鄱阳湖典型洲滩湿地植物水碳稳定同位素与内在水分利用效率变化特征

在极端水文事件频发和人类活动影响加剧的背景下,鄱阳湖水文情势的异常变动给洲滩湿地植物带来了一系列影响。为进一步了解鄱阳湖湿地植物水分利用来源和内在水分利用效率(iWUE)的季节变化规律,揭示优势植物在生长过程中对不同水分变化的适应策略,于2020年12月-2021年5月在鄱阳湖国家级自然保护区蚌湖和修河之间的典型洲滩湿地上设置监测断面,对灰化苔草(Carex cinerascens)、南荻(Triarrhena lutarioriparia)植物样品及其潜在水源样品进行系统采集,测定并分析了水、碳稳定同位素的动态变化特征和指示意义。结果表明,典型洲滩湿地苔草和南荻植物茎水的氢、氧稳定同位素组成没有表现出明显差异,从冬季至春季,植物茎水的δ^(18)O值总体上均呈现波动富集的变化趋势。苔草在春季生长期iWUE没有表现出明显变化,而南荻在萌发时期iWUE最低,之后的生长期iWUE具有显著的增长趋势。在各潜在水源当中,植物茎水的同位素组成与土层中的重力水最为相近,其次为与根系分布联系密切的土壤水。在春季降水频繁时,来源于降水且埋深较浅的重力水可能是植物利用的主要水源,而在枯水期重力水埋深较深时,植物采取降水和土壤水的混合利用模式应对水分胁迫。植物叶片有机质的δ^(18)O值分析发现,苔草在萌发生长期i WUE的变化与光合作用能力相关的因素有关,南荻iWUE的变化主要受气孔导度变化的影响。

基于δ^(13)C估算水分利用效率的2种模型比较——以峨眉山雷洞坪植物为例

【目的】通过对基于碳稳定同位素值(δ^(13)C)估算水分利用效率(iWUE)的2种模型(是否考虑叶肉导度,gm)之间差异的研究,有助于进一步理解gm对植物iWUE的影响。【方法】选择峨眉山雷洞坪针阔混交林中不同生长型植物,采集了48个物种的117个叶片样品,通过测定其叶片δ^(13)C,对比了早期估算iWUE模型(iWUEsim模型,将gm看作无穷大)与包含gm效应的iWUE模型(iWUEmes模型)之间的iWUE差异(iWUE_(difference)),以及这种差异随植物生长型变化的趋势。【结果】结果显示,iWUEsim的平均值(42.23±1.33μmol·mol^(-1))显著高于iWUEmes的平均值(28.10±0.65μmol·mol^(-1)),高估比例为3.64%~72.11%(平均49.58%±1.30%)。不同生长型植物的iWUEsim均显著大于iWUEmes,其中草本植物高估比例3.64%~48.00%(平均29.20%±5.16%),灌木高估比例13.68%~67.73%(平均48.44%±1.83%),乔木高估比例32.04%~72.11%(平均54.08%±1.47%)。此外,叶片功能性状对iWUE_(difference)有显著影响,相比于叶片厚度、叶片干物质含量和单位质量叶片氮含量,单位面积叶片氮含量和比叶重是影响iWUE_(difference)变化的主要因素。【结论】将gm看作无穷大会造成对基于δ^(13)C估算的iWUE的高估,未来估算植物iWUE时应考虑gm的影响。

不同覆膜方式对玉米叶片光合、蒸腾及水分利用效率的影响

为进一步明确干旱半干旱地区全膜双垄沟播玉米栽培技术的增产机理,2009年采用田间试验,研究了5种覆膜方式对玉米光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、叶片水分利用效率(LWUE)及籽粒产量的影响。结果表明,不同覆膜方式下玉米Pn和Tr均呈"单峰"曲线的变化趋势,峰值出现在大喇叭口期。其中,全膜双垄沟播(QS)处理的Pn、Gs、LWUE和籽粒产量均高于全膜垄作沟播(QL)、半膜双垄沟播(BS)、半膜平铺穴播(BP)、露地穴播(CK)。Gs与Pn、Tr极显著相关,Pn与Tr显著相关。籽粒产量与Pn、Gs、苗期至大喇叭口期的LWUE、大喇叭口期至乳熟期的Tr呈极显著正相关。与QL、BS、BP和CK相比,QS处理的籽粒产量分别增加24.17%,27.15%,44.52%和69.14%(P<0.05),是目前我国陇东地区玉米的最佳覆膜方式。

