生物数学模型第5讲-光生物物理--植物生长.ppt

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1、植物生长模型像人和动物生长依靠食物一样，植物生长主要依靠碳和氮元素。植物需要的碳主要有大气提供，通过光合作用由叶吸收；而氮有土壤提供，通过植物的根部吸收。植物吸收着这些元素，在植物体内输送、结合导致植物生长。通过对植物生长过程的观察，我们可以发现以下几个基本事实：（1）碳由叶吸收，氮由根吸收；（2）植物生长对碳氮元素的需求大致有一个固定比例；（3）碳可由叶部送到根部，氮也可又根部送到叶部；（4）在植物生长的每一时刻补充的碳元素的多少和它叶系的尺寸有关，补充的氮与根系的尺寸有关；问题的提出（5）植物生长过程中，叶系尺寸和根系尺寸维持着某种均衡的关系。依据上述基本事实，避开其它复杂因素，我们

2、考虑能否建立一个描述单枝植物在光合作用和从土壤吸收养料情形下的生长规律的数学模型。植物生长过程中的能量转换植物组织生长所需要的能量是由促使从大气中获得碳和从土壤中获得氮相结合的光合作用提供的。我们建立的模型主要考虑这两种元素，不考虑其他的化学物质。叶接受光照同时吸收二氧化碳通过光合作用形成糖，糖是能量的来源。有以下几方面的用途：工作能——根部吸收氮和在植物内部输送碳和氮需要的能量；转化能——将氮转化为蛋白质和将葡萄糖转化为其他糖类和脂肪所需的能量；结合能——将大量分子结合成为组织需要的能量；维持能——用来维持很容易分解的蛋白质结构稳定的能量。植物的每个细胞中，碳和氮所占的比例大体上是固定

3、的新产生的细胞中碳和氮也保持相同的比例。碳和氮在植物的其他部分之间运动。通常植物被分为根、茎、叶三部分，但我们将其简化为两部分，生长在地下的根部和生长在地上的叶部。现在我们分三阶段，又浅入深的逐步建立和完善模型每一阶段都建立一个独立的模型。初步模型若不区分植物的根部和叶部，也不分碳和氮、笼统地将生长过程视作植物吸收养料长大，就可以得到一个简单的数学模型。设植物的质量为W,体积为V,植物吸收的养料和体积成正比，即：(3.1)其解为(3.2)其中为初始时植物的质量解（3.2)是个指数函数，随时间的增长可无限地增长，这是不符实际的。为了反映着现象，我们将k取为变量，随着植物的长大而变小。如k=

4、a-bW，a,b为正数。方程化为(3.3)令上式可写为(3.4)若初值为,(3.4)的解为显然，W(t)是t的单调增加函数，且当t→∞时，W(t)→,即的实际意义是植物的极大质量。考虑碳氮需求比例的模型基本假设上节的初步模型不分别考察根叶的功能，也不区分植物生长对碳氮的需求。为了改进模型，我们放松上述第二个假设，既考虑生长过程中对碳和氮需求的比例。假设：（1）将植物视作一个整体，不区分根和业的功能；（2）植物生长不能缺少碳和氮；（3）植物生长消耗的碳不仅依赖于供给的碳，也取决于供给的氮；（4）总能量的一定百分比用于结合产生新的组织。建立生长方程设C(t)和N(t)分别为时刻t植物中碳和氮

5、的浓度。设植物消耗碳的速率是Vf(C,N),，V为植物的体积。进一步假设任何新生的植物的组织中碳和氮的比例与老的组织中的比例相同。设碳和氮的比例1：λ，那么植物消耗氮的速率为λVf(C,N)。另为结合能在总能量中所占比例，设r为植物干组织含碳的千摩尔转化为植物质量的转化系数，那么生长方程为：=rf(C(t),N(t))(4.1)f(C,N)的形式和质量守恒方程函数f应该满足两个条件：（1）当碳和氮之一的供给量减少时，消耗速度也随之下降；（2）当碳和氮的供给十分充足时，植物消耗碳的速率是确定的。若取f恒等于常数，此时模型实质上退化为上节的初步模型，则我们取(4.2)由于(4.2)式包含了时

6、刻t碳和氮的浓度，生长方程中又出现了两个未知数，这就需要用质量守恒在建立C(t)N(t）的两个方程。有质量守恒律，时刻t+∆t碳的数量应等于时刻t碳的数量加上这一段时间通过光合作用的到的碳并减去通过转化为能量消耗的碳。有前面的假设，时段内消耗的碳数量为Vf(C,N)∆t。单位时间内光合作用形成的碳的数量与植物的表面积成正比，也就是与植物的质量成正比。设是比例系数，该时段内光合作用形成的碳数量为W(t)∆t。所以碳的数量为V(t+∆t)C(t+∆t)=V(t)C(t)+W(t)∆t–Vf(C,N)∆t（4.3)即：（4.4)v(t)=，令∆t→0，则(4.5)同样，有氮的质量守恒可得：V(

7、t+∆t)N(t+∆t)=V(t)N(t)+W(t)∆t-λVf(C,N)∆t(4.6)其中第三项是根部吸收的氮，最后一项是转变为能量消耗的氮，它是消耗碳元素的λ倍。(4.6)式可化为(4.7)这样，模型就成为一个常微分方程组(4.8)其中f(C,N)由(4.2)式定义，r,λ,ρ,均为正数。要使模型符合实际，参数必须恰当选取。约为0.5，约为0.0002,为0.00002.ρ的典型值为100kg/,r约为30。α、β使模型中两个重