气候变化背景下松嫩平原玉米灌溉需水量估算及预测

开展农作物需水规律研究对于干旱半干旱区域旱作物节水灌溉和水分管理实践具有重要意义。以松嫩平原玉米为研究对象,研究玉米生育期需水量规律及灌溉需水量。结果表明:(1)历史时期和未来气候变化情景下,松嫩平原玉米全生育期和L~(mid)时段灌溉需水量等值线沿西南—东北方向递减,其中全生育期和L~(mid)时段2000s灌溉需水量临界等势线(灌溉需水量为0的等势线)分别比1970s北移70.2km和53.4km,全生育期和L~(mid)时段2040s灌溉需水量临界等势线分别比2010s北移30.9km和55.2km。(2)历史时期和气候变化情景下玉米全生育期灌溉需水量随年代呈波动增加趋势,其中前者以29.1mm/(10a)速度增加,后者以17.5mm/(10a)速度增加。(3)未来温度和降雨量变化对玉米需水量的贡献率为波动上升趋势,与1970s相比,2000s温度和降雨量变化对玉米需水量的贡献率为22.1%,增加6.8亿m~3灌溉水量;2040s温度和降雨量变化对玉米需水量的贡献率为38.3%,增加12.6亿m~3灌溉水量。     

气候变化对松嫩平原水稻灌溉需水量的影响

以水稻为研究对象,选取松嫩平原20个国家气象台站和国家气象中心提供的格点气象数据,采用作物系数法和Mc Cloud模型及P-M模型估算水稻需水量,应用水量平衡模型估算水稻灌溉需水量,分析水稻生育期内需水量变化规律.结果表明:历史时期和气候变化情景下,松嫩平原水稻全生育期和生育中期(Lmid时段)灌溉需水量等值线沿西南-东北方向递减,同一灌溉需水量等值线北移.历史时期和气候变化情景下水稻全生育期灌溉需水量随年代呈波动增加趋势,其中前者以44.2 mm·10 a-1速度增加,后者以19.9 mm·10 a-1速度增加.历史时期和气候变化情景下Lmid时段水稻灌溉需水量随年代均呈波动增加趋势,其中前者显著增加,后者增加不显著.气候变化情景对水稻需水量的贡献率为波动上升,与1970s相比,2000s气候变化对水稻需水量的贡献率为23.6%,增加14.8×108m3灌溉水量;2040s气候变化对水稻需水量的贡献率为34.4%,增加21.2×108m3灌溉水量.     

气候变化对华北冬小麦生育期和灌溉需水量的影响

利用华北4个气象站点1981—2010年冬小麦的生育期数据和气象资料,研究了华北平原典型区域冬小麦在气候变化条件下的生育期及各生育阶段灌溉需水量。结果表明:(1)过去30a来,华北地区冬小麦播种期和出苗期均有推迟趋势,且高纬度站点的变化趋势明显,其他生育期则呈提前趋势,而冬小麦全生育期表现为缩短;(2)华北冬小麦灌溉需水量在空间上从北到南、自东向西逐渐递减趋势;在时间上,东西部地区灌溉需水量变化趋势相反,东部地区呈逐渐增加趋势,而西部地区呈减小趋势;(3)冬小麦生育阶段的灌溉需水量变化不相同,播种—出苗、拔节—抽穗和抽穗—乳熟期灌溉需水量表现为减少趋势,而出苗—拔节和乳熟—成熟期则表现为增加趋势。就冬小麦整个生育期而言,华北西部地区灌溉需水量(北京密云站和石家庄栾城站)有减少趋势,分别减少6.72mm/10a和8.3mm/10a;而华北东部地区(天津宝坻站和邢台南宫站)的趋势正好相反,分别增加2.6mm/10a和7.08mm/10a。6个生育阶段灌溉需水量的年际波动程度依次为:播种—出苗期乳熟—成熟期抽穗—乳熟期拔节—抽穗期出苗—拔节期播种—成熟期;(4)气象要素对灌溉需水量的影响较复杂,其中灌溉需水量同有效降水量、相对湿度呈负相关,且相关关系极显著,与生育期长度存在微负相关关系,与日照时数、平均温度和风速呈显著正相关。同时,影响各生育阶段灌溉需水量的气象要素也存在差异,主要包括有效降水量、相对湿度和风速等。     

