冬小麦群体叶片气孔导度差异性分析

对冬小麦 (Triticum aestivum L.)两个品种 3个生育期测定和分析了群体叶片的气孔导度。结果表明 ,近轴面气孔导度比远轴面的大 ,二者之比呈近似正态分布 ,最大概率出现约为 1 .5,该比值在冠层垂直方向变化不显著 ,但随季节而变 ,抽穗期最大。叶片气孔导度从冠层顶部向下迅速递减 ,递减系数约为 0 .57,且各层日变化大致平行。冠层上部气孔活跃 ,导度日变化明显 ,下部日变化不大。同一叶片的气孔导度由近轴面的叶基 ,经由其叶中、叶尖 ,翻过尖点 ,再从远轴面的叶尖经叶中向叶基递减。对近轴面叶中、叶尖气孔导度与该面平均气孔导度相关系数较大 ,而对远轴面叶中、叶基气孔导度与该面气孔导度相关系数较大 ,据此建议测定近轴面气孔导度时 ,应以叶中、叶尖部位为最佳点 ,而测定远轴面气孔导度时 ,应以叶中、叶基部位为最佳点     

整树水力导度协同冠层气孔导度调节森林蒸腾

冠层气孔导度决定森林的蒸腾效率,它对驱动水汽移动的水汽应力的响应受树木水力结构的影响,并随水汽压亏缺上升和水力导度下降而降低,维持水势在最低阈值之上,避免出现水力灾变,调控冠层蒸腾。由于叶形和树冠结构的特点,部分脱耦联反映了湿润地区阔叶林冠层与大气的水汽交换特征,单纯以气孔导度的变化难以完整描述水分通量的调节规律,因而,需要考虑冠层气孔导度与水力导度协同控制冠层蒸腾的潜在机理。通过整合叶片气孔气体交换、树干液流、冠层微气象和其他环境因子的野外观测值,估测不同时间尺度的森林冠层气孔导度与大气的脱耦联系数和变异范围,以基于树干液流的冠层蒸腾,结合叶片/土壤水势梯度计算的水力导度,分析水力导度影响冠层气孔导度响应水汽压亏缺的敏感性,可以揭示和阐明水力导度和冠层气孔导度联合调节森林蒸腾的机理,对准确估测全球变化背景下森林对水资源利用的潜在生态效应有明显的理论意义。     

华北平原冬小麦冠层导度的环境响应及模拟

通过引入叶面积指数，将叶片水平的气孔导度组合模型扩展到冠层水平，建立了冠层导度环境响应组合模型，组合模型所需参数较少，且均可在冠层水平直接测量，便于应用；模型由潜在气孔导度（PSC）和相对气孔开度（RDO）组成，二者分别由环境变量的日际（inter-day）和日间（intra-day）的值决定。分析表明，冠层导度在日际尺度和日间尺度上对环境变量具有多尺度响应特性，在日际尺度上，温度是影响冠层导度的主要因子，在日间尺度，光是影响气孔开闭的主要因素。利用以温度和光合有效辐射为输入变量构建的组合模型，模拟了华北平原冬小麦农田生态系统的冠层导度，并用Penman-Monteith方程估算的表面导度进行验证。结果显示，在不同天气情况下，二者的日变化均具有较好的一致性；将组合模型与电学类比模型结合，进一步估算了拔节．灌浆期的冠层潜热通量，利用涡度相关系统观测的潜热通量数据进行验证，结果表明对冬小麦冠层潜热通量模拟精度较高，直线回归斜率为0．7054，R^2=0．7894。     

