不同粮食作物光能利用效率研究

刘 涛，杨晓光，高继卿，何 斌，白 帆，张方亮，刘志娟，王晓煜，孙 爽，万能涵，陈 曦，黄秋婉，柳晓庆

·农业生物环境与能源工程·

不同粮食作物光能利用效率研究

刘 涛1,2，杨晓光1※，高继卿1，何 斌1，白 帆1，张方亮1，刘志娟1，王晓煜1，孙 爽1，万能涵1，陈 曦1，黄秋婉1，柳晓庆1

（1. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2. 天津气候中心，天津 300074）

作物产量高低主要取决于作物的光能利用效率，明确不同作物光合、光截获能力与光能利用效率的差异性，对提高作物资源利用效率和种植结构调整有重要意义。该研究以吉林省梨树县玉米、春小麦、大豆、谷子和马铃薯5种主要粮食作物为研究对象，通过2 a田间试验，分析研究了不同作物不同生育阶段的光合特性、光截获能力和光能利用效率。结果表明：玉米和谷子在营养及生殖生长阶段的最大净光合速率均不低于28.34mol/(m2·s)，高于其他作物，且光合作用适宜光强范围较其他作物更宽。对比作物光合有效辐射截获能力可知，玉米、大豆和谷子的光截获能力明显优于其他作物，但基于光截获能力分析需适当减小种植密度，避免种植密度过大影响作物中下部叶片发育；马铃薯和小麦则可在充分考虑水分、肥料等限制条件后适当增加种植密度来提升作物群体光截获能力；作物上部最大光截获由营养生长阶段向生殖生长阶段的过渡时期最高，对作物光能利用率的提高有重要影响。马铃薯、玉米及谷子的全生长季光能利用率显著高于小麦和大豆；马铃薯、玉米及谷子在营养生长到生殖生长过渡时期的光能利用率较其他生育期高。仅考虑产量最高，吉林梨树县优先种植玉米、马铃薯和谷子。

作物；光合作用；光分布；光能利用效率；经济指数

0 引 言

过去几十年全球主要作物产量出现不同程度停滞，为满足全球日益增长人口对粮食和油料的需求，产量仍需不断提升[1]。东北地区是中国主要粮食作物和大豆生产基地，区域作物产量和资源效率提升对粮食和油料安全具有重要意义[2]。光合作用是绿色植物初级生产力形成的基本过程，是光能吸收固定、转化基础环节，与作物产量密切相关[3-4]。

光能利用率(Radiation Use Efficiency，RUE)为单位面积光合作用产生的有机物所含能量与接受太阳能的比值，是气候资源利用指标之一[5-8]。提高光能利用率是作物获得高产的重要途径之一，RUE高低主要取决于作物光合作用和冠层光截获量[9-11]。国内外学者针对作物光能利用效率、作物冠层光截获与产量的关系开展了大量研究[12-14]。李少昆[15]研究表明作物光合速率与干物质积累及产量之间有着很好的正相关关系，提高作物光能利用效率是作物栽培与育种科学家提升作物产量的重要途径之一。Kooman等[16]研究发现作物光能利用率与辐射强度之间存在负相关关系，主要因为大部分叶片在辐射强度高时出现光饱和，导致强光辐射下的RUE比弱光辐射下的RUE小。Tarkalson等[17]通过调节马铃薯行间距使马铃薯群体冠层结构更加合理，截获更多光合有效辐射以达到提高马铃薯产量目标。Trapani等[18]以向日葵为研究对象，发现向日葵光合有效辐射截获率超过0.8时RUE可以增加2倍，证明了改善作物种植密度或株形增加作物光截获可以提高作物RUE，从而提高产量。除此之外，基于光能利用效率进行不同作物之间的比较方面也有部分研究，樊荣峰[19]通过Michaelis-Menten方程和Dagneli方程对东北地区大豆和玉米各个生育时期光合速率、光能利用率对光强的响应特征进行模拟，研究结果表明玉米各生育时期的最大光合速率和光能利用率均高于大豆，且光能利用率呈先升高后降低的趋势。叶子飘等[20]基于光响应机理构建了叶片光能利用效率对光的响应模型，分析了栾树、辣椒、高粱和玉米4种作物的光能效率变化规律，发现栾树和辣椒最大光能利用率比高粱和玉米低，而最大光能利用率所对应的光饱和强度则没有表现出明显差异。

