三維根系功能-結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建與根區(qū)土壤水分運動的模擬.pdf

1、根系生長于土壤中，再加上其結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性，使得對根系的直接觀測研究十分困難，而借助模型研究根系具有多方面啟發(fā)性和預(yù)見性。根系功能-結(jié)構(gòu)模型通過模擬根系的結(jié)構(gòu)發(fā)生、生理生態(tài)過程以及根系與土壤環(huán)境之間的相互作用，從而精確地模擬根系在土壤空間的生長發(fā)育狀況，并以可視化的方式反映植物根系各組成部分的生長以及植物-土壤相互作用的規(guī)律。本文的主要研究目的是構(gòu)建根系的功能-結(jié)構(gòu)模型，并初步與土壤水分動態(tài)模擬相結(jié)合。主要研究內(nèi)容如下： 1．根

2、系功能-結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建以有效積溫時間間隔作為標(biāo)準(zhǔn)，定義了根系生長發(fā)育的結(jié)構(gòu)單元-根元；采用雙尺度自動機模型描述了根系的結(jié)構(gòu)；采用GREENLAB植物功能-結(jié)構(gòu)模型中處理生物量分配的方式，通過模擬不同根元個體(庫)對植物地上部分配給根系的生物量(源)的競爭，實現(xiàn)生物量在根系中的分配；采用異速生長相關(guān)關(guān)系實現(xiàn)了根個體幾何結(jié)構(gòu)的計算，從而以周期為時間尺度模擬了根系生長發(fā)育的動態(tài)過程。 2．根系空間生長與分布的模擬空間生長取決于組成根系的

3、每個根元。均質(zhì)土壤條件下，根元的始點通過其父根元決定，根元的生長方向由根元的父根元生長方向、根元生長的向性、隨機性因素共同決定，根元長度由根元的幾何結(jié)構(gòu)決定，采用空間向量運算方法計算得到根元的終點，從而實現(xiàn)根系空間生長的模擬。以VOXel元標(biāo)定根系生長區(qū)域，采用空間碰撞檢測技術(shù)實現(xiàn)根元占據(jù)Voxel元的過程，統(tǒng)計各Voxel元中根系的分布，從而實現(xiàn)根系在土壤空間分布的定量化動態(tài)模擬。 3．模型的參數(shù)化、初步評價與模擬分析通過室內(nèi)

4、盆栽試驗對小麥苗期根系結(jié)構(gòu)與生物量進行了測定，獲取了模型參數(shù)，進行了小麥與期根系結(jié)構(gòu)與生物量分配的模擬與分析，并進行了模型參數(shù)靈敏性分析。結(jié)果表明，模型結(jié)構(gòu)處理，對參數(shù)的變化反應(yīng)適中。由室內(nèi)玉米盆栽試驗、文獻資料以及部分設(shè)定的參數(shù)，模擬了玉米根系與棉花根系在整個生長期內(nèi)的個體發(fā)生、結(jié)構(gòu)變化、生物量分配以及空間分布動態(tài)生長過程。 4．根系生長與土壤水分運動相互作用的動態(tài)模擬采用三維水動力學(xué)模型，模擬了了土壤空間含水量的動態(tài)分布過程

5、；采用交替方向的隱格式采取了水分運動方程的數(shù)值解；以根系吸水函數(shù)作為Rchards方程的匯項，模擬了根區(qū)土壤水分動與分布：在Voxel元上，采用空間碰撞檢測方法獲取每個根元生長區(qū)域的土壤含水量，采用電學(xué)阻力模擬法，實現(xiàn)了土壤含水量對根元庫強的動態(tài)校正、對根元生長方向的校正，從而模擬了土壤水分對根系空間生長的影響。 5．系統(tǒng)模擬軟件的實現(xiàn)在Windows操作系統(tǒng)下，采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Visual C++實現(xiàn)了根系生長發(fā)育、空間