覆膜与滴灌对河套灌区玉米花粒期叶片光合特征的影响

光合作用是作物生长发育和产量形成的基础,栽培方式和土壤含水量变化显著影响作物的光合作用.灌浆期和乳熟期是玉米花粒期2个重要阶段,是玉米籽粒形成和干物质积累的关键时期.通过大田试验研究了河套灌区不同覆膜方式与滴灌水平对不同生育时期玉米光合特征及产量的影响.结果表明: 灌浆期玉米叶片光合特征在不同处理下无显著差异,乳熟期净光合速率和蒸腾速率在半覆膜(B₂)和全覆膜(Q₂)滴灌水平2(350 mm)处理下均显著高于半覆膜(B₁)和全覆膜(Q₁)滴灌水平1(200 mm),并且B₁和Q₁处理下灌浆期叶片的净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率及气孔导度等显著高于乳熟期.不同处理下灌浆期和乳熟期叶片的净光合速率、蒸腾速率,灌浆期的气孔导度以及乳熟期的水分利用效率等在日变化上存在着同步关系,均呈现出倒“U”型的日变化特征,而胞间CO₂浓度则呈现相反的变化趋势.逐步回归分析显示,光合有效辐射、大气温度和空气相对湿度等气象因子是影响玉米叶片光合特征的主要环境因子.此外,B₂和Q₂处理下玉米产量显著高于B₁和Q₁处理(分别增加了29.3%和50.9%),但B₁和Q₁处理间并无显著差异.这表明与覆膜方式相比,滴灌水平对干旱地区玉米产量的影响更大.     

田间小麦叶片气孔对环境因子响应的模拟及叶片水分平衡的计算

经实测与数据分析得出田间供试小麦叶片气孔对光强、叶温、叶片水势分别作一定形式的响应,据此估算了冠层总气孔导度,进而建立了预测小麦群体蒸腾速率、冠层总气孔导度、叶温、叶片水势等的水分平衡模型。实验表明模型具有较好的预测性。供试小麦叶片一天中可溶性糖含量变化对叶片水势的影响不大。     

水稻叶片气孔导度与冠层反射光谱的定量关系分析

研究了不同土壤水氮条件下水稻(Oryza sativa)叶片气孔导度与冠层光谱反射特征的量化关系。结果表明,不同水分处理下,水稻不同叶位气孔导度变化趋势为:GsL1>GsL2>GsL3>GsL4。高于W3水分条件下,高氮处理的叶片气孔导度高于低氮处理,而低于W3水分条件下,高低氮处理条件下叶片气孔导度差异不显著。发现比值指数R(1 650,760)与不同叶位叶片及不同层次叶片气孔导度的相关性大小为:GsL1>GsL12>GsL123>GsL1234>GsL2>GsL3>GsL4(水稻顶部自上而下第一、二、三、四叶以及自上而下顶部2张、3张、4张叶片的气孔导度值分别表示为:GsL1、GsL2、GsL3、GsL4、GsL12、GsL123和GsL1234),而顶1叶气孔导度与叶面积指数的乘积(冠层叶片气孔导度)同比值指数R(1 650,760)相关程度更高。R(1 650,760)与顶1叶和冠层叶片气孔导度之间皆呈极显著的幂函数负相关。利用不同年份的不同水稻试验对两者的监测模型进行了检验,模型的检验误差RMSE分别为0.05和0.24,表明比值指数R(1 650,760)可以较好地监测不同水氮条件下水稻叶片的气孔开闭特征。     

