基于生理生态过程的大麦顶端发育和物候期模拟模型

为改进已有的大麦生理发育时间模拟模型(YDmodel),以扬州地区5个品种春播条件下的顶端发育和物候发育观测资料和历史资料为依据,构建了基于生理发育时间的顶端发育和物候期机理模型.模型量化了热效应、光周期、春化效应对发育的影响,引入了7个遗传参数,分别为播种到出苗所需的有效积温、灌浆期发育基点温度、生理春化时间、临界日长、光周期反应起始点、最短苗穗期、最短灌浆期.本模型在YDmodel基础上的改进主要有3点:(1)将每日生理发育时间的增量乘以水肥丰缺因子,改为除以水肥丰缺因子表现水肥对大麦发育的影响,客观体现了大麦在水肥丰缺条件下的发育延迟或提早现象;(2)将三段线性函数改为非线性函数表达春化效应和相对热效应,确立了不同品种相对春化效应和相对热效应的曲线族;(3)将线性函数改为正弦函数表达不同品种光周期效应.经测算,各大麦品种到达单棱期、二棱期、雌雄蕊分化期、药隔形成期、雌蕊柱头二裂分叉期、雌蕊柱头毛状突起期等顶端发育阶段的生理发育时间分别为2.6、5.6、11.3、13.1、15.3、18.2、28.7d,到达出苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期等主要物候期的生理发育时间为0、13.1、28.7、32.8、51.5d,形成了不同大麦品种在不同气候和栽培条件下统一的衡量发育的定量尺度.     

小麦发育过程及生育期机理模型的研究I.建模的基本设想与模型的描述

将小麦发育的温度效应曲线化,以发育生理生态过程为基础,利用作物生理发育时间（Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｔｉｎｅ,简称ＰＤＴ）为尺度,提出系统地预测小麦顶端发育阶段和物侯生育期的模拟模型,预测的顶端发育包括单棱期、二棱期、小花原基分化期、雌雄原基分化期、药隔期、四分体期、抽穗期。物候发育阶段包括种子萌发、出苗期、分蘖期、越冬期、返青期、反节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期     

大麦叶面积指数模拟模型

准确模拟叶面积指数是作物生长模拟模型预测作物生长和产量的关键.本文通过系统分析扬州和武汉地区不同大麦品种高产群体叶面积指数变化动态,建立了大麦群体的叶面积指数模拟模型.大麦叶面积指数是品种叶面积指数扩展的遗传参数和气温日较差、日照时数、辐射量等气候因子及水肥丰缺因子的函数.孕穗抽穗期最大叶面积指数与该期最适叶面积指数是不同的概念,二者之间存在着极显著差异.利用扬州、南京和昆明地区不同品种的播期试验及氮肥试验资料对模型进行了检验,结果表明,模型对大麦叶面积指数的模拟效果较好,模拟值与观测值吻合度高,根均方差RMSE介于0.742～2.865,平均值为1.348.对模拟值与观测值进行y=x的线性回归分析,相关系数R²介于0.511～0.954,均呈极显著正相关.     

大麦叶面积指数的模拟研究

在连续观测和定量分析的基础上,采用单株叶面积最大值作为品种遗传参数,用两段非线性方程构建了大麦叶面积指数随生理发育时间（Physiological development time,PDT）变化的动态模型．模型将经验性和机理性有机结合,考虑了温度和氮素营养对叶片生长的影响,较好的解决了两段非线性方程的衔接问题;不同品种、氮肥处理、播期以及种植地域间检验结果表明,叶面积指数模拟值与观测值的绝对预测误差为0．007-1．486,RMSE为0．109-0．718．     

大麦产量构成模型

通过产量构成法构建了适用于不同地区不同品种的大麦产量模拟模型.以南京、昆明、武汉3个地区各试验处理中不同大麦品种最适条件下的产量因素为基础,建立了最适条件下每株穗数相对值、每穗粒数相对值、千粒重相对值与累积光合有效辐射的回归方程,构建了实际条件下的不同大麦品种每株穗数、每穗粒数和千粒重与这三者在最适条件下的潜在值和实际条件下的水肥丰缺因子等变量的函数关系.模型较为全面地考虑了大麦品种生长发育的内外因素,内因主要体现为品种遗传特性（潜在的每株穗数、潜在的每穗粒数、潜在的千粒重和灌浆期因子）,外因包括光合有效辐射和水肥丰缺因子.运用武汉、昆明、扬州3个地区不同品种、不同播期的田间试验资料对模型进行了测试和检验.结果表明,模型对大麦产量构成因子及理论产量的模拟效果较好,模拟值与观测值吻合度高,每株穗数、每穗粒数和千粒重相对误差（RE）绝对值的平均值分别为1.96%、1.88%和1.67%,对这三者及理论产量的模拟值和观测值进行y=x回归分析,相关系数（r）在0.9464～0.9987,相关性显著,说明模型具有较高的预测性和适用性.     

