夏玉米水分利用效率的时空变化规律研究

通过小区试验,本实验在不同生育阶段控水条件下,对玉米不分利用效率（ＷＵＥ）的时空变化规律进行研究。同雄期是玉米的需水关键期,该时期控制供水较充分,供水减产１８．２％,ＷＵＥ减小１６．８％灌浆期适度控水有利于节水增产。拔节期供水对作物株高和干物质积累影响明显,拔节期耗水量对玉米产量形成重要。     

陆生植物水分利用效率

植物水分利用效率（water use efficiency,WUE）作为叶片光合与水分生理过程的耦合因子,不仅是联系植被生态系统碳循环与水循环的重要变量,同时亦已成为揭示陆地植被生态系统对全球变化响应和适应对策的重要手段。稳定同位素技术和涡度相关技术的发展和应用,使植物WUE的概念和测定方法不断得到扩展,研究内容、尺度也不断拓宽。深入认识植物WUE的变化特征及其调控机制,一方面有助于揭示不同植物对生境的生理生态适应机理,另一方面能够促进对陆地生态系统碳-水平衡关系的理解。目前生态系统水平WUE的研究尚处初始阶段。如何建立不同尺度水平WUE间的联系机制,将成为今后该研究领域的关注点。本文在阐述植物WUE概念和测定方法的基础上,综述了植物叶片水平WUE的影响因子、种间差异与水分利用策略,以及WUE与其他叶性状的关系,介绍了当前生态系统水平WUE的研究状况,提出未来的研究趋势。     

植物叶片水分利用效率研究综述

植物能否适应当地的极限环境条件,最主要的看它们能否很好地协调碳同化和水分耗散之间的关系,即植物水分利用效率(WUE)是其生存的关键因子.就近来研究最多的叶片水平上的WUE,从叶片WUE的定义,方法,进展等方面对其进行总结概括,并就今后植物叶片水分利用效率的研究提出了几点看法:方法上,叶片碳同位素方法是目前植物叶片长期水分利用效率研究的最佳方法,而δ13C的替代指标将继续是方法研究中的一个方向,前景乐观;研究内容上,要加强极端干旱区河岸林木的δ13C和WUE的研究;结合植物生理生态学,生物学和稳定同位素技术,探究植物叶片长期水分利用效率的机理,特别是要加强运用双重同位素模型加深和理解植物叶片长期水分利用效率变化规律和内在机制的研究;要结合多种方法,加强多时空尺度植物叶片WUE及其之间的转换研究.     

伤根对玉米光合作用和水分利用效率的影响

1　引　　言在世界范围内 ,水资源的短缺日益受到人们的关注 ,农业水资源的高效利用已是世界农业亟待解决的主要问题 .因此 ,现代农业不应再单纯满足于高产 ,还应着眼于节约资源 ,提高水资源利用效率 .近年来 ,为了提高产量及水分利用效率 ,农业科技工作者在植物 水分方面做了大量的工作[1～ 3 ,5～ 7,9～ 12 ] .在人类的农业生产实践中 ,水稻插秧、幼苗移栽以及对作物的中耕等都可以使植株生长状况好转 ,作物产量提高 ,而这些措施都会对植物根系产生一定的影响 .对作物根系进行人为的伤害 ,也可能会改善作物生长状况 ,调节作物对有限土壤水…     

有限供水对复玉米产量及其水分利用效率的影响

在人工控制水分的测试坑条件下,对玉米全生育期的研究表明;随供水量减少则根系耗水深度明显加深,土壤各层次含水量变化较大。当供水量从适宜供水下降到中度亏缺供水时,则耗水深度由８０ｃｍ增加到１２０ｃｍ;在各生育期蒸腾速率,光合速率及产量和水分利用效率均随供水量的下降而下降;研究单叶水分利用效率表明：顶层第二叶在各叶层中最高;其日变化是９：００－１１：００时单叶ＷＵＥ最高。     

玉米叶片水分利用效率的保守性

水分利用效率是植物个体或生态系统水分利用过程的重要特征参数,可表征不同时空尺度的植物碳-水耦合关系,对植物适应气候变化研究具有重要意义。以玉米为例,利用中国气象局固城农业气象野外科学试验基地2013—2014年玉米不同灌溉方案模拟试验资料,对不同叶位叶片的水分利用效率特征及其影响因素进行分析。结果表明:植株顶部第1片叶片水分利用效率在拔节期和乳熟期呈现明显的峰值,反映出明显的周期变化规律及其与叶片生理生态特征的紧密相关。在相同环境条件下,不同叶位叶片的水分利用效率不存在显著性差异,即玉米叶片水分利用效率具有空间稳定性与叶龄保守性。同时,研究指出叶片光合速率和蒸腾速率在叶位之间的协调变化是导致空间稳定性和叶龄保守性的主要原因。研究结果可为植物水分关系研究提供参考,也可为水分利用效率的尺度化研究提供依据。     