当前作物光能利用研究多集中在作物光合作用或作物光截获方面，作物光能利用效率研究需要综合2方面进行更为系统的探究，同时，多种作物光能利用率比较研究目前多以模型模拟为主，缺乏田间试验实证研究。因此，本研究基于吉林省梨树县2 a田间试验，对比分析玉米、小麦、大豆、马铃薯和谷子5种粮食作物生长季内的辐射分布规律，在此基础上比较主要作物不同生育阶段不同部位光截获特征差异，综合考虑不同作物各生育阶段内光饱和曲线及光合日变化特征，明确不同作物各生育阶段光能利用率的差异性，为基于气候资源利用效率进行的作物种植结构布局调整提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究于2016 年4月～2017年10月在吉林省梨树县中国农业大学实验站（43°16′40″N，124°26′16″E）进行。1965—2017年气象资料显示，作物主要生长季4月—10月内平均气温为16.7 ℃，降水量为522 mm，日照时数为1 668 h。试验地土壤类型为黑土，2016年和2017年播前耕层土壤养分分别为：碱解氮质量分数85.83、113.02 mg/kg，有效磷24.59、15.47 mg/kg，速效钾131.34、167.70 mg/kg，有机质1.48%、1.63%。土壤pH值分别为5.60、5.43。

1.2 试验设计

试验作物为玉米、春小麦、谷子、大豆和马铃薯。玉米为郑单958，春小麦为冰麦33，谷子为张杂6，大豆为吉育47，马铃薯为延薯4。玉米于5月上旬播种，10月上旬收获，行距60 cm，密度6万株/hm2；春小麦4月上旬播种，7月中旬收获，行距15 cm，2016年和2017年种植密度分别为340和320万株/hm2；谷子5月上旬播种，10月上旬收获，行距60 cm，2016年和2017年种植密度分别为80和75万株/hm2；大豆5月上旬播种，10月上旬收获，行距60 cm，密度22.5万株/hm2；马铃薯4月下旬播种，8月下旬收获，行距60 cm，密度8.25万株/hm2。每种作物设4次重复，顺序排列，每个小区20 m×12 m，所有作物均为雨养。常规田间管理，生长季内防控病虫草害。

1.3 项目测定与方法

1.3.1 作物叶片净光合速率

在作物营养生长阶段和生殖生长阶段，使用LI-6400XT便携式光合仪（LI-COR，Lincoln，USA）测定叶片净光合速率。测定叶片选择标准是：选取长势均匀一致，生长良好的功能叶片，营养生长阶段选取作物最上部展开叶，生殖生长阶段小麦和谷子测定旗叶，大豆测定倒三叶，马铃薯测定生长点下第三功能叶，玉米测定穗位叶。在作物营养生长阶段和生殖生长阶段分别选择典型晴天从6:00—18:00测定叶片净光合速率，每2 h测定1次，每次测定9株。为了降低因测定时间不一致引起的误差，每次测定提前15 min开始，采用往返循环测定方法进行。由于作物种类较多，光能指标测定要求典型晴天，因此在一个生长季内来不及全部测定，所以在2016年测定作物净光合速率日变化和光截获，在2017年测定作物光响应曲线和光截获。

1.3.2 作物光响应曲线

利用LI-6400XT型便携式光合仪在作物营养生长阶段和生殖生长阶段，在典型晴天10:00—12:00测定各作物功能叶片光响应曲线。设定CO2浓度与农田环境一致为370mol/mol、叶室温度为25 ℃、相对湿度为70%，分别设定光量子密度（Photo synthetically Available Radiation，PAR）为2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50和0mol/(m2·s)时测定叶片净光合速率，同时绘制光响应曲线。

