植物水分脅迫的診斷方法

李玲玲 范緯世 李敬瑜

【摘 要】水分脅迫是指土壤缺水而明顯抑制植物生長的現(xiàn)象。植物除因土層中缺水引起水分脅迫外，干旱、淹水、冰凍、高溫或鹽堿條件等不良環(huán)境作用于植物體時，都可能引起水分脅迫。不同植物及品種對水分脅迫的敏感性不同，影響不一。我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，掌握植物水分脅迫的診斷方法不僅對農(nóng)作物的生長十分必要，對造林護林也是十分有益的。

【關(guān)鍵詞】水分脅迫;植物缺水;診斷方法

引言

植物吸水和散失水分的過程是植物本身不同的器官和它所在環(huán)境的相互作用和反饋影響的結(jié)果，受土壤-植物-大氣連續(xù)體各個環(huán)節(jié)的綜合作用，因此判斷植物是否缺水應(yīng)從氣候、植物、土壤三方面入手。綜合考慮以上的診斷因素，可以將植物水分狀態(tài)評價指標(biāo)進一步劃分為三種類型：第一類以土壤為對象，第二類以環(huán)境為對象，第三類直接以植物為對象。下面分別詳細(xì)介紹這三類指標(biāo)。

1? 以土壤為對象

在水分虧缺的監(jiān)測中，以土壤為對象是經(jīng)常采用的方式，屬于間接指標(biāo)。從20世紀(jì)80年代以來，應(yīng)用于土壤水分測量的時域反射儀 得到了不斷改進和廣泛應(yīng)用，其突出優(yōu)點是可自動、快速、多方位的連續(xù)監(jiān)測土壤水分狀況，且不需要特殊標(biāo)定。

由于田間土壤的復(fù)雜性和變異性，所有方法在測量田間土壤含水量時都不可避免的會產(chǎn)生一定的誤差，誤差的產(chǎn)生既有儀器和操作方面的原因，也有測量方法本身的原因。對于前者，可通過設(shè)備和技術(shù)改進予以減小或消除，而對于后者，明顯的改善是非常困難的。因此，研究土壤特性的空間變異性，并用于確定田間土壤墑情監(jiān)測的合理測點數(shù)目和位置，對提高灌溉決策精確度具有重要意義。

2? 以環(huán)境為對象

以環(huán)境為對象的指標(biāo)也屬于間接指標(biāo)。采用數(shù)學(xué)模型與監(jiān)測手段相結(jié)合，利用定期測定田間土壤含水率對灌溉預(yù)報模型的模擬結(jié)果進行不斷地修正，使整個生育期的預(yù)報和實測結(jié)果的誤差平方和最小，發(fā)揮預(yù)報模型和實時監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢互補，提高調(diào)度的準(zhǔn)確性和靈活性。如利用時域反射儀、土壤水分探頭獲取田塊的實時含水量，以便攜式葉面積儀測定作物葉面積指數(shù)，確定此時的作物系數(shù)，通過紅外接口或數(shù)據(jù)下載輸入灌溉制度模擬模型，尋求該田塊的下一次補灌點發(fā)生日期及灌水量，模擬生育期內(nèi)的作物籽實、植株、根系的生長過程。

這些研究結(jié)合近年來己逐步成熟的分形理論和多因素場預(yù)報理論，特別是將環(huán)境的監(jiān)測與預(yù)報有機結(jié)合起來，利用監(jiān)測結(jié)果校正預(yù)報的累積誤差，同時利用預(yù)報方法大幅度減小監(jiān)測的頻率與成本，達(dá)到在保證精度的條件下降低成本的目標(biāo)。

