CN105181894B - 一种植物水分利用效率的确定方法、处理器及确定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种植物水分利用效率的确定方法、处理器及确定系统，所述确定方法包括：获取安装在目标区域内的二氧化碳浓度检测器采集的环境二氧化碳浓度数据；获取安装在目标区域土壤内的土壤体积含水量检测器采集的土壤体积含水量数据；根据所述环境二氧化碳浓度数据以及所述土壤体积含水量数据，通过预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系，确定所述目标区域中的植物的水分利用效率。本发明通过预先建立二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系，可以定量植物达到最优水分利用效率下的二氧化碳浓度和土壤体积含水量的最优区间，为气候变化条件下的植物与大气间水、碳耦合理论的建立提供理论支撑。

Description

一种植物水分利用效率的确定方法、处理器及确定系统

技术领域

本发明涉及生态学中的模型构建技术领域，具体涉及一种植物水分利用效率的确定方法、处理器及确定系统。

背景技术

上个世纪大气中二氧化碳CO₂浓度的增加及其所引起的气候变化对树木生理产生深刻的影响作用，即通过气孔变化改变树木的碳、水通量特征。因此研究CO₂对植物和气候条件(例如干旱)的直接影响及其相互作用对于理解过去并预测未来森林生长和碳固存非常有益。在某些地区，气候变化和增加的CO₂浓度会促进树木生长，即通过CO₂施肥作用使植物光合作用加强。然而这种CO₂浓度的增加效应也会造成干旱的加剧，例如其会抑制植物生长，甚至产生胁迫导致死亡。同时这些植物生理特性的改变也会不可避免的改变生物圈内CO₂浓度和水通量及其两者间的相互关系。

而有关如今的演替后期的森林群落是如何逐渐适应当今的气候变化的评估工作很难利用观测和实验手段来进行评价与衡量。由此，对于树木对目前大气CO₂浓度的增加是如何做出生理上的改变还不是很清楚。因此，准确量化水分和CO₂浓度的改变量将会变得至关重要，这是由于水、碳通量的循环与森林群落碳固存潜力和与温度相关的蒸发反馈(例如蒸散变化可能会加剧或减小增温效应)相互关联。

水分利用效率常用其来解释植物与大气之间水、碳交换过程中的耦合特征及其变化。植物间不同的水分利用效率由植物光合碳同化过程中的水损耗与碳收获量间的权衡关系所决定，同时其也反映水碳循环中的耦合过程存在变异。

发明内容

本发明的目的在于如何确定植物水分利用效率。

为此目的，第一方面，本发明提出一种植物水分利用效率的确定方法，包括：

获取安装在目标区域内的二氧化碳浓度检测器采集的环境二氧化碳浓度数据；

获取安装在目标区域土壤内的土壤体积含水量检测器采集的土壤体积含水量数据；

根据所述环境二氧化碳浓度数据以及所述土壤体积含水量数据，通过预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系，确定所述目标区域中的植物的水分利用效率。

可选的，所述预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系通过以下步骤实现：

元素分析仪煅烧培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品，其中，每个植物样品对应一个土壤体积含水量梯度；

同位素光谱仪收集所述元素分析仪的煅烧气体以及所述培养箱内环境气体进行稳定碳同位素分析，得到所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的第一稳定碳同位素丰度值以及培养箱内不同二氧化碳浓度梯度下的环境气体的第二稳定碳同位素丰度值；

计算机基于所述同位素光谱仪得到的所述第一稳定碳同位素丰度值以及所述第二稳定碳同位素丰度值，计算所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的水分利用效率；

计算机根据计算得到所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的水分利用效率，拟合得到二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系。

可选的，所述二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系为：

其中，WUE为水分利用效率，x₁为二氧化碳浓度，x₂为土壤体积含水量，k₁至k₇为所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的水分利用效率拟合得到的常数。

第二方面，本发明还提供一种处理器，包括：

第一获取单元，用于获取安装在目标区域内的二氧化碳浓度检测器采集的环境二氧化碳浓度数据；

第二获取单元，用于获取安装在目标区域土壤内的土壤体积含水量检测器采集的土壤体积含水量数据；

确定单元，用于根据所述环境二氧化碳浓度数据以及所述土壤体积含水量数据，通过预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系，确定所述目标区域中的植物的水分利用效率。

第三方面，本发明还提供一种植物水分利用效率的确定系统，包括：二氧化碳浓度检测器、土壤体积含水量检测器以及如第二方面所述的处理器；

所述二氧化碳浓度检测器安装在目标区域内；所述土壤体积含水量检测器安装在目标区域土壤内；所述处理器连接所述二氧化碳浓度检测器以及所述土壤含水量检测器。

相比于现有技术，本发明提供了一种植物水分利用效率的确定方法、控制器及确定系统，通过预先建立二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系，可以定量植物达到最优水分利用效率下的二氧化碳浓度和土壤体积含水量两参数的最优区间，为气候变化条件下的植物与大气间水、碳耦合理论的建立提供理论支撑。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种植物水分利用效率的确定方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种处理器结构图；

