不同粮食作物光能利用效率研究

作物产量高低主要取决于作物的光能利用效率,明确不同作物光合、光截获能力与光能利用效率的差异性,对提高作物资源利用效率和种植结构调整有重要意义。该研究以吉林省梨树县玉米、春小麦、大豆、谷子和马铃薯5种主要粮食作物为研究对象,通过2a田间试验,分析研究了不同作物不同生育阶段的光合特性、光截获和光能利用效率。结果表明：玉米和谷子在营养及生殖生长阶段的最大净光合速率均大于28.34 μmol/(m2·s),高于其他作物,且光合作用适宜光强范围较其他作物更宽。对比作物光合有效辐射截获能力可知,玉米、大豆和谷子的光截获能力明显优于其他作物,但基于光截获能力分析需适当减小种植密度,避免种植密度过大影响作物中下部叶片发育;马铃薯和小麦则可在充分考虑水分、肥料等限制条件后适当增加种植密度来提升作物群体光截获能力;作物上部最大光截获由营养生长阶段向生殖生长阶段的过渡时期最高,对作物光能利用率的提高有重要影响。马铃薯、玉米及谷子的全生长季光能利用率显著高于小麦和大豆;马铃薯、玉米及谷子在营养生长到生殖生长过渡时期的光能利用率较其他生育期高。仅考虑产量最高,吉林梨树县优先种植玉米、马铃薯和谷子。     

水氮管理及品种对冬小麦光能利用率的影响

提高光能利用率(RUE)是作物获得高产的重要因素之一。遗传特性和栽培管理措施等因素通过影响作物冠层结构及冠层形成过程,进而影响作物的光能利用率。为探讨不同冬小麦品种在不同水氮管理条件下的光能利用率,于2012—2013年,在中国科学院栾城农业生态系统试验站,进行了3个冬小麦品种(‘冀麦585’、‘科农199’和‘石新828’)在3个氮水平[135 kg(N)·hm?2,180 kg(N)·hm?2,225 kg(N)·hm?2]和3个灌溉水平(70 mm,140 mm,210 mm)下的大田试验,对关键生育期光合有效辐射截获、生物量和叶面积等参数进行了测定和分析。结果表明:不同冬小麦品种的光能利用率存在显著差异(P0.05),‘冀麦585’、‘科农199’和‘石新828’的光能利用率分别为2.10 g?MJ?1、2.05 g?MJ?1和1.93 g?MJ?1。不同水氮处理对冬小麦光能利用率有一定的影响,其值为1.80~2.20 g?MJ?1;水氮因素对冬小麦光能利用率的影响不同,随着施氮水平的增加,光能利用率增加,适度的水分亏缺会产生较高的光能利用率。光能利用率增加与生物量形成呈正相关,但当生物量增加到一定程度后冬小麦产量并不随生物量的增加而增加,这与干物质量转移率随着生物量增加而降低有关。结果还显示:从拔节期到灌浆期冬小麦的光能利用率与气温存在明显的曲线关系,其在水氮条件下表现不一致。综合上述分析结果,需要适宜水氮供应才能获得适度干物质积累,提高光能利用率和有效干物质运转,最终提升冬小麦产量。     

基于APSIM模型的大气气溶胶直接辐射效应对我国玉米产量的影响评估

在大气气溶胶污染日益严重的时代背景下,气溶胶对农作物生长发育的影响越来越不可忽视。本文以全球气溶胶监测网（AErosol RObotic NETwork,AERONET）中具有常年观测数据的我国北京、香河和太湖为研究站点,利用AERONET多年观测资料以及MODIS地表反照率数据,借助6S（Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum）辐射传输模式,计算出2001-2014年研究站点的气溶胶直接辐射效应,评估了APSIM（Agricultural Production Systems Simulator）作物模型的适用性,运用验证适用的APSIM模型分析了气溶胶直接辐射效应对我国玉米产量的影响。结果表明：1）验证后的APSIM玉米模型在我国北京、香河和太湖玉米产区具有较好的适用性。APSIM模型在模拟玉米的发育期以及产量中的模拟结果较好,其中各站点产量的相对均方根误差（NRMSE）为1.55%~6.24%,一致性指标（D）为0.80~0.99,决定系数（R²）为0.75~1.00。2）气溶胶使得太阳直接辐射降低;降低的趋势主要受气溶胶的净辐射通量的影响。2001-2014年期间北京、香河和太湖总辐射量分别降低31.95%、14.74%和28.30%。3）气溶胶直接辐射效应造成玉米减产。2001-2014年期间气溶胶直接辐射效应使得北京、香河和太湖玉米产量分别减少28.44%、14.89%和13.43%。总体来说,2001-2014年期间大气气溶胶直接辐射效应使得我国北京、香河和太湖3个高污染区的玉米产量减少13.43%~28.44%。     

