涝渍胁迫下棉花生长和产量的响应及模拟

发布时间：2020-07-31 14:37

【摘要】：适宜的农田水分条件是农作物正常生长的基本保障。强降雨天气和农田排水不畅会使农田地下水位过高(渍害)或田面淹水(涝害)。当渍害和涝害影响了农作物的正常生长和产量形成时,就形成了涝渍胁迫。涝渍胁迫严重制约我国易涝易渍地区的农业生产活动。近年来,受全球气候变化的影响,我国洪涝渍灾害发生频率越来越高,影响范围越来越广,也给我国的农业生产带来了日益严重的威胁。长江中下游平原是我国三大棉产区之一,棉花种植面积约为我国棉花种植总面积的三分之一。受亚热带季风气候的影响,长江中下游平原在棉花的关键生育期内(6～8月)降水集中、雨量大、历时长,如遇农田排水系统不完善或管理运行不当,容易产生涝渍胁迫。由于棉花是一种对涝渍胁迫敏感的作物,涝渍胁迫会对当地的棉花生产造成严重影响。因此,根据当地农田的涝渍成灾特点,研究涝渍胁迫下的棉花响应规律、探索合理的农田排水指标以及提出涝渍胁迫条件下的棉花产量的模拟方法具有重要的现实意义。本文依托于国家自然科学基金项目“涝渍胁迫条件下旱作物水分生产函数研究”以及国家“十二五”科技支撑计划“农田除涝减灾工程综合控制技术及工程模式研究”,选取地处长江中下游平原的湖北省作为研究区域,将棉花作为研究对象。以2003至2011年连续多年开展了测坑涝渍试验的实测资料为基础,综合应用方差分析、回归分析、相关分析、结构方程模型以及动态产量模型等多种统计学方法和模型模拟方法,分析了不同涝渍发生生育期(苗期、蕾期、花铃期和吐絮期)和不同涝渍胁迫形式(单涝、单渍和先涝后渍)对棉花形态生长及产量的影响,提出了多生育期先涝后渍下的综合排水指标,并构建了涝渍胁迫下的经验型动态产量模型和机理型动态产量模型。主要得出了以下研究成果:(1)在棉花形态生长的响应方面,单渍胁迫即使历时更长,对棉花形态生长的影响仍小于单涝胁迫,而先涝后渍胁迫的抑制作用最大。先涝后渍胁迫发生在蕾期和花龄期内时均会显著(p0.05)地抑制棉花的形态生长,而发生在吐絮期内时抑制作用很小。叶面积的生长对先涝后渍胁迫最为敏感,其余依次是茎粗和株高。在棉花产量的响应方面,单渍胁迫的减产作用小于单涝胁迫和先涝后渍胁迫。花铃期内遭受先涝后渍胁迫会导致棉花显著减产,蕾期次之,而吐絮期内减产作用较小。籽棉产量受单涝、单渍和先涝后渍胁迫的减产作用比干物质产量大。(2)运用结构方程模型构建了棉花在不同生育期内的“涝渍胁迫—高温天气—棉花生长/产量”交互关系模型。模型运行结果表明,加入对涝渍胁迫期间高温天气的考虑会影响棉花对涝渍最敏感生育期的判定。在考虑高温影响后,棉花花铃期是对涝渍最敏感的生育期,其涝渍敏感程度为苗期、蕾期和吐絮期的3倍以上。高温和涝渍胁迫均会对棉花产量造成显著的影响,但两者间的交互作用仅在部分试验中出现,这可能与涝渍影响的程度有关。另外,涝渍胁迫会显著影响棉花的生殖生长但不会显著影响营养生长,这可能与涝渍胁迫后营养生长的恢复生长有关。(3)在先涝后渍胁迫下,基于涝水和渍水时间划分的排水指标比基于地表水和地下水空间动态过程划分的排水指标更为合理。单渍的减产作用是单涝的0.759倍。先期的涝会增强棉花对后续渍的适应性,先涝后渍胁迫下渍的减产作用是涝的0.293倍。基于以上分析建立的综合排水指标CSFEW30与棉花减产率之间呈极显著的线性关系(R2=0.629,n=15,p0.001)。(4)以水分亏缺条件下常用的两个动态产量模型为基础,建立了涝渍胁迫下的动态产量模型——改进Morgan模型和改进CROPR模型。两个改进模型均采用了与农田水位动态直接关联的作物响应函数,因此与农田排水中的水位管理衔接良好。两个模型各有优势,应根据实际情况进行选择。改进Morgan模型是经验型模型,所需资料少,模型模拟精度较高。改进CROPR模型是机理型模型,较好地反映了作物生长和响应的机理,模型模拟精度高。建立的两个改进模型均能较好地模拟涝渍胁迫下棉花的干物质生长过程及籽棉产量。综上所述,本文研究成果揭示了不同涝渍胁迫形式和不同涝渍发生生育期等多种客观存在的涝渍条件下棉花生长及产量的响应规律,提出了多生育期先涝后渍胁迫下的农田排水指标,并构建了与农田排水的水位管理密切关联的涝渍胁迫下的动态产量模型。研究成果可为洪涝渍灾害下棉田的排水规划、设计和运行管理提供参考依据。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S562;S422
【图文】：

