CO2浓度增加对半干旱区马铃薯生长动态及产量、品质的影响

为了解CO₂浓度升高条件下马铃薯生长动态及其产量、品质的变化特征,在典型半干旱区（甘肃定西）利用开顶式气室(OTC)试验平台,以马铃薯‘新大坪’为供试品种,设对照(390 μmol·mol^-1)和590 μmol·mol^-1共2个CO₂浓度梯度,开展CO₂浓度增加模拟试验。结果表明：CO₂浓度增加至590 μmol·mol^-1时,马铃薯发育加快,生育期提前,全生育期天数缩短3 d;CO₂浓度升高对马铃薯株高、叶面积指数、叶绿素含量和叶片水势有明显促进作用。随着生育进程的推移,马铃薯地上部干物质生产对CO₂浓度的响应值呈现先变大再变小的趋势。CO₂浓度增加促进了马铃薯块茎产量的提高,单株结薯数和单株薯块质量也有所增加。与对照相比,590 μmol·mol^-1CO₂处理马铃薯块茎水分、蛋白质、维生素C含量以及铁、锌、铜元素含量分别下降3.43%、11.78%、13.09%、25.58%、31.94%和9.76%,而粗淀粉、粗脂肪、粗纤维和还原糖含量分别增加10.56%、240.00%、14.28%、106.38%。     

模拟增温对半干旱雨养区春小麦物质生产与分配的影响

为了明确未来气候变化对半干旱区春小麦生产的影响，了解增温条件下春小麦不同生长阶段物质生产的响应特点以及光合产物在不同器官中的分配特征，利用开放式红外增温系统设置不同的温度梯度，即不增温（对照）、增温1和2℃，模拟田间增温对春小麦物质生产与分配的影响。结果表明：温度增加，春小麦发育加快，全生育期明显缩短，增温1和2℃，比对照分别缩短7和11 d；从各器官干物质生产来看，相对于对照，在增温1、2℃处理下，叶干物质质量在三叶期分别增加了11.23%和27.49%，在拔节期及其以后分别平均降低了20.12%和30.83%。茎干物质质量在拔节期及其以前分别平均增加了17.30%和30.30%，拔节期以后分别平均降低了13.19%和22.09%。根干物质质量在孕穗期及其以前分别平均增加了10.26%和23.30%，孕穗期以后分别平均降低了15.79%和26.05%。穗干物质质量分别平均降低16.43%和29.00%；增温处理下春小麦物质生产随时间的响应规律主要是由净同化率的变化所致；从各器官干物质分配来看，与对照相比，增温1、2℃处理下，春小麦叶和穗干物质质量占全株干物质质量的比例在整个生育期分别平均下降了8.32%、12.01%和0.56%、3.40%，且增温幅度越大，下降的越多。增温1、2℃处理下，茎和根干物质质量占全株干物质质量的比例在整个生育期分别平均增加了3.92%、6.25%和3.86%、8.71%，且增温幅度越大，增加的越多。结果为中国半干旱区春小麦对全球气候变化下的敏感性及适应性研究提供理论参考。     

叶片光合生理参数变化特征与小麦受旱状态的关系

以小麦为供试作物布设干旱过程试验,研究干旱过程中小麦叶片光合生理参数(包括净光合速率(Pn)、气孔导度(g_(ssat))、胞间CO_2与空气CO_2浓度比(Ci/Ca)、最大羧化速率(Vc_(max))以及最大电子传递速率(J_(max)))的变化特征,并探讨干旱不同阶段Pn与g_(ssat)的关系及其对气孔导度模型斜率的影响。结果表明:土壤有效含水量(ASWC)较大时(0.5),即水分供给充足条件下,小麦叶片光合生理参数随着ASWC的减少保持相对稳定;而当ASWC降至0.5时,g_(ssat)、Ci/Ca以及Pn减小,在ASWC0.3时,Pn与g_(ssat)及Ci/Ca的关系保持相对稳定;当ASWC0.3时,g_(ssat)随ASWC减小呈显著降低趋势,Vc_(max)和J_(max)也在此阶段随ASWC减小而线性降低,而Pn随g_(ssat)的减小降幅明显增大,拟合所获得的气孔导度模型斜率也随之发生改变;当ASWC0.1时,Ci/Ca随ASWC减小呈增大趋势,而Pn随ASWC减小而减小,在该阶段,Ci/Ca与Pn呈相反的变化趋势。根据叶片光合生理参数的变化特征,可将小麦受旱过程划分为4个阶段,即无干旱胁迫或干旱胁迫较轻的阶段、只有气孔因素影响光合生理过程的阶段、非气孔因素和气孔因素同时影响光合生理过程的阶段以及光合器官遭受损坏的阶段。     

