水分和氮素营养胁迫下春小麦生长模拟模式的研究

根据田间试验资料，在前人工作基础上进一步探讨了水分和氮素营养胁迫对作物生长的影响，并建立了大田生产实际条件下春小麦生长模式。经初步检验，模式对总干重的模拟相对误差小于5%，穗重模拟小于10%，根、茎、叶等器官重、根层土壤水分含量、作物总耗氮量和籽粒氮浓度以及叶面积指数等的模拟也取得了较好的结果。     

土壤干旱对作物生长过程和产量影响的研究进展

水分短缺是作物生长中最大的限制因子,土壤干旱胁迫使植物的长势、生理机制、激素水平等都会发生一系列变化。在干旱半干旱地区,土壤水分亏缺能明显抑制作物根系和地上部生长,显著降低作物的生物量、产量和收获指数。禾谷类作物小麦（Triticum aestivum）在灌浆期遇到水分胁迫时,会引起光合速率降低、灌浆时间缩短、灌浆速率下降、植株老化提前,但是它能增加营养组织到籽粒中非结构性碳水化合物的再代谢。土壤水分和植物激素共同调控作物的灌浆过程,当遇到土壤干旱时,作物叶片、花、籽粒发育过程中植物生长调节剂ABA浓度明显增加,且ABA、乙烯、ACC等的浓度随着干旱程度而变化。植物对干旱的适应性主要表现在植物生理、形态上的改变,比如植株结构、干物质积累、植物组织渗透势、气孔导度等的变化。土壤干旱不利于植物生长,但有利于胁迫临界点的产生,这就有可能利用土壤干旱条件下在灌浆较慢时诱导整个植株衰老和更好地进行碳代谢来提高籽粒产量,如果在作物灌浆后期适度控制土壤干旱可以增加籽粒产量和收获指数,有助于农业生产中的节水,这对于发展可持续农业是迫切需要的。     

冬小麦生长模式及其在干旱影响评估中的应用

在前人理论研究和田间试验的基础上,考虑水分胁迫影响的后效性及作物不同发育阶段对水分胁迫的敏感性,研制出实际水分条件下的冬小麦生长模拟模式。经与不同水分处理的实测资料对比,模拟效果基本令人满意,平均误差为10%左右。利用生长模式得到实际水分条件下的干物重减少率,进行了干旱影响实时评估的尝试。并分别在返青后、拔节后和成熟前展望了干旱对最终生物量的可能影响。     

作物生长模拟模型在我国农业气象业务中的应用研究进展及思考

近年来我国农业气象科研和业务部门紧密结合,开展了作物生长模拟模型应用于农业气象业务的研究和应用试验工作.基于国外作物生长模拟模型的应用进展以及我国农业气象业务的现状,简要分析了农业气象业务中应用作物生长模拟模型的必要性和紧迫性.针对单点理论模型能否在业务中应用的疑惑,详细讨论了国外引进作物生长模型的本地化和单点理论模型在区域尺度上模拟应用等两个关键问题的重要性和技术方法.重点介绍了近年来我国气象系统农业气象科研和业务部门在推进作物生长模拟模型在农业气象业务应用方面所做的工作,即基于东北玉米、华北小麦和江南双季稻生长模型的气象条件影响评价和产量动态预测方法等.最后从改进完善作物生长模拟模型、探讨区域模拟应用技术及稳健推进业务应用和实施等方面分析了目前存在和出现的问题,以及可能的解决途径.     

