组培苗光合速率测量系统的研制与试验

光合生长模型是组培微环境调控的依据，组培苗光合速率测量系统是定量研究生长模型所必备的实验装置。现有成熟的植物光合速率测量系统，如Li-6400不能适用于组培苗的测量。该文在综合分析国外现有测量系统的基础上，兼顾国内在大型组培育苗设施类型选择上的经济可行性，采用CO₂传感器和自动控制技术，研制了半开放式组培苗光合速率测量系统。该系统自动化程度高，能够实现整个生长过程在线连续测量，测量误差小，不干扰组培微环境，数据真实性好，所建立的光合模型可以直接应用于半开放式组培设施环境的调控系统。以阶段Ⅲ甘薯组培苗为实验材料，采用本测量系统对其第8 d的光合速率进行了测定，并建立了CO₂浓度和光合光量子通量密度的2因子光合生长模型。     

组培育苗气体微环境自动调控系统的研制与试验

为改善组培苗生长发育的气体环境，降低育苗成本，在综合分析已有气体环境控制系统的基础上，基于以流量控制组培环境CO₂浓度和以压力控制混合罐CO₂浓度和气体压力的控制策略，建立了相应控制的数学模型，设计了新型组培育苗气体微环境自动综合调控系统，对组培气体环境中CO₂浓度和相对湿度实施适宜参数组合调控。以叶用甘薯组培苗为试验材料，依据有关文献，取适宜光合光量子通量密度、CO₂浓度和相对湿度的参数组合为(250 μmol·m<     

东北地区大豆鼓粒期光合特性的研究

用LI-6400光合测定系统对东北地区大豆鼓粒期叶片光合速率对光合有效辐射通量密度的响应特征和晴天光合速率、光能利用率、水分利用率等特性的日变化规律进行了研究。结果表明,光合速率对光合有效辐射通量密度的响应特征遵循M ichaelis-M enten方程,在自然光条件下,上下两层叶片综合考虑,最大光合速率平均为37.25μmol m-2s-1,表观初始量子效率平均为0.0376。在晴天,光合速率、蒸腾速率、气孔导度以及光合有效辐射通量密度、环境温度随时间的变化可以用正弦函数模拟,但其峰值出现的时间不同,光合速率和气孔导度在午前,光合有效辐射通量密度在正午,蒸腾速率和环境温度在午后。这种时间序列说明光合速率在午前开始降低,但引起这种现象的原因是高温引起的气孔限制造成的,而非光胁迫。日出后,大豆叶片的光能利用率随时间逐渐降低,到10:30左右稳定在0.015~0.02 molmol-1,该变化规律用正弦函数的形式可以得到很好的模拟。大豆叶片的水分利用率在上午和下午存在显著差异,上午的水分利用率显著高于下午,温度是造成这种差异的主要原因,用正弦函数形式模拟也能得到类似的结果。     

基于遗传算法的番茄幼苗光合作用优化调控模型

由于光合速率优劣直接影响番茄的产量与品质,而其光合速率主要受温度和光子通量密度影响,因此如何实现不同温度条件下的光饱和点信息动态获取,是光环境调控技术发展亟需解决的重要问题。针对上述问题,该文提出了基于遗传算法的番茄幼苗光合作用优化调控模型。其利用光合速率双因素嵌套试验获取多维数据,构建温度、光子通量密度耦合的光合速率多元非线性回归模型,设计了基于遗传算法的光合速率模型寻优方法,得到不同温度条件下的光饱和点,继而建立以光饱和点为目标值的番茄幼苗光合优化调控模型。模型验证试验结果表明,提出的方法可动态获取不同温度条件下光饱和点,光饱和点实测值与计算值决定系数为0.920,最大相对误差小于6%,具有较高精度,对提高设施光环境调控效率具有重要的意义。     

农果复合系统光热资源有效利用：Ⅲ.树冠遮阴对地表温度的影响

利用红外测温仪对果树树冠遮阴引起的地表温度变化作了测量。２年的结果表明，裸地地表温度的降低值ΔＴ（℃）主要取决于树冠透光率τ和太阳的光合有效量子通量密度Ｕ０（μｍｏｌｍ＾－２ｓ＾－１），它们之间满足关系式：ΔＴ＝０．０１１３Ｕ０（１－τ）。     

