Suitability of Drought-Preconditioning Techniques in Mediterranean Climate

Abstract Arid and semiarid ecosystems in the Mediterranean are under high risk of desertification. Revegetation with native well‐adapted evergreen shrubs is desirable, but techniques for successful establishment of these species are not fully developed. Transplant shock is a key hurdle to plantation success. The application of a drought‐preconditioning treatment during the last months of nursery culture is a potential technique for reducing transplant shock. This technique has been widely applied in boreal habitats and humid temperate areas. Three representative Mediterranean species (Pistacia lentiscus, Quercus coccifera, and Juniperus oxycedrus seedlings) were exposed to classic drought‐preconditioning treatment consisting of reductions in the watering regime. The effects of preconditioning on seedling quality were assessed by cell water relationships (pressure–volume curves), minimal transpiration, leaf capacitance, chlorophyll fluorescence, and gas exchange. Moreover, seedlings were exposed to transplant shock (intense drought period) during which water potential (predawn and midday) and maximal photochemical efficiency were evaluated to establish seedling performance. Results showed that preconditioning did not affect cell water relationships and minimal transpiration in any of the three species. Preconditioned seedlings of P. lentiscus maintained higher water content during desiccating conditions as a consequence of an increase in leaf water content at full turgor. These changes allowed plants to maintain higher net CO₂ assimilation rates and an elevated photosystem II status, facilitating an increase in drought survival. Preconditioning improved the performance of Q. coccifera and J. oxycedrus seedlings, but these two species were much less responsive than P. lentiscus seedlings. Finally, results suggest that sensitivity to drought preconditioning may be related to drought tolerance or avoidance strategy of each species. Drought‐related strategies should be considered to optimize management scale preconditioning.     

树木抗旱机理研究进展

干旱是树木成活与生长的重要限制因素之一。研究树木的抗旱性,有助于了解树木的干旱适应性机制,探求树木抗旱的适宜调控措施,对充分发挥森林的生态效益具有重要作用。本文从树木的水分关系、净光合速率与蒸腾速率、叶片的δ13C值、木质部导管空穴、光合机制与抗氧化保护机制、渗透调节、脱落酸和C4植物的抗旱机理及树木的抗旱基因与遗传特性(包括水通道蛋白、逆境信号转导、树木抗旱性的遗传基因工程)方面对树木抗旱机理研究进行了综述。     

春小麦对骤旱的响应特征及其阈值分析

与缓慢发展的干旱过程不同,骤旱具有发生速度快,短期内可致害的特点。目前,关于作物骤旱致害的临界阈值及其调控机制尚不清楚。以春小麦为供试作物,通过桶栽试验,模拟研究骤旱过程中小麦受旱致害的过程特征及其控制因素。结果发现,发生骤旱时土壤含水量下降呈先快后慢的变化趋势,叶片水分和叶水势则呈先慢后快的指数变化趋势。叶片光合生理指标对土壤水分的下降存在明显的阈值响应,且不同生理指标的阈值并不完全相同,其中净光合速率与表征叶片光合能力的指标（最大羧化速率）对土壤有效含水量的响应阈值为0.4,气孔导度和蒸腾速率对土壤有效含水量的响应阈值分别为0.5和0.4。而小麦光合生理指标对叶片水分和叶水势的阈值响应并不明显。同时依据各生理指标相关和通径分析结果得出,骤旱发生时引起小麦叶片净光合速率快速降低的主导因子为非气孔因素,而并不是以往作物受旱研究中的气孔因素。本研究结果有望丰富干旱影响认知,并可为科学应对干旱提供依据。     

