土壤水分亏缺与臭氧胁迫对冬小麦的交互效应及其生理机制和评估方法

The occurrence of soil moisture deficit and drought episodes often accompany with ozone stress during the reproductive stage of plants under global climate change scenario. The soil moisture deficit and ozone stress are the main abiotic factors inducing decreased NPP of vegetation and crops yield. Wheat is one of the most sensitive to ozone with biggish intraspecific differences, which sensitiveness modified by soil moisture and so on environmental variables. Therefore, the proposal intends to conduct field experiments by open top chamber (OTC) for different climates in Southern and Northern China. The interactive effects between soil moisture deficit and ozone stress on growth and yields formation of different cultivars of winter wheat will be investigated, based on the index of growth and yields, parameters of gas exchange and Chlorophyll a fluorescence. Meanwhile, the physiological mechanism of antioxidation, stomatal and no-stomatal limitations, with difference characteristics among different wheat cultivars will be analyzed. In addition, the evaluation models of interactive effects will be parameterized and developed on the strength of stomatal and no-stomatal limitations perspective, respectively. The research results will effectively pushed forward the accuracy assessment of food crops yields. Simultaneously, the research achievements will provide theoretical basis and decision-making reference for breeding appropriate cultivars of ozone tolerance and drought-resistant, for utilizing stress-resistance products and irrigation management, for drafting laws and regulations of emission control of ozone precursors.

全球气候变化背景下，植物生长季的土壤水分亏缺或干旱事件的发生常伴随着臭氧胁迫，是造成植被生产力减少和作物产量损失的重要非生物因子。而小麦是对臭氧最为敏感的作物之一，且存在较大的种内差异，并受到土壤水分等环境变量的调节。因此，本项目拟在江苏南京和河北固城南北两种不同气候条件下，基于大田开顶式气室(OTC)试验，结合作物生长、产量指标，以及气体交换参数和叶绿素荧光参数，开展土壤水分亏缺和臭氧胁迫对不同品种冬小麦生长和产量形成的交互效应，及其抗氧化、气孔限制和非气孔限制的生理机制研究，并分析其品种间的差异性，同时，分别基于气孔限制和非气孔限制视角，建立交互效应评估方法。项目的研究对于粮食作物产量的精确性评估将起到积极作用，同时，为抗旱性和臭氧耐受性冬小麦品种的选育，作物抗逆产品的使用和农田灌溉等种植管理手段，以及臭氧前体物排放控制相关法律法规提供理论依据和决策参考。

全球气候变化背景下，高浓度臭氧胁迫和干旱事件在全球大部分区域的作物生长季经常同时发生，是造成植被生产力减少和作物产量损失的重要非生物因子。作为对臭氧最为敏感的作物之一，本项目以冬小麦为研究对象，开展不同水分亏缺条件下臭氧对冬小麦伤害的效应的观测研究；研究土壤水分亏缺的时空变化特征及其对产量的影响研究；开展土壤水分亏缺条件下臭氧胁迫对冬小麦的伤害效应及其生理机制研究；建立土壤水分亏缺和臭氧胁迫交互作用下的冬小麦气孔导度模型及产量损失评估方法。通过本项目的研究，积累了大量的观测和试验资料；探明了不同土壤水分亏缺条件下冬小麦生长、产量和光合指标，以及臭氧吸收通量的差异性；揭示了干旱情景下的水分胁迫诱导了冬小麦气孔导度下降，臭氧吸收通量下降，从而减少了臭氧对冬小麦的伤害作用，起到了“保护”作用；明确了冬小麦气孔导度和脱落酸浓度、叶片水势关系的参数化模型，构建了土壤水分亏缺胁迫函数，基于光合机理、水力导度和化学信号驱动、臭氧影响下的最大羧化速率衰减系数以及物候影响，建立了气孔导度耦合模型，并揭示了其在计算臭氧吸收通量与传统Javis气孔导度模型相比的优越性，也即过去的臭氧吸收通量的估算低估了臭氧对冬小麦的伤害作用。明确了基于气孔导度耦合模型的土壤水分亏缺和臭氧胁迫交互作用的冬小麦产量损失评估方法。本项目的研究结果对于当前干旱高发，臭氧浓度高位的逆境条件下的粮食安全评估具有重要的指导价值，对于揭示全球气候变化背景下干旱和臭氧的双重胁迫对冬小麦等农作物影响的交互效应具有重要的科学意义，同时，为抗旱性和臭氧耐受性冬小麦品种的选育，以及农田灌溉等农业种植管理手段提供理论依据和决策参考。