间作豆科植物对极高温天气茶园温度变化的影响

研究了茶园间作花生、黄豆和绿豆3种豆科植物对极高温天气茶园生态系统温度变化的影响,结果表明:在极高温天气下,间作豆科植物能有效降低茶园地表温度、环境温度和茶叶叶面温度,且随着间作密度的增加其效果更加明显,其中间作花生较黄豆、绿豆降低效果更佳。     

基于C8051F005的组培CO2微环境调控系统的研制与试验

基于C8051F005芯片设计开发一种新型组培气体微环境控制系统，采用高纯度CO₂定压定量供给和自动箱内循环在线监测技术，成功解决了CO₂气体难以自动精确施放和传感器检测精度及其稳定性的问题，实现了组培微环境CO₂浓度的按需设定和自动控制。该系统能够同时记录CO₂浓度的下降量和时长，既可用于研究不同组培微环境因子对组培苗同化CO₂速率的影响，又能用于规模化组培育苗生产。以驱蚊香草、冬青、大花蕙兰组培苗为实验材料，验证系统可靠性与可行性。结果表明该系统运行可靠，控制精度高，能够满足规模化组培育苗对气体微环境调控的需求和组培微环境建模的科研要求。     

冬季猪舍粪便贮存过程中CO2排放特征

利用丹麦猪舍和液态猪粪便进行了CO2气体排放测试,比较了3种粪坑内粪便高度（0.15,0.40和0.65 m）、3种通风量（211,650和1 852 m3/h）、粪坑内有无挡板下冬季猪舍粪便贮存过程中CO2排放通量。测试结果表明：通风量、粪便温度和粪坑挡板可以用来解释大部分的CO2排放通量变化的差异;对于使用渗透性天花板进气和负压通风排气,CO2排放通量随着舍内通风量的增加而增大,3种通风量之间CO2排放通量差异显著;使用粪坑挡板可以显著降低粪坑内的空气交换和减少CO2排放通量;粪便贮存高度的变化对CO2排放通量的作用不明显;敏感性分析表明CO2排放通量相对于粪便温度的敏感性（敏感度值大）要高于通风量,在较低的通风量变化区间,CO2排放通量变化的敏感性要高于较高的通风量变化区间,但对于粪便温度变化趋势正好相反。通风量的增加同时会降低舍内和粪坑内空气温度以及粪便温度,因此要综合考虑通风量和温度对气体排放通量的影响。     

基于C8051F005的组培CO2微环境调控系统的研制与试验

基于C8051F005芯片设计开发一种新型组培气体微环境控制系统,采用高纯度CO2定压定量供给和自动箱内循环在线监测技术,成功解决了CO2气体难以自动精确施放和传感器检测精度及其稳定性的问题,实现了组培微环境CO2浓度的按需设定和自动控制.该系统能够同时记录CO2浓度的下降量和时长,既可用于研究不同组培微环境因子对组培苗同化CO2速率的影响,又能用于规模化组培育苗生产.以驱蚊香草、冬青、大花蕙兰组培苗为实验材料,验证系统可靠性与可行性.结果表明该系统运行可靠,控制精度高,能够满足规模化组培育苗对气体微环境调控的需求和组培微环境建模的科研要求.     

基于无线传感器网络的温室光环境调控系统设计

为了解决现有光环境调控系统存在光照度不可调、能耗高、部署困难等问题,该文设计基于无线传感器网络的光环境调控系统。该光环境调控系统以CC2530处理器为核心设计中央控制节点、监测节点、调光节点,采用ZigBee协议实现自组网络、监测数据和控制信号传输。监测节点通过周期监测光合有效辐射值,利用自然光中太阳高度角与红蓝光比例关系,计算当前红蓝光光量子通量密度;利用智能中央控制节点计算其与作物所需目标量的差值,并将其转换为脉宽调制控制信号,通过调光节点控制LED输出亮度,实现LED调光灯输出光量的动态、精确、无线调控。试验检验表明,该系统红蓝光光量子通量密度监测误差小于6%,调控输出光照度相对误差小于3%,可满足多个温室实时、按需、定量光环境调控的需求,具有部署灵活、易扩展、低能耗的特点。     

