晋西黄土区苹果—大豆间作系统太阳辐射时空分布规律

发布时间：2017-06-05 18:19

  本文关键词：晋西黄土区苹果—大豆间作系统太阳辐射时空分布规律，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：农林复合系统种间关系决定着农林复合系统的功能与效益,是农林复合系统理论研究和生产实践中所关注的焦点,决定着农林复合系统的功能与效益。对于种间相互作用的研究多集中在基于水、肥、光三个方面,其中基于水肥的种间竞争研究较多。而对于基于光照环境的果农间作系统种间关系研究中,目前仍存在树木遮荫的空间分布与时间动态缺乏系统模拟分析、光照对作物的影响未能实现准确厘清和量化等关键科学问题,严重制约着果农间作系统中基于水、肥、光等多因子耦合的种间关系研究,并成为果农间作系统种间关系调控的技术瓶颈。本文针对以上关键科学问题,以晋西黄土区具有代表性的苹果(Malus pumila)和大豆(Glycine max)为研究对象,在监测树冠冠形及结构特征、太阳辐射及其他小气候因子、大豆生长及生产力、大豆经济效益的基础上,根据投影几何理论,建立单株苹果树树冠投影模型,推导树冠投影及其移动轨迹,解析苹果树遮荫范围的时空分布规律；根据冠层辐射传输原理,建立树下光合有效辐射传输模型,计算树下光合有效辐射强度,解析苹果树遮荫强度的时空分布规律；通过对大豆进行人工遮荫处理,建立大豆生长及生产力与太阳辐射及其他小气候因子的数学关系,厘清并量化遮荫对大豆的影响,并分析不同遮荫程度下的大豆经济效益；在以上研究基础上,将模型应用到苹果一大豆间作系统的空间配置中,判定苹果树下大豆适宜间作区域。研究结果表明：(1)在苹果树遮荫范围时空分布方面,基于不同年龄苹果树冠形特征,利用太阳入射光线方程,推导出了树冠上任一点投影至地面的坐标方程；利用投影几何原理,建立了单株苹果树树冠的投影边界模型F(x",y")=0,并根据太阳高度角与树冠冠形特征参数间的数学关系,将该边界模型分为卵圆形函数、卵圆形方程和圆形方程构成的分段函数、圆形函数三种情况。在消除半影效应对投影的影响并利用残差分析剔除异常值后,单株苹果树树冠投影模型表现出较好的模拟效果。大豆苗期的四年和六年生苹果树遮荫范围分别为距树行北侧1.5m至南侧0.7m、距树行北侧2m至南侧1.2m；大豆开花期的四年和六年生苹果树遮荫范围分别为距树行北侧1.6m至南侧0.8m、距树行北侧2.1m至南侧1.3m；大豆鼓粒期的四年和六年生苹果树遮荫范围分别为距树行北侧1.9m至南侧0.6m、距树行北侧2.5m至南侧lm。在08：00和16：00,大豆鼓粒期的四年生苹果树下距目标树1.2-1.4m区域会受到邻株苹果树遮荫影响；六年生苹果树下距目标树0.6～1.1m区域(大豆苗期)、0.7～1.1m区域(大豆开花期)、1～2.2m区域(大豆鼓粒期)也会受到邻株苹果树遮荫影响。(2)在苹果树遮荫强度时空分布方面,利用经验公式推导出了冠上直射辐射和散射辐射中的光合有效辐射；在分析冠层结构、太阳光线在树冠中传输路径的基础上,根据冠层辐射传输理论,建立了树下直射光合有效辐射传输模型和树下散射光合有效辐射传输模型,实现了对树下任一时刻、任一定点的光合有效辐射的模拟计算。在剔除光斑影响后,模型在苹果树下光合有效辐射的模拟计算中表现出较好的模拟效果。以苹果树为中心,距离苹果树越近,苹果树下的遮荫强度越大,且六年生苹果树树下遮荫强度大于四年生苹果树；同行株间遮荫强度的水平变化较为平稳,行间遮荫强度的波动更为剧烈。在沿树行方向分布的覆盖全部株间区域的条带受荫区域内,树行北侧的遮荫强度大于树行南侧。