高CO2浓度和遮荫对小麦叶片光能利用特性及产量构成因子的影响

CO2和光能是植物光合作用的动力和底物,它们的变化必然引起植物光合特性和生长的变化。研究大气CO2浓度和光强变化对植物光合生理的影响,有利于认识作物对全球生态变化的生理响应机制。试验以高大气CO2浓度和遮荫为处理手段,通过测定小麦(Triticum aestivum)旗叶的光合气体交换参数、光强光合速率响应曲线和产量构成因子,分析光强光能利用效率之间的关系,研究高大气CO2浓度(760μmol.mol 1)和遮荫对小麦叶片光合特性及产量构成因子的影响。结果表明,高大气CO2浓度下,小麦叶片的净光合速率(Pn)增加;同时最大净光合速率(Pnmax)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)显著升高;遮荫处理使小麦叶片的Pnmax、LSP、LCP降低。正常光照下大气CO2浓度升高使小麦叶片呼吸速率(Rd)显著下降,遮荫后大气CO2浓度升高对Rd无显著影响。大气CO2浓度升高能显著提高小麦叶片表观量子效率(AQY),而遮荫对AQY的影响因大气CO2浓度而异,高大气CO2浓度下遮荫使AQY显著提高,正常大气CO2浓度下遮荫则使AQY明显下降。高大气CO2浓度下遮荫使小麦株高、穗长增加,而穗粒数、单株穗粒重、千粒重减小。受光合特性的变化和光强限制,高大气CO2浓度下遮荫使小麦叶片呼吸增强,导致Pn下降,不利于干物质积累和籽粒产量的形成。     

广东省甜玉米/大豆间作模式的效益分析

过田间试验, 研究了甜玉米/大豆间作对甜玉米产量、主要农艺指标、养分利用率和光能利用率的影响。结果表明, 甜玉米/大豆间作模式的土地当量比大于1(1.07), 说明甜玉米/大豆间作具有一定的产量优势;与单作相比, 间作甜玉米千粒重提高17.88%, 差异显著; 甜玉米/大豆间作群体经济效益提高24.08%, 养分利用率提高54.09%, 两指标的差异达到极显著水平; 生长后期, 间作对甜玉米光能利用体现出一定的正效应, 播后55 d间作甜玉米光能利用率较单作增加28.44%。甜玉米/大豆间作不仅可改善作物群体结构, 提高自然资源利用率, 而且可减少化肥施用量, 具有显著的经济和环境效益。     

提高小麦光能利用效率机理的研究进展

农作物产量依赖于生物量和收获指数，过去作物产量的增加主要得益于收获指数的增加而生物量增加很小，进一步提升作物产量在很大程度上依赖于生物量的提高，而光能利用效率是提高作物生物量的瓶颈。小麦（Triticum aestivum L.）是一种在全世界广泛种植的谷类作物，可为全世界人口提供约20.0%的能量，阐明小麦光能利用效率变化的内在机理与外在因素，对提高作物资源利用效率和生产力有重要意义。本文对光能利用效率的定义、主要过程、小麦的光能利用特性和内外影响因素进行综述，表明提高光能利用效率具有较大的潜力；论述了外部因素，即光、水分、养分和耕作制度等对小麦光能利用效率的影响，主要表现为在单株尺度上主要由光合作用等内部因素控制，而在田间尺度则由温度、降水、耕作栽培方式等非生物因素控制。进一步分析了目前存在的问题以及在气候变化背景下小麦的适应机制，旨在为提升小麦光能利用效率提供理论依据。未来光能利用效率的研究可利用高通量表型观测技术，与分子标记结合，设计在目标环境下的具有高光能利用效率的理想株型，为培育高产高效小麦品种提供科学依据。     