有限供水对夏玉米产量及其水分利用效率的影响

在人工控制水分的测试坑条件下,对玉米全生育期的研究表明;随供水量减少则根系耗水深度明显加深,土壤各层次含水量变化较大。当供水量从适宜供水下降到中度亏缺供水时,则耗水深度由８０ｃｍ增加到１２０ｃｍ;在各生育期蒸腾速率,光合速率及产量和水分利用效率均随供水量的下降而下降;研究单叶水分利用效率表明：顶层第二叶在各叶层中最高;其日变化是９：００－１１：００时单叶ＷＵＥ最高。     

小麦进化材料水分利用效率与氮利用效率间相互关系

利用田间微区试验,在整株水平上研究了10种小麦进化材料水分利用效率(WUE)和氮利用效率(NUE)间的关系．结果表明,小麦在从二倍体→六倍体的长期进化过程中,WUE和NUE均逐渐增加．除法国黑麦外,其余9种小麦进化材料WUE和NUE间呈显著正相关,表明法国黑麦高的NUE可能与WUE以外的其它生理机制有关．     

玉米根系形态性状和空间分布对水分利用效率的调控

玉米根系形态性状(总根长、根系表面积和根系干物质重)与植物整体水分利用效率间具有显著或极显著的相关性,回归曲线趋势基本相同,均呈二次曲线关系,只是相关系数不同。说明从提高水分利用效率来说,根系需要维持适宜的大小。其中根长对水分利用效率的贡献是第一位的,而根系干物质重的贡献最小,根系表面积介于二者之间。从空间分布来说,玉米每层节根数、节根长度和直径在父母本和杂交种间也具有显著或极显著的差异。与中下层根量相比,母本与不抗旱的父本处于上层干土中的根系数量明显较多,且根系直径大,吸水困难。而杂交种在干旱条件下上层根重和数量维持不变,或略高于不抗旱品种,但中层和下层根系数量和长度明显高于不抗旱品种,且根系直径小于不抗旱品种,这样从多的有效根系数量和低的吸水阻力两方面保证了水分的吸收,从而使其产量和水分利用效率均最高,说明通过根系形态特性和空间分布的优化能够调节作物整体的水分利用效率。     

四种禾本科牧草植物蒸腾速率与水分利用效率的比较

报道了４种热带亚热带禾本科牧草植物的蒸腾速率、水分利用效率的日变化图式,并就它们与叶面光强、叶面温度、气孔导度等参数之间的相关关系进行了分析．结果如下：（１）蒸腾速率因牧草种类不同而有差异,墨西哥玉米、矮象草．杂交狼尾草、皇草的日平均蒸腾速率分别为２．４７、１．３８、２．５３、２．９０ｍｍｏｌ ｍ－２ｓ－１;（２）正午前后（１０：００－１４：００）是４种牧草植物蒸腾耗水的主要时期;（３）虽然矮象草的净光合速率和蒸腾速率的日变化图式与其它３种牧草之间存在较大的差异,但水分利用效率日变化差异则很小;（４）不同牧草种类对正午前后高光强高温的适应策略存在差异,墨西哥玉米、杂交狼尾草、皇草采用了相同或相近的适应策略,即通过维持气孔扩张最大程度地蒸腾水分以降低叶温,矮象草则通过关闭气孔以减轻因水分过度消耗带来的伤害（５）４种禾本科牧草植物具有忍受或适应华南夏季炎热高温气候的能力或潜力,在热带亚热地区有推广价值和发展前景．     

植物水分利用率及其提高途径

植物水分利用率有不同范围,不同层次,不同水的概念,其最基本的是光合作用／蒸腾作用的比值,影响这两个过程的因素均能影响ＷＵＥ,提高途径主要有：作物种和品种的选择和改良、作物施肥、补充灌溉,应用化学物质等。     

分层供水施磷对春小麦光合性能及水分利用率的影响

利用自制的植物生长装置研究了春小麦在不同土壤湿度和碳素水平的组合方式对作物光合及水分利用的影响。结果表明。在上干下湿的水分条件,表层施磷处理其光合曲线呈单峰,而整体湿润下不管磷的施用部位,其光合曲线呈双峰。这种变异多是非气孔限制下环境因子与植株体作用而致。     

