生理生态模型

人气 1288   2005-4-27 10:10

农业生产从根本上来说,是植物利用太阳光能、二氧化碳和水,通过光合作用,将光能转换为化学能,制造有机物的过程。因此,人们从能量转换的角度出发,研制出一些考虑植物生理生态特性的机理或半机理性的生产潜力估算模型。

1.筑后模型 筑后模型从植物生理、生态原理出发,推导出估算植物气候生产力的数学模型。在大范围应用时,又结合数学相关方法,建立了一个半理论、半经验性的模型[193。

从植物生物量形成与总辐射、蒸腾量的关系入手,得到土壤水分供给充足、植物生长茂盛情况下的植物群体的最大净第一性生产量

ao为CO2通量对干物质产量换算系数;a1、b1分别为月平均对白天平均值的比例常数;月为由gH2O/(cm2•a)到tH2O/(hm2•a)的转换因子;rc、r′c分别为植物群体对水汽和CO2乱流的输送阻抗;rs,w和rs,c为叶片对水汽和CO2的平均气孔阻抗;ca、ci分别为群体参照高度和群体内叶气孔CO2浓度;l为水的蒸发潜热;bo=0.622p邝;P为空气密度;P为气压;e1和ea为植物内Zc高度和参考高度ZR的水汽压;d为群体内外水汽压差,可用饱和差代替;β为波恩比,——表示年平均值。

可以看出,植物气候生产力的大小与净辐射(Rn)成正比,与表征气候干燥程度的d和β成反比。尽管上式物理意义明确,但若估算大范围或任意地区的植物气候生产力,则很难得到式中一些参数。因此,内屿以上式为基础,结合植物千物质产量和环境气候因子之间的关系,得到筑后模型。他利用世界各地的自然植被第一性生产量和气象资料,计算出净辐射和辐射干燥度。然后将辐射干燥度按0.2间隔分成许多组,以组为单位,得出了植物气候生产力与净辐射之间的正比关系:

RDI为辐射干燥度,RDI=Rn/lr,Rn为净辐射,l为水的蒸发潜热,r为年降水量。

由于筑后模型建立在生理、生态学基础之上,考虑到了主要气候因子对生物量的综合影响,因而估算的植被气候生产力一般与自然条件比较吻合。

根据中国学者用筑后模型的计算结果,中国热带地区植物气候生产力为18~23t/(hm2•a),亚热带地区10~18t/(hm2•a),温带地区较少,约4~10t/(hm2•a)。西部半干旱、干旱地区降水少,蒸发力大,植物气候生产力仅0~5t/(hm2•a)。青藏高原由东南部的8t/(hm2•a)往西北递减直至无植被(19)。

2,FAO农业生态地区法 FAO关于作物产量与水的关系研究指出,作物的最高产量是指在实际耕作条件下,作物和水的管理达到高水平时获得的产量。它首先取决于作物的遗传特性和对主要环境的适应程度。其中决定最高产量的气候因素是温度、辐射和生长季长度。可以根据各地的气候资料,用瓦赫宁根法和农业生态地区法计算出最高产量。中国使用较多的是FAO农业生态地区法[21]。其计算公式如下:

式中 Ym为FAO给出的一定作物种类、一定温度下的最大干物质总生产率(表略);F为一天中阴天所占的比例,F=(Rse-0.5Rs)/0.8Rse,Rse为晴天最大入射有效短波辐射,Rs为实测入射短波辐射;yo、yc分别为一定地点全阴天和全晴天的干物质总生产率(FAO给出各纬度、各月值,具体地点可内插);CL为作物生长和叶面积订正,LAI≥5时CL=0.5,低于5时订正;CN为呼吸消耗订正,冷凉气候为0.6,暖气候取0.5;CH为收获指数;G为生育期天数。按上式得到的是由辐射和温度决定的最高产量。

中国研究者在应用上式计算黄淮海地区冬小麦、夏玉米生产力时,根据试验资料,对最大干物质生产率Ym及CL、CN进行了修正。考虑到光合作用只在白天进行,在计算yln时不用日平均温度,而是选取了白天温度,这样更加合理、科学。在得出最高产量后,利用相对蒸散进行了水分订正。此外,还根据土壤质地、土层密度等因素进行土壤订正,得到作物的光温水土生产力[22]。

中国土地资源生产能力及人口承载量研究,根据FAO农业生态地区法计算了灌溉地的粮食最大产量。并利用FAO水分订正系数得到旱地理想产量。在此基础上,框算各地在一定粮食消费水平下的人口承载量极限,揭示区域生产潜力的差异,从而为国民经济发

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