中国作物低温冷害监测与模拟预报研究进展

低温冷害是影响中国粮食生产的重要灾害之一,气候变化使中国特别是东北地区的低温冷害时有发生,东北中部冷害每8年发生一次,开展作物低温冷害研究对于中国粮食安全具有重要意义.从冷害形成机理上可以分为延迟型冷害、障碍型冷害及混合型冷害3类,其冷害指标主要针对不同作物有所差别.基于站点的冷害监测小尺度,GIS等新技术提供的精确温度指标可进行区域监测.遥感技术通过监测下垫面温度(LST)和植被指数(如NDVI)可监测障碍型冷害.基于数理统计、气候模式和作物模型耦合、天气预报的发育期和产量预报的低温冷害预报方法已得到应用.作物模型可依据作物发育进程和产量损失等对冷害损失评估,同时与遥感信息等结合可进行区域灾害评估.最后讨论了中国低温冷害监测和预报新技术的发展方向.     

基于作物模型的低温冷害对我国东北三省玉米产量影响评估

以东北三省玉米低温冷害为研究对象,对作物生长过程模式WOFOST进行适当改进,同时对模型在区域上的适应性进行分析、检验,然后利用改进的作物模型实现低温冷害对玉米影响定量分析和动态评估。以1961—2006年共46a平均气温驱动下的模拟产量作为正常年份的产量水平,当年实际气温驱动下的模拟产量跟平均气温驱动下的模拟产量对比,以减产率和气象条件作为灾害严重程度划分的标准,利用数值模拟试验,确定导致减产的主要气象因子及其量值,进而确定农业气象灾害评估指标,在此基础上,进行区域低温冷害影响评估,包括历年典型低温冷害年份影响评估和年代际影响评估。从年代模拟结果来看,近50a来各年代冷害分布大致规律均表现为北部大于南部、东部大于西部地区,即表现为由东北至西南方向呈递减的趋势,冷害造成玉米减产面积及冷害等级各有差别。评估结果基本上可以较好地反应历史实际情况且与前人已有研究成果相一致。     

温度对玉米生长和产量的影响

为了明确气温变化对玉米生长发育和产量的影响,建立玉米低温冷害监测和气象评估模式,在东北地区中部的榆树市进行了玉米分期播种试验。试验采用3个品种,设置早、中、晚3个播种期,进行玉米生长发育进程、叶面积指数、生物量、产量和温度等观测。结果表明：玉米的生长速率与温度密切相关,平均气温每升高1 ℃,出苗速率提升17%,营养生长速率提升5%;积温每增加100 ℃·d,玉米最大叶面积指数增加10%,最大生物量和产量增加8%;玉米生长发育期(日平均气温稳定>10 ℃期间)间平均气温降低0.7 ℃,或活动积温减少100 ℃·d,玉米成熟期将延迟7 d,发生一般低温冷害,玉米单产减少8%;气温下降1 ℃,或积温减少140 ℃·d,生育期延迟10 d,发生严重低温冷害,减产10%以上;在水分条件比较适宜的前提条件下,气候变暖对东北地区玉米单产提高是有利的。     

1961-2013年东北三省玉米低温冷害强度的时空分布特征

基于东北三省1961-2013年气象数据、《北方春玉米冷害评估技术规范（QX/T167-2012）行业标准》,结合具有生物学意义的热量指数,给出了东北三省低温冷害强度分级,利用经验正交函数（EOF）分解法和旋转经验正交函数（REOF）分解法分析了东北三省玉米低温冷害强度时空分布特征。结果表明：东北三省玉米低温冷害强度具有明显的空间分布特点,可分为全区一致型、南北反相位分布型以及东西反相位分布型。东北三省玉米低温冷害强度的时间变化具有较好的一致性,1961-2013年东北三省低温冷害的发生强度呈波动减小趋势。低温冷害强度区域差异显著,按照低温冷害强度强弱可分为黑龙江-吉林北部区（Ⅰ区）、吉林南部-辽宁北部区（Ⅲ区）和辽宁南部区（Ⅱ区）。研究结果可为东北三省低温冷害风险区划和采取有效的减灾避灾措施提供依据。     

玉米生长条件下农田土壤水分动态预报方法的研究

依据理论分析和田间实测资料,提出了玉米生长条件下农田土壤水分动态预报模型,论述了模型中参数的测取方法,经初步应用结果表明,该模型预报玉米土壤水分动态具有较高的精度。     

