植物水分传输过程中的调控机制研究进展

农田土壤水分的转化利用与调控是以土壤-植物-大气连续体(SPAC)为基础,以植物为核心,其中水分在植物体内的传输与调控研究一直是国际学术研究的前沿性热点课题。本文概述了植物水分传输的驱动力和传输途径,重点从植物的气孔调节、水容调节、渗透调节、水孔蛋白调节、贮水调节、气穴和栓塞调节等方面综述了植物水分传输过程中的调控机制研究进展。通过对植物存在优化调控水分平衡的潜在能力的研究,不仅可充实SPAC系统水分传输理论,而且有助于明确植物对环境的适应机制和高效用水的潜力及其节水调控的效应,对指导干旱半干旱地区农业生产提供理论依据。     

基于稳定同位素的干旱半干旱区SPAC水分运移过程研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)是生态水文学的重点研究对象,其水分运移过程对于干旱半干旱区生态植被建设和水资源综合管理具有重要意义。氢氧稳定同位素较高的灵敏性和准确度有助于揭示这一过程。介绍了氢氧稳定同位素在土壤-大气界面、土壤-地下水界面、土壤-植物界面和植物-大气界面水分补给传输过程中的应用,包括土壤水分来源和蒸发;水分补给入渗机制和滞留时间;植物水分来源和水力再分配;蒸散发分割和叶片吸水的相关研究,同时明确了氢氧稳定同位素技术在应用过程中存在的一些不确定性以及未来亟需加强的方面,以期为利用稳定同位素技术对生态水文过程的研究提供参考依据。     

基于SPAC系统干旱区水分循环和水分来源研究方法综述

土壤-植物-大气连续体(SPAC)是研究植物水分利用与循环的核心,研究其水分传输过程对于旱区植被恢复具有重要指导意义.本文从土壤水分和植物蒸腾两个方面进行阐述,对土壤水分的研究主要涉及热惯量法、中子仪法和时域反射仪法,植物蒸腾则从枝叶尺度、单木尺度、林分尺度和区域尺度4个层面分类总结;并重点介绍了稳定同位素方法在研究植物不同水分来源中的应用.     

植物叶片导水率的研究进展

植物叶片的水分传输是SPAC系统中的一个重要环节,不仅受植物本身的调节和控制,而且还受外界环境条件的影响,是复杂的生理过程。为了搞清SPAC系统水分传输机理,人们对植物叶片导水率进行了大量的研究。本文综述了近年来植物体叶片导水率研究的一些新的进展和发展动态,就叶片水分传输在植物水分平衡中的作用、叶片导水率的定义及其影响因素等方面进行了综述。影响植物叶片导水率的内部、外部环境因素各异,文章重点阐述了土壤因素、气象因素、植物激素、生育阶段和解剖特性等对叶片导水率的影响,提出植物叶片导水率研究中亟需考虑的问题,并对今后SPAC系统中叶片导水率研究的重点发展方向做了展望。     

典型林区水分氢氧稳定同位素在土壤-植物-大气连续体中的分布特征

土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水循环是水文学和生态学研究的重要内容,氢氧稳定同位素在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程。本研究通过分析成都平原区亚热带常绿阔叶林中降水、土壤水、植物水的同位素组成,探讨SPAC系统中水分的氢氧稳定同位素演化特征,揭示区域水循环不同界面过程。结果表明: 研究区雨季大气降水线方程为: δD=7.13δ¹⁸O+2.35(R²=0.99),土壤蒸发线方程为: δD=6.98δ¹⁸O-0.32(R²=0.92)。在降水→土壤水→植物水的界面水输送过程中,氢氧同位素逐渐富集。浅层土壤(0～35 cm)水δ¹⁸O受降水的直接影响,响应关系明显,中深层土壤(35～100 cm)水则相对稳定。观测期间,植物木质部水同位素比土壤水略微富集,说明水分在植物体内输送过程中可能通过韧皮部或树皮发生轻微蒸发或蒸腾。采用直接相关法初步估计植物对不同土层土壤水的利用情况,樟树主要利用中层土壤水,构树主要利用浅层土壤水,金星蕨因根系分布浅更倾向于利用浅层土壤水和植物截留的降水。与金星蕨相比,樟树和构树的叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强。     

