基于L-系统的功能-结构油菜模型研究

以油菜地上部植株器官(叶、茎、花及角果)为研究对象，拟利用3D数字化分析、植物光合分析与系统分析等方法、数学建模及L-系统等技术，选取不同株型油菜品种，在不同水、氮和密度水平下，通过油菜作物地上部植株器官形态(长、宽或直径、角度)及对应器官生物量与同化物分配过程的信息提取，研究油菜地上部植株器官同化物分配和生物量形成规律及其与形态结构特征间关系的时空变化模式；采用基于过程的模型方法，研究油菜地上部植株形态与生物量之间的数量关系及品种、环境响应，建立油菜地上部植株器官的同化物分配和生物量形成模型、基于生物量的油菜形态模型以及基于L-系统的油菜植株拓朴结构模型，确定与验证已有油菜作物生长模型参数，采用将油菜形态模型与生长模型相耦合的技术途径形成功能-结构油菜模型。通过上述研究，拟解决以下两个关键科学问题：(1)油菜地上部植株器官同化物分配与生物量形成规律，(2)油菜形态模型的环境响应机理。

项目的背景:油菜是世界上最重要的油料作物之一，种植面积达1800-3000万公顷。我国油菜种植面积600-700万公顷，总产量1000-1300万吨，是仅次于稻、麦、玉米的第4大作物。无论是高产品种选育，还是配套技术提升，都与株型设计与调控密不可分。.主要研究内容:本项目通过研究不同株型油菜地上部植株形态结构与生物量之间的数量关系及其水氮与密度响应，建立不同发育阶段油菜植株器官生物量分配模型、基于生物量分配与环境响应的油菜植株形态模型、基于L-系统的油菜地上部植株拓扑结构模型以及功能-结构油菜模型，通过生物量对环境的响应揭示油菜形态结构模型的环境响应机理。.重要结果:1. 探明了油菜植株形态结构与生物量间关系，构建了基于生物量的油菜苗期叶片形态结构参数模型；2. 验证与完善本项目组已有油菜生长模型，确定氮素影响因子；3. 揭示油菜主茎叶片形态结构与叶色对品种和环境因子响应机理；4.通过油菜形态结构模型与油菜生长模型结合，初步建立功能-结构油菜地上部模型，实现油菜地上部形态结构对品种与环境条件响应。.关键数据及其科学意义:阐明油菜植株器官形态（长、宽、角度等）生长与环境条件及栽培措施等定量与预测规律。揭示油菜植株器官形态生长与环境条件及栽培措施等定量规律是基于油菜植株器官形态（长、宽、角度等）生长速率由品种遗传特性与环境因素决定，其定量本质是植株器官干物质分配与积累。油菜生长与环境条件及栽培措施等定量与预测规律在于，（1）油菜群体发育速度定量预测模型dPj / dt = f（DSj）•f（Ej），是植株器官形态发生和肥、水、病虫精确调控时标；油菜群体叶片生长速率定量预测模型dLj /dt = DLoj •(Tt/To)La/Lb；油菜群体动态定量预测模型W(t)= W(t-1) +△W(t)、LAI(t)=LAI(t-1)+ΔLAI(t) 、TILN(t) = TILN(t-1) + △TILN(t)；（2）油菜植株器官形态（长、宽、角度等）生长速率定量预测模型dOj / dt = f（DWSj），是株型选择与栽培调控定量新指标。首次提出油菜比叶长重（RLW）、干重分配系数（CPLB）、比叶切角（RTW）和比叶弦角（RBW）四个油菜形态结构特征参数。（3）功能结构油菜模型实现了油菜形态结构模型与油菜生长模型的结合，以及油菜地上部形态结构对品种与环境条件的响应。