高温胁迫下水稻生理生化特性及高光谱估测研究

摘要

由于人类活动对地球的干扰加剧，20世纪全球平均气温已经上升了0.6℃，而且预计到本世纪末全球气温仍将上升1.4℃-5.8℃。同时，极端天气事件（如夏季高温等）在全球许多区域将出现得更加频繁，且持续时间更长。因此种植业系统将面临更为频繁的高温热害挑战。水稻是中国最重要的粮食作物，其高温敏感期遭遇夏季高温的机率非常高，高温热害风险大。近年来，中国南方稻作区尤其是江淮流域水稻热害日益加剧，因此研究水稻高温热害发生规律，探明水稻抗热避热机制及其调控途径，探讨水稻高温热害监测方法对保障中国粮食安全具有重大意义。
　　 本论文利用湖南、湖北、江西、安徽、江苏与浙江6省各有代表性台站1965-2004年近40年的6-8月日平均气温与最高温度为原始数据，分析了各省高温发生的机率、高温发生年平均天数以及高温起止日期，据此总结出长江中下游地区高温时空分布的规律，并提出水稻生长避开高温危害的措施和相应的利用对策。通过田间与室内加温试验，研究孕穗期高温对2个水稻品种生理生化特性、花粉活力、萌发率、产量、产量构成要素、稻米品质及不同生育期的冠层光谱反射率的影响。探讨水稻抗热避热的生理生态机制和技术途径，为抗热品种选育和水稻高温机理的研究提供重要理论参考。分析高温胁迫下水稻的冠层光谱特征、叶片生物学参数、产量及籽粒品质，并通过冠层光谱反射率与叶片生物学参数、产量、产量构成要素以及籽粒品质相关性分析，从而建立水稻长势特征、产量与品质的光谱估测模型。为高光谱遥感方法在水稻高温热害中的应用提供重要的理论依据。主要结论如下：
　　 (1)长江中下游地区高温的时空变化规律
　　 平原地区日平均气温≥30℃机率大于日最高气温≥35℃机率，山区则相反；南方和内陆地区高温机率大，沿海地区高温机率小；通常，高温机率大的地区高温开始早结束晚，高温机率小的地区高温开始晚结束早；高温天数的规律性与高温出现机率一致，高温机率大的地区高温天数多。近55年来，南京地区的7-8月平均气温和最高气温距平表现出一定的规律性，20世纪70年代之前与90年代之后的高温年居多，之间的低温年居多，日平均气温≥30℃机率明显高于日最高气温≥35℃机率，并且从20世纪90年代开始，两种危害天气有整体增加趋势。
　　 (2)高温胁迫下水稻生理生化特性、产量与品质的变化特征
　　 与CK相比，孕穗期高温胁迫显著降低了扬稻6号与南粳43的花粉活力、萌发率、结实率与产量，随胁迫温度的升高和时间的延长，两个水稻品种以上四个要素的降幅均增大，各处理间前三个要素的差异均达显著或极显著水平，产量间差异不显著。高温胁迫对两个水稻品种的每穗总粒数和千粒重影响较小，各处理间的差异未达到显著水平。相关分析表明，两种水稻的花粉活力和萌发率与结实率、产量均呈极显著正相关。根据热敏指数(HIS)大小，可将扬稻6号定为耐高温品种，南粳43定为热敏感品种。