低温胁迫及恢复对番茄快速叶绿素荧光诱导动力学特征的影响

以番茄品种“中蔬4号”为试材，设置对照（人工气候室，温度变化范围18～28℃，600μmolm−2s−1，光周期12h，CK）和低温（人工气候箱，8℃，200μmolm−2s−1，光周期12h，CL）两个处理，低温处理4d后将番茄幼苗移入对照环境下恢复4d，观测叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线在低温处理及恢复期的变化，以探讨低温胁迫和随后恢复对番茄叶片光系统II（PSII）反应中心和受体侧的影响。结果表明：低温胁迫降低了番茄叶片PSII光化学效率和光合性能，导致低温光抑制的发生。低温胁迫导致番茄叶片单位面积有活性的反应中心数目（RC/CS）及其开放程度（Ψo）下降，从而降低了叶片单位面积对光能的吸收（ABS/CS）、捕获（TRo/CS）和进行电子传递（ETo/CS）能力，减少了电子传递到电子传递链中超过QA−电子受体的概率（φEo），阻碍了光合电子传递的进行；与此同时，低温首先诱导了PSII可逆失活和热耗散增强以减少对过剩光能的吸收、传递与积累，随后促进了PSII受体侧电子传递体PQ库容量（Sm）增大以防御PSII过量激发压积累。本实验中低温主要抑制了番茄叶片PSII活性，而对PSI影响相对较小。恢复期天线色素对光能的吸收和PSII反应中心对光能的捕获能力较电子传递更易于恢复，并且恢复初期强光反而会加重光抑制程度。     

Crop productivity in relation to interception of photosynthetically active radiation

The attenuation of photosynthetic photon flux density (PPFD) in maize, sorghum, pigeonpea, and a maize/pigeonpea intercrop in the operational research watersheds at ICRISAT Center in India was measured on a weekly basis throughout the growing season. A 2-m high frame covering an area of 3 m² was designed to accommodate four manually-operated traversing quantum sensors for the measurement of PPFD. The interception of PPFD by the crop canopies was found to be closely related to the leaf area index. The plots of the regression relationship between dry matter for different crops and cumulative intercepted PPFD (grams of dry matter/einstein intercepted) were used to define the efficiency of light interception by crops. The maize/pigeonpea intercrop proved to be most efficient, followed by maize, sorghum, and pigeonpea. The Bouguer—Lambert Law was used to compute the extinction coefficient of PPFD of plant canopies. The interception of PPFD could be accurately predicted for sorghum and maize using this law, but in the case of pigeonpea the law was not satisfactory for accurate prediction of PPFD interception.     

Responses of Radial and Axial Hydraulic Resistances in Maize Root to Nitrogen Availability

Abstract

One of the important physiological mechanisms of nitrogen (N) deficiency inhibiting plant shoot growth may be related with its impacts on root hydraulic resistance. Hence, effects of N deficiency on root radial and axial hydraulic resistances of maize were studied in this study with potometer and anatomical methods, respectively. The results indicated that N deficiency increased root radial hydraulic resistance of the apical zone under both high and low transpiration and axial hydraulic resistance more than 6 cm from the root tip. Root radial hydraulic resistance of N deficiency treatment was insensitive to aquaporin inhibitor mercuric chloride (HgCl₂), but radial hydraulic resistance of normal N use treatment was sensitive to HgCl₂ under low photosynthetic photo flux density (PPFD). This suggested that the decrease of water transport across Hg‐sensitive transcellular pathway might be an important reason for the increase of radial hydraulic resistance on low N availability roots under a low hydrostatic gradient. The increase of axial hydraulic resistance more than 6 cm from the root tip under N deficiency was closely related with the decreased number and the smaller diameters of mature metaxylems.     

