【摘要】：水稻是我國主要的糧食作物之一,合理的株型選育對水稻產量的提高有著十分重要的作用。水稻功能-結構模型的構建可將水稻生長發(fā)育過程與其結構特征相結合,為水稻育種和田間管理調控等提供數(shù)字工具。本研究選用三個株型差異明顯的水稻材料(TQ、YIL55和PAY1)分別在兩個不同緯度地區(qū)(北京和三亞)種植。通過田間原位三維數(shù)字化技術測定并重建了水稻的三維靜態(tài)結構模型,并利用ORYZA2000模型對三個株型水稻材料在兩個緯度地區(qū)的生長發(fā)育進行模擬與評價�；谝陨瞎ぷ�,結合田間試驗數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)在GroIMP平臺構建水稻功能-結構耦合模型G-ORY,并通過內嵌的模塊實現(xiàn)光分布計算及可視化,改進ORYZA2000的光模塊。最后,基于C-ORY模型定量評估了三個株型水稻在兩個緯度地區(qū)的冠層光分布差異,為水稻的株型設計及良種選育提供科學依據(jù)。主要結論如下:(1)利用三維數(shù)字化技術重建水稻的靜態(tài)三維結構模型,基于此模型統(tǒng)計了三個株型材料在三個關鍵生育期及在兩個緯度地區(qū)的器官空間分布規(guī)律。結果表明:就葉/基方位角而言,TQ在拔節(jié)期葉/莖基方位角分布均勻,抽穗期向東-南方向分散,灌漿期分別偏移至240°～30°和240°～60°的平面內;PAY1與TQ相似,但其在拔節(jié)期葉/莖基方位角呈現(xiàn)分散狀態(tài)。與TQ和PAY1相比,YIL55在全生育期內葉/莖基方位角分布更加均勻。就莖葉夾角和莖傾角而言,YIL55的莖葉夾角較大且分布均勻,莖傾角分布均勻且披散(分別在50°、30°和20°附近);TQ和PAY1在拔節(jié)期分布在0°～30°和0°～35°范圍,抽穗期主要分布在0°-10°;比較三個材料在北京和三亞的方位分布可知,抽穗后期TQ和PAY1的莖方位角在兩個地區(qū)呈現(xiàn)相反方向分布的趨勢,莖傾角在三亞分布更均勻。(2)基于葉角及方位數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果,在GroIMP平臺構建了水稻的動態(tài)結構模型。該模型可動態(tài)模擬不同太陽位置、不同時刻及不同天氣條件下的冠層光合有效輻射(photosynthetically active radiation,PAR)、器官發(fā)生隨發(fā)育期的變化及其形態(tài)結構。利用OpenGL模塊實現(xiàn)水稻冠層空間結構的虛擬三維動態(tài)可視化。(3)基于三個水稻材料在2012～2014年北京和三亞的田間試驗,對ORYZA2000模型進行了參數(shù)校準及驗證,并利用"試差法"校準消光系數(shù)值。結果表明:YIL55的發(fā)育速率、干物質分配系數(shù)及消光系數(shù)與TQ和PAY1均存在差異;三個材料在兩個地區(qū)的發(fā)育速率和干物質分配系數(shù)差異明顯;TQ和PAY1的消光系數(shù)值與模型默認材料IR72相同,YIL55在拔節(jié)期前消光系數(shù)值較低。模型驗證結果表明,有超過85%的地上部各器官生物量模擬值與實測值間的決定系數(shù)大于 0.95,歸一化均方根誤差(Normalized Root Mean Square Error,NRMSE)在6%～25%范圍內,說明經參數(shù)校準后的ORYZA2000可準確模擬三個水稻材料在兩個緯度地區(qū)的生長發(fā)育過程。(4)基于水稻動態(tài)結構模型和參數(shù)校準后的ORYZA2000模型,結合田間實測數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù),在GroIMP平臺構建水稻的功能-結構耦合模型G-RY,實現(xiàn)了模型間的優(yōu)勢互補。結果表明:G-ORY相較ORYZA2000,在水稻冠層光分布模擬方面能夠定量表達更豐富的信息,例如G-ORY可精確表達相似株型(如TQ和PAY1)之間的光分布差異,且能夠真實反映特殊株型水稻其冠層光分布在高度間的不均勻性(如YIL55頂部器官吸收的PAR明顯大于中下部的吸收量)。不同株型間的光分布比較表明,在發(fā)育前期,材料PAY1在各節(jié)位的光分布比較均勻,而TQ和YIL55的光截獲則主要集中于頂部葉片;在發(fā)育中后期,三個材料的光截獲均以頂部葉片為主導,每株劍葉的平均截光量大小為:PAY1(175.54kJ)TQ(89.71 kJ)YIL55(44.35kJ);對于底部葉片而言,由于TQ和PAY1株型較為直立,因此較之YIL55可使更多的光到達冠層底部被吸收利用。(5)定量評價了耦合模型G-ORY在PAR、CO2同化速率、器官干重、葉面積指數(shù)、有效分蘗個數(shù)及器官形態(tài)結構等多方面的模擬效果。與ORYZA2000的模擬值比較結果表明:G-ORY對三個水稻材料在兩個不同緯度地區(qū)的光合有效輻射、CO2同化速率、器官干重和葉面積指數(shù)的模擬值與其處于同一水平(平均NRMSE為19±7%),說明G-ORY能夠準確計算冠層光分布與同化物生產,并能較好的反映水稻地上部各器官干重及葉面積指數(shù)量隨發(fā)育時間的動態(tài)變化過程。與實測值比較結果表明:G-ORY對器官形態(tài)結構的模擬值與實測值處于相同水平擬合度較高(NRMSE為23%,各相對節(jié)元位置的平均相對誤差小于20%),其中葉鞘和節(jié)間長度模擬精度較高,但對于某些相對節(jié)位的葉片形態(tài)模擬存在誤差。(6)基于G-ORY,討論并分析了株型和緯度因子對水稻冠層光分布及光合作用的影響。結果表明:就株型而言,PAY1突變體的株型結構為最佳(日吸收PAR最大可達10.92 kJ m-2 d-1),在相同光環(huán)境下能夠截獲更多的光能,TQ次之(最大為10.00 kJ m-2 d-1),YIL55最小(最大為7.18kJ m-2d-1);就緯度而言,由于中緯度地區(qū)夏季溫度更適宜水稻生長、日照更充分,且具有更低的太陽高度角等特性,因此更有利于水稻冠層進行光合作用,提高產量,尤其是直立葉株型(TQ和PAY1在三亞的最大光合有效輻射依次減小了 35.82%和10.44%);而對于匍匐型水稻材料YIL55而言,其株型較為披散,在太陽高度角較高的光環(huán)境下能獲得較多的光能,因此在中緯度或低緯度地區(qū)種植均可,差異不大(三亞極大值較北京增加了 5.01%)。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S511