基于MODIS和AERONET的气溶胶地表直接辐射效应评价

气候变化背景下进一步开展高污染地区气溶胶直接辐射效应的研究,对于该地区的大气环境监测、气候变化评估以及农业生产布局等具有重要意义。利用全球气溶胶监测网（AERONET）多年观测资料以及MODIS地表反照率数据,借助6S（Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum）辐射传输模式,定量评估2001年1月−2016年12月中国AERONET北京、香河和太湖3个典型高污染站点多年晴空条件下的气溶胶直接辐射效应。结果表明：（1）各个高污染站点气溶胶PM2.5质量浓度季节变化特征差异明显,秋冬污染较为严重,其中高值主要集中在1月、2月、11月和12月;（2）与无气溶胶影响相比,气溶胶致使各站点地表直接辐射年际变化较明显。在气溶胶影响下,北京、香河和太湖3个站点2001−2016年地表日平均直接辐射年际变化较明显,均呈波动增加趋势,且香河站日平均直接辐射增加最大（621.14W·m⁻²）,太湖站次之（743.29W·m⁻²）,北京站最小（488.14W·m⁻²）。（3）气溶胶影响下各站点地表直接辐射明显降低,且气溶胶对各站点影响差异较大。2001−2016年,北京、太湖和香河站年平均地表直接辐射分别降低32.29%、24.01%和15.07%。其中,气溶胶对北京站的地表直接辐射影响最大,香河站最小。（4）近15a来,北京、香河和太湖3个站点气溶胶地表辐射效应均呈现增加趋势。     

大气[CO2]和温度升高对农作物生理及生产的影响

全球大气[CO2]和气温升高是全球气候变化对农作物产量影响最为重要的两个因子。本文着重介绍了[CO2]和温度升高对农作物光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、产量、品质等方面影响的研究进展。研究表明随着[CO2]升高,作物光合速率及蒸腾速率有上升趋势,呼吸作用和气孔导度下降,产量有所提高,品质将会降低,但研究仍有不确定性。随着[CO2]变化,不同光合途径(C3、C4)作物的响应不一致且存在短期和长期效应。普遍认为大气温度升高抑制作物光合作用,作物产量下降。现有的研究多采用模型或模拟试验的方法研究气候变化对作物产量的影响,但研究发现模型研究结果与模拟试验研究结果有差异,不同学者对产量的评估结果也不一致。最新研究认为温度对作物产量影响成非线性,当温度高于关键温度后产量会迅速下降。现阶段大部分模拟试验均在气室中研究,与野外实际情况差异较大,结论仍需进一步验证。目前尚缺乏对作物模型结果的实验验证。     

高温、高CO2对农作物影响的试验研究

在人工气候室试验研究高温和高CO2浓度对农作物的影响结果表明，高温、高CO2浓度使农作物生育进程加快，作物生育期缩短，作物的光合作用速率升高，蒸腾速率下降和气孔阻力增加；在相同的发育期使作物叶面积、根、茎、叶生长量不足，生物量下降；对不同作物产量结构的影响有差异，对小麦的影响主要是小穗数和穗粒数下降，而对玉米的影响主要是籽粒百粒重下降。高温、高CO2浓度可使农作物叶片中微量元素含量发生显著变化。     

大气CO2浓度和温度升高影响作物产量的光合生理及分子生物学机制

全球气候变化下,大气CO2浓度升高产生的"肥料效应"因温度的升高对作物产量的影响产生了不确定性,关键在于相关光合生理和分子机制对两因子互作的响应程度.本文综述了不同作物的光合速率、气孔导度、Rubisco酶活性等关键生理指标及产量对大气CO2浓度和温度升高的响应,并从代谢组角度总结了大气CO2浓度和温度升高对作物光合相...     

UV-B辐射的增强对作物形态及生理功能的影响

通过综述UV-B辐射增强对作物产生的影响,为进一步揭示作物对UV-B辐射增强的响应机制、适应变化和寻找相应的解决方法提供参考.分析发现UV-B辐射增强能对作物的形态在根、茎、叶营养器官和生殖器官方面产生负面影响,从而进一步影响作物的生物量和产量;UV-B辐射增强对植物生理的影响主要通过影响作物的叶绿体、光合作用及矿质代谢而起作用,并且这些影响具有品种间和生育期的差异.因此研究紫外辐射对作物的影响具有重要的生态学意义.     

