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干旱對作物生長過程影響機理及研究方法

時間:2014-12-08 來源:未知 作者:小韓 本文字數:7356字
論文摘要

  引言

  農業生態系統是人類利用農業生物與非生物環境之間以及生物種群之間的相互關系建立起來,并按照人類的社會需求進行物質生產的有機整體,是一種被人類馴化、較大程度受人類控制的生態系統。植物凈第一性生產力(Net Primary Productivity, NPP)反映了生態系統植被吸收碳的能力,是物質與能量運轉研究的基礎。農業生態系統是陸地生態系統的重要組成部分。全球耕地面積占陸地面積的1/10,農業生態系統平均每年的NPP約為3.5 Pg C,隨著作物產量的升高,農業生態系統對全球碳循環的作用將越來越大。

  干旱是一種對經濟、社會、環境帶來巨大影響的自然現象,對農業生態系統的影響尤為嚴重,其影響農作物的正常生長,給農業生產造成了巨大損失。20世紀90 年代,中國平均每年受旱面積為 2733 萬 hm2,糧食因旱減產量與總產量之比達到了4.7%。在全球氣候變化的背景下,大氣CO2濃度的升高一定程度上可以提高水分利用效率,但是降水的減少和時空不均衡分布,加之溫度升高帶來的蒸散,增加影響了作物生長的水分環境,在全球很多地區造成了作物減產。隨著全球氣候變化的逐年加劇,干旱發生的頻率、持續時間和危害度逐漸上升。中國是一個農業大國,同時也是一個干旱頻發的國家,隨著中國人口增加,對農產品需求日益增加,干旱的頻發將直接威脅中國的糧食安全。

  干旱對陸地生態系統生產力的影響主要表現在:降低光合作用效率,干旱通過影響氣孔導度和限制蒸騰和水分吸收抑制光合作用效率;導致葉面積指數下降,降低生態系統的總初級生產力;改變生態系統的自養和異養呼吸;土壤溫度升高和降雨量的變化使土壤微生物活動發生改變,必然引起土壤養分發生變化;通過引發火災、病蟲害等其他干擾形式間接影響生態系統生產力等。相比于森林、草地生態系統,農業生態系統的物種相對單一,農作物是農業生態系統的主體,干旱對農業生態系統生產力的影響主要體現為限制農作物生長。干旱影響農作物生長的多個方面:干旱降低光合作用效率,影響干物質在農作物體內的分配,且干旱對農作物生長的影響與作物生長階段差異有很大關系等。同時,與其他陸地生態系統不同,人類是農業生態系統的重要組成部分,人類通過合理的農田管理措施可以緩解干旱對農業生態系統的影響,降低干旱造成的作物減產損失。

  干旱持續時間長,影響范圍廣,受災地區農作物品種復雜,干旱對農業生態系統影響的研究方法需要具備一定區域推廣性、多品種適用的特點。因此,本研究在綜述干旱對作物生長過程影響機理的基礎上,總結了干旱對作物生態系統生產力影響的研究方法,以期為該方面研究的繼續深入提供指導。

  1 干旱對作物生長過程的影響

  農作物是農業生態系統的主體。干旱對農業生態系統生產力的影響研究集中在干旱對農作物生長量以及產量的影響上。干旱對作物生長影響方式主要體現為影響正常光合作用以及干物質的體內分配上。由于作物生長具有一定的生長模式,作物不同生育期需水存在差異,因此干旱對作物生長的影響因發生時期不同也有所差異。

  1.1 干旱對光合作用的影響

  干旱通過影響作物光合作用使農業生態系統發生變化。NPP主要由葉片吸收的太陽輻射而形成,葉片將太陽輻射轉化成干物質的效率受水分和養分條件的制約,并通過生物量和作物產量的變化來反映干旱的影響。植物光合作用效率是植物生產力和作物產量高低的根本決定因素。光合作用將無機物質轉化為有機物,同時固定太陽光能,是地球上最重要的化學反應,作物在一定水分脅迫條件下,光合作用的同化能力明顯下降。