未来气候变化对河南省冬小麦需水量和缺水量的影响预估

采用美国农业部土壤保持局推荐的方法计算有效降水量,应用Penman-Monteith模型和作物系数法计算需水量,在对河南省1981—2010年冬小麦生育期内有效降水量、需水量和缺水量分析的基础上,结合《排放情景特别报告》的两种排放情景A2(强调经济发展)和B2(强调可持续发展)预估的未来气候情景,探讨了未来气候情景下河南省冬小麦的有效降水量、需水量和缺水量的时空演变规律及其主要气候影响因素.结果表明: 从整体上看,相对于基准时段(1981—2010年),A2和B2情景下,不同时段冬小麦全生育期的有效降水量、需水量和缺水量均表现出增加趋势,有效降水量均以2030s时段增加最多,分别增加33.5%和39.2%;需水量均以2010s时段增加最多,分别增加22.5%和17.5%,年代间呈现明显递减趋势;缺水量在A2情景下以2010s时段增加(23.6%)最多,B2情景下以2020s时段增加(13.0%)最多.偏相关分析表明,A2和B2情景下,太阳总辐射是影响河南省冬小麦需水量和缺水量变化的主要气候因素.由于地理环境和气候条件的差异,不同时段河南省冬小麦全生育期有效降水量、需水量和缺水量的距平百分率在空间分布上具有差异.未来河南省水资源可能更趋于短缺.     

树木年轮对气候变化的响应研究及其应用

树木年轮的宽度、密度、亮度和同位素含量等都与气候因子光、温和湿度等的变化有复杂的相关关系, 对这种相关生理机理的研究也有较大的进展。综述了这方面的研究进展及这些成果在古气候和环境研究、生理生态学、林学、群落学甚至历史社会学等领域的应用。     

蝴蝶对全球气候变化响应的研究综述

全球气候变化以及生物对其响应已引起人们的广泛关注。在众多生物中,蝴蝶被公认为是对全球气候变化最敏感的指示物种之一。已有大量的研究结果表明,蝴蝶类群已经在地理分布范围、生活史特性以及生物多样性变化等方面对全球气候变化作出了响应。根据全球范围内蝴蝶类群对气候变化响应的研究资料,尤其是欧美一些长期监测的研究成果,综述了蝴蝶类群在物种分布格局、物候、繁殖、形态特征变化、种群动态以及物种多样性变化等方面对气候变化的响应特征,认为温度升高和极端天气是导致蝴蝶物种分布格局和种群动态变化的主要因素。在此基础上,展望了我国开展蝴蝶类群对气候变化响应方面研究的未来发展趋势。     

呼伦湖流域径流对气候变化的响应

根据呼伦湖流域1961—2010年的气温、降水、蒸发量资料以及1961—2008年径流量资料,利用非参数检验Mann-Kendall法,分析了近50年呼伦湖流域气候变化特征及其对流域径流量的影响。结果表明:呼伦湖流域近50年来气温整体呈显著上升趋势;年降水量受夏季降水量影响最为明显,经历了1961—1964年的上升,1964—1983年的下降,1983—2003年的上升和2003—2010年下降4个阶段;年蒸发量在1973年以前相对平稳,1973—1998年呈下降趋势,1999—2005年呈显著上升趋势,2005年为突变点,出现从高到低突变。夏、秋季节蒸发量趋势在时间段上与夏季降水量有很好的对应关系;径流量基本表现为1961—1965年偏丰,1965—1987年偏枯,其中1975—1980年间表现为显著下降趋势(P<0.05),1987—2002年偏丰,2002—2008年偏枯;在气温普遍升高的前提下,降水量整体呈减少趋势,其变化趋势在很大程度上决定蒸发量的变化,呼伦湖流域暖干化趋势显著。以径流自身的变化特征为时段划分基础,对比径流、气温、降水量和蒸发量的变化过程,经相关统计分析检验,发现夏、秋季气温、降水量和蒸发量是引起呼伦湖流域径流量变化的根本原因。     

云南省烤烟需水量及灌溉需求指数的时空特征

基于云南省124个农业气象站点1977—2010年逐日气象数据,采用FAO推荐的Penman Monteith公式,计算不同时空条件下云南省烤烟生育期的需水量和灌溉需求指数,分析云南省烤烟需水量和灌溉需求指数的时空特征和变化规律.结果表明： 研究期间,云南省烤烟伸根期、旺长期、成熟期和大田生育期需水量分别为76.73～174.73、247.50～386.64、180.28～258.14和528.18～764.08 mm,以旺长期需水量最高;平均灌溉需求指数分别为-0.02、0.38、0.17和0.26,伸根期有效降雨量可以满足烤烟需求.云南省烤烟需水量呈逐年减少趋势,各生育期需水量气候变化趋势分别为-12.42、-21.46、-7.17和-47.15 mm·(10 a)^-1.各生育期及大田生育期灌溉需求指数最小的地区为德宏,最大的为迪庆;大田生育期灌溉需求指数是负值的3个地区为德宏、西双版纳和普洱.参考作物蒸散量、需水量和有效降水量随纬度的升高而减少,而灌溉需水量和灌溉需求指数却随纬度的升高而加强;有效降水量随海拔的升高而减少,灌溉需水量和灌溉需求指数随海拔的升高而增加.     