高寒区大豆关键生育期低温冷害指标构建

构建高寒区大豆低温冷害指标对系统分析高寒区大豆适应气候变化对策、防灾减灾及其他胁迫的协同适应技术具有参考意义。本研究利用1980—2020年黑龙江省大豆低温冷害灾情史料、生育期资料及研究区78个气象站逐日气温资料,采用GIS技术匹配生育期与气象数据,考虑不同生育阶段积温距平、日平均气温低于生育下限温度的持续日数,构建高寒区大豆综合性冷害指数。利用K-S分布拟合检验及置信区间下限值确定阈值方法,构建高寒区大豆关键生育阶段低温冷害等级指标。结果表明: 大豆播种-出苗期,研究区大豆轻度、中度、重度冷害低温指数下限值分别为0.061、0.115、0.237;出苗-开花期分别为0.072、0.152、0.312;开花-成熟期分别为0.133、0.245、0.412。由低温指数反演的黑龙江省大豆低温冷害时间分布与历史灾情记载吻合度很高;空间上表现出较明显的纬度特征,冷害发生频率呈自南向北逐渐增加的趋势。     

川西高原羊肚菌低温冷害特征及风险评估

开展羊肚菌低温冷害气候风险精细区划，可为羊肚菌特色农业栽培规划、低温冷害动态评估和防灾减灾对策提供科学依据。基于川西高原海拔3000 m以下17个县(市)2011—2020年气象数据，分析羊肚菌典型年份致灾临界气象条件；选取气温稳定通过5℃初日～10℃初日之间多年平均积寒与冷害频次作为川西高原羊肚菌出菇期间低温冷害区划指标，建立冷害指标的地理空间分布模型，划分川西高原羊肚菌冷害风险等级，评估羊肚菌冷害风险。结果表明：研究区羊肚菌冷害风险温度指标为日最低气温≤2.0℃,日平均气温<6.0℃将导致生长缓慢或者停止生长，设定为冷害风险预警指标。羊肚菌冷害发生频次沿大渡河流域和岷江流域从南向北增多。冷害总次数最少的地区是汶川、茂县、理县，九龙、雅江、巴塘最多。冷害日数以持续1～3 d为主，持续4～5 d次之，持续5 d以上较少，其中，乡城、巴塘、九龙、雅江、小金冷害持续5 d以上的次数多于持续4～5 d的次数。羊肚菌冷害年均日数3.0～27.4 d,冷害发生时段的日均最低气温-0.84～1.36℃、极端最低气温-5.8～0.1℃、平均积寒0.16～9.64℃·d,冷害平均日数、平均积寒随...     

河套灌区不同强度低温冷害对玉米生物量累积和产量的影响

深入揭示不同发育期、不同强度和持续日数的低温冷害对玉米生物量累积和产量的影响,对农业防灾减灾具有重要意义。本文以河套灌区玉米低温冷害为研究对象,在对WOFOST模型进行参数校准的基础上,通过数值模拟试验方法,对模型在研究区域上的适应性进行了分析、检验,同时探讨了不同发育阶段出现不同强度和持续日数低温对玉米贮存器官生物量累积和产量的影响。结果表明:在玉米出苗-灌浆期中的每个发育期发生低温时,玉米贮存器官生物量累积和产量对低温强度和持续日数的响应程度基本一致;当降温强度不同、持续日数相同时,灌浆期低温对玉米产量和贮存器官生物量累积的影响最大;当降温强度相同,持续日数不同时,低温持续日数1 d,玉米拔节至抽雄期发生的低温对贮存器官生物量和产量的影响最大,低温持续日数大于3 d时,玉米灌浆期发生的低温对贮存器官生物量和产量的影响最大;发生时段不同时,出苗至拔节期发生的低温,玉米产量和贮存器官生物量随低温持续日数增加而减少,但持续日数相同,不同低温强度对其影响差别不大;其他发育阶段随着低温强度加大,持续日数增加,玉米产量和贮存器官生物量减少。本文结果较好地反映了研究区低温冷害对玉米生长影响的实际情况,可为当地农业生产决策提供科学依据。     

一级生产水平下冬小麦,夏玉米的生产模拟

通过模拟计算得到一级生产水平下冬小麦和夏玉米的累积干物质动态曲线 .两年的计算结果和实测值都比较吻合 .研究表明 ,在黄淮海平原 ,可以把亩产吨粮作为冬小麦 夏玉米一年两茬平作粮田达到一级生产水平的指标 .若用中熟夏玉米套作代替早熟夏玉米平作 ,籽粒的年产量可增加一成 .通过对不同叶面积指数下干物质产量的模拟计算 ,得到一年两茬平作的干物质产量最大可达 46t·hm- 2 ,籽粒产量 1 9.1t·hm- 2 .     

