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水稻植株形态建成的模拟模型研究

作　者: 常丽英
导　师: 曹卫星
学　校: 南京农业大学
专　业: 作物栽培学与耕作学
关键词: 水稻叶长叶宽叶形茎叶夹角叶曲线叶色 SPAD RGB 叶鞘节间穗长一次枝梗二次枝梗小穗数冠层拓扑结构干物质分配比叶重单位分配指数形态模型模拟模型虚拟作物
分类号: S511
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

水稻植株生长过程的动态模拟，对实现水稻生长的数字化和可视化表达具有重要的理论意义和应用价值。本研究基于水稻生长发育规律，以热时间为主线，通过连续观测不同氮素和水分水平下不同类型品种水稻地上部器官的形态特征，综合研究了不同处理条件下水稻各器官生长发育的动力学过程及其受氮素和水分因子的影响，构建了水稻植株各器官形态建成的模拟模型，具有较好的解释性和预测性，从而为进一步建立虚拟水稻生长系统奠定了基础。本研究以不同氮素和水分水平下不同类型水稻品种的两年田间试验为基础，通过连续观测不同处理条件下水稻主茎和分蘖叶片形态指标(包括叶长、叶宽和叶形)，综合分析了水稻叶片形态指标随生育进程和环境条件的变化规律，并构建了水稻叶片生长过程的动态模拟模型。水稻叶片的伸长过程符合S型曲线，采用Logistic方程描述了水稻主茎及分蘖叶片随生长度日(GDD)的动态伸长过程；采用一元二次方程描述了主茎叶长变化特征，并利用水稻分蘖与主茎同伸叶片叶长比值的二次曲线关系描述了分蘖叶长变化特征；利用二次曲线描述了叶宽随GDD的动态变化过程；分别用幂函数和一元二次方程描述了叶形(不同叶长处的叶宽)的动态变化过程；另外，以叶片含氮量和含水量分别描述了不同水氮水平对叶片形态建成过程的影响。然后，利用独立的水稻田间试验资料对所建模型进行了测试和检验，主茎及分蘖不同GDD时刻叶长、最终叶长的均方根差(RMSE)分别为0.75cm、0.96cm、0.82cm、0.88cm；主茎及分蘖不同叶长处叶宽预测的均方根差分别为0.71cm、0.79cm。基于不同处理条件下水稻主茎和分蘖不同叶位叶片茎叶夹角和叶曲线特征，通过定量分析水稻叶片夹角的动态变化规律和叶片的受力模式，建立了水稻茎叶夹角随生育进程和环境条件的变化的动态模拟模型并推导了叶曲线方程，进行了影响系数的参数化和方程求解。另外，以叶片含氮量和含水量分别描述了不同水氮水平下夹角变化对叶曲线变化过程的影响。进一步利用三维数字化仪获得的独立的水稻田间试验资料对茎叶夹角和叶曲线方程进行了模拟分析，结果表明所建方程可以合理而可靠地定量描述水稻叶片夹角和叶曲线特征的动态变化规律。通过连续观测不同处理条件下水稻主茎和分蘖不同叶位叶片的SPAD，综合分析了水稻叶片SPAD随生育进程的变化规律及其与RGB的关系，并构建了基于SPAD的水稻叶色变化模拟模型。水稻叶片SPAD随生育进程的变化在生长初期和生长衰老期符合幂函数和二次曲线的规律，叶片功能期SPAD保持均衡，且在不同氮素和水分处理之间均差异明显。采用分段函数描述了叶片SPAD随生育进程的动态变化过程，并基于二次曲线方程分别描述了叶片含氮量和含水量对叶色变化过程的调控效应。在此基础上，进一步建立了叶片SPAD值与叶色组分(RGB)值的关系模型。