干旱胁迫对不同耐旱性大麦品种叶片超微结构的影响

选用耐旱性不同的3个大麦(Hordeum sativum)品种作为研究对象, 分析干旱胁迫对其叶肉细胞叶绿体、线粒体和细胞核超微结构的影响。结果表明, 3个大麦品种在非胁迫条件下其超微结构无明显差异。遭受干旱胁迫后, 不耐旱大麦品种Moroc9-75叶片细胞核中染色质的凝聚程度高, 叶绿体变形, 外被膜出现较大程度的波浪状和膨胀, 同时基粒出现弯曲、膨胀、排列混乱的现象; 线粒体外形及膜受到破坏、内部嵴部分消失等。耐旱大麦品种HS41-1叶片细胞中染色质虽出现凝聚, 但凝聚程度低; 其叶绿体及线粒体与非胁迫条件下基本相似, 多数未见明显损伤。耐旱中等的大麦品种Martin叶片超微结构的变化则介于二者之间。因此, 干旱胁迫下叶绿体外形、基粒和基质类囊体膜结构的完整性与基粒的排列次序、染色质的凝聚度和线粒体膜及嵴的完整性与大麦的耐旱性相关, 这些特性可作为评价大麦耐旱性强弱的形态结构指标。     

胡麻种质萌发期抗旱性综合评价

为研究不同类型胡麻种质萌发期抗旱性表现,以筛选抗旱品种,为抗旱育种提供科技支撑。本研究采用不同浓度的PEG-6000高渗溶液模拟干旱胁迫的方法,对定亚17、陇亚8号和2011621080进行渗透胁迫试验,筛选适宜浓度的PEG-6000溶液。对161份不同类型的胡麻种质在萌发期进行渗透胁迫试验,考查与抗旱性相关的5个性状,并运用单项抗旱系数、综合抗旱系数、隶属函数和灰色关联度相结合的方法对种质资源的抗旱性进行综合评价。结果表明,不同浓度PEG-6000胁迫对胡麻种质的萌发均有影响,当PEG-6000的浓度在18%时,各种指标的抑制作用均显著加强,因此本研究选用18%的PEG-6000浓度模拟干旱胁迫试验;PEG-6000胁迫降低了161份胡麻种质资源的相对发芽率,抑制了幼芽的生长,种质间表现出较大差异。根据抗旱性量度值将供试种质划为5级,其中1级抗旱型2份、2级15份、3级28份、4级82份、5级34份;供试种质的抗旱性强弱与地理来源息息相关。试验结果说明选择多个性状,综合评价胡麻萌发期抗旱性是可行且准确的。     

干旱监测指数研究

日益严重的全球化干旱问题已经成为各国科学家和政府部门共同关注的热点,它直接威胁着人类的生存环境.而干旱监测,尤其是遥感干旱监测,一直是科学界公认的难题.本文对传统的干旱监测指数如帕尔默干旱指数、作物湿度指数、标准降水指数、地表水分供应指数的优缺点进行评述;将遥感干旱监测指数分成2类,一类是基于地表反射率和发射率的干旱监测指数;另一类是基于地表水和能量平衡模型的干旱监测指数,详细介绍了这2类干旱遥感监测指数的原理、方法以及适用范围.对各种干旱监测指数存在的问题以及干旱监测的发展趋势进行了探讨.     

干旱胁迫对不同耐旱性大麦品种叶片超微结构的影响

选用耐旱性不同的3个大麦（Hordeum sativum）品种作为研究对象,分析干旱胁迫对其叶肉细胞叶绿体、线粒体和细胞核超微结构的影响。结果表明,3个大麦品种在非胁迫条件下其超微结构无明显差异。遭受干旱胁迫后,不耐旱大麦品种Moroc9-75叶片细胞核中染色质的凝聚程度高,叶绿体变形,外被膜出现较大程度的波浪状和膨胀,同时基粒出现弯曲、膨胀、排列混乱的现象;线粒体外形及膜受到破坏、内部嵴部分消失等。耐旱大麦品种HS41-1叶片细胞中染色质虽出现凝聚,但凝聚程度低;其叶绿体及线粒体与非胁迫条件下基本相似,多数未见明显损伤。耐旱中等的大麦品种Martin叶片超微结构的变化则介于二者之间。因此,干旱胁迫下叶绿体外形、基粒和基质类囊体膜结构的完整性与基粒的排列次序、染色质的凝聚度和线粒体膜及嵴的完整性与大麦的耐旱性相关,这些特性可作为评价大麦耐旱性强弱的形态结构指标。     

