土壤干旱胁迫下非水力根信号调控夏玉米气体交换对大气环境的响应

对不同程度土壤干旱胁迫下夏玉米非水力根信号的产生以及气体交换过程对大气环境的响应进行了试验研究。充足底墒播种后采用3个土壤水分处理等级(0~200cm土壤相对湿度为>80%、60%~70%、40%~50%,代号为W T1、W T2和W T3)。生育期内遮去自然降水。试验结果表明,在拔节期轻度和中度土壤干旱胁迫的情况下,玉米根系合成大量ABA传输到地上部分,参与控制气孔开度和气体交换过程对大气环境变化的响应并调节水分消耗。在日变化过程中,当光强和水汽压亏缺较高时,由于蒸腾速率较高,非水力根信号物质向冠层的传输速率也较高,ABA在叶片中的累积影响了气孔开张对光强响应的敏感度,气孔开度受到抑制,并且随着ABA累积和浓度的增加,气孔抑制作用越强;在水汽压亏缺较低的情况下,非水力根信号物质向冠层的传输速率较低,ABA的代谢过程以及再分配过程能够保证这种信号物质保持在低水平,从而保证一定程度的气孔开度和光合、蒸腾速率。这种策略能够使夏玉米在轻、中等干旱条件下保证最大的光合作用,同时在可能的胁迫情况下降低蒸腾作用以提高水分利用效率。     

干旱对夏玉米苗期叶片权衡生长的影响

叶片是植物对干旱响应最敏感的器官之一,叶片性状变化及其权衡关系能够反映植物对资源的利用策略以及对干旱的适应对策。基于2014年6个初始土壤水分梯度的夏玉米持续干旱模拟试验研究表明,随着干旱的发展,夏玉米各叶片性状均会受到影响,但不同干旱程度的影响不一致。基于水分胁迫系数及干旱持续时间提出了干旱程度的定量表达,随着干旱的发生发展,干旱程度在0—1之间变化。当干旱程度小于0.21时,夏玉米叶片性状不会受到显著影响;0.21—0.76时,叶片性状大小受到影响,但变化趋势不会发生改变;0.76—0.91时,新叶形成补偿不了老叶脱落,有效叶片数、叶干重、绿叶面积和叶含水量等性状提前出现下降趋势;大于0.91时,叶片生长几乎停滞。夏玉米叶片性状在干旱条件下的适应性生长本质上体现了其在快速生长与维持生存之间的权衡,但不同干旱程度下,夏玉米叶片性状生长的权衡策略不同:未发生干旱时,夏玉米倾向于维持较高的代谢活性,一旦干旱程度大于0,夏玉米就会降低叶片代谢活性;当干旱程度小于0.48时,夏玉米倾向于通过迅速增加叶面积来吸收较多的能量,以获得较大的生长速率,为生殖器官的生长及产量形成储备能量;当干旱程度大于0.48时,夏玉米会减小单叶面积以减少水分散失,倾向于资源贮存以提高其生存能力。     

玉米光合生理参数对全生育期干旱与拔节后干旱过程的响应

作物对干旱的响应已有大量研究,但对不同强度干旱及其持续时间响应过程的研究甚少。通过开展全生育期干旱和拔节后干旱过程的影响模拟实验,试图揭示夏玉米叶片光合生理特性对不同干旱强度及其持续时间的响应机理,为我国北方地区玉米育种和节水灌溉提供科学的理论依据。研究结果表明:1)干旱显著降低了玉米叶片的叶绿素相对含量(SPAD),但两种干旱处理下的SPAD随干旱持续时间的延长而出现响应差异并逐渐扩大;2)不同强度、不同持续时间的干旱处理均明显抑制了玉米叶片的最大净固碳速率(A_(sat)),拔节后的轻度干旱过程对玉米叶片A_(sat)的影响最大;3)拔节期后重度干旱过程处理下玉米叶片虽保持较高的光合速率,但叶片数量急剧减少,而且一直保持在营养生长阶段,没有产量;4)在两种干旱处理方式下,玉米叶片PSII的光化学效率(F_v′/F_m′)均到灌浆中期才开始出现显著降低现象,表现出了较强的干旱适应能力;5)SPAD与叶片光合及叶绿素荧光参数均存在较强的相关关系,可作为评价玉米叶片光合性能对干旱胁迫敏感性的指示性指标;6)不仅干旱强度影响玉米叶片的生理生态过程,干旱发生的时间也具有重要的影响。     