  許多普通作物,包括小麥、水稻、大豆等均屬于C3植物。C3植物的光合抑制主要通過2種方式:氣孔限制和非氣孔限制。氣孔限制一般發生在水分脅迫較輕的情況下,隨著干旱脅迫的持續時間和脅迫程度的不斷加重,非氣孔限制起主要作用。Torrecillas等觀察2種西紅柿在水分虧缺下的生長,土壤水分控制在 50%田間持水量,發現最低葉片水勢降至-1.8 MPa 和-1.4 MPa,作物的葉片氣孔導度出現了明顯下降,以降低水分的過多散失,但氣孔的關閉卻導致了體內用于光合作用的CO2濃度的降低,從而降低了光合作用效率。很多相關研究表明,作物對于環境的響應主要由體內的激素所控制,作物體內水勢的輕微變化會導致體內pH值的變化,從而改變由根部合成的脫落酸(ABA)濃度,進而影響氣孔行為。在此條件下,Lawlor等認為作物的潛在光合作用效率并沒有明顯降低,如果加大CO2濃度減少干旱對作物生長的影響,但是,隨著葉片含水量的不斷降低,因三磷酸腺苷(ATP)供應不足以及核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)活性降低將會導致作物潛在光合作用效率出現下降,非氣孔限制因素成為干旱影響主要因素,將更大幅度地影響作物的光合作用效率。

  1.2 干旱對干物質分配的影響

  作物葉片直接決定了光合利用率以及最終的產量,葉片面積的增大可以提高光合作用率,并提高最終的產量。根系的生長延伸以及在土壤中的空間分布可以擴大作物的可用水源范圍,提高根系吸收土壤水分的能力。干旱脅迫直接影響作物光合產物的運輸與分配。干旱條件下,作物產量與干物質的分配過程尤其是根部的空間分布有很大相關。干旱條件下地上與地下物質的合理分配可以降低干旱對作物生長的影響。

  干旱脅迫通常會限制葉片的生長,增大干物質向根部的轉移,降低地上/地下生物量比。干旱脅迫使作物分配到根的生物量、功能根的數量和長度都會增加。適度的干旱脅迫可以改善根系的形態,增加分枝次(級)數以及深層根數量和長度。提高根系活力,使作物更加充分地利用土壤水分,而嚴重干旱脅迫會導致作物次生根數量減少,影響根毛發育。李博等通過研究玉米在直接干旱和漸進干旱下不同水分等級下的根系生長過程,發現玉米在干旱脅迫條件下根系細胞排列會更加緊密,物質構成也會發生改變,內外皮層木栓質和木質素含量增加,根系導水率提高,并且水分虧缺會導致細根(直徑0.05~0.25 mm)比例降低,增加 中 等 根( 直 徑 0.25~0.45 mm)和 粗 根( 直 徑 >0.45 mm)。齊健等通過水分控制試驗發現,當發生水分脅迫時,干物質積累也發生相應變化,玉米根系和地上部的生物量都出現了降低,但根系會改變自身形態結構和構型,根冠比上升并影響地上部“光系統”的建成和產量。玉米在干旱脅迫條件下根重、根數與產量所呈現的顯著正相關關系,也被韓希英等和高世斌等的試驗所發現和證明,并認為根系與耐旱性關系十分密切可以作為作物耐旱性的重要性狀。但是有研究表明,并不是所有的干旱條件都能導致根冠比的升高。胡繼超等研究表明,水稻各時期短期水分脅迫后,各器官干物重、總干物重均明顯降低。在4個處理時期(有效分蘗期、穗分化期、抽穗開花期、灌漿期)受水分脅迫后,根、葉的分配指數均降低,特別在抽穗前降低明顯,但是在抽穗后降低較小,干旱脅迫后莖鞘的分配指數均較高。

  1.3 不同生長階段干旱對作物產量的影響差異

  作物具有一定的生長特性,在各個物候期的需水量存在差異,因此干旱的發生時期不同,對作物影響方面和對產量的影響程度也存在差異。此外,干旱的發生也會對加速或延遲物候期,從而改變作物的生長時間。