植物气孔导度的环境响应模拟及其尺度扩展

气孔导度是衡量植物和大气间水分、能量及CO2平衡和循环的重要指标,探讨气孔导度与环境因子的关系及其模拟,以及气孔导度在叶片、冠层及区域尺度间的尺度转换及累积效应,对更好地认识植被与大气间的水热运移过程,合理评价植被在陆面过程中的地位和作用都具有重要意义。从植物气孔导度与环境因子的关系、气孔导度模拟以及尺度扩展三个方面,对前人的研究成果进行了概括总结。从叶片和冠层两个尺度出发,归纳总结了前人对于不同植物气孔导度与环境因子关系的研究成果,发现由于不同植物的遗传特性、测定时的环境、时间尺度的不同,以及未考虑各个环境因子的相互作用对气孔导度的影响,由此得到的气孔导度与环境因子之间的关系也不尽一致。对各单一环境因子与气孔导度的关系,给出了生理学解释,从根本上说明了环境因子变化对气孔导度的影响,而研究环境因子对气孔导度的综合影响时,应对各环境因子进行系统控制与同步观测。模拟计算植物气孔导度的模型主要有Jarvis模型和BWB模型两类,这些模型的模拟能力随着研究对象、试验区域、环境条件的改变而存在一定的差异,在具体使用时应结合实际情况选择最优模型进行模拟。除上述常用模型外,还总结了其他学者分别从不同角度提出的新的模型,对现有气孔导度模型进行了全面的总结。从叶片-冠层、冠层-区域两个方面归纳总结了前人关于气孔导度尺度扩展的研究成果,发现叶片-冠层的尺度扩展研究较成熟而冠层-区域的尺度扩展在模拟精度的验证方面存在困难。针对以下几个方面提出了今后气孔导度的研究重点:(1)结合研究对象所在的区域及环境条件,选择最优模型进行模拟;(2)综合考虑环境因子之间的相互作用及其对气孔导度的累积影响;(3)BWB模型与光合模型的耦合;(4)提高大尺度范围内的气孔导度模拟精度。     

植被-大气相互作用中的气孔导度及其尺度转换

气孔导度是衡量植物和大气间水分、能量及CO2平衡和循环的重要指标,探讨气孔导度在叶片、冠层及区域尺度间的尺度转换及累积效应,对更好地认识植被与大气间的水热运移过程,合理评价植被在陆面过程中的地位和作用具有重要意义.本文着重从叶片尺度气孔导度模拟、气孔导度在冠层尺度的累积表现、冠层到区域尺度转换研究及气孔导度累积效应在陆面过程模型中的作用等4个层次总结了近期国内外研究状况,指出其中存在的异质性等问题,并就今后应加强多尺度间的同步观测提出了展望.     

水稻冠层光合有效辐射的时空分布特征

以2个不同株型水稻品种为材料,设置高、中、低3个施氮水平,利用SunScan冠层分析仪于灌浆期系统测定了不同施氮水平下不同株型水稻品种植株形态和冠层内光合有效辐射（PAR）的时空分布状况.结果表明：施氮量对水稻株高、穗弯曲度和茎叶夹角有明显影响;群体叶面积的垂直分布呈中部>上部>下部的分布特征,最大分层叶面积指数（LAI）出现在0.60相对高度处.冠层内平均PAR透光率从顶部向下递减,且在冠层上中部递减迅速,下部递减缓慢;平均PAR透光率随施氮量的增加而递减;平均PAR透光率日变化表现为早晚较低,中午较高;平均PAR透光率随向下累积LAI的增加呈指数递减,群体消光系数K的日变化表现为早晚较高,中午较低,灌浆期的K值介于0.35～0.50.水稻冠层内PAR的三维空间分布表现为冠层上中部水平面上PAR透光率高,光斑面积大;下部水平面上PAR透光率低,光斑少;同一冠层高度水平面上的PAR光强呈不均匀分布.株型紧凑的水稻品种,冠层透光率高,透光率日变化大,群体消光系数小.     

