作物栽培学总论.docx

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作物栽培学总论

作物栽培学　总论

第一章　绪论

第一节　性质、任务和研究法

一、性质和任务

1、性质

作物栽培学是研究作物生长发育、产量和品质形成规律及其与环境条件的关系，并在此基础上采取技术措施以达到作物高产、稳产、优质、高效目的的一门应用科学。

也就是研究作物高产、稳产、优质、高效生产理论和技术措施的科学。

研究对象：

各种作物群体9粮、棉、油、糖、绿肥、饲料等）。

作物与外界环境条件间的关系是必须研究的。

2、任务

栽培作物包括作物、环境和措施3个环节。

作物栽培学的任务是根据作物品种的要求，为其提供适宜的环境条件，采取与之相配套的栽培技术措施，使作物品种的基因型得以表达，使其遗传潜力得以发挥。

二、理论基础

1、与相关学科的关系

2、总论与各论的关系：

共性与个性的关系。

三、特点和研究法

1、作物栽培的特点：

系统的复杂性、技术的实用性、生产的连续性、生长的规律性、明显的季节性、严格的地域性、变动性。

2、作物栽培的研究法：

田间试验法（产量对比法）、生物观察法、生长分析法、发育研究法、生长发育研究法、模拟模型研究法。

四、作物栽培学的新进展

1、叶龄模式与模式化栽培（计算机模拟仿真栽培）

2、作物智能栽培

3、轻简型栽培：

作物直播栽培、再生栽培技术、

4、反季节栽培

5、物化栽培

6、作物分子栽培

7、作物清洁栽培

第二节　作物的起源和起源地

一、农业的发生

二、世界各地最早种植的作物

三、中国是世界栽培植物起源中心之一

四、我国作物的来源

第三节　作物的多样性和作物分类

一、作物的多样性及其保护

1、保护生物多样性的必要性和重要性

2、作物的多样性

二、作物的驯化和创造

驯化、挖掘、创造

三、作物引种及引种原则

1、作物引种的概念与理论

2、作物引种原则：

生态生活条件得到满足、克服限制因子、引种作物逐步适应。

四、作物的分类

1、按作物的生理生态特性分析

喜温作物、耐寒作物；长日照作物、短日照作物中性作物、定日照作物；三碳C3作物、四碳C4作物；春播作物、夏播作物、秋播作物。

2、按作物用途和植物学系统相结合分类

（1）粮食作物：

谷类作物、豆类作物、薯芋类作物

（2）经济作物：

纤维作物、油料作物、糖料作物、其它作物（如嗜好作物）

（3）饲料和绿肥作物：

有豆科的、有禾本科的、也有其它的。

第四节　我国古代作物栽培的特点和经验

一、我国古代的农学思想――“天人合一”

二、我国历代的种植业传统――精耕细作

1、“深耕细锄”、“粪多力勤”、“少种多收”

2、“盗天地时利”

