留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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)。
    下载: 导出CSV

    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。
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [1] FAO, 2018.FAOSTAT Database.Rome:FAO, 2018.
    [2] 吴霞, 王培娟, 陈鹏狮, 等.黄淮海平原冬小麦最大可能蒸散的估算.应用气象学报, 2017, 28(6):690-699. doi:  10.11898/1001-7313.20170605
    [3] 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴.北京:中国统计出版社, 2017.
    [4] Wu Xia, Wang Peijuan, Huo Zhiguo, et al.Crop drought identification index for winter wheat based on evapotranspiration in the Huang-Huai-Hai Plain, China.Agr Ecosys Environ, 2018, 263:18-30. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=e0daf47447b4d0d401c36af327a7b04a
    [5] 房世波, 齐月, 韩国军, 等.1961-2010年中国主要麦区冬春气象干旱趋势及其可能影响.中国农业科学, 2014, 47(9):1754-1763. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgnykx201409010
    [6] 范雨娴, 霍治国, 杨宏毅, 等.湖南省油茶春季涝渍过程灾变判别指标.应用气象学报, 2018, 29(2):141-153. doi:  10.11898/1001-7313.20180202
    [7] 张爱民, 马晓群, 杨太明, 等.安徽省旱涝灾害及其对农作物产量影响.应用气象学报, 2007, 18(5):619-626. http://qikan.camscma.cn/jamsweb/article/id/20070595
    [8] 胡继超, 曹卫星, 罗卫红.渍水麦田土壤水分动态模型研究.应用气象学报, 2004, 15(1):41-50. http://qikan.camscma.cn/jamsweb/article/id/20040106
    [9] 刘明, 齐华, 孙世贤, 等.水分胁迫对玉米光合特性的影响.玉米科学, 2008, 16(4):86-90. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hbnxb200605008
    [10] 张树杰, 廖星, 胡小加, 等.渍水对油菜苗期生长及生理特性的影响.生态学报, 2013, 33(23):7382-7389. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stxb201323008
    [11] 吴晓丽, 汤永禄, 李朝苏, 等.不同生育时期渍水对冬小麦旗叶叶绿素荧光及籽粒灌浆特性的影响.中国生态农业学报, 2015, 23(3):309-318. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stnyyj201503007
    [12] 高祺, 李明, 朴琳, 等.拔节期弱光和渍水胁迫对春玉米光合作用、根系生长及产量的影响.江苏农业科学, 2018, 34(6):1276-1286. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jsnyxb201806011
    [13] Liu E K, Mei X R, Yan C R, et al.Effects of water stress on photosynthetic characteristics, dry matter translocation and WUE in two winter wheat genotypes.Agric Water Manage, 2016, 167:75-85. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=3144f89d4f6e96291ca1037956fcbbbb
    [14] Zivcak M, Brestic M, Balatova Z, et al.Photosynthetic electron transport and specific photoprotective responses in wheat leaves under drought stress.Photosynth Res, 2013, DOI: 10.1007/s11120-013-9885-3.
    [15] Jia S, Lv J, Jiang S, et al.Response of wheat ear photosynthesis and photosynthate carbon distribution to water deficit.Photosynthetica, 2015, 53(1):95-109. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=78a341888adcc7c103ddd4c3ba35f97e
    [16] 陈晓远, 罗远培.土壤水分变动对冬小麦干物质分配及产量的影响.中国农业大学学报, 2001, 6(1):96-103. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgnydxxb200101017
    [17] Dong Z Y, Zhang X D, Li J, et al.Photosynthetic characteristics and grain yield of winter wheat (Triticum aestivum L.) in response to fertilizer, precipitation, and soil water storage before sowing under the ridge and furrow system:A path analysis.Agric For Meteorol, 2019, 272/273:12-19. http://cn.bing.com/academic/profile?id=16cdc13ee52bee09650951d95a188748&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [18] 胡继超, 曹卫星, 姜东, 等.小麦水分胁迫影响因子的定量研究Ⅰ.干旱和渍水胁迫对光合、蒸腾及干物质积累与分配的影响.作物学报, 2004, 30(4):315-320. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zuowxb200404004
    [19] 胡梦芸, 张正斌, 徐萍, 等.亏缺灌溉下小麦水分利用效率与光合产物积累运转的相关研究.作物学报, 2007, 33(10):1711-1719. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zuowxb200711024
    [20] 刘建栋, 王馥棠, 于强, 等.华北地区冬小麦叶片光合作用模型在农业干旱预测中的应用研究.应用气象学报, 2003, 14(4):469-478. http://qikan.camscma.cn/jamsweb/article/id/20030458