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 吳楊煥;賈彪;李杰;楊平;柴順喜;陳銳;張斌;馬富裕;;不同密度棉花群體冠層光合有效輻射的時空分布特征[J];西北農業(yè)學報;2016年01期

2 Jingting Zhang;Liping Feng;Haiping Zou;De Li Liu;;Using ORYZA2000 to model cold rice yield response to climate change in the Heilongjiang province, China[J];The Crop Journal;2015年04期

3 李小朋;王術;黃元財;賈寶艷;王巖;曾群云;;株行距配置對齊穗期粳稻冠層結構及產量的影響[J];應用生態(tài)學報;2015年11期

4 Longping Yuan;;Development of Super Hybrid Rice for Food Security in China[J];Engineering;2015年01期

5 徐利鋒;危揚;丁維龍;Gerhard Buck-Sorlin;程志君;;基于GroIMP的水稻功能與結構仿真模型研究[J];系統(tǒng)仿真學報;2013年07期

6 王蕓蕓;溫維亮;郭新宇;趙國輝;陸聲鏈;肖伯祥;;煙草地上部植株三維重構與可視化[J];中國農業(yè)科學;2013年01期

7 康孟珍;;植物功能結構模型研究的回顧與展望[J];系統(tǒng)仿真學報;2012年10期

8 黃敬峰;陳拉;王秀珍;;水稻生長模型參數(shù)的敏感性及其對產量遙感估測的不確定性[J];農業(yè)工程學報;2012年19期

9 王蕓蕓;溫維亮;郭新宇;趙國輝;陸聲鏈;肖伯祥;;基于球B樣條函數(shù)的煙草葉片虛擬實現(xiàn)[J];農業(yè)工程學報;2011年01期

10 王會民;歐陽由男;劉法謀;朱練峰;禹盛苗;金千瑜;;株型對水稻光能利用效率影響的研究進展[J];中國稻米;2010年05期

相關博士學位論文 前3條

1 趙磊;水稻株型與產量控制基因PAY1的克隆與功能分析[D];中國農業(yè)大學;2015年

2 華珊;PROG1基因與緯度因子對水稻冠層結構及光分布影響的定量化評價[D];中國農業(yè)大學;2015年

3 宋有洪;玉米生長的生理生態(tài)功能與形態(tài)結構并行模擬模型[D];中國農業(yè)大學;2003年

，

本文編號：2369246