　　 与CK相比，高温胁迫下两个水稻品种叶片生理生化特性发生显著变化，其中叶绿素含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、抗坏血酸(ASA)含量、还原型谷胱甘肽(GSH)含量、脯氨酸(Pro)含量、可溶性蛋白质含量、可溶性糖含量和净光合速率值(NPn)明显降低，而细胞膜透性与丙二醛(MDA)含量明显增加。前8个指标随胁迫处理的加剧其降幅呈下降趋势，而后2个指标的增幅呈增加趋势。在高温胁迫下，南粳43的Npn与CK相比，其降幅大于扬稻6号。将籽粒产量与各光合生产特性指标进行相关性分析，发现籽粒产量与NPn值呈极显著正相关，与茎鞘物质输出率(EPMSS)和茎鞘物质转运率(TPMSS)相关不显著。对与品种HIS相关显著的6个生理生化指标进行逐步回归分析，筛选结果表明，可溶性糖含量与GSH可作为水稻耐热性鉴定的生化指标。
　　 孕穗期高温胁迫降低了扬稻6号与南粳43的糙米率、精米率和整精米率，增加了稻米的垩白率和垩白度。随着胁迫处理的加剧，两个品种的加工品质和外观品质急剧下降。在食用品质方面，与CK相比，扬稻6号与南粳43的可溶性糖和可溶性蛋白质含量呈下降趋势，而直链淀粉含量呈上升趋势。同样，随胁迫处理的加剧，三个指标的增幅或降幅都在增加。因此孕穗期高温也影响了水稻的食用品质。另外，相同温度胁迫下，扬稻6号的加工品质、外观品质和食用品质受高温伤害的程度轻于南粳43。
　　 (3)高温胁迫下水稻红边特征及SPAD和LAI的估测分析
　　 两个水稻品种叶片的SPAD值与LAI均随生育推进呈先上升后下降的趋势，在开花期达到最大值，在抽穗期与蜡熟期时较小。随胁迫处理的加剧，SPAD值和LAI不断减小。冠层反射光谱的红边位置、红边幅值与红边面积在开花前呈“红移”，开花后呈“蓝移”现象。随着胁迫温度的升高，三个红边参数呈现“蓝移”现象。不同生育期剑叶SPAD值和LAI与红边特征参数均具有显著或极显著的相关性。以红边位置为参数所建的模型能更好地预测水稻剑叶的SPAD值和LAI。
　　 (4)高温胁迫下水稻产量和品质的高光谱估测分析
　　 相对蜡熟期，开花期和灌浆期的光谱参数与理论产量、实际产量、亩穗数、穗粒数、千粒重、穗长、穗重以及结实率的相关性都较高，均达到显著水平，可作为预测水稻产量的关键时期。其中光谱参数中差值植被指数DVI(810，A(450，560，680))、垂直植被指数PVI(810，680)、红边峰值RES和670-755面积同时预测成熟水稻的理论产量和实际产量。而DVI(810，450)和DVI(810，560)、PVI(810，680)和RES同时预测成熟水稻的亩穗数、穗粒数和千粒重，并可用于建立估产模型。
　　 水稻籽粒的粗蛋白、直链淀粉和可溶性糖含量与不同生育期冠层光谱反射率和一阶导数在某些波段达到极显著或显著相关水平。进一步将光谱参数与成熟籽粒粗蛋白、直链淀粉和可溶性糖含量进行相关性分析，建立了水稻成熟籽粒的粗蛋白含量(GCPC)、直链淀粉含量(GAC)和可溶性糖含量(GSSC)的光谱估测模型，并运用独立观测数据对模型进行检验，其预测值与实测值的精确度为0.39-0.68，准确度为0.35-0.92，RMSE值为8.71％-11.30％。

