温室切花菊叶片气孔导度、光合速率及冠层蒸腾对水分胁迫的响应与模拟研究

摘要

水分胁迫是作物产量和品质的重要限制因子之一。水分通过调节气孔导度而影响蒸腾作用和光合作用，从而影响作物生长与产量和品质。因此，定量研究不同水分条件对作物叶片气孔导度、光合作用速率以及冠层蒸腾速率的影响，可以为作物水分的精确与优化管理提供理论依据。为此，本研究以秋菊品种‘神马’(Chrysanthemummorifolium‘Jinba’)为试验材料，于2006年8月-2008年7月在北京(39°39'N，116°37'E)日光温室内进行了不同定植期和不同土壤水势处理的栽培试验。利用试验资料测试和评价了Jarvis模型和BWB模型，并确定了可靠而适用的估算温室切花菊叶片气孔导度的模型为BWB2模型；进一步将BWB2模型和叶面积指数模型与Penman-Monteith方程相结合，预测不同水分条件下温室切花菊的冠层蒸腾速率。结果表明，本研究建立的模型对不同水分条件下切花菊叶片气孔导度、光合作用速率以及冠层蒸腾速率的预测效果较好，可以为日光温室切花菊生产中水分的精确与优化管理提供理论依据和决策支持。具体研究结果如下：
　　 ⑴对Jarvis模型和BWB模型中的参数进行了校准。采用C3作物光合作用生化模型(FvCB模型)估算BWB模型中的净光合速率A。采用两种方法对水分胁迫条件下的BWB模型进行订正，即阶乘法订正(BWB1模型)和对生化参数订正(BWB2模型)。无水分胁迫条件下，用与校准模型相同季节的数据检验，估算值与实测值之间基于1:1直线的决定系数(r2)和相对回归估计标准误(rRMSE)分别为：0.76和0.248(Jarvis模型)以及0.76和0.248(BWB模型)；而用与校准模型不同季节的数据检验，r2和rRMSE分别为：0.69和0.331(Jarvis模型)以及0.74和0.294(BWB模型)。不同水分条件下，用与校准模型不同季节的数据检验，r2和rRMSE分别为：0.68和0.402(Jarvis模型)、0.73和0.348(BWB1模型)以及0.73和0.348(BWB2模型)。结果表明，经过详细的校准和订正后，Jarvis模型和BWB模型均能较准确地估算出不同水分条件下温室切花菊的叶片气孔导度。但当应用于不同环境条件时，BWB模型的估算效果优于Jarvis模型。BWB2模型同时考虑了水分胁迫对生化参数的影响，与植物的生理过程联系起来，是可靠而适用的估算温室切花菊叶片气孔导度的模型。
　　 ⑵将温室作物叶面积指数模型进行扩展从而量化水分胁迫对叶面积指数的影响，并结合第二章确定的气孔导度模型(BWB2模型)来量化不同土壤水分条件对叶片气孔导度的影响。在此基础上，应用Penman-Monteith方程估算作物冠层蒸腾速率。结果表明，在量化了水分对叶面积指数和气孔导度的影响之后，Penman-Monteith方程可以较好地模拟出不同环境和不同水分条件下温室切花菊冠层的日平均蒸腾速率和每小时平均蒸腾速率。前者的估算值与实测值之间基于1:1直线的决定系数(r2)和相对回归估计标准误(rRMSE)分别为：0.86和0.372(试验二)、0.88和0.205(试验三)，0.88和0.234(试验四)。后者的估算值与实测值之间基于1:1直线的r2和rRMSE分别为：0.84和0.275(试验二)、0.81和0.337(试验三)、0.79和0.205(试验四)。本研究对温室作物蒸腾速率的估算不仅为温室作物水分管理的优化提供了决策依据，而且为温室的环境优化调控奠定了理论基础。
　　 ⑶在消除了光照和温度影响的基础上，量化了土壤水势(WP)对叶片总光合速率Pg和叶绿素荧光参数Φ2(即PSⅡ的实际量子效率)的影响。结果表明，当土壤水势WP大于或等于-20kPa时，WP对Pg的影响因子f(WP)Pg和WP对Φ2的影响因子f(WP)Φ2基本保持等于1不变；而当WP小于-20 kPa时，两者均表现出随着水分胁迫持续时间的增加而显著下降的趋势。在相同程度的土壤水分胁迫且持续时间相同的情况下，f(WP)Pg下降的比例大于f(WP)Φ2。当WP范围为-40～-50 kPa、胁迫持续到后期时，f(WP)Pg和f(WP)Φ2分别下降到无水分胁迫条件时的19％和58％。本研究的结果以及研究思路和方法可为下一步进行温室作物水分胁迫诊断提供借鉴和参考。