  拔節期干旱脅迫對小麥葉片影響最大,抽穗期干旱脅迫對莖稈影響最大,開花期干旱脅迫對穗數和穗粒數影響最大,開花后持續干旱則主要影響千粒重。

  抽穗期之前根、冠同步生長呈正相關,之后則變為負相關。作物水分生產函數可以作為計算各個階段水分虧缺對產量影響的重要工具。Zhang等利用Jensen作物水分生產函數,通過對華北地區不同地區開展的針對冬小麥的水分控制試驗計算各個物候期的水分敏感系數,發現作物生長中期(抽穗、開花)對產量的影響最大。開花至成熟是小麥一生中耗水的高峰期,也是小麥一生中第2個光合作用高峰,小麥產量的70%以上來源于開花后光合產物。冬小麥開花后輕度的干旱脅迫能使其在較長時間內保持較高的光合速率,有利于籽粒充分灌漿而獲得高產;中度脅迫和重度脅迫處理開花前雖然光合速率較高,但開花后卻急劇下降,造成灌漿受阻、產量降低。而王石立則在考慮作物不同發育階段對水分脅迫的敏感性的基礎上構建了冬小麥生長模式,并與不同水分處理的實測值的誤差在10%左右,將有助于實現不同階段干旱對冬小麥最終生物量的影響評估。就干旱對冬小麥物候期長短的影響而言,前期干旱會明顯縮短籽粒灌漿過程,灌漿峰值較水分適宜時低。即使前期供水適宜,孕穗、抽穗、灌漿連續缺水,也會明顯縮短灌漿持續時間,出現早衰現象,穗粒數減少,粒重降低,導致減產。

  對玉米而言,Igbadun等利用多種作物水分生產函數都驗證了在開花階段的水分脅迫對產量的影響最為明顯。在抽雄—灌漿中期,恰為營養轉向生殖生長,同時進入開花授粉階段,達到灌漿高峰期。這期間作物體內新陳代謝旺盛,莖稈和葉片等的大量營養物質需向籽粒轉移。干旱脅迫對作物同化物質積累和儲藏極為不利,進而影響營養物質傳輸與再分配。水分充足條件下,莖稈營養物質向籽粒轉移量大,有限供水次之,而重旱脅迫下,莖稈營養物質向籽粒的轉移量小且遲緩,由此影響到玉米果穗性狀和產量。楊國虎等通過不同的水分處理,發現干旱條件下在大喇叭口期—乳熟期具有較大的葉面積對于獲取較高的生物量和籽粒產量具有很大作用。就干旱對玉米生長期時長的影響而言,陶世蓉等利用大型防雨設備池載,在玉米的不同階段設置干旱情景發現,生育前期遇到干旱脅迫將使生育進程明顯延緩,嚴重干旱時可使抽雄和吐絲期滯后,導致成熟期推遲,最終影響產量。白麗萍等發現,由于玉米生育前期遭受干旱脅迫,將致使生育進程明顯延緩,嚴重干旱脅迫可使抽雄、吐絲期平均滯后4天左右。

  2 干旱對農業生態系統生產力影響的研究方法

  干旱對生態系統生產力影響的研究主要通過2種方式:對歷史干旱影響過程進行分析或通過設定干旱情景進行研究。國內外關于干旱對農業生態系統生產力影響的研究方法主要集中在2類:農學試驗方法和機理模型。農作物在不同的生長時期內生長特性有所差異,對光照、溫度、水分等外界環境要素的需求也不盡相同。因此,在農業研究中通常通過在作物生長的某個特定階段,改變作物的生長環境來分析作物的各種反應。

  2.1 農學試驗方法

  在農學試驗中通常采用梯度水分供應的方式,在不同的水分供應條件下測定作物某些特定指標值來反映作物對水分脅迫的反應。水分控制試驗一般采用盆栽、池栽等方式進行。盆栽是農學試驗的重要手段,高素華為了研究干旱脅迫對抽雄期玉米葉片光化效率和光合作用速率的影響,在抽雄期前10天將盆栽的玉米移入人工氣候室中,保證除水分條件之外的其他條件保持不變的前提下開始土壤水分控制,將土壤水分設為5個等級,分別為占田間持水量80%(對照試驗)、60%(輕度干旱)、50%(中度干旱)、40%(中重度干旱)、30%(中度干旱)。在每個氣室均有 5 個水分處理,水分處理為4個重復,土壤濕度由80%降到處理30%,在不同溫度下光化效率可降低1%~8%,光合作用速率最大減幅達80%左右。盆栽試驗較為限制作物根的生長空間,難以推廣到大田作物,池栽則最大可能還原大田的實際生長條件。白麗萍等采用池栽研究土壤水分脅迫對玉米形態發育及產量的影響。每個實驗池面積4 m2,深1.5~2.0 m,四周用水泥層隔離,池內利用鋁管分層測定土壤含水量,播種時每池澆灌相同水量,在三葉期—成熟期進行全程水分控制,以占田間持水量的百分比計算分為3個等級。并用大型活動遮雨棚隔絕雨水。通過測定株高、莖粗、產量等要素分析不同干旱條件對玉米生長的影響,研究表明,土壤水分脅迫無論輕重均對玉米的生長發育有所阻礙,重旱在生育前期就已表現,輕旱則在大喇叭口期后才予以呈現,繼而導致玉米生物產量大幅降低。

