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《南京农业大学》 2010年
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水稻株型与光能利用的模拟研究

李艳大  
【摘要】:水稻株型影响冠层光分布与光截获,进而影响冠层光合作用与物质生产,因此定量分析水稻株型与冠层内光分布和光合作用之间的关系,对于提高水稻群体光能利用率和单位面积产量具有重要意义。本研究以水稻(Oryza sativa L.)作物为对象,通过实施不同株型品种与氮素水平的田间试验,阐明了水稻植株形态、冠层内光合有效辐射(PAR)的时空分布和地上部干物质积累动态特征,构建了水稻冠层光分布模型和相对干物质积累动态模型,进一步定量模拟分析了不同情景下水稻株型与冠层光合作用间的关系,从而为水稻高产栽培及理想株型的优化设计奠定了理论基础。主要研究结果如下: 以2个不同株型水稻品种为材料,设置高、中、低3个施氮水平,利用SunScan冠层分析仪于灌浆期系统测定了不同株型水稻品种在不同施氮水平下植株形态和冠层内光合有效辐射(PAR)的时空分布状况。结果表明:施氮量对水稻株高、穗弯曲度和叶基角均有明显影响;灌浆期群体叶面积的垂直分布呈中部上部下部的分布特征,最大分层叶面积指数(LAI)出现在0.60相对冠层高度处。冠层内平均PAR透光率从顶部向下递减,且在冠层上中部递减迅速,下部递减缓慢;平均PAR透光率随施氮量的增加而递减;平均PAR透光率日变化表现为早晚较低,中午较高;平均PAR透光率随向下累积叶面积指数的增加呈指数递减,群体消光系数K的日变化表现为早晚较高,中午较低,灌浆期的K值介于0.35-0.50。水稻冠层内PAR的三维空间分布表现为冠层上中部水平面上PAR透光率高,光斑面积大;下部水平面上PAR透光率低,且光斑少;同一冠层高度水平面上的PAR光强呈不均匀分布。株型紧凑的品种,冠层透光率高,透光率日变化大,群体消光系数小。 以2个不同株型水稻品种为材料,设置高、中、低3个施氮水平,构建不同的群体冠层结构,于拔节至成熟期系统测定水稻冠层PAR截获量及其分布、以及叶面积和产量。结果表明:水稻群体向上累积叶面积指数的垂直分布呈S型曲线,符合Logistic方程(R20.99);抽穗期、抽穗后17天和成熟期的冠层最大叶面积密度分别出现在0.53、0.56和0.60相对高度左右;随生育进程的推进,冠层上中部的相对叶面积密度呈递增趋势,而冠层下部的相对叶面积密度呈递减趋势。PAR截获率(FIPAR)与向下累积叶面积指数之间的关系可用方程FIPAR=α×(1-c-K×LAI)来定量描述(R20.86);消光系数K随生育进程的推进而递减。冠层PAR截获量(AIPAR)随生育进程的推进呈多峰分布,最高峰出现在移栽后58-70天,即孕穗至抽穗期,且随施氮量的增加而增大;在典型晴天下,冠层PAR截获量的日变化呈单峰分布,最大值出现在11:00~13:00。水稻群体叶面积的垂直分布影响光在冠层内的截获与分布;水稻产量和PAR利用率呈正相关,PAR转化率随PAR截获量的增加呈先增大后减小的趋势。 综合已有作物模型的优点,构建了水稻冠层光分布模型,进一步与原有光合作用和干物质生产模型相耦合,构建了水稻光合生产模型。模型将水稻冠层按叶面积指数划分为五层,各层次水平面上的太阳辐射强度按Monsi和Saeki的指数模型进行分布;利用日照百分率资料推算直接辐射与散射辐射,并考虑了光合有效辐射(PAR)的日变化、冠层结构和太阳位置对直接辐射消光系数的影响。利用独立的水稻田间试验资料对主要生育期冠层内的光分布进行了初步的验证,结果表明模拟值与观测值之间具有较好的一致性;最后,将基于冠层光分布模型与原有光合生产模型进行了比较,预测水稻干物质积累量的根均方差分别为0.74 t·hm-2和1.26 t-hm-2,建立的基于冠层光分布模型的预测性较好。 选用4个不同株型水稻品种进行不同施氮水平的田间试验,于主要生育期测定植株地上部干物质积累量(DMA),并对DMA及出苗至成熟期累积辐热积(TEP)进行归一化处理,建立了基于相对DMA (RDMA)和相对TEP (RTEP)的水稻相对干物质积累(RDMA)动态模型,进而定量分析了水稻干物质积累的动态特征。结果表明:Richards方程能够准确的描述水稻地上部干物质积累的动态模式,具有明确的生物学意义,具体方程式为RDMA=1.0157/(1+e3.6329-7.5907×RTEP)1/0.5574,r=0.9938;利用独立的水稻田间试验资料对所建模型进行了检验,水稻不同RTEP时刻的DMA观测值与模拟值之间的根均方差为0.86 t·hm-2。根据水稻干物质积累速率方程的2个拐点,将整个干物质积累过程划分为前、中、后3个阶段,发现水稻干物质最大积累速率及其出现时的相对辐热积和相对干物质积累量分别为2.24、0.56和0.46。 利用基于冠层光分布的光合作用模型,以直立株型和平伸株型2个不同株型水稻冠层为对象,通过设计不同的模型输入参数组合,定量分析了不同株型水稻冠层直接辐射消光系数的日变化特征、正午时刻直接辐射在冠层内的垂直分布特征、冠层内光合作用速率的垂直分布特征、不同辐射强度下冠层光合作用速率随叶面积指数的变化特征、以及不同辐射强度下冠层光合作用速率的日变化特征等。结果表明:直立株型的增产潜力依赖于较大的叶面积指数、叶片光合效能、太阳高度角和太阳辐射强度等。
【学位授予单位】:南京农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:S511

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【引证文献】
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【参考文献】
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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