植物水分胁迫的诊断方法

李玲玲 范纬世 李敬瑜

【摘 要】水分胁迫是指土壤缺水而明显抑制植物生长的现象。植物除因土层中缺水引起水分胁迫外，干旱、淹水、冰冻、高温或盐碱条件等不良环境作用于植物體时，都可能引起水分胁迫。不同植物及品种对水分胁迫的敏感性不同，影响不一。我国作为一个农业大国，掌握植物水分胁迫的诊断方法不仅对农作物的生长十分必要，对造林护林也是十分有益的。

【关键词】水分胁迫;植物缺水;诊断方法

引言

植物吸水和散失水分的过程是植物本身不同的器官和它所在环境的相互作用和反馈影响的结果，受土壤-植物-大气连续体各个环节的综合作用，因此判断植物是否缺水应从气候、植物、土壤三方面入手。综合考虑以上的诊断因素，可以将植物水分状态评价指标进一步划分为三种类型：第一类以土壤为对象，第二类以环境为对象，第三类直接以植物为对象。下面分别详细介绍这三类指标。

1  以土壤为对象

在水分亏缺的监测中，以土壤为对象是经常采用的方式，属于间接指标。从20世纪80年代以来，应用于土壤水分测量的时域反射仪 得到了不断改进和广泛应用，其突出优点是可自动、快速、多方位的连续监测土壤水分状况，且不需要特殊标定。

由于田间土壤的复杂性和变异性，所有方法在测量田间土壤含水量时都不可避免的会产生一定的误差，误差的产生既有仪器和操作方面的原因，也有测量方法本身的原因。对于前者，可通过设备和技术改进予以减小或消除，而对于后者，明显的改善是非常困难的。因此，研究土壤特性的空间变异性，并用于确定田间土壤墒情监测的合理测点数目和位置，对提高灌溉决策精确度具有重要意义。

2  以环境为对象

以环境为对象的指标也属于间接指标。采用数学模型与监测手段相结合，利用定期测定田间土壤含水率对灌溉预报模型的模拟结果进行不断地修正，使整个生育期的预报和实测结果的误差平方和最小，发挥预报模型和实时监测技术的优势互补，提高调度的准确性和灵活性。如利用时域反射仪、土壤水分探头获取田块的实时含水量，以便携式叶面积仪测定作物叶面积指数，确定此时的作物系数，通过红外接口或数据下载输入灌溉制度模拟模型，寻求该田块的下一次补灌点发生日期及灌水量，模拟生育期内的作物籽实、植株、根系的生长过程。

这些研究结合近年来己逐步成熟的分形理论和多因素场预报理论，特别是将环境的监测与预报有机结合起来，利用监测结果校正预报的累积误差，同时利用预报方法大幅度减小监测的频率与成本，达到在保证精度的条件下降低成本的目标。

3  以植物为对象

植物指标是指与植物生长密切相关的植物水分指标。随着科学技术的发展，人们逐渐认识到，植物需水状态体现了一种综合关系，包括空气需要量、土壤含水量、根的密度和分布以及其他植物特征。因此，要真正测得植物的缺水量，除了将精力放在测量土壤和大气等环境因子上，还应该主要对植物本身的需水状况进行测量。植物的生长情况能综合反映天气和土壤水分的变化情况，故合理的灌溉应以植物的生长状况为主要依据。由于植物生长状况是天气条件、土壤水分条件和病虫害等综合影响的结果，理论上讲，植物水分状况应从植物本身考虑，而将土壤含水率、根系分布以及大气蒸散量等情况作为辅助判断条件。植物的水分状况会在植物的生理过程和生长状况下直接反映出来，这种信息可以来自单个植物（如叶水势、茎杆直径变差、茎流等），但是必须有合理的空间分布性或者校正样本，也可以整体考虑，比如冠层温度或者总辐射。因此，以植物本身为对象的水分胁迫判断越来越受到众多学者的推崇。这一类的指标属于直接指标，可分为形态指标和生理指标两种。

3.1  形态指标

形态指标是指与植物水分代谢相关的形态特性，如叶色、叶角、叶片卷曲程度等。用CCD彩色摄像头对番茄秧苗的形态指标作了监测，采用有限元法进行了图像特征提取，而后应用神经网络对植物含水量与图像有限元特性间的非线性关系进行识别和鉴定，从而预测正在萎蔫的植物的水分状况

3.2  生理指标

生理指标是指一些与水分相关的生理性状。这些生理变化指标主要有茎流，植物水分胁迫指数，冠层温度，植物茎直径变化，植物生理电信号等。下面分别对这些指标分别进行介绍。

通过测量果树的茎液流速来计算蒸腾量，从而作为反映植物水分状况的指标之一。对植物体内的水分流速做出准确的测定，然后按照一定的公式换算，即可得到整株植物在一定时间内的蒸腾量，即茎液总流量的大小。植物茎干直径大小的不同，在公式中由茎干平均截面来体现。通过连续测定茎液流速及蒸腾量的变化规律，即可随时了解果树的供水状况。

植物水分胁迫指数是利用红外测温仪测得冠层温度，并可根据能量平衡公式中干、湿气温及净辐射等来计算得到。许多学者利用此方法对不同种类的植物进行了大量研究。植物水分胁迫指数综合考虑了土壤、植物和外界环境的因素，被认为是较理想的指标之一。

冠层温度信息可以很好地反映植物的水分状况，植物冠层和大气的温度差也常被用来作为水分胁迫诊断的指标之一。一些研究指出，植物叶冠与周围空气的温度差异是指示植物水分状况的一个良好指标。运用这个指标来检测水分胁迫是基于在适当灌溉的情况下，植物通过水分的蒸发使叶片的温度低于周围空气温度原理的。

植物叶片、果实和茎杆在缺水时的微收缩现象也可反应植物的水分胁迫和灌溉指标。这种方法的优点是提供了一种无损和持续监测植物与水分关系的方法，因此能够进行一些具体的测量，比如最大最小收缩量和收缩期长度等。

植物电信号是指与植物生理过程及体内传送信息相关的生理信号，它是植物对环境变化刺激所产生的反应。目前研究也表明，高等植物具有敏感性，当环境因子改变或植物受到刺激时产生相应反应，即植物电信号的改变。该指标检测应用也很广泛。

4  结论

植物的生长情况能综合反映天气和土壤水分的变化情况，故合理的灌溉应以植物的生长状况为主要依据。由于植物生长状况是天气条件、土壤水分条件和病虫害等综合影响的结果，植物水分状况除了应主要从植物本身考虑，还应将土壤含水率、根系分布以及大气蒸散量等情况作为辅助判断条件，因此，掌握各种情况下植物水分胁迫的诊断方法十分必要。

参考文献

[1]张嘏伟，钱东平，王建新等.虚拟仪器的计算机视觉系统设计研究与应用[J].天津科技大学学报，2005，21（11S）：136-138.

[2]王建新.大学毕业生何去何从？[N].天津教育报，2005.5.19，第1533期，第一版.

[3]王建新.LabWindows/CVI测试技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2006.10.

[4]郭雅萌，杨世凤，王建新. LabWindows/CVI与PCI数据采集卡通信技术研究[J].电子测量技术，2007，30（5）.

[5]杨世凤，王建新等.基于作物水分胁迫声发射特性检测的视情灌溉系统[P].专利号：200620028078.5