水稻植株形態(tài)建成的模擬模型研究.pdf

1、水稻植株生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)模擬，對(duì)實(shí)現(xiàn)水稻生長(zhǎng)的數(shù)字化和可視化表達(dá)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本研究基于水稻生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，以熱時(shí)間為主線，通過連續(xù)觀測(cè)不同氮素和水分水平下不同類型品種水稻地上部器官的形態(tài)特征，綜合研究了不同處理?xiàng)l件下水稻各器官生長(zhǎng)發(fā)育的動(dòng)力學(xué)過程及其受氮素和水分因子的影響，構(gòu)建了水稻植株各器官形態(tài)建成的模擬模型，具有較好的解釋性和預(yù)測(cè)性，從而為進(jìn)一步建立虛擬水稻生長(zhǎng)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。 本研究以不同氮素和水分水平下不同

2、類型水稻品種的兩年田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過連續(xù)觀測(cè)不同處理?xiàng)l件下水稻主莖和分蘗葉片形態(tài)指標(biāo)(包括葉長(zhǎng)、葉寬和葉形)，綜合分析了水稻葉片形態(tài)指標(biāo)隨生育進(jìn)程和環(huán)境條件的變化規(guī)律，并構(gòu)建了水稻葉片生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)模擬模型。水稻葉片的伸長(zhǎng)過程符合S型曲線，采用Logistic方程描述了水稻主莖及分蘗葉片隨生長(zhǎng)度日(GDD)的動(dòng)態(tài)伸長(zhǎng)過程；采用一元二次方程描述了主莖葉長(zhǎng)變化特征，并利用水稻分蘗與主莖同伸葉片葉長(zhǎng)比值的二次曲線關(guān)系描述了分蘗葉長(zhǎng)變化特征；

3、利用二次曲線描述了葉寬隨GDD的動(dòng)態(tài)變化過程；分別用冪函數(shù)和一元二次方程描述了葉形(不同葉長(zhǎng)處的葉寬)的動(dòng)態(tài)變化過程；另外，以葉片含氮量和含水量分別描述了不同水氮水平對(duì)葉片形態(tài)建成過程的影響。然后，利用獨(dú)立的水稻田間試驗(yàn)資料對(duì)所建模型進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)，主莖及分蘗不同GDD時(shí)刻葉長(zhǎng)、最終葉長(zhǎng)的均方根差(RMSE)分別為0.75cm、0.96cm、0.82cm、0.88cm：主莖及分蘗不同葉長(zhǎng)處葉寬預(yù)測(cè)的均方根差分別為0.71cm、0.79

4、cm。 基于不同處理?xiàng)l件下水稻主莖和分蘗不同葉位葉片莖葉夾角和葉曲線特征，通過定量分析水稻葉片夾角的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和葉片的受力模式，建立了水稻莖葉夾角隨生育進(jìn)程和環(huán)境條件的變化的動(dòng)態(tài)模擬模型并推導(dǎo)了葉曲線方程，進(jìn)行了影響系數(shù)的參數(shù)化和方程求解。另外，以葉片含氮量和含水量分別描述了不同水氮水平下夾角變化對(duì)葉曲線變化過程的影響。進(jìn)一步利用三維數(shù)字化儀獲得的獨(dú)立的水稻田間試驗(yàn)資料對(duì)莖葉夾角和葉曲線方程進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明所建方程可以

5、合理而可靠地定量描述水稻葉片夾角和葉曲線特征的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。 通過連續(xù)觀測(cè)不同處理?xiàng)l件下水稻主莖和分蘗不同葉位葉片的SPAD，綜合分析了水稻葉片SPAD隨生育進(jìn)程的變化規(guī)律及其與RGB的關(guān)系，并構(gòu)建了基于SPAD的水稻葉色變化模擬模型。水稻葉片SPAD隨生育進(jìn)程的變化在生長(zhǎng)初期和生長(zhǎng)衰老期符合冪函數(shù)和二次曲線的規(guī)律，葉片功能期SPAD保持均衡，且在不同氮素和水分處理之間均差異明顯。采用分段函數(shù)描述了葉片SPAD隨生育進(jìn)程的動(dòng)態(tài)變

6、化過程，并基于二次曲線方程分別描述了葉片含氮量和含水量對(duì)葉色變化過程的調(diào)控效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了葉片SPAD值與葉色組分(RGB)值的關(guān)系模型。利用獨(dú)立的水稻田間試驗(yàn)資料對(duì)所建模型進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)，顯示主莖不同葉位葉色變化3個(gè)階段模擬值的均方根差分別為2.58、3.69和3.82，4個(gè)分蘗不同葉位葉色變化模擬值的均方根差分別為4.65、4.39、3.51和4.25；SPAD值與葉色組分間模擬值的均方根差分別為2.98和3.25。

