基于碳水通量耦合原理改进Penman-Monteith蒸散发模型

陆地蒸散(ET)涵括地表和潮湿叶片的蒸发和植物的蒸散发,是陆地水循环的重要组成部分。Penman-Monteith方程是估算陆地蒸散的重要方法,方程中的叶片或冠层气孔导度是提高估算精度的关键因子。根据碳水循环的耦合原理,植物光合作用模型可用于估算叶片或冠层气孔导度。植物光合作用模型可分为三类:1)使用总冠层导度的大叶模型(BL),2)区别阴、阳叶冠层导度的双大叶模型(TBL),3)区别阴、阳叶叶片导度的双叶模型(TL)。与这三类光合作用模型相对应,衍生出基于不同导度计算方法的三种蒸散估算模型。三种蒸散模型之间的主要区别在于是否进行从叶片尺度到冠层尺度的气孔导度集成。这三种模型中,双叶模型使用叶片尺度的气孔导度,集成度最低。反之,大叶模型使用冠层尺度的气孔导度,集成度最高。由于在Penman-Monteith中,蒸腾和气孔导度之间的关系是非线性的,气孔导度的集合会导致负偏差。因此,与通量测量相比,大叶蒸散模型的估算偏差最大,而双叶蒸散模型的估算偏差最小。     

陆面模式的植物叶光合生理的数值模拟试验及分析

根据C3、C4植物生态生理过程中植物叶水平的光合同化机制过程和植物叶片尺度的光合作用限制函数方程。采用单叶光合作用模式进行C3、C4植物光合模拟试验,模拟不同环境影响因子对C3、C4植物光合作用的影响。结果表明,植物叶尺度光合作用模型能较好地模拟不同环境影响因子下的C3、C4植物光合作用状况。本文依据C3、C4植物光合生理特性进一步分析植物光合作用的三个限制函数方程在C3、C4植物光合的不同作用,揭示吸收光合有效辐射(PAR)、叶内温度(Tc)和CO2浓度(Ci)的敏感性。结果可用于植被—大气相互作用的能量和碳同化过程的物质交换研究。     

华北地区冬小麦叶片光合作用模型在农业干旱预测中的应用研究

在冬小麦抽穗—灌浆期进行了水分胁迫实验,利用美国Licor公司生产的Licor-188B辐射量子照度仪及Licor-6400便携式光合作用测定仪,对水分胁迫引起的冬小麦光合生理生态变化进行了系统观测,系统地给出了冬小麦多种农业气象指标对水分胁迫的响应状况。在大量实测数据基础上,给出了包含辐射强度、温度及土壤水分因子的冬小麦叶片光合作用模式。该模式具有严格的理论推导过程和大量实验数据的支持,改进了传统水分胁迫对叶片光合速率影响的简单阶乘方法,从而为进一步准确推算水分胁迫对大田冬小麦光合作用的可能影响,以及水分胁迫对区域农业干旱的可能影响奠定了前提条件。该研究是冬小麦干旱预测模型的叶片子模型,为冬小麦农业干旱预测模型提供了丰富的基本参数,同时也为建立冬小麦干旱预测模型奠定了基本条件。     

包含CO2因子的冠层光合作用简化模型及其关键参数数值敏感分析

利用美国Licor公司生产的Li-6200便携式光合作用测定仪对冬小麦叶片光合作用进行了较为系统的测定研究,在实测资料支持下建立了包含CO2因子的叶片和冠层光合作用模型,验证结果表明,模型具有较高准确性.利用模型对CO2影响参数μ进行数值敏感分析,结果表明:对叶片光合而言,μ=0.83时叶片光合作用模型拟合最好,随μ减小或增大,拟合精度均下降;对冠层光合而言,μ=0.83时模拟光合日总量达到最大值,μ减小或增大,光合日总量均下降.多因子数值分析表明:在辐射值较大的状况下,μ对冠层光合的影响更为显著.     

