：随着经济的快速发展，空气污染加剧，灰霾天气发生频率增加，导致到达地面的太阳总辐射减少，散射辐射比例增加，从而影响作物生长和粮食安全。本研究以单季稻品种“南粳46”为试验材料，采用塑料薄膜进行遮荫处理，模拟不同程度灰霾天气条件对水稻地上部干物质分配的影响。试验结果表明：与CK相比，T1处理条件下，水稻地上部各器官干物质分配指数与CK的差异不明显。而T2处理条件下，水稻叶的干物质分配指数升高，茎的干物质分配指数降低，籽粒的干物质分配指数也有所下降。关键词 ：灰霾；太阳辐射；干物质分配；分配指数The impacts of changed radiation by haze on dry matter partitioning of riceStudent majoring in agronomy WangruqinTutor LigangAbstract: With the rapid development of economy and the aggravation of air pollution, the weather of ash haze increased frequently, which decreased the total solar radiation and increased the ratio of scattered radiation, thus influenced the growth of crop and the security of food. Our research used “Nangeng 46” ,a single cropping rice variety, as the experimental material. To simulate varying degrees of ash haze, we used plastic film to conduct the shade condition. The results indicated that: the dry matter distribution of rice leaf increased and that of rice stem and panicle decreased under T2, While the difference w
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as insignificant for T1 compared with CK.随着经济的快速发展，工业化以及城市化进程逐步加快，化石燃料消耗量剧增，土地利用情况也发生变化（由森林、草地向耕地以及由农林用地向城建和工业用地转变），导致地球空气污染加重，灰霾天气发生频率逐渐增加[1-2]。作为地表能量的直接来源--太阳辐射，也会受到灰霾天气的影响。未来在没有经济可行的可再生或替代能源的情况下，化石燃料消耗和土地利用方式改变仍将继续增加和加快，从而使我国灰霾问题持续加重。由于灰霾天气影响范围大，持续时间久，并且在我国经济发达的作物高产地区（长江中下游、华北和华南）发生的频率和强度更大[3-4]，其对我国作物生产的影响可能不小于其它类型的极端天气事件（如高温、干旱、冷害和冻害等），从而直接威胁我国粮食安全。灰霾会导致到达地面的太阳辐射减少。1955−2000的45年间，我国太阳辐射平均每年下降3.1 W m-2[5]，太阳辐射强度减少一方面导致作物叶片光合速率下降、干物质积累量（生物量）减少；另一方面，在太阳辐射减弱的条件下，作物生物量中分配给叶片的比例增加，而分配给籽粒的比例降低，进而导致作物产量下降。但是，灰霾在导致到达地面的太阳辐射减弱的同时，也使得地面太阳辐射中散射辐射的比例增加[6]。散射辐射在作物冠层中的衰减速率低于直射辐射，因此其在冠层中的分布比直射辐射更均匀（即下部叶片接受到的散射辐射更多），从而提高整个作物冠层的光能利用率[7]。散射辐射比例增加对作物产量的促进作用被称为“散射辐射的肥效作用（diffuse-radiation fertilizationeffect）”[6]。本文针对灰霾导致的太阳辐射变化对水稻干物质分配的影响展开研究，以单季稻品种“南粳46”为试验材料，采用塑料薄膜进行遮荫处理，模拟不同程度灰霾天气条件对水稻地上部干物质分配的影响，为建立灰霾导致的太阳辐射变化对水稻干物质分配的影响模拟模型提供试验数据支持。1材料与方法1、1 试验材料和地点试验于2014年以单季水稻品种“南粳46号”为研究对象，在江苏省农业科学院试验田（32.03ºN，118.87ºE）进行。