三維根系功能-結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建與根區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)的模擬.pdf

1、根系生長(zhǎng)于土壤中，再加上其結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性，使得對(duì)根系的直接觀測(cè)研究十分困難，而借助模型研究根系具有多方面啟發(fā)性和預(yù)見(jiàn)性。根系功能-結(jié)構(gòu)模型通過(guò)模擬根系的結(jié)構(gòu)發(fā)生、生理生態(tài)過(guò)程以及根系與土壤環(huán)境之間的相互作用，從而精確地模擬根系在土壤空間的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，并以可視化的方式反映植物根系各組成部分的生長(zhǎng)以及植物-土壤相互作用的規(guī)律。本文的主要研究目的是構(gòu)建根系的功能-結(jié)構(gòu)模型，并初步與土壤水分動(dòng)態(tài)模擬相結(jié)合。主要研究?jī)?nèi)容如下： 1．根

2、系功能-結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建以有效積溫時(shí)間間隔作為標(biāo)準(zhǔn)，定義了根系生長(zhǎng)發(fā)育的結(jié)構(gòu)單元-根元；采用雙尺度自動(dòng)機(jī)模型描述了根系的結(jié)構(gòu)；采用GREENLAB植物功能-結(jié)構(gòu)模型中處理生物量分配的方式，通過(guò)模擬不同根元個(gè)體(庫(kù))對(duì)植物地上部分配給根系的生物量(源)的競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)生物量在根系中的分配；采用異速生長(zhǎng)相關(guān)關(guān)系實(shí)現(xiàn)了根個(gè)體幾何結(jié)構(gòu)的計(jì)算，從而以周期為時(shí)間尺度模擬了根系生長(zhǎng)發(fā)育的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 2．根系空間生長(zhǎng)與分布的模擬空間生長(zhǎng)取決于組成根系的

3、每個(gè)根元。均質(zhì)土壤條件下，根元的始點(diǎn)通過(guò)其父根元決定，根元的生長(zhǎng)方向由根元的父根元生長(zhǎng)方向、根元生長(zhǎng)的向性、隨機(jī)性因素共同決定，根元長(zhǎng)度由根元的幾何結(jié)構(gòu)決定，采用空間向量運(yùn)算方法計(jì)算得到根元的終點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)根系空間生長(zhǎng)的模擬。以VOXel元標(biāo)定根系生長(zhǎng)區(qū)域，采用空間碰撞檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)根元占據(jù)Voxel元的過(guò)程，統(tǒng)計(jì)各Voxel元中根系的分布，從而實(shí)現(xiàn)根系在土壤空間分布的定量化動(dòng)態(tài)模擬。 3．模型的參數(shù)化、初步評(píng)價(jià)與模擬分析通過(guò)室內(nèi)

4、盆栽試驗(yàn)對(duì)小麥苗期根系結(jié)構(gòu)與生物量進(jìn)行了測(cè)定，獲取了模型參數(shù)，進(jìn)行了小麥與期根系結(jié)構(gòu)與生物量分配的模擬與分析，并進(jìn)行了模型參數(shù)靈敏性分析。結(jié)果表明，模型結(jié)構(gòu)處理，對(duì)參數(shù)的變化反應(yīng)適中。由室內(nèi)玉米盆栽試驗(yàn)、文獻(xiàn)資料以及部分設(shè)定的參數(shù)，模擬了玉米根系與棉花根系在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)的個(gè)體發(fā)生、結(jié)構(gòu)變化、生物量分配以及空間分布動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程。 4．根系生長(zhǎng)與土壤水分運(yùn)動(dòng)相互作用的動(dòng)態(tài)模擬采用三維水動(dòng)力學(xué)模型，模擬了了土壤空間含水量的動(dòng)態(tài)分布過(guò)程

5、；采用交替方向的隱格式采取了水分運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值解；以根系吸水函數(shù)作為Rchards方程的匯項(xiàng)，模擬了根區(qū)土壤水分動(dòng)與分布：在Voxel元上，采用空間碰撞檢測(cè)方法獲取每個(gè)根元生長(zhǎng)區(qū)域的土壤含水量，采用電學(xué)阻力模擬法，實(shí)現(xiàn)了土壤含水量對(duì)根元庫(kù)強(qiáng)的動(dòng)態(tài)校正、對(duì)根元生長(zhǎng)方向的校正，從而模擬了土壤水分對(duì)根系空間生長(zhǎng)的影響。 5．系統(tǒng)模擬軟件的實(shí)現(xiàn)在Windows操作系統(tǒng)下，采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言Visual C++實(shí)現(xiàn)了根系生長(zhǎng)發(fā)育、空間