土壤水分与遮阴对作物水分利用的影响机理与效应研究

ISWC OpenIR > 水保所知识产出(1956---)

	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
学位类型	博士
导师	康绍中
	2001
学位授予单位	中国科学院、水利部水土保持研究所
学位授予地点	陕西
学位专业	土壤学
其他摘要	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幅射减少，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(C_i)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幅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的棉花的蒸腾量。 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…… 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大，即75%遮阴受到的影响大于遮阴40%的处理。复水后，水分胁迫带来的残留影响依然存在，结果使光照-遮阴-光照期间总的WUE在整个变水处理过程中最低，遮阴75%的WUE尤为明显。短期遮阴条件下，水分利用效率与净光合速率回归直线的斜率随水分胁迫而增大。 5. 研究了西红柿不同生长阶段(始花期，FF；盛花期，PF；花后期，LF)夏季晴天午间遮阴对光合作用、干物质分配、叶片营养状况以及经济产量的影响。发现在3个阶段，遮阴使气孔导度(G_S)和胞间CO₂浓度(C_i)增加，40%遮阴的G_S增加最显著，75%遮阴的C_i最高。遮阴显著降低FF期中午的净光合速率，其降低程度与遮阴水平成比例；在PF期，随着遮阴时间的增加，净光合速率逐渐上升，并在遮阴后的第6d和第8d，40%遮阴的净光合速率比对照分别增加6.7%和43.4%；在LF期，8d的40%遮阴使净光合速率平均比对照增加21.96%。遮阴对干物质分配的影响表现为：在FF和PF期，遮阴显著降低根、茎干重，但40%遮阴的茎干重减小较少；在LF期，40%遮阴的根、茎干重显著增加，分别比对照增加43.22%和21.63%，而75%遮阴对茎、根干重影响较小；遮阴对叶干重的影响不明显。遮阴不影响FF和PF期叶片全N、P、K的含量；但使LF期40%遮阴的N、P、K含量明显增加，在遮阴的8d里，平均比对照分别增加20.46%、60.34%和34.71%。遮阴对西红柿产量的影响表现为：在FF期，遮阴不明显影响果实产量和单果重，但使PF期75%遮阴的总产量和有效产量显著下降，无效产量与有效产量比值上升。在LF期，40%遮阴的总产量和有效产量最高，分别比对照增加10.79%和17.72%，无效产量与有效产量比值最低；单果重分别比对照和75%遮阴增加34.50%和40.81%。上述结果表明，在西红柿生长的LF期，午间适当遮阴有利于提高光合作用，增加叶N、P、K营养含量和干物质及经济产量。 6. 探讨中等供水条件下，3种遮阴水平下盆栽棉花的水分利用效率(WUE)与环境因子的关系。通过逐个分析各个参数变化对WUE的影响，表明各环境因子以综合复杂的方式影响水分利用效率，其中气孔阻力和水汽压差随环境因子变化最为重要。进一步的分析表明，夏季睛天午间(12：00-15：00)强光高温迭加形成的高蒸发力，引起气孔阻力上升和水汽压梯度增大，遮阴处理的气孔阻力和水汽压差明显小于对照。气孔阻力的增加有利于提高WUE，但水汽压梯度的增大又使WUE降低。由于各个环境因子日变化的非对称性(太阳辐射除外)和两种机制相互较量，导致3种遮阴水平下WUE的日变化呈浅“L”型，WUE上午高于下午，并在12：00-15：00，40%遮阴的WUE平均对照增加22.90%，而75%遮阴的WUE比对照显著减少28.12%。表明在夏季晴天午间中等供水条件下适当遮阴可以提高作物WUE。尽管在1d中40%遮阴总的WUE增加不明显，但它打破了作物的“午休”现象，在增加蒸腾作用的同时显著提高了净光合速率，明显提高了“午睡”期间的WUE，有利于干物质生产和增加产量，因而在设施栽培中具有重要的现实意义。
文献类型	学位论文
条目标识符	sbir.nwafu.edu.cn/handle/361005/4015
专题	水保所知识产出(1956---)
推荐引用方式 GB/T 7714	刘贤赵. 土壤水分与遮阴对作物水分利用的影响机理与效应研究[D]. 陕西. 中国科学院、水利部水土保持研究所,2001.