一级生产水平下冬小麦、夏玉米的生产模拟

通过模拟计算得到一级生产水平下冬小麦和夏玉米的累积干物质动态曲线.两年的计算结果和实测值都比较吻合.研究表明,在黄淮海平原,可以把亩产吨粮作为冬小麦夏玉米一年两茬平作粮田达到一级生产水平的指标.若用中熟夏玉米套作代替早熟夏玉米平作,籽粒的年产量可增加一成.通过对不同叶面积指数下干物质产量的模拟计算,得到一年两茬平作的干物质产量最大可达46t·hm^-2,籽粒产量19.1t·hm^-2.     

玉米品种耐阴性指标的筛选与评价

采用大田试验,研究了24个玉米品种在50%遮光处理下的形态、生理与产量性状的变化.结果表明：与自然光照相比,遮光处理后,玉米的株高降低,茎粗减小,雌雄间隔期延长,净光合速率减小,比叶重减小,地上部干物质量减少,果穗缩短变细,穗轴直径减小,行粒数减少,籽粒产量显著降低,其中雌雄间隔期、净光合速率、比叶重和行粒数变化的百分率与地上部干物质量和籽粒产量减少的百分率之间呈显著或极显著相关,可作为田间鉴定玉米耐阴性的有效指标.采用综合耐阴性状作为评价参数,经聚类分析表明,郑单958、浚单20、登海602等14个品种属耐阴型品种,安玉12、豫玉22等10个品种属非耐阴型品种.表明以形态、生理指标结合产量性状来评价玉米耐阴性较为客观,且简单易行.     

玉米-大豆带状套作下玉米株型对大豆干物质积累和产量形成的影响

通过田间试验, 以大豆单作为对照,设置登海605/贡选1号(RI₁)、川单418/贡选1号(RI₂)、雅玉13/贡选1号(RI₃)3种玉米 大豆带状套作种植模式,研究了玉米株型对大豆干物质积累和产量的影响.结果表明： RI₂和RI₃处理大豆的积累速率低于RI₁处理,且RI₁处理大豆叶片、茎秆和荚果的干物质积累量分别比RI₂和RI₃处理高17.6%、16.5%、13.7%和34.6%、33.1%、28.4%.带状套作大豆叶片、茎秆的分配比例均以RI₁处理最高、RI₂处理其次、RI₃处理最低,而荚果分配比例的变化趋势与其相反.与RI₂和RI₃处理相比,RI_1处理显著提高了大豆营养器官(叶+茎)干物质向荚果的转运量、转移率及其对荚果的贡献率,RI₁处理大豆的单株荚数、单株粒数、每荚粒数、单株粒质量和产量分别比RI₂和RI₃处理提高了6.8%、11.5%、4.4%、15.9%、15.6%和14.3%、22.2%、6.7%、33.4%、36.8%.带状套作大豆营养器官干物质的积累速率、转运量、转移率和贡献率与产量及产量的构成呈显著正相关,且均以RI_1处理最高,实现了紧凑型玉米对带状套作大豆干物质积累、转运和分配的有效调控,促进了产量的提高.     

Resistance of Maize Landraces to the Maize Weevil Sitophilus zeamais Motsch. (Coleoptera: Curculionidae)

The maize weevil Sitophilus zeamais Motsch. is an important pest of maize that attacks the grain both in the field and during storage. The damage caused by the maize weevil S. zeamais on maize landraces, Amarelo Antigo, Asteca, Caiano, Carioca, and Ferrinho, was evaluated by no-choice tests under laboratory conditions. The commercial varieties Sol da Manh?, BR 106, BR 451, and the synthetics PC 0203 and PC 9903 were evaluated for comparisons with the maize landraces. The parameters evaluated were susceptibility index, number of weevil progeny, development time, weevil progeny dry weight, and grain dry weight loss. The landraces were more susceptible to the maize weevil as compared to the commercial varieties. Based on the cluster analysis, two groups of susceptibility to the maize weevil were observed: one of more susceptible populations formed by local landraces and BR 451, and another less susceptible, with commercial varieties, synthetics, and the landrace Amarelo.     