1、2 试验设计根据长江三角洲地区上海站点（2012年11月–2013年6月）的空气质量指数（AQI，air quality index）及其相对应的来源于中国气象局总辐射和散射辐射比例的观测值之间的关系，确定模拟不同程度灰霾下的辐射条件（表1）。表1空气质量等级与总辐射、散射辐射比例的关系Table1Therelationshipbetweenairqualityandchangesofradiation空气质量等级（AQI）Air quality levels总辐射下降比例Declining proportion of total radiation(%)散射辐射比例Proportion of diffuse radiation(%)优良（0-100）Good air quality0≤50轻度污染（101-150）Mild air pollution11-2151-59中度污染（151-200）Moderate air pollution22-3260-68重度污染（201-300）Severe air pollution33-5469-87利用SPN1型太阳辐射计（Delta-T Devices公司，英国）和Soma太阳分光辐射计（Konica Minolta公司，日本）分别测定农用PE膜透光率及不同方向（东西向、南北向）、不同角分布（0º、15º、30º、45º、60º、75º、90º、105º、120º、135º、150º和165º）下光谱成分（红橙光、黄绿光和蓝紫光）占可见光比例的测定，并与对照（无覆盖塑料薄膜）进行比较，选取符合灰霾天气下的辐射变化状况以及不同方向不同光质光谱占可见光比例与对照无显著差异的PE膜（图1，CK为对照，S为膜遮荫处理）为覆盖材料。

图1不同方向不同光质(光谱)占可见光比例的角分布Fig.1 Proportion of different light quality (spectrum) of visible light under different angleand directionsD1:东西方向The east-west orientationD2:南北方向The north-south orientation试验采用随机区组设计，每个处理三个重复，每个小区面积5×4 m2。灰霾处理时遮荫膜放置于距地面2m的钢管架子上，以保证处理小区良好的通风条件，消除辐射因子外的其它小气候要素差异。在处理过程中，根据日出日落时间，每天日出之前将膜拉开，日落之后将膜收起，以确保在每天光照较强、水稻光合速率较高的时间段进行处理，同时消除夜间PE膜对地面长波辐射吸收引起的处理与对照小区的温度差异。试验期间水稻其他栽培措施，与常规大田生产相同。试验于2014年进行，5月11日播种，6月11日移栽，分蘖期（7月9日）开始处理，设CK、T1、T2三个处理，其中，T1处理采用一层0.12mm厚农用PE膜，模拟轻度灰霾（总辐射下降11-21%、散射辐射比例为51-59%），T2处理采用三层0.12mm厚农用PE膜，模拟重度灰霾（总辐射下降33-54%，而散射辐射比例为69-87%）。1、3 项目测定和方法田间试验期间，分蘖期、拔节期不同处理3个小区各取样3穴（每个处理共9穴），将取样样品分为绿叶、茎鞘两部分，孕穗期之后各生育期每处理3个小区各取样3穴（每个处理共9穴），将取样样品分为绿叶、黄叶、茎鞘和穗四部分，在105°C下杀青15min，80°C下烘干至恒重，称重，按公式（1）计算单位面积群体地上部器官干物质分配指数。地上部器官干物质分配指数=器官干重/地上部总干重。 （1）从拔节到灌浆期不同处理选取代表性植株三穴，利用LI-3000C便携式叶面积仪测量植株绿叶面积，按公式(2)计算，调查水稻各生育期群体的总叶面积变化动态。并按公式(3)计算不同生育期叶片比叶面积。LAI=LA × D ∕ 10000 (2)其中，LAI为叶面积指数(m2·m-2)，LA为测得每穴叶面积(cm2·穴-1)，D为单位面积穴数(穴·m-2)，10000为从cm2到m2的单位换算系数。SLA= LAI ∕WL (3)其中，SLA为比叶面积（Specific Leaf Area，m2·g-1），WL为叶干重（g·m-2）水稻收获后测定收获指数。收获指数=籽粒重/地上部分干重 (4)1、4 数据处理方法计算各处理3个重复的平均值，在Excel中进行数据处理及作图。采用SPSS软件对地上部器官分配指数进行方差分析，并且在0.05水平上进行显著性检验。2结果与分析2、1 灰霾导致的太阳辐射变化对叶分配的影响模拟不同程度灰霾天气下太阳辐射变化对水稻叶分配的影响如图2。由图可知，不同处理叶分配指数均随着时间的推移而降低。从拔节期处理开始，与CK相比，T1和T2处理叶分配指数均呈增加趋势，在灌浆期各处理差异最显著，分别增加5.4%和18.6%。结果表明：植株在灰霾条件下，将更多的干物质转移到叶片，且灰霾越严重，叶分配指数增加越显著。
