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本文综合国内外棉铃发育和棉籽品质形成的生理生态研究成果,基于2006-2007年在江苏南京进行的不同熟性棉花品种与施氮量试验和2005年在长江流域下游棉区和黄河流域黄淮棉区多个试点同时进行的异地分期播种试验,在统计分析基础上,确定影响棉籽品质的主要生态因子,并建立棉籽品质的生态预测模型。运用作物模型学原理和系统分析法,综合量化棉铃发育和棉籽品质形成过程及其与环境因子间的动态关系,并在此基础上构建基于生理发育时间(PDT)的棉花铃期模拟模型和基于生理生态过程的棉籽干物质积累与品质形成模拟模型。利用不同熟性棉花品种多试点分播期的试验资料对模型的预测精度和广适性进行了检验。1.棉花铃期模拟模型基于不同熟性棉花品种和施氮量试验,综合量化品种特性、主要气象条件(温度、太阳辐射)和栽培措施(施氮量)对棉花铃期的影响,在作物生育期模拟研究基础上,改进温度效应的计算方法,增加太阳辐射和氮素效应函数,以生理发育时间(PDT)作为尺度,建立棉花铃期模拟模型。利用田间试验资料对模型进行检验的结果表明：铃期模拟模型对德夏棉1号、科棉1号和美棉33B铃期预测值与实测值的根均方差(RMSE)分别为2.25 d、2.61 d和2.75 d,说明铃期模拟模型预测精度高,机理性强,模型实现了棉铃发育进程的逐日模拟和棉花铃期的准确预测,可为棉籽生长和品质形成的模拟模型提供时间变量。2.棉籽干物质积累模拟模型基于不同熟性棉花品种的异地分期播种试验,综合量化棉籽干物质积累过程及其对品种特性、主要气象条件(温度、太阳辐射)和栽培措施(施氮量)的响应,基于棉籽干物质积累的“库限制”假设,结合棉花铃期模拟模型,建立基于生理生态过程的棉籽干物质积累与籽指形成的模拟模型。通过量化铃期棉铃对位叶氮浓度的变化,为模型构建氮素效应函数。利用不同生态点分品种、播期和施氮量的田间试验资料对模型进行检验的结果表明：科棉1号和美棉33B的棉籽干重模拟值与实测值的根均方差(RMSE)分别为9.5 mg·seed-1和8.2 mg·seed-1。模型预测精度高,机理性强,实现了棉籽干物质重、棉铃对位叶氮浓度的逐日模拟,为进一步模拟棉籽品质的形成过程奠定了基础。3.棉籽蛋白质和油分含量的生态因子效应研究基于不同熟性棉花品种的异地分期播种和施氮量试验,综合分析品种特性、主要气象条件和栽培措施对棉籽蛋白质和油分含量的影响,确定了影响棉籽品质的主要因子：基因型、日均温、太阳辐射量和施氮量。除品种因素外,铃期温度对棉籽品质影响最大,棉籽蛋白质和油分形成的最适宜铃期日均温分别为26.1℃和25.7℃；较高的太阳辐射降低了棉籽蛋白质和油分含量；增加施氮量提高棉籽蛋白质含量,降低油分含量。在统计分析基础上,综合棉籽品质的主要影响因子,建立了棉籽蛋白质和油分含量的生态预测模型。利用不同生态点分品种、播期和施氮量的田间试验资料对模型进行检验的结果表明：棉籽蛋白质含量和油分含量预测值与实测值的根均方差(RMSE)分别为2.03%和2.54%,模型具有综合性强、预测精度高、简便易行等特点,较好地描述了品种因素、主要气象条件和栽培措施与棉籽蛋白质和油分含量的关系。4.棉籽蛋白质形成的模拟模型基于不同熟性棉花品种的异地分期播种和施氮量试验,综合量化棉籽蛋白质形成过程及其对品种特性、主要气象条件(温度、太阳辐射)和栽培措施(施氮量)的响应,在棉花铃期模型、棉籽干物质积累的模拟模型和棉籽品质生态模型基础上,运用农业模型学原理,通过模拟棉籽氮素吸收、结构蛋白和储藏蛋白的合成,建立基于过程的棉籽蛋白质形成模拟模型,实现了不同生态条件下棉籽蛋白质积累及含量变化的模拟预测。利用不同生态点分品种、播期和施氮量的田间试验资料对模型进行检验的结果表明：供试品种科棉1号和美棉33B棉籽蛋白质积累的模拟值与实测值的根均方差(RMSE)分别为2.5mg·seed-1和1.8 mg·seed-1,蛋白质含量预测的RMSE分别为2.05%和2.33%。5.棉籽油分形成的模拟模型基于不同熟性棉花品种的异地分期播种试验,综合量化品种特性、主要气象条件(温度、太阳辐射)和栽培措施(施氮量)对棉籽油分形成的影响,在棉籽油分形成的生理生态研究基础上,建立基于生理生态过程的棉籽油分形成模拟模型。模型与棉花铃期模型和棉籽干物质积累模型结合,通过模拟棉籽油分合成过程及其对品种和环境因子的响应,实现了棉籽生长过程中棉籽油分积累和油分含量的逐日模拟。利用不同生态点分品种、播期和施氮量的田间试验资料对模型进行检验的结果表明：供试品种科棉1号和美棉33B棉籽的油分积累量模拟值与实测值的根均方差(RMSE)分别为1.9 mg·seed-1和2.0 mg·seed-1,棉籽油分含量模拟值与实测值的RMSE分别为2.45%和2.95%。本研究系统模拟了棉铃和棉籽的发育、棉铃对位叶氮浓度变化、棉籽干物质积累、氮素吸收、蛋白质和油分合成等生理过程以及棉籽品质的温度效应、太阳辐射效应、氮素效应等生态过程。模型通过棉铃发育进程(生理发育时间PDT)将各子模块紧密结合,应用面向对象的程序设计与软构建技术在Visual Basic平台上构建棉花铃期模型系统和棉籽生长与品质形成模型系统,系统主要用于气象数据的统计分析、模型参数调试以及模型的运行、应用和检验。本研究是对棉花生长模型的补充完善,填补了国内外在该领域的研究空白,为进一步进行棉籽产量、棉籽蛋白质和油分产量的预测及其形成过程的模拟研究奠定了基础,为棉花生产的辅助调控提供了技术支撑。