7、通過對(duì)不同水分和氮素水平下不同類型水稻品種葉鞘和節(jié)間伸長(zhǎng)過程的連續(xù)觀測(cè)和定量分析，構(gòu)建了水稻主莖和分蘗葉鞘與節(jié)間生長(zhǎng)過程的模擬模型。采用Logistic方程分別描述了主莖和分蘗葉鞘及節(jié)問的動(dòng)態(tài)伸長(zhǎng)過程；基于同伸葉鞘間的關(guān)系用二次曲線描述了分蘗葉鞘長(zhǎng)度的變化；基于節(jié)間長(zhǎng)度與直徑的線性關(guān)系描述了節(jié)間直徑的變化；另外，用葉片含氮量和含水量描述了不同水氮水平對(duì)葉鞘和節(jié)間生長(zhǎng)過程的影響因子。利用獨(dú)立的水稻田間試驗(yàn)資料對(duì)所建模型進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)，主

8、莖和分蘗葉鞘(一級(jí)分蘗和二級(jí)分蘗)模擬值的均方根差(RMSE)分別為0.65cm、0.52cm和0.46cm；節(jié)間長(zhǎng)度和直徑模擬值的均方根差(RMSE)分別為0.42cm、0.15cm。 通過連續(xù)觀察和定量分析不同處理?xiàng)l件下主莖和分蘗稻穗形態(tài)指標(biāo)(包括穗長(zhǎng)、一次枝梗和二次枝梗的長(zhǎng)度與數(shù)量、枝梗上小穗數(shù)、枝梗節(jié)間長(zhǎng)度、小枝梗長(zhǎng)度)隨生育進(jìn)程和環(huán)境因子的變化規(guī)律，構(gòu)建了稻穗生長(zhǎng)特征與形態(tài)建成的動(dòng)態(tài)模擬模型。模型采用Logistic方

9、程描述了水稻主莖及分蘗稻穗穗長(zhǎng)、一次枝梗和二次枝梗長(zhǎng)度隨生長(zhǎng)度日(GDD)的動(dòng)態(tài)伸長(zhǎng)過程；并且利用一次枝梗長(zhǎng)與穗長(zhǎng)比值及二次枝梗長(zhǎng)與一次枝梗長(zhǎng)比值的二次曲線關(guān)系描述了一次枝梗和二次枝梗定長(zhǎng)后的變化特征；用二次曲線方程描述了二次枝梗數(shù)的變化模式；分別用線性方程及二次曲線方程描述了一次枝梗及二次枝梗上小穗數(shù)的變化規(guī)律；最后用冪函數(shù)描述了枝梗節(jié)間長(zhǎng)度的變化特征。同時(shí)，根據(jù)穗軸受力平衡原理，推導(dǎo)了穗軸空間形態(tài)曲線。此外，以稻穗氮素和水分因子分別

10、描述了不同水氮水平對(duì)稻穗形態(tài)建成過程的定量影響。進(jìn)一步利用獨(dú)立的水稻試驗(yàn)資料對(duì)所建模型進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)，主莖和分蘗穗長(zhǎng)、二次枝梗總數(shù)、二次枝梗上小穗數(shù)、枝梗節(jié)間長(zhǎng)度的均方根差(RMSE)分別為0.68cm、0.60、1.18、0.81cm。 通過定量分析不同處理下水稻冠層形態(tài)指標(biāo)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，構(gòu)建了普適性的水稻冠層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。水稻冠層結(jié)構(gòu)的變化過程符合S型曲線，且在不同氮素和水分水平之間差異明顯?？梢圆捎肔ogistic曲線

11、模擬器官伸長(zhǎng)過程，并結(jié)合葉齡與GDD的關(guān)系，確定各器官的初始仲長(zhǎng)時(shí)間和最終所需生長(zhǎng)時(shí)間，形成水稻植株冠層生長(zhǎng)模型。同時(shí)，可以節(jié)間及其著生葉或穗為單位，將水稻植株分解成若干生長(zhǎng)單元，來描述水稻植株的冠層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用不同水稻品種的田間試驗(yàn)資料對(duì)所建模型進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)，顯示不同時(shí)刻預(yù)測(cè)值的均方根差(RMSE)為11.6cm。通過對(duì)不同水稻品種和水氮處理?xiàng)l件下主莖和分蘗單位葉片、莖鞘、稻穗的連續(xù)取樣觀測(cè)和定量分析，構(gòu)建了水稻各單位器官干物質(zhì)

12、分配指數(shù)的動(dòng)態(tài)模擬模型，并進(jìn)一步通過模擬單張葉片比葉重求出單張葉片的葉面積。模型采用線性方程和指數(shù)方程描述了葉片、莖鞘及用指數(shù)方程描述了稻穗單位器官分配指數(shù)隨GDD的動(dòng)態(tài)變化過程；分別用指數(shù)方程描述了葉片、莖鞘及用一元二次方程描述了稻穗最大單位分配指數(shù)隨不同葉位、鞘位、主莖和分蘗稻穗穗位的動(dòng)態(tài)變化過程；采用一元二次方程描述了水稻主莖及分蘗單位葉片比葉重、莖鞘干重及用冪函數(shù)描述了稻穗干重隨生長(zhǎng)度日(GDD)的動(dòng)態(tài)變化過程；另外，以葉片、莖