涝渍胁迫下麦棉的高光谱特征、生长代谢及排水指标研究

发布时间：2018-11-27 07:08

【摘要】：麦棉套作是我国粮棉主产区的重要种植方式之一,在我国江汉平原地区得到广泛应用。然而,江汉平原4-5月份连阴雨天气频发,该时期正值该区小麦产量形成关键期,小麦中后期降雨过多造成的涝渍综合胁迫是长江中下游地区小麦高产稳产的主要限制因子。同时,江汉平原7-8月份热、涝相随天气发生频率也较高,该时期正值该区棉花产量形成关键期,涝渍和高温交织在一起常造成花铃期棉花蕾铃脱落严重,减产严重。因此,涝渍灾害胁迫严重影响麦棉两熟双高产栽培模式在江汉平原的发展。本文分析孕穗期和灌浆期单涝、浅地下水埋深和涝渍相随胁迫对小麦生理指标的影响以及花铃期高温涝害胁迫对棉花形态、生理指标的影响,探寻出对涝渍胁迫敏感的指示性指标；量化分析不同形式涝渍和不同生育期发生涝渍的减产作用,在此基础上提出相应的排水指标；利用高光谱分辨率高、反应灵敏的优点,研究小麦、棉花遭受涝渍胁迫后光谱反射率动态变化及其与生理生态参数的关系。该研究有助于长江中下游平原地区麦棉两熟双高产栽培模式的科学发展,同时为麦田、棉田的科学排水提供理论基础。主要研究结果和结论如下：1、涝渍胁迫下小麦、棉花高光谱特征及其与生理参数动态关系研究当渍害(地下水位为Ocm、 20cm)持续17d左右,小麦冠层光谱蓝紫光波段与红光波段形成的两个吸收谷处的反射率升高,两个反射谷变得平坦,而两个吸收谷之间的反射峰变陡,且地下水埋深越浅,持续时间越长,两吸收谷的反射率升高越多,吸收谷越平坦。渍害使红光吸收降低,红边位置蓝移,且地下水埋深越浅,持续时间越长,蓝移越明显。选用一元二次曲线模型来模拟厨与渍害胁迫下小麦旗叶Chla、 Chlb、 Chl(a+b)含量之间的关系,该模型可以作为估算渍害小麦旗叶叶绿素含量的高光谱估算模型。选取红边位置、红边峰度、红边偏度3个特征因子作为网络输入层建立BP神经网络模型估算渍害下小麦Chla、Chlb、Chl(a+b)含量,建立的模型其决定系数分别为0.8425、0.7002、0.8508。花铃期涝害发生后,棉花倒4叶光谱中绿光波段的反射峰变陡,近红外短波段范围的反射率升高,且涝害程度越重,即涝害天数持续越长,绿光波段的反射峰越陡,近红外短波段范围的反射率越高。涝害棉花叶片一阶导数光谱在680-760nm范围内具有明显的“单峰”现象,随着涝害天数的延长,680-710 nm 一阶导数光谱值变大,而710-760 nm一阶导数光谱值变小。花铃期涝害使红光吸收降低,红边位置蓝移,花铃期涝害持续9d时棉花红边位置向短波方向移动了4-5nm。花铃期涝害使棉花倒4叶红边面积增大,到涝害6d时红边面积达到最大,此时红边面积为0.4842-0.4893；涝害6d后如涝害胁迫继续,红边面积呈现下降趋势,涝害9d时红边面积为0.4592-0.4747。以与涝害胁迫时棉花生理指标显著相关的红边参数为自变量,采用逐步回归法建立模型用于估算涝害棉花生理指标值,该可以作为估算涝害棉花叶片生理参数的高光谱估算模型。选取红边幅度、红边位置、红边面积、红边峰度、红边偏度5个特征因子作为网络输入层建立BP神经网络模型估算花铃期涝害胁迫下棉花倒4叶SPAD、 Pn、 Gs、 Ci、 Ti、Fv/Fo、 Fv/Fm、 FPS Ⅱ、 ETR、 qP、 NPQ,建立的模型能较好涝害胁迫下棉花倒4叶生理参数,其决定系数分别为0.984、0.985、0.951、0.929、0.983、0.958、0.977、0.959、0.967、0.919、0.964。