1.3.3 作物LAI及光截获率

在各作物各关键生育期分别进行取样和测定，各作物关键生育期如表1所示，取样方法参考农业气象观测规范[21]，各作物叶面积通过LI-3100C台式叶面积仪（LI-COR，USA）测定，计算叶面积指数。利用线性光量子仪（LI-COR，USA）测定作物光截获，于各作物关键生育期，在典型晴天6:00—18:00测定光合有效辐射，每2 h测定1次。为消除时间误差，每次测定均采用往返观测法。测定时如图1将线形光量子仪置于距作物冠层之上距冠层30 cm处，测量冠层上部PAR（0），再将线形光量子仪置于作物中部 (玉米穗位叶、小麦旗叶下、谷子旗叶下、大豆倒三和倒五叶之间、马铃薯生长点向下第三片功能叶)，测定该部位的PAR（I），最后将线形光量子仪置于冠层底部，测量底部PAR（）。作物光截获利用公式（1）~（2）计算[22]，以测定当天7个结果的均值代表作物该生育期的光截获率。

式中L表示作物植株上部的光截获率，%；L表示作物整体的光截获率，%；0表示达到作物冠层的光合有效辐射强度，mol/(m2·s)；I表示到达作物中部的光合有效辐射强度，mol/(m2·s)；表示到达作物底部的光合有效辐射强度，mol/(m2·s)。

表1 作物关键生育期的测定日期

注：括号内分别为2016年和2017年各时期的具体日期。

Note: The parentheses are the specific dates corresponding to each period of crops in 2016 and 2017, respectively

1.3.4 作物光截获量

作物各生育阶段光合有效辐射可通过Penman-Monteith公式进行计算[23-24]，具体计算公式如下：

R=37.6d(wsincos+coscossinw)（5）

式中为光合有效辐射，MJ/(m2·d)；R为太阳总辐射，MJ/(m2·d)；R为晴空太阳辐射，MJ/(m2·d)；d为日地相对距离；为太阳赤纬，rad；w为日出日落时角，rad；为最大天文日照时数，h；为日照时数，h；为测点纬度，rad；为日序。

注：L表示作物植株上部的光截获率，%；L表示作物整体的光截获率，%；0表示达到作物冠层的光合有效辐射强度，mol·m-2·s-1；I表示到达作物中部的光合有效辐射强度，mol·m-2·s-1；表示到达作物底部的光合有效辐射强度，mol·m-2·s-1。

Note:Lis the light interception rate of the upper part of the crop plant, %;Lis the light interception rate of the whole crop, %;0is the photosynthetically active radiation intensity reaching the crop canopy,mol·m-2·s-1;Iis the photosynthetically active radiation intensity reaching the middle of the crop,mol·m-2·s-1;is the photosynthetically active radiation intensity reaching the bottom of the crop,mol·m-2·s-1.

图1 PAR传感器测定点示意图

Fig.1 Diagrammatic representations of photo synthetically active radiation (PAR) sensors

计算作物不同生育期的光截获量，以日为步长，以各生育阶段的作物整体光截获率与PAR日入射总量相乘求得该生育阶段的光截获量[25]。

1.3.5 作物干物质质量、产量与经济系数

在作物各生育期测定地上部干物质质量。每小区取1 m长度典型植株在105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘干至恒定质量后称量，之后折算单位面积地上部干物质质量。用某生育阶段测定的干物质质量减去前一个生育期的干物质质量作为该生育期阶段的干物质净积累量（Dry Matter Weight，DMW）。

在作物成熟期，玉米每小区取中间5行4 m测产，小麦每小区取中间6行2 m测产，马铃薯、谷子及大豆每小区取中间2行2 m测产。经济系数（HI）为产量与成熟期干物质量的比值，可以有效反应作物将有机物转化合成为农产品的效率[26]。

1.3.6 光能利用效率

各生育期光能利用效率公式[27]如下：

式中DMW为作物某生育时段地上部干物质积累量，g/m2；为同期光合有效辐射量，MJ/(m2·d)；N为对应生育期日数。全生育期通过产量及全生育期光合有效辐射量计算，全生育期光合有效辐射通过试验站点气象站数据计算得到。

