干旱环境下夏玉米各生育时期光响应特征

2011年6—9月在中国气象局河北固城生态试验站借助大型电动式防雨棚及人工灌溉, 开展水分影响夏玉米生长发育的田间试验。首先进行夏玉米叶片光合作用日变化和光合作用光响应曲线的观测,然后利用不同模型拟合光响应曲线确定最适模型并提取光合特征参数,探讨土壤水分条件对不同生育时期夏玉米叶片光合特性的影响规律。结果表明:土壤水份适宜时,玉米抽雄期的光合能力最强,重度干旱时,抽雄期的光合能力降低幅度也最大,其次为乳熟期、拔节期;直角双曲线修正模型最适合描述干旱环境下的玉米光合能力光响应过程,轻度干旱使各生育时期光饱和点及最大净光合速率下降,而对光补偿点量子效率和光补偿点的影响不明显; 重度干旱下各生育时期光饱和点、最大净光合速率较轻度干旱又进一步下降,同时各生育时期光补偿点量子效率也有明显下降,而光补偿点明显上升,表明玉米叶片的强光利用能力对干旱敏感,而它的弱光利用能力对干旱响应较迟钝。     

不同生育期水分胁迫对玉米光合特性的影响

利用遮雨棚以夏玉米为对象进行水分胁迫大田试验,通过分析玉米叶片光合测量数据,研究不同生育期水分胁迫对玉米光合特性的影响,为定量分析不同水分胁迫程度对玉米生育的可能机理提供数据和初步的理论支持.结果表明:土壤水分下降会使玉米叶片的光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)降低,而胞间CO2浓度(Ci)和水分利用效率(WUE)会增加;Pn随着光照强度的增加而增加,且随着水分胁迫强度增强,Pn增加速率降低;干旱胁迫会改变Pn、Tr日变化规律,并且对拔节期光合作用的抑制小于成熟期;WUE与Pn存在极显著的正相关关系,与Tr、Ci及Gs存在显著的负相关关系.     

华北地区冬小麦叶片光合作用模型在农业干旱预测中的应用研究

在冬小麦抽穗—灌浆期进行了水分胁迫实验,利用美国Licor公司生产的Licor-188B辐射量子照度仪及Licor-6400便携式光合作用测定仪,对水分胁迫引起的冬小麦光合生理生态变化进行了系统观测,系统地给出了冬小麦多种农业气象指标对水分胁迫的响应状况。在大量实测数据基础上,给出了包含辐射强度、温度及土壤水分因子的冬小麦叶片光合作用模式。该模式具有严格的理论推导过程和大量实验数据的支持,改进了传统水分胁迫对叶片光合速率影响的简单阶乘方法,从而为进一步准确推算水分胁迫对大田冬小麦光合作用的可能影响,以及水分胁迫对区域农业干旱的可能影响奠定了前提条件。该研究是冬小麦干旱预测模型的叶片子模型,为冬小麦农业干旱预测模型提供了丰富的基本参数,同时也为建立冬小麦干旱预测模型奠定了基本条件。     

温度对夏玉米光合生产力影响的数值模拟研究

利用美国Licor-6200便携式光合作用仪测定了夏玉米光合作用速率，给出了叶片光合作用模型，建立了夏玉米冠层光温生产力数值模式，阐明了日平均气温与冠层群体光合作用之间的相对确定性关系，并提出了光合等效温度的概念及计算方法。在此基础上，推导出温度对群体光合作用影响的函数表达式，使温度订正函数f (T)不再是简单的假设，而是建立在较为严格的理论基础之上，从而实现了光合模型的时间尺度转换，为更准确地建立生态动力模型及农业气候资源数值模型提供了前提条件。     

低温、干旱胁迫对抽雄期玉米叶片光化效率和光合作用速率的影响

在人工模拟低温、干旱条件下，测定了抽雄期玉米叶片荧光参数（Fo、Fm、Fv／Fm）及光合作用速率。其结果表明：低温、干旱均使光化效率（Fv／Fm）、光合作用速率下降，光化效率与温度的关系：Y=0．002X^2-0．0055X＋0．8032（式中Y为光化效率，X为温度）。低温使光合作用速率下降，温度由25℃降到15℃，光合速率可下降27．8％。土壤湿度由处理5降到处理1，在不同温度下光化效率可降低1％～8％；光合作用速率最大减幅达80％左右。低温、干旱并发对光化效率和光合作用速率的负效应加大，光化效率降幅增大2．5倍，光合作用速率增大15％左右。光化效率与光合作用速率两者呈显著正相关。     