2、小麦对不同形式涝渍的响应及排水指标确定孕穗期和灌浆期遭受涝害后,CAT活性在旗叶、根系、灌浆期幼穗中的变化趋势均是先升高后降低,除孕穗期根系在渍涝15 d时达到最大,其余部位均是渍涝10 d时达到最大,在孕穗期幼穗中的变化趋势是随着渍涝程度的加剧,其活性持续升高；除孕穗期幼穗、灌浆期根系外,其余部位POD活性的变化趋势是持续增加,且渍涝程度愈重,其增加幅度愈大,在孕穗期幼穗中的活性恰恰相反,在灌浆期根系中的变化趋势是先降低后升高,渍涝l0 d时降到最低；旗叶、根系和幼穗中SOD活性降低,且渍涝程度愈重,其降低幅度愈大。小麦孕穗期、灌浆期0cm、20cmm地下水位持续3d时旗叶中MDA含量就显著升高,可溶性蛋白含量显著降低,可溶性糖含量显著升高；孕穗期Ocm、 20cm地下水位持续3d时、灌浆期持续7d时旗叶中POD活性显著升高；孕穗期、灌浆期0cmm地下水位持续3d、20cm地下水位持续7d时旗叶中SOD活性显著降低；孕穗期、灌浆期0cm地下水位持续9d,Pn、 Gs、 Ci和Tr显著降低；孕穗期20cmm地下水位持续9d时只有Gs显著降低,到持续15d时Pn、Ci和Tr才显著降低,而灌浆期持续9d时Pn、 Gs和Tr显著降低,而到15d时Ci才显著降低；孕穗期0cm地下水位持续15d左右、灌浆期持续10d左右,Fv/Fm、 FPS Ⅱ qP和ETR显著降低,而NPQ显著升高。孕穗期、灌浆期小麦遭受单涝后减产严重,涝害5、10、15和20 d 4个处理实际产量分别比对照(CK)减少了18.4%、45.5%、63.9%、85.5%和7.6%、17.8%、43.7%、70.2%,若以小麦减产15%作为田间排涝标准,孕穗期、灌浆期能承受的渍涝时间为3.6、6.4 d；孕穗期、灌浆期0cm地下水位持续18d时分别减产44.77%、67.73%,20cmm地下水位持续18d时分别减产17.30%、33.69%,40cm地下水位持续18d时分别减产10.45%、10.34%,建议小麦孕穗期和灌浆期地下水位维持在50cm左右；涝渍相随灾害使小麦减产严重,其中受涝对产量的影响大于渍,若以小麦减产15%(即Ry为85%)作为排水标准,小麦花后的涝渍综合排水控制指标应取SFEW50为275.6-283.6cm.d。3、花铃期高温涝害对棉花形态及生理的影响及排水指标确定常温时涝害6 d棉花叶片Chla、 Chl(a+b)含量显著降低,而高温时涝害3d棉花叶片Chla显著降低,涝害6d棉花叶片Chl(a+b)显著降低；涝害胁迫对Chlb含量影响不显著,而高温3d棉花叶片Chlb含量就显著增加。高温、常温涝害3d叶片MDA含量均显著上升,高温、涝害交互效应对棉花叶片MDA含量影响不显著。涝害3d时棉花叶片POD活性显著增加,高温9d时棉花叶片POD活性才显著升高。常温或高温时使棉花叶片SOD活性显著下降的涝害天数为9d,使可溶性糖显著升高、可溶性蛋白显著降低的涝害天数均为3d。涝害棉花叶片可溶性糖含量、过氧化物酶活性以及单株蕾铃脱落率可作为关键性指标用于指示、监测棉花受涝害胁迫水平。花铃期棉花遭受涝害后,8月15日其伏桃构成比例变化不大,而单株小铃和单株蕾构成比例显著下降(涝害3d蕾数下降不显著除外),单株蕾铃脱落数显著增加；9月15日棉花总桃数显著降低,其中较轻涝害(6d以内)使棉花吐絮桃和青桃数显著降低,重涝(9d及以上)使棉花大铃提前吐絮,早期吐絮桃增加,棉花出现严重早衰。高温、涝胁迫及其交互效应均使棉花产量显著下降,其影响顺序为：涝害+高温胁迫涝胁迫高温胁迫。花铃期棉花如遇强降雨过程发生涝害，，如需控制棉花减产在20%以内,如果涝害过程未出现高温热害,4.2 d内需排除田面积水,如果涝害过程出现4 d的高温热害,3.4 d内需排除田面积水,田间涝水排除后需在3 d内将地下水位降到80cm以下。
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【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S562

【参考文献】