作物干旱指标对西北半干旱区春小麦缺水特征的反映

针对作物水分胁迫较为严重的西北半干旱区,应用CI301-PS光合作用仪对春小麦开花到乳熟期间的生理特征和环境因子进行了近1个月的观测, 并研究分析了3种作物干旱指标叶水势、作物水分胁迫指数以及气孔导度随时间变化和对气象因子的响应.发现干旱胁迫增加时,叶片水分减少,作物水分胁迫指数增大,叶水势降低,气孔导度有所减小.因此,气孔下腔的CO2浓度降低,作物净光合速率有所减小,不利于半干旱区小麦生物量的累积;三者相比,叶水势是反应西北半干旱区作物干旱最敏感的指标;受半干旱区逆湿现象的影响,9:00或之后一段时间观测叶水势和气孔导度对小麦等作物缺水状况反映得更客观.     

干旱区胡杨光合作用对高温和CO2浓度的响应

采用LI-6400便携式光合作用测定仪实测的塔里木河下游胡杨(Populus euphratica oliv)光合作用参数,探讨了不同地下水埋深下的胡杨光合作用对CO2浓度增加和温度升高的响应.结果表明:(1)CO2浓度升高减小了胡杨气孔导度,促进了光合速率、胞间CO2浓度和水分利用效率的增加,但不同地下水埋深下,胡杨光合作用参数对CO2浓度升高的响应不同,干旱环境(地下水埋深较深)下的响应程度大于水分适宜(地下水埋深浅)环境下的响应;(2) 高温引起胡杨气孔发生不完全关闭,导致了光合作用的光抑制发生,从而降低了胡杨光合速率,但降低程度受水分条件的影响,地下水埋深较深环境下的影响程度大于地下水埋深浅的;(3)地下水埋深是控制干旱区胡杨光合作用对CO2浓度和温度升高的根本因素,6m是胡杨生长正常的临界地下水埋深,地下水埋深>6m,胡杨即遭到水分胁迫,地下水埋深>7m,胡杨即受到了较严重的水分胁迫.     

塔里木河中游胡杨与灰叶胡杨气体交换特性对比研究

在自然条件下利用Li-6400光合作用系统对塔里木河中游地区的天然胡杨、灰叶胡杨净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)等生理指标进行测定分析,探讨它们对外界干旱环境适应的生理特性,为进一步研究胡杨、灰叶胡杨的光合水分生理特性,以及保护恢复塔里木河流域的天然胡杨林提供依据。结果表明:(1)在整个光合日变化进程中,胡杨的日平均Pn、Gs、Tr以及WUE均高于灰叶胡杨。(2)胡杨和灰叶胡杨的净光合速率日变化均呈"双峰"曲线并存在光合"休眠"现象。(3)胡杨、灰叶胡杨在正午时分出现的Pn下降主要是受到气孔限制的影响既气孔限制值增大、胞间CO2浓度减小;傍晚时分出现的光合速率下降主要是因受到外界光照强度减弱,既受非气孔限制影响较大。(4)决定胡杨和灰叶胡杨Pn日变化的环境因子作用大小均为:光量子通量密度(PPFD)>气孔导度(Gs)>空气相对湿度(RH)>气温(Tair);决定胡杨与灰叶胡杨Tr日变化的环境因子作用大小顺序分别为:气温(Tair)>光量子通量密度(PPFD)>气孔导度(Gs)>空气相对湿度(RH)和光量子通量密度(PPFD)>气温(Tair)>气孔导度(Gs)>空气相对湿度(RH)。研究认为,胡杨与灰叶胡杨为适应干旱半干旱区的环境,在长期适应过程中形成了不同的生理生态对策,胡杨主要是通过调节Gs来有效控制蒸腾失水,提高WUE,进而适应干旱环境;灰叶胡杨主要是通过高蒸腾耗水,降低WUE来减少干旱环境对自身的伤害。     

