红壤坡地农业景观(旱季)地表界面水分传输研究——Ⅱ．叶面冠层一大气界面水分传输

定位观测红壤坡地典型作物系统叶面冠层 大气界面水分传输结果表明 ,叶面冠层 大气界面水汽传输通量大小取决于景观植物群落的构建 ,稳定群落叶面冠层 大气界面水汽传输通量有明显日变化规律 ,除受植物生理机制影响外 ,还明显受土壤水分和气象条件的影响。植株叶片蒸腾速率有明显日变化规律且呈单峰型曲线及多峰态势。净辐射、空气饱和水汽压差、气温、地表温度、风速对蒸腾的影响均达极显著水平 (正相关 ) ,其中净辐射、气温为主要影响因子。叶片气孔导度可反映叶片蒸腾速率 ,叶片气孔阻力日变化规律是植物对气象条件的响应 ,且受土壤水分状况强烈影响。改善作物生长环境 ,调节气孔行为 ,进而协调作物蒸腾作用和光合作用耗水制约 ,可调控叶面冠层 大气界面水分传输 ,提高作物水分利用效率     

日光温室番茄不同空间尺度蒸散量变化及主控因子分析

明确日光温室作物不同空间尺度蒸散量及变化规律是提高水分利用效率、实现农业水资源合理配置的关键。该文针对华北地区典型日光温室,于2015—2016年在中国农业科学院新乡综合试验基地,以滴灌番茄为研究对象,参考20 cm标准蒸发皿的累积蒸发量,设计充分灌溉和亏缺灌溉2种水平,研究不同水平下番茄叶片蒸腾、单株耗水(用茎流速率表征)和群体蒸散量的日变化和生育期变化,并采用通径分析法确定影响不同空间尺度蒸散量的主控因子。结果表明:叶片蒸腾和气孔导度随太阳辐射变化,峰值出现在10:00—14:00之间,移栽54~58 d后充分和亏缺处理的叶片蒸腾和气孔导度开始出现差异;充分和亏缺处理的单株耗水在晴天差异最大,阴雨天最小,且滞后太阳辐射约1 h;全生育期充分和亏缺处理的日群体蒸散量分别在0.32~6.65和0.15~5.91 mm/d之间变化,群体蒸散量在盛果期最大,占总耗水量的31.7%~34.7%。净辐射对叶片、单株和群体尺度的蒸腾量影响均显著,而水汽压差仅对单株和群体尺度蒸散量影响显著,估算日光温室番茄单株耗水和群体蒸散量时需考虑风速影响。水分胁迫条件下,考虑叶温变量可显著提高单株耗水和群体蒸散量的估算精度。研究可为不同空间尺度蒸散量转换方法的选择以及尺度提升理论模型的构建提供借鉴。     

水分处理对油菜叶位光合速率、蒸腾速率及水分利用效率的影响

通过对不同水分处理下油菜不同叶位叶片光合速率（Pn)、蒸腾速率（E）和水分利用效率（WUE）的测定表明，油菜主茎叶片的光合速率、蒸腾速率和水分利用效率随叶位的降低而降低；干旱胁迫下油菜水分利用效率显著提高，光合速率变化不明显，但上部、下部时间光合速率差异大，充分供水时叶片的蒸腾速率提高，水分利用效率则降低，从到下叶片水分利用效率、光合速率降低不剧烈，而蒸腾速率表现为上部和下部叶高，而中部叶低。据测定，干旱处理下油菜单株生物量为37.45g，充分供水时为38.76g，干旱导致油菜行政区牧师 降低；水分胁迫能提高作物水分利用效率。在充分供水条件下叶片蒸腾速率较高，这可能是气孔行为的结果。     

