基于氧同位素的玉米农田蒸散发估算和区分

农田蒸散发(evapotranspiration,ET)的估算和区分是土壤-植物-大气连续体中的重要研究内容,是农业水资源高效利用的重要基础。该研究分析了土壤水、蒸发水汽、蒸腾水汽和大气背景混合水汽氧同位素组成分布特征,并采用2种同位素的方法对玉米农田蒸散发进行估算和区分:1)结合Keeling plot和Craig-Gordon模型的同位素方法(Iso-CG);2)基于土壤水同位素守恒和水量平衡的方法(Iso-WB)。结果表明,在玉米生育期内Iso-WB方法与Iso-CG方法所计算的玉米蒸腾比例分别为0.64~0.91和0.52~0.91,平均值分别为0.80和0.78。玉米蒸散发总量在前期、中期和后期均值分别为3.95、5.30和4.98 mm/d。通过比较参数并与前人研究结果对比分析,表明采用Iso-CG方法估算区分ET相对精确,采用Iso-WB方法计算蒸散发要求的测量精度相对较高,计算误差较大。该研究成果不仅为玉米农田制定灌溉制度及提高用水效率提供了理论依据,而且对深入探索氧同位素水文学领域具有重要意义。     

Transpiration efficiency of Amaranth (Amaranthus sp.) in response to drought stress

Drought is a major abiotic stress responsible for severe crop losses worldwide. Development of new crop varieties with increased drought tolerance is one way to increase crop productivity. The aim of this study was to characterise the diversity of nine accessions belonging to Amaranthus tricolor and A. cruentus, in response to drought stress using a dry-down protocol to characterise the transpiration efficiency (TE). Plants were subjected to either a gradual dry down or well-watered conditions. Results showed that TE was significantly higher (P < 0.01) in water-deficient (WD) plants compared to water-sufficient (WS) plants, 2.40 g kg^?1–7.13 g kg^?1 and 2.19 g kg^?1–4.84 g kg^?1, respectively. There was no significant difference in the fraction of transpirable soil water (FTSW) threshold decline between the amaranth genotypes. TE was highly correlated with yield under both WS (r = 0.89, P < 0.001) and WD conditions (r = 0.662, P < 0.001), and negatively correlated with root-to-shoot ratio under both WS (r = ?0.488, P < 0.05) and WD conditions (r = ?0.460, P < 0.05). Significant genotypic differences were seen for growth rate and stress susceptibility index (SSI). The result obtained in this investigation underline the need to identify genotypic variation in water use efficiency in amaranth.

Abbreviations: FTSW: Fraction of transpirable soil water; NTR: normalised transpiration rate; SSI: Stress susceptibility index; TE: transpiration efficiency; WHC: water holding capacity; WD: water-deficient; WS: water-sufficient.     

芝麻不同生育阶段需水特性与干旱灌溉应用研究

探讨芝麻不同生育阶段需水特性与干旱灌溉水分生产效率,为芝麻高产栽培的合理灌溉和水分管理提供科学依据,2013-2018年在安徽、新疆等不同地域,选用6个芝麻主栽品种,开展芝麻不同生育阶段需水特性和灌溉水利用研究。结果表明：盆栽芝麻的全生育期蒸腾需水量平均为283.59mm,品种间差异大,形成100kg芝麻籽粒蒸腾需水量为263.56mm(175.7t/666.7m²),苗期、蕾期、初花期、盛花期、终花期、成熟期的蒸腾需水量分别为18.76mm、21.91mm、21.03mm、149.28mm、71.21mm和34.79mm,蒸腾模系数为5.89%、7.21%、6.85%、47.07%、23.93%和9.05%；盛花期最大,出苗期最小。池栽芝麻全生育期需水量531.36mm,其中株间蒸发量、蒸腾量分别占全生育期需水量的46.1%和53.9%；株间蒸发量最大的时期为苗期；蒸腾量最大的时期为花期。芝麻苗期、花期和成熟期需水模系数平均为18.65%、66.79%和14.56%。合肥基地出苗期、临泉基地花期遇旱喷灌,水分生产效率高达0.61kg/m³和0.65kg/m³；新疆精河基地按需滴灌处理比传统滴灌方式的水分生产效率提高43.28%,节水19.61%,这对水资源匮乏的新疆干旱区来说意义重大。芝麻需水量与栽培条件、品种、气温(r＝0.99)等密切相关。在芝麻不同生育阶段遇旱灌溉是提高水分生产效率和产量的关键措施之一。     

Diversity in daytime and night‐time transpiration dynamics in barley indicates adaptation to drought regimes across the Middle‐East