(3)在遮荫对大豆的影响方面,与全光照大豆单作对比,人工遮荫处理的大豆单作具有明显的降温增湿作用,且遮荫程度越大,其作用越明显；遮荫对大豆光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率、株高、比叶重、生产力均产生负面影响,但较小的遮荫会增加叶绿素相对含量和叶面积指数；在小气候因子中,光合有效辐射对大豆净光合速率和产量的影响最大,其贡献率分别达到58.9%和60.9%,总体来讲,大豆光合特性、生物学形状及生产力在50%遮荫范围的变化并不明显。大豆的经济效益随着遮荫程度增加而下降,当遮荫程度小于61%时,大豆才会产生正经济效益。(4)在基于光照环境的苹果—大豆间作系统空间配置设计技术中,根据苹果树遮荫范围和遮荫强度时空分布研究以及大豆光适应性分析,提出了基于光照环境的苹果树下大豆适宜间作区域。在该技术中,首先利用树冠投影边界模型推导出树下遮荫范围和遮荫时间；然后,通过树下光合有效辐射传输模型计算出树下任一点的日、大豆各物候期、大豆生长季的光合有效辐射累积值；最后,以大豆生理生态特征、生产力以及经济效益对遮荫程度(光照)的响应为依据,结合距树行不同距离处的遮荫程度,划分基于光照环境的苹果树下大豆适宜间作区域：四年生苹果树下区域均适宜间作大豆,六年生苹果树下距树行北侧0.5m至南侧0.3范围内不宜间作大豆。
【关键词】：苹果大豆间作系统 树冠投影模型 树下光合有效辐射传输模型 光适应性 适宜间作区
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S661.1;S565.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 研究背景与意义12-16
• 2 国内外研究现状16-28
• 2.1 林内太阳辐射分布特征16-18
• 2.2 林内太阳辐射模拟研究现状18-21
• 2.2.1 树冠投影模型18-19
• 2.2.2 林下太阳辐射传输模型19-21
• 2.3 遮荫对作物的影响21-28
• 2.3.1 遮荫对植物生理特性及水分利用率的影响22-25
• 2.3.2 遮荫对植物生物学形状及生产力的影响25-28
• 3 研究区概况28-32
• 3.1 自然概况28-30
• 3.1.1 地理位置28
• 3.1.2 地形、地貌条件28-29
• 3.1.3 土壤29
• 3.1.4 水文29-30
• 3.1.5 气候条件30
• 3.1.6 植被条件30
• 3.2 社会经济条件30-32
• 4 研究内容与方法32-46
• 4.1 研究目标与研究内容及拟解决的科学问题32-33
• 4.1.1 研究目标32
• 4.1.2 研究内容32-33
• 4.1.3 拟解决的关键科学问题33
• 4.2 试验材料33-34
• 4.3 研究方案34-43
• 4.3.1 研究方法34-37
• 4.3.2 模型所需天文参数计算37-38
• 4.3.3 模型精度评价方法38-41
• 4.3.4 生产成本与经济收入计算方法41
• 4.3.5 数据分析方法41-43
• 4.4 关键技术及其研究方案43
• 4.5 技术路线43-46
• 5 苹果树遮荫范围时空分布46-70
• 5.1 树冠投影坐标系建立和太阳入射光线数学表达46-51
• 5.1.1 树冠结构和冠形几何特征解析46
• 5.1.2 树冠投影三维空间坐标系建立46-48
• 5.1.3 太阳光线入射向量推导48-51
• 5.2 单株苹果树冠投影模型51-61
• 5.2.1 单株苹果树树冠投影模型建立51-52
• 5.2.2 单株苹果树树冠投影边界数学表达52-56
• 5.2.3 太阳辐射半影效应56-57
• 5.2.4 模型精度评价57-61
• 5.3 苹果树遮荫范围的时空分布61-68
• 5.3.1 单株苹果树树冠投影的时空分布61-62