西南地区水稻灌溉需水量变化规律

研究作物需水变化规律是制订灌溉计划和水资源规划的重要依据。本文基于西南地区38个气象站点1951—2012年逐日气象观测资料,根据FAO推荐的Penman-Monteith公式计算水稻需水量,并分析了参考作物蒸散量分布及变化趋势、水稻生育期各阶段需水量变异性及灌溉需求指数分布。结果表明:近62年来西南地区参考作物蒸散量随时间变化不明显且随纬度增加而减少,各站点多年平均水稻生育期内参考作物蒸散量占到全年参考作物蒸散量的47.6%;对水稻生育期需水量分析发现,分蘖和抽穗阶段为水稻生长需水关键期,各阶段需水变化均为中等变异;西南地区水稻多年平均需水量、灌溉需水量和灌溉需求指数分别为304.5 mm、76.9 mm和0.24,需求指数分布自西向东呈逐渐增大,但均低于0.5,整体对灌溉依赖程度较低。     

植被活动对气候变化的响应过程研究进展

植被作为陆地生态系统的主体,在以增暖为主要特征的气候变化影响下,植被活动产生了动态的、非线性的响应规律,并体现出水热要素与植被活动多过程的交互作用和复杂影响机制,形成明显的区域分异特征。总结了温度升高和降水变动对植被活动影响研究进展,一定幅度的增温与增雨有利于植被活动增强,但许多研究认为升温超过3℃,或者降水变化50%,将会对植被活动造成不利影响,而其中的关键响应阈值与脆弱性机制仍不明晰;整合分析了气候多要素对植被活动的耦合效应,水、热、光等气候要素相互叠加共同影响植被活动过程,尤其是暖湿的气候组合对植被活动更为有利。综述了植被活动响应气候变化的区域差异性,及其对植被带分布产生的影响,如我国东北地区的植被活动对温度较为敏感,森林界线发生北移,而内蒙古西部地区则受到水分影响,草原有所退化。提出了今后应遵循"过程和格局耦合"思路,集成应用实验、统计和模型等多种方法,增强植被活动响应气候变化的空间分异规律研究。     

The Simulation of Leaf Conductance Responses to Changes in Environmental Water Status

A simulation model of stomatal response to change of environmental water status was set up based on the works on the mechanism of stomatal movement. The variations of leaf conductance, water potential and turgot pressure in guard cells, subsidiary cells and the other cells or tissues in leaf with leaf-air vapour pressure difference and soil water potential have been calculated by our model. The calculated results fit very well with the data from experiments. The different patterns of leaf transpiration variation with the difference between leaf-air and vapour pressure can be explained quantitatively.     

东北地区春玉米气候适宜度模型

农作物生长是一个连续的动态过程,因而作物生长的最适宜气象指标也是连续变化的.据此,本文提出作物生长日可利用降水量的推算方法和气象指标时间插值算法,构建了日尺度气候适宜度模型,利用东北地区农业气象站的多年玉米观测资料进行检验.结果表明： 模型计算的气候适宜度与株高、百粒重存在显著正相关;在春玉米营养生长期间,气候适宜度与株高的相关系数(R²)在0.58以上;春玉米生殖生长期间,气候适宜度与春玉米百粒重的R²在0.45以上.本文建立的日尺度气候适宜度模型能客观地反映营养生长阶段及生殖生长阶段作物与气候条件的相互作用关系.
     

交替灌溉的节水调质机理及同位素技术在作物水分利用研究中的应用

基于节水灌溉技术原理与作物感知缺水的根源信号理论而提出的根系分区交替灌溉,是交替对作物部分根区进行正常的灌溉,其余根区受到适度水分胁迫的灌溉方式。应用同位素示踪技术追溯分根区交替供水条件下土壤-作物系统水分运转途径并揭示其节水调质机理是一个重要的研究方向。本文对根系分区交替灌溉的节水调质效应、节水机理、稳定性氢氧同位素在植物水分运移中的应用以及稳定性碳同位素在植物水分利用效率中的应用研究进展及应用前景作了简要介绍,并对将来需要重点研究的方向作了展望。以期为充分挖掘作物生理节水潜力,大幅度提高作物水分利用效率和实现节水、丰产、优质、高效的综合目标提供有效的调控途径。     