利用碳同位素分辨率表征沟灌番茄水分利用效率

为了进一步探索沟灌条件下作物水分利用效率提升机理,利用稳定碳同位素对水分利用效率（WUE）的指示特性,研究了隔沟交替灌溉（AFI）和常规沟灌（CFI）条件下大田番茄不同部位碳同位素分辨率（Δ13C）与叶片和产量水平水分利用效率的关系。研究结果表明：不同沟灌条件下果实成熟期的叶片碳同位素分辨率（ΔL）、果实碳同位素分辨率（ΔF）分别为19.27‰～20.25‰和18.07‰～20.04‰,ΔL与叶片水平瞬时水分利用效率（WUEi）、内在水分利用效率（WUEn）均呈负相关,且ΔL对WUEn的指示性优于WUEi。ΔL、ΔF均与产量水平水分利用效率（WUEET）呈负相关。AFI条件下ΔL与WUEn、WUEET的相关性较CFI更为显著,沟灌条件下果实成熟期的叶片碳同位素分辨率可作为表征作物WUE的量化指标。     

不同土壤水分条件下玉米叶片/冠层气孔导度的光谱监测模型

通过玉米水分控制试验,测定不同水分条件下各生育期叶片气孔导度、叶面积指数和冠层光谱反射率等,以分析玉米叶片气孔导度的变化规律及其与光谱植被指数的相关性,从而建立基于光谱植被指数和土壤湿度的叶片气孔导度模型。结果表明：玉米在可见光区和近红外中、长波区的反射率随着土壤水分的降低而上升,但叶片气孔导度（Gs）、叶面积指数（LAI）、比值植被指数（RVI）和归一化植被指数（NDVI）随着土壤水分的下降而降低;玉米NDVI和RVI与单叶片和冠层气孔导度均呈极显著指数函数关系（P〈0.01）,且对单叶片气孔导度的拟合效果优于对冠层导度的拟合效果,而经土壤湿度订正的RVI监测模型优于NDVI监测模型。表明通过测定冠层反射光谱率可实时、迅速地定量监测玉米叶片的气孔导度,为大面积作物气孔导度估算奠定基础。     

不同沟灌方式下玉米叶片气孔阻力差异

气孔调节在作物适应不同水分环境中起着重要作用,为了阐明作物在不同沟灌措施下的气孔活动规律,在大田分区试验中研究了交替非充分供水与常规沟灌下玉米叶片气孔阻力差异及气孔对水汽传导的贡献。结果表明,在叶片尺度上,玉米叶片气孔阻力自叶基至叶尖处梯度递减;在群体上,叶片气孔阻力自冠层上层向下层呈垂直递增趋势;群体上层叶片气孔阻力相对较小。玉米叶片正面气孔对CO2和水汽的传导贡献大于反面;除玉米苗期外,气孔对CO2和水汽传导贡献的80%以上来自于冠层上、中部叶片。在玉米营养生长阶段,不同叶序的叶片气孔阻力随叶龄的增大而增大,交替非充分供水加大了不同叶龄叶片之间的气孔阻力差异。在玉米生殖生长阶段,较为成熟的玉米叶片气孔阻力受叶龄的影响不明显。与常规沟灌比较,交替非充分供水增大了叶片反面气孔收缩程度,对水分亏缺反应更为敏感,冠层由顶叶至底叶的叶片气孔阻力呈垂直梯度递增,引起气孔导度快速衰减,从而提高了群体上层气孔对水汽的传导贡献。因此,玉米气孔阻力大小受到沟灌方式和土壤水分状况的调控,还与叶龄、叶面积指数等环境因素及气孔自身特性有关,其研究对控制灌溉及土壤—植物—大气连续体(Soil—plant—atmosphere continuum,SPAC)水汽循环研究具有理论意义。     

水分利用效率与用水有效性: 基于气孔视角的稳定同位素应用研究

澳大利亚多年降水较少并且分布不均,同华北平原相似,水资源短缺是制约粮食生产和作物产量的限制因子,水资源消耗中,农业用水所占比例最大,提高植物(作物)的水分利用效率和用水有效性对于实现水资源和农业生产的可持续利用和发展具有重要意义。本文针对澳大利亚和华北平原的农业生产和水资源现状,基于植物气孔角度在以下3个方面进行论述:1水分利用效率与用水有效性的概念;2基于气孔视角的水分利用效率和用水有效性的分析;3不同作物品种水分利用状况的同位素判别与应用。除此之外,也对华北平原目前农业水分利用情况提出相应建议。     