拔节期干旱和复水对春玉米物候的影响及其生理生态机制

物候不仅是气候变化的指示指标,也是作物模型的关键参数。现有研究主要关注物候变化与气候环境因子的关系,关于植物物候变化的生理生态机制研究很少。基于春玉米拔节期干旱与不同时间(抽雄期和吐丝期)复水的田间模拟试验分析表明:(1)不同时间复水均使灌浆期延长,乳熟期推迟(9d),表明物候对前期水分胁迫存在记忆。(2)干旱条件下叶片净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)和相对叶绿素含量(SPAD)均随物候进程呈先降后升再降趋势,且均在抽雄期达到极小值;不同时间复水均使P_n、T_r和G_s在吐丝期达到极大值,而SPAD则在灌浆期达到极大值;叶水势(LWP)随干旱进程整体呈下降趋势,不同时间复水均只是减缓了其下降速度,表明LWP可用于描述物候对前期水分胁迫的记忆。(3)通径分析和决策系数分析表明,P_n是最主要的物候影响因子,而影响LWP的土壤相对湿度(RSWC)则是物候的主要控制因子,物候的变化是由P_n的累积变化引起,表明存在P_n的物候触发阈值。研究结果为春玉米物候变化的准确预测提供了依据。     

基于生理发育时间和生长度日的烤烟生育期预测模型

利用2010-2011年在云南具有代表性的植烟县开展烤烟种植试验数据,建立基于生理发育时间和生长度日的生育期模型,再利用农业气象观测资料进行模型验证.结果表明：在移栽期之前,两种预测模型都有很好的模拟效果,平均误差日数较低,移栽期之后,受移栽、打顶等农事活动的影响,误差日数增大;使用生理发育时间法进行模拟的预测值与实测值符合度较好,尤其是在移栽期之前,平均误差日仅为2 d,预测精度明显高于生长度日法;受光周期效应的影响,生理发育时间模型在较低纬度地区的模拟效果偏差,而在较高纬度地区模拟精度较高.     

气候变化对东北地区玉米生产潜力的影响与调控措施模拟——以吉林省为例

本研究以我国吉林省为例,采用5个典型研究站点1981—2010年的气象观测数据、土壤数据、田间管理资料及玉米产量实测值,应用作物生长模型CERES-Maize对5个不同品种玉米生产潜力进行了模拟,在分析气候因素对生产力影响的基础上,模拟、校准与验证遗传参数,实现应对气候变化、提高作物生产力的调控技术模拟,以期指导作物生产.结果表明: 玉米播种-开花、开花-成熟两个生长阶段天数模拟值和单产的模拟值与实际值极为吻合,归一化均方根误差分别为2.96%、3.40%、9.37%,偏离指数范围为-10.6%～15.2%,玉米光温生产潜力模拟值年均为7799.60～12902.83 kg·hm^-2,每10年下降128.6～880.3 kg·hm^-2;相关性分析表明,影响该地区玉米光温生产潜力下降的主导因素是气候变化,即玉米生育期内温度升高造成的生长期缩短和太阳辐射总量的显著下降.据此模拟的主要调控技术分别是改良玉米品种的耐热性与推迟玉米播种期.遗传参数调控模拟结果表明,玉米光温生产潜力随品种敏感参数P5(灌浆期特征参数,指吐丝至生理成熟大于8 ℃的热量时间)值的增大而呈线性增加趋势,P5值每增加10 ℃·d,玉米光温生产潜力提高154.44～261.10 kg·hm^-2.推迟玉米播期模拟结果表明,除梅河口外,敦化、辽源站点在玉米播期推迟5 d时,光温生产潜力增幅最大,分别为0.47%、1.32%;桦甸、榆树站点在玉米播期推迟15 d时,光温生产潜力增幅最大,分别为1.10%、4.06%.     