维管植物木质部水分传输过程的影响因素及研究进展

维管植物的水分传输过程一直是植物学家关注的重点,木质部是植物体内长距离运输的组织之一,为维管植物提供了一个将水分从根运输到叶的低阻力通道。木质部在结构上形成了一个相互连通的网络管道结构,外部环境要素的改变(水分胁迫、氮沉降、光照等)引起的植物体内水势及木质部网络管道结构的变化直接影响植物的水分传输过程。本文从植物水分传输驱动力和内部木质部微观结构出发,总结了水分传输机理过程,概述了影响木质部水分传输的直接和间接因素,并在全球变化背景下,在植物内部观测技术、考虑多因子的综合作用等研究方面进行了展望。     

土壤-植物-大气连续体系中氮的研究进展

氮素是植物最需要的重要养分元素之一.近年来,土壤-植物-大气这一连续体系(SPAC)中的氮循环成为研究的热点之一.大气中的氮素可以通过生物固定和N沉降等作用进入土壤和植物内,同时土壤和植物内的氮素又会以氨挥发和氮氧化物等方式排放到大气中.氮素通过生物固持和植物吸收等方式进入植物体内,植物器官脱落使植物损失一部分的氮素,另外雨水的淋洗和植物溢出液也会造成植物的N损失.植物氮素在植物体内的积累和分布随着生长时期和各营养器官而有所不同.另外,植物吸收氮素的过程又受到大气状况和土壤状况的制约.土壤中氮素经过矿化作用、硝化作用和反硝化作用进行转化,一部分把氮素转化成植物能吸收的营养形态,另一部分则从土壤中损失.凋落物的分解和N沉降能补充土壤中的氮素,而植物吸收、微生物固持、水文流失和N溢出等方式使氮素从土壤中损失出去.另外,凋落物的分解和根际土壤、CO2浓度和臭氧对氮素循环有着重要的作用.N污染、N沉降、碳氮循环的耦合作用是今后研究的热点问题.     

稳定同位素技术在植物水分关系研究中的应用综述

稳定同位素技术凭借简捷、高效的特点, 在水文学、生态学和生物地球化学等众多科学研究领域中得到广泛应用, 同时也为植物水分关系研究提供了新的技术手段。植物的生长和分布与水分的可利用程度紧密相关, 对植物水分利用的研究有助于更好的了解生态系统的水分平衡以及结构和功能。就稳定同位素技术在植物水分关系研究中的应用, 综述了碳氢氧稳定同位素在植物水分利用效率以及水分来源等研究中的原理、方法及应用进展, 为稳定同位素技术在植物水分关系研究中的应用提供科学参考作用。      

不同肥力水平农田生态系统SPAC水分状态及能量特征

通过对农田生态系统土壤 -植物 -大气连续体系 (SPAC)水分、温度等昼夜观测 ,确定温度是影响 SPAC水分能量的重要因素 ,土壤水势呈现温度正效应 ,植物、大气水势呈现温度负效应。温度与土壤 -植物间水势差 (ψS- P)和植物 -大气间水势差 (ψP- A)呈正相关。农田生态系统 SPAC水分热力学函数研究得出 ,不论高、低肥区 ,冬小麦在不同生长发育时期 ,水分的相对偏摩尔自由能 (ΔG)均为土壤 >植物 >大气 ;水分相对偏摩尔熵 (ΔS)、焓 (ΔH)均为大气 >植物 >土壤 ;冬小麦在拔节期和扬花期 ,土壤水 ΔG皆为高肥区 <低肥区 ;植物水分 ΔG拔节期为高肥区 >低肥区 ,扬花期相反为高肥区 <低肥区 ;两个生育期大气水分 ΔG均为高肥区 >低肥区。在拔节期土壤 -植物间水分的 ΔG差值 (ΔGS- P=ΔGS-ΔGP)、植物 -大气间水分ΔG差值 (ΔGP- A=ΔGP-ΔGA)均为高肥区 <低肥区 ,扬花期ΔGS- P为高肥区 >低肥区 ,而ΔGP- A为高肥区 <低肥区。     

根-土界面水分再分配研究现状与展望

对根 -土界面水分再分配的研究背景 (概念、发现及证据 )、普遍性与再分配的水量及其生理生态学意义 (对相邻植物利用水分、根际活动、土壤 -植物 -大气系统水分传输和根系可塑性发育的促进效应 )等进行了深入论述 ,对水分再分配的认识和研究方法进行了探讨 ,并对未来的相关研究进行了展望     

MRI of intact plants

Nuclear magnetic resonance imaging (MRI) is a non-destructive and non-invasive technique that can be used to acquire two- or even three-dimensional images of intact plants. The information within the images can be manipulated and used to study the dynamics of plant water relations and water transport in the stem, e.g., as a function of environmental (stress) conditions. Non-spatially resolved portable NMR is becoming available to study leaf water content and distribution of water in different (sub-cellular) compartments. These parameters directly relate to stomatal water conductance, CO₂ uptake, and photosynthesis. MRI applied on plants is not a straight forward extension of the methods discussed for (bio)medical MRI. This educational review explains the basic physical principles of plant MRI, with a focus on the spatial resolution, factors that determine the spatial resolution, and its unique information for applications in plant water relations that directly relate to plant photosynthetic activity.     

