基于作物群体结构的研究 程伟.doc

基于作物群体结构的研究
浙江大学学士学位论文 学号：xxxxxxxxx

基于作物群体结构的研究感觉题目不完整，话讲了一半
感觉题目没玩，所以看不懂研究的核心是什么，也就不知道论文框架是否合理？

Research Based on crop colony structure

学生姓名：程伟
指导老师：xxx
所在院系：农学院
所学专业：农学
研究方向： xxx

浙江大学
中国·杭州
xxxx年xx月
- 11 -

摘 要
本文通过对作物群体结构的生态环境效应以及作物生产影响因素的分析，同时对作物群结构参数和生态环境效应与作物生产影响之间的关系进行了研究, 最后总结了合理的作物群体结构的构建标准和构建方法。
作物群体是作物单位土地面积上所有单株的总和。作物群体结构是作物群体中各个单株的长相、大小、分布及其动态变化等，它是农田小环境良好运行的生物学基础。通过对作物群体结构功能的分析，阐述功能的影响主要体现在对作物环境和群体本身两方面。作物群体主要可以分为内生境和外生境，前者主要与群体内的个体发生影响，影响个体的性状，也会影响群体总体本身，同时群体也影响内生境，两者相互联系，相互促进；后者主要与群体本身发生影响，同时影响作物群体系统环境，群体与群体之间也直接和间接的影响。
群体一直处于动态过程中，不同时期，对环境的反映以及对各层的结构和关系也不相同，本文讨论哪些因素的调节对群体各层之间的关系有促进作用，使之达到优良的群体生产结构。

关键词：群体结构 作物种群 生态环境

Abstract
In this paper, the ecological environment of crop community structure effect and analyzing the influential factors of crop production, as well as the group of structure parameters and the relationship between the ecological environment effect, crop production was studied, and finally summarizes the reasonable structure of crop community construction standard and construction method.
Crops group is the sum of all individual unit land area.Crops group structure is the group of each individual's looks, size, distribution and dynamic change, etc., it is a small farmland environment good biological basis.Through the analysis of plant population structure function, the paper expounds function mainly reflects in the crop environment and the influence of the group itself.Crop community mainly can be divided into habitat within and outside the habitat, the former mainly individuals and groups influence, influence of the individual character, also can affect the group overall itself, groups also affect the habitats, both contact each other, promote each other.Which and the group itself, at the same time affect crop population system environment, between groups and groups, is direct and indirect effect.
Group has been in a dynamic process, the different period, reflecting to the environment and the structure of each layer and the relationship is not the same in this paper we discuss what factors regulating has a promoting effect on the relationship between the groups between each layer, to excellent group production structure.

Key words: Population structure, Crop species, Ecological environment.

目 录
摘要……………………………………………………………………………………………I
Abstract………………………………………………………………………………………II
1 前言…………………………………………………………………………………………1
1.1 研究的目的和意义……………………………………………………………………1
1.2 国内外研究现状…………………………………………………………………1
1.3 本文研究的主要内容…………………………………………………………………2
2作物群体的生理研究方法……………………………………………………………………2
2.1 生物量监测……………………………………………………………………………2
2.2 作物群体机能的诊断…………………………………………………………………3
3 作物群体结构及物质生产影响因素的分析……………………………………………………4
3.1 株型…………………………………………………………………………………4
3.2 环境因子……………………………………………………………………………5
4 作物群体结构的生态环境效应及其优化探讨…………………………………………………5
4.1 作物群体结构性状对农田生态环境的影响…………………………………………5
4.2 理想作物群体结构的构建标准与途径………………………………………………6
5 总结……………………………………………………………………………………………5
参考文献………………………………………………………………………………………8
致谢……………………………………………………………………………………………9