土壤水分对冬小麦叶片光合速率影响模型构建

植物叶片光合速率是表征植物光合能力的重要参数,对土壤水分反应敏感,建立不同土壤水分对冬小麦叶片光合速率影响模型,有助于准确理解冬小麦的光合作用和产量形成。该文收集整理了1996—2017年我国冬小麦主产区11个试验地点、17个冬小麦品种的干旱和渍水试验数据共64组310个样本,分别构建干旱和渍水对冬小麦叶片光合速率影响的分段式和指数型模型,形成土壤水分对冬小麦叶片光合速率影响模型（the model for Soil Moisture Effects on leaf Photosynthesis rate of winter wheat,SMEP）。结果表明:随着土壤相对湿度增加,冬小麦叶片光合速率系数呈稳定低值-线性增加-稳定高值-缓慢下降的特点;随着渍水时间延长,冬小麦叶片光合速率系数呈缓慢下降-快速下降的特点。对SMEP模型进行回代检验、外推检验、单点验证、单发育期验证发现,模型模拟结果与文献数据有较好的一致性,回归系数在1.0附近,且均达到0.01显著性水平。SMEP模型将嵌入中国农业气象模式（CAMM1.0）,为CAMM不断完善提供科技支撑。     

干旱胁迫对冬小麦水分关键期的生理特性和物质生产影响

以冬小麦品种“齐麦2号”为试材,在水分关键期(拔节期~扬花期),设计5个水分处理(T1处于适宜水平,T2、T3、T4、T5分别按照水分关键期常年降水量减少20%、50%、75%、100%进行一次性补水)和1个雨养对照水分控制试验,模拟研究不同程度干旱胁迫对水分关键期冬小麦光合生理特性、抗氧化酶活性及产量结构的影响。结果表明：轻度干旱胁迫会造成冬小麦叶片最大光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度降低,气孔限制值升高,气孔因素是导致冬小麦叶片光合速率降低的主要原因;而当干旱胁迫达到重度时,胞间CO2浓度升高,气孔限制值降低,非气孔因素是导致冬小麦叶片光合速率降低的主要原因。轻度干旱胁迫会使得冬小麦叶片SOD酶、POD酶、CAT酶活性显著升高,从而减轻MDA含量升高对冬小麦叶片膜系统的损伤,复水后抗氧化酶活性和MDA含量均可恢复至正常水平,而重度干旱胁迫下冬小麦叶片SOD酶、POD酶、CAT酶活性不同程度降低,复水后抗氧化酶活性及MDA含量均无法恢复至正常水平,抗氧化酶系统遭受不可逆损伤。此外,水分关键期干旱胁迫还导致冬小麦灌浆速率降低、不孕穗率升高,理论产量大幅降低。研究结论可为科学评估干旱胁迫对冬小麦生长发育及产量形成的影响提供理论依据。     

干旱胁迫对夏玉米叶片光合及叶绿素荧光的影响

选用华北地区大面积种植的夏玉米品种郑单958、承玉2号、鲁单981作为试验材料,通过研究干旱胁迫条件下的玉米叶片光合、叶绿素荧光等指标随着土壤水分的动态变化规律,以期为夏玉米干旱的生理生态变化监测及水分高效利用提供理论依据.研究发现,在土壤含水量70%左右时,随着土壤相对湿度的下降,上述3个夏玉米品种仍能保持其叶片水分状态.郑单958、承玉2号、鲁单981的叶片净光合速率在土壤水分中等条件下最大,分别为39.9、38.8、38.4 μmol CO2/m2 · s;在土壤相对湿度较低时,郑单958、承玉2号、鲁单981的叶片净光合速率下降趋势明显(P＜0.05).叶片水势变化规律为:在土壤相对湿度＞90%时,对水分胁迫郑单958、承玉2号不敏感,鲁单981敏感;在土壤相对湿度＜70%时,水分胁迫条件下承玉2号不敏感,而鲁单981、郑单958敏感.气孔导度(gs)变化规律:随着水分胁迫加剧,3个夏玉米品种气孔导度均下降,在土壤水分较高时,气孔导度变化规律不明显,在土壤水分较低时,气孔导度明显下降(P＜0.01),细胞间隙CO2浓度(Ci)随土壤水分胁迫加剧而上升.上述结果表明:与叶片的光合和水分状况相比,夏玉米的气孔对土壤水分的匮缺更为敏感.     