1.3.7 数据处理

使用Microsoft Excel 2016及SigmaPlot12.5软件进行数据处理和绘图，用SPSS19.0进行数据统计分析，利用Li-COR公司Photosynthesis软件对光响应曲线进行拟合，计算并得出光合响应参数光饱和点（Light Saturation Point，LSP）、光补偿点（Light Compensation Point，LCP）、表观量子效率（Apparent Quanta Efficiency，AQE）和暗呼吸速率（dark respiration rate，Rd）。

2 结果与分析

2.1 作物生育期内光合有效辐射特征

2016—2017年作物各生育阶段及全生育期光合有效辐射如图2所示。作物生长季内光合有效辐射高低主要取决于作物生育期长短，各作物生育期内光合有效辐射由高到低依次为玉米、谷子、大豆、马铃薯和小麦。小麦、玉米和谷子灌浆期—成熟期光合有效辐射最高，其次是拔节期—抽穗期，抽穗期—灌浆期最小；马铃薯是末花期—成熟期光合有效辐射最高，其次是初花期—末花期，孕蕾期—初花期最小；大豆花荚期—成熟期光合有效辐射最大。

2.2 不同作物光响应曲线变化特征

作物光响应曲线可表征作物净光合速率与光合有效辐射之间的关系，对了解作物光合作用效率非常重要。利用LI-6400XT型便携式光合仪测定各作物营养和生殖生长阶段关键时期主要功能叶片光响应曲线基础值，然后利用Li-COR公司的Photosynthesis软件对光响应曲线进行拟合，得出各作物营养生长阶段及生殖生长阶段光响应参数，如表 2所示。作物营养生长阶段最大净光合速率由高到低依次为玉米、谷子、小麦、大豆和马铃薯，生殖生长阶段最大净光合速率由高到低依次为谷子、玉米、大豆、马铃薯和小麦。表明玉米和谷子作物最大光合能力均大于28mol/(m2·s)，高于其他作物。叶片光饱和点（Light Saturation Point , LSP）表示叶片达到最大光合速率时所对应的光照强度，数值高表明作物在强光下生长发育不易受到抑制。作物营养生长和生殖生长阶段光饱和点由低到高依次为大豆、小麦、马铃薯、玉米，谷子最高为2 784mol/(m2·s)。光补偿点（Light Compen-sation Point，LCP）反映的是作物叶片光合作用过程中光合同化作用与呼吸消耗相当时的光强，光补偿点低说明进行光合作用所需光照强度低，利用弱光能力强。营养生长阶段LCP由低到高依次为玉米、谷子、小麦、大豆和马铃薯；生殖生长阶段LCP由低到高依次为谷子、玉米、马铃薯、小麦和大豆。对比各作物叶片LSP和LCP，结果表明玉米和谷子呈高LSP和低LCP，光合作用适宜光强范围较其他作物更宽。作物表观量子效率（Apparent Quanta Efficiency，AQE）为光响应曲线在弱光阶段斜率，斜率越大，表明作物利用弱光能力越强。结果显示各作物表观量子效率均在0.05左右波动，差异不大。对比不同作物在营养和生殖生长阶段主要光响应参数，玉米及谷子优势明显。

图2 作物全生长季和各生育阶段的光合有效辐射

表2 各作物主要光响应参数

注：营养生长期具体测定时期为小麦拔节期，玉米拔节期，马铃薯初花期，大豆花芽分化期，谷子拔节期；生殖生长期具体测定时期为小麦灌浆期，玉米灌浆期，马铃薯末花期，大豆花荚期，谷子灌浆期。AQE为表观量子效率；Pn为最大净光合速率，mol·m-2·s-1；LSP为光饱和点，mol·m-2·s-1；LCP为光补偿点，mol·m-2·s-1；Rd为暗呼吸速率，mol·m-2·s-1。

Note: The specific determination period of vegetative growth are wheat jointing, maize jointing, potato initial flowering, soybean flower bud, millet jointing. The specific stages of reproductive growth are wheat filling, maize filling, potato terminal flowering, soybean pod and millet filling. AQE means apparent quanta efficiency,mol·m-2·s-1); Pn means maximum net photosynthetic rate,mol·m-2·s-1; LSP means light saturation point,mol·m-2·s-1; LCP means light compensation point,mol·m-2·s-1; Rd means dark respiration rate,mol·m-2·s-1).

