籽粒生长期高温胁迫下小麦产量形成的模拟模型研究

According to the urgent demand and research trend on the prediction of wheat productivity under high-temperature stress during grain growth period, a series of wheat pot experiments with different treatments of high temperature stress, were carried out under the daily variation rule of natural temperature in the artificial climate chamber. The objectives of this study aim to study the impacts of different treatment stages, levels and durations of high temperature and their combinations on wheat growth and productivity. Then, the physiological mechanisms of impacts on wheat growth and productivity under different high-temperature stress will be elucidated. Moreover, based on the exiting experiment and literature data, and by using systematic analysis method and dynamic modeling technology, the dynamic characteristics of growth process, grain development, 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 of wheat growth 'WheatGrow', the simulation model of wheat yield formation under high-temperature stress during the grain growth period will be developed. Finally, by integrating with the technology of GIS and the scenarios of future climate, the impacts on main wheat production areas in China of high-temperature stress during the grain growth period in the future climate conditions can be quantitatively analyzed. The expected results will provide quantitative tools and technical approaches for the security of wheat production in China and the establishment of adaptative strategy in the future climate conditions.

针对籽粒生长期高温胁迫下小麦生产力预测的迫切需求与研究动态，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高温胁迫处理的小麦盆栽试验，研究籽粒生长期不同高温时期、高温水平、高温持续时间及其互作对小麦籽粒发育和产量形成过程的影响，明确不同高温胁迫对小麦产量形成影响的生理机制；进一步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型技术，量化籽粒生长期高温胁迫下小麦灌浆持续期、籽粒发育、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，构建籽粒生长期高温胁迫下小麦产量形成模拟模型，进一步利用独立的高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，量化分析未来气候条件下籽粒生长期高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安全生产及适应性对策的制定提供量化工具与技术途径。

小麦生长发育和籽粒产量形成对高温胁迫极为敏感，高温胁迫已对小麦产量的提升带来了巨大风险。因此，迫切需要定量研究未来气候变化对我国小麦生产的影响。但目前作物生长模拟模型在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，尤其是在对极端温度胁迫的响应方面。本研究首先利用农业气象站点历史气象数据及小麦生育期资料，分析了近50年我国冬小麦主产区生育后期高温胁迫的时空分布特征，发现我国冬小麦生育后期高温胁迫最为严重的为黄淮冬麦区，北部冬麦区次之；除黄淮平原部分地区外，小麦生育后期高温胁迫在近50年呈明显加重的趋势，并且南部地区的高温胁迫加重的趋势较北方地区更为严重；此外，高温胁迫年际间的波动和灌浆期平均温度与小麦产量年际间的波动显著相关。根据历史高温胁迫状况，利用人工气候室在小麦开花期和灌浆期实施了高温胁迫试验，并利用试验观测资料系统检验了四个主要小麦生长模型对生育后期高温胁迫下小麦生长发育过程的响应。检验结果表明，模型对灌浆期高温胁迫效应的预测要好于对开花期高温胁迫效应的预测。四个模型对开花期高温胁迫下籽粒数、粒重等的模拟均明显不足。进一步通过定量分析，在已有WheatGrow模型算法的基础上，构建了高温胁迫对小麦生长发育各生理过程影响的模拟算法，检验结果表明本研究构建的新算法能较好地模拟高温胁迫下小麦生长发育和产量形成过程，使原有模型在高温胁迫下对地上部干物重、籽粒产量的模拟误差降低了57%和73%。最后，综合利用基于典型生态站点的模拟模型方法、基于栅格尺度的模拟模型方法以及基于历史观测数据的统计回归方法，模拟了温度升高对全球五个主要小麦生产国产量的影响。发现在不考虑CO2肥效以及适应性措施情况下，全球温度每升高1℃，全球小麦产量平均降低4.1%-6.4%。目前温度较高地区对小麦产量对全球温度升高比目前较冷的地区更为敏感。研究结果为气候变化背景下定量模拟和评估高温胁迫对小麦产量形成的影响提供了有效工具。