温室作物光合作用建模与试验(附件)【字数：13832】
摘 要 摘 要 光合作用被称为是“地球上最重要的化学反应”。建立合理的光合作用模型可以模拟数量繁多的试验，解决普通的计算和试验无法解决的问题。在温室设施条件下，作物光合作用的模拟模型为加强作物自动化生产管理和提高作物的产量提供坚实的理论基础。影响光合速率的环境因子主要有光照、CO2浓度、温度、水分和矿物质元素等。本文研究五种光合作用模型，模拟净光合速率在光合辐射、CO2浓度和温度条件变化时的变化情况。通过试验测定的环境数据对它们进行验证和误差分析得到以下结论（1）较低单一变量时，净光合速率随着变量的增大而提高；较高温度条件下（大于最适温度），净光合速率受高温限制，随着温度的升高而减小；在较高的CO2浓度和光合辐射时，净光合速率缓慢增长，甚至不再变化，此时的净光合速率最大。（2）多个变量时，最大净光合速率值出现的条件为温度在最适温度左右，光合辐射和CO2浓度达到基本饱和状态。（3）以直角双曲线作为基准，对其它模型误差分析；非直角双曲线的误差相对较大，达到1.5468；负指数模型的误差相对较小，为0.1831。总的来说这五种模型的模拟基本良好。关键词温室；光合速率；模型；环境因子
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 温室光合作用模型的国内外研究现状 1
1.3 本文的结构及主要内容 2
第二章 光合作用的理论基础 3
2.1 光合作用概述 3
2.1.1 光合作用的基本概念和意义 3
2.1.2 光合作用的研究历程 3
2.1.3 光合作用的原理和机制 4
2.2 环境因子对光合速率的影响 5
2.2.1 光 5
2.2.2 温度 7
2.2.3 二氧化碳浓度 9
第三章 光合速率的模拟 11
3.1 光合速率模拟概述 11
3.2 单叶净光合速率模型模拟 11
3.2.1 直角双曲线模型 11
3.2.2 非直角双曲线模型 15
3.2.3 负指数模型 18
3.2.4 光合响应新模型 21
3.2.5 作物生长动态模型 24 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3.3 模拟结果分析 26
第四章 试验结果与分析 27
4.1 试验概述 27
4.2 试验结果分析 28
4.2.1 试验数据 28
4.2.2 试验结果及误差分析 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着社会的发展与进步，传统的农业生产模式和设备已经不能满足现代社会人们日益增长的物质文化生活的需要。现今人们对反季节蔬菜瓜果的需求量增加，普及温室生产，加强温室自动化设备管理和提高温室作物产量等已成为目前满足人们需求的迫切需要。温室作为新型的设施农业装备，它不受时间或特殊环境条件等因素的限制，可减轻大田种植业受损风险，且温室内部环境可控性强，便于进行自动化管理。温室作物模型研究具有可贵的预见性，而且可以利用温室条件的可控性，对作物所在环境进行目标调控。所以温室作物模型的研究显得更有意义。
温室作物光合作用数学模型是净光合速率与环境因子之间的定量关系。通过构建合理和完善的光合作用模拟模型，可以提高作物光合速率和增加作物产量。在实际的温室大棚应用中，根据光合作用模型的分析结果调节环境因子，让作物的光合强度和资源的利用率都达到一个最大化。而且可以帮助研究人员研究复杂的温室光合系统及其在各个过程中的重要性，加快实验进度，避免大量不必要的资源消耗，所以光合作用模型的研究成为研究光合作用的一种强有力的工具。
1.2 温室光合作用模型的国内外研究现状
国外对温室光合模型的研究与应用已相当成熟。G.D.Farquhar（1980年）及其同事[1]提出C3植物叶片光合作用碳同化的生物化学模型，稳态光合作用模型；Spitters et al.（1986年）提出的ASKAM模型和SUKAM模型[2]。ASKAM模型被设计计算作物在一天中短时间间隔内的所吸收的CO2；可用于测量分析作物的光合和呼吸，也可以在计算CO2平衡模型中作为子模型。SUKAM模型是一个全球性的年干物质生产的估算，可用于比较作物每年的状况，和研究在长期生产中改变各种因素对作物的影响。诺尔曼和韦尔斯（1983年）[3]开发了一个渗透辐射个别的椭圆形的植物冠层的模型，通常该模型较繁琐；所以又研究出一种通过相对简单的计算方案就能计算分布和吸收直接和散射光，反射波和多次散射波等的模型。Hand and Warren Wilson[4]（1992年）开发出Thornley模型；Nederhoff and Vegter（1994）Acock模型；Zhu等[5]（2007年)扩展了现存的C3植物光合作用的代谢模型，发展出包括光呼吸和淀粉、蔗糖合成的完全的光合碳代谢动态模型；
国内的模型研究发展也很快。谢祝捷等(2004年)建立了上海自控温室黄瓜的干物质生产和分配模拟模型，包括光合、呼吸、干物质生产和分配等子模型[6]；李永秀等[7]（2005年）用辅热积法模拟了温室黄瓜的叶面积，光合速率和干物质产量；侯加林等（2005年）建立了以光合作用为基础的温室番茄光合生产动态模拟模型[8]；叶子飘和于强[9]（2007年）提出了光合作用光响应新模型，解决了拟合植物叶片的最大光合速率远大于实测值，且无法给出光饱和点等问题；李萍萍等[10]（2009年）提出了类卡方模型（QCSM）进行建模，以便精确模拟不同光照下温室黄瓜光合作用的变化规律；李天来等[11]（2010年）日光温室番茄单叶净光合速率模型的温度修正子模型；高照全等[12]（2012年）构建了苹果三维树冠的净光合速率分布模拟；
