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第一篇 生物圈与植物的生态环境3

1 生物圈与其他圈层的关系3

1.1 地球表层系统与生物圈的基本概念4

1.1.1 地球表层系统概论4

1.1.2 地球生物圈的基本特征4

1.1.3 生物圈与其他圈层间的相互作用5

1.1.4 生物圈中的植物及其生态环境7

1.2 大气圈与植物的气象环境8

1.2.1 大气圈的结构与成分8

1.2.2 大气圈的辐射平衡与植物的辐射环境11

1.2.3 大气圈的能量平衡与植物的温度环境16

1.2.4 大气的湍流运动与植物的风环境18

1.3 水圈与植物的水环境21

1.3.1 地球的水圈与水资源21

1.3.2 植物的水环境22

1.4 岩石圈与植物的土壤环境29

1.4.1 岩石圈和土壤圈29

1.4.2 植物的土壤环境32

1.4.3 土壤养分的有效性及其对植物的影响34

1.5 生物圈及其植物的生物环境36

1.5.1 生物圈的进化36

1.5.2 植被群落与生态系统36

1.5.3 植物的生物环境37

1.6 植物与环境间的相互作用关系38

1.6.1 环境因子对植物的作用38

1.6.2 植物对环境变化的适应性40

1.6.3 植物及植物群落与环境的协同进化42

参考文献43

第二篇 植物的气孔行为及气孔导度的模拟模型2 气孔行为的生理生态学基础47

2.1 植物叶片的结构与气孔分布48

2.1.1 植物的叶片结构48

2.1.2 气孔的形态、构造及其频度49

2.1.3 植物气孔的进化与生态适应性50

2.2 气孔开闭运动及其机理51

2.2.1 气孔开闭运动51

2.2.2 气孔开闭运动的化学调节机制52

2.2.3 环境因子影响气孔开度的生理反应55

2.3 气孔导度的概念和计算方法57

2.3.1 叶面的水汽扩散通量与气孔导度58

2.3.2 叶面的CO2扩散通量与气孔导度60

2.3.3 气孔导度的单位60

2.4 气孔导度对环境因子变化的响应61

2.4.1 气孔导度对光环境的响应62

2.4.2 气孔导度对湿度环境的响应63

2.4.3 气孔导度对水分环境的响应63

2.4.4 气孔导度对温度环境的响应64

2.4.5 气孔导度对CO2浓度环境的响应65

2.5 气孔导度的时间和空间变异性66

2.5.1 气孔导度的日变化66

2.5.2 气孔导度的季节和年际变化67

2.5.3 叶位间气孔导度的垂直分布69

2.5.4 叶两面的气孔导度比的变异性71

2.5.5 不同环境下物种间气孔的变异性72

参考文献73

3 气孔导度的环境响应及其模拟79

3.1 气孔导度对环境因子变化的响应函数80

3.1.1 气孔开度的一般模型80

3.1.2 气孔导度对光环境的响应81

3.1.3 气孔导度对湿度环境的响应82

3.1.4 气孔导度对水分环境的响应83

3.1.5 气孔导度对温度环境的响应84

3.1.6 气孔导度对CO2浓度的响应85

3.2 多环境变量的气孔导度模型86

3.2.1 2变量的环境模型86

3.2.2 多变量回归模型89

3.2.3 多变量乘合模型91

3.3 其他类型的气孔导度模型94

3.3.1 日尺度的时间变量模型94

3.3.2 季节变化的时间变量模型94

3.3.3 光合作用-气孔导度耦合模型94

3.4 气孔导度对环境因子变化响应的复杂性及其模拟95

3.4.1 在长时间尺度和日变化尺度上气孔对环境变化的响应特性96

3.4.2 气孔的开-闭过程对环境变化的非对称响应101

3.4.3 气孔导度与环境要素变化及其他生理过程间反馈关系的复杂性103

3.4.4 群落尺度气孔行为的复杂性105

参考文献106

4 环境变量函数乘合的气孔导度模型112

4.1 环境变量函数乘合模型的提出与发展113

4.1.1 多环境变量函数乘合模型的基本假设113

4.1.2 多变量函数乘合模型的构建和参数化方法113

4.1.3 多变量函数乘合模型的应用和发展114

4.2 环境变量函数乘合模型的优化115

4.2.1 模型优化问题的提出115

4.2.2 模型优化的方法和程序115

4.2.3 优化模型在玉米气孔导度模拟中的应用118

4.3 基于气孔导度对环境变化多尺度响应的组合模型125

4.3.1 建立组合模型的基本思路125