Specific features of source-sink relations in alloplasmic hybrid of winter wheat with alien cytoplasm of goatgrass with emphasis on resistance to low temperature stress

We studied the influence of alien cytoplasm of spring goatgrass Aegilops ovata L. on some physiological parameters in winter wheat (Triticum aestivum L.), Mironovskaya 808, under normal conditions and in the case of modified source-sink relations. Measurements of relative rates of plant dry matter growth and its distribution among organs, CO₂ exchange (photosynthesis upon light saturation and dark respiration), content of sugars (sucrose + glucose + fructose) and their ratio in leaves, frost hardiness, and indices of membrane stability and damage of leaves by frost have shown that, on average, alloplasmic hybrid differed from the initial cultivar by almost all parameters. Reduced frost hardiness, increased index of leaf damage by frost, lowered leaf content of sugars, and reduced sucrose/(glucose + fructose) ratio in the alloplasmic hybrid were combined with higher roots/leaves ratio, relative rate of dry matter growth, and photosynthesis and respiration rates. The alloplasmic hybrid was more tolerant to decreased source strength in source-sink relations as compared to the initial cultivar.     

基于归一化法的小麦干物质积累动态预测模型

为探讨基于归一化法的不同分蘖力小麦品种干物质积累动态预测模型和参数特征,实现不同小麦品种干物质积累的有效预测,以3个分蘖力不同的小麦品种(豫麦49-198、兰考矮早8和偃展4110)为材料,对3个密度(75、225和375万株/hm2)下的干物质积累动态进行了研究。结果表明,高成穗率小麦品种(豫麦49-198和偃展4110)的干物质重均以375万株/hm2密度最高,而分蘖力高成穗率低的小麦品种(兰考矮早8)以225万株/hm2最高。建立的基于相对干物质积累量和相对积温的干物质积累预测模型中最佳模型方程式为y=1.1435/(1+e0.2776-4.6558 x)1/0.1130,r=0.9927,可较好地对小麦干物质积累动态进行模拟。通过对小麦干物质积累模型的特征参数分析发现,干物质积累过程可划分为前、中和后期3个阶段,且干物质积累平均速率与最终干物质重呈极显著正相关,较高的干物质积累平均速率对小麦干物质重的稳定和提高都有十分重要的作用。     

Relationship between hydroxycinnamic acid content, lignin composition and digestibility of maize silages in sheep

Cell wall-bound hydroxycinnamic acids and the composition of lignin were studied in relation to the digestibility of a collection of 91 maize silages in wethers. Total lignin and guaiacyl content showed the highest correlation coefficients with digestibility. Using the above-mentioned chemical parameters, eight equations were also developed to predict digestibility. The prediction of organic matter digestibility produced a high adjusted R2 value (0.487) using total lignin, guaiacyl, esterified ferulic acid and esterified p-coumaric acid content as predictors. The prediction of in vivo dry matter digestibility produced a higher adjusted R2 value (0.516) using the same variables as predictors. Cell wall digestibility depends on a multiplicity of factors and it is not possible to attribute a causal effect on in vivo digestibility to any single factor. However, total lignin, guaiacyl and p-coumaric acid content emerge as good predictors of digestibility.     

种植密度对玉米-大豆间作群体产量和经济产值的影响

采用二次饱和D最优设计,研究了种植密度对玉米 大豆间作群体产量和经济产值的影响,并建立了以玉米和大豆密度为变量,以间作群体籽粒产量、干物质积累和经济产值为目标函数的二元二次数学模型.模型解析表明： 种植密度对玉米 大豆间作群体籽粒产量、干物质积累和经济产值影响显著,玉米密度对群体各指标的影响大于大豆密度.在低密度水平下,群体籽粒产量、干物质积累和经济产值均随密度的增加而增加.群体籽粒产量达到8101.31 kg·hm^-2,最优措施组合为：玉米密度72023株·hm^-2+大豆密度99924株·hm^-2;群体干物质积累达到15282.45 kg·hm^-2,最优措施组合为：玉米密度75000株·hm^-2+大豆密度93372株·hm^-2;群体经济产值达到23494.50元·hm^-2,最优措施组合为：玉米密度73758株·hm^-2+大豆密度87597株·hm^-2.通过计算机模拟得出,在本试验条件下,玉米-大豆间作群体籽粒产量≥7500kg·hm^-2、干物质积累≥14250 kg·hm^-2、经济产值≥22500元·hm^-2的最佳密度组合为：玉米种植密度58554～71547株·hm^-2,大豆种植密度82217～100303株·hm^-2.     