  農學試驗依然是當今干旱研究的重要手段,可以較準確地反映干旱對作物生長影響的各個方面,試驗結果較為可靠,在試驗區范圍內具有較強的推廣性。

  但是,農學試驗一般需要1個或多個生長季,耗時較長,并且在大尺度上開展難度較大,具有明顯的時空局限性。

  2.2 作物生長機理模型模擬

  隨著計算機技術的發展,基于作物生長機理構建的作物生長模型已成為研究干旱對作物生長影響的重要手段。作物生長模型可以模擬作物在不同條件下的生長過程,輸出模擬的作物產量以及作物生長過程中的各種指標(生物量、葉面積指數等),可以較好的模擬作物在受到包括水分脅迫在內各種環境下的生長過程。作物生長模型可以模擬在植物生長過程中水分對生長影響的各個方面,包括降水、水分入滲和再分布、水分蒸發與吸收以及干旱對作物生長和產量脅迫的過程,定量描述水分脅迫對作物生長發育狀況、干物質積累與分配,較好地體現作物對水分不適的反應。Lal等利用CERES模型,模擬了印度西北部未來氣候缺情景下水稻的生長狀況,發現水分虧缺對作物產量的影響不能通過CO2濃度的升高而減弱,經減產達到20%。O’Neal等利用CERES-Maize模型研究降水的時空分布對玉米產量的影響。宋艷玲等則利用WOFOST模型,模擬了1961—2000年干旱對中國冬小麥產量的影響,結果顯示1961—1980年干旱使中國冬小麥平均減產4.6%,使北方冬麥區平均減產12%,并揭示了中國北方春季降雨量對冬小麥產量影響的重要性。為了提高模型在干旱對農作物生長影響方面的模擬精度,相關科學家進行了驗證和改進工作。Jamieson通過試驗驗證了 SUCROSE、CERES-Wheat、AFRCWHEAT2、Sirius、和 SWHEAT 模擬干旱條件下冬小麥生長的精度。Ewert等通過試驗與模型相結合的方法研究干旱對于春小麥生長的影響,并探索提高模型反映CO2濃度升高與干旱共同作用的能力。

  作物生長模型建立在對作物的生長規律掌握和量化的基礎上,但是,農作物的生長受包括溫度、水分、養分等諸多因素影響,影響機制較為復雜,現階段作物生長模型不能將所有的因素考慮周全,模擬結果的不確定性較大,并隨研究范圍的擴大而增大。

  3 應對干旱的優化灌溉策略研究

  農業生態系統是人為因素占主要地位的生態系統,人類活動對農業生態系統的影響較為突出。為應對干旱等不利因素對農業生態系統的影響,各種應對措施包括加強農田基礎設施建設、開展抗旱品種的研制與推廣、改變種植結構以及采取包括興修水利設施、節水優化灌溉以肥養水等各項農田管理措施等。

  在諸多干旱應對措施之中,節水優化灌溉技術則是應用最為廣泛、且效果最為直接、顯著的抗旱方法,且尤其適用于水資源較為匱乏的地區。優化灌溉不僅能提高抵御干旱的能力,提高作物產量,而且可有效提高水分利用效率。農作物生長有一定的需水規律,在不同發育階段對水分的需求有較大差異,并非全生長期都要求土壤濕潤才能穩產高產。因此,通過提高對水分較為敏感、對產量影響較大的時期的灌溉量,可顯著 提 高 水 分 利 用 效 率 ,達 到 節 水 灌 溉 的 目 的 。