冬小麦叶片气孔导度模型水分响应函数的参数化

植物气孔导度模型的水分响应函数用来模拟水分胁迫对气孔导度的影响过程, 是模拟缺水环境下植物与大气间水、碳交换过程的关键算法。水分响应函数包括空气湿度响应函数和土壤湿度(或植物水势)响应函数, 该研究基于田间实验观测, 分析了冬小麦(Triticum aestivum)叶片气孔导度对不同空气饱和差和不同土壤体积含水量或叶水势的响应规律。一个土壤水分梯度的田间处理在中国科学院禹城综合试验站实施, 不同水分胁迫下的冬小麦叶片气体交换过程和气孔导度以及其他的温湿度数据被观测, 同时观测了土壤含水量和叶水势。实验数据表明, 冬小麦叶片气孔导度对空气饱和差的响应呈现双曲线规律, 变化趋势显示大约1 kPa空气饱和差是一个有用的阈值, 在小于1 kPa时, 冬小麦气孔导度对空气饱和差变化反应敏感, 而大于1 kPa后则反应缓慢; 分析土壤体积含水量与中午叶片气孔导度的关系发现, 中午叶片气孔导度随土壤含水量增加大致呈现线性增加趋势, 但在平均土壤体积含水量大于大约25%以后, 气孔导度不再明显增加, 而是维持在较高导度值上下波动; 冬小麦中午叶片水势与相应的气孔导度之间, 随着叶水势的增加, 气孔导度呈现增加趋势。根据冬小麦气孔导度对空气湿度、土壤湿度和叶水势的响应规律, 研究分别采用双曲线和幂指数形式拟合了水汽响应函数, 用三段线性方程拟合了土壤湿度响应函数和植物水势响应函数, 得到的参数可以为模型模拟冬小麦的各类水、热、碳交换过程采用。     

黄土丘陵区沙棘气孔导度及其影响因子

依据 1 998年在半干旱黄土丘陵区安塞的观测资料 ,对沙棘适应该地区生境的气孔运动进行了分析研究。结果表明 :(1 )沙棘气孔导度日均值为 2 1 4.47mmol· m- 2 · s- 1,日变化曲线呈双峰型。 (2 )沙棘气孔导度与 CO2 浓度间有十分显著的相关关系 ,复相关系数为0 .96 3 5 ;与光合有效辐射、气温、叶水势间有显著的相关关系 ,复相关系数为 0 .70 3 3～0 .8971 ;但与相对湿度间相关性不显著。 (3 )沙棘适应半干旱黄土丘陵区生境的气孔调节机制为反馈式反应 ,即由于叶水势降低导致气孔导度减小 ,从而减少蒸腾耗水 ,达到节约用水 ,适应干旱的目的 ;(4)沙棘的水分利用效率随气孔限制值的增大而减小 ,二者间呈显著的负相关。这为了解沙棘的抗旱机理 ,选育节水抗旱品种 ,提高水分利用效率提供了科学依据     

额济纳荒漠河岸胡杨林叶片气孔导度与微环境因子关系的模拟研究

以额济纳荒漠河岸胡杨(Populus euphratica)为研究对象,利用LI-6400光合测定仪于2005年5~9月份观测了胡杨叶片气体交换数据,研究了胡杨叶片气孔导度与光合速率、光合有效辐射与光合速率之间的关系.结果表明:(1)胡杨叶片净光合速率随气孔导度的增大而升高,但当气孔导度增加到一定值后,光合速率的增加变缓慢直至平稳,并主要是非气孔限制因素造成的;Ball-Berry模型(B-B模型)能够很好地描述气孔导度与光合速率之间的关系(R2=0.92).(2)叶片净光合速率随着有效辐射的变化符合非直角双曲线规律(R2=0.99).(3)B-B模型和非直角双曲线光合模型耦合后模拟值与观测值之间存在很好的正相关性(r=0.93),但耦合模型的模拟值还是较实测值偏大.因此,在干旱区还必须考虑水分限制因素对气孔开闭的控制作用,进一步构建适合干旱区生态系统特点的水-碳耦合循环机理模型.     