基于冠层反射光谱的棉花干物质积累量估测

通过分析不同施氮水平下棉花地上部干物质积累量与冠层光谱反射率及其衍生的比值植被指数(RVI)、归一化植被指数(NDVI)及差值植被指数(DVI)之间的关系,确立了棉花地上部干物质积累量的敏感波段及预测模型.结果表明:两个可见光波段(560和710 nm)和5个近红外波段(810、870、950、1 100和1 220 nm)组成的植被指数与棉花地上部干物质积累量的相关性较好,其中RVI(1 100, 560)的相关性最好.通过逐步回归分析确立的棉花地上部干物质积累量的预测模型为:地上部干物质积累量(g·m-2)=66.274×RVI(1 100, 560)-148.84.说明通过遥感手段估测棉花地上部干物质积累量是可行的.     

不同密度混播对玉米植株13C同化物分配和产量的影响

为了探讨不同密度混播对玉米植株¹³C同化物分配和产量的影响,选用‘郑单958’(ZD)和‘登海605’(DH)为试验材料,在不同密度下(LD,67500株·hm^-2;HD,97500株·hm^-2)设置单播(SZD、SDH)与混播(M、1∶1、2∶2)处理,研究玉米品种不同密度混播对植株光合特性、¹³C同化物分配、干物质积累量和产量的影响.结果表明: 随密度增加,籽粒产量、¹³C同化物在籽粒中的分配、干物质积累量和叶面积指数均提高;而叶绿素含量和净光合速率则降低.在67500株·hm^-2下,混播较单播处理无显著优势,但在97500株·hm^-2下,两品种混播提高了叶面积指数、叶绿素含量和穂位叶净光合速率,干物质积累量增加.混播促进茎等营养器官的干物质向籽粒的转运,提高了¹³C同化物在籽粒中的分配比例.混播处理较单播产量增加,主要因为千粒重显著增加.在高密度种植条件下,混播有助于扩大光合面积,维持较高的净光合速率,提高群体干物质积累量,改善干物质的分配状况,增加同化物向籽粒的分配,最终提高夏玉米产量.可见,混播栽培可显著增加黄淮海区密植夏玉米产量.     

不同颜色地膜与种植密度对春玉米干物质积累和产量的影响

为了探讨东北雨养区不同颜色地膜覆盖与种植密度对春玉米干物质积累和产量的影响机制,以良玉99为试验材料,设置3种覆盖处理(裸地、无色透明地膜和黑色地膜覆盖)和5个种植密度(60000、67500、75000、82500和90000株·hm^-2)完全组合的田间小区试验,对春玉米水热效应、干物质积累和产量性状等进行分析.结果表明: 黑膜覆盖明显提高拔节后玉米干物质积累量和生物量,其生物量较其他处理增加3.2%～8.2%;成熟期生物量随着种植密度的增加先增大后减小,以82500株·hm²最大,较其他密度处理增加5.2%～28.3%.无色透明地膜覆盖处理的前期平均土壤温度较其他处理分别提高0.4～2.7 ℃,加快了生育进程,提高了玉米茎叶干物质转运量(T)、转运率(TE)和对籽粒产量贡献率(TC);叶和茎+叶干物质的T、TE和TC均以60000株·hm^-2密度处理最大,而茎干物质转运效果以75000株·hm^-2最优.在抽穗期,黑膜处理的耗水量和日耗水强度最大,分别较其他处理增加10.6%～14.9%和10.6%～24.5%;耗水量和日耗水强度均以90000株·hm^-2密度处理最大,较其他处理分别高6.8%～15.7%和7.0%～20.0%.黑膜和82500株·hm^-2密度处理组合明显提高了玉米的水分利用效率,较其他处理增加了4.6%～40.9%,其产量较其他处理增加3.0%～39.7%.在抽穗期,玉米茎叶干物质量与玉米产量和产量构成要素的相关性最大;茎叶干物质量每减少1 kg·hm^-2,群体产量下降约0.79 kg·hm^-2;茎叶干物质量每降低10%,产量下降10%左右.在增加种植密度的基础上,采用黑色地膜覆盖可以增加春玉米干物质积累量、提高春玉米产量和水分利用效率.