基于能量平衡的华北平原农田蒸散量的估算

通过测定冬小麦主要生育期农田冠层能量平衡的各分量、少风晴天时冠层温度和气温日变化及每周叶面积指数,分析了农田冠层能量平衡日变化规律、各分量季节变化特征,并以波文比系统实测蒸散值为相对标准,基于遥感冠层表面温度和能量平衡原理,采用Brown-Rosenberg公式对农田蒸散进行了估算和验证。结果表明：考虑夜间能量平衡各分量变化时,土壤热通量只占净辐射的3%左右,且夜间潜热交换值均很小,都在零左右波动;采用Brown-Rosenberg公式引入遥感冠层温度后估算的蒸散量较波文比系统实测值稍大,但忽略土壤热通量和考虑土壤热通量相比,二者相对平均偏差分别为16%和10%左右,差别不大,说明拔节-灌浆期（LAI≥3）估算蒸散时可近似忽略土壤热通量和夜间农田蒸散量,利用Brown-Rosenberg公式估算区域蒸散可行,该方法适用于华北平原农田蒸散计算。研究结果为将Brown-Rosenberg公式引入作物模型、基于热红外遥感冠层表面温度计算区域蒸散和水分胁迫系数进行区域估产提供了地面试验依据。     

Modelled and measured ratio of PAR to global radiation under cloudless skies

The ratio between photosynthetic photon flux density (PPFD) and solar broadband irradiance depends on the spectral structure of radiation. Therefore, at the Earth surface, this ratio depends on atmospheric conditions and solar height. Specifically, for cloudless skies, and based on results from a spectral radiative transfer model, a parameterised model is presented here in order to obtain the ratio between PPFD and global irradiance from meteorological routine measurements. The two main input variables of the model are air mass and an estimation of precipitable water column. Modelled values are compared to measurements taken at Girona (NE Iberian Peninsula). A correction to measurements is developed to take into account the non-cosine response of the instruments. Agreement between measurements and model is significantly better than merely considering a constant value of the ratio between PPFD and global broadband irradiance.     

Daily photosynthesis totals calculated from solar radiation histograms

Histograms of the number of hours in the day in which the photosynthetic photon flux density (PPFD) of solar radiation was within 5 preset bands, were constructed from readings made with a miniature battery-operated millivolt histogram recorder, connected to a photon sensor. The number of histograms showing a bimodal distribution was much fewer than was expected from a review of the literature, even in a site shaded by trees. This was attributed to smoothing of the data over a whole day, compared with published data which were mostly taken near noon. Bimodal distributions were found in a greenhouse under clear or partly cloudy conditions.The histograms were combined with published data for the instantaneous gross photosynthetic responses to PPFD of two bermudagrass swards, one of low leaf area index (LAI) and highly non-linear response, and the other of high LAI and more linear response. The daily photosynthesis totals of the swards were calculated by summing the products of the number of hours accumulated in each band by the photosynthetic rate in the center of the band.Because of the non-linearity of response, the photosynthesis total in the greenhouse was 75–82% of that calculated for an open site on a clear day, while the daily photon total was only 70% of the open site value. Also, for the same daily photon total, the daily photosynthesis total of each sward on the open site was greater on a day of light clouds (moderate PPFD) than on a day of sunshine alternating with heavy clouds (bimodal histogram of PPFDs). The difference between the two days was greater for the sward with the more non-linear response. These interactions between non-linearity of photosynthetic response and type of radiation histogram were in the expected direction, however, the differences were not very large (+ 10% for the sites and responses studied).The histogram recorder provides an inexpensive and convenient means of obtaining solar radiation data that can be used to calculate daily photosynthesis totals, either from experimental photosynthesis data or from canopy photosynthesis models. Because the response of photosynthesis is non-linear, linear integrals of solar irradiance do not provide sufficient information for such photosynthesis studies.     

湄公河流域农业干旱主要影响因素分析和预估

以湄公河流域作为模拟试验区域,采用区域气候模式RegCM3为模拟工具,单向嵌套全球海气耦合模式ECHAM5/MPI-OM当代(1980-2009年)和SRES A1B情景下未来(2010-2039年)的输出结果,以根系层土壤含水量为代表性指标,对试验区月尺度农业干旱进行了预估。基于地表能量平衡,系统分析了降水、蒸发、地表温度等农业干旱主要影响因素与区域气候模式模拟的大气环流、地表感热通量、地表潜热通量、地表净通量之间的联系和变化规律,从气陆间能量和水汽通量平衡角度,对农业干旱发生机理进行了初步识别。预估结果表明:未来春末(6月)和秋末(10月)湄公河流域温度增加、土壤含水量减少较为明显;同时,在这个时段试验区蒸发旺盛和降水减少的趋势,有可能导致湄公河流域局部地区农业干旱的发生。     

