基于叶片气孔导度提升的冬小麦冠层阻抗估算模型的应用和对比

为了筛选适合华北典型地区冠层阻抗基于叶片气孔导度的提升方法,依据两个生长季的冬小麦田间试验资料,以Leuning-Ball和Jarvis叶片气孔导度模型为基础,构建了冠层阻抗估算模型,对比了不同冠层阻抗估算模型的应用效果.结果表明:冬小麦叶片气孔阻抗日变化整体高于冠层阻抗,两者具有显著的尺度差异性;Leuning-Ball气孔导度模型能够更好地解释气孔导度对环境因子的响应;以光合有效辐射作为尺度转换因子,基于Leuning-Ball气孔导度模型提升的冠层阻抗估算模型能够有效地模拟冠层阻抗,可应用于华北典型地区冬小麦水汽传输阻抗尺度提升研究.     

小麦旗叶水分利用效率比较研究

在世界小麦生产中,旱地小麦面积占有多数,水地小麦也在不断发展.无论水旱地小麦育种,都是在一定水分条件下,选育高水分利用效率类型的品种,以获得高产高效.叶片水分利用效率(WUE=光合速率/蒸腾速率)的改良,是提高大田水分利用效率的生理基础.关于小麦水分利用效率进化的研究还不多见.     

典型半干旱区干旱胁迫作用对春小麦蒸散及其作物系数的影响特征

蒸散量量是地表水分循循环的重要分量量,与农业和生态系统的水水分需求密切相相关,是水资源规规划和管理必须考虑的重要要因素之一.虽虽然对湿润区作作物蒸散计算模型研究已经经相对比较成熟熟,但但由于干旱和半干旱区作物物蒸散量受干旱旱胁迫的显著著影响,以往建建立的湿润区作作物蒸散模型和作作物系数并不适用对其作物物蒸散量的估算算,而目前对这一问题的研研究却十分有限限.利用位于黄土土高原典型半干旱区的"定西西干旱生态环环境综合科学试试验站"春小麦麦农田的蒸渗仪仪、蒸发皿、超声声涡动仪的观测资料及常规规气象观测资料料相结合,分析了该地区实际蒸散量与F AO推荐作物系数数估算的蒸散量之间的差异异性及其随干旱旱胁迫度的变化关系.研究究了该地区春小小麦参考蒸散量与与蒸发皿蒸发量比值和实际际蒸散量与蒸发发皿蒸发量比值随干旱胁迫迫度的变化特征征及春小麦作物系系数对干旱胁迫度的响应规规律,并对FA O推荐值的作作物系数进行了改进.分析发现,由于半干旱旱区作物蒸散受干旱胁迫影影响较大,FAO推荐作物系数数估算的蒸散散量与实际蒸散散量相差很显著著,实实际作物系数对干旱胁迫度度的依赖很强,,随干旱胁迫度增加显著减减少,但其敏感感性在干旱胁迫度度约达到0.7后明显降低.而且,改进的作物系数在作作物生长初期和和发育期远远低低于FAO的推荐荐值和Kumar修正值,改进进的作物系数估估算的春小麦蒸散量也明显显比后两者估算算的更接近实际观观测值,与观测测值线性拟合的系数为0.98,决定系数能能够达到0.455,标准误差也也仅为0.85 mm m,对对半干旱地区春小麦蒸散量量的估算效果比比较理想.     

植物叶片最大羧化速率对多因子响应的模拟

植物叶片最大羧化速率是表征植物光合能力的重要参数,建立植物叶片最大羧化速率的模拟模型将有助于准确预测植物的光合作用和陆地生态系统生产力.植物叶片最大羧化速率与环境因子之间存在诸多相关性,分析植物叶片最大羧化速率与环境因子的相关关系是建立植物叶片最大羧化速率模拟模型的有效途径.对来自104篇文献的植物叶片最大羧化速率数据及其对应的环境因子进行整理和分析发现,植物叶片最大羧化速率受温度、土壤含水量、CO2浓度以及土壤含氮量的显著影响.其中,温度、土壤含水量和CO2浓度均与植物叶片最大羧化速率呈单峰型曲线关系,土壤含氮量与植物叶片最大羧化速率呈显著的线性关系.据此,建立了温度、土壤含水量、CO2浓度以及土壤含氮量综合影响的植物叶片最大羧化速率模型.验证表明,该模型能较好地模拟不同环境条件下植物叶片的最大羧化速率,为陆地生态系统模型准确模拟植物光合作用提供了参数依据.     