利用遥感信息研究区域冬小麦气孔导度的时空分布

气孔导度是影响作物蒸散和作物的光合速率进而影响作物产量的重要因子。文中通过利用NOAA－AVHRR数据首次对华北平原典型区冬小麦气孔导度分布进行了研究,给出了华北平原典型区冬小麦不同生长季节的气孔导度空间分布状况,为进一步研究田间水分和作物蒸散对产量影响以及建立遥感作物水分胁迫生物量模型和监测不同生育期的农田缺水等提供依据。     

不同水分处理对荒漠刺蓬和冰草生长的影响

为认识区域荒漠生态系统干旱致灾过程和干旱对冰草、刺蓬生长的影响,设计持续干旱胁迫、补充灌水和自然生长3种处理,比较2种荒漠草本植物在不同土壤水分下外部形态和干物质产量的变化。结果表明:持续干旱胁迫导致荒漠刺蓬和冰草营养生长期延长,生殖生长期缩短,全生育期缩短。受干旱胁迫影响,荒漠刺蓬和冰草的生长高度、干物质和覆盖度减小,且随生育进程影响逐渐增大。受持续干旱胁迫影响,在土壤体积含水量只有0.4~0.6 mm,返青64~73 d是刺蓬生长高度的拐点;在土壤体积含水量低至0.3~0.4 mm,返青130~135 d是冰草生长高度的拐点。返青106~121d,土壤体积含水量下降至1.0~1.1 mm,是持续干旱胁迫对刺蓬干物质积累影响关键期;而返青181~197 d,土壤体积含水量低至1.5 mm左右是冰草干物质积累影响关键期。     

马铃薯对土壤水分胁迫响应的研究进展

干旱是马铃薯生产的主要限制因子。本文综述了近年来马铃薯生长发育、生理生态特征、产量形成等对水分亏缺响应的研究进展。干旱胁迫可引起播种后的种薯延迟或者不能发芽,出苗后的植株生长缓慢、叶片光合能力降低,最终导致块茎产量和收获指数下降。同时,随着水分胁迫时间的延长和胁迫强度的增加,干旱的抑制作用也逐渐增大。马铃薯叶片扩张速率的土壤有效水(PAW)为0.73(低敏感性品种)~1.00(高敏感性品种),植株相对生长速率、光合速率、蒸腾速率的PAW阈值分别为0.87、0.60、0.60。目前马铃薯生产中基于土壤和植株两个方面监测作物水分状况的监测指标和要素包括基于土壤的土壤水分、潜在蒸发、蒸发皿蒸发等以及基于植物的气孔导度、复水后的光合恢复、叶片/茎秆水势、叶绿素、叶片扩张、叶片相对含水量、作物水分胁迫指数、冠层温度等。在此基础上,提出了未来干旱对马铃薯生产影响研究中应着重加强的关键科学问题,为防旱减灾奠定一定的理论基础。     

干旱和复水对羊草碳氮分配的影响

植物的碳氮营养及其相互关系是最重要的基本生物过程之一,阶段性干旱对植物碳氮分配的影响研究甚少。实验以中国北方草原的典型植物羊草为材料,研究不同干旱持续期复水对羊草碳氮含量、分配及其相互关系的影响。结果表明:短期和中期干旱使植株生物量、氮素水平和单株总氮量增加,但长期干旱使之降低。水分处理对碳含量的影响不显著。干旱后复水降低了各器官特别是绿叶的碳氮比。中度持续干旱的氮素利用率(NUE)最高、短期干旱最低。羊草各器官氮素绝对量占整株的百分比从大到小依次为:绿叶、根茎、根、枯叶和茎鞘,其中叶片的氮素总量占植株的一半以上;随着干旱持续期的增加,氮素对根部的投资亦加大。羊草受到适当干旱驯化后复水引发的超补偿作用可促进羊草植株生长、提高氮素水平,并在一定程度上通过碳氮分配的调节作用来适应于阶段性的干旱胁迫。     

