玉米高产优质生产中若干生理生态问题的研究

玉米（Zea mays L.）是我国十分重要粮食、饲料和工业原料作物，种植区域覆盖我国大部分农业区。随着玉米品种改良和新栽培技术的应用，我国玉米产量大幅度增加。自1950s以来，我国玉米产量递增幅度为126kg/hm2/yr。在玉米产量提高过程中，单叶光合作用与产量之间存在什么样的关系？当代玉米品种的品质和养分利用效率如何？高密度种植条件下是否存在“根系拥挤”及如何调控等。为探讨上述科学问题，本研究选择中国北方常见的大田玉米品种，在高肥力自然光照条件下，探讨玉米高产优质栽培过程中生理生态特征的变化趋势，以指导科学育种和栽培。主要研究结果如下： 　　1）光合与产量的演变我国 1950s、1970s、1990s等不同年代推广的玉米品种中，当代品种叶片光合速率高且高值持续期长，光合色素叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素等的含量高且持续时间长，与光合有关的蒸腾速率（E.）、细胞间隙CO2浓度（Ci.）、气孔导度（gs）等也有较大改良，中下部叶片尤其明显;在生育后期，当代品种具有更高的光合优势。老品种饱和光合速率(Psat)在灌浆期下降，并非RuBPCase 和PEPCase的活性降低，而是由于叶绿素含量和可溶性蛋白含量的降低。在花后期间，由于PS2功能的下降，造成了光合能力下降，而现代品种的PS2 功能在衰老前一致保持旺盛状态。 　　老品种光合特征对缺氮的反应表现更敏感。花后缺氮光合作用下降是非气孔限制的，因为气孔导度和胞间CO2浓度没有发生明显的变化。其主要原因是缺素造成老品种叶片早衰，叶绿素含量、可溶性蛋白含量、PEP羧化酶活性下降。现代品种表现较强的抗衰老能力，其N素利用效用高于老品种。我国玉米产量的大幅度提高在很大程度上应归功于叶片光合性能的改良。 　　随玉米品种更替，群体光合速率增强，群体光合衰减率降低，呼吸消耗所占总光合的百分率下降。灌浆期当代品种中下部叶片的群体光合速率明显高于老品种。种植密度是影响玉米群体光合速率的主要因素，在高中低三种密度条件下，当代品种均有较高的群体光合速率，表现出耐密性强、适应性广、源足库大、产量高的特点。 　　2）高油玉米的产量受到叶源大小和叶源活力的双重限制在 1.5 株/m2密度下，与普通玉米相比较，高油玉米单株籽粒产量显著低于普通玉米，产量构成中穗粒数差异不显著，千粒重较低（P＜0.01）;两类型玉米的单株库容量相当，高油玉米籽粒灌浆速率小，籽粒充实度低，单粒重对叶源相对减少（剪叶）或相对增多（疏库）的反应比普通玉米更为敏感，其产量受到同化产物供应（叶源）相对不足的限制。高油玉米授粉后的叶面积、叶面积持续期小，叶片含氮量和光合速率较低，说明高油玉米的产量受到叶源活力（光合速率）小和叶源数量少的双重限制。 　　3）我国北方玉米品种的个体产量潜力、氮素利用效率及籽粒与秸秆粗蛋白质含量在充分发挥个体生产潜力的低密度条件下，我国北方1990s 以来大面积种植的50个玉米主栽品种中，个体产量潜力和氮素利用效率高度正相关(P=0.01)，而子粒千粒重与NUE 呈显著性负相关(P=0.002)。