目录

文摘

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图表目录

第一章 文献综述与立题依据

1.1 研究背景

1.2 水稻高温热害国内外研究进展

1.2.1 小穗育性与高温热害

1.2.2 膜脂过氧化作用、细胞膜透性与高温热害

1.2.3 渗透调节物质与高温热害

1.2.4 内源抗氧化剂、抗氧化系统与高温执害

1.2.5 光合作用与高温执害

1.2.6 稻米品质与高温热害

1.3 高光谱遥感技术及应用研究进展

1.3.1 高光谱遥感的基本原理

1.3.2 绿色植被的典型光谱特征

1.3.4 作物高光谱遥感估测

1.4 本研究的目的及意义

第二章 技术路线与研究方法

2.1 技术路线

2.2 试验地点与设计

2.2.1 试验地点

2.2.2 试验设计

2.3 气象数据收集与试验测定方法

2.4 数据分析

第三章 长江中下游地区高温时空分布规律的研究

3.1 引言

3.2 长江中下游地区高温发生的时空规律分析

3.2.1 湖北省

3.2.2 湖南省

3.2.3 安徽省

3.2.4 江西省

3.2.5 浙江省

3.2.6 江苏省

3.2.7 长江中下游地区高温强度的空间分布规律

3.3 南京高温发生的规律分析

3.3.1 月平均气温和月最高气温的变化趋势

3.3.2 日平均气温≥30℃和日最高气温≥35℃发生频次

3.3.3 日平均气温≥30℃和日最高气温≥35℃发生时段

3.4 本章小结

第四章 高温胁迫对水稻理化特性、产量及品质的影响

4.1 引言

4.2 高温胁迫下水稻花粉活力、萌发率与产量的变化

4.2.1 花粉活力与萌发率的变化

4.2.2 产量的变化

4.2.3 产量构成要素的变化

4.2.4 花粉活力、萌发率与产量、结实率的相关性

4.3 高温胁迫下水稻叶片生理生化特性的变化

4.3.1 剑叶叶绿素含量和SOD活性的变化

4.3.2 剑叶细胞膜透性和MDA含量的变化

4.3.3 剑叶Pro、可溶性蛋白质含量和可溶性糖含量的变化

4.3.4 剑叶ASA含量和GSH含量的变化

4.3.5 叶片光合产物的运输和分配

4.3.6 净光合速率的变化

4.3.7 光合响应曲线的变化

4.3.8 CO2响应曲线变化

4.3.9 产量与各光合生产特性指标的相关性

4.3.10 各生化指标间相关性分析

4.3.11 热敏指数与叶片生理生化指标的预测模型

4.3.12 预测模型的检验

4.4 高温胁迫下稻米品质的变化

4.4.1 稻米加工品质的变化

4.4.2 稻米外观品质的变化

4.4.3 稻米食用品质的变化

4.5 防御高温热害的几点建议

4.5.1 合理安排播种期，避开花期高温

4.5.2 提高水稻的栽培技术，增强水稻植株抗逆性

4.5.3 选用和培育耐高温水稻品种

4.6 本章小结

第五章 高温胁迫下水稻红边特征及SPAD和LAI的估测研究

5.1 引言

5.2 高温胁迫下水稻红边特征及SPAD和LAI的变化

5.2.1 水稻SPAD和LAI的动态变化

5.2.2 不同生育期水稻高光谱特征的变化

5.2.3 水稻-阶导数光谱与红边特征的变化

5.2.4 SPAD和LAI与光谱参数的相关性

5.2.5 水稻生理生态参数预测模型的检验

5.3 本章小结

第六章 高温胁迫下水稻产量和品质的高光谱估测研究

6.1 引言

6.2 高温胁迫下水稻产量的高光谱估测

6.2.1 水稻产量、产量构成要素与高光谱反射率的相关性

6.2.2 高光谱参数与水稻产量的关系

6.2.3 高光谱参数与水稻产量构成因素的关系

6.2.4 高光谱参数与水稻穗长、穗重与结实率的关系

6.2.5 水稻产量及产量构成要素预测模型的检验

6.3 高温胁迫下水稻品质的高光谱估测

6.3.1 籽粒粗蛋白、直链淀粉与可溶性糖含量的变化

6.3.2 籽粒粗蛋白、直链淀粉、可溶性糖含量与高光谱反射率的相关性

6.3.3 光谱变量与籽粒粗蛋白、直链淀粉与可溶性糖含量的相关性

6.3.4 籽粒粗蛋白、直链淀粉与可溶性糖含量的预测模型及检验

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 本文特色和创新点

7.3 展望

参考文献

参加的项目

参编的论著

发表的论文

简介

致谢