棉花冠层叶面积的动态模拟

棉花冠层叶面积的动态模拟 2007年6月农业机械第38卷第6期 棉花冠层叶面积的动态模拟* 张军王一鸣毛文华董乔雪赵燕东 【摘要】根据试验资料,在系统 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 棉花冠层叶面积时空分布规律的基础上,充分考虑叶面积空间垂直分布 的异质性,以生育期内累积的每日相对热效应为预报因子,构建了棉花叶面积垂直分布和叶面积指数的动态模拟 模型.利用不同年份不同播期的试验资料对模型进行了验证,累积叶面积指数L()的模拟结果与1:1直线之间的 R和均方根误差分别为0.969和0.257,叶面积指数的模拟结果与1:1直线之间的R和均方根误差分别为 0.936和0.305.结果说明模型具有较好的预测性和实用性.模型的模拟结果可作为冠层结构参数,用于冠层辐射 传输模型和光合作用模型. 关键词:棉花叶面积垂直分布叶面积指数动态模拟 中图分类号:$562;$314文献标识码:A DynamicSimulationofLeafAreainCottonCanopy , ZhangJunWangYimingMaoWenhuaDongQiaoxueZhaoYandong. (1.ChinaAgriculturalUniversity2.ChineseAcademyofAgriculturalMechanizationScien ces 3.BeijingForestryUniversity) Abstract Onthebasisofanalyzingthetemporalandspatialdistributionofleafareaincottoncanopy, adynamicsimulationmodeloflearareaverticaldistributionandlearareaindexincottoncano py weredevelopedbyusingthecumulativerelativethermaleffectiveness.Themodelwasvalidated bytheexperimentaldataofdifferentsowingdatesanddifferentyears.Thecoefficientof determination(R)basedonthe1:1lineandtherootmeansquareerrorbetweensimulatedand measuredL(2)were0.969and0.257respectively.Thecoefficientofdetermination(R)based onthe1:1lineandtherootmeansquareerrorbetweensimulatedandmeasuredLAwere0.936 and0.305respectively.Itprovedthatsimulationresultsofthemodelcameveryclosetothe actualvalues.Thesimulationresultscouldbecoupledintotheradiationtransfermodeland photosynthesismodelofcotton. KeywordsCotton,Leafareaverticaldistribution,Leafareaindex,Dynamicsimulation 引言 作物冠层结构不仅直接影响着太阳光的截获 量,而且通过影响冠层内水,热,气等微环境最终影 响着群体的光合效率和作物产量,因而长期以来受 到很多研究者的重视?.冠层叶面积密度U(z),累 积叶面积指数L(z)以及叶面积指数(1eafarea index)Lar是表征冠层结构特性的重要参数.冠层叶 面积密度U(z)(m/m.)指不同高度处单位空间体 积中所含的叶面积数量,累积叶面积指数(z)是指 收稿日期:2006—02,22 *国家自然科学基金资助项目(项目编号:60073007)和国家"863"高技术研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 资助项目(项目编号:2003AA209020) 张军中国农业大学信息与电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院博士讲师(北京联合大学),100083北京市 王一鸣中国农业大学信息与电气工程学院教授博士生导师 毛文华中国农业机械化科学研究院高级工程师博士,100083北京市 董乔雪中国农业大学信息与电气工程学院讲师博士 赵燕东北京林业大学工学院副教授博士,100083北京市 农业机械 植物群体顶面向下到某一高度z的叶层内叶面积累 积值[2]."(z)和L(z)表征了冠层中叶面积的垂直分 布.