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。

高丹草水分利用效率与叶片生理特性的关系

在不同土壤供水条件下,研究了高丹草水分利用效率(WUE)与叶片光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、叶温(Tl)、叶片相对含水量(RWC)的关系。结果表明,WUE随RWC、Pn呈二次曲线变化,Pn在27μmol CO2m-2s-1时,WUE值最大(8.7μmol CO2mmol-1H2O);Tr在3.5-4 mmol H2O m-2s-1时WUE达最大值(8.4μmol CO2mmol-1H2O);Pn与Tr的非线性关系可以用抛物线方程表述,其中Pn最高时的Tr为临界值,超出该值即为奢侈蒸腾。Gs在0.4 mol H2O m-2s-1时,WUE达到峰值8.39μmol CO2mmol-1H2O。实施提高气孔阻力并抑制蒸腾的措施,既节约水分,又促进光合作用,增加产量。Pn和Tr随温度的增加而增加,在35-36℃时Pn达最高值,表明在一定温度范围内,温度升高对提高WUE有利。WUE随RWC的升高而上升,RWC在84%-86%时WUE最大。适量增施氮肥,可提高Pn和Gs,进而提高WUE。

不同覆盖对夏玉米叶片光合和水分利用效率日变化的影响

在中国气象局农业气象试验基地,对留残茬和秸秆覆盖措施下夏玉米叶片光合作用和叶片水平上的水分利用效率进行了试验研究,以探索夏玉米在这两种方式下的节水抗旱高产的生理生态机制。试验结果表明:光合速率日变化差异主要表现在上午;下午虽不甚明显,但也是覆盖和残茬两个处理略高于对照,说明2种土表覆盖方式促进了该时段光合速率的提高。留残茬和覆盖能明显提高夏玉米叶片水平上的水分利用效率,尤其在下午表现更为明显,最终提高产量水平上的水分利用效率,使农田的光、温和水资源得以科学有效地利用。

小麦叶片蜡质含量与水分利用效率和产量的关系

为了进一步了解植物叶片蜡质含量与植物抗旱节水性的关系,本试验对6个小麦品种在灌浆后期的旗叶蜡质含量与抗旱生理指标进行了相关分析,结果表明,干旱条件下小麦灌浆后期叶片蜡质含量与光合速率、叶温、叶片水分利用效率和产量呈显著正相关。蜡质含量高的品种叶片温度高、蒸腾速率大,这与传统观点不同。分析认为蜡质含量高的品种在干旱胁迫条件下可能叶片细胞膜稳定性强,气孔不容易发生关闭,因此其叶片水分利用效率和产量较高。蜡质含量除了受遗传因素决定外,还受环境因素影响。

水分胁迫下美洲黑杨不同无性系间叶片δ^(13)C和水分利用效率的研究

通过温室中控制浇水量的方法 ,对 12个美洲黑杨无性系间总生物量、长期水分利用效率 (WUEL)的差异 ,及WUEL 差异与叶片稳定碳同位素组成 (δ1 3C)的相关性进行研究。结果表明 :水分胁迫下各无性系的总生物量均显著下降 ,而δ1 3C明显上升 ;同等水分处理下 ,无性系间总生物量、WUEL 差异显著 ,J2 、J6 、J7、J8、J9是生物量大、WUEL 高的优良无性系 ;δ1 3C的差异在水分处理间达到极显著水平 ,在无性系间也达到显著水平 ,均方的比较结果显示水分是引起δ1 3C差异的主要因素 ;同等水分处理下δ1 3C和WUEL 正相关 ,各水分处理下二者的相关系数都在0 70以上 ;同等水分处理下 ,δ1 3C是间接评估无性系间WUEL 差异的可靠指标。

土壤含水量与苹果叶片水分利用效率的关系

以盆栽苹果幼树为试材研究了土壤相对含水量与叶片水分利用效率 (WUE)的关系 ,探讨了引起WUE变化的原因 ,结果表明 ,土壤相对含水量 (SWC) 5 2 .0 %时WUE最高 .SWC从 77.2 %降至 5 2 .0 %时 ,气孔导度下降 ,并使蒸腾速率 (Tr)的下降幅度大于净光合速率 (Pn)的降幅而导致WUE升高 ;SWC从 5 2 .0 %降至 2 0 .1%时 ,WUE降低的根本原因在于羧化效率下降使Pn大为降低 .干旱复水后WUE回升 ,但至复水第 7天仍低于对照 .土壤渍水当天WUE下降 ,第 3天回升至对照水平 ,之后随渍水期延长WUE逐渐降低 ,淹水第 6天羧化效率开始下降 .

