个体竞争调控旱地小麦种群动态及其影响产量的机理研究

The law of population density regulation plays pivotal role in both theoretical research of ecology and crop production. Whether adversity stress and asymmetrical competition could lead to varied scaling exponent of biomass-density relationship (α) is a controversial issue in the academic world. Using common cultivated wheat species in loess plateau and integrating the prediction of plant physiological and ecological theory with artificial simulation experiment, the relationship between the law of population density regulation and physiological ecological traits induced by individual competition will be explored. Morphological traits, physiological process and mechanism of population regulation of wheat will be explored at different density and water condition level to further our knowledge about the adaptation of wheat under different environmental situation and to build the quantitative relationship between individual physiological traits and population dynamic. Using allometric growth rate and neighbor effect index, we can analyze the dynamic of competitive adaption of wheat and explore the methods about optimal density and enhanced yield, and reveal the process that population dynamic can be promoted by individual physiological and morphological traits. we want to further explore the mechanism of the law of population density regulation at the levels across organ metabolism, individual shape and population structure by focusing on α, individual allometric growth and neighbor effects, which can provide the theoretical and data supports to explain how resource competition can drive dynamic changes in population. We also can enhance the practicability of plant physiological and ecological research and provide theoretical support for sustainable agriculture.

种群密度调控规律在生态学理论研究和作物生产实践中均至关重要。逆境胁迫和非对称竞争是否能够导致种群密度-生物量调控指数(α指数)的变化是学术争论的焦点之一。选择黄土高原常见小麦品种，将植物生理生态学理论创新预测与人工模拟实验相结合；进行小麦种群密度调控规律和个体竞争及其导致的生理生态性状的关系研究；研究不同密度及水分条件下小麦形态特征、生理过程及种群调控机制；进一步认识小麦对环境的适应性特征，建立个体生理指标与种群动态的时间定量关系；运用异速生长率和邻体效应指数等理论和技术对小麦的竞争适应性进行动态分析，揭示个体生理及形态特征驱动种群动态的过程，探索定制适播密度进而稳产增产的新途径。该研究以期在器官代谢、个体形态和种群结构等层面进一步阐释种群密度调控的生理生态规律，为研究资源竞争如何驱动种群动态变化提供理论及数据支持，提高植物生理生态学研究的实用性，为农业可持续发展提供理论支持。

小麦在实际种植与生产过程中，存在播种量大、出苗水平不均衡、产量低等问题。此外，小麦主产区连年出现的干旱气候一直困扰小麦的种植和发展。因此，建立合理的种植密度、研发推广节水抗旱小麦品种显得尤为重要。本研究发现在多个的密度水平下，黄土高原旱地冬小麦的产量均随品种改良而增加。现代品种对密度的不敏感性更有利于高密度的栽培模式。提高收获指数和千粒重是冬小麦进一步增产的有效途径，同时培育花期具有较高叶面积指数和较低冠层开度的品种，促进对光的吸收和利用。穗是籽粒灌浆时期的主要光合作用器官之一。小麦抗旱性受气孔特征的调节，通过降低蒸腾速率来提高整体水分利用效率和光合作用，并通过维持较高的穗部光合速率，从而提高整体抗旱性。通过研究影响植物高度、根系发育和胚芽鞘长度的调控机制，以及它们对小麦产量和水分利用效率的影响，表明在灌溉条件有限的环境中，将矮化基因结合起来可以有效的提高水分利用效率和产量。在干旱期间保持更快的灌浆速率和更短的持续灌浆时间是实现高产同时保持抗旱性的方法之一。在干旱胁迫下，四倍体小麦的产量下降幅度最小，表现出更强的耐旱性，可能与四倍体小麦穗部干物质分配率低、转运效率高有关。通过对海藻糖的性质及其提高植物抗逆性的机理、海藻糖与气孔免疫的关系等方面进行分析，我们发现外源性的海藻糖能有效提高植物的抗逆性以及抗病虫害的能力。我们认为海藻糖在小麦以及其他生物节水农业方面有广阔的应用前景，是提高农作物水分利用效率的重要途径。通过上述研究，为小麦的种植密度、节水抗旱、矮化基因，以及外源活性物质基础等提供了理论指导，也为选择合适的方法培育具有较高水分利用效率、较强耐旱性、高产的小麦品种奠定了基础。