  Choudhury 等將小麥的生長期劃分成3個階段,通過分析每個階段的需水特點,最終得到合理的灌溉策略。Erdem等在土耳其對西瓜進行灌溉試驗,發現西瓜生長過程中的開花階段對水分脅迫的影響最為敏感。Li等利用這種方法分析了中國吉林玉米、大豆、高粱的水分敏感期。此外,相關學者還以作物水分脅迫指數(CWSI)等監測作物體內含水狀況的指標為工具制定了應對干旱的合理的灌溉方式。Yazar等提出了在美國德克薩斯州當玉米的CWSI達到0.33時需要對其進行灌溉。Alderfasi等在美國試驗得到了小麥的無水分脅迫基線,用于計算CWSI監測小麥的生長以及制定合理的灌溉策略。Orta等在美國進行西瓜灌溉試驗,試驗得到CWSI,發現作物水分脅迫指數與西瓜的產量存在線性關系,并且得到整個生長季CWSI的平均值為0.41時,可以得到最大的產量。

  作物生長模型已成為水分管理研究的重要手段。作物生長模型可以根據水分脅迫的程度靈活的控制灌溉量,從而更有利于進行水分脅迫的適應性研究。Bryant 等利用EPIC作物生長模型模擬不同的灌溉時間和灌溉量對作物產量的影響。Rinaldi等利用EPIC 模擬意大利向日葵在不同的灌溉策略下的生長,結果表明開花期為最需要灌溉的時期,并且認為250~300 mm 的灌溉總量可以得到較高的水分利用效率。

  Panda 等利用CERES-wheat模型制定了印度小麥生長的最優灌溉策略。Singh 等利用試驗結果對CERES 和 CropSyst 模型模擬水分和營養元素對小麥的共同作用的能力進行驗證和提高,擴大了模型的應用范圍。

  現階段依靠農田實地試驗和生長模型模擬開展的節水灌溉研究多集中在提高重要時期的灌溉效率方面,干旱發生后如何采取合理的應對措施降低損失方面的研究較少。研究也多集中在站點尺度上,在區域或更大尺度上開展的研究將更有利于為水資源的區域利用提供參考,以期提高整個地區抵御干旱的能力,降低干旱對農業生態系統生產力的影響。

  4 總結與展望

  農業生態系統是陸地生態系統的重要組成部分。

  隨著作物產量的升高,農業生態系統對全球碳循環的作用越來越大。農業生態系統物種較為單一,生態系統較為脆弱,易受到外界因素的影響。近些年隨著全球氣候變化,干旱發生的頻率、等級逐漸升高,其對農業生態系統生產力的影響已成為農業生態系統研究的重點方向。

  農作物是農業生態系統的主體,國內外在干旱對農業生態系統生產力影響的研究主要集中在干旱影響農作物生長以及合理的農田水分管理方面。在此方面的研究方法主要集中在2類:農學試驗方法和機理模型模擬。基于農學試驗,結合農業生態系統模擬模型,在不同尺度上開展干旱對作物生長影響是當前研究的趨勢。掌握干旱對農業生態系統影響機理,通過試驗、模型等方法研究提高水分利用效率的灌溉策略是發展節水農業的新途徑。

  此外,目前干旱對農業生態系統的影響主要集中在微觀農作物生長、農田尺度等較小尺度上開展,針對區域及更大尺度上的研究較少;研究一般依托歷史數據或人為設定情景開展,缺少干旱應急管理方面的研究;研究多集中在單次干旱過程對農業生態系統生產力的影響,并沒有反映干旱對農業生態系統生產力在較長時間尺度上的變化。現今,全球氣候變化導致嚴重干旱等極端天氣頻發,在區域尺度上分析干旱對農業生態系統生產力影響,已成為研究的一個重要目標。

  參考文獻
  
  [1] 高志強,周清明.農業生態系統的耗散結構特征探析[J].農業現代化研究,2009,30(4):471-474.
  [2] 張杰,潘曉玲,高志強,等.干旱生態系統凈初級生產力估算及變化探測[J].地理學報,2006,61(1):15-25.
  [3] Goudriaan J, Groot J J R, Uithol P W J. Productivity of Agro-ecosystems[M].J. Roy,et al.,Terrestrial global productivity SanDiego: Academic Press,2001:301-313.
  [4] 李潔,寧大同,程紅光,等.基于 3S 技術的干旱災害評估研究進展[J].中國農業氣象,2005,26(1):49-52.

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