增施CO_2气肥对温室结球莴苣光合作用影响的综合模型研究

为探讨不同温度和光照条件下增施 CO2 气肥对温室作物生长的影响 ,应用红外线 CO2 气体分析仪测定方法 ,对不同 CO2 浓度下结球莴苣光合作用速率的变化进行了深入系统的研究 ,并分别建立了低温条件下和中、高温条件下增施 CO2 气肥对光合作用速率影响的综合模型。研究结果表明 ,在一定范围内 ,随着光照度提高和温度上升 ,增施 CO2 气肥对于光合作用的促进效果提高 ,但是超过饱和点后会有负的效应。本实验条件下 ,结球莴苣光合作用最佳的生态因子组合为 :光照度 897.3μmol· m- 2 · s- 1 ,温度 2 8.9℃ ,CO2 浓度 2 16 0μL / L ,此时的净光合速率 (CO2 ) Pn为 36 .0 μm ol· m- 2· s- 1。     

基于暗目标法和GF-1的农作物光合有效辐射反演

光合有效辐射是农田生产力和产量估算的依据,也是农作物参数遥感反演的主要研究内容。该文基于大气辐射传输模型,选择覆盖山东禹城市2014年4月－2014年12月共12景GF-1/WFV（wide field view,WFV）数据,结合浓密植被（暗目标）蓝光波段、红光波段之间反射率的线性关系,基于查找表（look-up table,LUT）技术反演了大气气溶胶光学厚度（aerosol optical depth,AOD）等大气参数,提出了基于蓝、绿、红3个离散波段反演光合有效辐射（photosynthetically available radiation,PAR）的算法。其中,浓密植被是根据WFV/NDVI（normal differential vegetation index）设置阈值的方式筛选的;红光波段与蓝光波段地表反射率的比例系数为1.7977,截距为0.0034,相关系数达0.9826,是根据美国地质调查局（U.S. Geological Survey,USGS）提供的典型植被波谱库数据理论计算获取;GF-1/WFV数据蓝、绿、红波段转换为400～700 nm谱段间光合有效辐射值之间的转换系数分别为0.09156、0.09951、0.1007。采用中国生态系统研究网络禹城实验站实测的 PAR 数据进行对比验证,光合有效辐射的总体精度达到了95.77%,误差绝对值平均为11.36 W/m2,平均误差小于5%,表明了该方法具有较高的精度。该方法不需要额外辅助数据,产品生产过程简单,是比较理想的GF-1/WFV数据光合有效辐射业务反演备选算法。     

CO2浓度升高对农作物品质影响的研究进展

农作物品质受农作物遗传发育特征和环境因素的双重影响。在相似的遗传背景条件下,CO2浓度持续升高影响农作物中碳水化合物合成、有益和有害元素吸收的权重逐渐加大,从而引发所谓的“隐形饥饿”和农产品卫生品质下降。本文在回顾国内外有关CO2浓度升高影响农作物中碳水化和物合成、有益和有害成分吸收研究的基础上,结合本团队近年的研究结果,提出：随着产地环境污染由局部向整体扩延,CO2浓度持续升高对农作物卫生品质的潜在影响不断加剧,包括增加或减少农作物对有毒有害物质的吸收;强化农作物对土壤中有益或有害物质的非均衡吸收等。本文还对比了目前国内外CO2浓度升高对农作物品质影响研究的常用手段与方法,并对相关研究结果的差异进行了分析,着重指出这一研究方向今后工作的重点。     

气候变化对我国主要粮食作物产量的影响及适应措施

过去几十年气候变化对我国主要粮食作物产量产生了重要影响,为了研究作物产量对气候变化的响应和适应,保障粮食安全,基于国内相关研究文献,分析归纳了研究方法,综述了国内小麦、玉米和水稻等主要粮食作物产量对气候变化的响应和适应,得出如下结论:（1）作物产量对气候变化响应的研究方法主要包括田间试验观测、统计分析和作物模型模拟等方法,其中田间观测法最直观,统计分析法可操作性强、应用最为普遍,作物模型模拟机理性强,可以定量描述气候因子对作物产量的影响,外推效果好;（2）近几十年来,小麦生育期内气温升高和辐射变化使我国北方小麦增产0.9%~12.9%,南方小麦减产1.2%~10.2%;气候变暖对玉米产量贡献率为-41.4%~0.4%;水稻生育期内气温升高和辐射增强有利于东北地区水稻产量增加,增产贡献率为1.01%~3.29%,而辐射减弱对长江流域等南方主要水稻种植区的水稻产量（长江流域晚熟稻除外）产生不利影响;（3）未来气候变化情境下小麦应从延长生殖生长期、增加籽粒数量和提高收获指数等方面培育新品种应对气候变暖对作物产量的不利影响;耐高温和长生殖生长期的玉米品种可以用来应对气温、降水等气候因子的变化;水稻则应选育耐高温品种应对气温和辐射等因子的变化所带来的作物生产上的风险。     

Potassium deficiency impedes elevated carbon dioxide‐induced biomass enhancement in well watered or drought‐stressed bread wheat