3、“地力常新壮”（维持土壤肥力）

第五节　我国农业自然资源和种植业区划

一、我国农业自然资源的特点及其评价

1、我国农业自然资源的特点

（1）大部分位于中纬度地区，光热条件较好；

（2）东南部季风区，西北部气候大陆性强烈，水分条件差异大；

（3）山地多于平原，利用弊多利少。

2、我国农业自然资源评价

耕地数量质量、土热水条件配合问题、农业自然灾害问题

二、我国的种植业区划

1、我国种植业结构、布局的现状及其改进

2、我国种植业区的划分

第六节　可持续农业与作物栽培科技进步

一、粮食安全和资源保护

二、我国农业可持续发展

1、可持续农业的涵义

2、我国农业和农村的可持续发展

三、作物栽培科技进步

1、吨粮田的开发

2、作物生长模拟研究及其应用

3、智能控制系统在作物栽培上的应用

4、生物高新技术的研究将进一步促进作物栽培的发展

第二章　作物的生长发育

第一节　作物生长与发育的特点

一、作物生长与发育的概念

生长：

作物个体、器官、组织和细胞在体积、重量和数量上增加，是一个不可逆的量变过程。

发育：

作物细胞、组织和器官的分化形成过程，也就是作物发生形态、结构和功能上质的变化。

二、作物生长的一般进程

1、S形生长过程：

缓慢增长期、快速增长期、减速增长期、缓慢下降期。

2、应用

三、作物的生育期和生育时期

1、作物生育期

概念：

大田生育期、准确计算方法

生育期的长短由作物的遗传性和所处的环境条件决定。

生育期与产量关系

2、作物的生育时期：

将作物的整个生育期划分为若干个生育时期（生育阶段）。

它是指某一形态特征变化后持续的一段时间，并以该时期始期至下一时期始期的天数计。

3、作物的物候期：

作物生长发育在一定外界条件下所表现出的形态特征，人为地制定一个具体标准，以便科学地把握作物的生育过程。

第二节　作物的器官建成

一、种子萌发

1、作物的种子

植物学上的种子（有性繁殖器官）、作物生产上的种子（3类：

胚珠受精发育的种子、子房发育成的果实、无性繁殖的根或茎）

作物的种子（除根、茎外）一般由种皮、胚和胚乳缓存。

2、作物种子萌发过程

3个阶段：

吸胀、萌动和发芽。

3、种子发芽的条件

首先自身发芽能力、其次是水分温度和空气条件。

4、种子的寿命和种子休眠

寿命长短与贮存条件密切相关，新鲜种子为好。

种子休眠（原始休眠、二次休眠）：

胚的后熟、硬实引起休眠、含有某种抑制物质。

二、根的生长

1、作物的根系

初生根、次生根和不定根生长演变而成。

单子叶为须根系，双子叶为直根系。

2、根的生长

3、影响要生长的条件：

土壤阻力、土壤水分、土壤温度、土壤养分、土壤氧气。

三、茎的生长

1、作物的茎

单子叶作物的茎多为圆形、大多中空，茎杆由许多节和节间组成，节上生叶。

基部茎节的节间较短，可分蘖。

双子叶作物的茎近圆形，实心，由节和节间组成。

叶腋可分枝。

2、作物茎的生长

禾谷类的茎主要靠每个节间基部的居间分生组织细胞分裂和伸长，使节间伸长而长高，其节间伸长方式为居间生长。

双子叶作物茎主要靠茎尖顶端分生组织的细胞分裂和伸长，使节数增加，节间伸长，植株升高。

3、影响茎、枝生长的因素

种植密度、施肥、选用矮秆和茎秆机械组织发达的品种。

四、叶的生长

1、作物的叶

禾谷类作物的叶为单叶，包括叶片、叶鞘、叶耳和叶舌4部分。

双子叶作物的叶有两片子叶，其真叶由叶片、叶柄和托叶3部分组成。