基于夏玉米叶片气孔导度提升的冠层导度估算模型

叶片气孔导度模拟及其向冠层导度的尺度提升是实现蒸散发尺度转换的基础,对农业水资源高效利用与评价意义重大。本文依据夏玉米叶片气孔导度和冠层导度实测值,在建立叶片气孔导度估算模型基础上,构建冠层导度估算模型。结果表明,夏玉米叶片气孔导度每日在10:00－14:00之间达到峰值,其日变化趋势与光合有效辐射的一致性较好,较大的饱和水汽压差对夏玉米叶片气孔导度具有一定的限制作用。根据光合有效辐射和饱和水汽压差建立的叶片气孔导度估算模型能较好反映当地夏玉米叶片气孔导度对主要环境因子的响应过程,以光合有效辐射作为尺度转换因子构建的冠层导度估算模型可较好实现从叶片气孔导度向冠层导度的尺度转换提升。     

外源水杨酸对UV-B增强下花生叶片光合特性的影响

通过大田模拟试验,设置自然光（CK）和UV-B辐射增强（E,增加量相当于当地4-5月UV-B辐射量的20%）两个大区,在每个大区内又分2个小区,从花针期（7月25日）开始,分别用蒸馏水（S0处理）和水杨酸水溶液（SA处理）连续3d在固定时段喷施花生植株的所有叶片后,用Li-6400型便携式光合作用测定仪观测和计算指定叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和水分利用效率（WUE）的日变化过程,并进行对比分析。结果表明：不施水杨酸条件下（S0）,UV-B增强处理的花生叶片Pn、Tr、Gs和WUE的日均值比自然光（CK）处理分别下降35.7%、25.0%、25.0%、10.0%;而喷施水杨酸条件下（SA）则分别下降30.4%、17.9%、33.3%、19.4%,说明UV-B增强可降低花生叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率,而喷施水杨酸可缓解UV-B增强对花生净光合速率的抑制作用,但并不能缓解UV-B增强对花生蒸腾作用、气孔导度及水分利用效率的抑制。     

丛枝菌根真菌对羊草气体交换和δ13C、δ15N的组成影响

采用盆栽方法研究接种两种丛枝菌根真菌Glomus intraradices,Glomus claroidum 对内蒙古典型草原优势种羊草(Leymus chinensis)的气体交换和稳定性同位素组成的影响,对羊草生长第45、60和75天的测定结果表明,丛枝菌根真菌能提高植株的含磷量、叶片的气孔导度和光合速率,降低植株δ15N值,但对羊草的内在水分利用效率和δ13C的组成未产生显著影响;植株生长的不同时期对其气体交换和稳定性同位素δ13C、δ15N均产生显著影响;时间和接种的相互作用显著影响植株的光合速率、δ13C和δ15N;羊草气孔导度和光合速率的提高归因于菌根真菌改善植株磷营养和增加根系碳分配所致;而植株内在水分利用效率和δ13C无显著性差异是因为气孔导度和光合速率总是发生同方向变化造成的;菌根植物具有较低δ15N是源于茵根真菌吸收N,并富集15N,转运给植株贫化的15N所致.试验结果为认识草原植物的碳水平衡和N循环提供了新的思路和借鉴.     

Adequate supply of potassium improves plant water‐use efficiency but not leaf water‐use efficiency of spring wheat

Enhancing crop water‐use efficiency (WUE) is a major research objective in water‐scarce agroecosystems. Potassium (K) enhances WUE and plays a crucial role in mitigating plant stress. Here, effects of K supply and PEG‐induced water deficit on WUE of spring wheat (Triticum aestivum L. var. Sonett), grown in nutrient solution, were studied. Plants were treated with three levels of K supply (0.1, 1, 4 mM K⁺) and two levels of PEG (0, 25%). WUE was determined at leaf level (WUE_L), at whole‐plant level (WUE_P), and via carbon isotope ratio (δ¹³C). Effects of assimilation and stomatal conductance on WUE_L were evaluated and compared with effects of biomass production and whole‐plant transpiration (E_P) on WUE_P. Adequate K supply enhanced WUE_P up to 30% and by additional 20% under PEG stress, but had no effect on WUE_L. E_P was lower with adequate K supply, but this effect may be attributed to canopy microclimate. Shoot δ¹³C responded linearly to time‐integrated WUE_L in adequately supplied plants, but not in K‐deficient plants, indicating negative effects of K deficiency on mesophyll CO₂ diffusion. It is concluded that leaf‐scale evaluations of WUE are not reliable in predicting whole‐plant WUE of crops such as spring wheat suffering K deficiency.     