Regulation of Transpiration to Improve Crop Water Use

Decreasing fresh water supplies and increasing agricultural drought threaten sustainable worldwide crop production. Consequently, there is a global priority to develop crops with higher water use efficiency (WUE): biomass production or yield per unit of water used. Water use efficiency varies substantially among species and genotypes within a species, and a major effort is now underway to identify the genetic determinants of WUE. Today, it is known that genotypes in primary gene pools exhibit allelic variation for WUE through mechanisms that regulate transpiration, which is the conductance of water through stomata, the cuticle, and the boundary layer. Because of the differential diffusion properties of water and carbon dioxide (CO₂) through these pathways, it is feasible that WUE could be improved by decreasing transpiration without a concomitant reduction in CO₂ uptake. Since CO₂ uptake and transpirational water loss occur predominantly through stomatal pores, it is not surprising that genes involved in stomatal development and stomatal opening/closing impact WUE. Furthermore, loss- and gain-of-function genetic screens have identified genes that regulate transpiration and WUE by yet undetermined mechanisms. This review will discuss the genetic determinants that regulate transpiration and WUE in the context of the modern agricultural goal of improving WUE while sustaining biomass and yield.     

Modeling of plant adaptation to climatic drought induced water deficit

Soil moisture flux to root surface is considered the main determining factor of the transpiration intensity of plants. This assumption is valid not only in optimal plant physiological conditions without any physical barrier for the evaporation from the leaves, but in climatic drought as well, when high usable soil water amount cannot supply the evapo-transpiration intensity of plant. A new algorithm we built up describing the plant adaptation in climatic drought when stoma’s closure and reduction of plant’s potential evapo-transpiration (PET) starts. The adaptation algorithm of Doorenbos et al. (1978) is developed further defining that soil moisture content initiating the stomata’s closure. The critical soil moisture content is varying according to the PET, and drought tolerance of plant. If soil moisture content is less than the critical one, the plant evapo-transpiration (ET) can be highly different in the drought tolerance plant groups. The new drought tolerance algorithm is applied to maize field plots on chernozem soil of the experimental station of the Debrecen University, in East Hungary. Simulated soil water storages are compared to measured ones of a field plot treatment in five consecutive years. The soil moisture content profiles are measured with a BR-150 capacitance probe (Andrén et al. 1991). Differences between measured and simulated soil water storages are not significant in 2003. Simulations indicate low soil water storages in autumn of 2006, and in the first half of 2007 predicting the low maize production realized in 2007. The new plant adaptation algorithm can be used for a climate and soil moisture content sensitive irrigation control as well. The maize production is an illustrative biohydrological example of water flow through the soil-plant-atmosphere continuum.     

作物群体受光结构与作物生产力研究

植物体内的干物质中,９０％～９５％直接或间接地来自光合作用,作物群体进行光合作用的能源是太阳辐射能,从获得太阳能的观点出发,农业就是“通过高等植物发展光能利用效率的产业”［８］。叶子作为光合作用的主要器官,其光环境的优劣对光能利用效率和作物生产力起着...     

台湾桤木和四川桤木种源苗木对水分胁迫的生理响应

采用PEG6000,研究了4种台湾桤木种源和2种四川桤木种源苗木对水分胁迫的生理响应。结果表明：（1）随着水分胁迫强度增加,叶片质膜相对透性增大,四川桤木种源质膜透性比台湾桤木种源增加幅度大。（2）在轻度的水分胁迫下,6个种源SOD活性均呈上升趋势,POD活性的增加只发生在PEG10％的水分胁迫强度以内,轻度水分胁迫下,MDA含量上升幅度小于重度胁迫强度;在PEG30％胁迫处理时,台湾桤木叶片MDA含量平均上升30．22％,而四川桤木上升了40．44％,表明台湾桤木种源膜脂过氧化程度较四川桤木种源轻,受害程度相对要小一些。（3）水分胁迫下,叶片脯氨酸含垃均有不同程度的增加．在PEG20％水分胁迫处理下,各种源脯氨酸积量增加的幅度为：台湾桤木苗栗种源（AF２）（68．9％）〉台湾桤木福建南平种源（AF４）（60．2％）〉台湾桤木台东种源（AF２）（54．7％）〉台湾桤木台中种源（AF1（47．6％）〉四川桤木广元种源（AC2）（39.7%）＞金堂种源（AC１）（39.1%）。水分胁迫条件下,叶片可溶性糖含量呈下降趋势。６种种源苗木在水分胁迫条件下,由于脯氨酸的积累,有一定的渗透调节能力,但这种渗透调节能力又是十分有限的。（４）采用隶属函数法,对各种源的抗旱生理进行综合评价,其耐旱牛理强弱的顺序是：AF2、AF1、AF3、AF4、AC2、AC1,台湾桤木比四川桤木具有较强的耐旱生理适应性。从耐旱生理角度讲,凡是适合四川桤木生长的区域,基本上亦适合台湾桤木,在引种载培中,应选择抗旱性稍强一些的台湾桤木苗栗种源和台中种源。     

