太阳辐射减弱对冬小麦生理生化及产量的影响研究

论文摘要

当前,太阳辐射减弱所引起环境效应受到了人们的广泛关注。近年来,中国地区大气气溶胶的浓度、大气浑浊度及灰霾日数增加导致到达地表的太阳辐射呈现降低趋势,其中长江三角洲地区的降低较明显。本研究通过大田试验及模型模拟方法系统研究了太阳辐射减弱对冬小麦生长发育、光合生理特性、干物质累积及分配、产量的影响,建立、修订光合作用及干物质生产模型。通过作物模式分析了辐射减弱条件下农作物干物质的累积和分配特征,提出了模式的改进措施,为全面准确评估气候变化对我国主要粮食作物产量的影响提供依据。主要结果如下：（1）在太阳辐射减弱条件下,冬小麦叶绿素（Ch1）、类胡萝卜素（Car.）和叶黄素（Xanthophy）的含量明显上升,增强了作物对光能的吸收和利用能力。从拔节期至成熟期,60%-40%自然光处理降低了叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、水分利用率（WUE）和气孔导度限制值（Ls）,增加了胞间二氧化碳浓度（Ls）。在同样的辐射减弱条件下,上述变量对光强的敏感度明显受到抑制。太阳辐射减弱条件下,冬小麦叶片光合系统未发生光抑制或光破坏,因此其最大量子效率和初始荧光上升。辐射减弱显著抑制光合系统Ⅱ（PSII）反应中心的吸收与利用光能的能力、光化学猝灭系数（qP）及叶片的电子递体（PQ）的活性,增加了PSII吸收的光能向热耗散途径分配的比例。60%-40%自然光处理显著增强冬小麦叶片的过氧化物酶（POD）、超氧化歧化酶（SOD）活性,提高丙二醛（MDA）和电导率（EC）的含量,有效清除了自由基对质膜系统的伤害。太阳辐射减弱降低叶片可溶性糖、可溶性蛋白质的含量,但促进总游离氨基酸的累积。（2）60%-20%自然光条件下,冬小麦增加株高（PH）和叶面积（LA）,降低单位叶重（LMA）、根干物质比（RMR）、茎干物质比（SMR）和根冠比（LCR）,提高叶干物质比（LMR）、叶重分数（LMF）、叶面积比（LAR）和叶面积-根干物重比（LARMR）。上述调整一定程度上提高了光能的获取和利用能力,但不足以弥补光能不足所带来的影响,因此总生物量（TB）净同化率（NAR）和相对生长率（RGR）持续下降。（3）修订的WheatGrow（WG）模型能较好地反映太阳辐射减弱条件下冬小麦光合作用和干物质生产的变化。在水肥充足条件下60%、40%自然光处理的冬小麦光合作用和总干物质质量分别下降了23%、31%,35%、41%,籽粒产量下降了34.08%和47.91%。在极端情况下,20%和15%自然光处理的冬小麦光合速率、总干物重及籽粒产量分别下降了46%和48%,56%和57%,88.31和87.40%。（4）CERES-Wheat模型一定程度上能反映太阳辐射减弱对冬小麦干物质的累积的影响,但未能反映干物质在不同器官中的分配特征。60%-15%自然光条件下,冬小麦总生物量下降了37.61%-71.69,根、茎和叶生物量分别下降了46.49%-57.30%、21.7-76.76%和51.8%-66.2%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状及动态分析
• 1.2.1 太阳辐射减弱对农作物影响的研究进展
• 1.2.2 太阳辐射减弱对农作物影响的模型评估研究
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 研究目标与主要内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 长三角地区太阳辐射变化及其与气溶胶辐射特性的相互关系
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 地表太阳辐射资料来源及处理方法
• 2.2.2 气溶胶资料来源及处理
• 2.2.3 SBDART辐射传输模式及模拟计算
• 2.2.4 常规气象资料
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 地表太阳总辐射的年际变化特征
• 2.3.2 长三角地区地表太阳总辐射的季节变化特征
• 2.3.3 地表太阳辐射变化与气溶胶的辐射特性的相互关系
• 2.4 小结
• 第三章 大田试验研究材料与处理方法
• 3.1 大田试验设计方法
• 3.1.1 试验站状况
• 3.1.2 试验材料
• 3.1.3 大田试验设计与处理
• 3.2 指标测定方法
• 3.2.1 作物生长及干物质分配指标
• 3.2.2 生理生化指标
• 3.2.3 产量指标
• 3.2.4 环境因子指标
• 3.4 本章小结
• 第四章 太阳辐射减弱条件下冬小麦的光合生理变化特征
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 冬小麦叶片的光合色素含量
• 4.3.2 冬小麦叶片气体交换参数的变化特征
• 4.3.3 不同灌浆期冬小麦叶片的快速光曲线（RCL,自然光下测量）
• 4.3.4 冬小麦灌浆期诱导曲线（IC,夜间暗适应后测量）
• 4.3.5 冬小麦叶片的受损程度
• 4.3.6 冬小麦叶片光合产物的变化特征
• 4.4 讨论
• 4.4.1 光合色素的变化
• 4.4.2 气体交换参数的变化
• 4.4.3 灌浆期叶片的光合活性
• 4.4.4 灌浆期PSII的光能分配
• 4.4.5 叶片质膜受损状况
• 4.4.6 叶片光合产物的变化特征
• 4.5 本章小结
• 第五章 太阳辐射减弱条件下冬小麦的干物质变化及产量形成
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 太阳辐射减弱对冬小麦生长的影响
• 5.3.2 太阳辐射减弱对冬小麦干物质累积及其分配的影响
• 5.3.3 太阳辐射减弱对冬小麦产量及其构成因素的影响
• 5.4 讨论
• 5.4.1 冬小麦的生长和产量变化
• 5.4.2 冬小麦冬太阳辐射减弱的形态学适应机制
• 5.5 本章小结
• 第六章 太阳辐射减弱对冬小麦干物质生产及分配的模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 光合作用与干物质生产模拟方法
• 6.2.2 太阳辐射减弱对冬小麦干物质分配和产量影响的模拟研究
• 6.2.3 模型的检验
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 太阳辐射减弱条件下冬小麦光合速率的模拟
• 6.3.2 太阳辐射减弱条件下冬小麦干物质生产的模型模拟
• 6.3.3 太阳辐射减弱条件下冬小麦干物质分配的模拟
• 6.3.4 太阳辐射减弱条件下冬小麦籽粒产量的模拟及比较
• 6.4 讨论
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.1.1 地表太阳辐射变化及其与气溶胶特性的相互关系
• 7.1.2 太阳辐射减弱条件下冬小麦光合系统的响应及光合生产能力
• 7.1.3 太阳辐射减弱条件下冬小麦光干物质的累积、分配及产量形成
• 7.1.4 太阳辐射减弱条件下冬小麦光合作用及干物质生产的评估
• 7.2 本文的创新之处
• 7.3 存在的问题及今后工作展望
• 参考文献
• 读研期间发表的论著及参与的课题
• 致谢