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土壤水分对冬小麦叶片光合速率影响模型构建

王培娟 马玉平 霍治国 杨建莹 邬定荣

王培娟, 马玉平, 霍治国, 等. 土壤水分对冬小麦叶片光合速率影响模型构建. 应用气象学报, 2020, 31(3): 267-279. DOI: 10.11898/1001-7313.20200302..
引用本文: 王培娟, 马玉平, 霍治国, 等. 土壤水分对冬小麦叶片光合速率影响模型构建. 应用气象学报, 2020, 31(3): 267-279. DOI: 10.11898/1001-7313.20200302.
Wang Peijuan, Ma Yuping, Huo Zhiguo, et al. Construction of the model for soil moisture effects on leaf photosynthesis rate of winter wheat. J Appl Meteor Sci, 2020, 31(3): 267-279. DOI:  10.11898/1001-7313.20200302.
Citation: Wang Peijuan, Ma Yuping, Huo Zhiguo, et al. Construction of the model for soil moisture effects on leaf photosynthesis rate of winter wheat. J Appl Meteor Sci, 2020, 31(3): 267-279. DOI:  10.11898/1001-7313.20200302.

土壤水分对冬小麦叶片光合速率影响模型构建

DOI: 10.11898/1001-7313.20200302
资助项目: 

国家自然科学基金项目 31701312

中国气象科学研究院基本科研业务费重点项目 2017Z004

国家自然科学基金项目 31771672

详细信息
    通信作者:

    霍治国, huozg@cma.gov.cn

Construction of the Model for Soil Moisture Effects on Leaf Photosynthesis Rate of Winter Wheat

  • 摘要: 植物叶片光合速率是表征植物光合能力的重要参数,对土壤水分反应敏感,建立不同土壤水分对冬小麦叶片光合速率影响模型,有助于准确理解冬小麦的光合作用和产量形成。该文收集整理了1996—2017年我国冬小麦主产区11个试验地点、17个冬小麦品种的干旱和渍水试验数据共64组310个样本,分别构建干旱和渍水对冬小麦叶片光合速率影响的分段式和指数型模型,形成土壤水分对冬小麦叶片光合速率影响模型(the model for Soil Moisture Effects on leaf Photosynthesis rate of winter wheat,SMEP)。结果表明:随着土壤相对湿度增加,冬小麦叶片光合速率系数呈稳定低值-线性增加-稳定高值-缓慢下降的特点;随着渍水时间延长,冬小麦叶片光合速率系数呈缓慢下降-快速下降的特点。对SMEP模型进行回代检验、外推检验、单点验证、单发育期验证发现,模型模拟结果与文献数据有较好的一致性,回归系数在1.0附近,且均达到0.01显著性水平。SMEP模型将嵌入中国农业气象模式(CAMM1.0),为CAMM不断完善提供科技支撑。
  • 图  1  文献收集水分胁迫试验数据的站点分布

    Fig. 1  Site distribution for water stress experiments reported in references

    图  2  土壤相对湿度对冬小麦叶片光合速率影响模型示意图

    Fig. 2  Schematic diagram of soil relative moisture effects on leaf photosynthesis rate of winter wheat

    图  3  干旱对冬小麦叶片光合速率的影响

    (a)冬小麦叶片光合速率系数随土壤相对湿度的变化动态,
    (b)文献数据和SMEP模型模拟的冬小麦叶片光合速率系数对比验证

    Fig. 3  Effects of drought stresses on leaf photosynthesis rate of winter wheat

    (a)dynamics of photosynthesis rate coefficients with soil relative moisture,
    (b)comparisons of photosynthesis rate coefficients between records from references and SMEP simulations

    图  4  渍水持续时间对冬小麦叶片光合速率的影响

    (a)冬小麦叶片光合速率系数随渍水持续日数的变化动态,
    (b)文献数据和SMEP模型模拟的冬小麦叶片光合速率系数对比验证

    Fig. 4  Effect of waterlogging duration on leaf photosynthesis rate of winter wheat

    (a)dynamics of photosynthesis rate coefficients with waterlogging durations,
    (b)comparisons of photosynthesis rate coefficients between records from references and SMEP simulations

    图  5  文献[26]冬小麦渍害模型验证结果

    (a)孕穗前, (b)孕穗后

    Fig. 5  Validations of photosynthesis rate coefficients for winter wheat leaves under waterlogging stresses with wet damage in Reference [26]

    (a)before booting stage, (b)after booting stage

    图  6  干旱对冬小麦叶片光合速率系数的外推检验结果

    (a)光合速率系数随土壤相对湿度变化, (b)文献数据与SMEP模型模拟的光合速率系数对比

    Fig. 6  Independent validations of photosynthesis rate coefficients of winter wheat leaves under drought stresses