燕山地区6种花灌木幼苗耐旱特性的研究

以燕山地区6种花灌木1年生扦插幼苗为材料,通过盆栽试验研究干旱胁迫对其土壤含水量、叶片脱水枯死持续时间、叶片含水量、相对水分亏缺、叶保水力、叶肉质化程度和比叶面积等的影响.结果表明:(1)水分胁迫下各花灌木幼苗枯死临界点的土壤含水量依次是蚂蚱腿子>南蛇藤>孩儿拳头>木半夏>栓翅卫矛>叶底珠.(2)叶片脱水持续时间为叶底珠>栓翅卫矛>木半夏>孩儿拳头>南蛇藤>蚂蚱腿子,其叶片脱水过程中出现的暂时萎蔫、永久萎蔫、叶片开始脱落和叶片枯萎等表征在各材料间没有一定的规律.叶片含水量在水分胁迫过程中均呈下降趋势,且叶底珠和孩儿拳头的下降幅度明显;各材料的相对水分亏缺则呈明显的上升趋势,叶底珠和孩儿拳头在对照与永久萎蔫点的RWD差值(△RWD)高于其余4种材料.(3)在叶片保水力方面,栓翅卫矛和木半夏要明显强于其余4种材料,而且南蛇藤、蚂蚱腿子和栓翅卫矛与木半夏、孩儿拳头和叶底珠相比,其叶肉质化程度高,而比叶面积低.(4)根据水分胁迫下幼苗枯死临界点的土壤含水量值,6种花灌木的耐旱能力依次为:叶底珠>栓翅卫矛>木半夏>孩儿拳头>南蛇藤>蚂蚱腿子,它们的幼苗叶片维持水分平衡能力与其耐旱性关系不明显,说明它们具有不同的耐旱机理.     

作物对缺水环境的感知及其反应

植物面对多变的缺水环境,如何来感知环境然后做出自身形态、生理生化等一系列反应。本文评述了缺水信号的感知、反应以及抗旱的方式及其抗旱的遗传学基础。     

植物耐旱的分子基础及植物耐旱基因工程的研究进展

对植物耐旱的分子基础、干旱诱导基因的表达和作用以及植物抗旱基因工程研究的进展作一概述.     

干旱胁迫对不同烤烟品种根系生长和生理特性的影响

以抗旱型烤烟品种‘农大202'及一般型烤烟品种‘NC89'和‘K326'为材料,采用盆栽试验研究了干旱胁迫对根系生长和生理特性的影响,以明确各烟草品种的抗旱能力及其与根系生长和生理特性的关系.结果显示:严重干旱胁迫之后各烤烟品种根系鲜重、干重上升,而根系活力、根系吸收面积以及根系SOD和POD活性等根系生理指标则呈下降趋势.在干旱胁迫条件下,‘农大202'的根系总吸收面积、活跃吸收面积、根系活力、SOD活性和POD活性均显著高于两对照品种‘NC89'和‘K326',但其根系鲜重和干重等生物量并不具有太大的优势.研究表明,烟草的根系生长和生理特性对环境水分条件的响应存在明显的基因型差异;在干旱胁迫条件下, ‘农大202'根系能保持较高总吸收面积、活跃吸收面积、根系活力和保护酶活性,是其具有较强抗旱性的生理基础.     

Seasonal variability of the parameters of the Ball–Berry model of stomatal conductance in maize (Zea mays L.) and sunflower (Helianthus annuus L.) under well‐watered and water‐stressed conditions

The Ball–Berry (BB) model of stomatal conductance (g_s) is frequently coupled with a model of assimilation to estimate water and carbon exchanges in plant canopies. The empirical slope (m) and ‘residual’ g_s (g₀) parameters of the BB model influence transpiration estimates, but the time‐intensive nature of measurement limits species‐specific data on seasonal and stress responses. We measured m and g₀ seasonally and under different water availability for maize and sunflower. The statistical method used to estimate parameters impacted values nominally when inter‐plant variability was low, but had substantial impact with larger inter‐plant variability. Values for maize (m = 4.53 ± 0.65; g₀ = 0.017 ± 0.016 mol m^?2 s^?1) were 40% higher than other published values. In maize, we found no seasonal changes in m or g₀, supporting the use of constant seasonal values, but water stress reduced both parameters. In sunflower, inter‐plant variability of m and g₀ was large (m = 8.84 ± 3.77; g₀ = 0.354 ± 0.226 mol m^?2 s^?1), presenting a challenge to clear interpretation of seasonal and water stress responses – m values were stable seasonally, even as g₀ values trended downward, and m values trended downward with water stress while g₀ values declined substantially.     