2、作物叶的生长

经过3个阶段：

顶端生长、边缘生长和居间生长。

叶的功能期：

叶从开始输出光合产物到失去输出能力所持续时间的长短。

叶片功能期的长短因作物种类、叶位及栽培条件而异。

叶面积指数　我国高产作物群体最适叶面积指数一般为4-6。

3、影响叶生长的一些因素

主要受温、光、水、矿质营养等多种因素影响。

五、花的生长

1、花器官的分化

禾谷类作物的幼穗分化

双子叶作物的花芽分化

2、开花、授粉和受精

3、影响花器官分化、开花授粉和受精的外界条件

营养、温度、水分、天气（晴朗、微风）

六、种子和果实发育

1、作物的种子和果实

禾谷类作物　1朵颖花1个胚珠

双子叶作物　1朵颖花数个胚珠

2、种子和果实的发育

种子由胚珠发育而成，各部分对应关系是：

受精卵发育成胚，初生胚乳核发育成胚乳，包被胚珠的珠被发育成种皮。

果实由子房发育而来。

种子以外的果实部分，由外果皮、中果皮和内果皮三层组成。

3、影响种子和果实发育的因素

积累有充足的有机养料，光合器官输送光合产物，外界环境积条件（温度、土壤水分和矿质营养）也很重要。

第三节　作物的温光反应特性

作物的温光反应特性：

指作物必须经历一定的温度和光周期诱导后，才能从营养生长转为生殖生长，进行花芽分化或幼穗分化，进而才能开花结实。

也就是作物对温度和光周期诱导反应的特性。

一、作物的感温性

感温性、春化

冬性类型、半冬性类型、春性类型3类作物。

二、作物的感光性

感光性

短日照作物、长日照作物、日中性作物3种类型。

引种、驯化、诱导（花诱导和花形成）。

三、作物的基本营养生长性

作物在进入生殖生长前，不受温度和光周期诱导影响而缩短的营养生长期，称为基本营养生长期。

不同作物品种的基本营养生长期的长短各异，这种差异性特性，称为作物品种的基本营养生长特性。

四、作物在温度和光周期诱导下植株形态和生理上的变化

1、在形态和结构上的变化

2、在生理生化上的变化

体内核酸和蛋白质储量的变化。

3、光敏色素的变化

短日照作物暗期前期较高的光敏色素水平，然后转低；长日照作物暗期前期低光敏色素，然后较高。

五、作物温光反应特性在生产上的应用

1、在引种上的应用

从相同纬度或温光生态条件相近的地区引种易于成功。

2、在栽培上的应用

作物的品种搭配、播种期安排，均需考虑作物品种的温光反应特性。

3、在育种上的应用

在制定作物育种目标时，要根据当地自然气候条件，提出明确的温光反应特性。

杂交育种时，也应考虑，使两亲本花期相遇。

第四节　作物生长的一些相关

一、营养生长与生殖生长的关系

1、营养生长与生殖生长。

以花芽分化（幼穗分化）为界限。

2、二者关系：

营养生长期是生殖生长期的基础；营养生长和生殖生长并进阶段两者矛盾大，要促进二者协调发展；在生殖生长期，作物营养生长还在进行，要掌握得当。

二、地上部生长与地下部生长的关系

1、作物地上部分包括茎、叶、花、果实和种子；地下部分主要指根，也包括茎、鳞茎等。

“根深才能叶茂”，“壮苗必先壮根”。

2、二者关系：

地上部与地下部物质的相互交换（营养、激素）；地上部与地下部重要保持一定比例（根/冠比）；环境条件和栽培技术措施对地上部和地下部生长影响不一致。

三、作物器官的同伸关系

作物各个器官的建成呈一定的对应关系，在同一时间内某些器官呈有规律的生长或伸长，叫做作物器官的同伸关系。