作物内禀水分利用效率变化

为探究不同作物类型内禀水分利用效率(IWUE)之间的区别及其环境影响因素,本研究以春玉米科河28和春小麦定西新24为试验材料,通过桶栽和小区试验,设置水分充足和干旱胁迫2个处理,观测玉米、小麦在不同水分和不同气象条件下的叶片光合生理过程并收集文献资料,分析比较C₃和C₄作物之间,以及不同环境条件下相同作物IWUE的变化特征及气孔导度模型斜率。结果表明,C₄作物玉米较C₃作物小麦具有更高的IWUE;有利的环境条件下,小麦IWUE较低,而不利的环境条件下,小麦倾向于提高IWUE;生长在湿润区的C₃作物IWUE较低,而半干旱区的C₃作物IWUE较高;小麦的气孔导度模型斜率高于玉米,同时不利的环境条件及干燥的气候条件下,作物倾向于降低气孔导度模型斜率。综上,作物气孔调节方式具有优化利用水分的功能,在不利的环境条件下,作物的水分利用方式倾向于保守,从而在较小的水分消耗下,获得最大的产出。本研究结果为区域作物品种选择及布局提供了参考依据。     

温度升高和降水减少对半干旱区春小麦生长发育及产量的协同影响

为探索和验证未来气候变化对半干旱雨养区春小麦生产的影响，了解春小麦生长发育和产量对增温和降水减少协同响应的基本特征，采用开放式红外增温系统装置和水分控制观测场，设置不同温度[增温0℃（对照）、增温1.0℃、增温2.0℃]和水分梯度（正常降水、降水减少30%）模拟气候变化对半干旱区春小麦产量、生物量、穗部性状以及株高、叶面积、叶绿素和叶片净光合速率的影响。结果表明：温度升高和降水减少在春小麦的籽粒产量和生物产量上均表现出显著的协同作用。在不增温、增温1.0℃、增温2.0℃下降水减少30%处理比正常降水处理分别减产24.41%、12.93%和27.38%，生物量分别减少19.25%、10.31%和22.11%。因为籽粒产量的降幅略大于生物产量的降幅，所以导致经济系数降低。温度升高和降水减少抑制了春小麦穗的形成，在各增温条件下，穗长、穗重、总小穗数、穗粒数、穗粒重、千粒重表现为降水减少30%处理低于正常降水处理，而无效小穗数和不孕率表现为降水减少30%处理高于正常降水处理。温度升高和降水减少的协同作用对春小麦叶片净光合速率有极显著影响，对叶面积和叶绿素含量有显著影响。二因子协同作用使春小麦叶片净光合速率降低，导致春小麦株高、叶面积、叶绿素含量和茎秆重降低。研究结果可为进一步开展气候变暖下春小麦的响应与适应研究和未来半干旱区春小麦的安全种植提供理论依据。     

基于2种标准化干旱指数分析秦皇岛近50年干旱状况

为了分析SPEI是否相对于SPI更适合于气候变暖背景下秦皇岛的干旱监测与评估,为更精确地诊断该区干旱发生状况提供依据,以河北秦皇岛1964—2014年逐日降水及温度资料为基础,分析比较标准化降水指标(SPI)和标准化降水蒸散指标(SPEI)对秦皇岛干旱监测的差异及秦皇岛地区近50年干旱变化趋势。结果表明:50年来秦皇岛干旱发生的频次逐渐增多,且干旱程度也较过去有所加重,春季、夏季、冬季呈干旱化趋势,秋季呈增湿趋势;两个指数在同一季节指示的干湿状况演变趋势是一样的;1989年以前,秦皇岛市气温距平值基本为负值,在这期间SPI与SPEI数值变动趋势较为一致且在发生干旱的年份SPI与SPEI数值之间差异不大,但在1989年以后,随着秦皇岛市气温距平值由负转为连续多年正值,两个指数差异增大,SPEI在监测到干旱发生时,干旱程度较SPI监测的结果更重也更接近实际情况,所以得出SPEI更能有效地反映出全球变暖背景下秦皇岛干旱发生发展情况。     