2.3 光合特性日变化

在作物不同生育期典型晴天，利用LI-6400XT测定作物关键生育期功能叶片的净光合速率日变化，如图3所示。由图可知，营养生长阶段作物净光合速率在观测时段（6:00—18:00）内，玉米、谷子、大豆和马铃薯净光合速率呈明显的单峰型日变化特征，玉米、谷子、大豆和马铃薯峰值均出现在10:00，净光合速率分别为43.00、27.12、19.27和16.56mol/m2·s；小麦净光合速率日变化则为双峰型曲线，小麦双峰分别出现在8:00和16:00附近。生殖生长阶段作物净光合速率在观测时段（6:00—18:00）内，玉米、谷子、小麦、大豆及马铃薯的净光合速率均呈现明显的单峰型日变化特征，玉米及小麦峰值在12:00，净光合速率分别为29.01 和15.57mol/(m2·s)；谷子、大豆和马铃薯峰值在10:00，净光合速率分别为22.80、16.69和9.37mol/(m2·s)。对比不同作物在营养及生殖生长阶段净光合速率，玉米及谷子优势明显。

图3 不同作物不同生育期典型晴天的净光合速率日变化

2.4 主要生育期内的光截获率

利用线性光量子仪测定作物各关键生育期冠层上部、作物中部和作物底部光合有效辐射，基于测定数据，利用公式（1）、公式（2）计算作物的光截获率。群体内部光分布特征在一定程度上影响作物光合作用，从而影响作物产量，作物主要生育期内的植株上部和植株整体光截获特征如图4所示。由图4可以看出，随生育期变化，小麦、马铃薯及玉米作物植株上部和植株整体光截获率均呈先增后减的趋势，光截获最大值为营养生长阶段向生殖生长阶段的过渡时期。大豆及谷子植株上部光截获率也呈现先增后减的趋势。对比主要作物植株整体光截获最大值由高到低依次为大豆（100%）、玉米（97%）、谷子（94%）、马铃薯（92%）和小麦（76%），植株上部光截获率最大值由高到低依次为玉米（92%）、大豆（88%）、谷子（72%）、马铃薯（67%）及小麦（57%）。分析各作物植株上部占植株整体光截获比例可知，在作物适宜密度基础上，玉米及大豆可适当缩小密度，避免叶片遮挡，影响作物中下部叶片发育；马铃薯和小麦可适当增加密度，提升作物群体光截获能力。作物植株上部光截获率与绿叶LAI有很好的相关性，作物绿叶LAI也均呈现先增高后降低的趋势。综上，作物全生育期，谷子及小麦光截获波动范围小，光截获能力更稳定。

图4 不同作物主要生育期的光截获率

2.5 光能利用效率、产量及经济系数

作物不同时期光合有效辐射截获量主要取决于光合有效辐射量及作物光截获率。利用公式（3）～（9）计算作物不同生育期内辐射截获量及光能利用率，结果如表3所示。对比试验期间不同作物苗期—成熟期光能利用率，小麦和大豆不同生育阶段光能利用率变化不显著；马铃薯孕蕾—初花期（块茎膨大期）光能利用率为4.90 g/MJ，显著高于其他生育阶段；玉米及谷子最大光能利用率为抽穗—灌浆期，主要由于营养生长到生殖生长阶段过渡时期历时短，光截获量小，由营养生长转为生殖生长，生物积累速度加快，最终导致光能利用率升高。比较各作物全生育期光能利用率，马铃薯及玉米全生育期光能利用率分别为4.03和3.98 g/MJ，显著大于其他作物。经济系数是指籽粒产量与地上部分总干重的比值，代表光合产量和生物产量转化为经济产量的效率，经济系数的增加可以在一定程度上代表作物产量潜力的提高。依据作物产量及收获期生物量计算作物经济系数，马铃薯经济系数为0.95，显著高于其他作物。农作物干物质生产是产量形成的基础，但经济系数也是决定产量高低的重要因素。

表3 不同作物的光能利用率、产量及经济指数

注：截获量、干物质净积累量和光能利用效率为作物种内显著性比较，其他指标为作物种间显著性比较。不同小写字母表示在0.05水平差异显著，不同大写字母表示在0.01水平差异显著。

Note: Interception, DMW and RUE was the intraspecific significance comparison of crops, and other indicators were compared among crop varieties.Different lowercase letters mean significant differences at the 0.05 level, and different capital letters mean significant differences at the 0.01 level.