不同高度层冬小麦叶片水分利用效率对CO2浓度变化的响应

大气CO2浓度升高会给地球生态系统带来一系列环境问题,植物能够通过气孔调节光合作用和蒸腾作用,对环境变化做出响应。本研究以评价植物光合作用和蒸腾作用相互关系的指标水分利用效率为切入点,以冬小麦为研究对象,在灌浆期将冠层按距离地面高度分上、中、下三层,采用LI-6400便携式光合作用测量系统测定数据对各层叶片光合、蒸腾特性随CO2浓度变化的响应进行了对比分析。结果表明：随着CO2浓度的增加,（1）各层叶片净光合速率呈直角双曲线形式增加,不同层叶片之间净光合速率对CO2浓度响应的差异不显著（P〉0.05）,但各层羧化速率、光合能力、光呼吸表现不一致,均为上层〉中层〉下层;（2）各层叶片蒸腾速率总体下降,不同层叶片之间蒸腾速率对CO2浓度响应的差异显著（P〈0.01）,蒸腾速率的变化是气孔导度随CO2浓度变化的结果,两者呈显著正相关（P〈0.01）;（3）净光合速率提高与蒸腾速率降低,共同使叶片水平水分利用效率提高。研究工作有利于加深气候变化对农业影响的认识,也为农田生态系统碳、水耦合循环的多层模型研究奠定基础。     

水分调亏对冬小麦生理生态的影响

通过冬小麦盆栽试验，在不同时期给以不同的调亏灌溉处理，以研究不同生长时期水分亏缺和亏缺程度对冬小麦生理及生长特性的影响，为农田节水提供指导。冬小麦生长发育过程划分为4个阶段：返青—拔节初期，拔节—孕穗，孕穗—抽穗，开花—灌浆成熟。每个生育时期设置4个水分水平，结果表明：土壤水分调控对株高、叶面积、叶绿素含量、光合、蒸腾、水分利用效率等指标均有影响；水分胁迫使作物光合速率的峰值提前出现，这有助于胁迫处理的作物利用有限的土壤水分；蒸腾速率比光合速率对水分胁迫的反应更为敏感，更易受气孔调节的影响。     

抗蒸腾剂研究及其在农业中的应用

作物应对干旱胁迫时,气孔在协调蒸腾和光合作用方面起到了关键作用。越来越多的研究者们开始关注气孔行为与植物抗旱能力之间的关系。在农业生产上,研究者们通过不同方式调节气孔运动和改善气孔微环境,在提高作物抗旱性的同时促进作物产量形成。其中提高作物抗旱能力的一种有效方式就是使用抗蒸腾剂。本文介绍了近些年研究较多的成膜型抗蒸腾剂和代谢型抗蒸腾剂的作用机理,并对两类抗蒸腾剂的应用效果进行了比较。最后提出了抗蒸腾剂研究新动向,一是数学模型在抗蒸腾剂研究中的应用,将抗蒸腾剂对植物作用分解为环境因子变化并引入光合作用-蒸腾作用-气孔导度耦合模型,从而建立抗蒸腾剂新品种快速筛选与适用性评估机制的可能性;二是通过红外测温法评估抗蒸腾剂效果,红外测温法能够快速获得大面积植被蒸腾瞬时信息且测温仪便于携带,在田间试验中可用于喷施抗蒸腾剂后作用效果连续观察,并且基于测定数据计算作物水分亏缺指数(CWSI)在抗蒸腾剂改变作物抗旱能力研究方面具有较高应用价值。最后指出未来抗蒸腾剂研究应针对作物不同生育阶段特点与生产要求,建立包括多种抗蒸腾剂品种在内的组合使用方法,进一步扩大抗蒸腾剂应用范围,优化其使用效果。     