1 前言
1.1 研究的目的和意义
目的：作物群体结构性状是一种农业生态系统的一部分。肥料，二氧化碳，氧气，光照，风速以及水分这些自然要素与作物群体结构性状相互联系，相互作用，是作物群体的一部分。 群体的规模，结构以及大小的不同，会使氧气，辐射在群体中的再分配及农田的小生态也会有所不同，从而影响作物的产量与质量，同时，作物的生长情况也会反作用于农田群体结构的变化，因为作物是构成群体的单元，所以构建一个合适的理想的作物群体结构从而使形成良好的农田生态环境，有利于作物的质量和数量最大化，得到较高的经济产量，这是一个很值得研究和分析的问题。这些研究的进步可为作物的育种，景观，构建良好农田生态环境，以及解决粮食危机提供重要的参考和支持。
意义：本文通过对作物群体结构的生态环境效应以及作物生产影响因素的分析，同时对作物群结构参数和生态环境效应、作物生产影响之间的关系进行了研究, 最后总结了合理的作物群体结构的构建标准和构建方法。
群体一直处于动态过程中，不同时期，对环境的反映以及对各层的结构和关系也不相同本文讨论哪些因素的调节对群体各层之间的关系有促进作用，使之达到优良的群体生产结构。
1.2 国内外研究现状
新世纪以来，跨国资本的大量输出、生物科技工程技术与市场经济的飞快发展，在全球化经济的大潮下，作物群体结构发展技术以及育种业的步伐不断加快，西方发达国家和美国的育种业面临全球产业化、高速竞争化、高技术化。基因技术在作物育种上的研发与应用目前世界上主要由美国控制，尤其以转基因作物最引人注目，美国在玉米育种上，早已经打破传统化的育种方法，基本上实现了高产量、高质量、高营养价值的转基因育种，实现了定向以及目标育种。
进入20世纪80年代后期，国际科学家合作研究联合攻关，根据作物群体结构发展技术与产量相关的关系的研究结果，提出了超高产育种计划，育种家们不断努力改变其缺点，希望在新的研究周期后满足国际作物生产的各种指标和需求。目前世界上美国、日本等国家在作物育种方面处于领先地位。
相比于欧美作物群体结构发展技术，中国的作物群体结构发展技术还有较大差距，但是在第三世界中处领头羊地位。中国的“超级稻计划”。农业部决定启动为期l0年的“中国超级稻研究”重大项目，通过各种途径和技术手段，从而使到2015年产量为1050公斤/亩。
中国政府不仅明确表态支持生物育种技术， 并且将他列为中国新兴产业之一。09年开始实施了 “大力发展作物群体结构发展技术” 等重大科研技术项目;旨在通过高层次的研发与现代化的服务带领现代化农业走向高层次、高科技、高产出的道路
在2013年，中国农业科学院开启了科创工程这是在中科院的知创工程、社科院理创工程之后的第三个国家级科创工程， 目的在于通过科技创新提升自主创新的能力、着力优秀的人才、完善学科的布局、优化资源配置、拓展国际合作化的空间。通过这些手段和措施，将进一步提升我们的农业水平，增强中国的农业科研实力，为我国和世界粮食安全做出重要贡献。
1.3 本文研究的主要内容
作物群体是作物单位土地面积上所有单株的总和。作物群体结构是作物群体中各个单株的长相、大小、分布及其动态变化等，它是农田小环境良好运行的生物学基础。通过对作物群体结构功能的分析，阐述功能的影响主要体现在对作物环境和群体本身两方面。作物群体主要可以分为内生境和外生境，前者主要与群体内的个体发生影响，影响个体的性状，也会影响群体总体本身，同时群体也影响内生境，两者相互联系，相互促进；后者主要与群体本身发生影响，同时影响作物群体系统环境，群体与群体之间也直接和间接的影响。
为了更清楚的研究与分析, 我们在这要将作物群体结构分为生理性结构性状和人为性结构性状两大类。前者主要包括作物的叶片 、 茎杆以及作物器官空间配置状况等,叶片又分为叶面积指数，叶位，叶倾角，叶子位角等，茎秆包括杆高，茎秆纵断面，茎秆粗等等。人为性结构性状包括单一种植、复合种植、种植方向以及种植密度等。本文通过对作物群体结构的生态环境效应以及作物生产影响因素的分析，同时对作物群结构参数和生态环境效应、作物生产影响之间的关系进行了研究, 最后总结了合理的作物群体结构的构建标准和构建方法。
2 作物群体的生理研究方法
2.1 生物量监测