    (a)dynamics of photosynthesis rate coefficients with soil relative moisture,
    (b)comparisons of photosynthesis rate coefficients between records from references and SMEP simulations

    图  7  渍水对冬小麦叶片光合速率系数的集合验证结果

    (a)光合速率系数随渍水持续日数变化, (b)文献数据与SMEP模型模拟的光合速率系数对比

    Fig. 7  Independent validations of photosynthesis rate coefficients for winter wheat leaves under waterlogging stresses

    (a)dynamics of photosynthesis rate coefficients with waterlogging duration,
    (b)comparisons of photosynthesis rate coefficients between records from references and SMEP simulations

    图  8  栾城(a)、新乡(b)干旱和合肥(c)渍水下冬小麦叶片光合速率系数单点验证结果

    Fig. 8  Single-site validations of photosynthesis rate coefficients for winter wheat leaves under drought and waterlogging stresses (a)drought stress at Luancheng, (b)drought stress at Xinxiang, (c)waterlogging stress at Hefei

    图  9  冬小麦拔节期(a)和灌浆期(b)光合速率系数随土壤相对湿度变化动态

    Fig. 9  Dynamics of photosynthesis rate coefficients for winter wheat leaves with soil relative moisture at jointing(a) and booting(b) stages

    表  1  文献收集的水分胁迫条件下冬小麦旗叶叶片光合速率数据汇总

    Table  1  Summary of photosynthesis rate for winter wheat flag leaves under different water stresses reported in references

    胁迫试验 试验品种 试验地点 省份 组数 样本量 发育阶段 光强/(μmol·m-2·s-1) 文献
    新冬2 阜康 新疆 1 5 灌浆期 1400 [28]
    高优503 栾城 山东 5 25 拔节-蜡熟期 [29]
    高优503 栾城 山东 8 39 拔节-灌浆期 [30]
    小偃22 杨凌 陕西 1 4 三叶期 [31]
    京麦9428 大兴 北京 1 2 灌浆期 饱和光强 [32]
    扬麦9 南京 江苏 4 12 灌浆期 [33]
    周麦27 鹤壁 河南 3 9 灌浆期 [34]
    干旱 山农20 泰安 山东 1 4 灌浆期 [35]
    山农21 泰安 山东 1 4 灌浆期 [35]
    扬麦10 南京 江苏 5 43 起身-灌浆期 1000±20 [18]
    鲁麦7 莱阳 山东 7 27 孕穗-灌浆期 [36]
    郑麦98 新乡 河南 3 15 拔节期 [37]
    长武 陕西 9 27 [38]
    鲁麦23 泰安 山东 1 11* 拔节期 饱和光强 [20]
    烟农19 合肥 安徽 4 28 开花-灌浆期 [25]
    汶农17 南京 江苏 1 3 开花-灌浆期 [39]
    扬麦16 南京 江苏 1 3 开花-灌浆期 [39]
    渍水 豫麦34 南京 江苏 1 2 开花-灌浆期 1100 [24]
    扬麦9 南京 江苏 1 2 开花-灌浆期 1100 [24]
    扬麦13 南京 江苏 1 4 开花-灌浆期 1100 [40]
    扬麦10 南京 江苏 5 41* 起身-灌浆期 1000±20 [18]
      注:*表示建模数据,其余为验证数据;光强数值空缺表示测量条件是晴朗无云的09:00—11:00(北京时,下同)。
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    表  2  水分胁迫下文献数据与SMEP模型模拟的站点尺度冬小麦叶片光合速率系数统计

    Table  2  Photosynthesis rate coefficients for winter wheat leaves between records from references and SMEP simulations

    站点 线性回归方程 决定系数 均方根误差 样本量
    栾城 y=1.3219x-0.3130 0.9791 0.005 5
    新乡 y=0.9922x+0.0182 0.9342 0.003 5
    合肥 y=0.9008x-0.0299 0.9078 0.018 7
      注:x为文献数据,y为SMEP模型模拟结果,且所有方程均达到0.01显著性水平。
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    表  3  水分胁迫下文献数据与SMEP模型模拟的冬小麦拔节和灌浆期叶片光合速率系数

    Table  3  Photosynthesis rate coefficients for winter wheat leaves between records from references and SMEP simulations at jointing and booting stages

    发育期 线性回归方程 决定系数 均方根误差 样本量
    拔节期 y=1.0753x-0.0860 0.8372 0.0067 9
    灌浆期 y=0.9545x+0.0255 0.6106 0.0113 12
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-12
  • 修回日期:  2019-12-24
  • 刊出日期:  2020-05-31

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