群体高产与光能利用

依据近年国内外有关作物群体高产的研究结果,综合评述了单作群体与间套作复合群体获得高产的理论实践和研究现状。从研究方法及研究内容上,提出今后复合群体高产与光能利用研究中需要解决的主要问题。     

作物的群体光能利用

作物产量的形成靠其绿色的叶子利用太阳光能将空气中的二氧化碳和水合成碳水化合物并转化成其它有机物。因而单位土地面积上的叶面积量「称为叶面积系（指）数〕是决定太阳光能利用率的重要因素。叶面积系数小于1，太阳光能吸收利用不充分；那么是否叶面积系数等于1时最好呢？农田里除了西瓜、南瓜等少数作物之外，小麦、水稻、玉米、棉花等，叶子都有很多层，叶面积系数常常达到3或5，这有没有好处呢？如果多长叶片没有好处，不是徒然浪费制造叶子（还有叶柄和支持它们的茎秆）所用的有机物吗？因为作为光合作用的原料之一的CO2。在空气里…     

栽培模式对冬小麦光能利用和产量的影响

以‘泰农18’小麦为材料,于2012—2013年进行大田试验,设置当地农民习惯栽培模式(FP)、超高产栽培模式(SH)和高产高效栽培模式(HH)3个处理,研究了不同栽培模式对小麦光能截获量、光能利用效率、干物质积累量、收获指数、籽粒产量和肥料偏生产力的影响.结果表明: SH模式小麦全生育期的光能截获量、光能利用效率、干物质积累量和籽粒产量显著高于FP模式.相对于FP模式,虽然HH模式的小麦全生育期光能截获量较低,但其光能利用效率、干物质积累量及收获指数均显著提高,从而使其籽粒产量显著提高.相对于SH模式,虽然HH模式的籽粒产量在高、低肥力水平下分别降低3.8%和2.8%,而氮、磷、钾肥的偏生产力在两肥力水平下分别提高26.4%、68.5%、92.6%.在本试验条件下,综合考虑籽粒产量和养分利用效率,以“降肥、增密、延播”为技术特点的高产高效栽培模式为推荐的优化栽培模式.     

土壤深层供水对冬小麦干物质生产的影响

采用根系研究装置研究了土壤深层供水对冬小麦干物质生产的影响 .结果表明 ,上层低湿度下层高湿度的处理在小麦灌浆期仍然保持了较高的土壤和叶片含水量 ,具有发达的根系 ,特别是 1m以下的根量在 4个处理中为最高 ,旗叶和穗的干重也最大 ,具有最大的产量潜力 .本研究表明 ,上层土壤较干下层土壤湿润有利于发挥小麦根信号的积极作用 ,平衡水分利用 ,同时通过对土壤水分的合理调节可以促进深层根的发育 ,有利于提高产量和水分利用效率 .     

水稻黄绿叶基因的克隆及应用

进一步提高水稻产量，最大限度满足国家对食物安全的需求是水稻遗传育种的重大任务。水稻干物质产量的90％-95％来自光合作用。目前高产水稻光能利用率也仅1．5％-2．0％。理论上，植物光能利用率可达13．0％-14．0％，水稻理想的光能利用率应达3．0％-5．0％。因此，培育高光效的超高产品种是提高产量的主要途径之一。长期以来，水稻光合作用的相关研究大多停留在生理水平上，同时，传统的杂交育种手段在改良水稻光能利用方面至今尚未取得令人满意的结果，而叶色突变体是开展光合作用研究的理想材料。     

氮肥和密度对双季杂交稻干物质积累和产量的影响

以早稻“陆两优996”,晚稻“Y两优86”为试验品种,设4个氮肥水平、3个栽插密度,研究了双季超级杂交稻在不同氮肥水平和栽插密度条件下的干物质积累、冠层光能截获率和产量及其构成因素的特性.结果表明:早晚稻产量与氮肥水平呈现单峰曲线关系,以中氮处理产量最高,分别为10245.04和11015.37 kg· hm-2,有效穗随施氮量的增加而增加,但每穗实粒数以中氮处理(早N135、晚N180)最高,分别达143.92和142.80粒·穗-1;3个栽插密度之间早晚稻产量差异不显著,且对早稻产量构成因子无显著影响,但对晚稻有效穗、结实率的影响有极显著差异,高密度处理有效穗高、结实率低,低密度处理有效穗低、结实率高;氮肥与密度互作对早晚稻产量均无显著影响,但从高产高效节氮栽培综合考虑,双季早稻“陆两优996”和晚稻“Y两优86”的适宜施氮量分别为135和180 kg· hm-2,栽插密度为45×104和30×l04穴·hm-2.     