籽棉,干物质,涝渍胁迫,标柱

逑３．２．２不同形式的涝溃胁迫对棉花产量的影响逡逑如图３．１所示，５天单涝、８天单渍和涝５天后溃８天的先涝后渍胁迫均会逡逑显著减少籽棉产量，但不会造成干物质显著减产。单涝、单渍和先涝后溃胁迫平逡逑均造成邋３７．６４％、２８．２４％和邋３３．４０％的籽棉减产，和邋２９．６５％、２２．４５％和邋２７．６７％的逡逑干物质减产。由此可见，即使单溃历时（３天、５天和８天）较单涝历时（１天、逡逑３天和５天）更长，单渍造成的籽棉减产效应仍不及单涝，这与前文结果中单涝逡逑和单渍胁迫对棉花形态生长影响的差异相吻合。另外，干物质减产效应不及籽棉逡逑产量，可能是因为棉花在涝渍胁迫解除后出现营养生长恢复现象，千物质量同步逡逑呈现恢复过程。同时由于供给给棉花的水分和养分有限，生殖生长会因为营养生逡逑长的快速恢复而受到抑制

涝渍胁迫,生育期,花铃期

清溃胁迫下棉花生长和产量的响应及模拟逡逑３．２．３不同发生生育期的先涝后渍胁迫对棉花产量的影响逡逑如图３．２ａ所示，２００８年花铃期内涝３天溃５天的先涝后渍胁迫和２０１０年花逡逑铃期内涝３天渍７天的先涝后渍胁迫均会显著降低籽棉产量，但在所有试验内蕾逡逑期和吐絮期的先涝后溃处理均无显著减产作用。２００８年蕾期、花铃期和吐絮期逡逑内先涝后溃胁迫分别导致籽棉产量下降２９．３６％、３８．３３％和－５．０２％，２００９年和２０１０逡逑年同项指标分别下降２．５４％、２２．２１％、－３．９０％和５．４３％、２１．０１％和９．６６％。以上逡逑数据表明，各生育期内先涝后渍胁迫均会造成籽棉不同程度的减产，其中花铃期逡逑内减产效应最为显著，而吐絮期内减产效应并不明显，甚至出现不减产现象。逡逑在不同的生育期内遭受涝渍胁迫后，棉花产量和形态生长的响应规律基本一逡逑致。结果表明，发生在花铃期内的先涝后渍胁迫会给棉花的生长及产量带来最严逡逑重的损害，其次是发生在蕾期的先涝后渍胁迫，而吐絮期内的先涝后渍胁迫的影逡逑响很小。这与Ｂａｎｇｅ等（２００４）所得结论相似

排水指标,指标,涝渍

图５．１两类排水指标的比较逡逑Ｆｉｇ邋５．１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｔｗｏ邋ｋｉｎｄｓ邋ｏｆ邋ｄｒａｉｎａｇｅ邋ｉｎｄｉｃｅｓ逡逑图５．１中描述了两次水位动态变化完全相同的涝溃胁迫过程，其中第一次涝逡逑渍过程用ＳＷＦＤＨ和ＳＥＷＳｏ指标进行描述，第二次涝渍过程则利用ＳＦＷ和ＳＥＷ３0逡逑指标进行描述。由图５．１所示，在描述相同的涝渍过程时，两类排水指标之和相逡逑等，即为沈荣开等（１９９９ｂ）提出的累计地表及地下超标准水位指标ＳＦＥＷ３Ｑ。两类逡逑指标的区别在于对超标准水位的划分方式不同，ＳＷＦＤＨ和ＳＥＷ、指标以时间轴逡逑的节点（涝和渍发生的时间）进行划分，而ＳＦＷ和ＳＥＷ３0指标以空间的节点（地逡逑表）进行划分。此外，图５．１进一步形象地表明了动态水位指标相较于涝溃时间逡逑指标（图中溃水历时和淹水历时和涝溃水深指标（图中水位）的优越性。逡逑动态排水指标实质上是多余的农田水位在时间轴上的积分，因此同时包含了涝渍逡逑时间信息和涝溃水位信息。逡逑上述两类指标“ＳＦＷ和ＳＥＷ３0”和“ＳＷＦＤＨ和ＳＥＷＳｏ”

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