Characterization of Spring Wheat Light Response Curve and Fitting Analysis of Photosynthetic Model Under Different Moisture Conditions in Semi-arid Areas

doi:10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2024-0212

Abstract

Abstract:

To investigate the mechanism of photosynthetic physiological response of spring wheat under different moisture conditions in semi-arid rain-fed agricultural areas and to optimize field management, the present study was carried out with spring wheat ‘Dingxi No. 48’ as the research object. Seven treatments were set up with three replications for each treatment, namely: film mulching (FM), irrigated treatment 1 (GG₁), irrigated treatment 2 (GG₂), drought treatment 1 (GH₁), drought treatment 2 (GH₂), drought treatment 3 (GH₃), and rain-fed treatment (YY), to measure the light response curves of spring wheat at different periods under the seven treatments. Five models were chosen, namely, the right-angle hyperbola model, the non-right-angle hyperbola model, the leaf drift model, the exponential model and the double exponential model, to fit and compare the light response curves before and after the irrigation of spring wheat. The results were analyzed for accuracy and the optimal model was selected. The results showed that: (1) the light response curve increased rapidly when the photosynthetically active radiation was 0-400 μmol/(m²·s), and slowed down when it was 600-800 μmol/(m²·s), and then stabilized or showed a decreasing trend. The leaf area index of spring wheat decreased after filling, and the photosynthetic capacity weakened, and the magnitude of the maximum net photosynthetic rate at the maturity of each treatment was in the following order: FM, GG₁, YY, GH₃, GG₂, GH₂, and GH1. (2) Combining the MAE, RMSE and R² of the measured and fitted values of the five models shows that the leaf float model has the highest fitting accuracy. The mulching treatment had the best drought tolerance and the widest range of light adaptation when planting spring wheat in the semi-arid rain-fed agricultural region of Northwest China, and the leaf floating model among the five models best matched the actual photosynthetic characteristics of spring wheat.

Key words: semi-arid areas, spring wheat, light response curve, model fitting

ZHAO Pengwei, GAI Aihong, WANG Xiaoping, LU Congcong, LIU Tao, LI Yingying, ZHANG Tao. Characterization of Spring Wheat Light Response Curve and Fitting Analysis of Photosynthetic Model Under Different Moisture Conditions in Semi-arid Areas[J]. Journal of Agriculture, 2026, 16(1): 7-16.

Figures/Tables 10

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处理	出苗期	返青期	拔节期	抽穗期	灌浆期	成熟期
覆膜(FM)	自然降水	自然降水	自然降水	自然降水	每个样地各补灌158 kg	自然降水
灌溉1 (GG1)	自然降水	自然降水	每个样地各补灌81 kg	自然降水	每个样地各补灌200 kg	自然降水
灌溉2 (GG2)	自然降水	自然降水	每个样地各补灌54 kg	自然降水	每个样地各补灌65 kg	自然降水
干旱1 (GH1)	自然降水	5.26开始遮雨	遮雨	遮雨	遮雨	遮雨
干旱2 (GH2)	自然降水	5.19开始遮雨	遮雨	遮雨	遮雨	遮雨
干旱3 (GH3)	自然降水	6.1开始遮雨	遮雨	遮雨	遮雨	遮雨
雨养 (YY)	自然降水	自然降水	自然降水	自然降水	自然降水	自然降水

处理	出苗期	返青期	拔节期	抽穗期	灌浆期	成熟期
覆膜(FM)	自然降水	自然降水	自然降水	自然降水	每个样地各补灌158 kg	自然降水
灌溉1 (GG1)	自然降水	自然降水	每个样地各补灌81 kg	自然降水	每个样地各补灌200 kg	自然降水
灌溉2 (GG2)	自然降水	自然降水	每个样地各补灌54 kg	自然降水	每个样地各补灌65 kg	自然降水
干旱1 (GH1)	自然降水	5.26开始遮雨	遮雨	遮雨	遮雨	遮雨
干旱2 (GH2)	自然降水	5.19开始遮雨	遮雨	遮雨	遮雨	遮雨
干旱3 (GH3)	自然降水	6.1开始遮雨	遮雨	遮雨	遮雨	遮雨
雨养 (YY)	自然降水	自然降水	自然降水	自然降水	自然降水	自然降水

处理	模型	MAE	RMSE	R²
FM	直角双曲线模型	0.066940	0.000001	0.99990
	非直角双曲线模型	0.066280	0.000001	0.99992
	叶子飘模型	0.068341	0.0000000000000001	0.99990
	指数模型	0.443204	0.0000000000000003	0.99695
	双指数模型	0.114696	0.000001	0.99977
YY	直角双曲线模型	0.470871	0.000046	0.99364
	非直角双曲线模型	0.029733	0.000046	0.99806
	叶子飘模型	0.060147	0.000046	0.99988
	指数模型	0.159512	0.000046	0.99913
	双指数模型	0.163809	0.000046	0.99919
GH1	直角双曲线模型	0.925995	0.000620	0.96819
	非直角双曲线模型	0.502103	0.000622	0.98580
	叶子飘模型	0.189051	0.000622	0.99856
	指数模型	0.462749	0.000621	0.98717
	双指数模型	0.279380	0.000622	0.99697
GH2	直角双曲线模型	0.400020	0.000960	0.99335
	非直角双曲线模型	0.164831	0.000958	0.99874
	叶子飘模型	0.094792	0.000959	0.99926
	指数模型	0.110884	0.000959	0.99916
	双指数模型	0.108751	0.000958	0.99934
GG2	直角双曲线模型	0.199149	0.000775	0.99828
	非直角双曲线模型	0.091952	0.000775	0.99958
	叶子飘模型	0.064574	0.000776	0.99976
	指数模型	0.208341	0.000776	0.99794
	双指数模型	0.125791	0.000775	0.99933
GG1	直角双曲线模型	0.850506	0.001314	0.97035
	非直角双曲线模型	0.525281	0.001314	0.98698
	叶子飘模型	0.065311	0.001316	0.99978
	指数模型	0.401937	0.001315	0.98966
	双指数模型	0.220710	0.001315	0.99827
GH3	直角双曲线模型	0.738701	0.000144	0.98754
	非直角双曲线模型	0.372579	0.000143	0.99636
	叶子飘模型	0.067412	0.000144	0.99989
	指数模型	0.245728	0.000142	0.99777
	双指数模型	0.140514	0.000144	0.99951

