分根区交替灌溉制种玉米节水机理及其气孔导管模型研究

【摘要】：我国西北干旱荒漠绿洲区水资源极度紧缺，灌溉农业用水量占总用水量的比例较高。研究作物节水高效利用技术，对于促进该地区的水资源持续高效利用，实现生态系统良性循环以及经济社会的可持续发展具有重要的意义。本论文以该地区蓬勃发展的制种玉米为研究对象，通过室内盆栽试验、室外盆栽试验与田间小区试验相结合的方式，应用HPFM根系导水率仪器、ANCA-SL元素分析仪等先进仪器，获取了制种玉米的生理生态、气象因素、土壤状况等指标，并对分根区交替灌溉（Alternate Partial RootzoneIrrigation, APRI）灌溉方式下气孔导度模型进行了初步探索，取得如下主要研究成果： （1）探讨了相同灌水量，制种玉米在APRI灌溉方式下，能够比DI显著提高潜在水分利用效率（Intrinsic Water Use Efficiency, WUEi）的机理。通过两种灌溉方式，即APRI和常规亏缺灌溉（Deficit Irrigation, DI）在三种不同的氮素水平（75，150和300mgN Kg-1土壤）的试验表明，APRI处理下叶片中的碳同位素分辨率（Isotope discrimination,Δ~(13)C）和维管束鞘细胞的泄漏率（Φ）均显著低于DI处理，然而胞间CO_2浓度与大气中CO_2浓度的比值（Ci/Ca）并没有受到氮素水平和灌溉方式的影响。APRI处理下制种玉米叶片的羧化效率（Carboxylation Efficiency, CE）以及在CO_2饱和状态下的光合速率（Asat）显著高于DI。在APRI处理中，其羧化效率（CE）以及Asat的显著提高与Φ的显著降低有关。 （2）研究了不同氮素水平，APRI、DI以及常规充分灌溉（Full Irrigation, FI）条件下木质部汁液中的pH值、ABA浓度、阴、阳离子浓度的相互作用，以及其对气孔导度的影响。当木质部汁液中的NO—3浓度从亏缺（N1水平）到最优（N2水平），以致到奢侈状态（N3水平）时，木质部中的pH值表现为先下降后上升的趋势；与木质部汁液中的pH值相似，其ABA浓度也表现为在N2水平下最小，N1和N3水平下较大。在N3水平下，DI和APRI均显著低于其在N1和N2水平的气孔导度，然而FI在三种氮素水平（N1，N2，N3水平）均无显著差别，这表明木质部汁液中的pH、ABA浓度以及各种无机离子浓度相互作用共同调控着气孔的开闭。同时还发现，木质部汁液中的Ca2+浓度与气孔导度显著线性负相关，这表明可能Ca2+也是一种调控气孔开闭的根冠信号。 （3）初步揭示了APRI灌溉方式下制种玉米提高氮素吸收能力的原因。APRI促进制种玉米根系对氮素吸收的主要原因可以总结为两点：①APRI促进了根系的生长，增大了根系表面积和根冠比，提高了根系导水率。通过2009年的试验可知，APRI相对于DI，根系导水率（Root hydraulic conductivity, KR）提高了30%。2010年的盆栽试验以及2009年的大田试验表明APRI提高了根系表面积和根冠比；②APRI有利于土壤中有机氮素的矿化，提高了土壤中的可利用的氮素量。植株和叶片中的δ15N的含量，可以作为土壤中有机氮的矿化程度的指标。APRI和FI的叶片氮素累积量显著大于DI处理，其δ15N也显著高于DI处理。 （4）揭示了制种玉米叶绿素含量指标（CCI）与叶片的氮素浓度以及光合能力均显著线性相关。随着CCI和叶片氮素浓度的增加，最大相对气孔导度（gmax Rel）显著增加。同时试验数据还表明，随着叶-气温差（T_l-T_a）的增大，gmax Rel逐渐缩小，当T_l-T_a为4.5℃时，气孔几乎完全关闭，然而在T_l-T_a为-2℃，其能够达到该生育期内最大的气孔导度。经过回归分析可知，T_l-T_a与太阳辐射强度（Q）存在着正相关，而与空气饱和水汽压差（VPDair）和土壤水势（Ψs）存在负相关。 （5）通过在Jarvis模型中增加与制种玉米生理状态相关的叶绿素指标（CCI）参数以及代表不同灌溉方式的土壤水势参数，可以使APRI条件下的气孔导度模_ 拟效果更加精确。模拟值和实测值的比较表_明，改进的气孔导度模型的平均预测值（P）比Jarvis初始模型更接近实测平均值（Q），其修正效率系数（E1），修正一致性指标（d1）相对于初始模型分别提高了30%和6%。通过在Jarvis模型中增加表示水力信号和非水力信号的平均土水势以及CCI参数，可以增加气孔导度的模拟精度。