4.3.2 构建组合模型的方法125

4.3.3 组合模型的生物学机制127

4.4 组合模型在玉米气孔导度模拟中的应用129

4.4.1 PSC模型的建立129

4.4.2 RDO模型的建立130

4.4.3 气孔导度组合模型的建立及其应用132

4.4.4 组合模型的估算精度135

4.5 组合模型的应用及其验证137

4.5.1 组合模型在水分胁迫条件下的应用137

4.5.2 组合模型在生态系统水碳通量模拟中的应用139

参考文献145

第三篇 植物光合作用及其模拟模型149

5 植物光合作用的生理生态学基础149

5.1 高等植物光合作用的细胞器150

5.1.1 叶绿体的功能与结构150

5.1.2 叶绿体的色素成分与功能152

5.1.3 影响叶绿素形成的环境条件154

5.2 植物光合作用的生物化学过程156

5.2.1 光能的吸收与传递156

5.2.2 光化学反应与电子传递158

5.2.3 光合磷酸化作用161

5.2.4 CO2的固定和还原162

5.3 C3植物和C4植物光合作用的差异166

5.3.1 叶的解剖特征167

5.3.2 环境适应性167

5.3.3 CO2补偿点与光合效率169

5.3.4 光呼吸170

5.4 光合作用的环境控制机制171

5.4.1 光172

5.4.2 温度173

5.4.3 水分175

5.4.4 CO2浓度176

5.4.5 矿质元素177

5.4.6 环境因子的综合作用179

5.5 光合作用和生态系统生产力的人为调控180

5.5.1 调节植物的环境条件、提高植物的光合强度181

5.5.2 控制植物自养呼吸、提高净光合强度182

5.5.3 提高群体的光能利用率、增加生态系统生产力183

5.5.4 调节光合产物的分配、提高植物产品的经济价值185

参考文献187

6 植物光合作用的环境响应模型189

6.1 植物光合作用对光的响应模型190

6.1.1 光合作用对光响应的主要特征190

6.1.2 光合作用-光响应曲线的数学模型192

6.1.3 光合作用光响应曲线模型的应用194

6.2 植物光合作用对CO2浓度的响应模型199

6.2.1 光合作用对CO2浓度响应的主要特征199

6.2.2 光合作用的CO2响应曲线的数学模型201

6.2.3 光合作用的CO2响应曲线模型的应用201

6.3 植物光合作用对温度的响应模型205

6.3.1 光合作用对温度的响应特征205

6.3.2 光合作用对温度的响应模型206

6.3.3 光合作用对温度的响应的变异性209

6.3.4 光合作用模型参数对温度的响应210

6.4 植物光合作用对水分的响应211

6.4.1 水分对光合作用的影响211

6.4.2 光合作用对水分的响应211

参考文献215

7 植物光合作用的生物化学模型218

7.1 植物光合作用生物化学模型概论219

7.1.1 光合作用生物化学模型的发展219

7.1.2 不同碳同化途径的光合作用生物化学模型概述219

7.1.3 RuBP羧化／加氧酶催化的生物化学过程的模拟223

7.2 C3植物单叶光合作用的生物化学模型226

7.2.1 叶绿体水平上光合作用关键过程的定量描述227

7.2.2 光合作用模型从叶绿体水平向叶片水平的扩展231

7.3 C4植物单叶光合作用的生物化学模型234

7.3.1 C4植物光合模型的概述234

7.3.2 ICT模型235

7.3.3 Collatz模型236

7.4 植被冠层的光合作用模型及其应用239

7.4.1 植被冠层的光合作用模拟239

7.4.2 植被冠层光合作用模型的应用243

7.4.3 植被冠层光合作用模型发展中所存在的问题245

参考文献246

8 植物光合作用与生态系统碳平衡250

8.1 植物光合作用在地球生物圈中的作用251

8.1.1 陆地生态系统碳循环的气候学和生态学意义251

8.1.2 光合作用的有机物生产252

8.1.3 光合作用的光能转化及其生物能源的应用253

8.1.4 光合作用的碳固定及其在碳平衡中的作用254

8.1.5 光合作用的空气净化功能及对大气O2和CO2平衡的维持255

8.1.6 光合作用对地球生命系统维持和生物进化的贡献255

8.2 植物光合作用与生态系统物质生产的基本过程256

8.2.1 生态系统的基本结构和功能256