行距和播种量对冬小麦冠层光合有效辐射垂直分布、生物量和籽粒产量的影响

为明确行距和播种量对冬小麦冠层光合有效辐射(PAR)垂直分布、生物量和籽粒产量的影响,在不增加水肥等投入的基础上,设置等行距(R1,20 cm+20 cm)、宽窄行(R2,12 cm+12 cm+12 cm+24 cm)两种行距方式和低(D1,120 kg· hm-2)、中(D2,157.5 kg·hm-2)、高(D3...     

高产大豆品种的高光效特性

利用荧光射光谱技术及荧光诱导动力学技术,研究了不同基因型大豆,高产大豆黑农４０和黑农４１及你燕大豆黑农３７的光能吸收,传递和转化等特性。结果表明,高产大豆的叶绿素（Ｃｈｌ）和类胡萝卜素（Ｃａｒ）的含量增高于黑农３７,但不同的品种种差异幅度有所不同。吸收光谱表明高产大豆叶经体对光能有更强的吸收能力;Ｍｇ＾２＋对高产大豆叶绿体ＰＳＩ和ＰＳⅡ之间激发能分配的有力均高于低产品种;高产大豆叶片ＰＳⅡ原初光能     

不同产量水平旱地冬小麦品种干物质累积和转移的差异分析

旱地小麦高产栽培中品种起着重要作用,研究不同产量水平旱地冬小麦品种干物质累积和转移的差异,对黄土高原旱区作物高产稳产有重要意义。以9个旱地冬小麦品种为材料,通过田间试验研究了不同产量水平旱地冬小麦品种的生物量、花前花后干物质累积量、干物质转移量、转移率及转移干物质对籽粒的贡献率、叶面积、SPAD值以及光合速率的差异。结果表明,不同小麦品种的生物量、花前花后干物质累积量、干物质转移量、转移率及转移干物质对籽粒的贡献率均存在明显差异。与不施肥相比,高、中、低3个产量水平小麦品种在低养分投入时,成熟期生物量分别提高29%,22%和6%,高水平时分别提高46%,39%和23%,高产品种的生物量及其对养分投入的敏感程度明显高于低产品种。不同品种的花后干物质累积量随养分投入水平提高而增加,但花前营养器官中储存物质的转移量、转移率和对籽粒的贡献率却明显随之下降。功能叶(旗叶)在灌浆期高、中、低3个产量水平品种的SPAD值在低养分投入条件下分别为20.7、17.5和13.7;高养分投入时,分别为35、26.1和16.8。高产品种西农88的光合速率为6.0μmolCO.2m-.2s-1),中产和低产品种的平均光合速率分别为4.3μmolCO.2m-.2s-1和4.0μmolCO.2m-.2s-1,高产品种功能叶(旗叶)在灌浆期能保持较高的SPAD值和光合速率,因而花后能生产较多的干物质,但其花前干物质转移量、转移率及转移干物质对籽粒的贡献率均没有明显优势。可见,花后较高的叶绿素水平、光合速率和干物质累积是旱地小麦品种高产的重要原因。选择优良品种,采取合理的栽培措施,特别是通过养分调控保持花后具较高的干物质累积量是西北旱地进一步提高冬小麦产量的重要途径。     

灌水对冬小麦群体、花后干物质和籽粒淀粉积累的影响

为优化北方晚熟冬麦区冬小麦节水灌溉方式,于2018—2020年连续2年进行田间试验,第一年设置全生育期不灌水(CK)、越冬期1水(W)、拔节期1水(J)、孕穗期1水(B)、越冬期+拔节期2水(WJ)、越冬期+孕穗期2水(WB)、拔节期+孕穗期2水(JB)以及生产上采用的越冬期+拔节期+孕穗期3水(WJB)共8个处理;在第一年试验结果基础上,第二年设置CK、W、B和WB共4个处理,调查了不同灌水处理对冬小麦群体、花后干物质和籽粒淀粉积累的影响。结果表明：灌越冬水W更有利于提高冬小麦群体总茎数;与CK相比,灌水处理(B除外)显著提高花前及花后干物质积累量;早期灌水(如W)有利提高花前贮藏同化物向籽粒转运量,而后期灌水(如B)有利提高花后积累同化物向籽粒分配量;花前贮藏同化物与花后积累同化物对籽粒贡献率因夏闲期降水而异;随灌水次数及灌水总量增加,花后同化物对籽粒贡献率增大。成熟期不同器官干物质含量和比例表现为籽粒(约50%)>茎鞘+叶片(约33%)>颖壳+穗轴(约17%);灌水提高了籽粒淀粉及其组分含量,而降低了直链淀粉与支链淀粉比值。灌越冬水W或孕穗水B处理的籽粒总淀粉及其组分...     