胡杨、灰叶胡杨光合及叶绿素荧光特性的比较研究

比较研究了两年生胡杨和灰叶胡杨叶片的光合及叶绿素荧光特性.结果表明:胡杨和灰叶胡杨均表现出净光合速率(Pn)日变化呈单峰曲线,只是在12:00时胡杨的Pn略微降低;气孔导度日变化均呈单峰型曲线;胞间CO2浓度日变化呈近“V”字型曲线.相同的试验条件下,胡杨的净光合速率、气孔导度高于灰叶胡杨,净光合速率与气孔导度峰值出现在上午10:00时;胡杨胞间CO2浓度低于灰叶胡杨,胞间CO2浓度最低值均出现在中午14:00时.经充分暗适应后的叶片叶绿素荧光参数初始荧光、PSⅡ原初光能转换效率和PSⅡ潜在活性均为胡杨显著大于灰叶胡杨.以太阳光为光化学光,测定的叶绿素荧光参数日变化显示,胡杨PSⅡ实际的光化学反应量子效率、非循环电子传递速率、光化学猝灭系数均大于灰叶胡杨,而非光化学猝灭系数却较灰叶胡杨小.胡杨与灰叶胡杨在光合与叶绿素荧光特性上的差异,是胡杨更能适应干旱荒漠区高光、高温与低相对空气湿度环境,从而表现出高净光合速率的部分生理学原因之一.     

CO2浓度增高对三裂叶蟛蜞菊光合生理特性的影响

在人工控制CO2浓度梯度条件下,测量了喜阴多年生草本植物三裂叶蟛蜞菊1月和3月的光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和叶面饱和蒸气压亏缺(Vpdl)。结果表明:CO2浓度升高对三裂叶蟛蜞菊的光合生理特性影响较大,当CO2浓度由0升高到1900μmol·mol1的过程中,Pn增加很快,其值在1.53～11.3μmol·m2·s1之间;水分利用率(WUE:光合与蒸腾之比)随CO2浓度的升高也在增大,当CO2浓度为1900μmol·mol1时,1月份的WUE是18.248μmol·mmol1,3月份的只有8.794μmol·mmol1,高水分利用效率与其对干旱的适应性密切相关。     

遮阴对骆驼刺叶性状和水分生理的影响

以塔克拉玛干沙漠南缘荒漠绿洲过渡带优势种骆驼刺为试验材料,研究正常光照(NL)、中度遮阴(MS)和重度遮阴(SS)3种不同遮阴环境对骆驼刺(Alhagi sparsifoliashap.)叶厚、单叶面积、比叶面积、比叶质量等叶性状参数和相对含水量、水势、失水速率、气孔导度、蒸腾速率以及水分利用效率等水分生理参数的影响。结果显示:随着光照强度的降低,骆驼刺的叶片厚度(LT)、比叶质量(LMA)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)明显降低,而单叶面积(LA)、比叶面积(SLA)、相对含水量(RWC)、失水速率(RWL)和水势(WP)明显升高;各叶性状参数与水分生理参数之间均有极显著的相关性。说明:骆驼刺在遮阴环境下,其叶性状特征主要通过单叶面积和单叶干物质积累的变化来响应遮阴环境;其水分生理特征主要是牺牲对水分胁迫具有较好抗逆性的水分生理特征并通过气孔调节和更多的水分消耗用于维持一定的光合能力来响应遮阴环境。叶性状与水分生理参数相关性分析表明,遮阴环境下骆驼刺叶性状变化主要通过影响RWL、WP、Tr和WUE进而影响其水分生理特征的变化。因此,建议可利用遮阴措施对极端干旱区荒漠植物骆驼刺进行植被恢复,但其遮光度应设置在70%—80%自然光之间。     