3 讨 论

作物光能利用是作物产量形成的基础[28-29]。不同的作物由于基因型不同，在相同的外部环境条件下，其光合能力表现也不同[30]。国内外学者针对玉米、高粱、小麦、棉花等作物进行了光合速率日变化研究，结果表明玉米、高粱光合速率的日变化为单峰曲线，小麦、水稻光合速率的日变化为双峰曲线[31-37]。本文田间实测明确了主要作物净光合速率日变化特征并对各作物光响应曲线进行进一步分析，结果显示不同生长阶段玉米及谷子的最大光合能力均高于小麦、大豆和马铃薯，但净光合速率变化曲线显示小麦营养生长期为双峰曲线，生殖生长期为单峰曲线，大豆及马铃薯全生育期均为单峰曲线。表明作物净光合速率日变化特征受作物种类、周围环境等因素多方面影响。

光能利用率与作物光截获量及生物累积量密切相关，要提高作物光能利用率，一是提高光能转化效率，二是增加光截获量。陈雨海等[38]研究发现，当作物光截获达到一定限度后，继续提高光截获率，将导致光转化效率的迅速下降，故光截获过高对于作物生长发育可能会产生抑制作用，适当减少群体冠层植株上部的光截获比例，增加植株中下部光截获量，可提高光转化效率，这与本试验研究结果一致。比较作物各时期光能利用效率，Otegui等[39]认为作物生长后期没有新叶产生且现有叶片光合能力逐渐减弱，会导致作物生长后期光能利用率降低，同时Mollier等[40]认为作物前期光能利用率低因为生长前期分配到根系的生物量较多，叶片发育不完善造成的。与本研究中玉米、谷子及马铃薯表现出在营养生长到生殖生长过渡期光能利用率最高的结果一致。

本文利用作物生物累积量（受光合作用影响）及光能截获量对作物光能利用率进行系统研究，但仍存在很多不足。选取作物关键生育期，在作物关键时期对作物光截获进行了测定，未对作物整个生长季进行连续观测，作物全生长季光能利用率无法以光截获计算，而是通过气象站数据计算光合有效辐射进而计算光能利用率，与各生育期光能利用率存在误差且仅有2 a结果；作物营养生殖阶段和生殖生长阶段的净光合速率及光响应曲线只以关键生育期为例进行研究，有一定的局限性；作物光能利用率除受作物光截获能力、净光合速率影响外，还受作物生物量等因素的交互影响，如何有效提升作物光能利用需要进一步深入分析。

4 结 论

基于2a田间试验，比较分析了主要作物关键生育期光合作用、光截获量及光能利用效率差异性，结果表明：

1）玉米和谷子营养及生殖生长阶段最大净光合速率均不低于28.34mol/(m2·s)，高于其他作物，且玉米生殖生长期的光合作用适宜光强范围最低为56～2 440mol/(m2·s)，较其他作物更宽。基于作物光合作用比较小麦、玉米、谷子、大豆和马铃薯，玉米和谷子优势明显。

2）随生育期变化，小麦、马铃薯及玉米作物植株上部和植株整体光截获率均呈先增后减的趋势，光截获最大值在作物由营养生长阶段向生殖生长阶段的过渡时期。大豆及谷子植株上部光截获率也呈现先增后减的趋势。为了更好地提升小麦和马铃薯光截获能力，建议研究区域在充分考虑水分、肥料等限制因素适当增加小麦及马铃薯播种密度。

