生育后期高温胁迫对小麦生长发育及产量形成影响的模拟研究

发布时间：2018-02-22 05:58

  本文关键词： 气候变化 高温胁迫 冬小麦 时空变化 作物生长模型 生育期 光合速率 叶面积指数 结实率 粒重 干物质分配 产量 方法比较　出处：《南京农业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：全球气候变化导致平均温度升高,气候波动增加,致使极端高温事件频发。小麦生长发育和籽粒产量形成对高温胁迫极为敏感,生殖生长期的高温胁迫已对小麦产量的提升带来了巨大风险,威胁到我国粮食安全。因此,迫切需要对未来气候变化对我国小麦生产影响进行定量研究。作物生长模型广泛用于评估气候变化对作物生产影响和研究未来气候背景下作物生产的适应性变化。但是目前作物生长模拟模型在用于评价全球气候变化对农业生产的影响时存在较大不确定性,其中尤其是对极端高温胁迫的响应,所以迫切需要完善作物生长模型对高温胁迫响应预测能力。本研究首先利用农业气象站点历史观测温度数据及小麦生育期资料分析了近50年我国冬小麦主产区生育后期高温胁迫的时空分布特征。根据上述分析的历史高温胁迫状况,利用人工气候室对耐热性不同的两个冬小麦品种,在开花期和灌浆期实施了不同温度水平和不同持续时间的高温胁迫处理试验。利用人工气候室盆栽试验观测资料系统检验了 APSIM-Wheat 模型、CERES-Wheat 模型、Nwheat 模型、WheatGrow 模型等四个主要小麦生长模型对生育后期高温胁迫下小麦的生长发育过程的响应,明确了四个模型对高温胁迫响应的不足。通过分析不同温度组合下小麦花后的生育期、光合作用、LAI动态、干物质分配、籽粒灌浆、产量结构等变化,构建了高温胁迫对小麦生长发育各个生理过程影响的模拟算法,与WheatGrow模型耦合,显著改进了模型在高温胁迫下对小麦生长发育和籽粒产量形成的模拟效果。在改进完善WheatGrow模型基础上,在全球、区域以及生态点尺度系统分析比较了基于栅格尺度的模拟模型、基于典型生态点的模拟模型以及基于统计回归模型三种不同方法在定量评估增温对区域小麦产量影响方面的结果。基于1960-2009年我国冬小麦主产区166个站点抽穗至成熟期内的逐日最高气温资料以及各个气象站点小麦生育期观测资料,以日最高温度30℃为高温阈值研究了我国冬小麦主产区生育后期高温日数、高温强度、累计高温度日等指标的动态变化规律,并定量了高温胁迫对小麦产量波动的效应。研究结果表明:空间分布上,我国冬小麦生育后期高温胁迫呈现显著的生态区域差异性,其中黄淮冬麦区高温胁迫最为严重,北部冬麦区次之,西南冬麦区和长江中下游冬麦区相对较轻;时间分布上,整个研究区域除黄淮平原部分地区外,小麦生育后期高温胁迫呈明显加重的趋势,并且南部地区的高温胁迫较北方地区更为严重;此外,高温胁迫年际间的波动和灌浆期平均温度与小麦产量年际间的波动显著相关,高温胁迫波动和平均温度变化可以解释29%的我国冬小麦主产区小麦产量波动。利用人工气候室田间观测数据检验了目前较为广泛使用的四个主要小麦生长模型(包括 WheatGrow 模型、APSIM-Wheat 模型、DSSAT-CERES-Wheat 模型和DSSAT-Nwheat模型)在开花期和灌浆期高温胁迫下对小麦生长发育和产量的预测能力。研究结果表明,开花期和灌浆期高温胁迫明显降低了籽粒灌浆时间、成熟期地上部总干物重、籽粒产量、产量结构(籽粒数和粒重),而明显增加了籽粒氮含量。开花期高温胁迫对小麦生长发育和籽粒产量影响要大于灌浆期高温胁迫;高温胁迫对小麦生长发育和产量效应在品种间存在差异。在四个小麦生长模型中,部分模型能够模拟高温胁迫对小麦生长发育中部分过程的不利影响,如叶面积指数动态、地上部总干物重、籽粒产量等。评估的模型对灌浆期高温胁迫效应的预测要好于对开花期高温胁迫效应的预测。全部四个模型对开花期高温胁迫对籽粒数、粒重等的影响模拟均明显不足,此外这些模型对不同品种对高温胁迫响应的差异性也无法准确模拟。作物花后生育进程受高温胁迫影响明显。应用人工气候室控制温度试验和我国冬小麦主产区典型生态区多年田间观测试验数据比较评估了目前小麦生育期预测模型中广泛使用的四种温度响应方程(Bilinear、Sin、Beta和Trapezoidal)在高温胁迫对小麦抽穗后持续时间影响的预测能力。研究结果表明生育后期高温胁迫的发生明显缩短了小麦抽穗后持续时间,在四种温度响应方程中包括Bilinear、Sin、Beta在内的三种温度响应方程不能模拟高温胁迫对小麦抽穗后持续时间效应,而Trapezoidal方程过高估计了高温胁迫对抽穗后持续时间的效应。为了改进上述三种温度响应方程对高温胁迫下小麦生育期预测的不足,我们提出了高温加速小麦衰老算法HTE,并与上述三个温度响应方程结合。HTE算法中引入的高温阈值温度在经过模型参数校正之后在三种温度响应方程中取值为27.3-30.1℃。