亚低温与干旱胁迫对番茄植株水分传输和形态解剖结构的影响

为探讨亚低温和干旱对植株水分传输的影响机制,以番茄幼苗为试材,利用人工气候室设置常温(昼25 ℃/夜18 ℃)和亚低温(昼15 ℃/夜8 ℃)环境,采用盆栽进行正常灌水(75%～85%田间持水量)和干旱处理(55%～65%田间持水量),分析了温度和土壤水分对番茄植株水分传输、气孔和木质部导管形态解剖结构的影响。结果表明: 与常温正常灌水处理相比,干旱处理使番茄叶水势、蒸腾速率、气孔导度、水力导度、茎流速率、气孔长度和叶、茎、根导管直径显著减小,而使叶、茎、根导管细胞壁厚度和抗栓塞能力增强;亚低温处理下番茄叶水势、蒸腾速率、气孔导度、水力导度和叶、茎、根导管直径显著降低,但气孔变大,叶、根导管细胞壁厚度和叶、茎、根抗栓塞能力显著升高。亚低温条件下土壤水分状况对番茄叶水势、蒸腾速率、气孔导度、水力导度、气孔形态、叶、根导管结构均无显著影响。总之,干旱处理下番茄通过协同调控叶、茎、根结构使植株水分关系重新达到稳态;亚低温处理下番茄植株水分关系的调控主要通过改变叶和根导管结构实现,且受土壤水分状况的影响较小。     

Diurnal courses of leaf conductance and transpiration of mistletoes and their hosts in Central Australia

Summary In Australia, diurnal courses of leaf conductance and transpiration of hemiparasitic mistletoes (Loranthaceae) and their hosts were measured using steady-state porometers under conditions of partial drought and high evaporative demand. The sites spanned a diversity of climatic regions ranging from the subtropical arid zone with winter rainfall, through the subtropical arid zone with summer rainfall to the tropical summer rainfall zone. With one exception (Acacia farnesiana with deciduous leaves), the hosts were trees or shrubs with evergreen, sclerophyllous leaves or phyllodes.The measurements confirm previous observations that mistletoes transpire at higher rates than their hosts. For adult leaves from all of the 18 different host/mistletoe pairs investigated, the daily average leaf conductances were higher in the parasites than in their hosts. The ratios ranged from 1.5 to 7.9. In the most extreme case,Amyema maidenii had a daily rate of water loss 8.9 times higher than its hostAcacia cowleana. Hoever, the parasites did not exhibit unlimited transpiration. Despite high water loss rates, leaf conductance showed large and consistent changes during the course of the day, indicating definite stomatal regulation. The typical diurnal pattern of conductance in both mistletoes and hosts consisted of an early morning peak followed by a continuous decrease throughout the remainder of the day. There was no abrupt decrease in leaf conductance of the parasites that might be interpreted as a threshold response with respect to internal water potential. In most cases, the continuous stomatal closure occurred without substantial changes in leaf water potential over a time span of several hours. The decrease in leaf conductance was correlated with an increase in leaf-to-air water vapor difference, which was associated with increasing leaf temperatures. It seems probable that external humidity plays a major role in the stomatal response. Diurnal courses of leaf conductance of the host/parasite pairs usually showed similar general patterns, even when the absolute rates were quite different. Thus, mistletoes not only control their water loss by stomatal action but this regulation seems to occur in coordination with the stomatal response of their hosts.The integrated mistletoe/host system must also endure severe drought conditions. Controlled water use is necessary for long-term survival of the host. Assuming stomatal behavior in the host is well adapted to ensure its existence, then similar performance in the mistletoe would promote survival of both host and parasite.     