21世纪以来，随着科学技术的发展，人们为了获取更高的产量，尝试各种方法从多个角度测试作物的各种生长发育阶段的状态，监测其是否达到所希望的水平，利用监测结果，以及根据环境因素并采取相应的农业栽培措施，按照人们的想法去控制。
通过测试作物群体和田间反射的不同强度的太阳光，就可以计算出作物的生长情况，因为作物对近红外光吸收的少，这样就造成反射率高，由此判断出生物的生长状况；中红外对做物体和土壤中含有的水分的影响表现在反射率上，故次可以推测出与水分有关的生物体的信息。当然还有其他方法来测试生物的生长状况，比如连续测定作物群体吸收的光量子从而来判断生物量。测定方法是在作物群体被测试区域放日射计，将一日、一周存储量纪录在装置中，由此来推断一日、一周的干物质变化。
2.2 作物群体机能的诊断
测定植物的群体生理机能有很多方法。我们知道，农作物的机能有两项很重要的因素：光合作用和呼吸作用，这是两项非常重要的指标，植物冠层分析仪与结构分析仪等仪器为研究作物的特性给予了极大的支持，在实际的生产活动中，如果考虑生产力，那么需要测定单叶的呼吸作用能力，最近有了便携式光合作用测试系统为自然不外加其他条件地诊断植物叶片的光合作用状况提供了极为方便的设备，植物利用体内叶绿素为天然探针，来进一步研究和探测作物光合生理状况及其他因子对其细微影响的一种植物活体诊断技术。因为此技术有很多优点，使他马上在农学学科中有了不同程度的使用，可以说是一种测试的万能方法和测试手段，另外，也可以用群体光合作用和呼吸作用的模式，更加准确的进行其他生理性机能的测试[1]。
3 作物群体结构及物质生产影响因素的分析
3.1 株型
株型包括植物的外形特征和生理特征，因此影响着作物的生产力，优秀的株型不仅要植物的外形看过去匀称，合理，同时还要考虑植物株型是否具有良好的产量能力，因为株型会影响植物在田间的空间分布，会直接导致作物群体的呼吸作用和光合作用的强弱。如果植物的分布越密集那就会影响到植物收到的光照，如果植物分布过散，会不利于农田空间的利用率，所以从植物株型来说必须保持合适的株型以使农田植物种植的利用率以及植物光照时间的最优化[2]。
3.2 环境因子
田间有很多的因素影响着植物和群体的生长。比如种植密度与方式、二氧化碳、温度、光、风速。下面来谈论环境因子对于植物群体结构的影响。
水分与温度：作物叶子水分的多少与光合作用密切相关，也与植物种类的不同而不同。对于玉米来说，玉米只需要少量的水分，但是当水分过多时，会使玉米致死。向日葵相对于玉米来说，需要更多地水分。经过研究，水分影响植物光合作用的主要原因是会影响植物的气孔关闭和打开，从而影响了作物的光合作用。正常情况下，光合作用的速度与温度成正比，且在某一个温度点产生光合作用饱和点，达到这个点后，如果温度再上升，那么植物的光合作用会下降，不同植物对于温度的冷热上下限不尽相同，植物只有在温度冷热下上线之间的时候，才能最大限度的生长[3-5]。
光与二氧化碳：我们知道光对于植物来说，影响着植物的光合作用，当阳光照射田间的角度固定时，如果提高光强度，那么作物群体受到的光强度也提高，单个作物体的光照强度也相应提高[6]。当单个作物体的光合作用满足饱和条件时，那么整个群体也应该满足相应的光合作用饱和条件。但是如果植物的株型层次不齐，那么有些单个作物就会受到不均匀的光照，那些被遮挡住阳光的植物体需要更加强烈的光照才能满足光合作用的饱和条件。二氧化碳：二氧化碳在植物的光合作用中扮演重要的角色[7]。叶片内层二氧化碳含量的多少随叶层结构的不同而不同。叶片内部二氧化碳的浓度随太阳光照的改变而改变。强光照与丰富的二氧化碳对产量的增加主要是增加了每小穗粒数[8-10]。
风速：风速对于植物的光合作用也会有影响。适当的提高风速可以加强植物的光合作用，因为风速会降低二氧化碳进入叶内的阻力，因此适当的风速，会减小阻力，这样就会加强光合作用，另外，风速和叶温也有一定的关系，因为风速与叶温成反比，随着叶温的增高，促进了植物的呼吸作用，从而植物的光合作用就下降[11-13]。
种植密度和种植方式：作物群体结构会被作物的密度和种植方式所影响，从而影响到作物群体的光能利用率以及产量[14-16]。作物的密度是单位面积内作物的数量，作物群体的单位面积产量在一定的范围会随着密度而成线性相关性，而且是正相关，当达到一定的范围时，产量达到最高值，从而饱和，如果这个时候作物种植密度再增加，那么产量反而会下降。另一方面，作物的种植密度也会影响植物的光照和风速，又由于光照与风速是会影响植物的光合作用的，所以种植密度会影响植物的光合作用和产量。