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。     

高产条件下不同小麦品种耗水特性和水分利用效率的差异

设置不灌水(W0)、底墒水+拔节水(W1)、底墒水+拔节水+开花水(W2)3个灌水处理,采用6个冬小麦(Triticum aestivum.L.)品种,研究了不同品种耗水特性和水分利用效率的差异.结果表明:(1)依据籽粒产量和水分利用效率2个因子,采用聚类分析的方法,将供试品种分为高水分利用效率组(Ⅰ组)、中水分利用效率组(Ⅱ组)和低水分利用效率组(Ⅲ组).同一灌水条件下的籽粒产量,Ⅰ组显著高于Ⅱ组和Ⅲ组;Ⅱ组和Ⅲ组在W0条件下无显著差异,在W1和W2条件下Ⅱ组显著高于Ⅲ组.(2)从Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅲ组中分别取1个品种,泰山23、潍麦8号、山农12进一步分析表明,在W0 和W1条件下,泰山23和潍麦8号的阶段耗水量和耗水模系数为开花至成熟>播种至拔节>拔节至开花,山农12为播种至拔节>开花至成熟>拔节至开花.W2条件下,3个品种的阶段耗水量和耗水模系数为开花至成熟>播种至拔节>拔节至开花;播种至拔节和拔节至开花的耗水模系数为泰山23>山农12>潍麦8号,此阶段的耗水量和耗水强度为泰山23品种最高;开花至成熟的耗水模系数为潍麦8号>山农12 >泰山23,此阶段的耗水量和耗水强度为泰山23品种最低.(3) 在W0 和W1条件下,总耗水量和灌水量、降水量及土壤耗水量占总耗水量的百分率为泰山23品种居中;W2条件下,灌水量和降水量占总耗水量的百分率为泰山23>潍麦8号>山农12,土壤耗水量及其占总耗水量的百分率反之,但泰山23的总耗水量最低.(4) 同一灌水条件下,泰山23品种100～200cm土层的土壤耗水量高于潍麦8号,表明该品种能充分利用深层土壤水;山农12品种在W0和W2条件下,100～200 cm土层的土壤耗水量高于泰山23和潍麦8号,但其籽粒产量和水分利用效率显著低于上述两品种.     

水稻冠层光截获、光能利用与产量的关系

以两优培九和武香粳14号水稻品种为材料,在不同栽插密度和施氮水平下进行2年田间试验,研究水稻冠层光合有效辐射(PAR)截获率、光能利用率与水稻产量的关系.结果表明:分蘖期至成熟期,各处理水稻冠层平均PAR反射率为3.45％,其中,分蘖期至抽穗期的冠层反射PAR占冠层总PAR损失的10.90％,显著小于抽穗期至成熟期的22.06％.分蘖期至成熟期的冠层PAR转化率随栽插密度的增加而减少,随施氮量的增加而增大;分蘖期至抽穗期的冠层PAR转化率高于抽穗期至成熟期.在分蘖期至成熟期,冠层PAR利用率随栽插密度和施氮量的增加而增大,各处理中两优培九的平均PAR利用率(1.83 g· MJ-1)显著高于武香粳14(1.42 g·MJ-1);武香粳14因生育期较长,分蘖期至成熟期的入射PAR及中、高栽插密度处理的PAR截获量均高于两优培九.水稻不同生长阶段冠层PAR截获率和利用率与产量呈显著正相关,PAR转化率与产量也呈正相关,但相关性不显著.因此,在保持较高PAR截获率的基础上提高冠层PAR转化率,进而提高冠层PAR利用率,有利于水稻高产.     

