干旱胁迫下玉米各生育期叶-气温差和叶温差的日变化特征

　　玉米已成为当前中国种植面积最大且总产量最高的作物,发展玉米生产对保障国家粮食安全具有重要战略意义[1].我国的水资源匮乏已经并将更严重地影响到粮食生产,如何协调作物高产与水资源压力大的矛盾,是玉米生产面临的巨大难题.准确获取作物水分状况并及时合理补充灌溉,以及选育抗旱和高水分利用效率的品种是保障作物高产和改善水分利用效率的有效手段,已经得到国内外学者的广泛认可和关注.

　　作物冠层温度是由土壤-作物-大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere continuum)内的热量和水气流决定的,它反映了作物和大气之间的能量交换,与其能量的吸收和释放有关[2].近些年来,随着遥感和红外测温等技术的发展,快速、准确、非破坏性获取作物冠层温度变得十分简捷,基于冠层温度的作物缺水诊断与生长监测也越来越受到人们的关注[3-5]. 前 人 在 玉 米[6]、小 麦[7-9]、水 稻[10-12]、绿豆[13]、高粱[14-15]、棉花[16]、香蕉[17]和葡萄[18]等作物上,围绕气孔开度、光合速率、蒸腾速率、叶水势、比叶重、叶片卷曲度等生理和形态指标与冠层(叶片)温度的关系开展了大量的研究,将其作为重要手段对植株的水分状况与生长状态进行监测和评价.然而,目前的研究主要集中在作物冠层温度方面,往往是针对一天当中的高温强光阶段,有关日周期全光照时间内单叶叶面温度对环境光温湿度响应的研究还相对较少,而关于玉米不同生育时期的差异表现的研究也有待进一步加强.

　　本研究通过对5个玉米杂交种在梯度干旱胁迫下的单叶叶表温度和环境因子的连续监测,研究分析了玉米十三叶展期、吐丝期和灌浆期3个生育时期叶-气温差和叶温差的日变化特征及其与环境因子的关系,旨在为借助叶-气温差、叶温差指标进行玉米植株水分状况监测和节水抗旱基因型鉴定等提供参考.

　　1材料与方法

　　1.1试验设计

　　试验于2012年在河北吴桥中国农业大学吴桥实验站进行.采用人工旱棚与控水池结合的方法控制土壤水分含量.旱棚拱最高点4.5m,两侧高度3.2m,阴雨天提前将防雨布拉起遮挡,绳索固定;控水池中土壤为大田表层30cm耕层土,根据每10cm容重分层填实,深60cm,底部平铺聚乙烯厚膜隔断与深层土壤的联系,池与池之间用水泥墙隔断.土 壤 养 分 含 量 为:有 机 质1.22%,碱 解 氮69mg/kg,速效磷(P2O5)46mg/kg,速效钾(K2O)84mg/kg.

　　试验选择玉米杂交种为郑单958、先玉335、浚单20、农大108和ND66.种子来源为纯系父母本经人工授粉获得.试验于2012年5月1日播种,点播,种植密度为67 500株/hm2,每池5行×15株.

　　生长前期土壤含水量保持在80%±5%,保证玉米正常生长.十三叶展期、吐丝期和乳熟期(吐丝后28d),设置4个土壤水分处理水平,土壤相对含水量分别达到80%、65%~70%、55%~60%、45%~50%,分别代表土壤水分供应充足(Control)、轻度胁迫(Mild stress)、中度胁迫(Moderate stress)和重度胁迫(Severe stress).

　　为了适期达到设定的干旱胁迫处理,每5d测定1次土壤含水量并提前控水.十三叶展期、吐丝期和乳熟期3个时期叶温测定当日的对照、轻度胁迫、中度胁迫和重度胁迫处理0~60cm土体平均土壤含水量分别为20.9%±2.2%、16.9%±1.9%、14.2%±1.4%和12.0%±1.1%.乳熟期处理未能达到重度胁迫要求.

　　1.2叶温测定仪器及方法

　　选择使用SK-8700便携式红外线测温仪,仪器分辨率为0.1℃,测量精度为常温±0.2℃,响应时间为500ms.为保证观测数据的准确性,提前对测定植株进行标记并划定待测叶片范围,十三叶展期为最上一片完全展开叶,吐丝期和乳熟期为穗位叶.

　　玉米 生 长 至 相 应 时 期 前 后,选 择 晴 好 天 气,于6:00-2000对标记叶片固定范围进行测定,时间间隔为2h,为了减少误差测定重复6次,取其平均值作该次测定的叶温值.