干旱胁迫对丹参叶片气体交换和叶绿素荧光参数的影响

研究了干旱处理15d后,大叶型丹参和小叶型丹参2个品种幼苗气体交换和叶绿素荧光参数的变化.结果表明:在干旱胁迫15d后,大叶型丹参叶片净光合速率(Pn)和PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)分别下降了66.42%和10.98%,而小叶型丹参的Pn和Fv/Fm分别下降了29.32%和5.47%,干旱胁迫对大叶型丹参Pn和Fv/Fm的影响明显大于小叶型丹参.小叶型丹参Pn下降主要由气孔因素造成,而大叶型则主要由非气孔因素所致.干旱胁迫使丹参叶片的气孔导度(Gs)下降,但明显诱导了水分利用效率(WUE)、非光化学猝灭系数(qN)和光呼吸速率与净光合速率比率(Pr/Pn)的增加,以提高干旱胁迫抗性.其中小叶型丹参的增幅明显大于大叶型丹参.表明小叶型丹参的抗干旱胁迫能力更强.     

华北夏玉米干物质分配系数对干旱胁迫的响应

干物质分配系数反映作物各器官干物质的分配与积累,研究干物质分配系数对干旱胁迫的响应,是研究干旱胁迫对作物生长发育影响的基础.本文基于华北夏玉米主产省山东、河北和山西3个试验点2013—2015年田间水分控制试验资料,建立了夏玉米苗期、抽雄期、灌浆期3个主要发育阶段叶、茎、穗的干物质分配系数与土壤相对湿度的定量关系模型,分析了叶、茎、穗干物质分配系数对不同程度干旱胁迫的响应.结果表明: 3个阶段叶、茎、穗的干物质分配系数与土壤相对湿度均呈显著的一元二次关系.干旱胁迫下,叶片向外转运的干物质相对减少,叶干物质分配比例增加,并且在轻、中度干旱胁迫时的灌浆期(叶干物质分配系数增加0.04~0.09)以及重度干旱胁迫时的抽雄期(叶干物质分配系数增加0.17)响应最敏感.穗干物质分配系数对干旱胁迫表现为负响应,干旱胁迫越严重,分配系数越小,轻-重度干旱胁迫使穗干物质分配系数减小0.08~0.34.茎干物质分配系数对干旱胁迫的响应总体表现为灌浆期(正响应)＞抽雄期(负响应)＞苗期(负响应).     

夏玉米对土壤水分持续减少的响应及其转折点阈值分析

玉米是世界三大粮食作物之一,玉米生产在中国粮食安全与畜牧业发展中具有举足轻重的作用。干旱是夏玉米生产最主要气象灾害,及时准确地获取干旱信息对夏玉米安全生产至关重要。以夏玉米郑单958品种为材料,设置充分供水和拔节期开始土壤水分持续减少两种水分处理,研究夏玉米对土壤水分持续减少的响应及其转折点阈值,为夏玉米干旱识别与监测提供依据。结果表明,土壤水分持续减少10d后生理指标开始陆续受到胁迫,20d后生物量积累受到抑制,30d左右形态特征开始受到胁迫。夏玉米生理指标中最先受到胁迫的是顶端第1片完全展开叶的含水量和水势,生物量积累指标中为茎生物量,形态指标中为叶数。夏玉米顶端第1片完全展开叶的含水量或水势、茎生物量和叶数开始受到土壤干旱过程胁迫的时间阈值分别为11、21、27d,水分亏缺阈值分别为34、66、86mm,土壤相对湿度阈值分别为64%、56%和52%。表明夏玉米对土壤干旱过程的响应首先表现为生理特征变化、其次为生物量积累变化、最后为形态特征变化。研究结果可为客观辨识夏玉米干旱的发生发展及监测预警提供参考。     