蒸发比法能量强制闭合及其对稻田蒸散量估算精度的影响

为探求节水灌溉稻田蒸发比(潜热通量与有效能量的比值,EF)变化特征及能量平衡闭合情况对稻田蒸散量测算的影响,该研究采用涡度相关系统,监测了2014-2016年节水灌溉稻田湍流通量过程,分析了稻田蒸发比的不同时间尺度的变化特征,对比了能量强制闭合前后湍流通量的比例与过程变化。结果表明,节水灌溉稻田EF与旱作物不同,小时尺度EF先减小后增加,在10:00-12:00时段的数值最为稳定。水稻全生育期EF均在0.7～1.0之间变化,均值约0.93,潜热蒸散是稻田主要的能量消耗项。能量强制闭合修正后湍流通量明显增加,日峰值差异最大,昼夜交替时,稻田能量平衡处于过闭合状态;能量强制闭合后不同时间尺度上的蒸散量都明显增加,能量强制闭合是涡度相关法准确计算蒸散量的前提。研究结果可为稻田蒸散量准确测算与蒸散模型扩展研究提供重要的数据支撑与方法。     

施氮量对穗期高温胁迫下玉米叶片光合生理及产量的影响

  【目的】  探究不同施氮量对玉米穗期高温胁迫下光合生理及产量的影响,为合理施氮实现玉米抗逆稳产提供理论依据。  【方法】  2020—2021年开展人工模拟高温田间试验。以耐热型品种郑单958 (Zhengdan 958) 和热敏感型品种先玉335 (Xianyu 335) 为材料;设置3个施氮量,分别为低氮 (N 90 kg/hm2,N90)、中氮 (N 180 kg/hm2,N180) 和高氮 (N 270 kg/hm2,N270)。在玉米第11片叶展开期至抽雄期进行高温处理 (HT),分别持续12天 (2020年) 和9天 (2021年),以田间自然生长的植株为对照 (CK),处理期间高温和对照的日最高温度均值分别为41.9℃、35.9℃ (2020年) 和40.8℃、37.7℃ (2021年),昼夜温差均值分别为19.3℃、13.0℃ (2020年) 和18.1℃、14.8℃ (2021年),调查两个品种穗位叶的光合色素含量、光合参数、叶绿素荧光参数、光合酶活性、籽粒产量及产量构成因素,分析温度、品种和施氮量三者之间的互作效应。  【结果】  1) 高温胁迫提高了两个玉米品种穗位叶的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 (PEPCase) 和核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶 (Rubisco) 活性,降低了穗位叶光合色素含量、净光合速率 (P_n)、叶绿素荧光参数和产量,高温对热敏感型品种先玉 335的影响大于耐热型品种郑单 958。 2) 在对照条件下,两个品种的光合色素含量、P_n、最大光化学效率 (F_v/F_m)、PEPCase活性、Rubisco活性、籽粒产量及产量构成因素随着施氮量的增加而增加;在高温条件下,则随施氮量增加呈先升后降趋势,均以N180处理最高。3) 品种、温度、施氮量及温度×施氮量的互作效应对光合性能指标和产量均具有极显著影响 (P<0.01)。与对照相比,高温条件下3个氮肥用量中N270处理的各项指标降幅最大,说明在高温条件下高氮加剧了玉米穗位叶光合性能减弱,加深了高温危害,且先玉 335表现更明显。4) 相关分析表明,两个品种的产量与穗粗、穗粒数、光合色素含量、P_n、F_v/F_m、实际光化学效率 (YⅡ)、表观电子传递速率 (ETR) 和光化学淬灭系数 (qP) 均呈极显著正相关 (P<0.01),穗粗、穗粒数与各光合生理指标均呈极显著正相关 (P<0.01)。因此,光合性能下降引起穗粒数减少,进而导致产量下降。  【结论】  第11片叶展开期至抽雄期高温胁迫可显著抑制玉米光合生理,降低产量。合理的施氮量 (N 180 kg/hm2) 可以缓解高温胁迫,提高光合生理活性,增加籽粒产量,而高氮 (N 270 kg/hm2) 会增加高温造成的产量损失。