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