水稻功能—结构耦合模型G-ORY构建及应用

发布时间：2018-12-09 10:39

【摘要】：水稻是我国主要的粮食作物之一,合理的株型选育对水稻产量的提高有着十分重要的作用。水稻功能-结构模型的构建可将水稻生长发育过程与其结构特征相结合,为水稻育种和田间管理调控等提供数字工具。本研究选用三个株型差异明显的水稻材料(TQ、YIL55和PAY1)分别在两个不同纬度地区(北京和三亚)种植。通过田间原位三维数字化技术测定并重建了水稻的三维静态结构模型,并利用ORYZA2000模型对三个株型水稻材料在两个纬度地区的生长发育进行模拟与评价。基于以上工作,结合田间试验数据及气象数据在GroIMP平台构建水稻功能-结构耦合模型G-ORY,并通过内嵌的模块实现光分布计算及可视化,改进ORYZA2000的光模块。最后,基于C-ORY模型定量评估了三个株型水稻在两个纬度地区的冠层光分布差异,为水稻的株型设计及良种选育提供科学依据。主要结论如下:(1)利用三维数字化技术重建水稻的静态三维结构模型,基于此模型统计了三个株型材料在三个关键生育期及在两个纬度地区的器官空间分布规律。结果表明:就叶/基方位角而言,TQ在拔节期叶/茎基方位角分布均匀,抽穗期向东-南方向分散,灌浆期分别偏移至240°～30°和240°～60°的平面内;PAY1与TQ相似,但其在拔节期叶/茎基方位角呈现分散状态。与TQ和PAY1相比,YIL55在全生育期内叶/茎基方位角分布更加均匀。就茎叶夹角和茎倾角而言,YIL55的茎叶夹角较大且分布均匀,茎倾角分布均匀且披散(分别在50°、30°和20°附近);TQ和PAY1在拔节期分布在0°～30°和0°～35°范围,抽穗期主要分布在0°-10°;比较三个材料在北京和三亚的方位分布可知,抽穗后期TQ和PAY1的茎方位角在两个地区呈现相反方向分布的趋势,茎倾角在三亚分布更均匀。(2)基于叶角及方位数据的统计结果,在GroIMP平台构建了水稻的动态结构模型。该模型可动态模拟不同太阳位置、不同时刻及不同天气条件下的冠层光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR)、器官发生随发育期的变化及其形态结构。利用OpenGL模块实现水稻冠层空间结构的虚拟三维动态可视化。(3)基于三个水稻材料在2012～2014年北京和三亚的田间试验,对ORYZA2000模型进行了参数校准及验证,并利用"试差法"校准消光系数值。结果表明:YIL55的发育速率、干物质分配系数及消光系数与TQ和PAY1均存在差异;三个材料在两个地区的发育速率和干物质分配系数差异明显;TQ和PAY1的消光系数值与模型默认材料IR72相同,YIL55在拔节期前消光系数值较低。模型验证结果表明,有超过85%的地上部各器官生物量模拟值与实测值间的决定系数大于 0.95,归一化均方根误差(Normalized Root Mean Square Error,NRMSE)在6%～25%范围内,说明经参数校准后的ORYZA2000可准确模拟三个水稻材料在两个纬度地区的生长发育过程。(4)基于水稻动态结构模型和参数校准后的ORYZA2000模型,结合田间实测数据与气象数据,在GroIMP平台构建水稻的功能-结构耦合模型G-RY,实现了模型间的优势互补。结果表明:G-ORY相较ORYZA2000,在水稻冠层光分布模拟方面能够定量表达更丰富的信息,例如G-ORY可精确表达相似株型(如TQ和PAY1)之间的光分布差异,且能够真实反映特殊株型水稻其冠层光分布在高度间的不均匀性(如YIL55顶部器官吸收的PAR明显大于中下部的吸收量)。不同株型间的光分布比较表明,在发育前期,材料PAY1在各节位的光分布比较均匀,而TQ和YIL55的光截获则主要集中于顶部叶片;在发育中后期,三个材料的光截获均以顶部叶片为主导,每株剑叶的平均截光量大小为:PAY1(175.54kJ)TQ(89.71 kJ)YIL55(44.35kJ);对于底部叶片而言,由于TQ和PAY1株型较为直立,因此较之YIL55可使更多的光到达冠层底部被吸收利用。(5)定量评价了耦合模型G-ORY在PAR、CO2同化速率、器官干重、叶面积指数、有效分蘖个数及器官形态结构等多方面的模拟效果。与ORYZA2000的模拟值比较结果表明:G-ORY对三个水稻材料在两个不同纬度地区的光合有效辐射、CO2同化速率、器官干重和叶面积指数的模拟值与其处于同一水平(平均NRMSE为19±7%),说明G-ORY能够准确计算冠层光分布与同化物生产,并能较好的反映水稻地上部各器官干重及叶面积指数量随发育时间的动态变化过程。与实测值比较结果表明:G-ORY对器官形态结构的模拟值与实测值处于相同水平拟合度较高(NRMSE为23%,各相对节元位置的平均相对误差小于20%),其中叶鞘和节间长度模拟精度较高,但对于某些相对节位的叶片形态模拟存在误差。(6)基于G-ORY,讨论并分析了株型和纬度因子对水稻冠层光分布及光合作用的影响。结果表明:就株型而言,PAY1突变体的株型结构为最佳(日吸收PAR最大可达10.92 kJ m-2 d-1),在相同光环境下能够截获更多的光能,TQ次之(最大为10.00 kJ m-2 d-1),YIL55最小(最大为7.18kJ m-2d-1);就纬度而言,由于中纬度地区夏季温度更适宜水稻生长、日照更充分,且具有更低的太阳高度角等特性,因此更有利于水稻冠层进行光合作用,提高产量,尤其是直立叶株型(TQ和PAY1在三亚的最大光合有效辐射依次减小了 35.82%和10.44%);而对于匍匐型水稻材料YIL55而言,其株型较为披散,在太阳高度角较高的光环境下能获得较多的光能,因此在中纬度或低纬度地区种植均可,差异不大(三亚极大值较北京增加了 5.01%)。
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【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S511

【参考文献】