对玉米产量和氮素利用效率进行分层聚类，可将北方玉米品种划分为高产高NUE 型、低产低NUE 型和中间型，高产高NUE 型玉米品种相对较少，仅占24%。籽粒粗蛋白质含量（CPC）与秸秆CPC 相关性不显著（P＞0.05）。对籽粒和秸秆的CPC 进行分层聚类，将北方玉米品种划分为籽粒高秸秆低型、籽粒与秸秆双低型和籽粒与秸秆双高型，CPC 双高型品种相对较少，仅占20%。 　　4）玉米根系拥挤效应对产量影响的生理生态机制及其调控随玉米品种更替根系的空间分布呈“横向紧缩，纵向延伸”的特点。当代三类型玉米根系分布特性与株型、穗型相关。紧凑型品种根系分布深，下层根系所占比率大，适合密植，群体产量潜力大;平展大穗型品种根量多，分布较浅，在低密度下可获得较高的个体生产力，但不适合密植，群体产量潜力小。 　　“根系拥挤”显著影响玉米产量，减小根系横向伸展空间，下层土壤中的根系分配比率增多。在地上部充分生长条件下，紧凑型品种横向空间为30-50cm即可满足要求，平展型品种大于50cm;紧凑型品种对纵向空间受限制的反应更为敏感，平展型品种对横向空间受限制的反应更为敏感。“根系拥挤”影响根系活性、分布、氮素吸收利用和花后光合与14C同化物的分配。 　　在根系受限制条件下，增施肥料产量提高，根系总重增加，增加了根系在深层土壤（60-100cm）中的根系比率，显著增加了根系的TTC 还原量、SOD、CAT、POD活性。土壤加沙，根量减少，但根系TTC 还原量增加、产量提高，提高幅度以大穗型品种更为显著。 　　随种植密度增加耕层根系密度与群体产量同步增大，各类品种均在最高根系密度下获得最高产量。根系负荷的籽粒产量潜力三类型品种存在极大差异，在一定范围内增大种植密度，根系伸展空间减小，群体产量提高，紧凑大穗型品种产量最高，品种的耐密性是限制根系负荷籽粒产量潜力的主导因素。因此，培育株型紧凑、耐密性强、大穗玉米良种，采取有效的调控措施是玉米进一步高产的主攻方向。 　　5）我国夏玉米高产田的培创理论研究与实践相结合，2005 年在我国华北地区的山东莱州培创出籽粒实产21 042.9kg/hm2 （ 14% 含水量， 实收面积=45.7m×15.9m=726.63m2）的夏玉米高产纪录。主要采用以增加密度为保障的“群体结构性挖潜”和以提高整齐度为保障的“个体功能性挖潜”途径，生理生态指标包括：选用紧凑抗倒耐密植品种DH3719，种植密度102 030 株/hm2，收获密度98 610 株/hm2，花后具有较长的叶面积高值持续期，达60d以上，叶面积指数最大为6.53，收获2.59。上部叶片光合值对外界光强度变化敏感，其光合峰值出现时间提前，而后迅速衰减;中部叶片光合值的降低较慢，下部叶片变幅最小，可能是长期处于争光环境表现出的生态适应性。粒叶比0.32，经济系数0.542，单株产量216g，千粒重375.1g。