花铃期土壤持续干旱对棉铃对位叶气体交换参数和叶绿素荧光特性的影响

在盆栽条件下,以杂交棉泗杂3号为材料,以花铃期正常灌水\[土壤相对含水量(SRWC)(75±5)%\]为对照,设花铃期SRWC(60±5)%和SRWC(45±5)%持续干旱50 d两个处理,研究棉铃对位叶气体交换参数和叶绿素荧光参数在持续干旱过程中的动态变化和响应机制.结果表明: SRWC (60±5)%处理0～21 d棉铃对位叶的净光合速率(P_n)、气孔导度(g_s)、胞间CO₂浓度(C_i)下降,气孔限制值(L_s)上升,叶绿素荧光参数无显著变化,P_n下降的主要原因是气孔限制;处理21～49 d棉铃对位叶P_n持续下降,C_i上升,L_s下降,同时最大光化学效率(F_v/F_m)、实际光化学效率(Φ_PSII)和光化学猝灭系数(q_P)显著降低,非光化学猝灭系数(NPQ)先升后降,P_n下降的主要原因是非气孔限制;此时叶片PSII系统受到损伤,光合机构及光合酶系统被破坏,同时成铃强度急剧下降,成铃数降低,导致产量下降.SRWC(45±5)%处理0～14 d棉铃对位叶P_n、g_s、C_i显著下降,L_s急剧上升,F_v/F_m、Φ_PSII、q_P无显著变化,P_n下降主要由气孔限制引起;处理14～49 d,棉铃对位叶P_n缓慢下降,C_i上升,L_s下降,F_v/F_m、Φ_PSII和q_P不断降低,而NPQ先升后降,表明P_n下降主要由非气孔限制引起,同时成铃强度急剧下降,成铃数减少,产量降低.本试验条件下,SRWC(60±5)%和SRWC(45±5)%处理下棉花生长的临界胁迫时间分别为21和14 d.     

羊草叶片气体交换参数对温度和土壤水分的响应

 采用生长箱控制的方法研究了羊草(Leymus chinensis)幼苗叶片光合参数对5个温度和5个水分梯度的响应和适应。结果表明：轻度、中度土壤干旱并没有限制羊草叶片的生长,对气体交换参数亦无显著影响,反映了羊草幼苗对土壤水分胁迫的较高耐性。叶片生物量以26 ℃时最大,其它依次为23 ℃、20 ℃、29 ℃和32 ℃。温度升高使气孔导度和蒸腾速率增加, 却使光合速率和水分利用效率降低。水分和温度对叶片生物量、光合速率、气孔导度和蒸腾速率存在显著的交互作用,表明高温加强了干旱对叶片生长和气体交换的影响, 降低了羊草对土壤干旱的适应能力。高温和干旱的交互作用将显著减少我国半干旱地区草原的羊草生产力。     

夏玉米三叶期持续干旱下不同叶位叶片含水量变化及其与光合作用的关系

植物干物质的累积依赖于群体光合速率,而群体光合速率又与单叶的光合能力密切有关。叶片光合作用与其含水量密切相关,目前关于不同叶位叶片含水量对持续干旱的响应及其与光合作用的关系还未见报道。以华北夏玉米郑单958为材料,设置6个不同灌水处理,模拟不同灌溉量下持续干旱对夏玉米不同叶位叶片生理特性的影响,分析夏玉米顶部开始的第一、三、五叶位叶片的水分变化及其与净光合速率的关系。结果表明:夏玉米不同叶位的叶片最大含水量不同,且随干旱进程的推进叶片含水量的变化速率也不同,第一叶的叶片含水量下降速率高于第三、第五叶,第一叶的最大含水量高于第三、五叶,且可进行光合产物积累的叶片含水量下限随叶位的增加而增大。同时,第一叶的叶片含水量与土壤水分呈显著相关,且与净光合速率的相关性也非常强。第一叶可进行光合产物积累的叶片水分下限(净光合速率为零时的叶片含水量)最小,表明其耐旱性最强,对干旱具有指导意义。研究结果可为提高冠层光合作用模拟的准确性及夏玉米干旱发生发展的监测预警提供参考。     