8.2.2 生态系统生产力及其形成的基本过程256

8.2.3 生态系统经济产量及其形成过程257

8.2.4 光合作用与作物产量的关系258

8.3 作物生产潜力及其估算模型258

8.3.1 光合生产潜力259

8.3.2 光-温生产潜力260

8.3.3 光-温-水生产潜力260

8.3.4 作物生产潜力研究的发展趋势261

8.4 生态系统的光合作用与碳平衡262

8.4.1 主要类型生态系统的碳平衡与碳汇功能262

8.4.2 生态系统碳平衡组分间的定量关系268

8.4.3 全球和重要区域陆地生态系统的碳平衡269

8.5 植被光合生产力和陆地碳源汇格局270

8.5.1 植被光合生产力和陆地碳源汇的空间格局特征271

8.5.2 植被光合生产力和陆地碳源汇动态变化特征272

8.5.3 植被光合生产力和陆地碳源汇时空格局变化的主控因子275

8.6 区域生态系统的物质生产和碳汇管理282

8.6.1 生态系统物质生产和碳汇管理的基本途径282

8.6.2 生态系统物质生产和碳循环的过程管理284

8.6.3 生态系统物质生产和碳循环的空间格局管理286

参考文献289

第四篇 植物蒸腾作用及模拟模型295

9 植物蒸腾作用的生理生态学基础295

9.1 土壤的水分特性及运动296

9.1.1 土壤的水分特性296

9.1.2 土壤中水流运动的基本方式300

9.1.3 土壤水运动的导水率及其模型302

9.2 植物体内的水分及其动态平衡308

9.2.1 植物体内水分的状态309

9.2.2 植物体内的水分平衡309

9.3 植物细胞对水分的吸收310

9.3.1 细胞吸水的动力及方式310

9.3.2 细胞的水势311

9.3.3 细胞对水分的吸收过程312

9.4 植物根系对水分的吸收312

9.4.1 根系的分布及环境影响312

9.4.2 根系吸水的途径313

9.4.3 根系吸水的动力和吸水过程314

9.4.4 根系的吸水速率及影响因子314

9.5 植物体内的水分运输及分配316

9.5.1 木质部的水分运输316

9.5.2 水分传导的速率316

9.6 植物蒸腾作用的生理生态过程317

9.6.1 蒸腾作用的相关指标317

9.6.2 蒸腾途径与气孔扩散的边缘效应318

9.6.3 影响蒸腾作用的外部和内部条件319

9.7 植物蒸腾作用的生理生态调节320

9.7.1 蒸腾作用的气孔调节320

9.7.2 植物叶片的形态和生态调节321

9.7.3 植物生境的调节321

9.7.4 蒸腾抑制剂及应用322

参考文献322

10 SPAC系统的水分运动及其根系的水分吸收324

10.1 SPAC系统的概念及其发展325

10.1.1 SPAC系统的基本概念325

10.1.2 SPAC内水分运动研究的意义325

10.2 SPAC系统内的能量分布327

10.2.1 大气的水势327

10.2.2 土壤的水势327

10.2.3 植物的水势328

10.2.4 SPAC中的水分能量梯度329

10.3 SPAC水分运动的阻力及空间分布330

10.3.1 水分运动的阻力分布模型331

10.3.2 SPAC中各种阻力之间的关系333

10.3.3 SPAC中各种阻力的相对重要性338

10.4 植物的根系分布和水分吸收339

10.4.1 植物根长密度分布及模拟340

10.4.2 植物根系的水分吸收及其模拟342

参考文献345

11 植物的蒸腾作用与生态系统水分平衡347

11.1 植物蒸腾在水圈、生物圈和社会经济发展中的作用348

11.1.1 植物蒸腾在维持全球水圈功能中的作用348

11.1.2 植物蒸腾在维持生物圈功能中的作用348

11.1.3 植物蒸腾在维持人类社会与经济发展中的作用349

11.2 植被蒸散的基本特征350

11.2.1 植被蒸散的基本特征350

11.2.2 植被蒸散的日变化351

11.2.3 植被蒸散的季节变化351

11.2.4 植被蒸散的年际变化352

11.2.5 水分胁迫条件下的蒸散变化规律与调亏灌溉理论353

11.3 影响植被蒸散的生物因素和环境因素354

11.3.1 植被性状对蒸散的影响354

11.3.2 大气水分状况对蒸散的影响355

11.3.3 热量因素对蒸散的影响357

11.3.4 土壤因素对蒸散的影响357

