增温和降水变化对半干旱区春小麦影响及作物布局对区域气候变化的响应研究
增温和降水变化对半干旱区春小麦影响及作物布局对区域气候变化的响应研究
【摘要】： 通过大田模拟试验和长序列农业气象资料分析，研究了半干旱雨养农业区春小麦对温度升高和降水变化的响应规律；分析了气候变化对甘肃主要作物生长发育的影响及其气候变化对甘肃作物布局的影响。取得的主要结论有：（1）春季增温会显著加快半干旱区春小麦出苗速率。降水减少显著缩短了对春小麦营养生长期和生殖生长期。气候变暖使冬小麦发育期提前，而棉花除停止生长期推迟以外其它生育期均提前。冬小麦越冬期-返青期、乳熟-成熟期和全生育期明显缩短。棉花播种期-五叶期缩短，五叶-现蕾、吐絮-停止生长期和全生育期呈现延长的趋势。（2）增温和降水变化对拔节期春小麦株高无显著影响。增温和降水减少对灌浆期株高有极显著的影响。降水减少和增温的协同作用对春小麦地上干物质负面效应显著，而降水增加在一定程度上可以缓解这种影响。春小麦地下干物重随增温幅度的升高先增加后下降。（3）在增加降水和水分不变的情况下，1℃增温均有利于拔节期春小麦叶片Pn的提高，而2-3℃增温均限制了光合作用，暖干化不利于拔节期光合的进行。增温和降水减少的交互作用显著阻碍了春小麦后期的光合作用，增温抑制光合速率,降水增加对增温条件下的光合作用具有补偿作用。在春小麦前期（拔节期）光合速率下降的主要原因是气孔因素；在春小麦后期（灌浆期期）造成光合速率下降的主要原因是非气孔因素。随着温度的升高春小麦拔节期水分利用效率（WUE）降低，其中以降水减少处理下降最为明显，而降水增加和降水不变的处理则不显著。在灌浆期，降水减少20%的情况下水分利用效率（WUE）随着温度的增加而降低；在降水不变和增加的情况下随着温度的增加先上升后下降，其拐点温度分别为1℃和2℃。（4）随着增温幅度的增加春小麦潜在最大光化学量子效率（Fv/Fm）、实际光化学量子效率（ΦPSII）、光化学淬灭系数（qP）、电子传递速率（ETR）呈对数函数下降，降水减少处理下降更加明显。随着温度的增加春小麦NPQ先上升后下降，其拐点温度为增温2℃。降水量的增减均对春小麦荧光参数没有显著影响，说明在0-3℃增温幅度内，对降水增减20%表现不敏感。（5）随着温度的升高春小麦叶片脯氨酸（Pro）含量和可溶性蛋白含量上升；可溶性糖含量随着温度的增加而下降。在同一温度条件下降水减少使春小麦叶片脯氨酸（Pro）含量上升，可溶性糖含量和可溶性蛋白含量随降水的减少而下降。在降水减少或不变的情况下随着温度的增加春小麦叶片SOD活性在下降，在降水增加的情况下SOD活性随着温度的升高现增加后下降，其拐点温度为增温1℃，而POD活性均下降。随着温度的上升春小麦叶片丙二醛MDA含量和质膜相对透性（RC）增加。（6）降水减少和增温3℃组合春小麦穗粒数下降最为显著；在增温的条件下降水的变化对小麦千粒重有重要影响。随着温度的增加春小麦不孕小穗率呈现二次曲线上升，其中降水减少和增温3℃组合下不孕小穗率可达45%。最终导致春小麦产量随温度的增加而下降：在降水减少20%的情况下T1、T2和T3分别较对照下降-12.13%、-24.72%、-42.70%；在降水不变的情况下下降-8.37%、-15.10%、-21.82%；在降水增加20%的情况下下降-8.95%、-15.50%、-22.19%。冬小麦产量与越冬期间的最低气温显著正相关(R=0.67,P=0.023)，但与返青-孕穗和乳熟-成熟期间的最高气温显著负相关。冬小麦千粒重与六月最高气温可用多项式y=-0.336X2+15.848X-152.66(R2=0.4015)描述，当六月平均最高气温超过24℃时小麦千粒重开始下降。所以乳熟-成熟期间的极端高温是影响冬小麦产量的重要限制因子。冬季负积温和冬小麦越冬死亡率平均每10年减少74℃和2.4%，降水量是影响冬小麦气候产量的主导因素，生育期间降水每减少10mm，气候产量降低42.00kg/hm2。棉花产量与花前的平均最低气温、十月最低气温显著正相关，霜前花产量与十月最低气温显著相关。十月最低气温的变暖使棉花停止生长期推迟，有效的增加了棉花的干物质积累，从而提高了霜前花的产量。（7）春小麦籽粒淀粉含量随温度的增加而下降；籽粒蛋白质含量随着温度的增加而上升。在降水减少的情景下蚜虫数量随着温度的升高而减少，在降水增加和不变的情景下随着温度的增加而先升高后下降。春小麦锈病发病率随着温度的升高而上升。（8）气候变暖使干旱半干旱区春小麦适宜区缩小，不适宜区扩大；使半湿润高寒阴湿区春小麦适宜区扩大，不可种植区缩小；冬小麦最适宜和不适宜种植区面积缩小，适宜、次适宜和可种植区急剧扩大；马铃薯最适宜区和适宜区面积分别减小35%和3%，次适宜区和可种植区面积分别扩大18.5%和6.6%，不适宜区面积缩小2.0%；河西绿洲灌区和中部黄河支流灌区玉米最适宜种植区急剧扩大，适宜种植区缩小；河西绿洲灌区次适宜区缩小，中部黄河支流灌区扩大；河西绿洲灌可种植区变化不大，中部黄河支流灌区缩小；不适宜种植区缩小。在河东雨养农业区玉米最适宜种植区扩大，适宜种植区缩小，次适宜种植区扩大、可种植区缩小、不适宜种植区变化不大。
【学位授予单位】：甘肃农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
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