基于生理发育时间的加工番茄生育期模拟模型

综合考虑温度和光照对加工番茄生理发育效应的影响,引入了品种基本发育因子（IDF）,通过分析不同类型加工番茄的生育期与环境因素的动态关系,建立了基于生理发育时间（PDTv）的加工番茄生育期模拟模型,并利用不同年份、生态区、品种、种植方式的试验资料对模型进行了检验.结果表明：所建模型对加工番茄从播种到各个发育阶段（出苗、开花、坐果、红熟和拉秧）天数的模拟值与观测值的回归估计标准误差（RMSE）分别为1.09、2.03、2.05、2.77和2.53 d,该模型的预测精度明显高于基于有效积温的发育模型（其RMSE分别为1.90、6.63、6.33、9.36 和6.84 d）.     

气候变暖背景下青藏高原草本植物物候变化空间换时间预测

气候变暖背景下的植物物候变化广受关注, 然而常用的植物物候变化预测模型未充分考虑植物对环境的适应性, 给预测结果带来了较大的不确定性。该文基于2002-2011年青藏高原10个站点的地面物候观测资料以及年平均气温数据, 对空间换时间模型预测车前(Plantago asiatica)和蒲公英(Taraxacum mongolicum)各主要物候事件(展叶始期、开花始期和黄枯普遍期)变化的可行性及其在升温背景下的变化规律进行了分析。首先利用不同海拔高度的气温和物候事件分别与地理因子(经度、纬度和海拔)建立多元线性回归模型, 然后在此基础上剔除经度和纬度的影响, 单独考察海拔变化所引起的气温与植物物候变化, 最后以海拔高度作为桥梁来考察物候变化与温度变化的关系。结果表明, 采用各站点对应的海拔高度来模拟年平均气温空间差异的R²均大于0.89, 表明海拔梯度可以用来反映时间尺度下的年际温度变化; 车前和蒲公英各物候事件发生日期拟合值均与海拔高度变化关系显著, R²均大于0.70, 表明海拔变化是影响它们各物候事件变化的主要地理因子; 在物候事件发生日期拟合值和年平均气温拟合值的回归方程中, R²均大于0.93, 说明基于不同海拔高度模拟得到的年平均气温变化可以对时间尺度上车前和蒲公英的物候事件变化进行预测。空间换时间预测表明, 温度每升高1 ℃, 车前展叶始期和开花始期分别提前5.1和5.4 d, 而黄枯普遍期推迟4.8 d; 蒲公英展叶始期和开花始期分别提前6.5和7.8 d, 而黄枯普遍期推迟6.7 d。     

Effect of irradiance on the partitioning of assimilated carbon during the early phase of grain filling in rice

Low irradiance in the early phase of grain filling in rice often results in a low grain yield, but its effects on the partitioning of previously or recently assimilated carbon within the plant or panicle have not been seriously examined. The objective of this study was to demonstrate the effect of shading during the different stages in the early phase of grain filling on the partitioning of previously or recently assimilated carbon among constituent organs and into superior and inferior spikelets of the panicle in rice (Oryza sativa L. 'Sasanishiki') plants using 13C as a tracer. Plants were grown either under low (shading) or moderate (non-shading) irradiance (120 and 800 micromol quantum m(-2) s(-1)) for 3 or 4 d before or after the 13CO2 feeding at heading, full-heading or milky stages during the early phase of grain filling. Four days after the 13CO2 feeding, the proportion of labelled (previously assimilated) carbon partitioned into the panicle was 17% higher in plants grown under low irradiance compared with plants grown under moderate irradiance at the full-heading stage (7-11 d after heading), while the proportion partitioned into the culm was 13% lower. The light treatments for 3 d were conducted before the 13CO2 feeding and partitioning of the labelled (recently-assimilated) carbon into spikelets was examined 6 h after feeding. The amount of labelled carbon partitioned into the spikelets of the secondary branch (inferior grains) in the plants grown under low irradiance was only 31% when compared with plants grown under moderate irradiance at the full-heading stage, although the partitioning of labelled carbon into the apical spikelets of the primary branch (superior grains) was not affected by the light treatments. These results clearly indicate that preferential partitioning of assimilated carbon into the panicle occurs under low irradiance at around 7-11 d after heading and that the priority of superior spikelets for assimilated carbon intensifies. This phenomenon is thought to be an important strategy for such rice cultivars as used in this study to achieve a certain proportion of ripened grains even under light limited conditions.     

