晋中盆地苹果树叶片气孔导度的环境响应与模拟

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植物通过气孔实现自身与外部环境的物质交换,气孔导度(gs)是衡量这种交换速率的重要参数,对叶片各项光合生理活动产生影响。自然条件下gs在环境因子变化时会快速产生响应,进而对植物的生理过程进行有效调节,分析gs对环境因素的响应情况,对于解释作物养分利用过程和环境的科学优化具有积极意义。gs的人为观测工作量大,通过数值模拟可以反映其在时空上长时间序列的连续变化,得到学者们的广泛关注。本文以晋中盆地苹果树为例,在分析叶片gs日变化规律的基础上,采用灰色关联度法研究gs与光合有效辐射(PAR)、大气温度(Ta)、叶温(Tl)、叶表面相对湿度(RHl)、空气相对湿度(hs)、CO2浓度(Ca)、饱和水气压亏损(VPD)等环境因子的关联程度,结合具体的趋势变化分析gs与环境因素之间的响应关系,并对结果进行显著性检验。利用Jarvis模型、Ball-Woodrow-Berry(BWB)模型、Ball-Berry-Leuning(BBL)模型以及最优气孔导度(OS)模型模拟苹果树gs,通过引入CO2浓度差(ΔC)和叶气温差(ΔT)对上述四种模型进行修正,得到的主要结论如下:(1)不同年份主要生长季内苹果树叶片gs日变化趋势基本一致,均呈“双峰型”曲线,只是峰值出现的时间节点和变化幅度有所差异。通过灰色关联度分析可知,PAR是影响叶片gs产生变化的最核心环境因子(2019和2021年关联度分别为0.860和0.726)。此外,Ta、Tl也是对gs产生影响的主要因素,其与gs的关联程度略低于PAR(关联度分别为0.699和0.691(Ta)、0.657和0.697(Tl)),而VPD、hs、RHl、Ca等环境因子与gs的关联度较低。不同年份gs对环境因子的响应关系均表现为:gs随PAR、温度因素(Ta、Tl)以及湿度因素(RHl、hs)和Ca的增大呈先上升后下降的趋势,随VPD增大而减小。gs与各环境因子显著性检验结果表明,不同年份PAR、Ta、Tl与gs均呈显著相关,2019年相关性系数分别为PAR(0.546)、Ta(0.520)、Tl(0.518),2021 年相关性系数分别为 PAR(0.676)、Tl(0.653)Ta、(0.571)。而RHl、hs、Ca、VPD与gs的相关性较差,其中VPD与gs呈负相关。(2)2019和2021年,利用Jarvis、BWB、BBL、OS模型对苹果树叶片gs进行模拟,研究结果表明,Jarvis模型拟合精度要优于其他3种模型。其中,2019年Jarvis模型各精度指标系数值:修正效率系数E1(0.637)、修正一致系数d1(0.740)、平均绝对误差 MAE(0.047)以及 2021 年各值E1(0.436)、d1(0.609)、MAE(0.024)在所有模型中均是最优的。改进后的BBL模型拟合精度(2019年E1=0.321、d1=0.682、MAE=0.125;2021年E1=0.415、d1=0.599、MAE=0.029)优于 BWB 模型(2019 年E1=0.319、d1=0.568、MAE=0.146;2021年E1=0.319、d1=0.529、MAE=0.031),说明BBL模型在改进后较BWB模型更适于苹果树叶片gs模拟。OS模型拟合精度相对较差,可能与试验区土壤水分较低的环境条件有关。对Jarvis模型进行参数敏感性检验分析可知,不同年份gs对PAR的敏感系数值(0.192、0.183)均为最高。(3)引入ΔC和ΔT对4种gs模型进行修正,研究结果表明:修正后的Jarvis-C、BWB-C、BBL-C、OS-C、Jarvis-T、BWB-T、BBL-T、OS-T 模型拟合效果均优于原始模型。就整体拟合精度而言,Jarvis-T模型在同一年份不同观测日、不同年份同一生长季的gs数值模拟中,拟合精度较原始模型有较大幅度的提升,因而更适于模拟晋中盆地苹果树叶片gs的日变化、年际变化情况。
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