不同浇水量对毛乌素沙地沙柳幼苗气体交换过程及其光化学效率的影响

 利用毛乌素沙地优势灌木沙柳(Salix psammophila)幼苗,研究气体交换及其PSⅡ的光化学效率对4种浇水量响应。结果表明：不同浇水量明显影响沙柳幼苗净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度和叶片温度日变化动态;除幼苗叶片温度随着浇水量的增加而降低外,其它以上因素均随浇水量的增加而增大。浇水量少时,幼苗净光合速率明显有“午睡”现象,而充足浇水能有效消除幼苗净光合速率的“午睡”现象;浇水量增加降低了沙柳幼苗光补偿点,提高了饱和光强和表观量子效率;浇水量显著影响幼苗的PSⅡ光化学效率,随着浇水量减少,幼苗的最大荧光、可变荧光、最大荧光比和最大光化学效率逐渐减小。相关分析反映了在不同施水量处理下,环境因子光合有效辐射、大气温度、大气饱和水汽压差及其生理变量气孔导度、叶片温度、胞间CO2浓度均显著影响幼苗净光合速率。     

塔里木河上游胡杨与灰杨光合水分生理特性

在自然条件下对塔里木河上游优势树种-胡杨、灰杨的光合水分生理特性进行比较研究.结果表明,整个生长季胡杨、灰杨的光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr,除8月份)日进程均为单峰曲线,水分利用效率(WUE)变化无明显规律性.胡杨与灰杨12:00后Pn的下降主要取决于非气孔因素限制.胡杨Pn、WUE高于灰杨,而Tr低于灰杨,表明胡杨属高光合、低蒸腾、高WUE型树种,灰杨属低光合、高蒸腾、低WUE型树种.胡杨、灰杨枝水势(Ψw)、清晨与正午水势日进程均呈"V"字型曲线,胡杨水势日变幅、正午水势月变幅均小于灰杨,但两树种水势间无显著差异.胡杨与灰杨具有较强的水分吸收和减少水分丧失的能力,但胡杨调节气孔导度(Gs)控制蒸腾失水的能力较强,对干旱环境表现出更强的生态适应性,从而导致两树种产生了种群地理分化.     

气孔导度对CO_2浓度变化的模拟及其生理机制

基于气孔运动的生理生化机制重点进行了气孔导度(gs)对CO2浓度变化的响应机制分析,并推导得到气孔导度(gs)对CO2浓度变化响应模型,并以9种植物进行了模型验证。结果表明:随着CO2浓度的升高,气孔导度会逐渐降低,且下降的幅度会随着CO2浓度的升高而逐渐减弱。气孔导度对CO2浓度(Cs)变化的响应模型可以表达为gs=gmax/(1+Cs/Cs0),其中式中gmax是最大气孔导度和Cs0是实验常数。该模型较好地模拟了气孔导度随CO2浓度变化的规律,模型参数具有明确的生理意义,与Jarvis模型和Ball-Berry模型相比,该模型如何实现多种环境因子的耦合有待进一步突破。另外,模型是在短期改变叶片CO2浓度的条件下得出的,在CO2浓度长期胁迫下的适用性也有待进一步确认。     

塔里木荒漠优势树种气体交换特性与环境因子的关系研究

在自然条件下对塔里木荒漠区优势树种--胡杨、灰叶胡杨的气体交换特性及其与环境因子的关系进行研究.结果表明:(1)在6～9月生长季,胡杨和灰叶胡杨的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr,除8月)日进程均为单峰曲线,胞间CO2浓度(GI)呈"V"字型曲线,Pn的峰值出现在12:00,Tr峰值明显滞后于Pn.生长季内胡杨各月份的Pn、水分利用率(WUE)、光能利用率(LUE)均高于灰叶胡杨,而Tr低于灰叶胡杨,气孔导度(Gs)相近.(2)气体交换与环境因子的统计分析表明,光量子通量密度(PPFD)是决定胡杨和灰叶胡杨Pn和Tr的主要环境因子,其次为气温(Tair).(3)灰叶胡杨对PPFD、Tair,、空气相对湿度(RH)的敏感性强于胡杨,通过高蒸腾耗水、低WUE来减轻高温干旱的伤害;胡杨通过主动调节Gs来控制蒸腾失水、提高光合效率,以较高的WUE和LUE适应日益干旱的荒漠环境,表现出较强的生态适应性.     

