太阳辐射减弱条件下冬小麦主产区O3胁迫效应的评估研究

摘要

近年来,大气气溶胶引起的太阳辐射减弱效应和大量化石燃料燃烧所造成的地表臭氧(O3)浓度增加引起了各国政府的广泛关注。到达地表太阳辐射降低,导致植物光合有效辐减少,因而造成农作物生长受阻;此外,不断上升的O3浓度对农作物的产量也产生了严重威胁,直接影响我国的粮食安全。因此,本文基于搭建两种不同强度的遮荫网,并结合大田开顶式气室(OTC)试验,设置了三个处理组:分别为100±9nL·L-1O3熏气结合60％±5％太阳辐射减弱处理组(T1).100±9nL·L-1O3熏气结合20％±5％太阳辐射减弱处理组(T2)和100±9nL·L-103熏气结合0％太阳辐射减弱处理组(CK)。在大田试验基础上,利用修订后的JAVIS模型、O3通量模型并结合中尺度WRFV3.2模式和空气质量模式Model-3/CMAQ,建立了太阳辐射减弱条件下冬小麦主产区O3胁迫效应的评估方法,为预测未来气候变化条件下我国冬小麦面临的O3污染风险提供理论参考。
　　主要结果如下:(1)60％、20％太阳辐射减弱后对大田环境因子均产生了影响,其中,8-16点的平均水汽压差、温度和湿度较CK相比分别下降了5.6℃、4.1℃、0.84kPa、0.74kPa和8.5％、7.2％。并由此设置了分别以日平均和8小时(8-16)平均两个情景模式。
　　(2)太阳辐射减弱条件下O3胁迫对冬小麦在灌浆期气孔导度的日变化呈“单峰”型;O3胁迫对冬小麦在灌浆期气孔导度的日变化呈“双峰”型,表明其有“午睡现象”,且太阳辐射减弱和O3胁迫对气孔导度的影响表现为协同作用。60％太阳辐射减弱条件下冬小麦的气孔导度在4个生育期均显著低于CK处理组(p＜0.05),降幅为24％~64％;在4个生育期也均低于20％太阳辐射减弱,降幅为16％~26％,但差异均不显著。20％太阳辐射减弱条件下冬小麦的气孔导度在拔节和抽穗生育期均显著低于CK处理组(p＜0.05),降幅为21％~53％;在扬花和灌浆期均低于CK处理组,降幅为8％~12％,但差异并不显著。
　　(3)通过边界线技术,修订了太阳辐射减弱条件下03胁迫对冬小麦气孔导度模型中的环境胁迫函数中的参数,其中,VPD临界值小于其他实验结果;最低T和最适宜T的临界值均大于其他实验结果;PAR和PHEN参数值与其他实验结果基本相似。
　　(4)利用3个处理组4个生育期的日气孔导度实测值与模拟值进行比较,模型实测值和模拟值的线性方程为:Y=0.94X+0.0094, R2=0.88,表明该模型模拟效果良好。
　　(5)60％、20％、CK太阳辐射减弱处理组在整个03熏蒸时期的冬小麦03累积吸收通量分别为14.92、15.52、16.23mmol O3·m-2;并以此建立了60％、20％太阳辐射减弱条件下,03累积吸收通量与冬小麦干物质累积损失的关系分别为y=1.0-0.038x和y=1.0-0.022x,说明太阳辐射减弱在相同03胁迫(100±9nL.L-1)条件下,当03累积吸收通量增加10mmol O3/m2,与对照相比,60％、20％太阳辐射减弱条件下干物质累积损失分别为38.0％和22.0％。
　　(6)60％太阳辐射减弱较CK冬小麦主产区干物质比,损失了近一半的干物质;20％太阳辐射减弱较0％太阳辐射减弱冬小麦主产区干物质比,损失了20％的干物质。60％太阳辐射减弱和03胁迫条件下冬小麦主产区的产量为3014.884万吨,损失产量为3476.21万吨;60％太阳辐射减弱和03胁迫条件下冬小麦主产区的产量为4362.81万吨,损失产量为2128.28万吨。60％太阳辐射减弱条件下和03胁迫条件下冬小麦主产区的产量是CK条件下的47％,损失高达53％;20％太阳辐射减弱和03胁迫条件下冬小麦主产区的产量是自然条件下的68％,损失达32％。