利用独立的水稻田问试验资料对所建模型进行了测试和检验，显示主茎不同叶位叶色变化3个阶段模拟值的均方根差分别为2.58、3.69和3.82，4个分蘖不同叶位叶色变化模拟值的均方根差分别为4.65、4.39、3.51和4.25；SPAD值与叶色组分间模拟值的均方根差分别为2.98和3.25。通过对不同水分和氮素水平下不同类型水稻品种叶鞘和节间伸长过程的连续观测和定量分析，构建了水稻主茎和分蘖叶鞘与节间生长过程的模拟模型。采用Logistic方程分别描述了主茎和分蘖叶鞘及节间的动态伸长过程；基于同伸叶鞘间的关系用二次曲线描述了分蘖叶鞘长度的变化；基于节间长度与直径的线性关系描述了节间直径的变化；另外，用叶片含氮量和含水量描述了不同水氮水平对叶鞘和节间生长过程的影响因子。利用独立的水稻田间试验资料对所建模型进行了测试和检验，主茎和分蘖叶鞘(一级分蘖和二级分蘖)模拟值的均方根差(RMSE)分别为0.65cm、0.52cm和0.46cm；节间长度和直径模拟值的均方根差(RMSE)分别为0.42cm、0.15cm。通过连续观察和定量分析不同处理条件下主茎和分蘖稻穗形态指标(包括穗长、一次枝梗和二次枝梗的长度与数量、枝梗上小穗数、枝梗节间长度、小枝梗长度)随生育进程和环境因子的变化规律，构建了稻穗生长特征与形态建成的动态模拟模型。模型采用Logistic方程描述了水稻主茎及分蘖稻穗穗长、一次枝梗和二次枝梗长度随生长度日(GDD)的动态伸长过程；并且利用一次枝梗长与穗长比值及二次枝梗长与一次枝梗长比值的二次曲线关系描述了一次枝梗和二次枝梗定长后的变化特征；用二次曲线方程描述了二次枝梗数的变化模式；分别用线性方程及二次曲线方程描述了一次枝梗及二次枝梗上小穗数的变化规律；最后用幂函数描述了枝梗节间长度的变化特征。同时，根据穗轴受力平衡原理，推导了穗轴空间形态曲线。此外，以稻穗氮素和水分因子分别描述了不同水氮水平对稻穗形态建成过程的定量影响。进一步利用独立的水稻试验资料对所建模型进行了测试和检验，主茎和分蘖穗长、二次枝梗总数、二次枝梗上小穗数、枝梗节间长度的均方根差(RMSE)分别为0.68cm、0.60、1.18、0.81cm。通过定量分析不同处理下水稻冠层形态指标之间的动态关系，构建了普适性的水稻冠层拓扑结构模型。水稻冠层结构的变化过程符合S型曲线，且在不同氮素和水分水平之间差异明显。可以采用Logistic曲线模拟器官伸长过程，并结合叶龄与GDD的关系，确定各器官的初始伸长时间和最终所需生长时间，形成水稻植株冠层生长模型。同时，可以节间及其着生叶或穗为单位，将水稻植株分解成若干生长单元，来描述水稻植株的冠层拓扑结构。利用不同水稻品种的田间试验资料对所建模型进行了测试和检验，显示不同时刻预测值的均方根差(RMSE)为11.6cm。通过对不同水稻品种和水氮处理条件下主茎和分蘖单位叶片、茎鞘、稻穗的连续取样观测和定量分析，构建了水稻各单位器官干物质分配指数的动态模拟模型，并进一步通过模拟单张叶片比叶重求出单张叶片的叶面积。模型采用线性方程和指数方程描述了叶片、茎鞘及用指数方程描述了稻穗单位器官分配指数随GDD的动态变化过程；分别用指数方程描述了叶片、茎鞘及用一元二次方程描述了稻穗最大单位分配指数随不同叶位、鞘位、主茎和分蘖稻穗穗位的动态变化过程；采用一元二次方程描述了水稻主茎及分蘖单位叶片比叶重、茎鞘干重及用幂函数描述了稻穗干重随生长度日(GDD)的动态变化过程；另外，以叶片、茎鞘、稻穗氮素和水分因子分别描述了不同水氮水平对各单位器官干物质分配过程的定量影响。利用独立的水稻田间试验资料对所建模型进行了测试和检验，主茎与分蘖各单位器官干物重的均方根差分别为0.087，0.073，0.53。