塔克拉玛干沙漠特有灌木光合作用对生境中特殊温度、湿度及辐射变化的响应

在塔克拉玛干沙漠腹地原生生境条件下,利用Li-6400光合作用系统,对天然生特有植物种塔克拉玛干沙拐枣(Calligonum taklimakanensis B.R Pan&G.M Shen)和塔克拉玛干柽柳(Tamarix taklamakanensis M.T.Liu)在不同季节中的气体交换特性进行了测定与比较.结果显示:温度(℃)、太阳辐射(PAR)、土壤含水量(SWC)等环境因子具有明显的季节差异,两种植物的气体交换特性在不同的生长季节也有着不同的变化.7月和9月塔克拉玛干沙拐枣的净光合速率日进程虽都呈明显的双峰型变化,但7月峰值出现时间较早,且最大净光合速率(Pmax)、表观量子效率(φ)、有效光合辐射范围都明显小于9月,同时7月较高的蒸腾速率(Tr)也使其水分利用效率(WUE)小于9月.塔克拉玛干柽柳则不同,虽然9月其净光合速率的日进程已经变为单峰型,但峰值出现的时间未变,而且除水分利用效率有大幅提高外,最大净光合速率,表观量子效率以及光饱和点和有效光合辐射范围都基本不变或略有降低.相比之下,塔克拉玛干沙拐枣选择在生境条件稍好的季节(9月)进行相对高效的光合积累,而塔克拉玛干柽柳则一直保持着相对稳...     

质子交换膜燃料电池催化层模型研究进展与展望

质子交换膜燃料电池是一种零/低碳排放的高效能量转换技术,对我国实现“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要意义.催化层是直接决定电池性能与寿命的关键组件之一,也是电池规模化商用的核心.催化层具有复杂的多物理场多尺度耦合输运反应过程,需要借助精确的数值模型来理解内部的传输与反应机制.本文回顾了近年来氢燃料电池催化层模型的研究进展,重点介绍了典型模型的建模思想,讨论了不同模型的适用性,简述了典型应用参考实例,并对模型的未来研究方向提出了一些建议.     

冬小麦叶片暗呼吸对CO2浓度和温度协同作用的响应

植物暗呼吸的准确评估直接影响到植物碳收支估算.为弄清气候变化对冬小麦叶片暗呼吸的影响,采用开顶式气室模拟研究了冬小麦叶片暗呼吸对不同CO2浓度和温度的响应.结果表明,冬小麦叶片暗呼吸速率随CO2浓度升高呈线性下降趋势,560μmolmol1CO2浓度下冬小麦叶片暗呼吸速率较390μmolmol1CO2浓度下平均降低11%.冬小麦叶片暗呼吸速率与温度呈指数关系,暗呼吸温度系数Q10接近于2.冬小麦叶片暗呼吸对温度和CO2浓度的响应是独立的,据此建立了冬小麦叶片暗呼吸对CO2浓度和温度协同作用的响应关系.研究成果可为估算未来气候变化对冬小麦暗呼吸速率的影响,采取科学的碳对策提供依据.     

陆地植被生态水文过程前沿进展:从植物叶片到流域

陆地植被生态水文过程是生态学、水文学和全球变化研究关注的前沿领域,更是生态水文学的关键理论基础之一.近年来围绕植被生态与水相互作用的研究范畴涵盖了从植物细胞到大陆尺度的几乎所有空间尺度,在不同尺度上分别在生态学和水文学各自视角取得了较大进展.但从生态水文学交叉学科角度,迫切需要整合生态学与水文学多尺度相关研究进展,系统性地归纳和总结跨尺度理论和方法进展,梳理理论前沿热点问题.为此,本文从近年来关于陆地植被生态水文过程与模拟研究进展中,系统提炼和总结了以植物水分利用与调控机制、碳氮水耦合循环过程与模拟、水循环关键过程的生态作用、植被生态作用下的径流形成与变化、植被生态水循环变化对大气降水过程的反馈影响等为主要研究热点的理论前沿方向,系统总结了这五方面在不同尺度及跨尺度方面所取得的主要进展,特别关注了基于过程机理的定量模型方面的发展状态.基于这些前沿热点面临的挑战性难题,提出了未来需要重点关注的核心问题,包括探索植物水分利用与调控的多尺度关联机制、发展基于过程机制的碳氮水耦合循环精准模拟方法、径流形成与动态变化的生态因素甄别与定量刻画等.对深入理解生态水文学国际前沿发展趋势,引导我国生态水文学学科的发展方向等有参考意义.     