4作物群体结构的生态环境效应及其优化探讨
4.1作物群体结构性状对农田生态环境的影响
种植方式和种植密度是植物能否正常生长的两个重要指标。它是作物群体结构体现的因素之一。种植方式常常指相同或者不同作物之间的配置关系和作物的栽培管理方式。管理方式的不同会造成作物田间环境的不同，主要体现在对植物光照，风速等的影响，所以为了更好地使用田间环境，光照以及风速、气候、需要选择适宜的种植模式[17]。
在培育过程中，我们会遇到很多农业生态种植模式，比如：间作套种、立体种植等等，这些种植方式主要是根据当地的地理、气候以及其他生物学特性。选择适合的空间和时间生态位经行系统的搭配，从结构上来说，这几种模式不仅仅使作物群体一个方面上形成多层次结构，而且在其他方面也会有不一样的变化，从而构成一个不同形态，不同层次，疏密程度不一样的群体结构。从功能上来说，这种种植方式可以形成比较特殊的光照场以及水分场，从而提高资源的利用率和农业系统的生产力，对防止各种害虫、抵御各种种植风险有很大的作用。
作物种植的密度对作物群体结构以及植物的光合作用都有很大的影响。科学家williams的研究表明，在某种植物群体内，叶子的面积指数随种植面积的增大而增大，叶子的位置也升高，叶子的光合作用会增强，因此此时叶子的新陈代谢程度与叶面积受光照的程度成正比，然而群体内的相对光照强度却与叶面积受光照强度的提高呈现相反的特性。随着作物种植密度的增加，植物的底部叶片收到的光照会较少，常年处于光照强度不够的状态，时间长了会出现叶片发黄并掉落，有些高杆植物的底层叶片还处于黑暗状态，这种情况会造成植物的光合作用大大减弱。较高的作物群体密度会引起对于光、肥料、或者水的争夺现象。所以，不能说植物种植密度和植物生产量成正比，而是存在着一个匹配的问题。只有在植物密度和光照等其他条件都匹配，植物的生长才能最优,产量才能最大[17]。
前面谈到，作物的种植密度对作物的生长有一定的影响，同时还会影响到作物的生产力。在种植密度较高的情况下，作物群体会有一定的“反应”，比如自适应或者反馈。作物的自适应表现为多个方面，如作物的枝叶数量的调节、重量的调节、叶面积的调节、以及产量的调节等。作物种植的高密度会导致作物群体有反馈现象，通过反馈会导致自己的结构适当的分散，从而达到适合的群体结构[18]。
以下几方面会影响农田生态环境：
株高：株高由遗传决定，是群体结构的主要表征之一，当然也受后天影响，比如植物的种植环境，土壤等等。植物株体的高度直接影响植物所受到的光照强度，风速，水分以及化肥摄取情况。对于高株植物，受到的阳光多，投影以及遮蔽的面积就大，对周围作物的遮蔽作用就高于其他作物，同时底层植物收到的阳光就更少，从而会使植物有不同的群体结构。株高也会影响风速和作物之间的关系作。风速风力会引起光线的相互交错,从而会使光以闪光的形式频率性的均匀的照射在植物叶片上,并使光合作用交替进行,有助于提高作物的光合作用以及产量。
叶面积：作物进行光合作用主要是在叶子上进行的。叶子的面积直接决定了光合作用的大小，但是叶面积不是越大越好，因为叶面积的增大意味着下层叶片收到的光照强度的减弱，而叶面积太小也会影响光合作用，所以科学家提出最适合叶面积概念，即对于一个物种群体来说存在一个最适合叶面积，这个时候植物群体的光合作用最好，同时产量也最大。作物株高和叶片的面积会明显影响群体中生态以及田间小环境的气候特征。所以说植物的空间环境对群体中生态要素的分配与再分配起着重要的作用[19]。
4.2理想作物群体结构的构建标准与途径
由前所诉，作物的株型、种植密度以及作物的外形都会对群体结构产生影响，所以说合适的作物株型和合适的作物分布能够决定一个理想的作物群体结构。合适的株型有几种形态指标（比如植物的高度，叶面积，叶子的特征等等），同时作物的高度也要适合化，因为作物的高度觉定着植物的光合作用效率，最后还需要田间资源的配置，比如光照，风速，以及肥料的供给等等。适宜的作物群体结构的标准与实现途径，表1所示。