图2不同处理对水稻叶分配指数的影响Fig.2 Influences on the distribution index of rice leaves under different treatments叶分配指数的增加与SLA有关。分别对水稻主要生育期（拔节期、孕穗期、抽穗期和灌浆期）比叶面积SLA在不同程度灰霾条件下的变化进行比较（图3），得出：随着灰霾程度增加而SLA增加，且随着生育期的推进而增大，到灌浆期达到最大值（T1和T2分别比对照增加13.0%和19.3%）。比叶面积增加，植株叶片变薄，利于增加冠层LAI，进而有利于提高接受截获光的叶片面积。
图3 不同条件下水稻比叶面积随生育时期变化情况Fig.3 SLA of rice under different conditions vary with growth period从图4可以看出，中重度灰霾条件下，冠层LAI拔节期之后均显著大于对照。除此之外，叶分配指数的增加还与散射辐射比例增加有关。自然状态下生长的植株（对照）抽穗期冠层下部已出现较多枯黄叶，而灰霾（散射辐射比例增加）处理的植株衰老减缓，基部仍有较大绿叶面积，叶片数目均比CK多，处理叶面积增加显著，进而叶分配指数增加。
图4不同条件下水稻叶面积指数随生育时期变化情况Fig.4 LAI of rice under different conditions vary with growth period2、2 灰霾导致的太阳辐射变化对茎分配的影响不同的辐射条件对水稻茎分配的影响如图5，三个处理下，茎的分配指数都呈现先升后降的趋势，表现为孕穗期达到最大值。分蘖期和蜡熟期，三种处理间茎的分配指数没有显著差异。从拔节期到抽穗期， T1与CK差异不明显，T2明显低于CK，分别低8.6%，5.6%和8.1%。灌浆期，T1比CK高4.6%，而T2比CK低2.1%。成熟期T1、T2都低于CK，分别低5.2%和2.0%。说明灌浆期到成熟期，茎的干物质分配指数下降变快。可能是由于灰霾条件下，在水稻生殖生长时期，地上部向叶的分配指数增加，以适应不良气候条件，尽量保证植株的产量，从而相应减少向茎分配的量。
图5不同处理对水稻茎分配指数的影响Fig.5 Influences on the distribution index of rice stem under different treatments2、3 灰霾导致的太阳辐射变化对穗分配的影响不同的辐射条件对水稻穗分配的影响如图6，三种条件下，穗的分配指数都呈上升趋势。孕穗期和抽穗期，三种处理没有显著差异。灌浆期T1和T2明显低于CK，分别低12.1%和11.9%。蜡熟期T1与CK差异不显著，T2比CK低5.0%。成熟期，处理与CK间差异显著，且呈现CK>T1> T2。说明水稻地上部干物质向穗的分配指数随灰霾程度的增加而降低，从而影响产量。
图6不同处理对水稻穗分配指数的影响Fig.6 Influences on the distribution index of rice panicle under different treatments2、4 灰霾导致的太阳辐射变化对收获指数的影响
图7 不同处理对水稻收获指数的影响Fig7. The influence of different treatments on rice harvest index根据穗分配在不同处理下随生育时期的变化规律，我们进而对不同处理对水稻收获指数的影响展开研究。如图7所示，与穗分配指数下降趋势相同，同CK相比，T1、T2收获指数均下降，分别下降了0.75%和5.4%，差异显著。说明灰霾程度越重，其导致的太阳辐射的变化使得籽粒在地上部干物质总量中所占的比例下降，即地上部干物质向籽粒转化的比例降低，从而降低产量。3结论灰霾对水稻产量的影响途径之一就是通过改变太阳辐射，一方面其本身吸收太阳辐射；另一方面其对太阳辐射多次散射，使阳光在大气中传输更长的路程，增加了吸收物质对太阳辐射的吸收[8-10]。有研究表明太阳辐射的降低会影响作物的产量及干物质分配情况[11-12]。本试验采用0.12mm厚的农用PE膜模拟灰霾天气，通过改变使用的PE膜的层数模拟不同程度的灰霾天气，研究水稻各时期地上部各器官干物质分配的变化规律。试验结果表明：灰霾导致的太阳辐射的降低会使得地上部干物质向叶的分配比率在整个生育期内都显著增加，这与比叶面积及总叶面积指数变化有直接的关系。相比较而言，茎的干物质分配指数在拔节到抽穗期间有明显降低，而向穗的分配比例在灌浆到成熟期下降最快，且最终导致穗的干物质分配指数明显低于正常情况。