WOFOST模型计算LAI的公式及率定的选择

WOFOST计算LAI的公式及率定的选择

1.什么是LAI，如何测量？

WOFOST手册中给出的LAI翻译为：

LAI-----leaf area index (leaf area)/(soil area) (ha ha-1) ，即单位土地面积上叶片的总面积。

《陆地生态系统生物观测规范》（中国生态系统研究网络科学委员会编2007）中可以查得以下关于叶面积指数定义及测定方法的信息：

a.叶面积指数定义

叶面积指数是指一定地面积（投影面积）上所有植物叶面积之和与地面积的比值。是用来估测植物群体生产力的一个必不可少的参数。

b.叶面积指数的测定方法

测定叶面积的方法有直接测定法和间接测定法。

直接测定法可用叶面积仪测定；

间接测定法包括计算纸（方格纸）法、纸重法、称干重法、求积仪法、长宽系数法、拓印法等。

其中，叶面积仪法方便准确，长宽系数法和称重法由于不需要特殊的仪器，经常使用。

长宽系数测定法适用于大中型叶片，整株植物叶片大小相对均匀，且叶片比较规整的植物，但是需要知道特定品种作物的校正系数。

称重法选择标准植株10—20株，刈割后，确定所有叶片的干重，结合实测的比叶面积（单位叶片重量的面积），计算标准植株总叶面积，然后换算成群落的叶面积指数。

2.SWAP-WOFOST计算LAI的公式及其前提假设

a.净增长阶段

在计算叶面积指数时模型需要输入的相关参数如下：

1.出苗时叶面积指数（LAIEM）；

2.叶面积指数最大相对增长速率（RGRLAI）；

3.比叶面积（SLA）；

4.茎和储存器官的绿色面积指数（SPA、SSA）

在叶片生长的初始阶段叶片外形和最终叶片大小受温度的限制，主要受到细胞分裂和延展的影响而非同化物的供应。较高的温度会加快生长发育，导致生长期缩短，对于相对较宽的温度范围，生长速率或多或少与温度呈线性反应（Hunt et al，1985; Causton and Venus，1981; Van Dobben，1962），因此，WOFOST使用温度和来描述温度对初始生长阶段的影响。。在这个所谓的指数生长阶段，叶面积指数的增长速度w LAI（ha ha-1 d-1）计算公式如下：

是叶面积指数最大相对增长速率（℃-1 d-1），有效温度T eff 其中的w LAI

，max

根据日平均气温计算，各作物及地区的取值不同，需要用户指定其与日平均气温的关系。

WOFOST假设叶面积指数的指数阶段增长速率将持续到等于受同化物供应限制下的叶面积指数增长速率，在此之后叶面积增长速率又进入了第二阶段

（源限制生长阶段），此时wLAI计算公式如下：

其中S la是比叶面积，w net,leaf是叶片干物质的量。

除叶片外，茎和储存器官的绿色部分也可能吸收大量的辐射。因此，在计算叶面积指数时会在叶片基础上加上所谓的绿色部分的面积指数。茎和储存器官的绿色面积指数由器官的干物质重量计算：

