[发明专利]基于三维数字化虚拟植物的冠层整体光合和蒸腾建模方法

摘要

本发明公开了一种基于三维数字化虚拟植物的冠层整体光合和蒸腾建模方法，基于田间三维数字化重建的冠层三维虚拟植物，结合田间单叶水平叶片生理功能、光环境及氮含量的测定及相关模型的建立；通过耦合光辐射模型、能量传输模型及光合、气孔导度模型计算冠层整体光合量和蒸腾量，实现在小范围破环性采样基础上冠层功能的精确模拟。本发明可精确描述冠层叶片的空间分布，也可模拟冠层空间内部的辐射平衡；满足对果树等高大植物在复杂环境及复杂冠层条件下冠层整体叶片功能的计算，不仅使得果树树形整体生理功能评价变得简单、科学、费用减少；通过修改树体冠层结构、枝类分布及数量，为果树精准修剪、树体结构优化及树形设计提供了精准的平台。

主权项

一种基于三维数字化虚拟植物的冠层整体光合和蒸腾建模方法，其特征在于，所述基于三维数字化虚拟植物的冠层整体光合和蒸腾建模方法基于田间三维数字化重建的冠层三维虚拟植物，结合田间单叶水平叶片生理功能、光环境及氮含量的测定及相关模型的建立；通过耦合光辐射模型、能量传输模型及光合、气孔导度模型计算冠层整体光合量和蒸腾量，实现在小范围破环性采样基础上冠层功能的精确模拟；所述田间单叶水平叶片生理功能的模型包括：拟合相对气孔导度对PAR、T、VPD的响应模型：gs/gsmax＝(aPAR+b)/(cPAR+d)gs/gsmax＝aT2+bT+cgs/gmax＝aVPD+b其中gs/gsmax为相对气孔导度，a、b、c和d为模型参数，利用最小二乘法进行模型拟合；气孔导度模型：gs＝gsmaxf(PAR)f(T)f(VPD)f(CO2)f(ψ)；所述氮含量的测定的相关模型包括：叶片最大气孔导度预测模型：gsmax＝aNa+b，Na为叶片叶面积含氮量，a、b为模型参数；叶片光合模型参数预测模型：Vcmax＝aNa+b，Jmax＝aNa+b，其中Na为叶片面积含氮量，a、b为模型参数；叶片呼吸预测模型：Rd＝aNa+b，其中Na为叶片面积含氮量，a、b为模型参数；叶片面积含氮量的预测模型：Na＝a+bPARd，其中Na为叶片面积含氮量，PARd为叶片日累积光合有效辐射，a、b为模型参数；所述能量传输模型为：冠层内部能量流动遵循Q＝H+E，其中Q为净辐射能量，H为显热能，E为潜热，H和E的计算如下：H＝ρCpgb(Tsun‑Tair)E＝ρCpγgw(esun‑eair)其中ρ为空气密度(Kg m‑3),Cp为空气热容，gb为叶片边界导度(m s‑1)，Tsun为叶片温度，Tair为空气温度，γ为湿度常数(Pa K‑1)，gw为叶片导度，esun为温度为Tsun时叶片的饱和水汽压，eair为空气的水汽压，其中gb为基于风速的预测函数，gb＝aUair+b,其中a、b为模型参数，Uair为风速，而U的计算基于风速在冠层内部穿过的距离，U＝(a+bL)Uair，其中a、b为模型参数，Uair为大气风速；gw的计算基于叶片边界导度与气孔导度，gw＝(gb‑1+gs‑1)‑1，gs为叶片气孔导度；所述光合模型如下：A=(1-0.5OCi)min{AC,Aj}-Rd]]>AC=VCmaxCiCi+KC(1+o/Ko)]]>Aj=JCi4(Ci+o/τ)]]>J=αI(1+α2I2Jmax2)1/2]]>其中Kc与Ko为羧化反应与氧化反应的米氏常数，Kc取值47.63Pa，Ko取值46208Pa；Ci为胞间CO2浓度，I为光合有效辐射，α＝0.24，O为叶绿体氧气分压，取值20984Pa，τ为Rubisco特异因子，取值1906.2Pa。