FACE水稻生长发育模拟模型研究

摘要

利用农田开放式空气CO2浓度增高(FACE)技术平台，设置大气CO2浓度比对照高200μmol.mol-1的FACE处理和不同的施N量水平，以水稻钟模型为基础，构建了FACE水稻生育期模拟模型。通过不同年度试验数据的检验，表明模型对CK及FACE条件下水稻不同生育期天数的预测性能好。不同生育期预测误差的根均方差(RMSE)最大为2.64d，最小只有0.15d，且相关系数均达到了极显著水平。说明FACE水稻生育期模型具有较高的预测性和适用性。 借助目前我国唯一的农田开放式空气CO2浓度增高(FACE)技术平台，以武香粳14为供试品种，设置不同施N量处理，研究大气CO2浓度比对照高200μmol.mol-1的FACE处理对水稻茎蘖动态的影响，并建立了相应的模拟模型：Tt=A1/1+ea1-b1t-A2/1+ea2-b2t+C×(B1/1+ea3-b3t-B2/1+ea4-b4t)+D式中，Tt为移栽后t天水稻群体茎蘖数量；A1、A2分别为常规条件下由水稻品种特性决定的群体茎蘖最大可能发生数量和最大必须死亡数量：B1、B2分别为FACE条件下水稻群体茎蘖潜在增加量和潜在死亡量；C为CO2浓度系数：D为水稻移栽后的基本茎蘖数：a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4均为曲线控制系数。模型以时间为驱动因子，描述了水稻茎蘖数随移栽天数的动态变化过程，对常规及CO2浓度增加条件下水稻茎蘖的变化均有很好的拟合性。通过不同年份试验数据对模型的检验，结果表明模型的预测程度高，具有很好的适用性。 第5章FACE水稻干物质积累与分配模型 借助我国唯一的FACE技术平台，通过不同的N肥处理，对开放系统中CO2浓度增加后水稻地上部干物质积累与分配的动态进行了研究，并构建了相应的模拟模型。模型以移栽后天数为驱动因子，以CO2浓度为主要影响因子，同时引入N素影响因子调节干物质的积累与各器官分配指数。模拟的结果表明，随着大气CO2浓度的增加，水稻地上部总干物重显著增加，叶干重分配指数下降，穗干重分配指数基本不变，茎干重分配指数前期增加，后期持平。通过不同年份试验数据对模型的验证，结果表明模型拟合程度高，具有较好的适应性和预测性。 第6章FACE水稻叶面积指数的模拟 借助目前我国唯一的农田开放式空气CO2浓度增高(FACE)技术平台，以武香粳14为供试品种，设置不同施N量处理，对大气CO2浓度增高后水稻LAI动态进行了研究，并构建了相应的模拟模型。模型以移栽后天数为驱动因子，以水稻叶片干物重(LDMW)及比叶重(SLW)为研究对象，确立了LAI随LDMW及SLW的动态变化过程。模拟结果表明，大气CO2浓度增加后水稻叶片干物重随之增加，而比叶重保持不变，因此LAI相应增加，施N量越大这种趋势越明显。通过不同年份试验数据对模型的验证，结果表明模型拟合程度高，具有较好的适应性和预测性。 第7章FACE水稻氮素动态的模拟研究 借助目前我国唯一的农田开放式空气CO2浓度增高(FACE)技术平台，以武香粳14为供试品种，设置不同施N量处理，研究大气CO2浓度比对照高200μmol.mol-1的FACE处理对水稻N素吸收利用动态的影响，结果表明：FACE处理使水稻各生育期N素累积量增加，而使含N率下降；增施N肥使FACE及CK条件下的N素累积量均有不同程度的增加。并在此基础上建立了相应的模拟模型，模型以时间为驱动因子，描述了水稻N素累积量及含N率随移栽天数的动态变化过程，对CO2浓度增加及常规条件下水稻N素的动态变化均有很好的拟合性。通过不同年份试验数据对模型的检验，结果表明模型的预测性能好，具有很好的适用性。 大气CO2浓度到本世纪末预计将达到650-780μmol.mol-1(IPCC，2000)。大气CO2浓度升高不但影响气候变化，更直接影响作物生长。水稻是我国最重要的粮食作物之一，其能否可持续发展对我国粮食安全有着举足轻重的影响。本研究以武香粳14号为供试品种，利用目前我国唯一的农田开放式空气CO2浓度增高(FACE)研究平台(2001-2003，无锡，31°37'N，120°28'E；2005，江都，32°35'N，119°42'E)，大气CO2浓度设370μmol·mol-1(对照)和570μmol·mol-1(FACE)2个水平，施氮量2001年设150、250kg·hm-22个水平，2002和2003年设150、250、350kg·hm-23个水平，2005年设150、250kg·hm-22个水平，主要研究FACE对水稻的生育期、茎蘖动态、干物质积累与分配，叶面积动态以及N素吸收利用的影响及其模拟模型，以期为未来大气CO2浓度倍增条件下水稻生长发育及产量预测等提供依据。