近地层O3和CO2浓度变化对冬小麦影响的数值模拟：Ⅰ模型结构

在试验研究的基础上,文中尝试利用数值模拟方法评估O3和CO2浓度变化对作物的影响.以农田生态系统碳氮生物化学模型(DNDC)为基础,对其中的作物子模型进行改进,加入O3对冬小麦光合作用和叶片生长影响的模拟,结合原模型中有关CO2对冬小麦光合作用影响的模拟,建立反映O3和CO2浓度变化对冬小麦生长发育和产量形成影响的作物模型.文章对DNDC模型进行了参数修正以适用于中国华北地区;文章参考前人的工作,引用了两种O3对作物光合作用影响的模拟方法进行比较,分别是O3对初始光利用率的影响和O3对叶片光合作用的直接影响;在此基础上,进一步考虑O3对冬小麦叶片生长的影响,根据试验资料,建立了O3对叶片生长影响系数.     

双叶模型在冬小麦田冠层CO2通量多层模拟中的应用

综合考虑农田生态系统中水、热、CO2输送所涉及的大气、水文、生物等生物物理过程,以Farquhar等提出的叶片尺度光合作用生物化学过程机理模型为理论基础,对其进行空间尺度扩展,并改进冠层分层方法,建立了均匀农田与大气之间物质输送和能量交换的多层模式,在模式中运用双叶模型,同时考虑叶片氮素水平垂直差异,对2008年4—5月华北平原冬小麦生长旺季农田生态系统中冠层CO2通量进行了模拟研究,并利用涡度相关观测的通量数据对模型的有效性加以验证,结果表明:在冠层多层空间,小麦拔节至孕穗期和开花至乳熟期叶片氮含量随冠层高度的衰减系数分别为0.793(R2=0.698)和1.374(R2=0.728),冠层内叶片氮含量的空间分布可以用以相对累积叶面积指数为自变量的函数来描述;模型分别计算各层阴、阳叶的光截取、气孔传导、光合作用等,最终计算冠层上方CO2通量,冬小麦农田净生态系统生产力模拟值与实测值相关显著(R2=0.78),模拟的CO2通量日变化特征晴天昼间比阴雨天和夜间的效果好;在考虑丛聚影响的叶片非随机分布的密集农田中,阴叶对总初始生产力的贡献率在35.7%左右,对生产力贡献很重要。分层统计显示,作物最终产量的形成主要...     

基于Ｌｏｔｋａ Ｖｏｌｔｅｒｒａ方程的基因调控网络的稳定性分析

在2007年7—8月棉花生长旺季,将冠层按高度分多层,通过简单的试验方法确定了棉冠内叶片丛聚指数（clumping index,Ω）,以此区分计算出田间各层逐时阳叶（受光叶）和阴叶（被遮荫叶）叶面积指数的动态值。在8月23日用LI-6400R便携式光合测量系统分多层分别测定阴、阳叶单张叶片净光合作用的日变化,结合阴、阳叶面积权重,探讨利用Ω区分阴阳叶之后对整个冠层日总光合作用的影响。试验结果表明：（1）花铃期棉花冠层内Ω约为0.68;（2）利用Ω计算得到8月23日冠层日间（09：00—18：00）总净光合作用日平均值大约为20.3μmol·m-2·s-1,其中阳叶贡献约占总量的72%,阴叶约占总量的28%;（3）上层叶片贡献约占总量的75%,中层叶片约占总量的22%,下层叶片约占总量的3%。     

棉花冠层阴阳叶空间分布的日变化及其对光合作用的影响

在2007年7—8月棉花生长旺季,将冠层按高度分多层,通过简单的试验方法确定了棉冠内叶片丛聚指数(clumping index,Ω),以此区分计算出田间各层逐时阳叶(受光叶)和阴叶(被遮荫叶)叶面积指数的动态值。在8月23日用LI-6400R便携式光合测量系统分多层分别测定阴、阳叶单张叶片净光合作用的日变化,结合阴、阳叶面积权重,探讨利用Ω区分阴阳叶之后对整个冠层日总光合作用的影响。试验结果表明:(1)花铃期棉花冠层内Ω约为0.68;(2)利用Ω计算得到8月23日冠层日间(09:00—18:00)总净光合作用日平均值大约为20.3μmol·m-2·s-1,其中阳叶贡献约占总量的72%,阴叶约占总量的28%;(3)上层叶片贡献约占总量的75%,中层叶片约占总量的22%,下层叶片约占总量的3%。     