• 5.3.2 遮光邻体62-63
• 5.3.3 苹果树群体投影的时空分布63-68
• 5.4 本章小结68-70
• 6 苹果树遮荫强度时空分布70-90
• 6.1 太阳辐射传输理论依据70-71
• 6.1.1 树冠的多层次结构假设70
• 6.1.2 Beer定律与Ross辐射传输理论70-71
• 6.2 苹果树冠上光合有效辐射计算模型71-72
• 6.2.1 冠上直射光合有效辐射计算71
• 6.2.2 冠上散射光合有效辐射计算71-72
• 6.3 苹果树树冠表面及太阳入射光线数学表达72-73
• 6.3.1 树冠表面数学表达72
• 6.3.2 太阳入射光线数学表达72-73
• 6.4 苹果树下直射光合有效辐射传输模型73-79
• 6.4.1 模型表达73
• 6.4.2 模型相关参数确定73-79
• 6.5 苹果树下散射光合有效辐射传输模型79-80
• 6.5.1 模型表达79-80
• 6.5.2 模型相关参数确定80
• 6.6 模型精度评价80-87
• 6.6.1 树下直射光合有效辐射传输模型模拟效果分析80-84
• 6.6.2 树下散射光合有效辐射传输模型模拟效果分析84-87
• 6.7 苹果树遮荫强度的时空分布87-88
• 6.8 本章小结88-90
• 7 遮荫对大豆生长、生产力及经济效益的影响90-104
• 7.1 小气候各因子特征及其综合效应90-93
• 7.1.1 光合有效辐射强度日变化90
• 7.1.2 气温日变化90
• 7.1.3 空气相对湿度日变化90-91
• 7.1.4 表层土壤温度日变化91-92
• 7.1.5 小气候综合效应评价92-93
• 7.2 大豆生理特性及水分利用效率93-97
• 7.2.1 大豆叶片叶绿素相对含量93
• 7.2.2 大豆光合速率93-94
• 7.2.3 大豆叶片气孔导度94
• 7.2.4 大豆蒸腾速率94-95
• 7.2.5 大豆叶片水势95-96
• 7.2.6 大豆水分利用效率96-97
• 7.3 大豆生物学性状及生产力97-99
• 7.3.1 大豆株高97
• 7.3.2 大豆叶面积指数97
• 7.3.3 大豆比叶重97-98
• 7.3.4 大豆生物量和产量98-99
• 7.4 大豆光合特性、产量与小气候因子关系建模99-101
• 7.4.1 大豆光合特性与小气候因子的数学关系99-100
• 7.4.2 大豆产量与小气候因子的数学关系100-101
• 7.4.3 光合有效辐射与大豆产量的回归模型101
• 7.5 大豆经济效益101-102
• 7.6 本章小结102-104
• 8 基于光照环境的苹果-大豆间作系统空间配置设计技术104-112
• 8.1 基于光照环境的苹果-大豆问作系统空间配置设计技术流程104
• 8.2 空间配置设计技术的实现104-110
• 8.2.1 种植条件初选104-106
• 8.2.2 树下巷道区域网格化定位106
• 8.2.3 树冠遮荫范围和遮荫时间确定106-107
• 8.2.4 距树行不同距离处遮荫强度确定107-109
• 8.2.5 大豆光适应性分析109
• 8.2.6 树下大豆适宜间作区判定109-110
• 8.3 本章小结110-112
• 9 结论与展望112-118
• 9.1 主要结论112-115
• 9.2 研究特色与创新之处115
• 9.3 不足和展望115-118
• 参考文献118-128
• 个人简介128-130
• 导师简介130-132
• 博士期间获得成果清单132-134
• 致谢13

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