元阳梯田水源区旱冬瓜水分来源

旱冬瓜(Alnus nepalensis)是元阳梯田水源区的优势树种之一,其作为一种速生树种被发展为当地居民重要的薪炭林和经济林,树种的生长发育和地理分布受到水分制约,其吸收水分和水分利用的变化将会直接影响森林生态系统的水循环。该研究于2014年5－11月间进行,研究时段内累计降雨1262 mm,地下水δD 值在－71‰~－53‰范围,δ18 O 在－10.6‰~－7.0‰范围,受环境因子的影响很小,基本上保持常年稳定。土壤水是可供树种直接吸收利用的水源,基于氢氧稳定同位素技术,对比元阳梯田水源区旱冬瓜树种茎干水δD 和其林地不同深度土壤水δD 的同位素组成情况,结合不同深度土壤含水量,定性分析判断旱冬瓜对土壤水的利用,结果表明旱冬瓜旱季利用的土壤水主要分布在40 cm 土层附近,而雨季利用的土壤水范围较广,分布在0~60 cm 的土层。利用多元线性混合模型 IsoSource 软件定量分析旱冬瓜对土壤水和地下水的利用,结果表明：旱冬瓜水分来源分布较广,各土层土壤水和地下水均有贡献,雨季旱冬瓜主要利用0~60 cm 深土壤水,其中雨后旱冬瓜绝大部分水分来源于0~10 cm 的土壤水分,利用比例为66％~73％;其它时间主要利用40~60 cm 的土壤水,贡献率高达73％;旱季旱冬瓜的绝大部分水分来源于地下水,对地下水的利用比例为18％~68％,同时,40~60 cm 的土壤水也是其重要的水源。从不同时间尺度考察旱冬瓜对土壤水和浅层地下水的需求,更加准确地认识元阳梯田水源区不同森林类型优势树种的水分来源,为梯田森林生态系统经营与维护以及梯田的可持续发展提供了理论依据。     

Physiological water strategy of Artemisia ordosica around soil threshold of drought

The mechanism for plants around the soil threshold of drought (close to the soil wilting water content) is a problem that needs to be further explored. In this paper, Artemisia ordosica, which grows in the Tengri Desert, was selected to analyze the changes in the plant water potentials in the soil-plant-atmosphere continuum (SPAC), the water contents in the roots, shoots and leaves of A. ordosica, and the indices in enzymatic and non-enzymatic systems. Based on the statistics, we discussed the water physiology mechanism around the soil drought threshold. The results show that, around the soil drought threshold, besides absorbing and transporting water, the roots could serve as temporary water reservoirs that enable A. ordosica to continue to transport the SPAC water and survive severe drought. As drought becomes more severe, the activity of superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) increases and they have significant correlations with the tissue water content. The activity of peroxidase (POD) decreases and it has no significant correlation with the tissue water content. During daytime, when temperature is high, the soluble sugar does not participate in the osmotic adjustment but eliminate the active oxygen free radicals. Thus, around the soil threshold of drought, A. ordosica maintains a physiological water metabolism by harmo-nizing water itself and eliminate the active oxygen and the free radicals by the joint efforts of enzymatic and non-enzymatic systems.     

植物气孔气态失水与SPAC系统液态供水的相互调节作用研究进展

讨论了植物气孔气态失水与SPAC系统液态供水相互作用研究领域的一些重要现象和行为.当植物水力信号和化学信号共同作用促进气孔对叶水势的调节时,植物对叶水势的调节表现为等水行为.气孔对环境湿度变化响应的反馈机制可用来解释土壤干旱条件下气孔和光合的午休现象,以及气孔导度和水流导度之间的相关关系;而气孔对环境湿度变化响应的前馈机制,则可用来解释气孔导度对大气 叶片间水汽饱和差的滞后反应.植物最大限度地利用木质部传输水分的策略,要求气孔快速响应以避免木质部过度气穴化和短时间内将气穴逆转的相应机制.     