水平沟耕作对土壤水分动态及水分利用率的调节

分析了水平沟耕作条件下土壤水分动态、水分利用、水分收支平衡,认为水平沟增产的主要作用是减少了坡耕地表径流量而增加了土壤蓄水量。     

不同干旱土壤条件下杨树的耗水规律及水分利用效率研究

 在适宜土壤水分（70%θf）,中度干旱（55%θf）和严重干旱（40%θf）3种土壤水分条件下研究杨树（Populus simonii）的耗水特性和水分利用特征。结果表明,随着土壤含水量的下降,杨树叶水势、相对含水量(RWC)、生长速率、光合速率及单叶水分利用效率（WUE）显著下降;在适宜水分和中度干旱条件下,杨树的快速生长和干物质迅速积累时期主要集中在5～6月,严重干旱下快速生长时期和干物质积累主要集中在5月;杨树总耗水量和总生物量的大小顺序为：适宜水分＞中度干旱＞严重干旱;WUE则表现出中度干旱下最高,严重干旱下最低;杨树在适宜水分下的日、旬、月耗水量明显高于中度干旱和严重干旱处理;杨树在适宜水分、中度干旱和严重干旱条件下的最高耗水月分别在6～7月,最高旬耗水量分别在7月中旬、上旬和6下旬;在中度水分亏缺和严重水分亏缺下的最高耗水日出现的时间比适宜水分下的最高耗水日提前1～2个月以上。一天中的最大耗水高峰随着杨树生育期和土壤含水量的不同而有明显差异。研究结果表明,杨树不具备耐旱植物的特征,因此在黄土高原缺水地区不适宜大面积栽植,只能用于水分条件较好的立地条件下造林。     

不同生境间红树科植物水分利用效率的比较研究

通过测定采自4个地区(海南、厦门、北海和西双版纳)的红树科6个属共9种植物,包括竹节树(Carallia brachiata)、锯叶竹节树(C. diphopetala)、山红树(Pellacalyx yunnanensis)、红树(Rhizophora apiculata)、红海榄(R. stylosa)、海莲(Bruguiera sexangula)、木榄(B. gymnorhiza)、秋茄(Kandelia candel)和角果木(Ceriops tagal)的叶片碳同位素比值(δ¹³C),比较了不同地区分布的红树科植物(尤其是内陆生长的和沿海生长的红树科植物之间)、同一地区分布不同种红树科植物间以及不同季节红树科植物δ¹³C值及其所反映的胞间CO₂浓度和水分利用效率的差异。研究结果表明,红树科植物叶片的δ¹³C变化在-32‰~-26‰之间,大部分种类在两个生长季之间(春季和秋季)没有明显的差异,而内陆和沿海分布的红树科植物有着显著不同的δ¹³C值,以海水中生长的红树科植物δ¹³C值较高。此外,在海水中生长的红树科植物以北海地区分布的为最高,而在厦门和海南之间则较少有显著性的差异。从所取得的结果来看,植物δ¹³C值之间的差异可能有遗传学的基础,但环境的影响也起很大的作用。     

环境因子对冬小麦水分利用效率的影响

对干湿两种水分处理下农田冬小麦群体水分利用效率与环境因子的关系进行分析。结果表明：（１）各环境因子以综合复杂的方式影响水分利用效率。（２）由土壤干旱和大气高蒸发势迭加而成的水分亏缺所引起的气阻阻力上升有利于提高水分利用效率,但水分亏缺同时引起的叶－气水汽压梯度增大则会降低水分利用效率。在水分亏缺最强的午后１２：００￣１６：００时,水分利用效率最低。     

土壤大气湿度组合对玉米生长和WUE效应研究

采用人工气候生长箱盆栽试验,模拟土壤和大气湿度不同组合处理,发现土壤干旱和大气干旱显著抑制玉米生长。大气湿度提高,在一定程度能改善作物的水分状况,降低蒸腾,解除土壤干旱危害,产生生长和生理补偿效应,明显提高水分利用效率。     

两种山黄麻属植物在近一世纪里气孔密度和潜在水利利用率的变化

统计了狭叶山黄麻（Trema angustifolia BL.)和光叶山黄麻（Trema cannabina Lour）腊叶标本在近一世纪里的气孔密度,并利用叶中δ^13C值推算了它们在这段时期的潜在水分利用率。结果表明,从20世纪20年代到90年代,狭叶山黄麻和光叶山黄麻的气孔密度分别降低28．1％和40．0％;潜在水分利用率分别增加19．5％和42．2％。相关分析表明,在这70年里,两种植物的气孔密度与大气CO2浓度显著负相关,而它们的潜在水分利用率与大气CO2浓度成显著正相关。     

不同施肥水平对旱地冬小麦水分利用效率的影响

1987—1988年,研究了旱地施肥对冬小麦(Triticum aestivum cv．Shanhe No．6)水分利用效率的影响,初步探讨了“以肥调水”的生理机制。施肥不仅提高了旱地土壤含水量,更重要的是提高了土壤水势和土壤水的有效性,从而增加了有效水分利用。施肥增大旱地冬小麦绿叶面积,延缓叶片衰老,从而降低土壤蒸发,增加蒸腾用水潜势和光合潜势,但净同化率不一定提高。施肥增加旱地冬小麦总的水分利用(ET,即蒸散量)和蒸腾(T)用水,增加地上部生物产量,提高了经济产量和水分利用效率。施肥使冬小麦同时具有耗水和节水以抵御干旱的能力,对植株具有调节作用,使之更好地适应干旱环境。