植物生长的结构—功能模型及其校准研究

【摘要】： 植物生长模拟模型是定量化研究植物的生长规律的重要手段，涉及到植物学、农学、 林学、应用数学、物理学和计算机信息科学等多学科领域。传统的基于生理生态过程的作 物生长模拟模型对植物的形态结构的处理过于简化，对植物的结构与生理生态功能的相互 作用考虑较少。Corner型植物结构简单，但是其生长过程遵从一般的植物生物学原理，并 且许多常见的经济作物属于此类。一些复杂结构的植物可以被看成Corner型植物结构的集 合。本文从植物个体和器官的宏观角度，以Corner型植物为对象，研究了一种植物生长的 结构-功能模型，分析了模型的数学行为，并依据实验数据对模型进行了参数校准。 1．依据植物生物学的基本原理，以生长单元周期为观察时间尺度，以植物器官的鲜质量和 几何特征作为模型变量，建立了一种植物生长的机理性的离散时间模型。该模型同时考虑 了植物结构与生理功能相互作用，能够并行地模拟植物拓扑结构和几何结构的发展变化。 植物建成的器官数目与环境积温关系密切。本文把这种关系从生长单元周期的角度扩 展到有限结构植物的纯粹扩展生长阶段。模型根据植物的水力结构和环境参数计算植物的 蒸腾耗水量，由水分利用效率计算生物量产量，依据植物器官的源-汇关系与扩展规律进行 生物量的分配，并利用器官的生长规则计算出它们的几何大小。植物拓扑结构和几何结构 的生长与变化同时也决定了植物水力结构的变化。这种周期性循环迭代的工作方式把植物 生长、结构和功能作用之间的反馈作用有机地结合在一起。这种结构-功能模型在单茎干的 棉花、冬小麦、玉米和向日葵等农作物上的应用取得了满意的效果。 2．本文研究分析了Corner型植物的结构-功能模型的数学行为，其中模型参数对植物生长 与结构的影响规律，为模型的校核提供了有效手段。 3．模型中关于植物生物量的分配采用了一种一次性的全局分配方案，把所有器官置于等同 的水平上进行考虑，克服了区隔型两级分配方式的缺点，更加适用于模拟植物拓扑结构动 态变化的情况。 4．用离散型Beta概率密度函数描述植物器官的扩展规律，可灵活地适应多种扩展曲线类 型。采用其积分形式产生的S状曲线模拟了冬小麦节间汇强参数的变异性。 5．模型参数的校准分两步进行：模型的外部参数，如叶片的厚度等几何造型参数，可由实 验测量数据直接确定，而模型的功能参数属于内部隐含参数，必须采用特殊的优化算法进 行估计。本文采用非线性最小二乘法估计模型的隐含参数，收敛性好，运算时间少，并提 出了对多目标数据实行标准化来自动计算权值的方案。在棉花、冬小麦、玉米和向日葵上 的应用实践证明上述方法是有效的。 O ；W 4二 博士学位论文 摘要 一 6．以MsualC－为工具，采用面向对象的程序设计方法，设计完成了集植物生长模拟和分 析功能于一体的植物生长模型软件Comeffit．工作于WindowsriNlndotvsNT操作系统下。 软件用户界面友好，提供图形、曲线和文本等方式显示植物生物量的生产与分配以及植物 结构的动态生长过程，可方便地调整模型隐含参数初值和目标顶目的选择。提出了对植物 在生长单元周期内部状态变化进行估计的插值方法。同时，编制了植物器官的平面造型软 ＿＿＿＿。，。＿。。＿＿．、．。。…＿，＿＿．＿…．、、…。＿，。＿＿。＿—— 件PatZ，与Corneffit软件配合使用。上述软件已经在中国农业大学、中法联合实验室－ （u AMAMA）和法国农艺研究国际合作发展中心（口RA D）等单位应用于科研和教学工作。