Using numerical plant models and phenotypic correlation space to design achievable ideotypes

Numerical plant models can predict the outcome of plant traits modifications resulting from genetic variations, on plant performance, by simulating physiological processes and their interaction with the environment. Optimization methods complement those models to design ideotypes, that is, ideal values of a set of plant traits, resulting in optimal adaptation for given combinations of environment and management, mainly through the maximization of performance criteria (e.g. yield and light interception). As use of simulation models gains momentum in plant breeding, numerical experiments must be carefully engineered to provide accurate and attainable results, rooting them in biological reality. Here, we propose a multi‐objective optimization formulation that includes a metric of performance, returned by the numerical model, and a metric of feasibility, accounting for correlations between traits based on field observations. We applied this approach to two contrasting models: a process‐based crop model of sunflower and a functional–structural plant model of apple trees. In both cases, the method successfully characterized key plant traits and identified a continuum of optimal solutions, ranging from the most feasible to the most efficient. The present study thus provides successful proof of concept for this enhanced modelling approach, which identified paths for desirable trait modification, including direction and intensity.     

澜沧江流域极端天气灾害特征及波动趋势

基于中国气象局国家气象信息中心提供的澜沧江1961—2010年气象资料,采用小波分析、EMD分解、CI指数、均生函数逐步回归模型、相关分析等方法,探讨19世纪末至21世纪初澜沧江流域极端天气灾害的变化特征,及其区域极端灾害变化和全球气候变化之间的联系。结果表明:(1)1961—2010年50a期间,年降水量趋于稳定,略有上升,但上升率较小,只有3.1848。年降水量距平分布图反映了降水量南多北少的区域差异,正负距平之间在-2到2之间,北部干旱出现的几率较大。(2)近20年来,澜沧江区域干旱次数明显上升,而澜沧江流域年暴雨频次在过去50a和未来的20a内没有明显的增加趋势,干旱频次未来20年内呈斜率0.2635的上升态势,未来该区域极端天气灾害主要是干旱灾害。(3)该区域降水和暴雨频次存在多尺度特征,两种研究方法都得到澜沧江流域降水量存在2、7、15a的变化周期,只是两种方法得出的主周期不同,EMD方法比小波方法更适合处理非平稳、非线性信号,可以认为澜沧江流域降水量存在2、7、15a的变化周期,且主周期为准2a。(4)降水量和暴雨频度序列的IMF1和IMF2周期在2—7 a之间,与ENSO在年际变化上的信号相吻合,推断澜沧江流域暴雨和干旱灾害与ENSO有重要联系,且随着气温升高干旱灾害频次明显增加,显示区域极端气温灾害的变化与全球气候变暖有某种关联,是全球气候变化的区域响应表现形式之一。     

1962—2010年甘肃省黄土高原区干旱时空动态格局

借助ArcGIS 9.3和SPSS软件平台,根据甘肃省黄土高原区33个气象站1962—2010年气象资料,利用综合气象干旱指数(CI)从干旱率、干旱强度和干旱频率三方面对甘肃省黄土高原区近50年的干旱时空变化特征进行了分析。结果表明:春、秋季干旱率呈现显著增加趋势,夏、冬季干旱率呈略微增加趋势;夏季干旱频率最大,春季、秋季次之,冬季最少;春、秋季干旱以2000年来最为严重,夏季干旱以2000年以来、20世纪70年代和90年代均较严重,冬季干旱以20世纪80年代最为严重;甘肃省黄土高原区逐年干旱持续日数和干旱强度存在明显的年际波动,线性变化趋势明显;从空间分布来看,春、夏和秋季干旱多发区主要集中在甘肃省黄土高原区西北部,而106°E以西"临洮-通渭-天水"一线和庆阳东南部是干旱多发区变幅最大的地方,冬季干旱多发区主要集中在甘肃省黄土高原区南部。     

