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土壤水分与遮阴对作物水分利用的影响机理与效应研究

刘贤赵  
【摘要】: 设施农业的快速发展,为解决我国人增地减、水土资源短缺,实现传统农业向现代农业转化起到了示范性作用,具有广阔的应用和发展前景。设施农业的发展涉及作物栽培、农业工程、生物技术和信息技术等多个学科。然而推动设施农业的迅速发展,离不开相关科学理论的指导。由于设施农业是一个半封闭系统,存在“温室效应”,特别是夏季晴天中午,强烈的太阳辐射导致室内最高气温可超过40℃,严重影响作物的正常生长。寻求适当的遮阴措施,避免强光和高温对作物的光伤害,是一个值得深入探讨和解决的实际问题。因此,研究设施农业中遮阴对作物光合蒸腾作用、干物质积累和产量构成以及营养状况的影响,探讨遮阴对作物水分利用影响的机理与效应以及遮阴条件下环境因子和水分利用效率(WUE)之间的关系,对于采取适当的农艺措施,优化环境参数,改善作物生长的小气候,提高作物产量和水分利用效率具有重要的科学意义。基于上述研究背景,本项研究主要针对设施农业中夏季遮阴这一措施,采用人工控水盆栽、PVC土柱试验与精细测定和理论分析、模拟研究相结合的方法探讨和分析遮阴对作物光合、蒸腾,干物质产量和营养状况以及水分利用效率的影响,得到以下主要结论: 1.分析了三种遮阴水平(0%遮阴,CK;40%遮阴,SN;75%遮阴,DN)和高、中、低三种水分组合对棉花蕾期至花期中午冠层小气候、气孔导度、净光合速率、蒸腾速率和叶水势等的影响。发现遮阴使冠层顶净辐射减少,白天叶温降低,叶-气温差和水汽压差减小。高、中水分条件下,中午DN处理的光照叶片气孔导度比对照分别增加28.02%和31.00%,但净光合速率分别减少44.19%和19.42%;SN的气孔导度分别增加19.12%和25.44%,而且SN的净光合速率也分别增加20.93%和33.98%。低水分下,三者的气孔导度没有明显差别,但遮阴使DN和SN的净光合速率比对照分别减少18.82%和9.48%。相同水分条件下,DN和SN的气孔导度差异较小,但二者的净光合速率差异显著(低水分除外)。回归分析显示,中午气孔导度随水汽压差的增加而下降,除高、中水分条件下CK、SN的气孔导度对净光合速率具有显著影响外,其它组合下气孔导度对净光合速率影响不明显。遮阴对中午叶水势的影响很小,但使高、中水分下的蒸腾速率和胞间CO2浓度(Ci)显著增加。 2.比较系统地探讨了遮阴条件下作物蒸腾量的计算方法,并对遮阴条件下棉花冠层净辐射的变化规律和蒸腾量增加的机理进行了分析。以彭曼-蒙特斯方程为基础,通过引入临界阻力,根据盆栽棉花的实测资料建立求解冠层阻力的线性函数关系式,得到一个只需气象参数就能计算遮阴条WP=8件下作物蒸腾量的简易模式。模拟结果表明该方法具有一定的精度,模拟值与实测值的最大绝对误差为0.0565mm/h,最大相对误差为26.62%,表明使用本模型和方法计算遮阴条件下的蒸腾量是可行的。遮阴使作物冠层水平上的能量分配发生了明显的变化,遮阴冠层接收的辐射能和对照冠层接收的辐射能之比与它们相应的气温比成对数递减关系。能量的重新分配有利于作物生理机制向良性方向自行调节,从而使作物蒸腾量增加。在保证充足供水并提高作物净光合速率的前提下,遮阴使水分的消耗变成了有效的作物蒸腾,有利于干物质的形成和产量提高。值得指出的是:本研究在计算冠层阻力时,使用的系数a、b是在一定地区、特定作物和不同处理下获得的,对于不同地区和作物条件需采用不同的参数,而且在求解冠层阻力时,忽略了午间遮阴条件下因蒸腾速率增加引起降低的叶温对气孔行为的影响,使DN处理下模拟的蒸腾量偏低,降低了模型的模拟性能,从而使本项研究仅停留在方法性探讨上。但可以肯定,本文所提出的模型和方法可以用于计算遮阴条件下棉花的蒸腾量。 3.从作物冠层净同化速率入手,通过引入对CO2浓度、空气湿度、光照强度和土壤含水量反映较敏感的光能利用系数,建立了考虑水分胁迫和光照条件对作物干物质积累与产量影响的数学模型。模型中考虑了水分胁迫与光照条件对冠层阻力变化影响的设定,将反映作物冠层水分状况的功能叶水势()作为参数纳入本模型。通过对土壤相对含水量、气温、水汽压差的多元回归估算出,并将空气动力学阻力()简化为风速(u)的函数。盆栽试验初步验证和敏感性分析表明,该模型基本上可以反映土壤水分与光照因子的交互作用,又能区分单一因子对作物生长和产量形成的影响,具有一定的适用性,平均模拟精度达90%以上。要指出的是:模型验证是以盆栽试验资料为基础进行的,与田间实际情况具有相当大的差别。因此,在应用过程中,如何考虑盆的边界效应,合理地由盆过度到大田,值得进一步研究和探讨。尽管如此,但本项研究在理论上和方法上对此问题进行了有益的探索,因而具有一定的实际意义。 4.在充分供水-水分胁迫-复水的处理过程中,短期遮阴使棉花蕾期至花期的净光合速率、蒸腾速率降低,气孔导度减少,但其减少速率滞后于净光合速率,从而导致水分利用效率(WUE)下降。恢复光照后(或遮阳网去掉后),叶片气孔开放速率和光合恢复被延迟。水分胁迫显著降低短期遮阴条件下的净光合速率,使光合和气孔响应受到严重限制,这种限制随遮阴程度增加而增


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