3）作物生长季光能利用率马铃薯、玉米及谷子分别为4.03、3.98和2.21 g/MJ，显著高于小麦及大豆。马铃薯、玉米及谷子表现为营养生长到生殖生长的过渡时期光能利用率最高。基于作物光能利用效率进行作物结构调整，玉米、马铃薯和谷子相对于其他作物具有更大优势。单按追求产量最大计，推荐吉林梨树县优先种植玉米、马铃薯和谷子。

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Radiation use efficiency of different grain crops in Northeast China

Liu Tao1,2, Yang Xiaoguang1※, Gao Jiqing1, He Bin1, Bai Fan1, Zhang Fangliang1, Liu Zhijuan1, Wang Xiaoyu1, Sun Shuang1, Wan Nenghan1, Chen Xi1,Huang Qiuwan1,Liu Xiaoqing1

(1.,,100193,; 2.,, 300074,)

Grain productivity mainly depends on the radiation use efficiency (RUE) of crops. The RUE can be defined as the relationship between the accumulation of biomass related to the light intercepted by the crop. It is necessary to clarify the relationship between crop photosynthesis, light interception ability, and RUE, in order to improve the utilization efficiency of crop resource, further to adjust planting structure. Additionally, the Northeast China, as an important major grain producing area, is playing a critical role in national food security. Taking maize, spring wheat, soybean, millet, and potato in Lishu county of Jilin province in Northeast China as research materials, 2 a field experiments were conducted to investigate the photosynthetic characteristics, light interception, and RUE of five main crops in different growing periods. The crops were first planted in the traditional way, where the cultivation and management were commonly used in the local area. A LI-6400XT portable photosynthesis and fluorescence system was used to measure the diurnal changes of net photosynthetic rate in the vegetative and reproductive growth stages. The light response curve was fitted to obtain the main parameters of light response. A linear light quantum analyzer was selected to measure the light interception of different parts in the key growth period. The light interception and bioaccumulation were used to calculate the utilization efficiency of light energy in different growth periods, whereas, the photosynthetic ally active effective radiation and bioaccumulation were used to calculate that in the whole growing season. The results showed that the maximum net photosynthetic rates of maize and millet were higher than 28mol/(m2·s) at the vegetative and reproductive growth stages, indicating significantly higher than those of soybean, spring wheat, and potato. The diurnal variation curve of net photosynthetic rate for soybean and potato showed a single peak curve, where the peak appeared in the morning. Maize and millet showed a high light saturation point, and a low light compensation point of each crop leaf, where the suitable range of light intensity for photosynthesis was higher than that of other crops. Maize and millet also obviously dominated in the net photosynthetic rate curve and main light response parameters of various crops in the vegetative and reproductive growth stages. The light interception ability of maize, soybean and millet was significantly better than that of other crops, but the planting density can be appropriately reduced to avoid the influence on the development of middle and lower leaves of crops. Nevertheless, the increase of planting density can contribute to improve the light interception ability in the population of potato and wheat. In the transition period from vegetative to reproductive growth stage, the maximum light interception was found in the upper part of crops, indicating an important impact on the improvement of crops RUE. The RUE of potato, maize and millet in the whole growing season was significantly higher than that of wheat and soybean, whereas, that in the transition period from vegetative to reproductive growth was higher than that in other growth periods. Therefore, it is recommended that potato, maize, and millet can be planted preferentially on the adjustment of planting structure using RUE and yield. The finding can provide valuable information to formulate more reasonable and effective planting structure, according to resource utilization efficiency in the future.

crops; photosynthesis; light distribution; Radiation Use Efficiency(RUE); economic index

刘涛，杨晓光，高继卿，等. 不同粮食作物光能利用效率研究[J]. 农业工程学报，2020，36(24)：186-193.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.022 http://www.tcsae.org

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2019-06-03

2020-09-20

国家自然科学基金面上项目（31471408）；国家重点研发计划项目（2016YFD0300101-03）

刘涛，博士，研究方向为作物结构布局调整研究。Email：liu258690365@sina.com

杨晓光，博士，教授，主要从事气候变化对种植制度和作物体系影响与适应研究。Email：yangxg@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.022

S162.3

A

1002-6819(2020)-24-0186-08