水分胁迫下棉花冠层叶片高光谱数据生物量变化研究

利用美国产ASD地物光谱仪,获取新疆北部地区棉花冠层关键生育时期的高光谱数据,采用红边积分面积变量估测棉花冠层叶片的全氮含量,对反射光谱进行一阶微分,应用一阶微分光谱数据,衍生出基于光谱位置变量的分析方法,以红边积分面积(SDr)为自变量,冠层全氮(TN)含量为因变量,做相关分析与处理,构建新陆早．6号红边积分面积与冠层叶片TN含量的相关数学模型．研究在不同水处理条件下,对棉花冠层单叶叶绿素含量和单叶全氮含量做相关分析．结果表明,叶绿素含量与TN含量呈显著的正相关(R=0．8723,n=39),叶绿素含量能有效的估计棉花单叶TN含量;红边积分面积变量与冠层TN含量呈显著的相关性,相关系数是0．7394(n=40),利用构建的相关模型可以较为精确地估测棉花两个品种新陆早6号与8号冠层叶片的全氮含量,RMSE分别为0．3859和0．4272．研究认为红边积分面积变量具有预测棉花冠层全氮含量的应用潜力,研究得出利用3边面积变量构造的数学模型对反演作物冠层TN含量有较高应用价值．研究认为,红边位移现象结合红边幅度的变化的研究,用于诊断棉花水分胁迫也是可行的,关键是建立相应合理的诊断指标体系．     

长白山不同功能群植物碳同位素及其对水分利用效率的指示

由于植物碳同位素综合反映了植物光合作用过程中C, H₂O交换的信息, 因此从理论上讲它们可以作为植物功能特征的潜在指标. 尽管前人的调查已经对这一假设进行了验证, 但相关的证据还较少, 我们需要进行更多、更广泛的调查来证实这一假设. 本文通过对湿润的寒温带气候区中国长白山不同功能群植物叶片(乔木、灌木与草本; 常绿植物与落叶植物; 一年生草本、二年生草本与多年生草本)的碳同位素测定, 发现不同生活型植物的碳同位素组成有显著差别, 从而进一步证实了植物δ¹³C值可以作为划分植物功能群潜在指标的假设. 另外, 我们的结果还指示不同生活型植物的水分利用效率也存在明显差别. 不同功能群植物的δ¹³C值以及碳同位素指示的水分利用效率呈以下趋势: 草本<灌木<乔木. 同一生活型中, 常绿灌木的δ¹³C值和以及它指示的水分利用效率显著大于落叶灌木. 不同寿命的草本植物δ¹³C值也具有显著的差异, 一年生草本>二年生草本>多年生草本, 与前人在沙漠地区研究的结果(一年生植物的δ¹³C值低于多年生植物)不一致, 这表明不同寿命草本植物之间的δ¹³C值和水分利用效率的变化趋势可能与当地水分条件有关.     

中国陆地生态系统土壤呼吸的时空变异研究取得新进展

土壤呼吸(即土壤CO2排放)是碳循环中一个重要过程,在全球尺度上,土壤呼吸量仅次于全球陆地总初级生产力(GPP)的估算值,是陆地生态系统第二大碳通量过程.准确估算中国陆地生态系统土壤呼吸量对于研究碳循环过程具有重要意义.以往的估算研究中,年土壤呼吸量值存在较大不确定性,最高与最低值之间相差约每年1×1015克碳,并且关于其年际间变异规律及其与气候因子关系的研究尚     