粮食作物对高温干旱胁迫的响应及其阈值研究进展与展望

以大气温度升高和降水波动为主要标志的气候变暖对农业生产产生了重要影响,农作物生长发育、形态建成、生理生化过程等对气温、水分变化的响应特征、机理与后果等的研究,对揭示气候变化对农作物的影响及其机制具有重要作用,是制定适应对策的重要前提之一。本文分别回顾了国内外水稻、小麦、玉米等主要粮食作物生长、发育、生理生态因子、产量、水分利用效率等对高温、水分亏缺的反应以及对二者的协同响应,评述了高温和干旱缺水影响过程中作物的阈值反应及其临界值,讨论了当前高温干旱对作物影响研究中存在的问题。在此基础上,提出了今后应着重加强研究的关键科学问题:(1)干旱/湿润条件下的温度、水分阈值,以及多因子协同胁迫下作物的忍耐极限;(2)胁迫程度、时期、历时与作物自身生理生化过程的关系,以及细胞和分子水平上的响应机制;(3)作物对适度干旱的补偿效应在高温下是被削减还是增加,需要进一步研究和探索。     

春小麦生长简化模拟模式研究

本文通过数值模拟试验，构建了描述作物光合作用、呼吸作用、叶面积动态变化以及干物质累积与分配等生长过程与气象条件关系的数学方程。在此基础上初步研制了水分、营养满足条件下的春小麦生长简化模拟模型。检验表明，此简化生长模型的模拟效果良好。     

糖甜菜的产量预报

气象因子对糖甜菜产量影响的研究主要应用三种方法:生理学(作物生长模拟)、数理统计(经验统计)和综合方法(作物-天气分析)。1.Weber 等(1966)研究了联邦德国的气候条件(包括降水量、温度、湿度、日照和水分平衡等因子)对产量的影响,统计3月1日到9月30日(1948—1963年)共21个10天周期降水量与蒸发量之间的差异。他们确定营养生长期产量按一个月周期与几个气象因子有关,按10天周期与个别气象因子有关。获得高产都是在栽培期间降水少而日照充足,由于土壤热量适中,可使抽出嫩枝加快。5月     

作物不同生长时段对水分胁迫敏感性分析

本文根据我省1982－1995年的土壤水分实测资料、主要农作物的产量资料及作物生长物候资料,计算得到我省主要旱作物各生长时段作物对水分胁迫的产量响应敏感系数,反映出作物在不同生长期对水分胁迫的敏感程度,结果表明：不同生长时段作物对水分胁迫的敏感度不同,作物干旱程序不能仅凭降水距平确定,需考虑作物对水分胁迫敏感性来修正干旱指标,才能有效对作物干旱实施监测,从而为人工增雨作业时间安排提供更为科学的依据。     

灌浆期升温和干旱胁迫对江苏冬小麦产量和干物质分配的影响

利用修订的WOFOST模型,结合全球气候变化的大背景以及江苏省冬小麦的实际情况,在冬小麦灌浆期进行了升温胁迫和干旱胁迫模拟,研究了江苏省冬小麦在气候变化背景下的农业气象灾害损失,并检验了WOFOST模型对复合胁迫的模拟能力.利用江苏省徐州、淮安和常州三个站点2008—2017年气象、土壤和冬小麦产量等资料,基于WOFOST作物模型,从地上部分的干物重和干物质分配两个角度探讨升温胁迫和干旱胁迫以及二者的复合胁迫对冬小麦产量形成的影响.结果表明,灌浆期升温和干旱复合胁迫严重影响冬小麦籽粒干物质积累和产量.升温(1℃、2℃、3℃)胁迫、干旱(轻度、中度、重度)胁迫以及二者复合胁迫均导致冬小麦减产率不同程度增大,籽粒干物质分配比例不同程度降低,复合胁迫的影响程度大于单一胁迫.升温对江苏南部冬小麦减产程度最大,籽粒干物质积累受阻最为严重;干旱对江苏中部冬小麦产量影响最为严重,籽粒干物质积累程度由南到北递减;复合胁迫下,减产率多表现为由南至北递增,而干物质积累程度递减.     