1、禾谷类作物营养器官间的同伸关系：

母茎和分蘖的关系；叶片、叶鞘和节间的关系；地上部器官与根的关系。

2、禾谷类作物幼穗与营养器官的同伸关系：

叶龄法；叶龄余数法；叶龄指数法。

3、双子叶作物器官间的同伸关系（没有禾谷类作物那么明显）。

四、个体与群体的关系

1、作物个体和群体之间互相联系又互相制约。

2、合理的种植密度有利于个体与群体的协调发展。

3、利用作物群体自动调节原理采取栽培技术措施提高作物产量。

第三章　作物产量和产品品质的形成

第一节　作物产量及其构成因素

一、作物产量

作物产量分光合产量、生物产量和经济产量。

经济系数

光合产量＝光合面积×光合时间×光合强度

生物产量＝光合产量+矿质元素-消耗量和损耗量

经济产量＝生物产量×经济系数

经济系数与遗传基础、收获器官及其化学成分以及栽培技术和环境对作物生长发育的影响有关。

二、产量构成因素

作物产量是指单位土地面积上的作物群体的产量，即由个体产量或产品器官数量所构成。

产量构成因素：

禾谷类→穗数、每穗实粒数、粒重

豆类→株数、每株有效分枝数、每分枝荚数，每荚实粒数、粒重

薯类→株数、每株薯块数、单薯重

棉花→株数、每株有效铃数、每铃籽棉重、衣分

油菜→株数、每株有效分枝数、每分枝角果数、每角果粒数、粒重

甘蔗→有效茎数、单茎重

产量构成因素间很难同步增长，往往彼此间存在负相关关系。

三、作物产量形成特点

作物产量的形成与器官分化、发育及光合产物的分配和积累密切相关。

1、产量因素的形成

生育前期、生育中期和生育后期

营养器官的生长和生殖器官的生长存在数量关系。

产量因素在形成过程中具有自动调节现象（禾谷类生长后期形成的产量因素可补偿生长前期损失的产量因素）。

2、干物质的积累与分配

作物产量形成的全过程包括光合器官、吸收器官及产品器官的建成及产量内容物的形成、运输和积累。

作物的干物质积累动态遵循Logistic曲线（S曲线）模式，即经历缓慢增长期、指数增长期、直线增长期和减慢停止期。

干物质的分配随物种、品种、生育时期及栽培条件而异。

3、生长分析

（1）相对生长率（RGR,relativegrowthrate）：

单位时间单位重量植株的重量增加，通常用g/g·d或g/g·周表示。

（2）净同化率（NAR,netassimilationrate）：

单位叶面积在单位时间内的干物质增长量。

（3）叶面积比率（LAR,leafarearatio）：

叶面积与植株干重之比（L/W）。

实际上，相对生长率即是叶面积比率与净同化率的乘积（植株的相对生长速率决定于叶片生产干物质的效率和作物本身的多叶性）：

（4）比叶面积（SLA,specificleafarea）：

也称叶面积干重比，为叶面积与叶干重之比。

（5）叶干重比（LWR,leafweightratio）：

叶的干重与植株干重之比。

实际上，相对生长率受比叶面积（SLA）、叶干重比（LWR）、净同化速率（NAR）的影响：

（6）作物生长率（CGR,cropgrowthrate）：

群体生长率，它表示在单位时间、单位土地面积上所增加的干物重。

即产量增长速度与NAR和LAI成正比。

而LAI随作物种类、生育时期、种植密度及栽培环境等而变化。

生长分析法的基本观点是以测定干物质增长为中心，同时也测定叶面积，计算与作物光合作用生理功能相关的参数，比较不同作物、不同品种、不同生态环境下生长和产量形成的差异。