中国东北玉米农田生态系统非生长季土壤呼吸作用及其对环境因子的响应

对2004～2007年连续3a玉米农田生态系统非生长季(10月16日～翌年4月30日)的涡度相关系统测量数据分析表明,玉米农田生态系统非生长季的日土壤呼吸值为1.08～4.08gCO2·m-2,日最低值均出现在11月下旬.整个非生长季平均土壤呼吸值为(456.06±20.01)gCO2·m-2,占生长季净生态系统生产力的11%,土壤呼吸月平均最低值主要出现在1,2月份.非生长季日土壤呼吸的季节变化均呈非生长期起始期和终止期高、中间期低的变化态势.当10cm土壤温度高于0℃时,土壤呼吸与土壤温度呈显著二次曲线关系(P0.001),解释率为38%～70%;当10cm土壤体积含水量大于0.1m3·m-3时,土壤呼吸与土壤体积含水量呈显著二次曲线关系(P0.001),解释率为18%～60%.选取土壤温度高于0℃时的观测资料,耦合土壤温度和土壤含水量可得到更好的土壤呼吸模拟模型,解释率达53%～79%,土壤呼吸模拟值与观测值的回归估计标准误差为2.7%～11.8%.非生长季土壤呼吸是生长季土壤呼吸的22.4%,在东北地区玉米农田生态系统碳收支评估中具有重要作用.     

水稻水分利用效率性状的QTL 分析

水分利用效率(water use efficiency, WUE)育种有助于通过节水灌溉缓解用水短缺的问题. 但是WUE是一个复杂的数量性状, 许多研究者并不直接地检测这一指标. 本研究通过精细定量 水分供应实验, 利用由1 种籼稻型水稻材料和1 种粳稻型旱稻材料杂交后产生的重组自交系, 探 寻水稻WUE 的遗传机理. 对抽穗期(heading date)、单日耗水量(water/d)、地上部干重单日累积 量(shootw/d)、根重单日累积量(rootw/d)、籽粒重单日累积量(kernelw/d)、整株单日水分利用率 (WUEwhole/d)、地上部干重单日水分利用率(WUEup/d)、产量单日水分利用率(WUyield/d)、单 日经济系数(econindex/d)和单日根冠比(ratio/d)等11 个性状进行了统计学分析和QTL 定位. 结果 表明, 大部分性状极显著相关. 利用复合区间作图法检测出与econindex, econindex/d, WUEyield, WUEyield/d, WUEup, WUEup/d, WUEwhole, WUEwhole/d, kernelw, kernelw/d, rootw和water/d 等 12 个性状相关的24 个QTL, 分布在第1, 2, 4, 6, 7, 8 和12 染色体上. 每个QTL 解释了 54.97%~10.78%的表型变异. 这些结果为水稻WUE 的分子标记辅助选择和遗传基础的进一步解 析提供了有价值的信息.     

利用基于sap flow测定值的冠层气孔导度和13C甄别率测定森林的碳同化率

分析了国内外有关森林碳吸收研究方法的现状和存在问题, 根据已有的Sap Flow(树干液流)研究积累, 结合稳定性碳同位素(¹³C)测定技术的应用研究, 通过严格推导, 提出整合冠层气孔导度和¹³C甄别率测量森林瞬时碳同化率的方法, 即通过准确测定液流密度求得冠层平均气孔导度g_c, 将¹³C甄别率(Δ)和C_i/C_a(胞间CO₂/叶片周围空气CO₂浓度)的关系以及净光合速率A_net和CO₂气孔导度(g_CO2)的关系进行整合, 以此来建立D与森林冠层气孔导度和碳吸收的关系.     

底质粒度信息的空间分异与代表性: 以杭州湾舟山岛-金山卫断面为例

对杭州湾舟山岛-金山卫断面沉积物柱状样进行了高密度采样, 并用激光粒度仪进行了粒度分析. 结果显示, 在不同站位沉积物平均粒径具有不同的垂向分布. 由于该断面所在区域海底活动性强, 短时间尺度的活动层厚度的量级远高于长时间尺度的净沉积速率的量级, 平均粒径的垂向分布特征更多地反映了同一沉积环境中形成的不同类型沉积记录, 很难代表沉积环境的长时间尺度演化. 粉沙为主和沉积物粒径的垂向平均值随着厚度的增加而呈现收敛趋势的底质粒度特征, 说明物源因素控制着研究区总体的沉积物分布规律, 而水动力因素造成了一定程度的沉积分异. 沉积物的垂向分异使表层底质粒径的断面分布不同于活动层内垂向平均底质粒径的断面分布. 对于强潮、粉沙环境的沉积物输运模拟而言, 如果涉及的时间尺度较大, 则采用活动层的平均值作为模型的粒度参数较为合适.     