强筋与弱筋小麦籽粒蛋白质组分与加工品质对灌浆期弱光的响应

选用强筋小麦品种济麦20和弱筋小麦品种山农1391,在大田试验条件下,分别于籽粒灌浆前期(花后6—9 d)、中期(花后16—19 d)和后期(花后26—29 d)对小麦进行弱光照处理,研究了籽粒产量、蛋白质组分及加工品质的变化。灌浆期弱光显著降低小麦籽粒产量,灌浆中期对济麦20和灌浆后期对山农1391的产量降幅最大。弱光处理后,籽粒氮素积累量及氮素收获指数减少。但弱光使籽粒蛋白质含量显著升高,其中灌浆中期弱光升幅最大,原因可能是由于其粒重降低造成的。弱光对可溶性谷蛋白无显著影响,但增加不溶性谷蛋白含量,使谷蛋白聚合指数显著升高,面团形成时间和稳定时间亦升高,籽粒灌浆中、后期弱光对上述指标的影响较前期大。灌浆期短暂的弱光照对改善强筋小麦粉质仪参数有利,但使弱筋小麦变劣;并均伴随籽粒产量的显著降低这一不利影响。     

Grain sink strength may be related to the poor grain filling of indica-japonica rice (Oryza sativa) hybrids

The physiological and biochemical factors contributing to poor grain filling of indica-japonica rice ( Oryza sativa L.) hybrids were studied by analyzing the role of grain sink strength in dry matter accumulation of grains of two types of rice cultivars, Yayou 2 (an indica-japonica hybrid) and Yanjing 2 (a japonica cultivar). Carbon dioxide enrichment and plant hormone application were imposed at anthesis and the number of endosperm cells, dry matter accumulation and the activities of some sugar-metabolizing enzymes of grains were measured during grain filling. In Yayou 2, strong-potential grains (SPGs) accumulated dry weight much earlier than weak-potential grains (WPGs), but this difference was not obvious for Yanjing 2. Carbon dioxide enrichment imposed after heading significantly stimulated dry matter accumulation of WPGs of Yayou 2, but had little influence on WPGs of Yanjing 2 and SPGs of both cultivars. Leaf sheath dry matter decreased steadily in both cultivars during early stages of grain filling and accumulated during the later stages. Carbon dioxide enrichment increased leaf sheath dry matter. Dry matter accumulated by grains was linearly related to the increases in endosperm cell numbers and the activities of sucrose synthase (SS) and ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase) in SPGs and WPGs of both cultivars. Application of either 6-benzyladenine or abscisic acid had no significant influences on both endosperm cell number and grain dry matter accumulation. These results suggest that grain sink strength, determined by both cell numbers, SS and AGPase activities in the endosperm control the dry matter accumulation of grains.     

灌溉对干旱区冬小麦干物质积累、分配和产量的影响

为探明灌溉对干旱区冬小麦(Triticum aestivum)产量、水分利用效率(WUE)、干物质积累及分配等的影响, 以甘肃河西走廊冬小麦适宜种植品种‘临抗2号’为材料进行了研究。在冬季灌水180 mm的条件下, 生育期以灌水量和灌水次数等共设置5个处理, 分别为: 拔节期灌水量165 mm (W1)、拔节期灌水量120 mm +抽穗期灌水量105 mm (W2)、拔节期灌水量105 mm +抽穗期灌水量105 mm +灌浆期灌水量105 mm (W3)、拔节期灌水量75 mm +抽穗期灌水量75 mm +灌浆期灌水量75 mm (W4)、拔节期灌水量105 mm +抽穗期灌水量75 mm +灌浆期灌水量45 mm (W5)。结果表明: 随着生育期的推进, 土壤有效含水量(AWC)受灌水次数及灌水量影响更加明显; W3、W4处理的土壤各层AWC在灌浆期均较高; 叶面积指数(LAI)下降慢, 延缓了生育后期的衰老; 生育后期干物质积累增加, 提高了穗粒数、千粒重和籽粒产量。籽粒产量以W3处理最高, 但W4具有最高的WUE, 且籽粒产量与W3无显著差异, 但W4较灌溉总量相同的W2和W5以及灌水量最少的W1具有明显的指标优势。W1、W2、W5处理灌浆期各层土壤AWC均较低, 花后LAI下降快, 干物质积累减少, 灌浆持续期缩短, 穗粒数和千粒重减少, 最终表现为籽粒产量和WUE下降。灌浆期水分胁迫可促进花前储存碳库向籽粒的再转运, 并随着干旱胁迫的加重而提高, 对籽粒产量起补偿作用; 水分胁迫提高了灌浆速率, 但缩短了灌浆持续期。相关性分析表明, 灌浆持续期、有效灌浆持续期、有效灌浆期粒重增加值和最大籽粒灌浆速率出现时间与千粒重和籽粒产量均呈正相关。综合考虑, 拔节、抽穗及灌浆期各灌溉75 mm是高产高WUE的最佳灌水方案。     

