拔节孕穗期低温冷害对小麦生长发育及产量形成影响的模拟研究

According to the shortage and urgent demand on the prediction of wheat productivity under low-temperature stress from jointing to booting stage, a series of wheat pot experiments under low temperature stress were carried out below the daily variation rule of natural temperature in the artificial climate chamber. The objectives of this study were to investigate the impacts of different treatment stages, levels and durations of low temperature and their combinations on wheat growth development and productivity. Then, based on the existing experiments data and literatures, and by using system ayalysis and dynamic modeling method, the dynamic characteristics of young spike differentiation, plant senescence, production of assimilate, distribution of assimilate and yield formation in wheat will be quantified. Furthermore, on the basis of the existing simulation model 'WheatGrow', the wheat growth development and yield formation model under low-temperature stress from jointing to booting stage will be developed. Finally, by combining with the GIS technology and future climate scenarios, the effects of low-temperature stress between jointing and booting stages in the main wheat production areas of China under the future climate conditions can be quantified. The results will provide quantitative tools and technical approaches for Chinese wheat security and the establishment of adaptive strategy under the future climate conditions.

针对拔节孕穗期低温胁迫下小麦生产力预测的不足与迫切需求，通过在全自动人工气候室实施自然温度日变化规律下不同低温胁迫处理的小麦盆栽试验，研究拔节至孕穗期不同低温时期、低温水平、低温持续时间及其互作对小麦生长发育及产量形成的影响；结合已有的试验和文献资料，利用系统分析方法和动态建模技术，量化拔节孕穗期低温胁迫下小麦幼穗分化、植株衰老、同化物生产、同化物分配及产量形成的动态特征，并基于课题组已有的小麦生长模型WheatGrow，构建拔节孕穗期低温冷害下小麦生长发育及产量形成的模拟模型，同时利用独立的低温胁迫下的小麦试验资料对所建模型进行检验和完善；最后结合GIS技术和未来气候情景，分析未来气候条件下拔节孕穗期低温胁迫对我国小麦主产区产量形成的影响。研究结果将为未来气候条件下我国小麦的安全生产及适应性对策的制定提供量化工具与技术途径。

全球气候变化导致极端低温事件频发，同时气候变暖也使得小麦低温敏感期提前，进而增加了小麦遭受低温冷害的概率，成为近年来引起产量不稳定的主要环境胁迫因子之一。因此，迫切需要对未来气候变化情况下我国的小麦生产进行定量化研究。目前作物生长模拟模型在用于评价全球气候变化对农业生产的影响时存在较大不确定性，其中尤其是对极端气候胁迫的响应。因此，迫切需要完善作物生长模型对低温胁迫的响应及预测能力。本研究首先利用农业气象站点历史观测温度数据及小麦生育期资料分析了近30年我国冬小麦主产区小麦拔节后低温胁迫的时空分布特征，发现我国冬小麦拔节后低温胁迫呈现显著的生态区域差异性，其中黄淮冬麦区低温胁迫最为严重，西南冬麦区次之；整个研究区域的低温累计日数和低温累计度日分别有45.9%和44.1%的区域出现增加，其中增加的最多的是低温最严重的黄淮麦区；此外，低温胁迫年际间的波动和拔节后平均温度与小麦产量年际间的波动显著相关。根据上述分析的历史低温胁迫状况，利用人工气候室对耐低温水平不同的两个冬小麦品种，在拔节期和灌浆期实施了自然温度日变化规律下不同低温水平和低温持续时间的小麦盆栽实验。利用人工气候室盆栽试验观测资料系统检验了APSIM-Wheat模型、CERES-Wheat模型、Nwheat模型、WheatGrow模型四个主要小麦生长模型对低温胁迫下小麦生长发育和产量形成的响应。检验结果表明，部分模型能够模拟低温胁迫对小麦生长发育中部分过程的不利影响，如叶面积指数动态和籽粒灌浆动态等。但四个模型对低温胁迫下穗粒数、粒重等的模拟均明显不足。通过分析低温胁迫下小麦的生育期、光合作用、LAI动态、干物质分配、籽粒灌浆、产量结构等变化，结合已有的WheatGrow模型，构建了低温胁迫对小麦生长发育各个生理过程影响的模拟算法。检验结果表明改进后的WheatGrow模型在低温胁迫下具有较好的模拟效果，研究结果可以为气候变化背景下定量模拟和评估低温胁迫对小麦生长发育及产量形成的影响提供有效工具。