S ga,i是茎或储存器官的比绿色面积（ha kg-1），应由用户输入。

b.衰老阶段

模型计算时储存器官的死亡率假定为零。茎和根的死亡率是作物特性，定义为不再参与植物过程的生物量的常量，即用户规定的发育阶段的函数。

叶片的死亡率比较复杂。叶片由于水分胁迫，遮光（LAI值高的时候）等原因而发生衰老，也有寿命衰老的原因。

水分胁迫引起的叶片潜在死亡率（kg ha-1 d-1）的计算公式如下：

W leaf是叶片干物质重量（kg ha-1），Ta和Tp分别是实际和潜在的蒸腾速率（cm d-1），ζleaf

是水分胁迫下叶片的最大相对死亡率（kg kg-1d-1），这个

，p

值根据不同作物取值不同，应该由用户指定。

由上述衰老阶段水分胁迫下的叶面积指数计算可以看到叶面积相对死亡速率与水分胁迫有关：Ta/Tp越小，水分胁迫程度越大，叶片死亡速率越大，特定生育期叶面积指数越小。

也就是说，叶面积指数受灌溉影响，灌溉量越小，叶面积指数越小，并且会进一步影响到计算E p和T p，叶面积指数减小，E p增加，T p减少。

（kg ha-1 d-1），其从由于叶片自己的阴影遮光引起的潜在死亡率ζleaf

，shade

临界叶面积指数LAIc（- ）0线性增加到最大值2LAI，计算如下：

其中LAIc = 3.2 /κdf。ζleaf

和LAI c的典型值分别为0.03 d-1和4 m2m-2

，p

（Spitters等，1989）。

WOFOST使用ζleaf，water和ζleaf,shade的最高值的组合来反映水分胁迫和叶片间相互遮光对于叶面积指数的影响。

即便没有水分胁迫或相互遮光而造成的过早死亡，叶片也会不可避免地因为叶子的寿命超标而死亡。寿命定义为叶片在35°C的恒定温度下可以生活的最大时间。每天计算生理衰老因子（f）age（- ）：

T b，age为生理衰老的最低阈值（°C），这是作物特性，应由用户提供。

生理衰老因子随时间的累积产生生理年龄，P age（d）计算如下：

为了校正叶片衰老，每天的特定叶面积Sla j（ha kg-1）、每天叶片干物质重量w leaf和叶片生理年龄P age存储在3个相应的矩阵。数组的第一个元素表示最近一天，数组的最后一个元素代表最早的一天。

由于水分胁迫或相互阴影遮光而在一天内死亡的叶子的重量从最老的叶片

的重量中减去。当衰老大于最老叶片中的可用量时，剩下的衰老从下一个最老

的叶片中减去以此类推，直到衰老量完全消失或者叶子的剩余量变为零。叶片

可以最大限度地达到作物生命周期界定的年龄。

综上，在叶片净增长阶段，影响叶面积指数的主要是温度，在叶片衰老阶段，影响叶面积指数的主要是水分。我们的情景模拟主要是改变了灌溉量，因此在不同灌溉制度的情景模式下应该各率定一套参数更能反映不同情境下水稻的生长状况，或者说常规灌溉率定、节水灌溉验证，如果这样效果不错就说明能反应真实的水稻作物生长。

3.参数率定时的选择依据

1.用WOFOST模拟作物生长时为什么率定的时候要对LAI、生物量、产量？

SWAP模型输出文件主要包括.bal文件、.blc文件、.inc文件、.crp文件、.irg 文件、.wba文件、.sba文件、.str文件、.vap文件，其中和作物生长有关的.crp 文件输出的信息包括生育时期、叶面积指数、株高、根长、累积相对蒸腾、累积相对产量、潜在干物质重量、实际干物质重量、潜在产量、实际产量。

以上各项均可以作为率定的目标函数来判断作物参数的设定是否能够仿真，但在实际的数据收集及输入时：

●收集到的实测株高动态数据及生育期日期已经在模型中作为输入，因此

不以此为目标函数进行率定（若计算时选择输入的是作物系数，其实株

高也可以作为目标函数进行参数的率定）。

●一般叶面积指数、根长、实际干物质重量、实际产量能够收集到田间实

测数据，即可以分布以这4项作为目标函数进行作物参数的率定（建三

江能够收集到的主要是水稻叶面积指数、地上部干物质重量及实际产

量）。

此外，接近实际的叶面积指数不仅可以良好的反应作物生长状况，SW AP模型在计算E p、T p、降雨截留等参数时也会计算的更准确。而作物文件各输入参数中与LAI相关的是初始叶面积指数（LAIEM）和叶面积指数最大相对增长速率（RGRLAI），率定时根据试验站点实测的叶面积指数对这两个参数进行调整。