华北山区侧柏冠层气孔导度特征及其对环境因子的响应

冠层气孔导度(g_s)是衡量冠层-大气界面水汽通量的重要生物学常数,研究其特征及对环境因子的响应,能为开展森林冠层水汽交换过程的机理性研究提供理论依据.于2014年利用SF-L热扩散式探针测定了侧柏的树干液流密度(J_s),同步监测光合有效辐射(PAR)、饱和水汽压差(VPD)、气温(T)等环境因子,计算侧柏的冠层气孔导度特征并分析其对各环境因子的响应.结果表明: 侧柏液流密度的日变化总体呈双峰曲线,生长季高于非生长季,且胸径越大液流密度越大;冠层气孔导度日变化与单位叶面积冠层蒸腾(E_L)趋势相近,均呈双峰曲线,生长季的冠层气孔导度和蒸腾较非生长季略高.侧柏冠层气孔导度与空气温度呈抛物线关系,在10 ℃左右冠层气孔导度达到峰谷;光合有效辐射以400 μmol·m^-2·s^-1为界,小于该阈值两者呈正相关关系,大于该阈值则冠层气孔导度受其影响较小;与饱和水汽压差呈负对数函数关系,随饱和水汽压差增大而逐渐降低.较高的空气温度和光合有效辐射、较低的饱和水汽压差有利于侧柏形成较大的冠层气孔导度,进而促进冠层蒸腾.     

Variation of Leaf Stomatal Conductance in Winter Wheat Canopy

Leaf stomatal conductance measured and analysed in the canopies of two winter wheat varieties in the field revealed that the probability of adaxial to abaxial conductance ratio followed an approximately normal distribution with a peake value of about 1.5. The ratio changed with the developmental stages being maximium at the heading stage. Leaf stomata in wheat of the upper part of the canopy were more active and showed more pronounced diurnal change of conductance than those of the lower part. Stomatal conductance decreased from top to bottom in canopy as a negative exponential function. By comparing adaxial and abaxial conductances in the apical, middle and basal parts of a leaf, the distribution of the stomatal conductances of a wheat leaf was as follows: a steady decrease from the basal part of adaxial, through the middle and apical parts of the adaxial surface turning to the apical part of abaxial, and then the middle and lastly, the basal part of abaxial. Based on values of the correlation coefficients among the various stomatal conductance and average stomatal conductance, the authors suggested that optimal apical measurement of stomatal conductance would be at the middle and apical parts and that of abaxial would be at middle and basal parts.     

Fruit effects on photosynthesis in Prunus persica

Seasonal measurements of net CO₂ assimilation, leaf conductance and mesophyll conductance were made in the field on mature, fruiting and defruited Prunus persica L. Batsch trees. During early stages of fruit growth there were no significant differences in leaf gas exchange characteristics between fruiting and defruited trees. During the early part of the last stage of fruit growth, CO₂ assimilation rates were 11–15% higher in fruiting trees than defruited trees. These increased assimilation rates corresponded with approximately 30% increases in leaf conductance and only minor changes in mesophyll conductances or leaf CO₂ assimilation capacity as indicated by leaf nitrogen content. It is concluded that under the field conditions of this study the fruit effect on photosynthesis is primarily related to stomatal behavior.     

Effects of Boundary Layer Conductance on Leaf Gas Exchange

Using an improved gas-exchange technique for leaf chamber the authors' conclusions derived from electrical analogy analysis and simulation have been tested. In most devices for gas-exchange measurements, a fixed ventilation speed is used, which results in a fixed boundary layer conductance of leaf, but the results of experiments are often used to predict canopy transpiration or photosynthesis where the boundary layer conductance changes with the position of the leaf in the canopy and the wind speed above the canopy. To change the boundary layer conductance of a leaf, a barrier of variable size was inserted into the leaf chamber to decrease the wind speed over the leaf. The responses of stomatal conductance, net photosynthetic rate, and transpiration rate to light were then measured. The relationships amongst them have been tested. The experimental results matched well with the results predicted by electrical analogy analysis and simulation in most cases.     