Potassium (K) deficiency reduces photosynthesis and biomass production of crop plants and also renders them vulnerable to drought stress, whereas elevated carbon dioxide (CO₂) has a positive effect on photosynthesis and yield and ameliorates the adverse effects of drought stress. This study aimed to characterize the physiological responses of wheat (Triticum aestivum L.) stressed with K deficiency under elevated CO₂ and drought conditions. Increased biomass production caused by elevated CO₂ as a consequence of increased photosynthesis and water use efficiency was absent in young K‐deficient wheat plants. Shoot K concentration was negatively affected by elevated CO₂ particularly under K‐deficient conditions, whereas K content per plant was greatest in plants supplied with adequate K and adequate water. Specific leaf weight was increased as a consequence of carbohydrate accumulation in the source leaves of K‐deficient plants particularly under elevated CO₂ and drought stress. Potassium deficiency clearly impeded the impact of elevated CO₂ in both well watered as well as drought‐stressed plants. Adequate K fertilization is a prerequisite for efficient harvesting of atmospheric CO₂ through increased photosynthesis, decreased transpiration, and increased biomass production under changing atmospheric CO₂ and soil moisture conditions.     

Field crop responses to ultraviolet-B radiation: a review

This paper provides an overview of existing literature on the ultraviolet-B (UV-B) radiation effects on field crops. Earlier reviews on field crop responses to UV-B considered few physiological processes or crops. For this review, we easily located about 129 studies on 35 crop species published since 1975. Here, we report the effects of UV-B radiation on visual symptoms, leaf ultrastructure and anatomy, photosynthetic pigments, UV-B absorbing compounds, photosynthesis, growth and development, yield, genotypic differences, and finally, interactions of UV-B with abiotic and biotic factors of crop plants. Experiments conducted in glasshouses, in closed and open top chambers, and under field conditions, with varying source (solar or artificial) and intensity of photosynthetically active radiation (PAR, 50–1800 μmol m⁻² s⁻¹) and UV-B (0–50 kJ m⁻² per day) are included. It is easy to conduct experiments that purport to evaluate the effects of projected UV-B intensities on crop species by providing supplemental irradiance with lamps or by reducing UV-B with filters; however, it is very difficult to simulate UV-B irradiance spectral changes that are likely to occur in nature. Collated results for each process are presented as percent change from control along with the experimental conditions in tabular format. Many of the studies showed dramatic effects of UV-B radiation, but under conditions with supplemental UV-B irradiance that was higher than would ever occur outside experimental conditions or in which the longer wavelengths in the PAR and UV-A, which moderate UV-B effects, were greatly reduced. Only 25 of the studies reviewed used experimental conditions and supplemental UV-B irradiance that approached realism. However, unrealistic the experimental conditions might be, an increase in understanding of basic plant physiology was gained from most of the studies.Visual symptoms consisting of chlorotic or necrotic patches on leaves exposed to UV-B were not unique. Both vegetative and reproductive morphology were altered by UV-B radiation. Leaf anatomy was altered due to changes in thickness of epidermal, palisade, and mesophyll layers. Enhanced UV-B generally decreased chlorophyll content (10–70%), whereas it increased UV-B absorbing compounds (10–300%) in many crops. Decrease in photosynthesis (3–90%), particularly at higher UV-B doses, was due to both direct (effect on photosystem) and indirect (decrease in pigments and leaf area) effects. The decreases in chlorophyll pigments and photosynthesis resulted in lower biomass and yield of most crop plants. Genotypes of crop species exhibited variability in leaf wax layer thickness, loss of chlorophyll, and increase in phenolics as mechanisms of tolerance to enhanced UV-B radiation resulting in changes in biomass/yield. Results from the few studies on interaction of UV-B with other abiotic and biotic factors did not lead to useful conclusions. Studies are needed to quantify the effects of UV-B radiation on crops in order to develop dose response functions that can facilitate development of dynamic simulation models for use in UV-B and other environmental impact assessments.     

冬小麦叶片光合作用农业气象数学模型研究

给出了水肥适宜状况下冬小麦叶片光合作用理论模式。模式包含了光，温因子以及CO2浓度对叶光合速率的影响。由于综合模式参数过多难以直接求解。作者给出了模式参数的简易求解方法。最后。利用Licor-6200光合作用测定系统对鲁麦22号冬小麦叶片光合速率进行测定。在此基础上建立起水肥适宜状况下的冬小麦叶片光合作用模型。为进一步建立更加准确的农业气候资源数值模拟提供了前提条件。