辽河三角洲植被结构、功能及其驱动机制

辽河三角洲优越的植被生态系统维系着多种生态功能，使该地区成为全国著名的商品粮基地、造纸原料基地和旅游基地。但是，气候变化和人为干扰使得辽河三角洲的植被结构发生了显著变化，影响到植被功能的发挥。 为了应对气候变化和人为干扰对辽河三角洲植被造成的不利影响，本论文围绕植被结构和生产功能，从空间和时间方面，重点阐述了辽河三角洲植被的结构及其驱动机制；辽河三角洲植被生产功能及其驱动机制。 采用的研究方法包括遥感解译、样带调查和全面调查。通过遥感解译方法获取各植被类型的面积、分布及其变化信息，以研究植被的空间分布格局及其变化。通过样带调查方法，获取植被类型、土壤和水文等信息，并结合规范对应分析和偏相关分析等，研究植被空间分布格局的驱动机制。通过全面调查方法，获取植被净第一性生产力、粮食产量、土壤和水文等信息，并结合地理信息系统(GIS)的插值分析和相关分析等，研究植被生产功能的空间分布格局及其驱动机制。主要结论如下： 1. 植被组成和空间格局：辽河三角洲植被主要由自然湿地植被、人工湿地植被、自然旱地植被、人工旱地植被四大植被类型组成。其中，面积最大的3种植被是玉米、水稻和芦苇。四大植被类型以双台子河口为中心，基本上呈现半环状分布格局。 2. 植被空间格局变化：1988～2006年辽河三角洲植被空间格局发生了显著变化，主要植被类型分布趋于集中，形成了一些较大的斑块，而不是离散和破碎。从面积上看，水稻是面积增加最多的植被类型；玉米是面积减少最多的植被类型。从变化速率看，水稻、玉米和芦苇的变化幅度都较大，分别为33.2%、-16.1%和-23.2% 。 3. 植被空间格局形成机制：辽河三角洲植被分布格局不是由气候因子决定的，而是由土壤因子决定。土壤可溶性盐是决定植被分布格局最重要的环境因子，其次是土壤含水量。 4. 植被生产功能：辽河三角洲植被具有极高的生产力。其中，玉米、水稻和芦苇3种主要植被的地上净第一性生产力分别为30,485、18,248和17,440 kg/(ha•a)。玉米和水稻单位面积粮食产量也非常高，分别为14,813和10,365 kg/(ha•a)。 5. 植被生产功能年际变化：辽河三角洲植被生产力存在明显的年际波动。1992～2005 年间玉米和水稻粮食产量呈现显著的年际波动；1949～1990 年间芦苇产量不仅存在较明显的年际波动，而且呈现非常显著的增加趋势。 6. 植被生产功能年际变化的驱动机制：气候因子是玉米和水稻粮食产量年际变化的主要驱动因子，气候因子对玉米和水稻粮食产量的影响远远大于人为因子（农业人口、施肥量、灌溉面积）的影响。气候因子和人为因子对芦苇产量年际变化的影响都非常显著。在气候因子中，年日照数是驱动玉米产量年际波动的主导气候因子；年降水量是驱动水稻产量年际波动的主导气候因子；年蒸发量是驱动芦苇产量年际波动的主导气候因子。 7. 植被生产功能空间格局：植被地上净第一性生产力存在显著的空间差异，表现为一种环形空间分布格局，三角洲中部较低，四周地区较高。这种空间分布格局表明，在辽河三角洲，植被地上净第一性生产力最高的不是湿地植被，而是周围旱地植被。 8. 植被生产功能空间格局的形成机制：土壤含水量和海拔是驱动辽河三角洲植被生产力空间格局的主要因子；土壤盐度、土壤pH和土壤容重对植被生产力的空间格局影响不大。土壤营养元素(氮、磷、钾) 对植被生产力的空间格局几乎没有影响。

水稻对大气二氧化碳浓度及温度升高的光合适应的研究

基于长期观测资料，众多大气环流模型预测在二十一世纪末大气中二氧化碳浓度将达到700μmolmol'I，地球表面年平均温度也将升高1.5-4.OoC。水稻是亚洲的主要粮食作物，为世界近三分之一的人口提供食物能源。这项工作的目的，是利用人工模拟环境，预测在未来全球气候变化，二氧化碳及温度升高的条件下，水稻的光合生理反应及随之而来的对其产量的影响。本研究是美国环境署( EPA)与国际水稻研究所(IRRI)合作研究项目“Effects of UV-B and Global Climate Change on Rice”的一部分． 在这项研究中，采用了特殊设计并直接建立在水稻田间的开顶式气室（open-top chambers）。在此之前还没有这样大规模的在水稻主产区的此类模拟研究，水稻在气室中渡过了从萌发到收获的整个生长过程。模拟环境条件有三个浓度的二氧化碳（包括现有大气浓度，在此基础上升高200及300 μmolmol-l）和两个温度（即：现有大气温度及升高4度）共六个处理。供试水稻品种四个：IR72，IR65598-112-2，IR65600-42-5-2-BSI-313和N22。在实验中我们发现，水稻品种（如：1R72）单叶光合速率（以二氧化碳气体交换速率计）受二氧化碳浓度促进，在水稻营养生长期，二氧化碳及温度对其光合有协同促进作用．然而，随着花期的到来，在高温条件下，叶片光合能力（photosynthetic capacity）下降，出现光合适应现象（Photosynthetic acclirnation）.水稻群体光合作用同样受到二氧化碳浓度促进，但在后期(Grain fill stage)这种促进作用消失;在高浓度二氧化碳下生长的大多数水稻品种的叶片中有较多的碳水化和物（可溶性糖和淀粉）积累．耐高温品种N22叶片中淀粉积累较少：叶片中氮素含量降低，同时发现Rubisco总活性相应降低，这与NCi曲线所示光合效率降低相吻合;通过叶片叶绿素荧光动力学测定，没有发现光系统光能转化效率的变化;水稻籽粒产量随二氧化碳浓度升高而增加，但温度升高使产量降低12.8-36.8%;不同品种对二氧化碳浓度的反应没有显著差别;在高温条件下，耐高温品生长在高二氧化碳浓度下表现良好。 本文系统地研究了水稻光合作用在二氧化碳及温度条件影响下，对二氧化碳浓度及光强变化的反应曲线，初次对水稻单叶与群体光合对二氧化碳浓度变化的反应做了实验性对比;讨论了温度升高对水稻在高浓度二氧化碳下发生光合适应的影响，对光合适应现象的可能机制做了探讨，并提出对未来大气二氧化碳浓度及温度升高条件下水稻适应品种筛选的可能方向。

