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典型固沙植物冠层温度和气孔导度特征及其对土壤水分的响应

于明含  
【摘要】:植物冠层温度是植物的重要生理生态特征之一,可以有效反映植物对其生存环境的适应能力,是一种新兴的植物缺水状况的诊断指标。然而,沙区植物冠层温度的相关研究依然较为薄弱,且利用冠层温度指示植物缺水状况尚不能指导实践应用,故本研究以半干旱沙区典型固沙植物油蒿(Artemisia ordosica)、沙柳(Salix psammophila)、杨柴(Hedysarum mongolicum)、柠条(Caragana korshinskii)、银白杨(Populus alba)为研究对象,采用野外原位观测和控制实验相结合的研究方法,分析植物冠层温度和气孔导度特征,确定影响植物冠层温度和气孔导度的主要气象因子,研究冠层温度和气孔导度对干旱胁迫的响应规律,利用气孔导度与冠层温度、气孔导度与土壤水分的关系,将气孔导度作为中间参数构建基于植物冠层温度的植物水分亏缺诊断模型,主要研究结果及结论如下:(1)油蒿、沙柳、杨柴、银白杨四种植物的冠层温度和气孔导度在时间尺度上具有一致的规律,冠层温度和气孔导度的值均为先上升后下降,冠层温度在10:00-14:00到达最大值,气孔导度在8:00-10:00达到最大值;冠层温度和气孔导度具有明显的空间差异性,二者在冠层阴阳面的大小规律均为阳面大于阴面,在冠层的不同高度位置由大到小分别为上部中部下部;植物冠层温度和气孔导度具有极显著的种间差异性(P0.01)。(2)植物冠层温度和气孔导度受气象因子的显著影响。空气温度是影响冠层温度的主要因素,冠层温度随空气温度的上升呈现上升的趋势;其次是空气湿度,冠层温度随空气湿度的增大呈现下降的趋势。气孔导度随各种气象因子值的升高均呈现先增大后减小的规律,其中空气温度是影响气孔导度的主要因素。植物冠层温度和气孔导度还受植物自身特征的影响,植物冠层温度与叶片含水率呈现显著负相关关系(P0.05),气孔导度与叶片含水率呈现极显著正相关关系(P0.01)。(3)在干旱胁迫下,植物气孔导度随土壤水分的变化而表现出明显规律,水分充足的情况下,油蒿、柠条、沙柳三种植物最大气孔导度分别可达3.08 mmol m-2 s-1、 1.87 mmol m-2 s-1、1.92 mmol m-2s-1,随土壤含水率的降低,三种植物的气孔导度逐渐减小,当土壤含水率到达沙土田间持水量的20%以下时,三种植物的气孔导度值均下降并稳定到0.2 mmol m-2 s-1以下,故利用气孔导度可以直接对土壤水分状况进行判定。冠层温度并没有表现出随土壤含水率变化而变化的明显规律,这是由于冠层温度在干旱胁迫下仍然主要受气象因子的影响,所以无法利用冠层温度直接对土壤水分状况进行判定。(4)通过综合气象因子和冠层温度等数据,建立了基于冠层温度的两种植物水分亏缺诊断模型,即CWSI模型和Ig模型。利用气孔导度与冠层温度、气孔导度与土壤水分的关系,将气孔导度作为中间参数,构建了基于植物冠层温度的植物水分亏缺诊断模型,并划分了植物受干旱胁迫的程度及取值范围。最终建立的CWSI模型的取值范围为(0,1),模型指数值越大,干旱胁迫越严重;Ig模型的取值范围为(0,∞),模型指数值越小,干旱胁迫越严重。其中Ig模型的结果误差更小,且该模型中的参数测量方便、直观性强,更适合于野外监测应用。本研究深入探究了植物冠层温度和气孔导度的基本特征,并且较为全面、系统地揭示了干旱胁迫下植物的冠层温度和气孔导度的响应机制,提出一种科学有效、简单便捷的植物水分亏缺的诊断方法,为沙漠化防治工作中的植物监测提供科学依据。


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