目录

中文摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 太阳辐射减弱和O_3胁迫对冬小麦影响气孔导度的影响研究

1.2.2 O_3胁迫对农作物影响的模型评估研究

1.2.3 O_3观测模拟的方法研究

1.2.5 存在的问题

1.3 研究内容和研究目标

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究目标

第二章 材料与方法

2.1 试验地点与材料

2.1.1 试验地介绍

2.1.2 试验材料

2.1.3 试验设计

2.1.4 试验设置

2.2 测定方法

2.2.1 遮荫强度的控制和O_3浓度的监测

2.2.2 气孔导度和环境因子的测定

2.2.3 干物质的测量方法

2.3 模型、模式的介绍

2.3.1 气孔导度模型

2.3.2 O_3吸收通量模型

2.3.3 WRF3.2模式介绍

2.3.4 CMAQ模式介绍

2.4 模式参数设置和输入数据

2.4.1 WRF模式参数设置和输入数据

2.4.2 CMAQ模式参数设置和输入数据

第三章 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度的影响及其模型的修订

3.1 结果与分析

3.1.1 太阳辐射减弱对大田环境因子的影响

3.1.2 太阳辐射减弱条件下环境因子的定量设置

3.2 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度的影响

3.2.1 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度日变化过程的影响

3.2.2 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度日均值差异分析

3.2.3 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度模型的修订

3.3 讨论

3.3.1 太阳辐射减弱条件下对大田环境的影响

3.3.2 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度日变化的影响

3.3.3 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度生育期变化的影响

3.3.4 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度模型的影响

第四章 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度和干物质损失的模拟

4.1 结果与分析

4.1.1 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度环境因子的变化特征

4.1.2 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度模型的验证

4.1.3 太阳辐射减弱条件下O_3吸收通量的变化

4.1.4 太阳辐射减弱条件下O_3吸收通量和干物质累积损失的关系

4.1.5 太阳辐射减弱条件下03吸收通量和干物质累积损失的关系

4.2 讨论

4.2.1 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对VPD的影响

4.2.2 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对T的影响

4.2.3 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对PAR的影响

4.2.4 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对PHEN的影响

4.2.5 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对臭氧吸收通量和干物质累积损失影响

第五章 太阳辐射减弱条件下对冬小麦主产区O_3胁迫效应的评估

5.1 冬小麦主产区区域介绍

5.2 太阳辐射减弱条件下冬小麦主产区O_3浓度的时空分布

5.3 太阳辐射减弱条件下冬小麦主产区O_3浓度的日变化过程

5.4 冬小麦主产区平均VPD、T、PAR、PHEN环境因子的区域变化

5.4.1 平均VPD的区域变化

5.4.2 平均T的区域变化

5.4.3 平均PAR的区域变化

5.4.4 PHEN的区域变化

5.5 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦主产区O_3累积吸收通量的区域变化影响

(1) 3月份

(2) 4月份

(3) 5月份

5.6 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦主产区干物质损失的影响和产量的评估

5.6.1 相对干物质累积比的影响

5.6.2 产量的评估

第六章 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.1.1 太阳辐射减弱对环境因子的影响

6.1.2 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度的影响

6.1.3 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度模型的修订

6.1.4 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度和干物质损失的模拟

6.1.5 太阳辐射减弱条件下O_3胁迫对冬小麦主产区O_3胁迫效应的评估

6.2 本文研究的创新点

6.3 本文研究的不足与展望

参考文献

作者简介

致谢