气候因子对冬小麦臭氧胁迫效应调节作用的试验与模型研究

摘要

不断增加的近地层臭氧浓度对陆地生态系统的影响已成为国内外广泛关注的热点研究领域之一,深入研究不同区域、气候条件下农作物对臭氧胁迫响应特征的差异性,对于全面认识近地层臭氧的负面效应,改进并完善作物产量损失评估技术等具有重要的科学意义和应用价值。
　　本文基于在江苏南京(南)和河北固城(北)开展的大田开顶式气室试验积累的资料,深入分析南、北不同气候条件下冬小麦生长和生理指标在不同臭氧浓度处理下响应特征的差异性,并利用气孔导度和通量响应模型进行模拟研究,从气孔臭氧吸收有效剂量等通量响应指标层面揭示其南北差异的生理机制,较深入的探讨区域气候条件对臭氧胁迫效应的调节作用。主要结论如下:
　　(1)南北两地高浓度臭氧胁迫下(100nL·L-1、150nL·L-1)均造成冬小麦生育期前期延迟,后期衰老加快,灌浆期缩短,这是导致作物产量降低的主要原因之一。南京地区延迟作用从抽穗期开始,扬花期即表现出轻微的提前衰老;河北固城地区延迟作用持续到扬花期之后,冬小麦快速衰老,成熟期提前。
　　(2)100nL·L-1和150nL·L-1高浓度臭氧处理下南北两地均造成冬小麦株高下降,叶面积减少。在整个生育期内,南京地区100nL·L-1、150nL·L-1处理下冬小麦株高及叶面积较CK的下降幅度均比固城地区下降幅度要小,且在冬小麦的生长过程中,固城地区T2处理对叶面积一直都表现出较强的抑制作用。
　　(3)在整个生育期内,高浓度臭氧胁迫均造成南北两地冬小麦的茎干重、叶干重以及穗干重较CK不同程度的降低,降幅均在灌浆期2达到最大,而南北两地100nL·L-1处理下根干重在扬花期有不同程度的增加,之后随生育期推移根干重较CK逐渐下降,且降幅越来越大,成熟期达到最大。
　　(4)在拔节期至孕穗期,南北两地100nL·L-1处理下的叶绿素含量和类胡萝卜素含量均较CK不同程度的增加,且南京地区其含量增幅比固城地区大,150nL·L-1处理下叶绿素含量较CK下降;扬花期至乳熟期,各处理组叶绿素含量和类胡萝卜素含量较CK下降,降幅在灌浆期达到最大,但北方固城地区受到臭氧胁迫的影响更大。
　　(5)南北两地高浓度臭氧胁迫下(100nL·L-1、150nL·L-1)冬小麦气体交换参数较CK的降低百分率随生育期的变化趋势为先上升后下降。净光合速率和气孔导度在整个生育期内均表现为抑制作用,胞间CO2浓度和气孔限制值相对于CK的降低百分率的变化趋势则没有明显的规律性。北方固城地区100nL·L-1、150nL·L-1处理下净光合速率和气孔导度较CK的下降程度均相对应地比南方南京地区要高出许多,有些生育期会出现一些特殊情况,固城100nL·L-1处理下的胁迫作用比南京150nL·L-1处理产生的胁迫作用还大。
　　(6)扬花期之前,温度是气孔导度主要的限制因子,且北方固城地区温度的限制作用比南京地区要大;扬花期之后,水汽压差逐渐成为限制气孔导度的主要因素。南北两地辐射胁迫对气孔导度的影响也存在差异。由于气孔是气体进入作物体内的主要通道,对气孔导度的影响直接关系到对臭氧吸收的有效剂量,因此南北方气候条件的差异对臭氧吸收通量产生影响。
　　(7)整个臭氧熏期内南京和河北固城地区CK、100nL·L-1和150nL·L-1处理下的累积臭氧吸收通量分别为8.49、14.47以及15.49mmolO3·m-2和10.63、14.8以及15.75mmol O3·m-2。南京地区干物质累积相对值(即处理组与对照组相比干物质的损失)(y)与臭氧累积吸收通量(x)的关系为y=1.997-0.0871*x(R2=0.5772),河北固城地区干物质累积相对值(y)与臭氧累积吸收通量(x)的关系为y=2.2836-0.113*x(R2=0.6522),表明,综合考虑气候因子作用得到的固城地区的臭氧累积吸收通量导致的干物质累积损失大于南京地区,揭示了南北地区冬小麦生长和生理特征差异的气候调节机制,其主要调节因子为水汽压差和温度。

目录

中文摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 臭氧对作物影响研究进展

1.2.2 评价模型研究进展

1.3 不足之处

1.4 研究目标与主要内容

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究内容

第二章 材料与方法

2.1 实验材料

2.2 试验设计

2.3 测定项目及方法

2.3.1 冬小麦生长指标的测定

2.3.2 冬小麦叶绿素和气体交换参数的测定

2.3.3 冬小麦产量的测定

2.4 数据处理

第三章 开顶室气室内外气候因子的差异性分析

3.1 开顶式气室(OTC)内外环境变量的差异性

3.2 水汽压差及其胁迫系数变化

3.3 讨论

3.3.1 开顶式气室(OTC)对环境变量的影响

3.3.2 开顶式气室(OTC)对水汽压差(VPD)的影响

3.4 小结

第四章 南北地区臭氧胁迫冬小麦生长生理参数的差异性

4.1 南北地区臭氧胁迫下冬小麦生长指标的差异性

4.1.1 生育期

4.1.2 株高

4.1.3 叶面积

4.1.4 生物量

4.2 南北地区臭氧胁迫下冬小麦生理指标的差异性

4.2.1 叶绿素

4.2.2 气体交换参数

4.3 南北地区臭氧胁迫下冬小麦产量的差异性

4.4 讨论

4.4.1 南北地区臭氧胁迫对冬小麦生物量和产量的影响

4.4.2 南北地区臭氧胁迫对冬小麦叶绿素和气体交换参数的影响

4.5 小结

第五章 基于通量响应模型的臭氧胁迫效应气候调节机制

5.1 模型描述

5.1.1 气孔导度模型

5.1.2 吸收通量模型

5.2 结果与分析

5.2.1 环境胁迫系数的变化

5.2.2 气孔导度模型的检验

5.2.3 臭氧吸收通量

5.2.4 通量模型敏感性分析

5.3 讨论

5.4 小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.1.1 OTC内外气候因子的差异性

6.1.2 南北两地同等臭氧胁迫水平下冬小麦的生长与生理指标的差异

6.1.3 基于气孔导度和臭氧吸收通量模型的南北冬小麦生长和生理指标差异的原因分析

6.2 特色与创新之处

6.3 不足之处及今后的研究展望

参考文献

作者简介

致谢