很多其他学者也进行了各种温室作物在不同环境因子下的光合速率模拟模型的研究和验证，建立了不少光合作用模型，主要分为机理模型和经验模型。机理模型主要是生化模型[13]等，经验模型则主要是直角双曲线模型[14]、非直角双曲线模型[15]、负指数模型[16]和其它模型等。一般，机理模型是以假设为基础，通过严谨的逻辑推导所得，所以具有很强的理论依据，但是，应用时则需要通过程序确定大量的参数值。而经验模型则是进行大量的实地试验，并且对实验数据加以分析总结所得结果，简单实用，也能比较合理的解释作物的光合信息。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 温室光合作用模型的国内外研究现状 1
1.3 本文的结构及主要内容 2
第二章 光合作用的理论基础 3
2.1 光合作用概述 3
2.1.1 光合作用的基本概念和意义 3
2.1.2 光合作用的研究历程 3
2.1.3 光合作用的原理和机制 4
2.2 环境因子对光合速率的影响 5
2.2.1 光 5
2.2.2 温度 7
2.2.3 二氧化碳浓度 9
第三章 光合速率的模拟 11
3.1 光合速率模拟概述 11
3.2 单叶净光合速率模型模拟 11
3.2.1 直角双曲线模型 11
3.2.2 非直角双曲线模型 15
3.2.3 负指数模型 18
3.2.4 光合响应新模型 21
3.2.5 作物生长动态模型 24 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3.3 模拟结果分析 26
第四章 试验结果与分析 27
4.1 试验概述 27
4.2 试验结果分析 28
4.2.1 试验数据 28
4.2.2 试验结果及误差分析 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着社会的发展与进步，传统的农业生产模式和设备已经不能满足现代社会人们日益增长的物质文化生活的需要。现今人们对反季节蔬菜瓜果的需求量增加，普及温室生产，加强温室自动化设备管理和提高温室作物产量等已成为目前满足人们需求的迫切需要。温室作为新型的设施农业装备，它不受时间或特殊环境条件等因素的限制，可减轻大田种植业受损风险，且温室内部环境可控性强，便于进行自动化管理。温室作物模型研究具有可贵的预见性，而且可以利用温室条件的可控性，对作物所在环境进行目标调控。所以温室作物模型的研究显得更有意义。
温室作物光合作用数学模型是净光合速率与环境因子之间的定量关系。通过构建合理和完善的光合作用模拟模型，可以提高作物光合速率和增加作物产量。在实际的温室大棚应用中，根据光合作用模型的分析结果调节环境因子，让作物的光合强度和资源的利用率都达到一个最大化。而且可以帮助研究人员研究复杂的温室光合系统及其在各个过程中的重要性，加快实验进度，避免大量不必要的资源消耗，所以光合作用模型的研究成为研究光合作用的一种强有力的工具。
1.2 温室光合作用模型的国内外研究现状
国外对温室光合模型的研究与应用已相当成熟。G.D.Farquhar（1980年）及其同事[1]提出C3植物叶片光合作用碳同化的生物化学模型，稳态光合作用模型；Spitters et al.（1986年）提出的ASKAM模型和SUKAM模型[2]。ASKAM模型被设计计算作物在一天中短时间间隔内的所吸收的CO2；可用于测量分析作物的光合和呼吸，也可以在计算CO2平衡模型中作为子模型。SUKAM模型是一个全球性的年干物质生产的估算，可用于比较作物每年的状况，和研究在长期生产中改变各种因素对作物的影响。诺尔曼和韦尔斯（1983年）[3]开发了一个渗透辐射个别的椭圆形的植物冠层的模型，通常该模型较繁琐；所以又研究出一种通过相对简单的计算方案就能计算分布和吸收直接和散射光，反射波和多次散射波等的模型。Hand and Warren Wilson[4]（1992年）开发出Thornley模型；Nederhoff and Vegter（1994）Acock模型；Zhu等[5]（2007年)扩展了现存的C3植物光合作用的代谢模型，发展出包括光呼吸和淀粉、蔗糖合成的完全的光合碳代谢动态模型；
国内的模型研究发展也很快。谢祝捷等(2004年)建立了上海自控温室黄瓜的干物质生产和分配模拟模型，包括光合、呼吸、干物质生产和分配等子模型[6]；李永秀等[7]（2005年）用辅热积法模拟了温室黄瓜的叶面积，光合速率和干物质产量；侯加林等（2005年）建立了以光合作用为基础的温室番茄光合生产动态模拟模型[8]；叶子飘和于强[9]（2007年）提出了光合作用光响应新模型，解决了拟合植物叶片的最大光合速率远大于实测值，且无法给出光饱和点等问题；李萍萍等[10]（2009年）提出了类卡方模型（QCSM）进行建模，以便精确模拟不同光照下温室黄瓜光合作用的变化规律；李天来等[11]（2010年）日光温室番茄单叶净光合速率模型的温度修正子模型；高照全等[12]（2012年）构建了苹果三维树冠的净光合速率分布模拟；
很多其他学者也进行了各种温室作物在不同环境因子下的光合速率模拟模型的研究和验证，建立了不少光合作用模型，主要分为机理模型和经验模型。机理模型主要是生化模型[13]等，经验模型则主要是直角双曲线模型[14]、非直角双曲线模型[15]、负指数模型[16]和其它模型等。一般，机理模型是以假设为基础，通过严谨的逻辑推导所得，所以具有很强的理论依据，但是，应用时则需要通过程序确定大量的参数值。而经验模型则是进行大量的实地试验，并且对实验数据加以分析总结所得结果，简单实用，也能比较合理的解释作物的光合信息。
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