开放式空气CO2浓度增高对水稻冠层微气候的影响

利用位于江苏省无锡市安镇的我国唯一的农田开放式空气CO₂浓度增高(FACE)系统平台,于2001年8月26日至10月13日(水稻抽穗至成熟期)进行水稻作物冠层微气候连续观测,以研究FACE对水稻冠层微气候特征的影响.结果表明,FACE降低了水稻叶片的气孔导度,FACE与对照水稻叶片气孔导度的差异上层叶片大于下层叶片,生长前期大于生长后期.FACE使白天水稻冠层和叶片温度升高,这种差异生长前期大于生长后期;但FACE对夜间水稻冠层温度的影响不明显.在水稻旺盛生长的抽穗开花期,晴天正午前后FACE水稻冠层温度比对照高1.2℃;从开花至成熟期,FACE水稻冠层白天平均温度比对照高0.43℃.FACE对冠层空气温度也有影响,白天水稻冠层空气温度FACE高于对照,这种差异随太阳辐射增强而增大且冠层中部大于冠层顶部;冠层中部空气温度FACE与对照的差异(T_face-T_ambient)日最大值在0.47～1.2℃之间,而冠层顶部的T_face-T_ambient日最大值在0.37～0.8℃之间.夜间水稻冠层空气温度FACE与对照差别不大,变化在±0.3℃之内.而FACE对水稻冠层空气湿度无显著影响,表明FACE使水稻叶片气孔导度降低,从而削弱了植株的蒸腾降温作用,导致水稻冠层温度和冠层空气温度升高,改变了整个水稻冠层的温度环     

香紫苏开花期蒸腾和光合作用日变化特征及其影响因子研究

对开花期香紫苏功能叶片的蒸腾作用、光合作用日变化规律以及二者与环境因子之间的相互作用进行了研究.结果表明:处于花期的香紫苏蒸腾速率和气孔导度的日变化总体趋势是先升高后降低;不同花期净光合速率的日变化之间则存在明显的差别,初花期的净光合速率明显高于盛花期和终花期;湿度和光合有效辐射是影响香紫苏蒸腾作用的最主要因素,而光合有效辐射和CO2浓度变化则对香紫苏的净光合速率影响最大.     

开放式空气CO2浓度增高对水稻冠层微气候的影响

利用位于江苏省无锡市安镇的我国唯一的农田开放式空气CO2 浓度增高 (FACE)系统平台 ,于2 0 0 1年 8月 2 6日至 10月 13日 (水稻抽穗至成熟期 )进行水稻作物冠层微气候连续观测 ,以研究FACE对水稻冠层微气候特征的影响 .结果表明 ,FACE降低了水稻叶片的气孔导度 ,FACE与对照水稻叶片气孔导度的差异上层叶片大于下层叶片 ,生长前期大于生长后期 .FACE使白天水稻冠层和叶片温度升高 ,这种差异生长前期大于生长后期 ;但FACE对夜间水稻冠层温度的影响不明显 .在水稻旺盛生长的抽穗开花期 ,晴天正午前后FACE水稻冠层温度比对照高 1.2℃ ;从开花至成熟期 ,FACE水稻冠层白天平均温度比对照高 0 .4 3℃ .FACE对冠层空气温度也有影响 ,白天水稻冠层空气温度FACE高于对照 ,这种差异随太阳辐射增强而增大且冠层中部大于冠层顶部 ;冠层中部空气温度FACE与对照的差异 (Tface-Tambient)日最大值在 0 .4 7～ 1.2℃之间 ,而冠层顶部的Tface-Tambient日最大值在 0 .37～ 0 .8℃之间 .夜间水稻冠层空气温度FACE与对照差别不大 ,变化在± 0 .3℃之内 .而FACE对水稻冠层空气湿度无显著影响 ,表明FACE使水稻叶片气孔导度降低 ,从而削弱了植株的蒸腾降温作用 ,导致水稻冠层温度和冠层空气温度升高 ,改变了整个水稻冠层的温度环     

Limiting factors for panicle photosynthesis at the anthesis and grain filling stages in rice (Oryza sativa L.)