干旱胁迫对夏玉米叶片光合及叶绿素荧光的影响

选用华北地区大面积种植的夏玉米品种郑单958、承玉2号、鲁单981作为试验材料,通过研究干旱胁迫条件下的玉米叶片光合、叶绿素荧光等指标随着土壤水分的动态变化规律,以期为夏玉米干旱的生理生态变化监测及水分高效利用提供理论依据。研究发现,在土壤含水量70％左右时,随着土壤相对湿度的下降,上述3个夏玉米品种仍能保持其叶片水分状态。郑单958、承玉2号、鲁单981的叶片净光合速率在土壤水分中等条件下最大,分别为39．9、38．8、38．4μmolCO2／m^2·s;在土壤相对湿度较低时,郑单958、承玉2号、鲁单981的叶片净光合速率下降趋势明显（P〈0．05）。叶片水势变化规律为：在土壤相对湿度〉90％时,对水分胁迫郑单958、承玉2号不敏感,鲁单981敏感;在土壤相对湿度〈70％时,水分胁迫条件下承玉2号不敏感,而鲁单981、郑单958敏感。气孔导度（g1）变化规律：随着水分胁迫加剧,3个夏玉米品种气孔导度均下降,在土壤水分较高时,气孔导度变化规律不明显,在土壤水分较低时,气孔导度明显下降（P〈0．01）,细胞间隙CO2浓度（Ci）随土壤水分胁迫加剧而上升。上述结果表明：与叶片的光合和水分状况相比,夏玉米的气孔对土壤水分的匮缺更为敏感。     

包含CO2因子的冠层光合作用简化模型及其关键参数数值敏感分析

利用美国Licor公司生产的Li-6200便携式光合作用测定仪对冬小麦叶片光合作用进行了较为系统的测定研究,在实测资料支持下建立了包含CO2因子的叶片和冠层光合作用模型,验证结果表明,模型具有较高准确性.利用模型对CO2影响参数μ进行数值敏感分析,结果表明:对叶片光合而言,μ=0.83时叶片光合作用模型拟合最好,随μ减小或增大,拟合精度均下降;对冠层光合而言,μ=0.83时模拟光合日总量达到最大值,μ减小或增大,光合日总量均下降.多因子数值分析表明:在辐射值较大的状况下,μ对冠层光合的影响更为显著.     

双叶模型在冬小麦田冠层CO2通量多层模拟中的应用

综合考虑农田生态系统中水、热、CO2输送所涉及的大气、水文、生物等生物物理过程,以Farquhar等提出的叶片尺度光合作用生物化学过程机理模型为理论基础,对其进行空间尺度扩展,并改进冠层分层方法,建立了均匀农田与大气之间物质输送和能量交换的多层模式,在模式中运用双叶模型,同时考虑叶片氮素水平垂直差异,对2008年4—5月华北平原冬小麦生长旺季农田生态系统中冠层CO2通量进行了模拟研究,并利用涡度相关观测的通量数据对模型的有效性加以验证,结果表明:在冠层多层空间,小麦拔节至孕穗期和开花至乳熟期叶片氮含量随冠层高度的衰减系数分别为0.793(R2=0.698)和1.374(R2=0.728),冠层内叶片氮含量的空间分布可以用以相对累积叶面积指数为自变量的函数来描述;模型分别计算各层阴、阳叶的光截取、气孔传导、光合作用等,最终计算冠层上方CO2通量,冬小麦农田净生态系统生产力模拟值与实测值相关显著(R2=0.78),模拟的CO2通量日变化特征晴天昼间比阴雨天和夜间的效果好;在考虑丛聚影响的叶片非随机分布的密集农田中,阴叶对总初始生产力的贡献率在35.7%左右,对生产力贡献很重要。分层统计显示,作物最终产量的形成主要...     

夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的遥感反演

高光谱遥感技术监测作物含水量是了解作物生长状况的重要技术。为实现夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的快速、精细化、无损监测,本文基于2014年和2015年的6—10月华北夏玉米不同生育期不同灌水量干旱模拟试验数据构建了植被水分指数（W_I,M_SI,G_VMI）、复比指数（W_NV和W_CG）和红边反射率曲线面积（D_area）的夏玉米冠层等效水厚度（E_WTC）和叶片可燃物含水量（F_MC）的反演模型。结果表明:6个指标反演夏玉米三叶期的E_WTC模型均未达到0.05显著性水平,三叶期后各指标反演E_WTC模型均达到0.01的显著性水平,且总体而言模型精度从高到低为抽雄期、拔节期、灌浆期、成熟期和七叶期。6个指标反演七叶期和拔节期的F_MC均达到0.01显著性水平。因此,同一光谱指标反演夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的精度差异较大。光谱指标反演夏玉米叶片和冠层含水量指标的精度与夏玉米生育期有很大关系,进而提出了夏玉米不同生育期含水量反演模型。研究结果可为准确模拟夏玉米不同生育期含水量提供技术支撑。     

