基于过程的油菜植株根系形态结构模型研究

Taking rapeseed plant as the research object, we intends to use the methods of the growing period observation and the leaf age labeling, plant photosynthesis, biomass, and root morphological parameters analysis technology, to analyze the temporal-spatial change pattern of formation in the rapeseed root main morphological indices (diameter of root-stem, root length, root mean diameter, root surface area, root volume, etc.), and to inquiry the response pattern of biomass in different plant types and different levels of nitrogen treatment; using systematic analysis and mathematical modeling techniques, and the model of the rapeseed root morphological structure and biomass response will be established; and finally, the process-based rapeseed root morphological structural model will be developed by combining with the Rape-CSODS which had been done by our group; using the methods of experiment measurement and adjusting of model parameters, and model statistic test and verification with independent experiment data, and 1:1 chart, etc., the model developed in this study will be further improved and perfected, the response mechanism of the rapeseed root morphological parameters on cultivars and environments will be illustrated. Through the above studies, we will intend to address the following two key scientific issues: (1) the relationships between rapeseed root morphological structure and biomass will be defined, and (2) the response mechanism of rapeseed root morphology on cultivars and environments will be illustrated.

以油菜为研究对象，拟利用生育期观测和叶龄标记方法、植物光合、生物量、根系形态参数分析技术，选取不同株型油菜品种，在不同氮肥水平处理下，分析油菜根系主要形态指标（根茎粗、根长、根平均直径、根表面积、根体积等）形成的时空变化模式, 探究其生物量响应规律；采用系统分析方法和数学建模技术，建立油菜植株根系形态结构生物量响应模型；再与本课题组已有油菜生长模型Rape-CSODS结合，建立基于过程的油菜根系形态结构模型。利用模型参数试验测定与调试、独立试验数据统计检验与校验及1:1作图等方法，分析所建模型精度,进一步改进与完善所建模型，揭示不同株型油菜根系形态参数对品种和环境的响应机理。通过上述研究，拟解决以下两个关键科学问题：(1)明确油菜根系形态结构与生物量间的数量关系；(2)阐明油菜根系形态结构模型的环境响应机理。

根系形态对于油菜地上部生长发育和产量形成具有极其重要的影响，油菜根系形态结构模型是油菜植株形态结构模型的重要组成部分。基于过程的油菜根系形态结构模型可使根系生长模型与根系形态结构模型有机结合，并能使根系形态通过生物量响应品种与环境条件变化，促进功能-结构油菜模型研究。.本项目基于2016-2019年油菜品种氮肥管栽试验，通过测定不同处理条件下油菜根系形态指标(根长、根表面积、根体积、根系平均直径等)和植株地上部(株高、叶面积等)及对应生物量等数据，主要开展了基于同化物分配的油菜根系主要形态参数定量分析及模型表达、油菜根系形态参数与植株地上部生长的定量关系及模型表达和基于过程的油菜根系形态结构模型的构建与模型验证等研究。.通过研究，(1)阐明了油菜根系形态结构对品种与环境的响应机理，建立了基于生物量的油菜根系形态结构模型，在此基础上，进一步明确了根系氮含量与根系形态参数间的定量关系。(2)明确了根系形态参数与植株地上部(株高、叶面积等)生长的定量关系，建立了基于生物量的油菜根系形态结构与植株地上部生长关系模型。(3)明确了单株产量及其产量构成因素与根系形态参数的定量关系，建立了不同生育时期根系形态参数与单株产量关系模型。.明确了不同株型油菜品种和氮肥对油菜根系主要形态指标的影响规律。阐明了不同生育阶段油菜生物量分配规律以及根系形态参数与植株地上部器官生物量间的数量关系及其对环境条件的响应机理。获得了具有较好解释性和较强适用性的基于生物量的油菜根系形态结构模型、基于生物量的油菜根系形态参数与植株地上部(株高、单株叶面积)生长及单株产量等关系模型。油菜根系形态参数响应品种、环境条件及栽培措施等定量与预测规律在于，(1)基于生物量的主根长与侧根长模型LPR(i)= PRB(i)*RPLB(i)、LLR(i)= LRB(i)*RLLB(i)；(2)基于主根长和侧根长的主根表面积与侧根表面积模型SAPR(i)=a2ln(LPR(i))+b2、SALR(i)=a3LLR(i)+b3；(3)基于主根长和侧根长的主根体积与侧根体积模型VPR(i) = a4ln(LPR(i))+b4、 VLR(i) = a5LLR(i)+b5。