　　测定时,设置仪器发 射 率为0.98,距离系数D︰S为9︰1,视场角取45°,距离叶片10cm高度左右,以保证被测叶片面积充满测温仪视场,避免背景干扰.同时使用DJL-18温湿度光照度三参数记录仪对空气温度(Free-air temperature,Ta,℃)、空气相对湿度(Relative air humidity,RH,%)、光合有 效 辐 射 (Photosynthetically active radiation,PAR,μmol/(m²·s))进行自动记录,时间间隔为30 min,饱 和 水 汽 压 差 (Vapor pressure deficit,VPD,kPa)经计算得出[19].

　　1.3数据处理与分析

　　叶-气 温 差 (Leaf-air temperature difference,LATD,℃)=测定叶片的温度(℃)-环境空气温度(℃).叶 温 差 (Leaf temperature difference,LTD,℃)=干旱胁迫处理叶片温度(℃)-水分供应充足处理叶片温度(℃)[20].利用Microsoft Excel和SAS 9.1软件进行试验数 据 标 准 化 处 理 和 统 计 分 析,采 用GraphPadPrism进行作图.

　　2结果与分析

　　2.1各测定时期环境因子日周期变化

　　如图1所示,日周期中玉米十三叶展期、吐丝期、乳熟期的光合有效辐射、大气温度呈先升高后降低的单峰曲线,而空气相对湿度则与之相反,呈先降低后升高的趋势,3个测定时期的变幅基本一致.

　　日出后随着光照强度增大气温升高,9:00以后太阳辐射继续增强,大气温度不断升高,但相对增速降低;正午前后至16:00为高温高光照低湿时段,干旱胁迫效果在此时间段内最为明显;此后,由于光照强度快速下降,气温逐渐降低.分析表明,大气温度分别与光合有效辐射和空气相对湿度呈正相关和负相关关系,相关系数为0.62~0.93和-0.77~-0.83.

　　2.2不同生育时期叶

　　-气温差对干旱胁迫的日变化响应2.2.1十三叶展期由图2可知,充足的土壤供水保证了玉米植株根系可以顺利获得维持叶片蒸腾所需的大量水分,使得叶-气温差变化平缓,并且一直保持低于大气温度的状态,即使在12:00-16:00依然保持着2℃的温差,5个玉米杂交种表现一致.而在梯度水分胁迫下,叶-气温差则随胁迫程度的加重而逐渐升高,尤其是在正午及正午过后的14:00-16:00,这与前人 在 玉 米[6]及 其 他 作 物 上 的 研 究 结 果 基 本 一致[11,15,21-22].正午前后光照强度与大气温度接近一天中的峰值,此时开始至高温强光时段结束,叶-气温差变幅随着胁迫程度的加重而出现差异逐渐增大的趋势.轻度干旱处理的土壤水分供应相对较多,叶-气温差基本维持在0℃以下,保持着良好的外部形态,叶片较为舒展,仅有部分心叶出现一定程度的萎蔫;中度胁迫变幅增大,叶表温度普遍高于大气温度1~2℃,功能叶片出现卷曲;重度干旱胁迫由于根系吸水困难,蒸腾速率大幅下降,无法利用水气流将多余热量带走,导致叶表温度高于大气温度,叶表温度较大气温度和充足供水处理分别高出约4和6℃,叶片外部形态出现严重卷曲,直至16:00光照强度开始大幅降低,大气温度回落,植株才出现缓和趋势,叶片恢复舒展状态.统计分析结果表明,5个玉米杂交种间叶-气温差没有显着性差异.

　　2.2.2吐丝期

　　如图3所示,玉米吐丝期,充足水分供应下叶表温度也一直保持低于大气温度的状态,在12:00-16:00依然保持着1℃的温差,较十三叶展期略高;与充分供水处理相比,轻度干旱胁迫总体上导致了约1℃的提高,但基本仍处于较低的叶-气温差值区间,叶表温度没有高过大气温度;高温强光时间段内,中度干旱胁迫与充足供水比较,前者较后者的叶-气温差一直高2.5 ℃左右,低于十三叶展期的4℃,并且叶表温度高于大气温度;重度胁迫下表现与十三叶展期较为相近,平均叶-气温差比对照有6℃左右的提高,这是因为严重的土壤水分亏缺超出了作物自身调节范围,蒸腾不足导致富集于叶表的热量无法被带走,叶温持续偏高.