氮施用量对夏玉米土壤水氮动态及水肥利用效率的影响

采用田间小区试验,监测夏玉米不同生长期土壤水分和硝态氮剖面含量变化,研究不同施氮量对其时空变化及籽粒产量、水肥利用效率的影响,探讨氮肥对水肥资源高效利用的调节作用。结果表明:不同施氮处理,土壤剖面水分和硝态氮随土壤深度的变化趋势基本一致,即表层50 cm土壤水分和硝态氮含量较高且呈降低态,50~110 cm相对较低且波动较小,灌浆期二者均达到最低值;各生长期表层50 cm土壤含水量呈不施氮处理均高于施氮处理,50~110 cm土层则相反;施氮能提高土壤硝态氮含量,土壤硝态氮运移受土壤水分状况和含量的影响,含量越高,向下移动越深;施氮能显著提高水分利用效率及籽粒产量,增产效果明显(增产28.52%~37.86%),二者均以施氮240 kg/hm2处理最高;随施氮量的增加籽粒产量及籽粒吸氮量和水分利用效率增幅均表现为先升高后降低之趋势,当施氮量超过240 kg/hm2后,籽粒产量和水分利用效率提高并不显著;不施氮与施氮处理氮素生产力、氮肥利用率之间均存在极显著差异。在本试验条件下,从控制土壤硝态氮积累及取得较高的产量和氮素利用率综合考虑,夏玉米的适宜施氮量范围应控制在120~240 kg/hm2较好。

施磷对夏玉米土壤硝态氮、吸氮特性及产量的影响

研究不同施磷水平对夏玉米生长期土壤硝态氮时空分布、累积量及玉米籽粒产量的影响,为夏玉米合理施肥提供参考依据。【方法】采用田间小区试验,在施磷水平分别为0,60,120和180 kg/hm2时,研究施磷对夏玉米产量及土壤氮素吸收累积的影响。【结果】在0~110 cm土层,随土壤剖面深度的增加,土壤硝态氮含量逐渐降低,0~30 cm土层明显高于30~110 cm土层且变幅较大,施磷肥能显著降低土壤硝态氮含量。随夏玉米生育期推进,0~110 cm土层硝态氮累积量呈先降低后升高的趋势,于灌浆期达到最低值;当施磷水平为120 kg/hm2时,成熟期0~110 cm土层硝态氮累积量低于施磷60和180 kg/hm2的处理;施磷肥能显著增加玉米籽粒产量、籽粒吸氮量及氮收获指数,均以施磷水平为120 kg/hm2时最高。【结论】在施氮基础上施用磷肥,有利于提高玉米籽粒产量,促进作物对氮素的吸收累积,减少土壤中硝态氮的累积及向更深土层中的运移量。

施氮水平对黄土旱塬区小麦产量和土壤有机碳、氮的影响

施用氮肥是提高作物产量和土壤有机碳(SOC)、氮(TSN)含量的重要养分管理措施。利用长期田间试验(19842~007),定量评价了常规耕作条件下5个施氮水平N 0(N0)、45(N45)、90(N90)、135(N135)和180(N180)kg/hm2处理下,小麦子粒产量、SOC、TSN和氮肥利用效率的变化。研究了施氮水平对黄土旱塬区小麦产量、SOC和TSN积累的影响。结果表明,19842~007年期间,N0、N45、N90、N135和N180处理小麦产量的平均值依次为1.2、2.4、2.9、3.2和3.4t/hm2;N0处理的小麦产量随试验年限而降低,年降低幅度达67 kg/hm2(P<0.001);但增施氮肥处理小麦产量降低趋势得到显著控制,当施氮水平提高到N 90 kg/hm2时,产量随年限呈现出缓慢升高的趋势。随着施氮水平的提高,地上部氮肥利用率由40%(N45)降低到28%(N180)。不同施氮水平条件下,SOC含量随年限呈缓慢升高趋势。23年后(2007年),N0、N45、N90、N135和N180处理下,0—20 cm土层SOC储量依次为16.9、18.2、18.7、19.0和19.1 t/...