模型检验结果表明,HTE算法均显著提升了上述三个温度响应方程的模拟精度,模型对小麦抽穗后持续时间的预测误差(RMSE)在人工气候室控制环境试验和典型生态点田间试验中平均为2.2天。通过分析不同水平和持续时间的高温胁迫处理下小麦单叶光合作用和干物质生产相关过程相关生长参数的变化,发现在高温处理过程中单叶光合作用中初始光能利用率随温度水平上升呈线性下降;同时,高温胁迫发生导致叶片SPAD明显降低,造成叶片衰老加速,导致高温胁迫处理后叶片光合强度降低,绿色叶面积指数在花后衰减加速。基于WheatGrow模型的光合生产子模型,提出了模拟高温胁迫对小麦光合作用强度和光合作用有效面积效应的算法。利用独立年份观测数据对改进前后的WheatGrow模型对干物质生产相关生长指标进行了检验。相比于原有模型,改进后的模型在高温胁迫处理下对LAI以及地上部总干物质的预测误差明显降低,其中RMSE分别降低40%和57%左右。在开花以及灌浆期等作物关键生育时期,作物籽粒产量和产量结构对高温胁迫极为敏感。其中开花期高温胁迫显著降低了籽粒数,而灌浆期则会明显降低籽粒重。本研究基于人工气候室控制试验以及前人研究结果,提出了模拟开花期高温胁迫对结实率效应、灌浆期高温胁迫对籽粒重效应算法,同时基于干物质分配的源库关系提出了高温胁迫影响花后干物质分配的算法,其中引入了品种高温胁迫敏感性的品种参数反映不同品种之间的耐热性遗传差异。将构建的基于过程的高温胁迫影响干物质分配和产量形成的模拟模型与WheatGrow模型耦合,以改进模型在高温胁迫下对干物质分配和产量的预测效果。利用独立年份观测数据对模型检验发现,改进后模型显著提升了高温胁迫下器官干物质分配和籽粒产量以及产量结构的模拟准确度,其中籽粒产量、籽粒数和粒重的模拟误差RMSE分别下降了 73%、48%和49%。同时,模型敏感性分析中模拟籽粒产量以及产量结构对不同情景高温胁迫响应结果也与前人试验观测结果保持高度一致。整体来看,改进后WheatGrow模型可以适用于不同高温胁迫情景下小麦籽粒产量预测。研究结果可以为气候变化背景下定量模拟和评估高温胁迫对小麦产量以及产量形成影响提供有效工具。系统比较了基于栅格尺度的模拟模型、基于典型生态点的模拟模型以及基于统计回归模型在内三种不同方法量化增温对全球、国家和生态点尺度上小麦产量影响。结果发现不同评估方法在全球尺度和国家尺度的评估结果均非常接近。在不考虑C02肥效以及适应性措施情况下,温度每升高1℃,全球小麦产量平均降低4.1%-6.4%。在对全球五个主要的小麦生产国评估中,不同评估方法评估的温度升高效应在中国、印度、美国和法国的评估结果同样非常类似,但是对俄罗斯的评估效应在不同方法之间差异较大。基于典型生态点的模拟模型方法和基于栅格尺度的模拟模型方法的评估结果以及基于统计回归模型方法的部分评估结果均表明,目前温度较高地区小麦产量对全球温度升高反应比较冷区域更为敏感。通过综合利用不同方法的评估结果形成方法集合,可以进一步量化气候效应评估中不同方法之间的不确定性,显著提升了目前气候效应评估结果的可信度,对于确保全球粮食安全具有重要意义。
[Abstract]:The effects of high temperature stress on the growth and development of wheat under high temperature stress were studied . The effects of high temperature stress on growth and yield of wheat under high temperature stress were studied . The results showed that high temperature stress at flowering stage significantly reduced the effects of high temperature stress on wheat growth and yield . The results of simulation model based on the grid scale , the simulation model based on the typical ecological point and the simulation model based on the statistical regression model are very similar .

【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S512.1
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本文编号：1523796