗彎曲度和葉基角均有明顯影響；灌漿期群體葉面積的垂直分布呈中部>上部>下部的分布特征,最大分層葉面積指

3、數(shù)(LAI)出現(xiàn)在0.60相對(duì)冠層高度處。冠層內(nèi)平均PAR透光率從頂部向下遞減,且在冠層上中部遞減迅速,下部遞減緩慢；平均PAR透光率隨施氮量的增加而遞減；平均 PAR透光率日變化表現(xiàn)為早晚較低,中午較高；平均PAR透光率隨向下累積葉面積指數(shù)的增加呈指數(shù)遞減,群體消光系數(shù)K的日變化表現(xiàn)為早晚較高,中午較低,灌漿期的K值介于0.35～0.50。水稻冠層內(nèi)PAR的三維空間分布表現(xiàn)為冠層上中部水平面上PAR透光率高,光斑面積大；下部水平面上P

4、AR透光率低,且光斑少；同一冠層高度水平面上的PAR光強(qiáng)呈不均勻分布。株型緊湊的品種,冠層透光率高,透光率日變化大,群體消光系數(shù)小。
　　 以2個(gè)不同株型水稻品種為材料,設(shè)置高、中,低3個(gè)施氮水平,構(gòu)建不同的群體冠層結(jié)構(gòu),于拔節(jié)至成熟期系統(tǒng)測(cè)定水稻冠層PAR截獲量及其分布、以及葉面積和產(chǎn)量。結(jié)果表明:水稻群體向上累積葉面積指數(shù)的垂直分布呈S型曲線,符合Logistic方程(R2>0.99)；抽穗期、抽穗后17天和成熟期的冠層最大

5、葉面積密度分別出現(xiàn)在0.53、0.56和0.60相對(duì)高度左右；隨生育進(jìn)程的推進(jìn),冠層上中部的相對(duì)葉面積密度呈遞增趨勢(shì),而冠層下部的相對(duì)葉面積密度呈遞減趨勢(shì)。PAR截獲率(FIPAR)與向下累積葉面積指數(shù)之間的關(guān)系可用方程FIPAR=a×(1-e-K×LAI)來(lái)定量描述(R2>0.86)；消光系數(shù)K隨生育進(jìn)程的推進(jìn)而遞減。冠層PAR截獲量(AIPAR)隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈多峰分布,最高峰出現(xiàn)在移栽后58～70天,即孕穗至抽穗期,且隨施氮量的

6、增加而增大；在典型晴天下,冠層PAR截獲量的日變化呈單峰分布,最大值出現(xiàn)在11:00～13:00。水稻群體葉面積的垂直分布影響光在冠層內(nèi)的截獲與分布；水稻產(chǎn)量和 PAR利用率呈正相關(guān),PAR轉(zhuǎn)化率隨PAR截獲量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。
　　 綜合已有作物模型的優(yōu)點(diǎn),構(gòu)建了水稻冠層光分布模型,進(jìn)一步與原有光合作用和干物質(zhì)生產(chǎn)模型相耦合,構(gòu)建了水稻光合生產(chǎn)模型。模型將水稻冠層按葉面積指數(shù)劃分為五層,各層次水平面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度按

7、Monsi和Saeki的指數(shù)模型進(jìn)行分布；利用日照百分率資料推算直接輻射與散射輻射,并考慮了光合有效輻射(PAR)的日變化、冠層結(jié)構(gòu)和太陽(yáng)位置對(duì)直接輻射消光系數(shù)的影響。利用獨(dú)立的水稻田間試驗(yàn)資料對(duì)主要生育期冠層內(nèi)的光分布進(jìn)行了初步的驗(yàn)證,結(jié)果表明模擬值與觀測(cè)值之間具有較好的一致性；最后,將基于冠層光分布模型與原有光合生產(chǎn)模型進(jìn)行了比較,預(yù)測(cè)水稻干物質(zhì)積累量的根均方差分別為0.74 t·hm-2和1.26 t·hm-2,建立的基于冠層光分

8、布模型的預(yù)測(cè)性較好。
　　 選用4個(gè)不同株型水稻品種進(jìn)行不同施氮水平的田間試驗(yàn),于主要生育期測(cè)定植株地上部干物質(zhì)積累量(DMA),并對(duì)DMA及出苗至成熟期累積輻熱積(TEP)進(jìn)行歸一化處理,建立了基于相對(duì)DMA(RDMA)和相對(duì)TEP(RTEP)的水稻相對(duì)干物質(zhì)積累(RDMA)動(dòng)態(tài)模型,進(jìn)而定量分析了水稻干物質(zhì)積累的動(dòng)態(tài)特征。結(jié)果表明:Richards方程能夠準(zhǔn)確的描述水稻地上部干物質(zhì)積累的動(dòng)態(tài)模式,具有明確的生物學(xué)意義,具體方

9、程式為 RDMA=1.0157/(1+e3.6329-7.5907×RTEP)1/0.5574,r=0.9938；利用獨(dú)立的水稻田間試驗(yàn)資料對(duì)所建模型進(jìn)行了檢驗(yàn),水稻不同RTEP時(shí)刻的DMA觀測(cè)值與模擬值之間的根均方差為0.86 t·hm-2。根據(jù)水稻干物質(zhì)積累速率方程的2個(gè)拐點(diǎn),將整個(gè)干物質(zhì)積累過(guò)程劃分為前、中、后3個(gè)階段,發(fā)現(xiàn)水稻干物質(zhì)最大積累速率及其出現(xiàn)時(shí)的相對(duì)輻熱積和相對(duì)干物質(zhì)積累量分別為2.24、0.56和0.46。
　

10、　 利用基于冠層光分布的光合作用模型,以直立株型和平伸株型2個(gè)不同株型水稻冠層為對(duì)象,通過(guò)設(shè)計(jì)不同的模型輸入?yún)?shù)組合,定量分析了不同株型水稻冠層直接輻射消光系數(shù)的日變化特征、正午時(shí)刻直接輻射在冠層內(nèi)的垂直分布特征、冠層內(nèi)光合作用速率的垂直分布特征、不同輻射強(qiáng)度下冠層光合作用速率隨葉面積指數(shù)的變化特征、以及不同輻射強(qiáng)度下冠層光合作用速率的日變化特征等。結(jié)果表明:直立株型的增產(chǎn)潛力依賴于較大的葉面積指數(shù)、葉片光合效能、太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)輻射