氮高效利用基因型大麦的物质生产与氮素积累特性

通过土培盆栽试验,研究了22份大麦材料在低氮(125 mg·kg^-1)和正常氮(250 mg·kg^-1)处理下氮素吸收利用效率的基因型差异,探讨氮高效大麦干物质生产与氮素积累特性.结果表明： 大麦氮素吸收利用效率基因型差异显著.低氮处理下籽粒产量、氮素籽粒生产效率及氮素收获指数的最高值分别是最低值的2.87、2.92、2.47倍;氮高效基因型大麦籽粒产量、氮素籽粒生产效率和氮素收获指数均显著大于低效基因型,低氮处理下高效基因型3个参数较低效基因型分别高82.1%、61.5%和50.5%.氮高效基因型大麦各生育期干物质和氮素积累优势明显,干物质积累高峰出现在拔节-抽穗阶段,氮素积累高峰出现在拔节前;低氮处理下高效基因型典型材料DH61、DH121+的干物质量较低效基因型典型材料DH80分别高34.4%、38.3%,氮素积累量较DH80分别高54.8%、58.0%.供试大麦干物质和氮素的阶段性积累量对籽粒产量的影响为拔节前最大,且低氮处理下贡献率最高,分别为47.9%和54.7%;而干物质和氮素的阶段性积累量对氮素籽粒生产效率的影响在抽穗 成熟阶段最大,其次是播种-拔节阶段,低氮处理下这两个阶段的贡献率分别为29.5%、48.7%和29.0%、15.8%.氮高效基因型大麦在各生育期的物质生产和氮素积累能力强,低氮处理下优势较为明显,能够提高拔节前干物质生产和氮素积累能力,并协同提高大麦产量和氮素利用效率.     

Modern maize hybrids in Northeast China exhibit increased yield potential and resource use efficiency despite adverse climate change

The impact of global changes on food security is of serious concern. Breeding novel crop cultivars adaptable to climate change is one potential solution, but this approach requires an understanding of complex adaptive traits for climate‐change conditions. In this study, plant growth, nitrogen (N) uptake, and yield in relation to climatic resource use efficiency of nine representative maize cultivars released between 1973 and 2000 in China were investigated in a 2‐year field experiment under three N applications. The Hybrid‐Maize model was used to simulate maize yield potential in the period from 1973 to 2011. During the past four decades, the total thermal time (growing degree days) increased whereas the total precipitation and sunshine hours decreased. This climate change led to a reduction of maize potential yield by an average of 12.9% across different hybrids. However, the potential yield of individual hybrids increased by 118.5 kg ha^?1 yr^?1 with increasing year of release. From 1973 to 2000, the use efficiency of sunshine hours, thermal time, and precipitation resources increased by 37%, 40%, and 41%, respectively. The late developed hybrids showed less reduction in yield potential in current climate conditions than old cultivars, indicating some adaptation to new conditions. Since the mid‐1990s, however, the yield impact of climate change exhibited little change, and even a slight worsening for new cultivars. Modern breeding increased ear fertility and grain‐filling rate, and delayed leaf senescence without modification in net photosynthetic rate. The trade‐off associated with delayed leaf senescence was decreased grain N concentration rather than increased plant N uptake, therefore N agronomic efficiency increased simultaneously. It is concluded that modern maize hybrids tolerate the climatic changes mainly by constitutively optimizing plant productivity. Maize breeding programs in the future should pay more attention to cope with the limiting climate factors specifically.     

土壤深松和补灌对小麦干物质生产及水分利用率的影响

研究一次深松耕作后土壤水分对冬小麦籽粒产量和水分利用率的影响,为小麦节水高产栽培提供理论依据.于2008-2009和2009-2010两个小麦生长季,选用高产小麦品种济麦22,采取测墒补灌的方法,研究了深松+旋耕和旋耕2种耕作方式下土壤水分对小麦0-200 cm土层土壤含水量、干物质积累与分配、籽粒产量及水分利用率的影响.结果表明,(1)深松+旋耕40-180 cm土层土壤含水量低于旋耕处理;旗叶光合速率和水分利用率,开花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率显著高于旋耕处理.(2)W3(补灌至0-140 cm土层土壤相对含水量播种期为85％,越冬期80％,拔节和开花期75％)成熟期0-200cm土层土壤含水量与W1(播种期80％,越冬期80％,拔节和开花期75％)和W2处理(播种期80％,越冬期85％,拔节和开花期75％)无显著差异;W3和W'3(播种期85％,越冬期85％,拔节和开花期75％)60-140 cm土层土壤含水量分别低于W4(播种期85％,越冬期85％,拔节和开花期75％)和W'4(播种期90％,越冬期85％,拔节和开花期75％)处理;W3和W'3灌浆中后期旗叶光合速率较高,开花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率显著高于其他处理,获得高的籽粒产量和水分利用率.综合考虑籽粒产量、水分利用率和灌溉效益,在深松+旋耕条件下,两年度分别以W3和W'3为节水高产的最佳处理.     