全文目录

摘要  7-10
ABSTRACT  10-14
第一章文献综述与研究目的  14-26
  1 虚拟现实技术和虚拟农业  14-15
  2 虚拟作物及其研究意义  15
  3 国内外虚拟作物模型的研究现状  15-18
    3.1 生理生态过程的模拟  15-16
    3.2 形态结构的模拟  16-18
    3.3 生理生态过程与形态结构的耦合  18
  4 水稻生长模拟研究现状  18-19
  5 本研究的目的与意义  19-20
  参考文献  20-26
第二章研究思路与方法  26-33
  1 研究思路与技术路线  26-27
  2 资料来源  27-31
    2.1 田间试验  27-29
    2.2 数据获取及主要测定内容  29-31
  3 模型的建立与检验  31-32
    3.1 模型构建步骤  31
    3.2 模型构建方法  31
    3.3 模型检验方法  31-32
  参考文献  32-33
第三章水稻叶片生长动态的模拟研究  33-48
  1 材料与方法  34
    1.1 试验设计  34
    1.2 观测方法  34
  2 结果与分析  34-43
    2.1 模型的描述  34-41
    2.2 模型的检验  41-43
  3 结论与讨论  43-45
  参考文献  45-48
第四章水稻茎叶夹角与叶曲线特征的定量模拟  48-59
  1 材料与方法  49
    1.1 试验设计  49
    1.2 观测方法  49
  2 结果与分析  49-56
    2.1 模型的描述  49-56
  3 结论与讨论  56
  参考文献  56-59
第五章基于SPAD的水稻叶色模拟模型  59-71
  1 材料与方法  60
    1.1 试验设计  60
    1.2 观测方法  60
  2 结果与分析  60-67
    2.1 叶色模型的构建  60-65
    2.2 叶色模型的检验  65-67
  3 讨论  67-68
  参考文献  68-71
第六章水稻叶鞘及茎秆生长过程的模拟研究  71-82
  1 材料与方法  71-72
    1.1 试验设计  71
    1.2 观测方法  71-72
  2 结果与分析  72-78
    2.1 模型的描述  72-77
    2.2 模型的检验  77-78
  3 结论与讨论  78
  参考文献  78-82
第七章稻穗生长过程的模拟研究  82-94
  1 材料与方法  82-83
    1.1 试验设计  82-83
    1.2 观测方法  83
  2 结果与分析  83-90
    2.1 模型的描述  83-89
    2.2 模型的检验  89-90
  3 结论与讨论  90
  参考文献  90-94
第八章水稻冠层拓扑结构的动态模拟研究  94-102
  1 材料与方法  94-95
    1.1 试验设计  94
    1.2 观测方法  94-95
  2 结果与分析  95-99
    2.1 水稻冠层生长的结构特征  95-96
    2.2 水稻冠层器官伸长模型  96-97
    2.3 水稻器官伸长模型的检验  97-98
    2.4 水稻植株冠层形态的虚拟实现  98-99
  3 结论与讨论  99
  参考文献  99-102
第九章水稻单位器官干物质分配定量模拟  102-115
  1 材料与方法  103
    1.1 试验设计  103
    1.2 观测方法  103
  2 结果与分析  103-110
    2.1 水稻单位器官干物质分配动态的模拟  103-106
    2.2 水稻单位器官干物质增长的动态模拟  106
    2.3 水稻单位叶片叶面积的模拟  106-108
    2.4 氮素和水分因子对单位器官干物质分配过程的影响  108-109
    2.5 水稻单位器官干物质分配模型的检验  109-110
  3 结论与讨论  110-111
  参考文献  111-115
第十章讨论与结论  115-128
  1 讨论  115-118
    1.1 基于器官生育过程的动态模拟模型  115-116
    1.2 水氮影响因子的定量模拟  116
    1.3 基于SPAD的叶片颜色动态模拟  116-117
    1.4 单位器官物质分配过程的定量模拟  117
    1.5 茎叶夹角及叶曲线特征的动态模拟  117-118
  2 本研究的创新及今后的设想  118-119
    2.1 本研究的创新与特色  118
    2.2 本研究的不足之处  118
    2.3 今后的研究设想  118-119
  3 结论  119-120
  参考文献  120-128
致谢  128

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