植物个体资源竞争与群体结构特性分析

资源竞争是形成不同尺度生态结构最重要的驱动因素.植物生态系统资源竞争的自组织过程具有3个显著特点,即群体具有中等数目的个体数、个体差异巨大、个体间仅具有复杂的近程相互作用.本文从生态系统资源竞争与群体结构的一般性问题出发,建立可显式描述植物个体间资源竞争的生态动力学模型,并依据资源竞争的数学特性,按照完全非对称性竞争和完全对称性竞争两种极端形式,分别设计数值模拟试验,并与无竞争试验对比,分析不同竞争形式、不同群体竞争度下个体资源分配及群体结构特征的共性和差异.结果表明,随着竞争度上升,两种竞争形式下的生态系统结构特征(不同高度的顶层冠层覆盖度)均偏离无竞争情况对应的分布,表现为高大冠层比重减少,而低矮冠层比重增加,顶层冠层平均高度下降,不同于经典竞争模型的结论.在完全非对称性竞争情况下,个体差异明显上升,如中等高度个体的平均竞争度以及低矮个体的平均死亡率迅速增加,植被覆盖区域顶层冠层覆盖度曲线半高宽逐渐增大,顶层冠层高度标准差增加,但高大冠层占模拟区域的覆盖度逐渐趋于稳定.而在完全对称性竞争情况下,个体差异明显低于完全非对称性竞争情况,所有高度的平均竞争度和平均死亡率均上升,顶层冠层覆...     

全新世太阳活动驱动的太平洋上层热力结构的瞬变演化

在中等复杂程度地球系统模式(UViC-ESCM)中, 受过去7千年来瞬变太阳活动驱动, 北半球冬季太平洋上层水体热力结构表现出百年尺度变化特征, 西太平洋暖池(WPWP)的三维热力响应被大幅度增强. 太阳活动最大值期, 热带西太平洋表层海水温度变化幅度比Niño3区域大30%左右, 而次表层海水温度变化幅度在副热带北太平洋比赤道西太平洋大40%; 太平洋纬向表层海温梯度(西-东)和经向次表层海温梯度(北-南)同时增强, 且在百年尺度周期上线性响应于太阳活动驱动. 表层海温梯度的208 a周期最为显著, 而次表层海温梯度在大于208 a的周期上更为显著. 此外, 表层海温梯度在百年尺度周期上的相位滞后(响应时间)要比次表水海温略小, 表层海温梯度中出现的148和102 a周期并未见于次表层海温梯度. 上述模拟结果初步指示WPWP古海洋记录中的全新世百年尺度波动可能来源于太阳活动变化.     

基于土壤团聚体组分的14C分析及其在不同林龄土壤有机碳周转研究中的应用

目前关于人工造林后土壤有机碳库变化的趋势、幅度及其碳汇功能仍存在很大的不确定性.应用放射性碳(14C)方法,研究河北塞罕坝草甸草原与人工林土壤有机碳周转时间,以加深对人工造林后土壤有机碳库变化的认识.实验结果显示,14C示踪方法所估算出的人工造林后土壤有机碳周转时间可长达几十年至几百年.在草甸草原营造樟子松林后表层土壤全样以及团聚体有机碳的周转时间均明显变短,并随着林龄的增大而改变,这将导致土壤CO2通量的增加,因此,草地造林有可能削弱了表层土壤储存有机碳的能力.对不同林龄的土壤团聚体组分进行稳定同位素与14C分析,发现草甸草原营造樟子松林后土壤中年轻碳库与较老碳库对草地造林的响应存在差异:在幼龄和中龄阶段,土壤中较老碳库CO2排放量的比例呈现出增加趋势,而进入成龄阶段,其比例开始下降,表明林龄对人工林土壤固碳机制有所影响.用14C方法所得到的土壤CO2通量相对较低,这可能与未能有效地从土壤团聚体中分离出较年轻碳库的组分有关.今后的研究应在发展多种组分分离方法的基础上进行碳同位素分析,以提高土壤CO2通量估算的准确性.     

质子动力势各组成部分与光合作用的关系

类囊体中伴随光合电子传递产生的膜两侧质子动力势可用于ATP形成供光合碳同化之需.但目前对其机理尚有不少模糊之处.例如非循环光合磷酸化中ATP/NADPH形成的比例究竟是多少?是否符合碳同化之需要?质子区域化是否存在?它与偶联效率的关系如何?质子动力势的各组分都可用于ATP形成,它们在活体内进行反应时究竟各有多少贡献?     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.