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人工模拟环境下种植粮食作物的可行性研究是当前国际农业科技领域的前沿,对未来发展垂直农业替代有限的耕地资源生产粮食,保障全球人口激剧增长背景下的食物安全具有重要意义。为了探明光质与水分耦合调控影响作物生长和水分利用的作用机制,本文以华北普遍种植的夏玉米为研究对象,采用旱棚渗滤池和生长箱盆栽试验相结合的方法,利用LI-6400光合仪研究了干旱和充分供水条件下玉米叶片气孔行为对光质变化的瞬时响应规律;在此基础上设置不同红蓝光组合,分析了干旱和充分供水条件下光质对玉米生理生态特性、植株生长、耗水过程及水分利用效率的影响机制,以期为未来人工光环境下作物生长和水分消耗的最优调控提供理论依据。本研究得到如下主要结果:(1)通过旱棚渗滤池试验,揭示了不同水分条件下玉米叶片气孔导度(Gs)、光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)对红蓝光比变化的瞬时响应规律。在灌水(W)和不灌水(D)条件下,针对3个主要生育期(拔节期、抽雄期和灌浆期选择典型日)夏玉米(郑单958),测定时设定了5种比例的红蓝光组合(即B/(R+B)分别为0、25%、50%、75%和100%)。与D处理相比,W处理的叶片平均Gs、Pn和Tr在抽雄期明显较高,在拔节期和灌浆期差异不显著;不论何种水分处理,叶片Gs、Pn和Tr均表现为单色红光照射时最大,随着蓝光所占比例的增加,各指标均有不同程度的降低;在3个主要生育期内,叶片光合速率(Pn)均与总辐射(Q)呈显著负相关关系(P<0.05)。(2)通过恒温恒湿环境下生长箱玉米盆栽试验,设定两种水分(W、D)、5种红蓝光组合(R、R/B=3、1、1/3和B),研究结果表明:无论何种水分处理,玉米在R/B=1处理P_n最大,株高为R最大,大致呈随着R/B增加呈上升趋势;干重表现为R/B=1最大,R/B=3次之,且复合光>R>B;生物量水分利用效率(WUE_b)表现为R/B=3、1和R处理的显著高于其他处理。对于W水分处理,G_s、T_r的大小趋势表现为R/B=1/3>B>R;R/B=1处理的叶绿素含量、叶面积最大,R/B=3处理的根冠比最大;在整个观测期耗水量随着蓝光比例增加而增加。对于D水分处理,Gs、Tr、叶绿素含量、叶面积在R/B=1处理最大,R/B=3次之;根冠比表现为R/B=3最大,R/B=1次之,R/B=1、1/3处理的耗水量最大,但各指标均表现为复合光>R>B。由此,试验二:高红光比例(R/B=3、1)处理有利于玉米的生长、生物量的累积以及水分利用效率的提高。(3)在上述试验初步筛选出最佳红蓝光配比区间的基础上,保持温湿度和水分条件一致,设定2个灌溉水平(W、D)和6种红蓝光组合(CK,R/B=1、4、8、12和16),研究揭示了弱蓝光环境下R/B对玉米生理生态特性、植株生长、耗水过程及水分利用效率的影响规律。水分、R/B的独立作用对玉米耗水量、生物量、WUE_b影响极显著(P<0.01),水分和R/B耦合作用对作物耗水量、生物量、WUE_b影响显著(P<0.05)。无论何种水分处理,从节水、高产角度来看,R/B=16时为最佳组合。另外,WUE_b与生物量呈正线性相关,与耗水量(ET)呈二次曲线关系。