一种基于光响应分段特征的天尺度初级生产力估测方法

摘要

一种基于光响应分段特征的天尺度初级生产力估测方法，包括：1）计算日出到正午时间段的初级生产力，然后再乘以2即可获得“日”的初级生产力，将日出到正午时间段的初级生产力分为2段，第一段中间时刻t1和第二段中间时刻t2对应的时间长度分别为和；2）利用气温和辐射的日变化公式，计算t1和t2时刻对应的瞬时日内瞬时温度和辐射；3）利用光合速率模型，计算t1和t2时刻对应的瞬时光合速率；4）将瞬时光合速率与时间长度相结合，利用分段方法，将瞬时光合速率转换为“日”初级生产力。本发明经过由“瞬时”到“日”的时间尺度转换，该方法不仅能够准确的估算“日”尺度的初级生产力，而且极大的提高了计算效率。

主权项

一种基于光响应分段特征的天尺度初级生产力估测方法，其特征在于：所述估测方法包括以下步骤：1)日照时间分段：将从日出到日落看作遵循正弦对称变化的日照过程，计算日出到正午时间段的初级生产力，即上午段的初级生产力，然后再乘以2即可获得“日”的初级生产力，将日出到正午时间段的初级生产力分为2段：第一段中间时刻t₁和第二段中间时刻t₂分别为：$t_1=\frac{(t_{set}-t_{rise})\arcsin \left(\frac{2}{\pi }\right)}{2\pi }+t_{rise}---\left(1\right)$$t_2=\frac{t_{set}-t_{rise}}{4}+\frac{t_{set}-t_{rise}}{2\pi }\arcsin \left(\frac{2}{\pi }\right)+t_{rise}---\left(2\right)$第一段时间长度和第二段时间长度分别为：$D_{t_1}=\frac{t_{set}-t_{rise}}{\pi }\arcsin \left(\frac{2}{\pi }\right)---\left(3\right)$$D_{t_2}=\frac{t_{set}-t_{rise}}{2}-\frac{t_{set}-t_{rise}}{\pi }arcsin\left(\frac{2}{\pi }\right)---\left(4\right)$2)t₁和t₂时刻对应的瞬时温度和辐射计算：将t₁和t₂时刻代入利用日平均数据计算瞬时日内瞬时温度和辐射的公式(5)和(6)，获得t₁和t₂时刻对应的温度和辐射瞬时值；$T_t=T_{min}+(T_{max}-T_{min})sin\left[\frac{\pi (t-t_{rise})}{t_{set}-t_{rise}}\right]---\left(5\right)$式中T_t是t时刻的瞬时温度，T_max是日最高温度，T_min是日最低温度，t_rise是日出时间t_set是日落时间；$R_t=R_{noon}sin\left[\frac{\pi (t-t_{rise})}{t_{set}-t_{rise}}\right]=\frac{{\mathrm{\pi R}}_{daily}}{2}sin\left[\frac{\pi (t-t_{rise})}{t_{set}-t_{rise}}\right]---\left(6\right)$式中R_t是t时刻的瞬时辐射，R_noon是中午时刻的辐射，t_set‑t_rise是日长，R_daily是日总辐射；3)瞬时光合速率计算：利用如下公式计算瞬时光合速率：$A_{net}=-2\sqrt{\frac{p^2-3q}{9}}\cos \left(\frac{a\cos \left(\frac{2p^3-9pq+27r}{2\sqrt{{\left(p^2-3q\right)}^3}}+4\pi \right)}{3}\right)-\frac{p}{3}---\left(7a\right)$$p=\frac{e\beta +{\mathrm{b\theta }}^{\prime }-a\alpha +{\mathrm{e\alpha R}}_d}{e\alpha }---\left(7b\right)$$q=\frac{e\gamma +\frac{b\gamma }{C_a}-a\beta +{\mathrm{ad\theta }}^{\prime }+{\mathrm{eR}}_d\beta +R_d{\mathrm{b\theta }}^{\prime }}{e\alpha }---\left(7c\right)$$r=\frac{-a\gamma +\frac{ad\gamma }{C_a}+{\mathrm{eR}}_d\gamma +\frac{R_{d}b\gamma }{C_a}}{e\alpha }---\left(7d\right)$式中$\alpha =1+\frac{b^{\prime }}{g_b}-{\mathrm{mh}}_s,\beta =C_a(g_b{\mathrm{mh}}_s-2b^{\prime }-g_b),\gamma =C_a^2{b}^{\prime }{g}_b,and{\theta }^{\prime }=g_b{\mathrm{mh}}_s-b^{\prime };$其中，$A_{net}=\frac{{\mathrm{aC}}_i-ad}{{\mathrm{eC}}_i+b}-R_d---\left(8a\right)$式中，a,b,e,和d可以通过式(8a)与式(8b)和(8c)对比获得；$A_{net,c}=V_{cmax}\frac{C_i-{\Gamma }^{*}}{C_i+K_c(1+[O_2/K_o\left]\right)}-R_d---\left(8b\right)$和$A_{net,j}=J\frac{C_i-{\Gamma }^{*}}{4(C_i-2{\Gamma }^{*})}-R_d---\left(8c\right)$式中，A_net,c和A_net,j分别表示羧化酶限制下和光限制下光合作用速率，单位为μmol m^‑2s^‑1；V_cmax表示羧化作用率的最大值，单位是μmol m^‑2s^‑1；J表示光合电子传递率，单位是μmol m^‑2s^‑1；C_i和[O₂]分别表示细胞间CO₂和氧气浓度；Γ^*表示没有暗呼吸时的CO₂补偿点；K_c和K_o分别表示CO₂和O₂的Michaelis‑Menten常量；R_d是白天叶片的暗呼吸量，R_d＝0.015V_cmax；m是与植被物种有关的经验系数，h_s是叶片表面的大气相对湿度，C_s和C_a分别是叶片表面的和大气的CO₂浓度，b′是叶片暗呼吸引起的经验常数；将t₁和t₂时刻对应的瞬时温度和辐射代入公式(7a)计算t₁和t₂时刻对应的光合速率A_net,1和A_net,2；4)“日”初级生产力的计算：根据光合速率随光强的变化规律，利用如下分段公式(9)，将瞬时光合速率转换为“日”初级生产力，实现由“瞬时”到“日”的初级生产力计算的时间尺度转换；${\mathrm{GPP}}_{daily}=2\times (A_{net,1}\times D_{t_1}+A_{net,2}\times D_{t_2})---\left(9\right)$式中的“2”表示将一天的初级生产力分成对称的两段，所以只计算上午段，然后乘以2既可获得全天的初级生产力，式中GPP_daily为“日”初级生产力。