3? 以植物為對象

植物指標(biāo)是指與植物生長密切相關(guān)的植物水分指標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到，植物需水狀態(tài)體現(xiàn)了一種綜合關(guān)系，包括空氣需要量、土壤含水量、根的密度和分布以及其他植物特征。因此，要真正測得植物的缺水量，除了將精力放在測量土壤和大氣等環(huán)境因子上，還應(yīng)該主要對植物本身的需水狀況進行測量。植物的生長情況能綜合反映天氣和土壤水分的變化情況，故合理的灌溉應(yīng)以植物的生長狀況為主要依據(jù)。由于植物生長狀況是天氣條件、土壤水分條件和病蟲害等綜合影響的結(jié)果，理論上講，植物水分狀況應(yīng)從植物本身考慮，而將土壤含水率、根系分布以及大氣蒸散量等情況作為輔助判斷條件。植物的水分狀況會在植物的生理過程和生長狀況下直接反映出來，這種信息可以來自單個植物（如葉水勢、莖桿直徑變差、莖流等），但是必須有合理的空間分布性或者校正樣本，也可以整體考慮，比如冠層溫度或者總輻射。因此，以植物本身為對象的水分脅迫判斷越來越受到眾多學(xué)者的推崇。這一類的指標(biāo)屬于直接指標(biāo)，可分為形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)兩種。

3.1? 形態(tài)指標(biāo)

形態(tài)指標(biāo)是指與植物水分代謝相關(guān)的形態(tài)特性，如葉色、葉角、葉片卷曲程度等。用CCD彩色攝像頭對番茄秧苗的形態(tài)指標(biāo)作了監(jiān)測，采用有限元法進行了圖像特征提取，而后應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對植物含水量與圖像有限元特性間的非線性關(guān)系進行識別和鑒定，從而預(yù)測正在萎蔫的植物的水分狀況

3.2? 生理指標(biāo)

生理指標(biāo)是指一些與水分相關(guān)的生理性狀。這些生理變化指標(biāo)主要有莖流，植物水分脅迫指數(shù)，冠層溫度，植物莖直徑變化，植物生理電信號等。下面分別對這些指標(biāo)分別進行介紹。

通過測量果樹的莖液流速來計算蒸騰量，從而作為反映植物水分狀況的指標(biāo)之一。對植物體內(nèi)的水分流速做出準(zhǔn)確的測定，然后按照一定的公式換算，即可得到整株植物在一定時間內(nèi)的蒸騰量，即莖液總流量的大小。植物莖干直徑大小的不同，在公式中由莖干平均截面來體現(xiàn)。通過連續(xù)測定莖液流速及蒸騰量的變化規(guī)律，即可隨時了解果樹的供水狀況。

植物水分脅迫指數(shù)是利用紅外測溫儀測得冠層溫度，并可根據(jù)能量平衡公式中干、濕氣溫及凈輻射等來計算得到。許多學(xué)者利用此方法對不同種類的植物進行了大量研究。植物水分脅迫指數(shù)綜合考慮了土壤、植物和外界環(huán)境的因素，被認(rèn)為是較理想的指標(biāo)之一。

冠層溫度信息可以很好地反映植物的水分狀況，植物冠層和大氣的溫度差也常被用來作為水分脅迫診斷的指標(biāo)之一。一些研究指出，植物葉冠與周圍空氣的溫度差異是指示植物水分狀況的一個良好指標(biāo)。運用這個指標(biāo)來檢測水分脅迫是基于在適當(dāng)灌溉的情況下，植物通過水分的蒸發(fā)使葉片的溫度低于周圍空氣溫度原理的。

植物葉片、果實和莖桿在缺水時的微收縮現(xiàn)象也可反應(yīng)植物的水分脅迫和灌溉指標(biāo)。這種方法的優(yōu)點是提供了一種無損和持續(xù)監(jiān)測植物與水分關(guān)系的方法，因此能夠進行一些具體的測量，比如最大最小收縮量和收縮期長度等。

植物電信號是指與植物生理過程及體內(nèi)傳送信息相關(guān)的生理信號，它是植物對環(huán)境變化刺激所產(chǎn)生的反應(yīng)。目前研究也表明，高等植物具有敏感性，當(dāng)環(huán)境因子改變或植物受到刺激時產(chǎn)生相應(yīng)反應(yīng)，即植物電信號的改變。該指標(biāo)檢測應(yīng)用也很廣泛。

4? 結(jié)論

植物的生長情況能綜合反映天氣和土壤水分的變化情況，故合理的灌溉應(yīng)以植物的生長狀況為主要依據(jù)。由于植物生長狀況是天氣條件、土壤水分條件和病蟲害等綜合影響的結(jié)果，植物水分狀況除了應(yīng)主要從植物本身考慮，還應(yīng)將土壤含水率、根系分布以及大氣蒸散量等情況作為輔助判斷條件，因此，掌握各種情況下植物水分脅迫的診斷方法十分必要。

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