大气CO2浓度升高对小麦蒸腾耗水与根系吸水的影响

为了探索大气CO2浓度升高对作物蒸腾耗水与根系吸水的影响,该文布置了春小麦室内水培试验,试验共设置3个CO2浓度梯度(400±50、625±50、850±50μmol/mol),期间对各处理条件下小麦生长与蒸腾耗水的动态变化过程进行监测,包括水气交换、干物重、叶面积、根长、蒸腾速率等。试验结果表明:当CO2浓度从400μmol/mol升高至625、850μmol/mol时,短期(约3 d)内叶片气孔导度迅速降低,蒸腾耗水减弱,光合作用增强,导致水分利用效率升高;随着小麦被置于高CO2浓度条件下时间的延长,叶片气孔导度与蒸腾速率的降低幅度以及光合速率的增大幅度都逐渐缩小,即发生了CO2驯化现象。此时小麦生长仍然很旺盛,但蒸腾耗水并未发生显著变化,因此水分利用效率升高。CO2浓度升高可显著促进根系生长发育,导致单位根长潜在吸水系数显著降低(P<0.05),但其与单位根长氮含量之间仍呈线性正相关关系(R^2=0.83)。研究结果可为改进根系吸水模型与作物生长模型提供参考依据,并有助于系统理解土壤-作物-大气连续体。     

Automated measurement of canopy stomatal conductance based on infrared temperature

Decreased water uptake closes stomates, which reduces transpiration and increases leaf temperature. The leaf or canopy temperature has long been used to make an empirical estimate of plant water stress. However, with a few supplemental measurements and application of biophysical principles, infrared measurement of canopy temperature can be used to calculate canopy stomatal conductance (g_C), a physiological variable derived from the energy balance for a plant canopy. Calculation of g_C requires an accurate measurement of canopy temperature and an estimate of plant height, but all of the other measurements are available on automated weather stations. Canopy stomatal conductance provides a field-scale measurement of daily and seasonal stomatal response to prevailing soil water and atmospheric conditions, and facilitates a comparison of models that scale conductance from single leaves (measured with porometers) to canopies. A sensitivity analysis of the input measurements/estimates showed g_C is highly sensitive to small changes in canopy and air temperature, and less sensitive to the other required measurements (relative humidity, net radiation, wind speed, and plant canopy height). The measurement of g_C becomes increasingly sensitive to all of the component factors as the conditions become cloudier, cooler, and more humid. We determined g_C for alfalfa and turfgrass by making the necessary environmental measurements and coupling them with a two-source (plant canopy layer and soil layer) energy balance model. We then compared these g_C values to maximum single leaf values scaled-up to the canopy level (g_CP, defined as potential canopy stomatal conductance herein) for the two crops. For both crops, g_C matched g_CP within approximately 10% after irrigation. The turfgrass g_C measurements were also compared to mean single leaf values measured with a porometer. At mid-day, g_C values were typically about double the single leaf values. Because this approach for determining g_C allows continuous, non-contact measurement, it has considerable potential for coupling with measurements of soil moisture to better understand plant–soil water relations. It also has potential for use in precision drought stress and irrigation scheduling.     

硅对向日葵水分利用效率的影响

以向日葵(Helianthus.annuus.L.cv.G101)为试验材料,研究了硅对营养液培养的向日葵生长和水分利用效率的影响。结果表明,施硅显著增加向日葵的水分利用效率,对向日葵生物量、叶面积的影响不大,却使最大展开叶的SPAD值显著增加;施硅显著降低了向日葵叶片背面的蒸腾速率以及叶片导度,而对叶片正面的蒸腾速率和叶片导度影响不大。同时,施硅向日葵木质部汁液的流速显著降低,体内硅含量增加。表明叶片蒸腾速率、叶片导度、木质部汁液流速的降低是硅提高向日葵水分利用效率的主要原因。     

灌溉对冬小麦水分利用效率的影响研究

通过设计不同的灌溉处理，从叶片水平、群体水平和产量水平3个层次系统分析了冬小麦水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)的变化特点及其内在联系。结果表明：叶片水平WUE或蒸腾效率(Transpiration Efficiency, TE)是群体蒸散效率基础；气孔运动机制及光合作用和蒸腾作用对环境变化响应的差异是叶片水平WUE的生理基础；而产量水平WUE是群体蒸散效率与收获指数共同决定的。随耗水量的增加，叶片光合速率、群体干物质积累及籽粒产量都呈二次曲线增长趋势，结果使叶片水平WUE