    [21] 胡继超, 曹卫星, 罗卫红, 等.小麦水分胁迫影响因子的定量研究Ⅱ.模型的建立与测试.作物学报, 2004, 30(5):460-464. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zuowxb200405010
    [22] 谢祝捷, 姜东, 曹卫星, 等, 花后干旱和渍水条件下生长调节物质对冬小麦光合特性和物质运转的影响.作物学报, 2004, 30(10):1047-1052. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zuowxb200410015
    [23] 范雪梅, 姜东, 戴延波, 等.花后干旱或渍水下氮素供应对小麦光合和籽粒淀粉积累的影响.应用生态学报, 2005, 16(10):1883-1888. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb200510017
    [24] 谭维娜, 戴延波, 荆奇, 等.花后渍水对小麦旗叶光合特性及产量的影响.麦类作物学报, 2007, 27(2):314-317. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/mlzwxb200702027
    [25] 吴进东, 李金才, 魏凤珍, 等.花后渍水高温交互效应对冬小麦旗叶光合特性及产量的影响.作物学报, 2012, 38(6):1071-1079. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zuowxb201206016
    [26] 石春林, 金之庆.基于WCSODS的小麦渍害模型及其在灾害预警上的应用.应用气象学报, 2003, 14(4):462-468. http://qikan.camscma.cn/jamsweb/article/id/20030457
    [27] 马玉平, 霍治国, 王培娟, 等.中国农业气象模式(CAMM1.0)构建与应用.应用气象学报, 2019, 30(5):528-542. doi:  10.11898/1001-7313.20190502
    [28] 盛钰, 赵成义, 贾宏涛.水分胁迫对冬小麦光合及生物学特性的影响.水土保持学报, 2006, 20(1):193-196. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/trqsystbcxb200601047
    [29] 张秋英, 李发东, 高克昌, 等.水分胁迫对冬小麦光合特性及产量的影响.西北植物学报, 2005, 25(6):1184-1190. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xbzwxb200506022
    [30] 张秋英, 李发东, 刘孟雨.冬小麦叶片叶绿素含量及光合速率变化规律的研究.中国生态农业学报, 2005, 13(3):95-98. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stnyyj200503028
    [31] 李思, 张莉, 姚雅琴.干旱对冬小麦叶片气孔、活性氧和光合作用的影响.河北大学学报(自然科学版), 2015, 35(5):487-493. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hebdxxb201505008
    [32] 王博欣, 刘钰, 蔡甲冰, 等.不同供水条件对冬小麦光合特性及水分利用效率的影响.灌溉排水学报, 2012, 31(2):69-72. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=ggps201202017
    [33] 赵辉, 戴延波, 姜东, 等.高温下干旱和渍水对冬小麦花后旗叶光合特性和物质转运的影响.应用生态学报, 2007, 18(2):333-338. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yystxb200702017
    [34] 李晶晶, 尹钧, 李武超, 等.不同水氮运筹对冬小麦光合特性和产量的影响.河南农业科学, 2017, 46(5):27-33. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hnnykx201705005
    [35] 李传华, 李清林, 谭秀山, 等.不同土壤水分条件下小麦光合特性的研究.河北农业科学, 2013, 17(6):10-12;21. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hebnykx201306003
    [36] 石岩, 林琪, 位东斌, 等.土壤水份胁迫对冬小麦光合及产量的影响.华北农学报, 1996, 11(4):80-83. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199600201849
    [37] 宋妮, 王景雷, 孙景生, 等.水分胁迫对盆栽冬小麦叶片生理生化的影响研究.中国农村水利水电, 2011(10):19-23. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-ZNSD201110006.htm
    [38] 梁银丽, 康绍忠.节水灌溉对冬小麦光合速率和产量的影响.西北农业大学学报, 1998, 26(4):16-19. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199800612929
    [39] 吴晓静.花后酸雨和渍水胁迫对小麦生理特性及产量品质的影响.南京:南京农业大学, 2015.
    [40] 李琪, 王清, 王连喜, 等.花后遮光渍水对南京冬小麦光合特性和产量的影响.江苏农业学报, 2017, 33(3):555-560. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jsnyxb201703011
    [41] 杨绍锷, 吴炳方, 闫娜娜.基于AMSR-E数据估测华北平原季东北地区土壤田间持水量.土壤通报, 2012, 43(2):301-305. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-TRTB201202007.htm
    [42] 段兴武, 谢云, 冯艳杰, 等.东北黑土区土壤凋萎湿度研究.水土保持学报, 2008, 22(6):212-216. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/trqsystbcxb200806045
    [43] 全国科学技术名词审订委员会.土壤学名词.北京:科学出版社, 1998:33.
    [44] 吴玮, 景元书, 马玉平, 等.干旱环境下夏玉米各生育时期光响应特征.应用气象学报, 2013, 24(6):723-730. http://qikan.camscma.cn/jamsweb/article/id/20130609
    [45] 云文丽, 侯琼, 王海梅, 等.不同土壤水分对向日葵光合响应的影响.应用气象学报, 2014, 25(4):476-482. http://qikan.camscma.cn/jamsweb/article/id/20140411
  • 加载中
图(9) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  1926
  • HTML全文浏览量:  321
  • PDF下载量:  23
  • 被引次数: 0
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

目录

    /

    返回文章
    返回