　　2.2.3乳熟期

　　与前2个时期相比,乳熟期叶-气温差表现的总体趋势基本相同,充足供水保证了较低叶片表面温度,干旱胁迫加大了叶-气温差,并且随胁迫程度的增加叶-气温差升高的幅度加大.但是,可能是由于玉米生育后期环境光合有效辐射和大气温度降低的缘故,乳熟期叶-气温差在2个胁迫处理没有出现之前快速升高的情况,数值较前2个处理明显降低,并且只有在中度胁迫下12:00和14:00的测定结果中部分品种的叶表温度略高于大气温度(见图4).

　　2.3不同生育时期叶温差日变化特征及其品种差异

　　叶温差定义为干旱胁迫与正常水分条件下叶表温度的差值[20],在一定程度上可以反映玉米植株在遭遇干旱胁迫时叶表温度自我调节能力的高低.从叶温差对干旱胁迫的日变化响应看(表1),也表现为先随着太阳辐射的增强而升高,后随着其减弱而降低;随着干旱胁迫程度的加大,叶温差增大,特别是在12:00-16:00.

　　5个品种在3个测定时期表现出相同的趋势.而在不同的测定时期,由于环境光温湿度有别,叶温差出现极值的时间点也略有不同.总体看来:轻度干旱胁迫在十三叶展和乳熟期都导致了约2℃的升高,吐丝期只有不足1℃;中度胁迫中,乳熟期最高达到3.00~5.10 ℃(5个杂交种平均为4.13℃),出现在14:00前后,其余时间点其叶温差与吐丝期的较为接近,十三叶展期在中度胁迫下基本维持在3 ℃以上;重度胁迫下,吐丝期在12:00达到极值,随后有所降低,十三叶展期则一直处于较高的叶温差幅度范围.

　　而从不同品种的表现看,统计结果表明,在3个测定时期3种干旱胁迫处理的不同测定时间,除少数时间点外,5个杂交种在多数时间点的测定结果均表现出显着性差异,这为利用叶温差进行基因型抗旱性评价提供了可能.但是,就同一个品种来说,一方面在个别时间点差异不显着;另一方面,也存在其不同时间点的叶温差值在5个品种中的表现并不完全一致的现象,比如十三叶展的轻度胁迫处理中郑单958在10:00的叶温差值最高,但在随后的2次测定中并不一致,有高低变化,这可能是由于测定时环境因子变化引起的,也可能是品种的内在特性,当然也可能是测定误差等,但是这种不一致也限制了利用叶温差进行品种抗旱性评价的前景,还需要进一步研究不同品种叶温差与测定时间、影响因素的关系.

　　2.4玉米杂交种各生育时期叶-气温差日周期中对环境因子的相关性比较

    为了明确叶-气温差与环境因子的关系,利用本研究数据对二者的相关性进行了分析.结果表明(表2),十三叶展期叶-气温差在轻度胁迫下就易受环境因子作用而与各指标呈较高的相关关系,且相关性随着干旱胁迫程度的提高而逐步提高;玉米吐丝期已建立起更完整的冠层结构,叶-气温差在充足供水与轻度胁迫下都未有显着受环境因素影响而变动的情况出现,中度和重度胁迫下的表现与十三叶展期相近,但相关系数低于后者;玉米吐丝后28d处于乳熟期,此时穗位以下部分叶片衰老脱落,群体的透光率有所升高,造成叶-气温差与光温湿的相关系数较吐丝期有所上升,特别是与光合有效辐射的相关性有了较大提高.（表1，2略）

　　有学者提出叶-气温差与空气湿度、饱和水汽压差呈显着的正相关关系,日照总辐射和大气温度对其影响并不明显,或者这种影响是通过对饱和水汽压差的影响作用于叶-气温差的[19,23-24].本研究发现干旱胁迫处理下叶-气温差与光合有效辐射和大气温度的相关性高于空气湿度和饱和水汽压差,中度干旱胁迫下叶-气温差与光合有效辐射和大气温度的相关系数在十三叶展期、吐丝期、乳熟期分别为0.803、0.571、0.801和0.774、0.608、0.728,均高于空气湿度和饱和水汽压差,达到显着或极显着水平.