C3植物光合作用日变化的模拟

对前人光合作用-气孔导度耦合模型进行了修正,建立了光合作用-蒸腾作用-气孔导度的耦合模型,它概括了叶片上各主要物理过程和生理过程之间的相互联系和制约关系。 用数值方法研究了不同环境因子（太阳辐射、温度、湿度和风速等）对光合作用、蒸腾作用和气孔导度的日变化及中午降低（midday depression）的影响。 主要结果是:（1）当边界层导度减小时,光合“午睡”加剧,蒸腾作用减弱,但作为反馈调节,气孔导度增加。 （2）气孔导度的最适温度最低,光合作用次之,蒸腾作用最适温度最高。当光合作用中午受到高温的胁迫时,气孔导度下降的幅度最大,光合作用次之,蒸腾作用的降幅最小。一天中,气孔导度降低的持续时间最长,蒸腾作用降低的持续时间最短。（3）空气绝对湿度越低,气孔导度越低,光合午睡越明显。蒸腾作用则决定于饱和水汽压差(Vpd)和气孔导度两个因素的相反的作用。蒸腾作用随Vpd增加而增大,但Vpd超过一定值后,反而使蒸腾作用下降。 （4）当温度在光合最适温度以上时,太阳辐射的增加使叶温增加,引起光合“午睡”的加剧和气孔导度的降低。（5）ci/cs在中午的降低表明气孔的关闭是光合作用“午睡”现象的原因。     

遥感信息结合植物光合生理特性研究区域作物产量水分胁迫模型

首先给出利用遥感信息结合作物光合生理特性研究作物产量水分胁迫模型的一般性概念,然后论述作物产量水分胁迫模型中作物蒸散和光合作用的关系.建立以作物蒸散为显参的作物产量水分胁迫模型;对模型的参数给出求解公式,利用遥感信息反演模型参数.最后利用发展的作物产量水分胁迫模型对华北平原典型区进行作物产量填图,将本模型与作物产量经验模型的1997年计算结果进行比较,发现本文发展的模型有可比的精度.     

Numerical Simulation Study on the Impacts of Tropospheric O3 and CO2 Concentration Changes on Winter Wheat.Part I: Model Description

Ozone is well documented as the air pollutant most damaging to agricultural crops and other plants.It is reported that tropospheric O3 concentration increases rapidly in recent 20 years. Evaluating and predicting impacts of ozone concentration changes on crops are drawing great attention in the scientific community. In China, main study method about this filed is controlled experiments, for example, Open Top Chambers. But numerical simulation study about impacts of ozone on crops with crop model was developed slowly, what is more, the study about combined impacts of ozone and carbon dioxide has not been reported.The improved agroecosystem model is presented to evaluate simultaneously impacts of tropospheric O3 and CO2 concentration changes on crops in the paper by integrating algorithms about impacts of ozone on photosynthesis with an existing agroecosystem biogeochemical model (named as DNDC). The main physiological processes of crop growth (phenology, leaf area index, photosynthesis, respiration, assimilated allocation and so on) in the former DNDC are kept. The algorithms about impacts of ozone on photosynthesis and winter wheat leaf are added in the modified DNDC model in order to reveal impacts of ozone and carbon dioxide on growth, development, and yield formation of winter wheat by coupling the simulation about impacts of carbon dioxide on photosynthesis of winter wheat which exists in the former DNDC. In the paper, firstly assimilate allocation algorithms and some genetic parameters (such as daily thermal time of every development stage) were modified in order that DNDC can be applicable in North China. Secondly impacts of ozone on crops were simulated with two different methods-one was impacts of ozone on light use efficiency , and the other was direct effects of ozone on leaves photosynthesis. The latter simulated results are closer to experiment measurements through comparing their simulating results. At last the method of direct impacts of ozone on leaf growth is adopted and the coe cients about impacts of ozone on leaf growth and death are ascertained. Effects of climate changes, increasing ozone, and carbon dioxide concentration on agroecosystem are tried to be simulated numerically in the study which is considered to be advanced and credible.     