A challenge to breeding drought‐tolerant barley in the Middle‐East is that precipitation and evaporative demand patterns dictate opposite water use strategies (conservative vs. risk‐taking). To characterize these strategies, we examined high‐resolution, whole‐plant transpiration rate (TR) responses to increasing vapour pressure deficit (VPD) and nocturnal TR (TR_N) dynamics among 25 local barley genotypes, using a novel phenotyping system. These traits were specifically selected because they exist under modalities enabling the expression of both strategies. The genotypes were selected from locations spread across a large aridity gradient represented by temperature and precipitation data spanning 30 years. Here, we uncovered a substantial diversity in TR responses to VPD where slopes of the linear responses correlated negatively with local maximal temperatures, pointing to opposite drought tolerance strategies. Low canopy conductance (low slopes) was associated with higher aridity, likely to enable water‐saving, while higher conductance was associated with wetter areas, likely to enable a more aggressive water use to maximize physiological activity. TR_N was highly diverse and represented up to 15% of maximal daytime TR, pointing to the possibility of increasing water‐saving by reducing TR_N. Furthermore, we detected pre‐dawn variation in TR_N that negatively correlated with local precipitation, indicating that a tighter circadian control is associated with adaptation to drought, consistently with a circadian resonance mechanism. These findings indicate that canopy conductance and TR_N are potentially beneficial to design drought‐tolerant barley germplasm adapted to different drought regimes taking place in the Middle‐East.     

基于三温模型和热红外遥感的不同大豆品种蒸腾特征研究

蒸腾耗水是水循环中重要的水分存在形式之一,是准确量化水分利用效率的关键参数,对研究碳水循环关系及节水农业有重要意义。本研究以大豆品种‘晋21’(J21)和‘Union’(C08)为研究对象,设置两种水分处理[当地经验灌水定额的75%(A0)和37.5%(A1)],基于三温模型(3TModel)和热红外遥感,定量研究不同品种和不同水分胁迫下的大豆蒸腾速率,揭示其时空特征差异,从而为抗旱节水大豆品种筛选提供参考。研究结果表明:1)不同处理下大豆的蒸腾速率日变化趋势与气温、太阳净辐射和冠层温度的基本一致,呈先增加后减小的单峰曲线,且于午间达到峰值,峰值为1.2～2.5mm·h~(-1);各处理的大豆冠层温度和蒸腾速率均呈现出明显的空间异质性。2)J21与C08大豆的冠层温度A0处理分别低于A1处理6.55K和5.91K,蒸腾速率A0处理高于A1处理0.28 mm·h~(-1)和0.29 mm·h~(-1);大豆蒸腾速率与灌水量呈正相关、与冠层温度呈负相关。3)在相同水分胁迫下,大豆冠层温度J21低于C08 1.83～2.47 K,蒸腾速率J21高于C08 0.13～0.14 mm·h~(-1)。本研究与传统方法相比,所需要的参数较少,避开了空气动力学阻抗等难获取的参数,对农田尺度更具有适宜性,更能揭示不同农田环境下作物的蒸腾时空异质性,在农业水分高效利用和节水品种筛选上有十分重要的科学意义。     

风沙流频繁吹袭对樟子松幼苗光合水分代谢的影响

为了解风沙流频繁吹袭对樟子松幼苗光合水分代谢的影响,2013年在内蒙古科尔沁沙地研究了0（对照）,6,9,12,15和18 m／s 等6个风速处理风沙流（风沙流强度相应为1．00,28．30,63．28,111．82和172．93 g／cm·min）4次吹袭下3龄樟子松幼苗光合速率、蒸腾速率、水分利用效率等指标的变化规律。结果表明,1）频繁的风沙流吹袭,可以改变樟子松幼苗蒸腾速率、气孔导度、胞间 CO2浓度和水分利用效率的日变化规律,但对光合速率日变化规律影响较小;2）随着风沙流强度的增加,其叶片相对含水量、叶面温度和日均光合速率、日均水分利用效率趋于下降,18 m／s 处理和对照相比分别下降4．6％,1．8％,52．6％和56．3％;日均蒸腾速率、日均气孔导度和胞间 CO2浓度趋于增加,18 m／s 处理和对照相比分别增加31．6％,75．0％和30．9％;3）随着风沙流强度的增加,其日最大光合速率和日最大水分利用效率趋于下降,日最大胞间 CO2浓度趋于增加,15 m／s 以下风沙流吹袭其日最大蒸腾速率降低,15 m／s 以上风沙流吹袭其日最大蒸腾速率显著增加;4）在风沙流吹袭下,樟子松光合能力的降低主要源于叶片含水量和叶片温度的下降以及叶片的机械损伤,而蒸腾速率的增加主要源于气孔导度的大幅度提升。     