11.4 植被蒸散的估算方法358

11.4.1 经验公式法358

11.4.2 基于蒸散机理的模型法359

11.5 生态系统水平衡、生态需水和水资源管理363

11.5.1 生态系统水平衡的基本概念363

11.5.2 农田生态系统的水平衡363

11.5.3 草地生态系统的水平衡364

11.5.4 森林生态系统的水平衡364

11.5.5 湿地生态系统的水平衡364

11.5.6 生态需水的基本概念和估算方法365

11.5.7 生态系统水资源管理的基本途径365

参考文献366

第五篇 植物的水分利用及其模拟模型366

12 水分利用效率的生理生态学基础371

12.1 水分利用效率的基本概念及研究意义372

12.1.1 水分利用效率的核心内涵372

12.1.2 水分利用效率研究的意义372

12.2 水分利用效率的常见定义373

12.2.1 农学研究中的水分利用效率373

12.2.2 植物生理学研究中的水分利用效率374

12.2.3 生态学研究中的水分利用效率376

12.3 水分利用效率相对保守性的生理生态学基础377

12.3.1 叶片光合-蒸腾耦合关系与水分利用效率377

12.3.2 生态系统水碳耦合关系与水分利用效率379

12.3.3 干物质产量-耗水量关系与水分利用效率380

12.3.4 区域碳平衡-水平衡的关系与水分利用效率381

12.4 水分利用效率变异性的生理生态学基础382

12.4.1 植物的碳同化途径对水分利用效率的影响382

12.4.2 植株结构与形态对水分利用效率的影响383

12.4.3 CO2浓度对水分利用效率的影响384

12.4.4 大气水分条件对水分利用效率的影响384

12.4.5 土壤水分条件对水分利用效率的影响385

12.4.6 温度对水分利用效率的影响385

12.4.7 营养条件对水分利用效率的影响386

12.4.8 多环境因子复合作用的影响386

12.4.9 不同功能群植被水分利用效率的差异387

12.5 提高植物水分利用效率的生理和生态途径388

12.5.1 提高植物水分利用效率的生理途径388

12.5.2 提高植物水分利用效率的生态途径389

参考文献390

13 植物光合、蒸腾和水分利用效率的变异性393

13.1 叶片尺度植物光合、蒸腾和水分利用效率的变异性394

13.1.1 物种间的光合、蒸腾和水分利用效率的变异性394

13.1.2 品种间的差异395

13.1.3 植物光合、蒸腾和水分利用效率的日变化397

13.1.4 植物光合、蒸腾和水分利用效率的季节变化400

13.1.5 施肥对植物光合速率、蒸腾速率和水分利用效率的影响401

13.1.6 水肥耦合处理对作物光合速率、蒸腾速率和水分利用效率的影响403

13.2 生态系统光合、蒸散和水分利用效率的变异性405

13.2.1 生态系统光合、蒸散和水分利用效率的日变化405

13.2.2 生态系统光合、蒸散和水分利用效率的季节变化407

13.2.3 样带尺度的水分利用效率的变化408

13.3 叶片水分利用效率对环境变化的响应409

13.3.1 水分利用效率对光的响应特征410

13.3.2 水分利用效率对CO2浓度的响应特征414

13.3.3 水分利用效率对光强和CO2浓度协同作用的响应417

13.4 不同生态系统的水分利用效率对环境变化的响应422

13.4.1 森林生态系统水分利用效率及其控制机制422

13.4.2 草地生态系统水分利用效率及控制机制425

13.5 植物水分利用效率对环境变化的适应策略426

13.5.1 不同尺度水分利用效率的差异426

13.5.2 植物的环境适应策略对水分利用效率的影响426

13.5.3 植物对CO2浓度变化的短期响应与长期适应427

13.5.4 植物水分利用效率的变异性与保守性机制427

参考文献428

14 基于气孔行为的光合-蒸腾耦合模型及水分利用效率模型433

14.1 植物光合-蒸腾耦合模型研究概要434

14.2 植物光合-蒸腾耦合模型435

14.2.1 蒸腾作用和光合作用模型435

14.2.2 气孔导度模型436

14.2.3 光合-蒸腾耦合模型436

14.2.4 水分利用效率模型438

14.3 SMPTSB模型的参数确定与检验438

14.3.1 内部导度的模拟438

