大气CO2浓度升高和增温影响作物需水量变化机理研究

Under the background of climate change in future, it is essential to understand whether the elevated atmospheric carbon dixide concentration [CO2] and warming will increase the crop water requirement or not, and if the increases in crop yield and water use efficiency (WUE) and decrease of crop water requirement are widely ubiquitous in different scales. In this research project, the field experiments of controling CO2 in different concentration levels and corresponding air temperatures within Open Top field Chambers (OTC) planting winter wheat to observe the responses of the factors,such as leaf stomatal conductance, net photosynthetic rate, transpiration rate, Ci, boundary layer conductance,soil moisture,leaf area, chlorophyllous content, yield constructure to climate change are to be conducted at Gucheng experimental station in North China Plain. The model of WOFOST calibrated by the observing data will used to simulate the water requiement changing trend. The purposes of this project are (ⅰ) to investigate the impact mechanism of elevating [CO2] and air temperature to change in winter wheat water requirement,(ⅱ) to quantitate the variation and the trend of winter wheat water requirement responding to elevating [CO2] and warming according to the results of WOFOST modelling, and (ⅲ) to optimize the relationships among yield, WUE and water requirement in three scales of leaf, canopy and yield (including photosynthate, dry matter and grain yield) to help making the available irrigation systems which can be adapted in higher [CO2] and temperature conditions.

在未来气候变化背景下，CO2浓度升高和增温是否增加作物需水量？提高作物产量和水分利用效率与降低需水量是否具有普适性？本项目选择华北平原冬小麦为研究对象，利用开顶式生长箱进行CO2浓度升高和增温控制试验，观测各生育期叶片气孔导度、净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率、边界层导度、土壤水分含量、发育期、叶面积、叶绿素含量、氮素含量、产量结构等生理生态指标，分析CO2浓度升高和增温影响冬小麦需水量变化的关键生理生态指标，研究CO2浓度升高和增温影响冬小麦需水量变化的机理；通过WOFOST作物模型模拟，定量描述CO2浓度升高和增温环境下冬小麦需水量变化趋势和规律；从叶片、冠层和产量尺度研究冬小麦产量、水分利用效率和需水量的优化耦合机理，提出CO2浓度升高和增温环境下冬小麦产量、需水量和水分利用效率三者之间优化耦合关系实现的途径,为制定适应高CO2浓度和高温气候条件下的冬小麦灌溉制度提供理论依据。

气候变化是21世纪全球面临的最主要环境问题。在未来CO2 浓度升高和气温增加的气候环境下，了解作物需水量如何变化对于未来小麦种植布局和结构调整及制定小麦灌溉制度、合理高效利用水资源和等具有重要意义。利用开顶式生长箱和实验室生长箱，通过不同浓度CO2 气体施加和增温处理对比试验，观测研究了CO2 浓度升高和增温影响小麦需水量变化的生理生态机理、变化趋势与规律，CO2 浓度升高和增温环境下小麦需水量变化与产量和水分利用效率变化的耦合机制。结果表明，增温提高了小麦群落和冠层温度，促进能量流动和水分循环，增加了小麦植株蒸腾和株间蒸发量，增加了小麦日需水量。试验结果线性分析显示，平均每增温1.0℃，冬小麦日均需水量增加11.5-19.0％。增温延长了冬小麦冬前生长期，缩短了冬小麦越冬期和返青-抽穗期，最终导致全生育期缩短。平均每增温1.0℃，冬小麦生育期缩短3-4 d。日需水量变化和作物生育期长度变化是影响作物需水量的关键途径，增温对小麦需水量的影响途径是小麦日耗水量增加和全生育期日数减少导致需水量减少共同平衡的结果。CO2浓度升高引起叶面积扩大、群落叶面积指数增大，同时也增加了叶片尤其是旗叶含水量和干物质。CO2浓度升高导致叶片气孔导度和蒸腾速率降低，改变了小麦叶片的功能，提高了水资源利用效率。但是，从叶片含水量和干物质变化状况分析，叶片气孔导度下降并没有降低小麦生育期需水量。叶片气孔导度的变化可能是叶片生理过程中的一个中间环节。最终，通过影响叶片对水分利用特性和延长生育期长度，CO2浓度升高增加了小麦需水量。增温和CO2 浓度升高增加了小麦需水量.需水量增加有助于提高小麦产量。在未来增温和CO2 浓度升高环境下，通过热量资源和CO2的不断增加和转入，小麦需水量、水分利用效率和产量三者是处于一种正反馈机制中。