（7）叶日积（LAD,leafareaduration）：

也称叶面积持续期，或称光合势，它是指叶面积指数的积算值。

在实际应用中，通常用下式计算：

式中L1、L2分别表示前后两次测定的群体叶面积指数，T为观测日期。

叶日积较客观地反映出不同群体结构农田，作物不同生育期叶面积变化的差异，可以比较作物不同生育期叶面积所比例。

第二节　作物的“源、流、库”理论及其应用

一、源

源是指向其它生长器官或组织输送光合产物的器官或组织，也就是生产和输出光合同化物的叶片。

就作物群体而言，则是指群体的叶面积及其光合能力。

只有叶面积大，光合效率高，才能使源充足，为产量库的形成和充实奠定物质基础。

对禾谷类而言，花后的LAD（leafareaduration,叶面积持续期或光合势）即叶面积持续期长短与产量关系密切。

除叶面积大小和光合速率外，颖花叶比、粒数叶比、粒生叶比等也用来表示源的供给能力或强度。

二、库

库指接受或贮藏光合产物的组织或器官，有时也指产品器官的容积和接纳营养物质的能力。

可把库分为代谢库和贮藏库两类。

禾谷类的库决定于单位土地面积上的穗数、每穗颖花数和籽粒大小的上限值；薯类作物则取决于单位土地面积上的块根或块茎数和薯块大小的上限值。

库的潜力存在于库的构建中。

禾谷类作物籽粒的贮积能力取决于灌浆持续期和灌浆速度。

其穗的库容量由籽粒数和籽粒大小所决定，两者有互补效应。

三、流

流是指作物植株内系统的发育状况及其运转速率。

流的主要器官是叶、鞘、茎中的维管系统，其中穗颈维管束可看作源通向库的总通道，同化物质运输的途径是韧皮部，韧皮部薄壁细胞是运输同化物的主要组织。

同化物的运输受多种因素制约：

韧皮部输导组织的发达程度、适宜的温度、充足的光照和养分等。

流的大小研究，小麦上采用群体穗颈维管束总数、平均束通量和有效输导时间三者乘积来表示。

四、源、流、库的协调及其应用

作物产量三个因素：

源足、库大、流畅。

1、从源和库关系看，源是产量库形成和充实的物质基础。

正常情况下，源与库的大小和强度是协调的，因此要争取在单位面积上的群体有较大的库容量，就必须从强化源的供给能力入手。

源、库器官的功能是相对的，有时同一器官兼有两个因素的双重作用。

如叶、如茎。

2、从源与库的关系看，库对源大小，特别是对源光合活性具有明显的反馈作用。

库是源发展的最终结果，但库不是一个被动的接收器；库的大小及生理活性，反过来影响源的活性及流的转运和方向。

库对源还可发挥“动员”和“征调”作用，迫使其内含物向库转移。

3、从库、源与流的有关系看，库、源大小对流的方向、速率、数量都有明显影响，起着“拉力”和“推力”的作用。

源是流的起点，对流起着“推力”作用；库是流的终点，对流起着“拉力”作用。

通常，同化物的运输是由各生长部位的相对库容量决定的，要使同化物更多地转动到穗器官，必须增加穗的相对需求量（拉力）。

源、流、库在作物代谢活动和产量形成中构成统一的整体，三者的平衡发展状况决定作物产量的高低。

4、源、库、流理论的应用

高产对“源”要求：

一是开“源”，使源丰，即光合产物来源丰富（即要求LAI和NAR适当高）；二是源持续时间长，即源远流长（光合时间长，也即NAR高）；三是源与库相适应（即要求前期建“库”数量与后期实库能力相符）。

高产对“库”的要求：

一是库多、库容大；二是减少无效库；三是库的建成要与源、流相适应。

高产对“流”的要求：

一是流畅；二是流向正确，尤其后期，要全部流向产品器官；三是流要有“中转站”，以便暂时贮备，即流可行可止；四是要节流，不要使流无效。

“流”畅要求供水充分，还要求输导组织不受阻碍（如不倒伏、不受病虫害等）。

生产中，流常不会成为限制产量的主导因素，但其是否畅通直接影响同化物的转运速度和转运量，也影响光合速率，最终影响经济产量。

因此，培养健壮的茎杆，使输导组织发达，可促进库的形成。

高产选育时，穗颈大、小维管束数就作为选育的重要指标。

源、库的发展及其平衡状况往往是支配产量的关键因素。

源、库在产量形成中相对作用的大小随品种、生态及栽培条件而异。

源、库都是限制产量的主要因素，相比而言，库容量大小对产量的作用更为重要。

一般说来，在产量水平较低时，源不足是限制产量的主导因素，增产途径是增源和扩库同步进行，重点放在增加叶面积和增加单位面积的穗数上。

但当叶面积达到一定水平，继续增加穗会使叶面积超出适宜范围，此时增源的重点应转向提高光合速率或适当延长光合时间两方面，扩库的重点则应由增穗转向增加穗粒数和粒重。

第三节　作物产量的潜力

潜在生产力和现实生产力。

一、光、温、水资源与作物生产潜力

1、太阳辐射与光合生产潜力

光合生产力：

基因×环境→光合表现→作物生产力

光合有效辐射（PAR,photo-syntheticallyactiveradiation）

太阳辐射（2093.4J/cm2·d）→

光合有效辐射（PAR，921.1J/cm2·d，占44%，总量子数为4320μE/cm2·d）（2093.4J×2.064μE/J）减去反射损失360μE/cm2·d（占8.33%），非光合色素吸收432μE/cm2·d（占10%）→