灌溉频率对冬小麦产量及叶片水分利用效率的影响

为了探讨中国北方冬小麦高效节水灌溉模式,采用了3种灌溉处理:在拔节期一次灌溉120mm,在拔节期和抽穗期各灌溉60mm及在拔节期、抽穗期和灌浆期各灌溉40mm,研究了在总灌溉量为120mm的情况下,灌溉频率对冬小麦产量及叶片水分利用效率的影响。结果表明,在冬小麦的拔节期和抽穗期各灌溉60mm,显著提高乳熟期和蜡熟期旗叶的净光合速率和蒸腾速率;在拔节期和抽穗期各灌溉60mm,显著提高了乳熟期和蜡熟期旗叶的水分利用效率。结果表明,以拔节期和抽穗期各灌溉60mm处理的籽粒产量最高,增产的原因在于穗数的显著增加。综合考虑冬小麦的产量和水分利用效率,在总灌溉量为120mm的情况下,以拔节期和抽穗期各灌溉60mm为宜。

荒漠植物叶片碳同位素组成及其水分利用效率

水分通常是影响荒漠植物生长的主要限制因子 ,然而当前很少有关于荒漠群落中植物水分利用效率的报道。作为指示水分利用效率的可靠指标 ,叶片稳定碳同位素组成 (δ13 C值 )可以用来探讨植物适应干旱环境的强弱程度。对阜康和金塔同种或同属的植物叶片δ13 C的测量结果表明 ,干旱可使植物叶片δ13 C升高 :年降水量每增加 1mm ,叶片δ13 C则降低 0 0 1‰～ 0 0 15‰。阜康荒漠灌木叶片δ13 C值明显高于草本 ,这样的趋势也存在于甘肃金塔主要荒漠植物中 ,与前人的报道也基本一致。说明灌木可能更适应干旱胁迫 ,并且这种现象可能是全球荒漠生态系统的一种共性。对阜康四种荒漠代表植物红砂、梭梭、补血草和骆驼刺的SOD活性的测定结果间接地支持了这一结果。进一步的分析表明 ,藜科、豆科和某些禾本科植物适应干旱环境的能力相对较强。

棉花叶片水分利用效率及其影响因素的研究

在北疆棉区田间自然条件下对棉叶水分利用效率（ＷＵＥ）及其影响因素的研究表明，（１）棉叶ＷＵＥ日变化呈多峰型，最低谷出现在午后光合午休及蒸腾作用最旺盛的１５－１７时。（２）棉花生育后期，叶片ＷＵＥ随主茎叶片自上而下降低，但上部叶片变幅较小，同时随生育时期推延、叶片衰老而降低。（３）高产棉田ＷＵＥ比普通棉田高。（４）由于基因型间叶片ＷＵＥ存在显著的差异以及ＷＵＥ与光合速率的关系比与蒸腾速率更密切，因此，通过育种途径或栽培措施增加棉叶光合速率是提高ＷＵＥ的关键。

叶片δ^(13)C与长期水分利用效率的关系

该文测定并研究了不同水分处理下,不同黑杨无性系的长期水分利用效率(WUEL)、叶片δ^(13)C、光合作用、气孔及其相互关系.结果显示无性系间WUEL、δ^(13)C、光合作用、气孔都存在差异.4个水分处理下J2、J6、J7、J8、J9都是WUEL较优的无性系,同时它们的δ^(13)C高、净光合速率Pn和瞬时水分利用效率WUEi较高、气孔频度和气孔大小适中、上/下表皮气孔数目比大.气孔的差异是导致无性系间Pn和WUEi差异,并最终导致WUEL、δ^(13)C差异的关键因子.δ^(13)C和WUEL呈正相关,充分供水条件下相关性最好.

