兰桂骐与荷兰瓦赫宁根大学合作项目发表利用光合模型参数模拟指导智慧农业生产的研究论文

发表时间:2022-07-06点击量:360

近日,兰桂骐与荷兰瓦赫宁根大学联合培养博士王东在《Crop and Environment》发表了题为《利用对水稻、小麦、玉米和高粱等作物光合参数的估算指导作物智慧耕作》研究论文。文章利用现有光合模型全面估算了主要大田C3(水稻、小麦),C4(玉米、高粱)作物的光合参数,验证了C3、C4作物光合参数与叶片含氮量的线性关系,并进一步讨论了光合参数与氮素的相关性在智慧农业背景下指导农田氮素管理决策的应用。


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作物模型在作物智慧田间管理决策中发挥重要的作用。同时,Farquhar-von Caemmerer-Berry (FvCB)模型越来越多地用于作物模型中叶片光合进程的定量分析。由于氮素在作物光合过程以及其他生长进程中的关键作用,叶片氮素含量已成为农田氮素管理的关键要素之一。基于此,本研究评估了FvCB模型中主要的光合参数与叶片氮素含量的关联性,进一步探讨了如何从光合参数的氮素响应中实现农田作物生长的氮素管理决策。

本研究在温室环境下,测量了水稻、小麦、玉米、高粱在三种氮素水平下的光合能力。基于气体交换和叶绿素荧光测量数据,利用现有的C3、C4光合模型进行了光合参数的全面估算。文章验证了在不同施氮水平下,作物光合同化速率(Amax)与叶片氮含量(LNC,g m-2)的线性关系。同时,利用光合模型估算的决定光合同化能力的关键光合参数,验证了光合参数与氮素之间存在较强的线性相关性。

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图1. 实测水稻(圆形),小麦(正方形),玉米(菱形)和高粱(三角形)在21%和2%氧气浓度下Amax(最大光饱和同化速率)与LNC(叶片含氮量)的线性关系。

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图2. 估算的水稻(圆形),小麦(正方形),玉米(菱形)和高粱(三角形)的Jmax (最大线性电子传递速率;水稻,小麦)或Jmax,atp(最大ATP生产速率;玉米,高粱)(a),Vcmax (最大Rubisco羧化速率)(b),Tp(磷酸丙糖利用速率;水稻,小麦)(c),和Vpmax(最大PEP羧化速率;玉米,高粱)(d)与LNC(叶片含氮量)的线性关系。

本研究验证了光合参数与叶片氮素的相关性,该研究成果为FvCB光合机理模型在作物模型领域的广泛使用提供了相应的应用基础。本项目旨在基于对作物环境及生长状态监测,利用作物生长模型应用于当地农业生产效能提升,为当地农业的生产决策提供技术支撑。基于本研究结果,基于FvCB光合过程的作物机理模型的实际应用能力得到了提高,有利于实现作物生长过程的机理性模拟,同时为作物光合层面的田间氮素管理提供了理论基础。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2773126X22000259?via%3Dihub