水稻冠层光截获、光能利用与产量的关系

以两优培九和武香粳14号水稻品种为材料,在不同栽插密度和施氮水平下进行2年田间试验,研究水稻冠层光合有效辐射(PAR)截获率、光能利用率与水稻产量的关系.结果表明： 分蘖期至成熟期,各处理水稻冠层平均PAR反射率为3.45%,其中,分蘖期至抽穗期的冠层反射PAR占冠层总PAR损失的10.90%,显著小于抽穗期至成熟期的22.06%.分蘖期至成熟期的冠层PAR转化率随栽插密度的增加而减少,随施氮量的增加而增大;分蘖期至抽穗期的冠层PAR转化率高于抽穗期至成熟期.在分蘖期至成熟期,冠层PAR利用率随栽插密度和施氮量的增加而增大,各处理中两优培九的平均PAR利用率(1.83 g·MJ^-1)显著高于武香粳14(1.42 g·MJ^-1);武香粳14因生育期较长,分蘖期至成熟期的入射PAR及中、高栽插密度处理的PAR截获量均高于两优培九.水稻不同生长阶段冠层PAR截获率和利用率与产量呈显著正相关,PAR转化率与产量也呈正相关,但相关性不显著.因此,在保持较高PAR截获率的基础上提高冠层PAR转化率,进而提高冠层PAR利用率,有利于水稻高产.     

灌水模式对冬小麦光合特性、水分利用效率和产量的影响

试验于2013—2014和2014—2015年连续2个生长季在自动控制干旱棚内的隔离池中进行,拔节期设3个灌水梯度,灌水量分别为0(J_0)、37.5(J_1)、75 mm(J_2),扬花期设3个灌水梯度,灌水量分别为0(F_0)、37.5(F_1)、75 mm(F_2),灌浆期所有处理均按75 mm灌溉,共9个处理,研究不同灌溉模式对小麦中后期不同生育阶段植株生长、耗水量、水分利用效率、光合特性和产量构成因素的影响.结果表明:拔节期干旱(0和37.5 mm)显著降低了小麦扬花期的净光合速率和拔节后的叶面积,扬花期的灌水量直接影响扬花期后的旗叶净光合速率;拔节期干旱扬花期补水和扬花期干旱灌浆期补水都可以有效提高植株的干物质量;拔节期灌水量越多,全生育期耗水量越大;除J_1F_2外,全生育期灌水量越大,耗水量越大,产量也越高;J_1F_2处理产量和水分利用效率最高.扬花期充足的灌水量使J_1F_2处理具有较高的花后旗叶净光合速率,此期补偿性灌溉加快了干物质积累,也保证了较高的穗粒数,使其最终产量高于J_2F_2处理或与之持平,同时J_1F_2拔节期较低的灌水量降低了小麦生育中后期的耗水量,其水分利用效率也显著高于其他处理.综上,J_1F_2是小麦生育中期理想的水分处理组合.     

小麦磷素利用效率的品种差异

通过土培盆栽试验,研究了小麦不同品种在低磷水平下生物量、磷浓度、磷素干物质生产效率及磷素籽粒生产效率的差异,以筛选磷高效利用小麦品种.结果表明：分蘖期、拔节期、扬花期和成熟期,供试小麦品种单株生物量的变幅分别为0.46～1.09、0.85～2.10、3.00～7.00和3.85～12.88 g,磷浓度变幅分别为2.21～4.26、2.38～4.42、2.44～4.96和1.30～5.09 mg·g^-1.随生育时期的推进,小麦磷素累积量、磷素干物质生产效率对生物量形成的影响程度呈减小趋势.分蘖期（CV=16.3%）、拔节期（CV=15.0%）、扬花期磷素干物质生产效率（CV=13.3%）和成熟期磷素籽粒生产效率（CV=20.5%）的品种差异较大.CD1158-7和省A3宜03-4具有较高的磷素干物质生产效率和磷素籽粒生产效率,而渝02321较低;不同生育时期高效品种磷浓度极显著低于低效品种,而高效品种CD1158-7和省A3宜03-4的籽粒产量分别是低效品种渝02321的1.98和1.78倍.