黄土丘陵区不同土壤水分下核桃叶片水分利用效率的光响应

为给黄土丘陵区建立节水高效的核桃栽培模式提供科学依据 ,应用英国PPS公司生产的CIRAS 2型光合作用系统 ,在半干旱黄土丘陵沟壑区 ,测定了 3年生核桃树在不同土壤水分条件下 ,叶片气体交换参数的光响应特性。结果表明 :核桃光合速率、蒸腾速率、叶片水分利用效率 ,对土壤水分和光合有效辐射强度的变化具有明显的阈值响应。依据叶片水分利用率、光合速率和蒸腾速率与土壤水分的定量关系 ,核桃具有最高光合速率和叶片水分利用率的土壤体积含水量 ,大约在 18 6 % (相对含水量为 6 0 4 % )左右 ;维持核桃正常光合作用和较高叶片水分利用率的土壤体积含水量 ,大约在 12 5 % (相对含水量为 4 0 6 % )左右。即核桃土壤水分管理适宜的土壤体积含水量范围在 12 5 %～ 18 6 % (相对含水量为 4 0 6 %～ 6 0 4 % )之间 ,超出此范围时 ,核桃的光合速率与叶片水分利用率都会明显下降。依据叶片水分利用率、光合速率和蒸腾速率与光合有效辐射强度的定量关系 ,在适宜的土壤体积含水量范围内 ,维持核桃具有较高光合有效辐射和叶片水分利用率的适宜光合有效辐射强度范围 ,在 5 0 0～ 10 0 0μmol/ (m2 ·s)之间 ,光合有效辐射强度过高或过低 ,都会导致叶片水分利用率的明显降低。核桃并非是抗干旱能力和耐强光胁迫?

不同土壤水分冬小麦根、冠关系及其对叶片水分利用效率的影响

试验研究不同土壤水分冬小麦根、冠关系及其对叶片水分利用效率的影响结果表明,水分条件对根系与叶冠间干物质分配模式影响较小,而对根系功能与叶冠结构建成之间关系影响较大,水分胁迫抑制植株结构的建成,随作物由营养生长向生殖生长的过渡其根系功能发挥与叶冠结构建成之间矛盾愈加明显,拔节期复水有利于植株根系功能的增强和叶冠结构的改善。根冠比与叶片水分利用效率关系呈单峰倒“V”型曲线,水分多少可影响曲线的斜率和高低。根量达最大值前沿根冠比降低的方向,叶片水分利用效率增加;当根量达最大值时叶片水分利用效率也达最大值,此时根冠比为0 .1～0 .2。而抽穗期后沿根冠比降低的方向,其叶片水分利用效率也降低。

不同保护性耕作方式对冬小麦叶片水平水分利用效率的影响

比较河西灌区传统耕作方式和4种保护性耕作方式对冬小麦抽穗期旗叶叶片水平水分利用效率以及与之相关生理生态因子的影响，探索高产节水、保护耕地的冬小麦栽培措施。结果表明：秸秆翻压（TIS）、免耕（NT）和免耕覆盖（NTS）的耕作方式使冬小麦的叶片水分利用效率（WUEI）日变幅缩小，而免耕立茬耕作方式（NTSS）使冬小麦WUE1日变幅加大；NT、NTS和TIS的日光合量均明显高于传统耕作，但由于它们的日蒸腾量也明显高于传统耕作（T），使得这三种耕作方式的日累积水分利用效率和日平均水分利用效率都低于T。NTSS和T耕作方式的叶片水平水分利用效率在11：00～13：00的高峰区有可能就是Pn和Ti达到优化组合的一种状态。免耕覆盖可以减少棵间蒸发，缓慢释放CO2，使植株间的CO2浓度升高，从而提高作物的水分利用效率；RHin是冬小麦水分利用效率（WUE）变化的一个重要值，在生产实践中采用各种提高RHin的生产措施，都能有效地提高作物叶片水平WUE。