两种冠温型冬小麦籽粒蛋白质和淀粉组分积累动态

 于2001～2003年对河南省主要推广的3个冬小麦 (Triticum aestivum)品种冠温特征、籽粒蛋白质和淀粉组分积累动态进行了研究。结果表明：‘豫麦50’在灌浆后期冠层温度明显降低,表现为冷尾型,而‘豫麦34’、‘豫麦70’冠层温度有上升的趋势,表现为暖尾型 ,在灌浆末期冷尾型与暖尾型小麦冠层温度相差超过2.5 ℃。不同冠温小麦籽粒蛋白质和淀粉组分积累动态表现出差异：暖尾型小麦清蛋白、球蛋白积累量在灌浆后期显著高于冷尾型品种,最终醇溶蛋白积累量品种间差异不显著,麦谷蛋白积累量在花后15 d以前差异不显著,但开花 20 d后暖尾型小麦麦谷蛋白积累量增大,与冷尾型小麦差异达到1%显著水平,最终麦谷蛋白与总蛋白质含量比例亦表现出同样的趋势,麦谷蛋白含量与灌浆中、后期冠层温度和整个灌浆期平均冠层温度均达到显著正相关,相关系数分别为0.7781、0.865、0.968 7;不同冠温型 小麦淀粉组分积累量与直/支差异不大,但淀粉糊化特性表现出明显的差异,除稀懈值外, 暖尾型小麦与冷尾型小麦峰值粘度、低谷粘度、最终粘度、糊化时间、糊化温度和反弹值差异分别达到1%显著水平。     

褐飞虱胁迫下两种水稻不同生育期玉米素核苷含量动态

应用酶联免疫吸附法（enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA）研究了在褐飞虱胁迫下镇稻2号（粳稻）和协优63（籼稻）抽穗期和灌浆期水稻叶片和根中玉米素核苷（zeatin riboside, ZR）含量变化情况。结果表明, 镇稻2号抽穗期ZR含量变化比灌浆期对褐飞虱侵害更为敏感,密度分别为15、30、60、120头/株的褐飞虱侵害水稻抽穗期3、6、9天后,叶片和根中ZR含量显著下降;灌浆期除各个褐飞虱密度侵害9天叶片中ZR含量和120头/株褐飞虱密度侵害9天根部ZR含量显著下降外,其他处理根和叶片中ZR含量下降不明显。协优63抽穗期受褐飞虱侵害后体内ZR的变化不同于镇稻2号,密度分别为15、30、60头/株的褐飞虱侵害3天后,叶片中ZR含量明显升高;在灌浆期,除30、60、120头/株褐飞虱密度侵害6天和120头/株褐飞虱密度侵害9天叶片中ZR含量有显著增加外,其他处理变化不明显。表明不同品种水稻在不同密度褐飞虱侵害下对根和叶片中ZR含量有不同的影响。     

Developmental Base Temperature in Different Phenological Phases of Wheat (Triticum aestivum)

The linear relationship between temperature and developmentrate has been widely recognized and it has been suggested thatthermal units (the summation of daily mean temperature abovea base temperature) can predict the phenological developmentof a crop. The aim of this paper was to determine the base temperaturefor different phenological phases of wheat. Two mediterraneanwheat cultivars and five sowing dates were used to obtain differentmean temperatures during development and different developmentalrates. The linear regression of development rate against meantemperatures for each period indicated that there were no uniquebase temperatures for all stages of the life span and valuesclose to 4°C and to 9·5°C were found to be bestfits for base temperatures before and after the terminal spikeletstage of both cultivars. A model to predict wheat developmentwas validated with another data set, which included differentwheat cultivars and sowing dates. Estimates of the error indevelopmental prediction by using a single base temperatureof 0°C is discussed as a function of separate developmentstages. Key words: Wheat development, base temperature, thermal time, Triticum aestivum     

Phenological stages of the quince tree (Cydonia oblonga)

As in other temperate species, the quince tree (Cydonia oblonga) shows different phenological stages throughout its vegetative growth period in response to changing temperatures. Two cultivars were studied, and 15 phenological stages were identified during their annual cycle, starting at bud dormancy and ending at leaf fall a year later. The different phenological stages were classified according to the BBCH General Scale and Fleckinger's code. The length of all the stages was measured in days and as cumulative day degrees. This study of the quince tree might aid to prevent and deal with any potential physiological and pathological disorders.