棉田干旱指标研究进展

干旱是影响作物生长发育的主要非生物胁迫因素之一,水分亏缺所造成的危害超过了一切逆境因子的总和,严重影响作物产量及农业生产。作为全国重要优质棉区之一的新疆,干旱及水资源缺乏也成为棉花产业发展的重大限制因素之一,棉花种植几乎完全依赖灌溉,而棉花或棉田是否需要灌溉,可根据土壤含水量以及植株本身受旱程度特征等指标来判断。本文从棉花干旱形态变化、生长发育进程、生理生态特征、产量结构差异、土壤水分变化、气象干旱等不同方面对绿洲棉田干旱指标研究的现状和进展进行总结,并对进一步开展滴灌模式下棉田干旱发生发展过程以及干旱敏感性指标研究提出建议。     

淹涝胁迫对水稻植株叶片光合性能的影响

为提高水稻作物生长模型中淹涝胁迫对水稻生长和产量影响的定量评估能力,通过开展水稻盆栽淹涝试验,研究了不同淹涝胁迫程度对粳稻和籼稻植株叶片光合性能的影响,并将两者之间的关系进行了定量化,结果表明:1)两种水稻植株叶片的光量子效率AQE、最大光合速率P_m均随淹涝天数的增加而明显下降,全淹处理的下降幅度较大,受全淹处理8天后平均下降幅度近五成,而半淹处理的下降幅度较小,半淹处理8天后平均降幅约一成左右;叶片基础荧光F_0、最大荧光产额F_m和最大光化学效率F_v/F_m也均随着淹涝胁迫天数的增加出现不同程度的降低。2)植株叶片光量子效率和最大光合速率随淹涝深度和淹涝天数变化可用定量关系模型y=1-aH-bH~3T来描述,用独立的试验资料对该模型进行检验后表明,模型的模拟值与实测值有很好的一致性,两者的相关系数高、RMSE值低,模拟效果令人满意。3)全淹处理下,水稻植株叶片最大光合速率P_m和最大荧光产额F_m下降幅度具有较好的相关性,可运用荧光测定的信息来快速估计淹涝胁迫对水稻叶片光合速率影响的程度。本研究可为改进水稻模型中淹涝胁迫条件下的水稻干物质累积和产量的模拟提供依据。     

非对称性增温对农业生态系统影响研究进展

该文概述了北半球和我国气候变暖中增温的非对称性特征:北半球气候变暖存在明显的季节差异和昼夜不同步性, 大部分地区冬、春季升温高于夏、秋季, 日最低气温升幅是日最高气温升幅的2~3倍; 近50年我国近地表气温升高主要是最低气温明显上升的结果, 日最低气温升幅是日最气高温升幅的2~3倍, 与北半球基本一致; 升温最显著的季节为冬季和春季。在此基础上概述了非对称性增温对农业生态系统的影响, 论述了非对称性增温对农作物物候和农作物产量的影响, 得出最低气温升高促使整个生长季延长, 促使早春作物物候期提前, 但最低气温和最高气温对不同作物的物候以及同一作物的不同发育阶段影响不同。现有研究多采用模型或统计的方法研究气候变暖对作物生长的影响, 认为温度升高对作物有“强迫成熟”效应; 而现有的最低气温升高和最高气温升高对作物生长影响的研究结果并不一致。非对称性增温对农作物影响的实验研究极少, 且缺乏对模型模拟结果的实验验证。     

遥感信息与作物模型结合在冬小麦区域模拟中的应用

遥感数据与作物模型结合是当前农业信息技术应用研究的重要内容和发展趋势之一,能够解决单独利用遥感或作物模型无法解决的问题。为了开展大范围、区域性作物生长过程的模拟和产量预测,首先对作物模型WOFOST进行了订正和验证,使得调整后的模型适于模拟河南新乡县冬小麦生长;根据实际生产分三类情形模拟新乡县2002—2003年度冬小麦的生长发育状况;利用全生育期内能获取的Landsat-7 ETM+数据反演叶面积指数,结合WOFOST模型的模拟情况,确定每个像元对应的冬小麦的生长状况,从而在像元上实现了WOFOST模型对冬小麦生长的模拟;最后对照比较本研究方法的结果与当年新乡县冬小麦的统计情况,结果相近,验证了本文研究方法的技术可行性。     