主要研究结果如下： 1、研究了开放系统中CO2浓度增高后水稻生育期的变化情况，结果表明，FACE处理使水稻播种—抽穗期、抽穗—成熟期以及全生育期的平均天数比对照明显缩短。增施N肥后可以减缓FACE对水稻不同生育时期的缩短程度。在此基础上构建了FACE水稻生育期模拟模型，模型以“水稻钟模型”为基础，以生育期内的平均温度作为主要驱动因子，同时引入CO2和N素影响因子，并分别用指数函数和二次曲线函数来定量描述CO2和N素效应，以调节生育期的长短。通过不同年度试验数据的检验，表明模型对CK及FACE条件下水稻不同生育期天数的预测性能好。不同生育期预测误差的根均方差(RMSE)最大为2.64d，最小只有0.15d，且相关系数均达到了极显著水平。说明FACE水稻生育期模型具有较高的预测性和适用性。 2、研究了开放系统中CO2浓度增高后水稻茎蘖动态的变化过程，结果表明，FACE处理使水稻不同生育时期的茎蘖数显著或极显著增加，茎蘖变化过程呈正反“S”套接型曲线，增加部分也有相同趋势。因此将FACE水稻茎蘖动态分解为3部分，即常规条件下的茎蘖数、FACE处理增加的茎蘖数和基本茎蘖数。基本茎蘖数为一常数，本研究取值72个.m-2。常规条件及FACE处理的茎蘖动态以水稻茎蘖消长动力学模型为基础，引入了4个参数，即常规条件下由水稻品种特性决定的群体茎蘖最大可能发生数量、常规条件下特定水稻品种群体茎蘖最大死亡数量、FACE条件下水稻群体茎蘖潜在增加数量和FACE条件下水稻群体茎蘖潜在死亡数量，同时引入N素影响函数来调节4个参数。模型以时间为驱动因子，描述了水稻茎蘖数随移栽天数的动态变化过程，对常规及CO2浓度增加条件下水稻茎蘖的变化均有很好的拟合性。不同处理预测根均方差(RMSE)最大为44.27个.m-2，最小为13.96个.m-2，且相关系数均达到了极显著水平。通过不同年份试验数据对模型的检验，结果表明模型的预测效果好。 3、研究了开放系统中CO2浓度增高后水稻地上部干物质积累与分配的动态，并构建了相应的模拟模型。模型以移栽后天数为驱动因子，常规条件下水稻地上部干物质积累过程呈典型的“S”型曲线，可以用Logistic方程描述，同时选用对数函数和二次曲线函数来描述CO2和N素效应。地上部各器官的干物质分配通过干物质分配指数进行动态模拟。水稻地上部各器官干物质分配指数可定义为某一时间绿叶、茎鞘(包括黄叶)及穗等的干物质积累量与地上部总干物质积累量的比值，分别用两段函数、Logistic函数等进行表示，其大小也受到CO2浓度及N素水平的影响。模拟的结果表明，随着大气CO2浓度的增加，水稻地上部总干物重显著增加，叶干重分配指数下降，穗干重分配指数基本不变，茎干重分配指数前期增加，后期持平。通过不同年份试验数据对模型的验证，结果表明模型拟合程度高，具有较好的适应性和预测性。 4、研究了开放系统中CO2浓度增高后水稻叶面积指数数(LAI)的变化过程，结果表明，FACE处理使水稻不同生育时期的LAI值增加，且施N量越大效果越显著。模型以叶片比叶重(SLW)为基础，以水稻移栽后天数为驱动因子，确立了LAI随水稻叶片干物重(LDMW)及SLW的动态变化过程。叶片干物重由干物质分配指数方程进行模拟。比叶重是水稻品种的遗传参数，相对比较稳定，受CO2浓度及N素水平的影响较小，可以用改进的Logistic方程表示。模拟结果表明，大气CO2浓度增加后水稻叶片干物重随之增加，而比叶重保持不变，因此LAI相应增加，施N量越大这种趋势越明显。通过不同年度试验数据对模型的验证，结果表明FACE条件下LAI的模拟值与实测值之间的相对误差较小，模型拟合程度高。 5、研究了开放系统中CO2浓度增高后水稻N素吸收利用的动态，结果表明：FACE处理使水稻各生育期N素累积量增加，而使含N率下降；增施N肥使FACE及CK条件下的N素累积量均有不同程度的增加。在此基础上建立了FACE水稻N素动态模型。FACE及CK条件下水稻地上部N素累积量均呈Logistic曲线变化，同时选用对数函数和二次曲线函数来描述CO2和N素效应。水稻植株含N率可以表示为地上部分N素累积量和地上部干物质累积量的比值。模型以时间为驱动因子，描述了水稻N素累积量及含N率随移栽天数的动态变化过程，对CO2浓度增加及常规条件下水稻N素的动态变化均有很好的拟合性。通过不同年度试验数据对模型的检验，结果表明，FACE条件下不同N素处理植株N素累积量的模拟值与实测值之间有很好的一致性，平均相对误差小。含N率模拟值与实测值之间也有较好一致性。

目录

摘要

第1章文献综述

第2章材料与方法

第3章FACE水稻生育期模型

第4章FACE水稻茎蘖动态模型

第5章FACE水稻干物质积累与分配模型

第6章FACE水稻叶面积指数的模拟

第7章FACE水稻氮素动态的模拟研究

第8章综合讨论

致谢

附：在读期间发表的学术论文