施氮量对黄土旱塬区冬小麦产量和土壤水分动态的影响

为了探明施氮量对黄土旱塬区冬小麦(Triticum aestivum L.)籽粒产量和麦田土壤水分动态的影响规律,以抗旱性冬小麦品种长武58为供试材料,于2006～2008年连续两个年度在陕西省长武县对不同施氮量条件下麦田土壤贮水量动态、耗水规律、小麦产量和夏闲期降水补给率等特征进行研究。结果表明,麦田土壤贮水量随季节和降水明显变化,同一生育时期2.7m土层的土壤贮水量基本随施氮量的增加而减少。偏旱年每公顷施氮300kg和平水年每公顷施氮225kg均能够获得当年最大的籽粒产量和水分利用效率。每公顷施氮75kg和225kg均能在夏闲期获得较大的降水补给率。每公顷施氮225kg更有利于黄土旱塬区冬小麦的高产和稳产。

大豆品种竞争能力和籽粒产量关系研究

盆栽试验方法研究充分供水(W)、适度干旱(M)和严重干旱(D)三种条件下,不同株型的两个大豆品种晋大74和晋豆24在混播和单播时的籽粒产量及生物量构成。结果表明:晋大74品种具有较高的植株生物量和较强竞争能力,在单播时籽粒产量较低,而竞争能力较低的晋豆24品种在单播时籽粒产量却较高,这一结论将对大豆株型设计提供一定的科学依据。

施氮和灌水对冬小麦叶片光合特性和籽粒产量的影响

大田条件下设置不同的施氮和灌水水平,研究施氮量和灌水量对冬小麦(Triticum aestivum L.)叶片光合作用生理及籽粒形成的影响。结果表明,施氮和灌水提高叶片Fv/Fm和Pn,并显著提高冬小麦籽粒产量、单位面积穗数和每穗粒数。施氮明显降低千粒重,而适量灌水明显提高千粒重。

干旱对不同冬小麦旗叶光合产物供应能力的影响

研究干旱对小麦旗叶光合产物供应能力的影响,揭示小麦抗旱高产的生理机制,为提高小麦的抗旱能力及高产稳产提供理论依据。【方法】在防雨池栽培条件下,以旱地冬小麦品种长武134(抗旱性强)和水地冬小麦品种陕253(抗旱性弱)为试材,以适宜水分处理为对照(CK,土壤含水量为田间持水量的70%～75%),研究干旱处理(土壤含水量为田间持水量的50%～55%)对不同冬小麦旗叶光合产物供应速率(净光合速率和蔗糖合成能力)和供应持续期的影响。【结果】与对照相比,干旱处理降低了冬小麦灌浆中后期旗叶净光合速率,缩短了净光合速率高值持续期(PAD),其中长武134降幅较小,净光合速率较高;干旱处理提高了冬小麦灌浆初期旗叶的蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性,其中长武134增幅较大,且在灌浆中后期依然能保持相对较高的蔗糖供应能力;干旱处理缩短了冬小麦叶绿素含量缓降期(RSP),提高了丙二醛(MDA)含量,加速了旗叶的衰老,缩短了光合产物的供应持续期,其中长武134受干旱影响较小;干旱处理降低了冬小麦灌浆中后期主茎穗粒质量积累量及其速率,其中长武134降幅较小。【结论】干旱条件下,抗旱品种长武134旗叶在灌浆中后期可维持较高的光合产物...

黄土旱塬不同氮肥用量下冬小麦干物质累积和氮素吸收利用过程研究

利用旱作长期定位施肥试验研究了不同氮肥用量对冬小麦干物质累积和氮素吸收利用的影响,结果显示,不同处理下干物质累积变化趋势都呈"S"型曲线,且冬小麦各生育期干物质量,随氮肥用量的增加而增大,说明氮肥对促进冬小麦干物质累积作用显著。干物质累积速率均呈现明显的单峰曲线,拔节-灌浆阶段累积速率最大,是干物质累积的重要时期。小麦植株含氮量和氮素累积量都随氮肥用量增加而升高,在冬前-拔节期和开花-灌浆期两个阶段,冬小麦植株氮素累积量较大,累积速率快,是氮素吸收利用的两个关键阶段。