Physiological water strategy of Artemisia ordosica around soil threshold of drought

The mechanism for plants around the soil threshold of drought (close to the soil wilting water content) is a problem that needs to be further explored. In this paper, Artemisia ordosica, which grows in the Tengri Desert, was selected to analyze the changes in the plant water potentials in the soil-plant-atmosphere continuum (SPAC), the water contents in the roots, shoots and leaves of A. ordosica, and the indices in enzymatic and non-enzymatic systems. Based on the statistics, we discussed the water physiology mechanism around the soil drought threshold. The results show that, around the soil drought threshold, besides absorbing and transporting water, the roots could serve as temporary water reservoirs that enable A. ordosica to continue to transport the SPAC water and survive severe drought. As drought becomes more severe, the activity of superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) increases and they have significant correlations with the tissue water content. The activity of peroxidase (POD) decreases and it has no significant correlation with the tissue water content. During daytime, when temperature is high, the soluble sugar does not participate in the osmotic adjustment but eliminate the active oxygen free radicals. Thus, around the soil threshold of drought, A. ordosica maintains a physiological water metabolism by harmonizing water itself and eliminate the active oxygen and the free radicals by the joint efforts of enzymatic and nonenzymatic systems.     

Response of the water status of soybean to changes in soil water potentials controlled by the water pressure in microporous tubes

Water transport through a microporous tube-soil-plant system was investigated by measuring the response of soil and plant water status to step change reductions in the water pressure within the tubes. Soybeans were germinated and grown in a porous ceramic 'soil' at a porous tube water pressure of -0.5 kpa for 28 d. During this time, the soil matric potential was nearly in equilibrium with tube water pressure. Water pressure in the porous tubes was then reduced to either -1.0, -1.5 or -2.0 kPa. Sap flow rates, leaf conductance and soil, root and leaf water potentials were measured before and after this change. A reduction in porous tube water pressure from -0.5 to -1.0 or -1.5 kPa did not result in any significant change in soil or plant water status. A reduction in porous tube water pressure to -2.0 kPa resulted in significant reductions in sap flow, leaf conductance, and soil, root and leaf water potentials. Hydraulic conductance, calculated as the transpiration rate/delta psi between two points in the water transport pathway, was used to analyse water transport through the tube-soil-plant continuum. At porous tube water pressures of -0.5 to-1.5 kPa soil moisture was readily available and hydraulic conductance of the plant limited water transport. At -2.0 kPa, hydraulic conductance of the bulk soil was the dominant factor in water movement.     

土壤-根系统水分再分配:土壤-植物-大气连续体中的一个小通路

吸收和传导水分一直被视为植物根系最主要的功能之一,而人们对根系在某些情况下还可以向土壤释放水分的事实及其对植物生长和生态系统功能的影响了解得还很不充分,尽管这样的证据由来已久。土壤-根系统水分再分配(Hydraulic redistribution, HR)是近20年间被发现和证实的,指水分从土壤中较湿的部分经由植物的根系传导而运动到土壤中较干的部分,通常发生在蒸腾减弱的夜间,可以沿水势梯度下降的方向而在不同土层间向上向下或侧向运动。HR研究揭示了土壤-植物-大气连续体中有时会存在土壤-根-土壤的水流小通路,细化了土壤-根系统中水分储存和运输的时空动态和机制。土壤水分状况的连续监测、根木质部液流测量、稳定性同位素技术的使用构成了HR实验研究的三大手段。当土壤中深层水分充足的时候,HR可以提高根系吸收和传导水分的效率,有利于植物充分利用资源,延长了浅层土壤的水分可利用期,有利于维持植物组织的生理活性和水流传导;旱季后降水来临的时候,HR可以将一部分降水转移到深层土壤,增加了可利用性水分的总量。对于干旱半干旱的沙地和草原、季节性干旱的森林等类型,HR过程可能对生态系统水分循环产生重要影响。有必要在国内针对这些生态系统展开深入的实验研究,同时探索将HR过程适当结合到生态系统模型和水文模型中,从而更准确地研究和预测群落内植物水分关系和生态系统水分动态。此外,结合农林设计、植被恢复、生态需水量估算和农业节水等方面进行的HR研究也值得深入探索。     

黑河地区绿洲生态条件下麦田生物气象若干特征

观测分析了ＨＥＩＦＥ地区绿洲中麦田的微气候特征,结果表明ＳＰＡＣ中水５势随高度呈显著梯度分布,在土壤－植物以及植物－大气界面,水势值存在两个大的跳跃;水势廓线存在明显的日变化;ＳＰＡＣ各部分水势变化的起伏顺序是大气〉植物〉土壤,说明水势变化受植物水分代谢进程直到气象因子的强烈影响和控制。冠层上方近地面风温湿的时间剖而显示出白天与夜晚相比,大气混合得较好。日出前则大气较为稳定。在典型晴天条件下,麦田