说明水稻响应太阳辐射的降低的表现是减少茎的比例，增加叶的比列，以便获得更多的光合产量。而太阳辐射的降低最终还是会影响干物质向籽粒的分配。试验结果说明灰霾超过一定程度后，其产生的太阳辐射的变化会使得水稻地上部器官干物质向叶的分配指数上升，向茎的分配指数下降，最终还会导致向籽粒中分配的比例降低。灰霾具体超过什么程度会对器官分配指数造成明显的影响，还有待进一步试验的定量研究；水稻对太阳辐射降低的响应机理也需要更多试验进行解释；面对日益严重的灰霾现象，如何应对以保证水稻籽粒的分配指数也需要试验来进一步研究。致谢参考文献翟薇. 大气气溶胶辐射效应对长江三角洲地区主要作物生产的影响[D].北京: 中国气象科学研究院, 2007.宋连春, 高荣, 李莹, 王国复. 1961−2012年中国冬半年霾日数的变化特征及气候成因分析[J]. 气候变化研究进展, 2013, 9(5): 313−318.胡亚旦, 周自江. 中国霾天气的气候特征分析[J]. 气象, 2009, 35(7): 73−77.孙彧, 马振峰, 牛涛, 付如友, 胡俊峰. 最近40年中国雾日数和霾日数的气候变化特征[J]. 气候与环境研究, 2013, 18(3): 397−406.Qian Y, Kaiser DP, Leung LR, Xu M. More frequent cloud-free sky and less surface solar radiation in China from 1955 to 2000[J]. Gephysical Research Letters, 2006, 33(1): L01812.Mercado LM, Bellouin N, Sitch S, Boucher O, Huntingford C, Wild M, Cox PM. Impact of changes in diffuse radiation on the global land carbon sink[J]. Nature, 2009, 458: 1014−1017.Greenwald R, Bergin MH, Xu J, Cohan D, Hoogenboom G, Chameides WL. The influence of aerosols on crop production: a study using the CERES crop model[J]. Agricultural Systems, 2006, 89(2−3): 390−413.申彦波, 赵宗慈, 石广玉. 地面太阳辐射的变化、影响因子及其可能的气候效应最新研究进展[J]. 地球科学进展, 2008, 23(9): 915−923.尹宏, 韩志刚. 气溶胶大气对太阳辐射的吸收[J]. 气象学报, 1989, 47(1): 118−123.Ramanathan V, Crutzen P J, Lelieveld J, et al. The Indian ocean experiment: an integrated analysis of the climate forcing and effects of the great Indo-Asian haze [J]. Geophysics Res., 2001, 106 (22): 371−398.蔡昆争, 骆世明. 不同生育期遮光对水稻生长发育和产量形成的影响[J]. 应用生态学报, 1999, 10(2): 193−196.MU H R, LAN X Q. Effects of shading on photosynthetic properties of canopy and single leaf of winter wheat[J]. Agricultural Science & Technology, 2012, 13(5): 979−983.
目录
摘要 1
关键词 1
ABSTRACT 1
KEY WORDS 1
引言 1
1材料与方法 2
1、1 试验材料和地点 2
1、2 试验设计 2
1、3 项目测定和方法 3
1、4 数据处理方法 4
2结果与分析 4
2、1 灰霾导致的太阳辐射变化对叶分配的影响 4
2、2 灰霾导致的太阳辐射变化对茎分配的影响 5
2、3 灰霾导致的太阳辐射变化对穗分配的影响 6
2、4 灰霾导致的太阳辐射变化对收获指数的影响 7
3结论 8
致谢 8
参考文献 8
灰霾导致的太阳辐射变化对水稻干物质分配的影响
引言
引言

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