摘要: 为高效、精准调控作物蒸腾耗水,本研究以西北旱区典型C3作物(大学豆和葡萄)和C4作物(玉米)为试验对象,采用田间试验和模型模拟相结合的方法,于2012～2015年在甘肃省武威市中国农业大学学农业部作物高效用水武威科学观测实验站开展了田间作物气孔-光合-蒸腾关系的试验和新型抗蒸腾剂FZ在大学豆上施用的效应试验。分析了不同环境条件下气孔在日尺度上的节律行为以及蒸腾速率、光合速率与气孔导度的关系,探讨了奢侈蒸腾的发生条件;建立了碳同化的边际水分消耗λ与土壤水分的关系,改进了水分亏缺条件下的气孔导度优化模型,评价了改进后的模型(OSRM)与其他气孔导度模型对大学豆、葡萄和玉米叶片气孔导度的模拟结果;推导出基于环境因子的最优气孔-光合-蒸腾耦合模型(OSRJ),量化了不同环境条件下奢侈蒸腾的可调控区间;并以指导生产实践为导向,探索了新型抗蒸腾剂在西北旱区典型作物大学豆上的调控效果。主要结果如下:(1)大学豆、葡萄和玉米叶片在不同水分和天气条件下气孔导度、光合速率和蒸腾速率的日变化规律基本相似。土壤水分较高时,气孔导度、光合速率和蒸腾速率的日变化同步,呈单峰曲线,峰值均出现在辐射最强的阶段;大学豆叶片在辐射稳定阶段会出现气孔振荡现象,振荡频率稳定在7～16min。土壤水分较低时,大学豆、玉米和葡萄叶片气孔导度、光合速率和蒸腾速率的日变化不同步,在辐射稳定阶段均未出现气孔振荡现象。(2)明确了奢侈蒸腾的存在条件。作物奢侈蒸腾的存在与土壤水分状况和光合有效辐射关系密切。只有土壤水分和环境光合有效辐射都比较高才会出现奢侈蒸腾。当土壤水分较高时,在典型晴天9:00～15:00作物叶片易出现奢侈蒸腾。(3)改进了基于气孔和光合线性关系的气孔导度优化模型OSR,提高了大学豆、葡萄和玉米全生育期叶气孔导度的估算精度。对于不同年份大学豆、葡萄和玉米叶气孔导度,改进后的OSRM1和OSRM2模型估算比较稳定,较之OSR模型、Jarvis模型和BBL模型估算精度平均分别提高了8%、37%和56%;在大学豆、葡萄和玉米叶气孔导度日变化的模拟上,无论是否水分亏缺,OSRM1和OSRM2模型估算精度最高。(4)建立了基于环境因子的最优气孔-光合-蒸腾耦合模型(OSRJ),量化了不同水分条件下大学豆和葡萄叶片气孔导度可调控区间。无论是大学豆还是葡萄,严重亏水时,叶片气孔导度在白天基本一直处于最优状态。中度亏水时,奢侈蒸腾一般出现在11:00-14:00。水分充足时,9:00-17:00出现奢侈蒸腾,如果用外源激素调控大学豆叶片气孔导度,使之在一天内平均降低23.4%,蒸腾速率会减小19.1%,光合速率降低0.9%,WUEi则提升41.5%。(5)评价了不同水分条件下喷施FZ的应用效果。常规灌溉条件下,结荚期喷施FZ分别提高超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性38%和33%,但对气孔开度、气孔频率气孔导度、蒸腾速率和光合速率没有显著影响;从结荚期到鼓粒期连续3次喷施FZ分别提高子粒产量和水分利用效率23%和22%。亏缺灌溉条件下,结荚期喷施FZ后7天内气孔导度和蒸腾速率显著降低,但是光合速率和瞬时水分利用效率未受显著影响;从结荚期到鼓粒期连续3次喷施FZ未显著影响大学豆最终生物量、耗水量、子粒产量和WUE。
关键词: 奢侈蒸腾;最优气孔导度;耦合模型;抗蒸腾剂