　　3讨论

　　3.1关于叶-气温差在衡量玉米植株水分丰缺状况中的应用

　　晴朗的天气条件下,日周期中太阳辐射、大气温度、空气湿度等环境因素随时间的推移而变化,作物冠层温度(单叶叶表温度)也会随之呈现规律性的变化:夜间大气温度相对较低、空气湿度较大,作物蒸腾几近停止,往往还会在叶表形成露水,使得冠层温度在10:00之前较为稳定,随着光照强度和大气温度的迅速提高,特别是在土壤水分供应不足的情况下,在14:00前后冠层温度达到峰值,随后光照强度降低,大气温度开始回落,日落前1~2h叶表温度迅速下降.冠层叶-气温差是冠层功能叶与大气温度的差值,叶-气温差在水分供应不足情况下的提高不仅仅是一个表象,它是植株自身通过气孔调节增加或降低蒸腾作用后的结果,能够反映作物冠层叶片的能量平衡、保护自身的正 常代谢调节能力[20,25],是作物适应干旱的一种行之有效的方式.

　　但是,由于冠层温度是来自多个不同功能叶片的叶表温度,不同叶位叶片功能的差异以及不同叶位叶片空间着生状态不同造成的测定方位的差异等,必然造成从不同方位或特定方位测定数值的变动较大,需要长时间连续监测.

　　本研究通过设置不同的水分处理,对玉米单叶叶-气温差日变化特征及其与环境因子的关系进行了比较系统的研究,表明玉米单叶叶-气温差在水分供应充足的条件下较为稳定,基本维持在-4~-1.0℃1度胁迫与充足供水处理之间的差值可达5 ℃以上,单叶叶-气温差能够很好地反映玉米植株水分丰缺状况,可以作为判别玉米旱情状态的重要指标.

　　由于对单叶叶表温度的监测仅涉及相同叶位叶片,从相同的固定方位进行测定,可以克服对冠层温度监测过程中存在的问题.而随着近年来红外测温技术的发展,基于叶-气温差的变化来监测作物的水分状况越来越受到人们的关注,这和长期以来大量进行的感官判定、生理鉴定法等比较,具有客观、定量、快速和无损便捷的特点,对指导作物生产和农业用水综合管理具有重要意义.

　　3.2关于叶-气温差与叶温差在玉米抗旱品种筛选中的应用

　　叶-气温差是叶面温度和气温对干旱程度和作物生理适应能力的双重反映,在一定程度上能够反映该作物(品种)的生物量和产量面临干旱胁迫时的调节能力,梯度的干旱胁迫导致了玉米叶温升高的同时也往往伴随着水分利用效率的下降和整个生育期干物重积累及产量的降低[20,26-28].因此,大量的研究提出将叶温或叶-气温差作为抗旱性高产品种筛选培育的重要指标,如张嵩午[20,29]在小麦上提出"冷暖型"的概念并进行品种类型的划分等.但是,本研究中5个玉米杂交种间叶-气温差并没有显着性差异,即使土体相对含水量达到45%的重度胁迫,仍不能对其进行"冷暖型"的划分;而就叶温差的研究结果看,5个杂交种在3个测定时期3种干旱胁迫处理的多数测定时间均表现出显着性差异.

　　玉米杂交种对叶-气温差和叶温差反映的不同涉及复杂的生态生理过程,由于气温一样,叶-气温差实际反映了在一定水分状况下叶片的温度变化,不仅受自身调节能力的影响,也受到气温等环境因素的强烈影响,不同杂交种间叶-气温差不显着可能说明玉米生长期间高的环境温度足以掩盖种间自身的调节能力的差异;而叶温差则反映了一定水分胁迫下玉米维持正常水分状态下叶片温度的能力,涉及2种水分生长状态,使得玉米自身调节能力得以充分反映(加倍),最终表现为种间差异显着.而不同玉米杂交种间叶温差差异显着,也为利用叶温差进行玉米品种抗旱性筛选提供了可能.

　　但是,从本研究的结果看,一方面,少数时间点测定结果5个杂交种间差异不显着说明实际应用中的时间限制(假如排除试验误差,实际应用时需要避开差异不显着的时间点);另一方面,同一杂交种也存在其不同时间点的叶温差大小在5个杂交种中表现不一致的现象,如果排除试验误差,这可能是由于测定时间点风云状况等环境因子变化引起的,也可能就是品种的内在特性,而这种不一致也要求必须在实际应用中找到相对稳定的时间点并建立准确的筛选方法.因此,尽管存在利用叶温差进行玉米基因型抗旱性评价的前景,但进一步深入细致的研究是必需的,尚有许多工作要做.

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