陆面模式的植物叶光合生理的数值模拟试验及分析

根据C3、C4植物生态生理过程中植物叶水平的光合同化机制过程和植物叶片尺度的光合作用限制函数方程。采用单叶光合作用模式进行C3、C4植物光合模拟试验,模拟不同环境影响因子对C3、C4植物光合作用的影响。结果表明,植物叶尺度光合作用模型能较好地模拟不同环境影响因子下的C3、C4植物光合作用状况。本文依据C3、C4植物光合生理特性进一步分析植物光合作用的三个限制函数方程在C3、C4植物光合的不同作用,揭示吸收光合有效辐射(PAR)、叶内温度(Tc)和CO2浓度(Ci)的敏感性。结果可用于植被—大气相互作用的能量和碳同化过程的物质交换研究。     

中国农业气象模式(CAMM1.0)构建与应用

为发展适宜中国区域农业种植特点的农业气象模式,基于国外作物生长模拟方法,通过模式机理过程改进或重构以及应用方式革新,建立了中国农业气象模式（Chinese AgroMeteorological Model version 1.0,CAMM1.0）。CAMM1.0利用平均温度和土壤水分改进了作物发育进程模式,利用土壤水分改进了作物叶片光合作用、干物质分配和叶面积扩展过程模式,通过蒸发比法扩展了作物蒸散过程模式;自主建立了基于发育进程的冬小麦株高、基于遥感信息的作物灌溉、遥感数据同化、作物长势与灾害评价等模式。基于互联网技术构造了实时运转平台,主要功能包括作物生长过程实时常规模拟与用户个性化定制模拟。CAMM1.0的部分子模式采用多种方法构造,便于多模式集成。CAMM1.0对作物发育进程、光合过程、株高的模拟效果较好,但对土壤水分变化过程的拟合略差,模拟产量略偏低。CAMM1.0评价淮河流域夏玉米年际干旱减弱而涝渍增加的趋势与实际基本相符。     

不同土壤水分对向日葵光合光响应的影响

以食用向日葵为试验材料,大田试验采取人为控制土壤水分在胁迫、适宜和过湿 (土壤田间持水量的40%~54.9%,55%~69.9%和70%~90%) 条件下,研究了向日葵3个生育期 (二对真叶—花序形成期、花序形成—开花期、开花—成熟期) 的光合光响应特性。结果表明:在试验设置光强条件下,各生育期净光合速率随着光合有效辐射的增加而增加,同等的光合有效辐射下净光合速率也随着土壤水分的减少依次降低,尤其是随着光合有效辐射的增大愈加明显。土壤湿度对最大净光合速率和表观量子效率的影响并不是同步的,最大净光合速率随着土壤湿度的增加而增大,而表观量子效率在一定程度的水分胁迫情况下出现最大值。不同的土壤水分含量对光补偿点和光饱和点影响不同,光饱和点随着土壤水分的增加而增加,光补偿点却相反,表明水分胁迫使向日葵可利用光的范围缩小,而适宜水分则扩大了光的利用范围,更有利于干物质积累。暗呼吸速率随着植物的生长进程逐渐降低,不同生育期的水分胁迫均导致暗呼吸速率降低。     

水分胁迫/复水对谷子光合特性及产量影响

以谷子品种大金苗为研究对象,采用遮雨棚控水的大田试验方法,比较孕穗开花期和灌浆期水分胁迫/复水对叶片光合特性及产量影响,分析光合速率的限制因素,阐述光合速率、水分利用效率与产量的协同关系.结果 表明:水分胁迫会导致谷子光合速率和产量下降,水分利用效率提高,随胁迫增强和持续时间延长,光合速率和产量下降幅度增大;水分胁迫后...     

土壤渍水胁迫对华北冬小麦籽粒灌浆及干物质分配的影响

利用少雨旱区华北冬麦主产区河北固城站的电动防雨棚,遮去自然降水,通过人工控制灌水形成土壤渍水、高湿、干旱和对照,冬小麦花后通过测定籽粒灌浆进程和地上生物量以及产量构成要素,解析不受阴雨和低温胁迫影响下土壤渍水对冬小麦籽粒灌浆速率及产量形成的胁迫效应。结果表明,随土壤水分的减少,冬小麦灌浆速率降低,灌浆持续日数缩短;灌浆期土壤高湿有增产效应,理论产量增产5.87%,土壤渍水出现减产,理论产量减产1.50%;高湿和渍水的收获指数比对照略有提高,并均高于0.5000;〖JP2〗干旱胁迫下,收获指数比对照低0.1130～0.1633。〖JP〗北方旱区灌溉解除了气候干旱对作物需水胁迫,晴好天气光照充足,日较差大,作物产量提高,土壤水分是影响北方冬小麦挖掘光温生产潜力和提高单产的关键限制因素。研究结果为应对气候变化引起极端降水事件对农业生产的影响,尤其是科学评估旱、涝灾害对北方旱区农作物的影响有一定参考意义。