干旱胁迫对玉米苗期叶片光合作用和保护酶的影响

以玉米品种郑单958(抗旱性强)和陕单902(抗旱性弱)为材料,采用盆栽控水试验,设置3个干旱处理(轻度干旱,中度干旱,重度干旱)和正常灌水,研究了干旱胁迫对玉米苗期叶片光合速率、叶绿素荧光以及相关生理指标的影响。结果表明:(1)干旱胁迫下2个品种叶片净光合速率(P_n)和气孔导度(G_s)显著下降,胞间CO₂浓度(C_i)出现了先下降后上升,而气孔限制值(L_s)上升后下降,说明中度干旱胁迫下叶片P_n下降是气孔因素引起的,重度干旱胁迫下P_n降低主要由非气孔因素引起的。(2)随着干旱胁迫的加剧,2个品种叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)的实际量子产量(φPSⅡ)、电子传递速率(ETR)和光化学猝灭(qP)一直下降,而非光化学猝灭(qN)上升后下降,说明中度干旱下热耗散仍是植株重要光保护机制,重度干旱时叶片光合电子传递受阻,PSⅡ受到损伤。(3)干旱胁迫下2个品种叶片的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性先升高后降低,而丙二醛(MDA)含量一直升高,说明干旱胁迫初期对保护系统酶活性升高有诱导作用,重度胁迫下活性氧清除酶的活性下降,导致细胞膜伤害。这些结果暗示,轻度和中度干旱胁迫下2个玉米品种通过减少光捕获、热耗散和酶活性调节协同作用稳定了光合机构功能,是P_n下降的气孔限制因素;而重度干旱胁迫下光系统Ⅱ和抗氧化酶系统损伤,是P_n下降的非气孔限制因素;郑单958的各生理参数比陕单902受旱影响小,干旱胁迫下仍具有较高的光合效率和较强的保护酶活性是郑单958抗旱的主要生理原因。     

Soybean leaf growth and gas exchange response to drought under carbon dioxide enrichment

This study was conducted to determine the response in leaf growth and gas exchange of soybean (Glycine max Merr.) to the combined effects of water deficits and carbon dioxide (CO₂) enrichment. Plants grown in pots were allowed to develop initially in a glasshouse under ambient CO₂ and well-watered conditions. Four-week old plants were transferred into two different glasshouses with either ambient (360 μmol mol^-1) or elevated (700 μmol mol^-1) CO₂. Following a 2-day acclimation period, the soil of the drought-stressed pots was allowed to dry slowly over a 2-week period. The stressed pots were watered daily so that the soil dried at an equivalent rate under the two CO₂ levels. Elevated [CO₂] decreased water loss rate and increased leaf area development and photosynthetic rate under both well-watered and drought-stressed conditions. There was, however, no significant effect of [CO₂] in the response relative to soil water content of normalized leaf gas exchange and leaf area. The drought response based on soil water content for transpiration, leaf area, and photosynthesis provide an effective method for describing the responses of soybean physiological processes to the available soil water, independent of [CO₂].     