Numerical Simulation Study on the Impacts of Tropospheric and CO_2 Concentration Changes on Winter Wheat. Part I: Model Description

Ozone is well documented as the air pollutant most damaging to agricultural crops and other plants. It is reported that tropospheric O3 concentration increases rapidly in recent 20 years. Evaluating and predicting impacts of ozone concentration changes on crops are drawing great attention in the scientific community. In China, main study method about this filed is controlled experiments, for example, Open Top Chambers. But numerical simulation study about impacts of ozone on crops with crop model was developed slowly, what is more, the study about combined impacts of ozone and carbon dioxide has not been reported. The improved agroecosystem model is presented to evaluate simultaneously impacts of tropospheric O3 and CO2 concentration changes on crops in the paper by integrating algorithms about impacts of ozone on photosynthesis with an existing agroecosystem biogeochemical model (named as DNDC). The main physiological processes of crop growth (phenology, leaf area index, photosynthesis, respiration, assimilated allocation and so on) in the former DNDC are kept. The algorithms about impacts of ozone on photosynthesis and winter wheat leaf are added in the modified DNDC model in order to reveal impacts of ozone and carbon dioxide on growth, development, and yield formation of winter wheat by coupling the simulation about impacts of carbon dioxide on photosynthesis of winter wheat which exists in the former DNDC. In the paper, firstly assimilate allocation algorithms and some genetic parameters (such as daily thermal time of every development stage) were modified in order that DNDC can be applicable in North China. Secondly impacts of ozone on crops were simulated with two different methods- one was impacts of ozone on light use efficiency, and the other was direct effects of ozone on leaves photosynthesis. The latter simulated results are closer to experiment measurements through comparing their simulating results. At last the method of direct impacts of ozone on leaf growth is adopted and the coefficients about impacts of ozone on leaf growth and death are ascertained. Effects of climate changes, increasing ozone, and carbon dioxide concentration on agroecosystem are tried to be simulated numerically in the study which is considered to be advanced and credible.     

陆面过程模式的研究进展简介

陆面过程是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一。根据陆面过程研究的发展进程,介绍了三代陆面过程模式的不同特点和发展历程,指出在未来陆面方案中,引入光合作用和碳循环,可以更加真实地反映土壤、地表、大气、生物圈相互作用。陆面过程模式发展应该着眼于综合并且动态考虑植被类型变化、光合作用、碳循环和水循环的真实水文生化模型建立,将有效增强对气候变化的研究,提高天气预报模式的准确率。     

海洋碳循环模式（I）——一个包括海洋动力学环流、化学过程和生物过程的二维碳模式的建立

利用一个全球海洋动力学环流模式所模拟的海洋环流场,建立了一个全面的二维海洋碳循环模式。此模式摒弃了传统箱模式的缺陷,充分考虑了诸如大气与海洋间的碳交换、光合作用和氧化分解、碳酸钙的产生和溶解、悬浮颗粒物的下沉等过程,尤其是在模式中耦合进了以往甚少考虑的海洋生物过程对碳循环的影响,引入了详尽合理的参数化方案。通过模拟发现：在稳定状态下,大气和海洋中总碳含量分布依赖于发生在海洋中的各种物理化学过程及边界条件,水平扩散系数和光合作用常数率对各化学量的分布有很大影响。     

中国黄淮海地区冬小麦光合作用特征参数

利用Licor-6200便携式光合作用测定仪，对1949年以来不同历史年代的冬小麦叶片光合作用进行了大量测定，拟合了不同年代12个典型品种的叶片光合作用光响应曲线，首次揭示了黄淮海地区冬小麦叶片光合特征参数随时间演变规律，并利用数值模式分析了特征参数对光合日总量的影响。该研究为我国气候生态数值模型提供了基础数据，并为模式的区域应用提供了重要前提条件。     

温度对夏玉米光合生产力影响的数值模拟研究

利用美国Licor-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。