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冬小麦生产力对气候变暖的响应与适应及其区域差异

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 气候变暖趋势

1.2.2 作物产量变化趋势及其影响因子研究

1.2.3 作物生长发育对气候变化的响应机制研究

1.2.4 作物系统对气候变化的适应机制研究

参考文献

第二章 研究方法及思路

2.1 研究目的和意义

2.2 研究区域

2.3 研究内容与方案

2.4 技术路线

2.5 研究材料与方法

2.5.1 历史数据来源与分析方法

2.5.2 田间试验材料与方法

参考文献

第三章 冬小麦主产区气候变化特征及其对生产的潜在影响

3.1 前言

3.2 材料与方法

3.3 结果与分析

3.3.1 冬小麦生长季气温时空变化特征

3.3.2 冬小麦生长季降水量和日照时数时空变化特征

3.3.3 气候变暖对冬小麦生育期的潜在影响

3.3.4 气候变暖对冬小麦生产力的潜在影响

3.4 讨论

3.5 结论

参考文献

第四章 冬小麦主产区产量变化特征及其与气候变化的关系

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.3 结果与分析

4.3.1 冬小麦总产和面积的变化特征

4.3.2 冬小麦单产的变化特征

4.3.3 冬小麦单产与气候因子的关系

4.4 讨论

4.5 结论

参考文献

第五章 冬小麦生产力对夜间增温的实际响应及其区域差异

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 试验材料

5.2.2 试验处理

5.2.3 测定项目与方法

5.2.4 数据处理与分析

5.3 结果与分析

5.3.1 关键生育期的实际响应特征

5.3.2 干物质分配与积累的响应

5.3.3 产量及其构成的响应

5.3.4 强势与弱势粒籽粒灌浆动态

5.3.5 生育期和生产力变化与背景气温的关系

5.4 讨论

5.4 结论

参考文献

第六章 冬小麦叶面特征和碳代谢对夜间增温的响应特征和机制

6.1 引言

6.2 材料与方法

6.2.1 试验材料

6.2.2 试验处理

6.2.3 测定项目和方法

6.2.4 数据处理与分析

6.3 结果与分析

6.3.1 灌浆期叶面特征

6.3.2 旗叶净光合及夜间呼吸速率

6.3.3 旗叶气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率

6.3.4 上三叶可溶性糖和淀粉含量

6.4 讨论

6.5 结论

参考文献

第七章 不同区域冬小麦营养品质对夜间增温的响应

7.1 引言

7.2 材料与方法

7.2.1 试验材料

7.2.2 试验处理

7.2.3 测定项目和方法

7.2.4 数据处理与分析

7.3 结果与分析

7.3.1 籽粒淀粉含量及组分

7.3.2 蛋白质含量及组分

7.4 讨论

7.5 结论

参考文献

第八章 冬小麦生产对气候变暖的实际适应及其机制

8.1 引言

8.2 材料与方法

8.3 结果与分析

8.3.1 近60年育成的品种特性演变

8.3.2 物候期的适应性

8.3.3 生育期的适应

8.4 讨论

8.5 结论

参考文献

第九章 全文讨论和结论

9.1 全文讨论

9.1.1 气候变暖特征及其对冬小麦生产的影响

9.1.2 气候变暖对冬小麦的增产效应

9.1.3 田间开放式夜间增温下冬小麦增产的机制

9.1.4 冬小麦对气候变暖的适应及其机制

9.2 主要结论

9.3 本研究创新点

9.4 本研究的展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的主要论文

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摘要

过去100年全球平均气温已经上升0.74℃,且未来100年全球气温仍将上升1.8-4.0℃。就中国而言,2000-2050年平均气温将升高1.2-2.0℃,冬春季即冬小麦生育期内气温上升尤为显著。温度是影响小麦生长发育的最关键因子之一,探明气候变暖对冬小麦生产的影响,对我国冬小麦生产应对气候变化和中长期粮食安全战略决策具有重要意义。至今已有的相关研究多基于模型模拟和历史资料的分析,部分试验研究也多在人工控制环境下进行,很难真实全面的反映田间实际气温升高对冬小麦的影响。为此,本文以我国冬小麦主产区为研究对象,采用历史资料挖掘和田间增温试验相结合的方法,就气候变暖对冬小麦生产的影响进行系统研究。重点分析区域内气候变化特征,产量变化特征及其与气候变化的关系,探明冬小麦生长对气候变暖的实际响应和适应特征及其生物学机制,拟为气候变暖背景下冬小麦品种改良和种植区域调整提供理论与技术支撑。本文主要结论如下:
  (1)1989-2009年区域内冬小麦生长季日平均气温、日最高气温和日最低气温分别以0.67℃decade-1、0.55℃decade-1和0.52℃decade-1的速度升高(P<0.05),且升温幅度呈现显著的区域差异。根据积温法理论推算,1989-2009年间,全区域冬小麦播种期以0.8ddecade-1(P<0.01)的速度推迟,但开花期和成熟期分别以4.1ddecade-1和5.1ddecade-1(P<0.01)的速度提前。全区域内冬小麦光温生产潜力以71.7kghm-2year-1的速度极显著增加(P<0.01),其增幅呈现由东向西递增趋势,以西北部增幅最高,达150kghm-2year-1。
  (2)依据1989-2009年地市级农业统计数据和气象数据,分析地市级实际产量、滑动平均法去趋势产量和一次回归法去趋势产量变率与气象因子的变率的关系,发现气候变暖显著影响冬小麦产量,但产量对不同的气象因子的响应不一致。其中,以日最低气温与产量变化相关性最高。在地级市尺度上,根据实际产量、滑动平均法去趋势产量和一次回归法去趋势产量变率估算,在未来的气候变暖背景下,日最低温升高1℃,冬小麦产量分别以538.0kghm-2a-1、21.7kghm-2a-1和33.5kghm-2a-1的速率增加。同时,通过分析16个中长期定位试验点产量与气象因子的关系也发现了相似的规律。
  (3)三年的夜间增温试验结果表明,镇江、河南、徐州和石家庄冬小麦开花期分别平均提前了3d、5d、6d和7d,成熟期分别提前了1d、2d、1d和2d,但花后生育期长度分别延长了2d、3d、5d和5d。同时,夜间增温下,镇江、河南、徐州和石家庄冬小麦地上部总生物量较对照3年平均分别增加了20.8%、19.6%、12.3%、18.5%,产量3年平均分别提高了8.9%、13.9%、11.8%和11.7%,均达到统计显著水平(P<0.05)。分析产量构成发现,冬小麦产量提高主要归功于千粒重和每穗粒数的增加,其中,夜间增温处理下镇江、河南、徐州和石家庄冬小麦千粒重3年平均分别增加了4.7%、6.0%、6.7%和7.1%(P<0.05)。区域分析表明,夜间增温下,生育期长度变化和冬小麦生产力变化与背景气温负相关,背景温度越低,变化幅度越大。
  (4)试验发现,夜间增温显著提高旗叶与花后总绿叶面积,其增加幅度分别为38.3%和12.6%(P<0.05)。与此同时,旗叶的净光合速率和呼吸速率也分别提高了2.8μmolCO2m-2s-1和0.6μmolCO2m-2s-1。夜间温度升高,冬小麦叶片可溶性糖和淀粉含量在夜间较对照下降幅度更大,但白天增加幅度亦更大,且白天增加幅度高于夜间下降幅度,说明在夜间温度升高条件下,冬小麦叶片由于夜间呼吸的增加,存在光合过补偿现象。
  (5)夜间增温下,4个试验点冬小麦总淀粉和直链淀粉含量变化趋势一致。镇江和河南冬小麦总淀粉含量较对照分别平均降低了5.6%和1.4%,直链淀粉分别降低了9.3%和23.4%;但徐州和石家庄冬小麦总淀粉含量分别增加了7.7%和6.4%,直链淀粉增加了11.6%和9.3%。夜间温度升高趋向于降低籽粒蛋白质含量,但单位面积蛋白质总产量呈现递增趋势。在2008-2009生长季,夜间增温使镇江、河南、徐州和石家庄冬小麦籽粒蛋白质含量较对照分别下降了0.7%、0.7%、8.4%和7.67%,但籽粒蛋白质产量较对照分别增加了10.3%、4.7%、1.5%和5.5%。
  (6)近60年我国育成并推广的冬小麦新品种生育期和春化过程呈缩短趋势,抗寒性下降。北部冬麦区育成品种生育期长度以1.00ddecade-1缩短,冬性小麦品种比例下降,弱冬性小麦品种比例增加;黄淮麦区育成品种生育期基本稳定,但冬性和偏春性小麦品种比例下降,弱冬性和春性小麦品种比例增加;长江中下游冬麦区育成品种生育期长度以0.41ddecade-1的速度缩短,春性小麦品种比例增加,弱冬性和偏春性小麦品种比例下降。根据1992-2009年田间观察数据分析,区域内冬小麦播种-抽穗和全生育期天数以0.66ddecade-1和0.42ddecade-1的速度缩短,但抽穗-成熟天数以0.28ddecade-1的速度延长,且播种-抽穗、全生育期天数生育期内气温呈显著负相关,抽穗-成熟天数与日平均气温和日最高气温呈负相关,但与其日最低气温呈正相关。区域差异分析表明,与1990s相比,2000s播种-成熟缩短天数呈现由东至西递增趋势。

著录项

  • 作者

    陈金;

  • 作者单位

    南京农业大学;

  • 授予单位 南京农业大学;
  • 学科 作物栽培学与耕作学
  • 授予学位 博士
  • 导师姓名 张卫建;
  • 年度 2013
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 S162.53;
  • 关键词

    冬小麦; 气候变暖; 生产力; 夜间增温; 区域差异;

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