UV-B辐射和O3浓度增加对冬小麦生长和产量的胁迫效应及模拟

摘要

近年来,南京地区及长江三角洲地区的NOx等臭氧前体物浓度迅速上升,导致地表O3浓度不断增加,其对农作物等地表植物的影响已受到普遍关注,同时,广泛研究表明地表UV-B辐射对于地表生物有严重的胁迫效应。开展UV-B辐射和O3浓度复合胁迫对作物生长和产量的影响研究,对于进一步探明逆境条件下农作物的响应机制具有重要的科学意义。本论文以冬小麦为受试作物,基于开顶式气室(OTCs),设置了UV-B增强10％(EU1)、UV-B增强20％(EU2)、100nL·L-1 O3(EO1)、150 nL·L-1O3(EO2)、UV—B增强10％与100nL·L-1O3复合(EU1+EO1)、UV-B增强20％与100 nL·L-1 O3复合(EU2+EO1)、UV-B增强10％与150 nL·L-1O3复合(EU1+EO2)、UV-B增强20％与100 nL·L-1O3复合(EU2+EO1)8个处理组,开展了UV-B辐射增强和O3浓度增加对冬小麦生长和产量的影响及其模拟研究。主要结果如下:
　　 (1)孕穗期-杨花期UV-B和O3复合作用对冬小麦叶面积指数的影响表现为协同作用,但灌浆期和成熟期叶面积指数高于单因子处理组。杨花期-成熟期O3熏气在一定程度上缓解了UV-B对冬小麦单株叶片数和单叶叶面积的不利影响。复合作用对株高和节点数没有明显的效应。灌浆期-成熟期倒一节长介于EO1和EU2组之间。杨花期-成熟期倒二节长度为EU2>EO1>CK>EU2+EO1。UV-B辐射增强在一定程度上能够缓解O3对冬小麦茎粗的负作用。EU2、EO1、EU2+EO1形态响应指数分别为49.4％、32.87％、33.25％。上述表明,复合作用对冬小麦形态特征的影响并不是单独作用的简单叠加。
　　 (2)UV-B和O3复合胁迫下叶绿素含量显著下降；丙二醛和类黄酮含量显著增加,干物质量显著下降,且杨花期之后变化幅度均大于EU2和EO1组。灌浆期-成熟期,复合胁迫组叶分配指数最高,穗壳分配指数显著下降,且下降幅度大于EU2和EO1组。灌浆后期籽粒分配指数介于EO1和EU2组之间。EU2组旗叶转运率显著下降35.01％(P<0.01),EO1组茎鞘转运率增加了7.63％(P<0.05),复合胁迫下旗叶可溶性糖含量和茎的转运率显著下降(55.61％),导致成熟期穗粒数和千粒重显著下降,且下降幅度大于单因子处理组。EU2、EO1、EU2+EO1冬小麦产量分别下降了31.54％(P<0.05)、23.64％(P<0.05)、40.72％(P<0.01)。以上结果表明,灌浆期-成熟期是UV-B和O3复合胁迫对冬小麦生长产量影响的敏感时期,冬小麦不同的生长生理指标对UV-B和O3复合胁迫表现出不同的相互作用。
　　 (3)基于大田试验,在Vensim PLE系统动力学软件下,通过引入UV-B和O3对冬小麦最大光合速率和叶面积指数的影响的胁迫系数(fc1,fc2),建立了模拟冬小麦干物质累积和产量形成的系统动力学模型。模拟结果表明,总干重、地上总干重和产量模拟值与实测值相关性达到了显著性水平(P<0.01),总干重、地上总干重和籽粒重量的模拟值与实测值的相对误差分别为9.05％、10.01％、16.19％。表明,在灌浆后期UV-B和O3复合胁迫对干物质生产和生物产量以及籽粒产量存在协同作用。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 UV-B和O3对作物生长生理及产量影响的实验研究

1.2.2 UV-B和O3对作物影响的模型研究进展

1.2.3 UV-B和O3复合作用对作物影响的研究

1.3 本文研究内容与目标

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

第二章 实验材料与方法

2.1 实验条件及管理

2.2 改进的OTC气室设计

2.3 UV-B强度和O3浓度的设定

2.4 测定项目及方法

2.4.1 生长指标的测定

2.4.2 生理指标的测定

2.4.3 产量及产量构成

2.5 冬小麦不同生育期大田环境变量的变化

2.6 数据处理

第三章 冬小麦对UV-B和O3复合胁迫响应的形态特性差异

3.1 UV-B和O3复合胁迫对冬小麦叶面积指数的影响

3.1.1 单株叶片数

3.1.2 单叶面积

3.1.3 叶面积指数

3.2 UV-B和O3复合胁迫对冬小麦株高的影响

3.2.1 节点数

3.2.2 节长

3.2.3 株高

3.3 UV-B和O3复合胁迫对冬小麦茎粗的影响

3.4.冬小麦对UV-B和O3复合胁迫响应的形态特征差异

3.5 讨论与结论

3.5.1 讨论

3.5.2 结论

第四章 UV-B和O3复合作用对冬小麦物质生产及产量的影响

4.1 UV-B和O3复合胁迫对冬小麦生理特性的影响

4.2 UV-B和O3复合胁迫对可溶性糖含量的影响

4.3 UV-B和O3复合胁迫对干物质累积和分配的影响

4.4 UV-B和O3复合胁迫对干物质转运的影响

4.5 UV-B和O3复合胁迫对冬小麦产量及产量构成的影响

4.6 讨论

4.6.1 UV-B和O3及其复合作用对冬小麦物质生产能力的影响

4.6.2 UV-B和O3及其复合作用对物质分配、转运的影响机理探讨

4.6.3 UV-B和O3及其复合作用对冬小麦产量的影响

4.7 结论

第五章 UV-B和O3复合胁迫下冬小麦生长和产量形成的数值模拟

5.1 模型描述

5.1.1 模型结构

5.1.2 UV-B和O3胁迫因子

5.1.3 生育期模型

5.1.4 叶面积指数模型

5.1.5 光合作用模型

5.1.6 呼吸作用模型

5.1.7 干物质累积

5.1.8 干物质分配

5.1.9 产量形成

5.2 模型验证

5.2.1 总干重

5.2.2 地上总干重

5.2.3 籽粒产量

5.3 讨论

5.4 结论

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 本文研究特色

6.3 研究存在的不足与展望

6.2.1 存在不足之处

6.2.2 研究展望

参考文献

致谢

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