传统的基于过程的作物模型仅模拟叶面积指数 L而通常不考虑叶面积的垂直分布[3q].国外对 叶面积垂直分布的动态模拟有较多研究[8叫,但这 些模拟用统计插值法得到每日的冠层结构参数,没 有结合实际的气候和环境因子,经验性太强.国内目 前虽然对冠层中叶面积的垂直分布有一些研 究[1.叫,但大多是以某个生育阶段作为研究对象, 没有进行整个生育期的动态模拟. 本研究借鉴国外研究者对叶面积垂直分布的研 究方法,并根据试验资料,以生育期内累积的每13相 对热效应(relativethermaleffectiveness,简称 RTE)为预报因子,构建棉花叶面积垂直分布和叶 面积指数的动态模拟模型,并利用不同年份不同播 期的试验资料对模型进行验证. 1 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与方法 试验于2004~2005年在中国农业科学院河北 廊坊科技园区(39.4N,116.4E)进行.材料为中早熟 棉冀棉25.2004年4月20日,5月10日分两个播 期露地直播,2005年4月2513露地直播.小区面积 均为130m,行距0.8m,株距0.2m.试验地土质 为壤土,土壤有机质1.23,碱解氮69mg/kg,速 效磷27mg/kg,有效钾265mg/kg.大田常规高产 管理,全年无水分和养分胁迫.出苗期到现蕾期,每 10d测量80株棉株的株高;每个测量日,选取不同 高度级别的10株进行破坏性测量:将每株高度等分 为5层,用CI一202型便携式叶面积仪测定每层的 叶面积.现蕾之后,每10d测量80株棉株的株高; 每个测量13,选取不同高度级别的10株进行破坏性 测量:将每株高度等分为10层,用CI一202型便携 式叶面积仪测定每层的叶面积.气象资料来源于设 置于试验田的气象观测站. 应用2004年播期为4月20日的棉花试验资料 进行模型构建和参数估计.应用2004年播期为5月 10日和2005年播期为4月25日的试验资料对模 型进行检验.利用均方根误差RMSE对模型的符合 度进行统计检验.采用SPSS统计软件分析试验数 据,Matlab6.5用于计算和建模. 2模型的描述 作物株高和叶面积的增长受品种和环境等内外 因素的共同调控.在外因中温度起主要作用.温度 对作物生长发育的影响可用每日相对热效应来量 化,指的是作物在实际温度条件下生长一天与作物 在最适温度条件下生长一天的比例[I引.71.为发育的 最适温度;71为发育的下限温度,低于此温度,棉花 发育速度为零;71为发育的上限温度,超过这一温 度,棉花停止生长.通常对于棉花作物,出苗后71.为 30C,Tb为12C,T为35C[1.每小时相对热效应 ~DRTE与温度71的关系可表示为 TE(丁)一 (71<Tb) 71一Tb)/(71.一Tb)(71.?T?71b) 71一T)/(71一T.)(71?T>T.) (71>T) (1) 假设一天温度变化的综合效应由50的平均 温度71和25的最高温度71,25的最低温度 71组成,则每日相对热效应可表示为[1.] RTE一0.25(2.09RTE(71)+9RTE(71一)+9RTE(71)) (2) 用出苗期后积累的每日相对热效应作为预报因 子,记为t一?RTE(rt为出苗后的天数),对棉花一 1 整个生育期的叶面积垂直分布和叶面积指数进行了 模拟.2004年播期为4月20日的棉花试验资料用 于模型的构建和参数估计. 2.1主茎高度的概率密度函数动态模拟 根据试验资料,主茎高度z(m)的分布符合正 态分布,其分布的概率密度函数可用均值和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差来表示 二 厂一 在生长期间均值和标准差是变化的,可描述为 t的函数,记为 . (f)一o.4×lO_4t+1.7×lOt+ 3.8×lO(尺一0.98)(4) (f)一1.8×10-3t一1.1×10(尺一0.97) (5) 大田常规管理通常在7月中下旬对棉株打顶, 所以式(4),(5)适用于打顶之前,打顶之后株高的 均值和标准差不再变化.这样,第一步就可以估计出 生育期内任一天的主茎高度分布函数. 2.2单株叶面积和主茎高度之间的相关关系模拟 对于棉花植株,单株叶面积S(m)和主茎高 度.Zp(m)之间的相关关系为 p(p)一02c(6) C.和C是经验参数,能很好地描述和z的 相关性.在生育期间,C.和C是变化的,可表达为t 的线性函数和多项式函数 ,????????/,?????l 第6期张军等:棉花冠层叶面积的动态模拟 C0(f)一一4.6×10--3t+0.6215(尺一0.98) (7) C(f)一1.6×10-3t一0.178t+5.3251 (尺一0.96)(8) 根据式(6),(8),可计算出生育期内任一天株 高为的单株叶面积. 