用于光合量子数（3528μE/cm2·d）→

生产CH2O量子数353μmol/cm2·d（约占10%），减去呼吸损失116μmol/cm2·d（占33%）→

净生产CH2O：

237μmol/cm2·d→

净干物质生产：

71g/cm2·d＝3.344μg/J（1molCH2O为30g）

也就是，在太阳总辐射为2.93.4J/cm2·d的地区，其光合生产潜力为71g/cm2·d。

由此可换算出每焦耳太阳辐射生产净干物质为3.344μg。

如果净干物质占总干物质的92%（无机成分占8%），则作物生产潜力为77g/cm2·d。

光合作用最初产物为葡萄糖，1molCH2O的产热量为468.922kJ，按上述干物质计算，光能利用率为5.3%（占总辐射比率）或12%（占光合有效辐射比率）。

但实际生产中，光能利用率仅为0.5%-1.5%。

2、温度资源和光温生产潜力

作物生长温度范围内并非最适温度，光温生产潜力小于光合生产潜力。

3、水资源与光温水生产潜力

水分范围也一样，并非最适水分，因此气候－生物生产潜力较小。

4、影响光能利用率的因子

光合有效辐射，反射、透过损失，非叶绿体吸收，光饱和损失，呼吸损失。

二、提高产量潜力的途径

提高作物产量潜力，一是改进遗传，提高其光合效率；一是利用栽培技术措施，改善环境，提高作物群体的光能利用率。

1、遗传育种与提高光合效率

生理水平：

改变光合色素的组成与数量，改造叶片的吸光特性，提高光饱和点，缓解光抑光合；改变CO2固定酶，提高酶活性对CO2的亲合力。

解剖结构和形态学水平：

叶色、叶形、叶片厚度、叶片伸展角度等。

（比叶重和气孔密度、叶肉细胞的环数和分枝数）

遗传学角度：

高光效品种（多基因控制），选择理想株型（植株形态特征、空间排列等）。

2、提高作物群体的光能截获量

作物群体的光能截获量主要与叶面积指数（LAI）、叶面积持续时间（LAD）、叶面积在垂直空间的分布及叶倾角（叶片伸展方向与水平方向的夹角）有关。

作物群体的光能截获量与太阳辐射在冠层内的吸收（叶片光吸收特点、叶片排列、叶片伸展角度）、反射、透射和漏射有关。

3、降低呼吸消耗

呼吸作用消耗光合产物的30%左右或更多。

C3作物存在光呼吸，增加消耗。

通过环境调控，抑制光呼吸来提高净光合生产率。

4、改善栽培环境和栽培技术

作物栽培环境，尤其土壤环境影响作物群体发展、LAI、LAD及光合速率等；采取合理的栽培技术，使生长前期叶面积迅速扩大，生长中后期到达最合适叶面积指数，且持续时间长，保持高光效，采取间套作，增加复种指数；生育阶段增施CO2、有机肥、碳酸氢铵等，保持群体通风透光等。

三、作物群体与群体光能利用率

1、作物群体概念

2、作物群体的特点

3、作物群体结构与指标体系

1）群体组成

2）群体大小：

群体密度、群体高度、群体生物量、群体分布（时间分布、空间分布）、

3）群体的冠层结构

4）作物群体的生产结构：

光合系统（叶）和非光合系统（茎）的空间配置

5）叶层结构与物质生产：

叶层配置、叶角、叶面积指数

6）作物群体结构及物质生产的影响因素：

株型、环境因子

7）群体光能利用率：

田间太阳辐射特征、光能利用率、影响因子、光合生产潜力及其估算

8）群体的人工调节：

种植密度、种植方式、行向

四、作物产量潜力的5P理论

1、最高理论产量的估算

2、产量潜力的5P理论

5P理论（作物产量形成是5P因子的综合作用结果）：

冠层建立（Priorevents）、光合作用（Photosynthesis）、分配强度（Partitioningintensity）、分配持续期（Partitioningduration）、碳氮前期的积累与重新调动（Prioraccumulationandremobilizationofcarbonandnitrogen）。

冠层建立重点研究：

栽培管理（株行距、种植密度、施肥与灌溉）、气候和土壤（干旱、低温和光周期等）、遗传因素（植株大小、出叶速率、分蘖或分枝能力、光合速率、比叶面积、冠层垂直与水平的发展速率等）

光合作用重点研究：

生育期间的冠层净光合速率、水肥耦合对冠层净光合速率的影响与优化、叶倾角及其变化对净光合作用的关系、比叶重（SLW）变化。

分配强度重点研究：

生殖生长开始后同化产物向经济器官分配的过渡时间、同化产物向其它器官分配的比例、收获指数的大小、调节分配强度的生理机制。

分配持续期重点研究：

有效灌浆期长短的遗传变化、干旱、高温与有效灌浆期的关系。

碳氮物质的重新调运重点研究：

蛋白质的重新调运、非结构性碳水化合物的重新调运、重新调运的场所、机制等。

第四节　作物品质及其形成

评价作物品质：

一是化学成分及有害物质，一是物理指标。

一、作物品质的概念

1、粮食作物品质：

营养品质、食用品质、加工品质和商品品质。

2、经济作物品质

3、饲料作物的品质

二、作物品质形成的生理生化基础

作物品质取决于光合产物形成的特定物质，并随作物品种和环境条件的不同而很大变化。

不同类型的作物，其产品的内在质量与不同生育阶段的物质代谢关系极为密切。

三、影响作物品质的因素

1、遗传因素

2、环境因素：

光照、温度、水分、土壤性质、施肥、种植密度、科技水平、收获期等。

第五节　作物品质的改良

作物品质的形成是由遗传因素和非遗传因素两个方面决定的。

一、遗传因素

选用优