控制灌溉水稻叶片水分利用效率影响因素分析

为了揭示节水灌溉水稻叶片水分利用效率的影响因素及水分高效利用机制,设置控制灌溉(控灌)和淹水灌溉(淹灌)2种灌溉方式开展田间试验,研究节水灌溉水稻叶片水分利用效率与气孔调节以及相关环境因素的关系,建立叶片水分利用效率的回归方程,并对影响因素进行通径分析。结果表明,水稻叶片蒸腾速率(Tr)、光合速率(Pn)和叶片水分利用效率(LWUE)与气孔导度(Gs)呈良好的二次曲线关系,控灌水稻通过较低的气孔开度便可获得较优的叶片水分利用效率。叶片水分利用效率(LWUE)与空气温度(Ta)、叶片温度(Tl)、叶气温差(ΔT)、空气CO2浓度(Ca)和光合有效辐射量(Par)等环境因素呈二次曲线关系,与胞间CO2浓度(Ci)呈负相关关系,与土壤含水率(θ)呈正相关关系,与相对湿度(Rh)呈指数关系。由Ta、Tl、ΔT组成的"温度因子"对水稻叶片水分利用效率的贡献率达39.19%,而由Ca和Ci组成的"CO2浓度因子"的贡献率为22.94%,由Rh和θ组成的"水分因子"的贡献率为17.81%,由Par组成的"光照因子"贡献率为9.01%。在此基础上,建立了叶片水分利用效率回归方程,并对各影响因素进行通径分析,对于控制灌溉稻田来说,影响叶片水分利用效率的主要因素不是光合有效辐射量、气孔导度和土壤含水率等,而是胞间CO2浓度、叶片温度和相对湿度等因素。

ALA对冬小麦叶片气体交换和水分利用效率的影响

以冬小麦＂百农矮抗58＂为材料,研究了在始穗期喷施不同浓度（10、30、50 mg/L）的5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid,ALA）对冬小麦叶片气体交换和水分利用效率的影响。结果表明,105~0 mg/L ALA处理的叶片气孔导度高于不喷施的对照,但在开花期和乳熟期对气孔导度的促进作用大于腊熟期 叶片净光合速率也明显高于对照。在开花期和乳熟期,ALA提高叶片的净光合速率主要是由于减少了光合的气孔限制 而在腊熟期则主要是由于减少了光合的非气孔限制。在开花期和乳熟期,105~0 mg/L ALA处理的叶片水分利用效率与对照没有显著性差异,但在腊熟期,叶片水分利用效率较对照有显著性提高。与对照相比,105~0 mg/L ALA处理冬小麦的穗粒数、千粒重和产量显著增加,其中以30 mg/L ALA处理增产效果最大。

玉米自交系叶片水分利用效率差异性及其生理变化

为选育抗旱性强、耗水少、水分利用效率高的品种。以22个玉米自交系为材料,采取正常灌溉和适度水分胁迫处理,对自交系叶片水分利用效率(WUE)、光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、相对叶绿素值(SPAD)和荧光动力学参数进行研究。结果表明,不同自交系WUE差异显著,而且对水分的敏感程度也存在显著差异;适度水分胁迫使Gs、Pn、Tr都有所下降,但各材料的下降幅度不同,其中Tr的下降幅度要大于Pn下降的幅度,使得WUE比正常灌水处理下有所升高;自交系WUE与Pn、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、PSⅡ原初光能转换效率(Fv/Fm)及PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)达到显著相关。

旱作春玉米冠层及叶片瞬态气体交换及水分利用效率日变化特征

旱作作物不同尺度瞬态气体交换和水分利用效率同步观测的研究，对于节水高效农业理论研究和生产实践均具有及其重要的意义。该文采用涡度相关技术和LI—COR6400便携式光合作用测定仪测定旱作春玉米灌浆期冠层、叶片瞬时CO2和H2O汽交换速率，并分析其瞬态水分利用效率日变化特征。结果表明，旱作春玉米灌浆期0～100cm根层土壤相对湿度为40％时，日变化过程中晴日中上部位叶片的光合速率高峰值为1．3mg·m^-2·s^-1（29．82μmol·m^-2·s^-1），与同纬度地区灌溉玉米的光合速率高峰值相近；而群体下光合速率高峰值为0．9mg·m^-2·s^-1（20．65μmol·m^-2·s^-1），只及同纬度地区灌溉玉米灌浆期光合速率高峰值的54．5％；群体和叶片水分利用效率高峰值分别为0．16g（CO2）／g（H2O）和0．06g（CO2）／g（H2O），正午前后分别维持在0．0055-0．0123g（CO2）／g（H2O）和0．0113～0．0197g（CO2）／g（H2O），叶片尺度的光合速率和水分利用效率在10：00以后的时段内明显高于群体水平。