Panicle photosynthesis is crucial for grain yield in cereal crops; however, the limiting factors for panicle photosynthesis are poorly understood, greatly impeding improvement in this trait. In the present study, pot experiments were conducted to investigate the limiting factors for panicle photosynthesis at the anthesis stage in seven rice genotypes and to examine the temporal variations in photosynthesis during the grain filling stage in the Liangyou 287 genotype. At the anthesis stage, leaf and panicle photosynthesis was positively correlated with stomatal conductance and maximum carboxylation rate, which were in turn associated with hydraulic conductance and nitrogen content, respectively. Panicle hydraulic conductance was positively correlated with the area of bundle sheaths in the panicle neck. During grain filling, leaf and panicle photosynthesis remained constant at the early stage but dramatically decreased from 8 to 9 days after anthesis. The trends of variations in panicle photosynthesis were consistent with those in stomatal conductance but not with those in maximum carboxylation rate. At first, the maximum carboxylation rate and respiration rate in the panicle increased, through elevated panicle nitrogen content, but then drastically decreased, as a result of dehydration. The present study systematically investigated the limiting factors for panicle photosynthesis, which are vital for improving photosynthesis and crop yield.     

北京山区油松和元宝槭冠层气孔导度特征及其环境响应

叶片气孔是植物进行水汽交换的通道, 影响着植物的蒸腾和光合作用。然而叶片气孔行为受环境条件和树种类型的影响, 不同树种冠层气孔导度对环境因子响应的差异性, 以及在生长季不同时期叶片气孔对冠层蒸腾的调节作用是否会发生改变, 仍不清楚。该研究目的是通过探究各环境因子对不同树种冠层气孔导度的相对贡献率以及叶片气孔对冠层蒸腾的调节作用, 为深入了解植物水分利用状况和山区森林经营提供参考依据。于2018年生长季以北京八达岭国家森林公园内的58年生油松(Pinus tabuliformis)和39年生元宝槭(Acer truncatum)为研究对象, 利用热扩散技术对其树干液流进行连续监测, 并同步监测环境因子。利用彭曼公式计算冠层气孔导度(G_s)。主要结果: (1)油松和元宝槭日间G_s在日、月时间尺度上存在明显差异。5-7月油松和元宝槭日动态G_s均随饱和水汽压差(VPD)和太阳辐射(GR)的增加呈上升趋势, 上升持续时间比8月和9月长; 在月尺度上, 随着VPD、GR的降低和土壤湿度(VWC)的升高, G_s从5月到9月整体上升。(2)利用增强回归树法分析得到VWC和VPD对G_s的贡献率最大, 其次是GR、气温和风速。VWC和VPD对油松G_s的贡献率分别为66.4%和17.4%, 对元宝槭G_s的贡献率分别为54.8%和21.0%。(3)油松和元宝槭的dG_s/dlnVPD值与参考冠层气孔导度之间的斜率均显著高于0.6, 气孔调节作用相对较强。综上所述, 气孔对环境因子的响应在树种以及生长季不同时期之间存在差异, 为防止水分过度散失, 两树种在不同土壤水分条件下均通过严格的气孔调节控制蒸腾量。     

Differential leaf expansion can enable hydraulic acclimation to sun and shade

Although leaf size is one of the most responsive plant traits to environmental change, the functional benefits of large versus small leaves remain unclear. We hypothesized that modification of leaf size within species resulting from differences in irradiance can allow leaves to acclimate to different photosynthetic or evaporative conditions while maintaining an efficient balance between hydraulic supply (vein density) and evaporative demand. To test this, we compared the function and anatomy of leaf hydraulic systems in the leaves of a woody angiosperm (Toona ciliata M. Roem.) grown under high and low irradiance in controlled conditions. Our results confirm that in this species, differential leaf expansion regulates the density of veins and stomata such that leaf hydraulic conductance and stomatal conductance remain proportional. A broader sample of field-grown tree species suggested that differences in leaf venation and stomatal traits induced by sun and shade were not regulated by leaf size in all cases. Our results, however, suggest that leaf size plasticity can provide an efficient way for plants to acclimate hydraulic and stomatal conductances to the contrasting evaporative conditions of sun and shade.