玉米干旱和复水效应及其光合关键点的临界叶片水分条件

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气候变暖背景下,全球极端干旱事件发生的频率和强度呈增加趋势,严重威胁着粮食生产安全。特别是,干旱是造成全球三大粮食作物之一的玉米减产的主要原因。为此,迫切需要弄清玉米对干旱和复水的响应过程,揭示干旱致灾机理,以为干旱监测预警及制定合理的防旱抗旱措施提供依据。本论文利用2013-2015年固城夏玉米不同生育期不同灌水量处理的持续干旱大田试验数据和2016年锦州春玉米不同生育期不同灌水量处理的持续干旱后复水大田试验数据,分析玉米不同生育期的干旱和复水效应,研究玉米光合作用关键点(最大和最小光合能力以及光合作用由气孔限制转向非气孔限制的光合作用点)的叶片含水量。主要结论如下:(1)夏玉米不同生育期不同灌水量处理的持续干旱条件下,其不同叶位叶片含水量均随土壤水分的减少呈下降趋势,且下降速率随叶位高度增加而增加,夏玉米顶端第1片完全展开叶(Top1)的叶片含水量下降速度快于第3片叶(Top3);同时夏玉米Top1的最大叶片含水量(84.9%)大于Top3(82.5%)。春玉米不同生育期不同灌水量处理后复水对叶片含水量的缓解作用不同,复水后玉米叶片含水量的恢复程度与干旱发生时间密切相关。(2)不同生育期不同灌水量处理的持续干旱条件下,夏玉米叶面积、叶片含水量、茎含水量、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率对土壤水分变化响应较敏感,但响应顺序不同:土壤水分的减小首先引起玉米茎含水量减少,进而导致叶片水分减少,随后影响光合作用强度和叶面积扩展,最终影响干物质积累、甚至总干重的减少。(3)夏玉米不同生育期(3叶期、7叶期和拔节期)不同灌水量处理的持续干旱条件下,不同叶位叶片均出现光合作用由气孔限制转为非气孔限制的现象,且呈由上向下传递顺序,顶端叶片最先出现该现象。光合作用由气孔限转为非气孔限制时Top1的叶片含水量(75.5±1.5%-75.7±1.3%)大于Top3(73.2%±1.1%-73.4%±1.6%),表明Top1的叶片含水量对玉米受水分胁迫具有较好的指示作用,可以作为玉米干旱的监测指标。(4)夏玉米不同生育期不同灌水量处理的持续干旱条件下,Top1的光合能力(Vcmax25)均与叶片含水量呈显著二次曲线关系,且Vcmax25在叶片含水量为82.5%±0.5%时达到最大(42.6±3.6μmol m-2 s-1),在67.6%±1.2%时减小为零。(5)春玉米叶片含水量为75.4%±0.38%(光合作用由气孔限制转为非气孔限制的叶片含水量)是Vcmax25在复水后能否恢复的临界叶片水分条件。干旱对玉米光合能力存在明显的抑制作用,导致复水过程玉米Vcmax25最大值(44.0μmol m-2 s-1)小于干旱过程(51.5μmol m-2 s-1)。同时干旱还会改变玉米Vcmax25的叶片水分适宜区间,使得干旱和复水过程玉米Vcmax25为零和最大时对应的叶片含水量不同:Vcmax25为零时分别为70.8%和69.0%,而Vcmax25达到最大时分别为77.4%和74.5%。
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