长白山红松年轮细胞尺度参数对气候要素的响应

基于长白山低海拔区的红松年轮样本,建立树轮宽度和细胞尺度参数的7个标准年表;选取部分树轮年表与东岗气象站1959-2007年前一年9月到当年9月的月均气温、月均最高气温、月均最低气温、月降水量进行相关分析;并分析1988年气候突变前后红松年轮指数年表与气候要素的关系,结果表明:所建立的7个标准年表中,细胞个数与轮宽年表的相关性最好;降水和气温都是长白山低海拔区红松树木生长的限制因子,但树轮与降水的相关关系略好于气温,主要表现为与前一年9月和当年5、6月降水的相关达显著水平.细胞大小比轮宽能反映出更多气候信息,主要体现在细胞大小年表与当年3月气温和5月降水呈正相关关系,与当年5月气温呈负相关关系;1988年气温发生升高突变后,树轮对气候要素的响应发生了变化,主要表现为细胞大小对气候要素响应的敏感性降低,与气候要素相关的月份有所提前.     

Numerical and Demographic Responses of Pumas to Changes in Prey Abundance: Testing Current Predictions

ABSTRACT Information on factors affecting population size of pumas (Puma concolor) can be important because their principal prey over most of the western United States are valued big game species (e.g., mule deer [Odocoileus hemionus], elk [Cervus elaphus], and bighorn sheep [Ovis canadensis]). Based on the hypothesis that puma numbers are limited by their food supply, puma populations should track changes in prey abundance by growing exponentially with increases in prey and by declining with a lag response when prey decreases. Additional predictions proposed by researchers are that body mass of pumas, female productivity, kitten survival, and adult survival should decrease after a prey decline. We used a 15-year database from a hunted population of pumas in southern Idaho and northwestern Utah to test these predictions. During the 15-year time span of the database, a major decline in mule deer abundance occurred. Estimates of puma numbers and demographic characteristics came from intensive capture and radiocollaring efforts. We calculated kitten and adult survival with MICROMORT software. We found that adult puma numbers increased exponentially at r = 0.07 during a period of increasing mule deer numbers. Four years after the mule deer abundance declined, puma numbers decreased at a rate of r = −0.06. Body mass of female pumas was lower after the decline in puma numbers (42.6 ± SE = 1.2 kg, n = 40 vs. 40.1 ± 0.64 kg, n = 34, t = 5.06, P = 0.045). Kitten survival was less after the decline in deer abundance (0.573 ± 0.016, n = 30 vs. 0.856 ± 0.015, n = 25, Z = 2.40, P < 0.01). Survival of resident females was significantly less after the decline in puma numbers (0.783 ± 0.03 vs. 0.929 ± 0.019, U = 55.0, P = 0.009). Female productivity did not differ before or after the decline in deer abundance. Our results supported the majority of the predictions concerning the impact of changing deer abundance, which supported the hypothesis that the abundance of mule deer limited our population of pumas.     

小麦条锈病罹病植株对水分胁迫的响应

水分胁迫时,小麦条锈病病叶的叶片扩散阻力(LDR)明显增大,蒸腾速率(Tp)、相对含水量(RWC)、水势(ψw)、渗透势(ψπ)和压力势(ψp)明显降低。亲和与不亲和性反应寄主病叶对水分胁迫的反应明显不同。亲和性反应寄主叶片在水分胁迫时表现出较低的反应型,产孢期推迟;Tp、LDR、RWC、ψw、ψp和ψπ在产孢前轻微下降或升高;在开始产孢后病叶Tp急剧升高,LDR、Tp、RWC、ψw、ψπ和ψp大幅降低,在健叶尚可有效控制水分蒸腾散失时病叶已丧失了这种能力。不亲和性反应寄主病叶的蒸腾作用在显症期亦有轻微变化,但之后病叶Tp、LDR、RWC和ψw渐趋健叶水平,并保持了较健叶更低的ψπ和更高的ψw,具备了更强的水分调控能力。病株健叶与病叶具有相似的气孔行为。