2.3叶面积垂直分布形状函数的模拟 垂直分布形状函数(),也称标准化叶面 积密度函数(normalizedleafareadensity function),指相对高度处的叶面积密度函数和平 均叶面积密度之比[2妇 (2)一S(2)(9) P 其中2=z/z 式中S()——单株叶面积的垂直分布函数,m/m 由于Beta分布的概率密度函数曲线随参数, 的不同可得到不同的形状,用Beta分布概率密度 函数来模拟叶面积垂直分布形状函数()为 S*)一 I2一?(1—2)一dz J0 (2?(0,1))(10) 参数,能很好地描述叶面积垂直分布形状函 数和主茎相对高度的关系.在生长期间,参数,是 变化的,可分别表达为t的线性函数和幂函数 a(t)一6.74×10-2t一5.5×10(尺一0.97) (11) fl(t)一0.3723t..(尺一0.94)(12) 根据式(10),(12),可得到生育期内任一天叶 面积垂直分布形状函数. 2.4冠层垂直叶面积密度,累积叶面积指数和叶面 积指数的模拟 考虑冠层在高度的厚度为Az一层,这一层 的总叶面积是由?的各个单株的叶面积构成 的.一个高度Zp?的单株对?层贡献的叶面积为 S*(*),所有?的植株对A层的叶面 ,P 积贡献为Npf(Zp)S*(*)?,其中N为棉 株的密度(株/m). 最终,冠层叶面积密度"(,t)为 )一rNp厂(Zp)) (13) 其中是冠层顶部的高度,可表示为 Zu(f)=/1(f)+2a(f)(14) 由于叶片的老化和死亡,冠层底部的高度随时 间单调上升,可拟合为t的函数 2L(f)一6×10一t+8×10-4t一1.09×10 (尺一0.97)(15) 冠层累积叶面积指数L(z),叶面积指数,可 通过"(2,t)对2积分得到. 3模型的检验和结果分析 采用检验模型常用的均方根误差eRM对模拟 值和实测值之间的符合度进行统计分析,其计算公 式为 (16) 式中-z——实测值Y——模型模拟值 —— 样本容量 —— 实测值和模拟值的样本序号 利用2004年播期为5月10日和2005年播期 为4月25日的试验数据对模型进行验证.图1,2 是2005年7月20日冠层不同高度的叶面积密度 "(),累积叶面积指数()的模拟值和实测值的 比较.叶面积密度"()的模拟值和实测值的均方根 误差为0.247(m/m.),累积叶面积指数L(2)的模 拟值和实测值的均方根误差为0.261. 冠层累积叶向积指数 图2累积叶面积指数的垂直分布 Fig.2Verticaldistributionofdownwardcumulative ? leafareaindex 图3是2004和2005年两个验证试验的整个 生育期,不同高度层的累积叶面积指数L()的模 拟值和实测值的比较,模拟结果与1:1直线之间的 12O农业机械2007芷 R和均方根误差分别为0.969和0.257;图4是 2004和2005年两个验证试验叶面积指数的模拟值 和实测值的比较,模拟结果与1:1直线之间的R 图3 Fig.3 4 3 里 墓2 嘴 薹 0 实测的累积叶面积指数 累积叶面积指数的模拟值与实测值的比较 Comparisonbetweensimulatedandmeasured downwardcumulativeleafareaindex 恒 ' g 实测的叶面积指数 图4叶面积指数的模拟值与实测值的比较 F.4Comparisonbetweensimulatedandmeasured^, . 4 5 和均方根误差分别为0.936和0.305.结果表明模 拟精度达到较高水平,模型具有较好的预测性. 4结束语 提供了一种以生育期内累积的每日相对热效应 为预报因子来模拟棉花叶面积垂直分布和叶面积指 数的数学模型.累积的每日相对热效应将棉花作物 生长的三基点温度考虑进来,较充分地量化了适温 范围以外的不利效应;群体内株高用随机分布模拟, 能够反映个体发育的不均匀,比用平均单株模拟群 体更符合棉花大田实际生长情况;模型中充分考虑 叶面积空间垂直分布的异质性,能模拟生育期内任 一 天冠层不同高度的叶面积密度U(z),累积叶面积 指数L(z)和叶面积指数L.将本方法应用于不同 播期不同年份的棉花叶面积垂直分布和叶面积指数 的动态模拟,结果表明模拟值与观测值吻合度较好, 模型具有较强的机理性和实用性.本模型的模拟结 果,可作为冠层分层辐射传输模型和光合作用模型 的输入参数.由于资料的限制,对该模型仅进行了有 限的测试和验证,因此其适用性还有待于在更大范 围内进一步评价和完善. 参考文献 吕新,李振河,李少昆,等.北疆高产棉田冠层结构特性初探[J].新疆农业大学,1997,20(4):29,31. 赵春江.数字农业信息标准研究——作物卷[M].北京:中国农业出版社,2004. 潘学标,韩湘玲.棉花生长发育模拟模型COTGROW的建立:?发育与形态发生[J].棉花,1999,11(4):174, 181. 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