毛乌素沙地樟子松蒸腾变化规律及其与微气象因子的关系

本研究采用由热扩散植物液流技术测算得到的时间步长10 min的樟子松蒸腾速率数据,结合同步观测得到的冠层微气象要素值,分析了毛乌素沙区20年生樟子松主要生长季节蒸腾耗水规律及其冠层微气象的关系.结果表明:(1)樟子松蒸腾速率具有明显的时间变化特征.多云天气日,蒸腾速率日内变化总体呈多峰曲线趋势,单株蒸腾速率(Tr)在4-9月各月白天(6:00-19:00)的平均值为0.36～0.85 L·h-1;晴天日,除9月蒸腾速率日内变化呈多峰曲线趋势外,其余各月总体趋势呈单峰曲线,9月时Tr在10:00左右、13:00左右、15:00左右出现峰值,在14:00左右出现谷值.4-8月各月日内Tr在10:00左右出现峰值.4-9月各月Tr白天平均值为0.37～0.83 L·h-1;阴天天气日,蒸腾速率日内变化总体呈单峰曲线趋势,日内Tr最大值出现在10:00左右.4-9月各月Tr白天(6:00-19:00)平均值为0.29～0.63 L·h-1.在日际变化或季节变化方面,从4月份起,樟子松蒸腾耗水量逐渐增加,月耗水量在7月达到最高值,此后有所减小.4-9月总耗水量为1 143.7 mm,日平均为6.25 mm,7月份月耗水总量相对最大.4、5、6、7、8及9月耗水量分别占主要生长季节总量的10.76%、13.62%、14.05%、24.56%、19.47%、17.52%.(2)主要生长期内,Tr与冠层太阳总辐射(Ra),空气温度(Ta)、湿度(RH),风速(V)等气象要素有很好的复相关性,并通过显著性检验(a=0.01),且各月内影响樟子松蒸腾的最主要气象因子都是Ra.     

从澳大利亚引进的两种相思植物光合速率和蒸腾效率的初步研究

以LCA-4光合蒸腾测定系统进行大腺相思和多花相思叶片气体交换过程的测定。结果如下：（1）净光合速率日变化明显，且变化趋势大体一致，即10：00-13：00具有较高的光合速率，其它测定时间相对较低。（2）两树种净光合速率存在差异。大腺相思高于多花相思，其最大值分别为19.6(10:00),16.1(13:00)μmolm^-2s^-1，日平均值分别为11.9,9.8μmolm^-2s^-1，反映了大腺相思的生长速度较多花相思快。（3）大腺相思和多花相思蒸腾速率日变化明显，正午前后较高，13：00达到最大，日平均值多花相思略高于大腺相思，分别为3.3,3.0mmolm^-2s^-1，表明在相同的环境条件下大腺相思的耗水量低于多花相思。（4）两树种蒸腾效率的日变化趋势大体上也类似，即在9：00-11：00较高，此期间大腺相思和多花相思和多花相思的平均值分别为5.51,4.21μmolCO2/mmolH2O。日平均值大腺厢思和多花相思分别为3.84,2.88μmolCO2/mmolH2O,表明消耗等量的水分大腺相思比多花相思能固定更多的CO2量，即有更高的水分利用效率。     

华北石质山区山茱萸人工林蒸腾特征及水分供求关系

于2005年及2006年主要生长季节(4-9月),采用由热扩散植物液流技术测算得到的蒸腾速率数据,结合同步观测得到降雨量,分析华北石质山区15年生山茱萸人工林耗水规律及水分供求关系.结果表明:1)山茱萸人工林蒸腾量呈现出明显的日际变化或月变化特征.表现为4-5月逐渐升高、6月左右达到高峰值、7月以后逐渐降低.2005年及2006年4-9月蒸腾总量分别为265.3和194.9 mm,4-9月各月蒸腾总量占蒸腾总量的比例在2005年分别为10.7%、22.3%、21.6%、21.2%、12.9%和11.2%,在2006年分别为16.2%、20.2%、20.3%、17.9%、13.6%和11.2%;2)蒸腾与冠层太阳总辐射、空气温度、湿度及风速等微气象要素有很好的复相关性(α=0.01),偏相关系数表明,各月内影响蒸腾的最主要微气象因子都是冠层太阳总辐射;3)4-9月降雨总量与蒸腾总量的比值(R/Tr)＞1.0,且除4月外,其他各月R/Tr也大于或接近于1.0,说明除4月外,降水可以满足山茱萸人工林蒸腾耗水的需要.     

异叶爬山虎光合生理特性的研究

应用英国PPS公司生产的CIRAS-2型光合作用系统,在不同土壤水分条件下测定了2年生爬山虎苗木叶片生理参数的光响应特性。结果表明:爬山虎对光照强度有一定的适应范围,具有较强的抗旱性而不适应高土壤水分环境,是适用于干旱瘠薄荒山绿化的优良藤本树种。