A coupled model of stomatal conductance, photosynthesis and transpiration

A model that couples stomatal conductance, photosynthesis, leaf energy balance and transport of water through the soil–plant–atmosphere continuum is presented. Stomatal conductance in the model depends on light, temperature and intercellular CO₂ concentration via photosynthesis and on leaf water potential, which in turn is a function of soil water potential, the rate of water flow through the soil and plant, and on xylem hydraulic resistance. Water transport from soil to roots is simulated through solution of Richards’ equation. The model captures the observed hysteresis in diurnal variations in stomatal conductance, assimilation rate and transpiration for plant canopies. Hysteresis arises because atmospheric demand for water from the leaves typically peaks in mid‐afternoon and because of uneven distribution of soil matric potentials with distance from the roots. Potentials at the root surfaces are lower than in the bulk soil, and once soil water supply starts to limit transpiration, root potentials are substantially less negative in the morning than in the afternoon. This leads to higher stomatal conductances, CO₂ assimilation and transpiration in the morning compared to later in the day. Stomatal conductance is sensitive to soil and plant hydraulic properties and to root length density only after approximately 10 d of soil drying, when supply of water by the soil to the roots becomes limiting. High atmospheric demand causes transpiration rates, LE, to decline at a slightly higher soil water content, θ_s, than at low atmospheric demand, but all curves of LE versus θ_s fall on the same line when soil water supply limits transpiration. Stomatal conductance cannot be modelled in isolation, but must be fully coupled with models of photosynthesis/respiration and the transport of water from soil, through roots, stems and leaves to the atmosphere.     

茶树蒸腾特性的研究

茶树蒸腾速率和气孔导度因品种、叶位不同而异．抗旱性强的品种具有低的气孔导度;鱼叶的蒸腾速率和气孔导度接近或高于真叶．茶树叶片蒸腾速率夏、秋季最高,春季次之,冬季最低．在晴天,茶树蒸腾速率和气孔导度的日变化呈单峰型,以中午前后最高;其日变化与光量子通量密度、叶温、蒸汽压亏缺等因子显著相关;光量子通量密度对蒸腾速率和气孔导度影响较明显．     

高羊茅叶片表皮蜡质含量与其抗旱性的关系

以14个高羊茅品种为试验材料,在田间试验中对干旱高温胁迫下的叶片表皮蜡质含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度等生理指标测定分析。结果表明,干热胁迫下高羊茅品种间的叶片表皮蜡质含量和水分利用效率均存在极显著差异(P<0.01);叶片蜡质含量与综合抗旱性和水分利用效率的等级相关系数分别为0.78(P<0.01)和0.68(P<0.01);蜡质含量越高的品种,其叶片气孔导度和胞间CO2浓度越低,水分利用效率越高,但所有品种的水分利用效率绝对值都较低。研究发现,在干热胁迫时,高羊茅叶片表皮蜡质可通过对气孔导度的调节来减少气孔蒸腾,提高水分利用效率,最终提高其抗旱性;表皮蜡质含量可以作为高羊茅品种抗旱性鉴定的一个新指标。     

庐山鹅掌楸(Liriodendron chinense)幼苗蒸腾特性研究

庐山山地上的鹅掌楸幼苗,在夏季晴天土壤供水充足的条件下,其叶片蒸腾速率的日变化为午后高峰型,日蒸腾量为７０９２ｍｏｌＨ２Ｏｍ＾２ｄ＾１,最大蒸腾速率达３．９ｍｍｏｌＨ２Ｏｍ＾－２ｓ＾－１,叶／敢温度差,敢孔导率,相对湿度等对蒸腾速度的影响最显著;鹅掌楸地的水分利用率日平均为４．１４２ｍｍｏｌＣＯ２３ｍｏｌ＾－１Ｈ２Ｏ最高可达１１．８ｍｍｏｌＣＯ２ｍｏｌ＾－１Ｈ２Ｏ。