近地层O3和CO2浓度变化对冬小麦影响的数值模拟：Ⅰ模型结构

在试验研究的基础上,文中尝试利用数值模拟方法评估O3和CO2浓度变化对作物的影响.以农田生态系统碳氮生物化学模型(DNDC)为基础,对其中的作物子模型进行改进,加入O3对冬小麦光合作用和叶片生长影响的模拟,结合原模型中有关CO2对冬小麦光合作用影响的模拟,建立反映O3和CO2浓度变化对冬小麦生长发育和产量形成影响的作物模型.文章对DNDC模型进行了参数修正以适用于中国华北地区;文章参考前人的工作,引用了两种O3对作物光合作用影响的模拟方法进行比较,分别是O3对初始光利用率的影响和O3对叶片光合作用的直接影响;在此基础上,进一步考虑O3对冬小麦叶片生长的影响,根据试验资料,建立了O3对叶片生长影响系数.     

基于遥感信息的华北冬小麦区域生长模型及模拟研究

卫星遥感估产和作物生长模拟在作物监测和产量预测方面有各自不可替代的优势。但是,遥感估产难以揭示作物生长发育和产量形成的内在机理,作物模拟在区域应用时初始值的获取和参数的区域化遇到很多困难。如何利用二者的互补性使其相互结合受到人们关注。该文在Wofost模型本地化和区域化的基础上,首次利用同化法的思路探讨了MODIS遥感信息与华北冬小麦生长模拟模型结合的可行性和方法,初步建立了潜在生产水平(水分适宜条件)下区域遥感-作物模拟框架模型(WSPFRS模型)。模拟结果显示:WSPFRS模型对区域尺度的出苗期重新初始化后,模拟的开花期、成熟期空间分布的准确性比Wofost模拟结果有所改进;利用遥感信息对区域尺度上返青期生物量重新初始化后,模拟贮存器官干重的空间分布更接近实际单产的分布,贮存器官干重的高值区与实际高产区基本相符。该研究将为下一步实际水分供应条件下基于遥感信息的冬小麦区域生长模拟研究奠定了基础。     

农业气象学在作物生产模拟及其应用中的作用

就作物模拟模型及其应用,以及气象因子在这些模拟应用中的重要性作了综合论述.为了说明气象和气候变率对作物生产的影响,农业气象要素(包括最高和最低气温、太阳辐射及降水量)被当作作物模拟模型的基本输入因子.多数作物模型使用的气象资料为逐日值,因为很多地区没有更小时间尺度的观测资料.气象及其它输入数据均采用标准文件格式,这有利于数据在不同模型中使用.如果输入因子缺少或数据丢失、无效,将会影响到作物模型模拟的准确性.利用天气发生器随机生成的逐日气象数据可以解决数据丢失或序列较短的问题.当然,模拟时要尽可能采用气象观测资料,以确保作物产量模拟值的准确性,这在热带地区显得尤其重要.许多作物模型用来进行产量预报和决策管理,作物产量及其相关变量的预测变率以及自然资源的利用主要由天气气候条件的短期与长期变化所致.模型的产品可用来制定相应的管理决策,提供给农户和其他关注农业生产的人们.作物模型也广泛应用于气候变化对农业生产和粮食安全性的影响研究.最近,作物模型又用于气候变率和厄尔尼诺与南方涛动(ENSO)的影响研究.随着计算机的普及,农场主、农业咨询人员以及政策制定、决策者等模型的使用者也将越来越多.历史资料和作物生长期间的气象观测资料以及短期、中期、长期天气预报将在这些应用中发挥重要作用.