基于模式识别的半干旱区雨养春小麦干旱发生状况判别

为准确判断作物生长发育过程中农业干旱的发生状况,并预估作物产量,该研究以半干旱区1986-2011年生育期气象和产量资料为基础,分析雨养春小麦产量形成所受因素,以产量变动状况作为春小麦干旱和正常年景的判断标准。采用模式识别法,迭代求解建立可预测春小麦年景的线性分类方程,对半干旱雨养区农业干旱的发生状况进行判定。研究结果表明:半干旱雨养区春小麦产量形成受诸多因素影响。若不剔除其他因素的影响,仅以气象要素为基础无法建立判别方程,从而难以定量判断春小麦生育期农业干旱的发生状况。但在剔除播前50 cm层次土壤相对含水率大于55%的年份后,以主要生育期平均温度和降水量能够建立判别方程预测春小麦年景,从而可以对春小麦生长发育过程中的农业干旱发生状况进行定量分析。同时,5月份降水量对春小麦生长发育具有非常重要的作用,在播前50 cm层次土壤相对含水率小于55%时,只用5月份降水量一个气象要素即可较为准确地模拟估测春小麦产出。该研究可为干旱致害机理的进一步深入探讨提供参考依据。     

模拟增温和降水变化对半干旱区春小麦生长及产量的影响

为了探索和验证未来气候变化对半干旱区春小麦生产的影响,了解春小麦生长发育和产量对增温和降水变化协同响应的基本特征,利用开放式增温系统和水分控制装置,设置不同水分和温度梯度来模拟气候变化对半干旱区春小麦的影响。结果表明：正常和增加30%降水条件下,增温2.0℃使春小麦株高降低。在不增温和增温2.0℃条件下,增加30%降水使春小麦株高增加;正常和增加降水条件下,增温的叶面积指数比不增温的低。正常和增温条件下,水分对叶面积指数的影响规律性不是很明显;增温和增水协同条件下的株高、叶面积指数小于不增温和正常降水条件下的株高、叶面积指数;增温导致叶绿素含量降低,增温情况下增水会使叶绿素含量提高;正常和增加降水条件下,增温的干物质质量比不增温的低。正常和增温条件下,降水增多则有利于干物质质量的积累;营养生长阶段和生殖生长阶段,在正常和增加降水条件下,增温对叶的分配系数有负效应,增水为正效应。增温对茎的分配系数有正效应,增水为负效应。增温对穗的分配系数有负效应,增水为正效应;增加降水对春小麦的产量有正效应,而增温则不利于产量的提高,即便是在增加降水的情况下,增温还是对产量有不利的影响。研究结果为中国半干旱区春小麦对全球气候变化下的敏感性及适应性提供理论参考。     

干旱胁迫下春玉米叶片对光强和CO_2浓度的反应

为应对干旱灾害对作物生长的影响,寻求玉米叶片抗旱减灾的生理阈值。采用LI-6400便携式光合仪测定不同程度干旱胁迫下春玉米叶片在不同光强和CO_2浓度下的光合生理指标。重度干旱胁迫下Pn在低PAR就达到饱和且偏小;在相同PAR下,Pn呈现正常灌溉轻度干旱胁迫中度干旱胁迫重度干旱胁迫。干旱胁迫加剧,Gs减小趋势明显,Ci瞬间储存量也不同。中度和轻度干旱胁迫受气孔限制影响显著,重度干旱胁迫主要受非气孔限制影响。PAR增强,Tr随干旱胁迫加剧而减小。CO_2浓度增大,温度高于35℃叶片Pn反而减小,30℃左右时Pn最大;CO_2浓度倍增Gs在35℃最小;叶片Ci在30℃和35℃明显小于20℃和25℃;30℃叶片Tr最大。不同程度干旱胁迫对光强反应差异显著;CO_2浓度倍增,叶片光合生理过程也受温度影响。     

施氮水平对红壤区夏玉米水分胁迫指数下基线的影响

在南方红壤区,分阴、晴两种天气条件,分别模拟不同施氮水平(0、120和240kg·hm-2)的夏玉米水分胁迫指数( CWSI)下基线方程.结果表明,阴天时由于空气饱和差集中于1～1.25kPa,不适合模拟玉米CWSI下基线,而在晴天时,尽管空气饱和差在1 ～3kPa范围内变化,但是模拟建立的CWSI下基线回归检验效果极显著(P＜0.01);晴天条件下,在相同空气饱和差变动范围内,有氮素供给的夏玉米冠气温差低于不施氮的,而且随着施氮量的增多,冠气温差逐渐降低,从而导致不同施氮水平处理夏玉米CWSI下基线各不相同.试验结果表明,在南方红壤区亚热带季风气候条件下,可以在晴天时建立作物CWSI下基线;并且在使用CWSI时,要根据作物施肥水平建立相应的CWSI下基线.