表1 适宜的作物群体结构的标准与实现途径

如何才能培育出一个适宜的作物群体结构？经过研究，我们可以认为适宜的作物株型和适宜的作物密度再加上风速、田间光照等条件是构成适宜的群体结构的最主要条件。如果只有好的株型而没有好的种植环境，比如种植密度，光照，风速等等那么不可能形成适宜的群体结构。同样，光有适宜的光照条件、与种植密度也不可能构成适宜的作物群体结构，因此条件缺一不可。培育适宜的作物种群结构还可以通过分子设计育种技术，通过该技术，我们可以找到并且提取出具有目标特性的基因，这样后代具有某种性状的可能性的大大增加；另外，通过人工培育和管理也可以来改变或者构建出理想的作物群体[20]。
人为的改变和架构适宜作物群体结构的方法主要有以下几种：
1.合理的调整作物的种植密度、株型等。种植密度能够改变作物的群体结构和生态环境，前面谈到，作物的种植密度对作物的生长有一定的影响，同时还会影响到作物的生产力。在种植密度较高的情况下，作物群体会有一定的“反应”，比如自适应或者反馈。作物的自适应表现为多个方面，如作物的枝叶数量的调节、重量的调节、叶面积的调节、以及产量的调节等。作物种植的高密度会导致作物群体有反馈现象，通过反馈会导致自己的结构适当的分散，从而达到适合的群体结构。
2.水、肥料等的管理技术。通过改变施肥的多少和水分的调节可以在一定程度上控制植物的生长情况。肥料直接影响叶面积指数，而叶面积指数如前所诉又可以进一步影响作物群体结构。
3.育种管理措施。可以通过剪裁等手段来控制植物的密度和株高等。
4.改变田间作物环境。改善风速、光照强度、水温等条件，是作物个体和作物群体结构一起发育良好，使达到作物提高的目的。
5总结
本文通过对作物群体结构的生态环境效应以及作物生产影响因素的分析，同时对作物群结构参数和生态环境效应、作物生产影响之间的关系进行了研究, 最后总结了合理的作物群体结构的构建标准和构建方法。

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致 谢
时光荏苒，我即将结束我的大学生活，迈向新的工作岗位。在我学习生活期间，老师们对我进行了无私的帮助和严格的教导，特别要向我的指导教师老师致以敬意。她以严谨的学风，广博的知识，热忱的态度赢得了广大学生的尊敬。在我论文创作完成期间，她给予我莫大的帮助与鼓励。我还要向我学院其他教师致意，向曾经传授我知识的老师等表达我真诚的谢意，正是在您们的言传身教下，我才得以成长、进步。
在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别感谢我的同学，她们对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。我还要向在我生活上关心我的父母表示感谢，正是他们给予我物质与精神的支持，帮助我成长与进步。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!

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