处理	模型	MAE	RMSE	R²
FM	直角双曲线模型	0.066940	0.000001	0.99990
	非直角双曲线模型	0.066280	0.000001	0.99992
	叶子飘模型	0.068341	0.0000000000000001	0.99990
	指数模型	0.443204	0.0000000000000003	0.99695
	双指数模型	0.114696	0.000001	0.99977
YY	直角双曲线模型	0.470871	0.000046	0.99364
	非直角双曲线模型	0.029733	0.000046	0.99806
	叶子飘模型	0.060147	0.000046	0.99988
	指数模型	0.159512	0.000046	0.99913
	双指数模型	0.163809	0.000046	0.99919
GH1	直角双曲线模型	0.925995	0.000620	0.96819
	非直角双曲线模型	0.502103	0.000622	0.98580
	叶子飘模型	0.189051	0.000622	0.99856
	指数模型	0.462749	0.000621	0.98717
	双指数模型	0.279380	0.000622	0.99697
GH2	直角双曲线模型	0.400020	0.000960	0.99335
	非直角双曲线模型	0.164831	0.000958	0.99874
	叶子飘模型	0.094792	0.000959	0.99926
	指数模型	0.110884	0.000959	0.99916
	双指数模型	0.108751	0.000958	0.99934
GG2	直角双曲线模型	0.199149	0.000775	0.99828
	非直角双曲线模型	0.091952	0.000775	0.99958
	叶子飘模型	0.064574	0.000776	0.99976
	指数模型	0.208341	0.000776	0.99794
	双指数模型	0.125791	0.000775	0.99933
GG1	直角双曲线模型	0.850506	0.001314	0.97035
	非直角双曲线模型	0.525281	0.001314	0.98698
	叶子飘模型	0.065311	0.001316	0.99978
	指数模型	0.401937	0.001315	0.98966
	双指数模型	0.220710	0.001315	0.99827
GH3	直角双曲线模型	0.738701	0.000144	0.98754
	非直角双曲线模型	0.372579	0.000143	0.99636
	叶子飘模型	0.067412	0.000144	0.99989
	指数模型	0.245728	0.000142	0.99777
	双指数模型	0.140514	0.000144	0.99951

处理	模型	MAE	RMSE	R²
FM	直角双曲线模型	0.68308	0.00069	0.98100
	非直角双曲线模型	0.36440	0.00069	0.99408
	叶子飘模型	0.06068	0.00069	0.99983
	指数模型	0.25036	0.00069	0.99629
	双指数模型	0.11952	0.00069	0.99949
YY	直角双曲线模型	0.61587	0.00048	0.98836
	非直角双曲线模型	0.28025	0.00048	0.99716
	叶子飘模型	0.07232	0.00048	0.99980
	指数模型	0.14247	0.00048	0.99876
	双指数模型	0.12249	0.00048	0.99954
GH1	直角双曲线模型	0.29542	0.00041	0.99483
	非直角双曲线模型	0.12100	0.00041	0.99908
	叶子飘模型	0.10119	0.00041	0.99937
	指数模型	0.07209	0.00041	0.99962
	双指数模型	0.06468	0.00041	0.99969
GH2	直角双曲线模型	0.59798	0.00059	0.89717
	非直角双曲线模型	0.49471	0.00059	0.92606
	叶子飘模型	0.10808	0.00059	0.99697
	指数模型	0.41520	0.00059	0.93304
	双指数模型	0.22468	0.00059	0.98875
GG2	直角双曲线模型	0.76291	0.00013	0.96403
	非直角双曲线模型	0.43300	0.00013	0.98624
	叶子飘模型	0.05849	0.00014	0.99972
	指数模型	0.37634	0.00013	0.98767
	双指数模型	0.11963	0.00014	0.99914
GG1	直角双曲线模型	1.13981	0.00105	0.92911
	非直角双曲线模型	0.79354	0.00106	0.96038
	叶子飘模型	0.10437	0.00105	0.99931
	指数模型	0.74388	0.00105	0.96126
	双指数模型	0.24545	0.00105	0.99674
GH3	直角双曲线模型	1.63494	0.00069	0.80713
	非直角双曲线模型	1.62602	0.01606	0.80694
	叶子飘模型	0.14392	0.00069	0.99813
	指数模型	1.25763	0.00069	0.86121
	双指数模型	0.28918	0.00258	0.99492