梯度分析技术用于植物抗旱性的研究

将梯度分析技术引入植物抗旱性的研究,对植物的解剖结构指标进行分析。在ＰＣＡ分析结果的基础,通过引进ＰＣ间的因子ａｊ,梯度分析技术用于植物抗旱性的研究比用于植物群落的研究,其结果更具有观性,明确性,是研究植物抗旱性的一个可行、有效的技术手段。     

东乡普通野生稻与栽培稻苗期抗旱性的比较

干旱影响水稻生长发育,不论什么时期发生最终都导致产量损失。研究水稻资源抗旱性有助于水稻抗旱改良和稳定干旱胁迫下水稻的产量。东乡普通野生稻被公认为是栽培稻的祖先,对增强水稻抗旱性可能十分重要。对4份来自3个仅存的居群的东乡野生稻与15份栽培稻进行苗期抗旱性比较,考察了3次重复的盆栽土培试验中8个抗旱指标。表明东乡普通野生稻比栽培稻更为抗旱,表现在最大根长、茎长、根干重、根鲜重、根干鲜重比及抗旱指数等6个性状,而不表现在根数及根茎长比;其中茎长、最长根长、根干重、根鲜重及根系相对含水量对水稻苗期抗旱性影响更大。采用抗旱指数和抗旱总级别值法对水稻抗旱性进行评定,结果表明4份东乡野生稻材料间的抗旱性存在很大差异,且来水桃树下居群的抗性最高,东乡野生稻抗旱性可能与其原生境状况有关。结果认为东乡普通野生稻可作为栽培稻抗旱改良的遗传资源。     

基于多源遥感数据的农业干旱监测模型构建及应用

干旱监测问题是干旱灾害模拟与预警及旱灾防灾减灾的关键。基于2001-2013年淮河流域40个气象站资料、28个土壤墒情站点和中分辨率成像光谱仪（MODIS）多源遥感数据,采用SEN趋势法和标准化降水蒸散指数（SPEI）等方法,综合了大气-植被-土壤相互作用等多元成因,构建了适用于淮河流域多源综合遥感干旱监测模型,探讨淮河流域干旱时空规律。研究表明：（1）基于多源数据构建综合干旱监测模型,利用土壤墒情和典型年份干旱监测对综合干旱监测模型适用性进行评价,通过了P < 0.01的显著性检验,构建的模型可综合反映出农业和气象干旱多源信息;（2）淮河流域干旱面积和干旱频率大都集中在4-5月和7-9月,9月份受旱面积最大。河南省是淮河流域受旱频率最高,其干旱面积占淮河流域多年平均干旱面积比重最大（38%）,其次是安徽（22%）,旱地受旱面积比重大于水田受旱面积比重;（3）淮河流域2、3和5月干旱有显著减弱趋势;而1、4和6月则有增强趋势。淮河流域小麦灌浆-成熟时期（4-6月）缺水对小麦粮食产量影响显著,综合淮河流域干旱趋势变化,需强化淮河流域4月份小麦的干旱监测与旱灾预警。     

气候变化背景下中国南方地区季节性干旱特征与适应Ⅱ.基于作物水分亏缺指数的越冬粮油作物干旱时空特征

近年来中国南方地区的季节性干旱频繁发生,对当地越冬作物造成严重影响.本文基于中国南方地区268个气象站点1959-2009年的地面气象观测资料,以作物水分亏缺指数为指标,分析了中国南方地区越冬作物冬小麦和油菜的季节性干旱时空特征.结果表明:对于中国南方地区而言,西南、淮北和华南部分地区的越冬作物在生育阶段内易发生干旱.在长江中下游地区,冬小麦在生育中后期的干旱发生范围和强度增加,且随着生育期后移,其干旱越加严重;油菜在冬前生育阶段和生育后期的干旱发生范围和强度呈增加趋势.在西南地区,冬小麦和油菜在冬前生育期的干旱发生范围和强度均显著增加.20世纪90年代初以来,研究区域冬小麦和油菜在生育阶段中后期发生干旱的范围和强度都增加.