施肥对干旱胁迫下夏玉米根系提水的调节作用研究

以耐旱性玉米品种'郑单958号'为材料,采用两室分根土培装置,通过时域反射计(TDR)对上下土层土壤含水量进行控制和观测,研究施肥对干旱胁迫条件下玉米根系提水作用的影响.结果表明,玉米根系在土层上干下湿条件下(即上下层土壤存在一定水势差时)存在明显提水作用;玉米根系提水量在整个生育期呈单峰变化,并以吐丝期最大;上层土壤施肥可以调节玉米根系提水作用强弱,整个生育期根系总提水量表现为NP配施>单施P>CK>单施N, NP配施处理全生育期单株提水量(1 948.6 g)分别是单施P处理、CK和单施N处理的1.5倍、3.1倍和3.5倍.玉米整个生育期根系总提水量与收获期不同层次根系干重和体积存在极显著正相关关系,也与其地上部分生物量和籽粒产量呈极显著或显著正相关关系.可见,玉米根系的提水作用强弱因生育期和施肥处理而变化,施肥主要通过影响根系生长来调节其提水作用;在一定水分环境条件下,玉米根系提水作用能促进作物生长,提高其籽粒产量.     

典型城区与郊区环境大叶黄杨气体交换及叶绿素荧光特性比较

采用Li-6400便携式光合作用测定系统对夏秋季典型城区与郊区环境下大叶黄杨的气体交换和叶绿素荧光特性进行了现场实验比较研究.研究显示,叶片净光合速率的大小由总光合速率(光合能力)和呼吸速率共同决定,城区环境温度较高、相对湿度较低、大气CO2浓度较高, 不同月份城区和郊区样点大叶黄杨的净光合速率差异显著性存在不同.城区环境下大叶黄杨的胞间CO2浓度、叶面水气压亏缺、蒸腾速率高于郊区环境.城区环境中温度、大气CO2浓度等的变化会影响叶片呼吸作用,造成呼吸速率升高或是降低,城区环境中污染物浓度变化也会损伤叶片光合结构从而导致总光合能力降低,这两者都会引起净光合速率的变化.通过大叶黄杨叶片叶绿素荧光指标的进一步对比分析发现,城区大叶黄杨叶片叶绿素总量、叶绿素a/b、Fv/Fm、Fv/Fo、qP、ΦPSⅡ、ETR降低,但qN升高.表明叶片叶绿体PSⅡ的功能受到负面影响.城区大叶黄杨叶片荧光参数的变化,从微观机制上表明城区环境中污染物浓度的上升导致叶绿素及叶绿体光合结构受损的确是叶片光合能力下降的主要原因之一.     

佛甲草(Sedum lineare)在干旱条件下的气体交换

在干旱条件下,测定了广州市1、4、5和年期屋顶绿化植物佛甲草叶片的气体交换参数、相对含水量(RWC)和比叶重(LMA),探讨了佛甲草在屋顶绿化中的生理生态适应性.结果表明不同生长期佛甲草叶片的RWC和LMA相对较低,分别在81.79%～87.58%和0.059～0.072 kg·m^-2之间,RWC和LMA在不同生长期的差异不显著(P>0.05).不同生长期佛甲草的气体交换参数CO₂同化速率(A)、气孔导度(g_s)和蒸腾速率(E)均呈现相似的日变化格型,A、g_s和E的日均值差异不显著(P>0.05).A、g_s和E之间的日变化呈明显的正相关关系(P<0.01).根据植物的RWC和气体交换参数的特征,推断佛甲草属兼性CAM植物,不同生长期佛甲草的主要生理生态指标相似.     

大田淹水对夏玉米叶片衰老特性的影响

选用登海605(DH605)和郑单958(ZD958)为试验材料,在大田条件下研究了不同淹水时期(三叶期、拔节期和开花后10 d)和持续时间(3 d、6 d)淹水对夏玉米叶片衰老特性的影响.研究表明: 淹水胁迫后超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)等保护酶活性以及可溶性蛋白含量较不淹水对照显著下降,而丙二醛(MDA)含量显著升高,三叶期淹水6 d后DH605和ZD958的含量较对照分别升高35.3%和34.1%.淹水胁迫后叶片叶绿素含量降低,产量显著下降.三叶期淹水6 d对夏玉米产量的影响最大,DH605和ZD958较对照分别减产32.1%和35.2%.不同生育期中,三叶期淹水造成的影响最大,拔节期次之,开花后10 d淹水造成的影响较小,且影响程度随淹水持续时间的延长而加剧.