利用气体交换参数预测萎蔫系数的方法研究
作者单位：西北农林科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：樊军
授予年度：2023年
学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 090301[农学-土壤学]
摘 要：萎蔫系数(PWP)是确定土壤有效水范围、植物有效性、土壤水分时空演变等的变量,常定义为水分特征曲线上土壤水势-1.5 MPa时的含水量。最近研究表明,萎蔫系数受土壤质地和植物耐旱机制的影响,PWP可能发生在小于-1.5 MPa的含水量下,即比经典值更干燥的环境下。因此,基于土壤性质的测量结果存在着不确定性,而基于植物叶片形态的机器视觉有着图像信息处理的困境。为此,本研究引入了一种基于植物性状的优化方法,通过植物对土壤含水量响应,即气体交换参数的临界值获取PWP。本研究分为2步骤,一是确定优化法的可行性和准确性,二是探讨有机质和土壤质地对该方法的具体影响。主要结论如下:(1)在三次函数拟合下,土壤水分有效性下限阈值在四种土壤、四种植物、多种有机质含量中呈现出相同规律:气孔导度g先于光合速率P、蒸腾速率T对土壤水分做出响应,对水分具有更高的敏感度;气孔导度作为指标时,水分有效性的下限阈值从高到低依次为:中粘土(红壤)砂粉土(黑土)轻砂土(黄绵土)砂壤土(紫色土)重砂土(沙黄土)。此外,土壤质地、植物类型、有机质含量显著影响萎蔫系数(P0.05)。总体而言,5种土壤的萎蔫系数与土壤水分有效性的下限阈值呈现相同规律,表明砂粒相对含量越高土壤萎蔫系数越小,黏粒相对含量越高萎蔫系数越大;4种植物的萎蔫系数由高到低依次为:大豆、向日葵、羊草、苜蓿,表明植物愈耐旱,其永久萎蔫系数越低;萎蔫系数和土壤有机质含量存在正相关关系,有机质含量增加时重砂土的萎蔫系数增幅大于中粘土。轻砂土在植物永久萎蔫时对应的水势均低于经典值(-1.5Mpa),中粘土处于经典值附近。(2)植物气体交换参数(P、T、g)对土壤水分的临界响应值可准确预测萎蔫系数,即三次函数拟合下土壤有效水下限阈值与实测萎蔫系数具有数值上的一致性。P和T动态变化确定的土壤有效水下限与实测值的拟合方程分别可解释总变异都在93%以上,其斜率与1的最大偏差为0.07,证明两者都可作为指标进行萎蔫系数的测定。但气孔导度(g)作为评价指标时,R在0.94以上,与萎蔫系数线性关系的斜率较前两者都更为靠近1,与实测萎蔫系数具有高度一致性,证实了气体交换参数预测萎蔫系数的可行性。在该方法中,将更有代表性的气孔导度对土壤含水量的反应与实测萎蔫系数联系起来,不仅保证了植物在测量过程中的存活,还是一个简单易行的原位测定方法。此外,水分特征曲线法预测的萎蔫系数与气体交换参数预测的萎蔫系数进行比较,在轻砂土上利用气体交换参数预测的相对误差小于水分特征曲线,但在中粘土上两种预测方法都适用。(3)基于气体交换参数预测萎蔫系数的准确性受到有机质含量和土壤质地的影响。有机质与相对误差呈线性关系,为负相关:有机质含量越高,土壤预测精度越高;在中粘土上使用该方法的相对误差小于在重砂土使用的相对误差。砂粒相对含量与使用新方法的相对误差呈负相关,粉粒、黏粒与相对误差为正相关。但在原位测定时,并不代表低砂粒含量、高粉粒和高黏粒含量的土壤,使用该方法测定萎蔫系数时就一定具有高精度。砂粒含量降低或是粉粒、黏粒含量增加时,其对应的相对误差先降低,过了临界含量后增加。相对颗粒组成的临界值分别为砂粒35.63%、粉粒39.10%、黏粒25.27%,土壤为沙壤土时使用新方法预测精度最高。新方法提出测定8次以上的关键观测(包含气孔导度和对应土壤含水量),即可准确预测萎蔫系数;田间测量时段集中在降雨后和长期干旱后,预测值与传统生物法实测值的相对误差小于6%。因此,推广至原位测量时,新测定方法能正确预测萎蔫系数,进而减少了原位测定的人力物力需求。
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