14.3.2 气孔导度的模拟438

14.3.3 净光合速率的估算440

14.3.4 蒸腾速率的估算441

14.3.5 水分利用效率的模拟443

14.4 SMPTSB过程机理的讨论443

14.4.1 内部导度的概念443

14.4.2 光合速率与各种导度和CO2浓度梯度的关系444

14.4.3 控制光合和蒸腾的因子446

14.5 SMPTSB模型在环境胁迫条件下的应用449

14.5.1 环境胁迫条件下的内部导度模拟449

14.5.2 环境胁迫条件下净光合速率和蒸腾速率的模拟450

14.5.3 环境胁迫条件下水分利用效率的模拟452

14.6 SMPTSB模型在树木上的应用454

14.6.1 内部导度的模拟454

14.6.2 净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率的模拟455

14.7 SMPTSB模型在冠层尺度上的应用457

14.7.1 模型在冠层上应用的基本假设457

14.7.2 SMPTSB模型在农田生态系统中的应用457

14.7.3 SMPTSB模型在森林生态系统中的应用462

参考文献465

第六篇 生态系统水碳过程的区域模式471

15 基于EALCO模型的典型生态系统光合-蒸腾耦合关系分析471

15.1 EALCO模型简介472

15.1.1 能量传输过程472

15.1.2 水传输过程473

15.1.3 植物及土壤碳氮过程475

15.2 基于EALCO模型的生态系统生产力模拟分析479

15.2.1 冠层温度和冠层水势对叶片光合的影响479

15.2.2 生态系统呼吸各组分的模拟481

15.3 基于EALCO模型的蒸散模拟分析483

15.3.1 蒸散的模拟与其他相关研究的关系483

15.3.2 根系吸水与冠层的蒸腾作用484

15.3.3 植物水储存量对ET模拟的影响485

15.3.4 植物H2O和CO2传输动力学对ET模拟的影响486

15.4 基于EALCO模型的生态系统水碳循环耦合关系模拟分析486

参考文献489

16 基于CEVSA2模型的典型生态系统水碳交换动态分析491

16.1 CEVSA模型简介、应用和发展概述492

16.1.1 模型简介492

16.1.2 CEVSA模型的应用概述494

16.1.3 CEVSA2模型的建立494

16.2 典型生态系统水碳交换时空动态的模拟分析496

16.2.1 研究区概况和通量观测系统496

16.2.2 碳通量的模拟及其与通量观测的比较499

16.2.3 水通量的模拟及其与通量观测的比较507

16.3 气候变化对生态系统水碳通量影响的模拟分析511

16.3.1 气候变化的情景511

16.3.2 气候变化对亚热带常绿人工针叶林生态系统水碳通量的影响511

16.3.3 气候变化对温带落叶阔叶林生态系统水碳循环的影响513

16.3.4 气候变化对温带针阔混交林生态系统水碳通量的影响516

16.3.5 气候变化对高寒灌丛生态系统水碳通量的影响517

参考文献518

17 区域水碳循环过程模型及其模拟分析521

17.1 区域水碳循环过程模型概述522

17.1.1 区域过程模型的必要性和重要性522

17.1.2 区域空间显式生物地球化学循环模型概述522

17.2 区域水碳循环过程模型的构建524

17.2.1 能量传输子模型524

17.2.2 生理调节子模型528

17.2.3 碳循环子模型534

17.2.4 水循环子模型541

17.3 区域水碳循环过程模型输入变量和参数的空间异质性表达547

17.3.1 时空幅度和粒度的选择547

17.3.2 基础图件548

17.3.3 气象数据548

17.3.4 叶面积指数549

17.3.5 生物量551

17.3.6 土壤含水量551

17.3.7 模型参数552

17.4 基于区域水碳循环过程模型的水碳收支模拟分析552

17.4.1 长白山自然保护区水碳收支的模拟分析552

17.4.2 内蒙古锡林河流域水碳收支的模拟分析557

17.5 区域空间异质性对生态系统水碳循环过程空间格局的影响564

17.5.1 区域物理因素空间异质性的影响566

17.5.2 区域生物因素空间异质性的影响569

17.5.3 干扰引起的空间异质性及其对水碳循环过程的影响575

参考文献577