图3为本发明实施例提供的一种植物水分利用效率的确定系统结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例公开一种植物水分利用效率的确定方法，所述确定方法可以包括以下步骤101至103：

101、获取安装在目标区域内的二氧化碳浓度检测器采集的环境二氧化碳浓度数据；

102、获取安装在目标区域土壤内的土壤体积含水量检测器采集的土壤体积含水量数据；

103、根据所述环境二氧化碳浓度数据以及所述土壤体积含水量数据，通过预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系，确定所述目标区域中的植物的水分利用效率。

具体地，步骤103中，将所述环境二氧化碳浓度数据以及所述土壤体积含水量数据代入预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系式，从而得到目标区域中的植物的水分利用效率。

在一个具体的例子中，所述预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系通过以下步骤S1至S4实现：

S1、元素分析仪煅烧培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品，其中，每个植物样品对应一个土壤体积含水量梯度。

S2、同位素光谱仪收集所述元素分析仪的煅烧气体以及所述培养箱内环境气体进行稳定碳同位素分析，得到所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的第一稳定碳同位素丰度值以及培养箱内不同二氧化碳浓度梯度下的环境气体的第二稳定碳同位素丰度值。

S3、计算机基于所述同位素光谱仪得到的所述第一稳定碳同位素丰度值以及所述第二稳定碳同位素丰度值，计算所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的水分利用效率。

S4、计算机根据计算得到所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的水分利用效率，拟合得到二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系。

在一个具体的例子中，所述二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系为：

其中，WUE为水分利用效率，x₁为二氧化碳浓度，x₂为土壤体积含水量，k₁至k₇为所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的水分利用效率拟合得到的常数。

下面举例来说二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系的建立过程：

1、培养环境设置：将高照度培养箱内环境温度设置为日温(08:00-17:00)25℃；夜温(17:00-08:00)18℃。箱内环境湿度设置为日湿(08:00-17:00)50％；夜湿(17:00-08:00)80％。箱内光照强度设置为白日光照排程开启1、2、3、4(08:00-17:00)；夜晚所有光照排程全部关闭。

2、实验材料准备：以侧柏实生苗为研究对象，要求侧柏苗高为1m，地径为1.2cm，长势一致，种植于内口径为22cm，高度为22cm的盆栽塑料盆中。盆栽土壤取自研究区原状土，质量均为8.5kg，保持盆栽土壤具有相同的土壤容重。用塑料薄膜覆盖盆栽土壤以防止土壤水分蒸发。

3、培养箱内二氧化碳浓度梯度的设置：将纯度为为99.9％的二氧化碳气瓶与培养箱连接，根据培养箱内置二氧化碳浓度检测器，设置培养箱内二氧化碳浓度梯度分别为100ppm、200ppm、300ppm、400ppm、500ppm、600ppm、700ppm和800ppm。

4、盆栽土壤体积含水量梯度的设置：依据研究区自然状态下的土壤容重，来确定盆栽土壤的体积含水量，进行人工浇水处理。分别设置盆栽土壤质量含水梯度处理为重度干旱(8％±1％)、中度干旱(13％±1％)、轻度干旱(20％±1％)、田间持水量(40％±1％)、降雨过湿(60％±1％)。

5、试验处理：将盆栽侧柏放置于培养箱内。本实施例中，由于采用5个土壤体积含水量梯度，因此在培养箱中放置5个盆栽侧柏，又由于有8个二氧化碳浓度梯度，所以共有40组交互处理数据。

6、盆栽侧柏长期水分利用效率的测定：

6.1、首先分3层重复3次取盆栽植物叶片样品以备用；

6.2、将采集的植物叶片样品置于60℃恒温箱中48h后，用研钵和粉碎机将样品研磨粉碎直至可过80目筛，制备成供试样品；

6.3、取粉碎过筛后的植物样品适量(约2mg)样品，置于总有机碳元素分析仪中，通过不含二氧化碳的空气，经过950℃高温使干燥的样品在密封的有过量氧气的石英玻璃管中燃烧，此时样品中所有的碳都转化为气态二氧化碳，用气袋收集燃烧后的气体；

6.4、利用同位素光谱仪对经过灼烧后的样品气体进行测定，得到植物样品的稳定碳同位素比值δ¹³C值。

6.5、同样的方法分析箱体内环境二氧化碳浓度及其δ¹³C值，每样品3次重复。

6.6、根据公式(1～3)利用植物样品的δ¹³C值计算植物的水分利用效率：

P_n＝g(C_a-C_i)/P (1)

E＝1.6g(e_i-e_a)/P＝1.6gΔe/P (2)

式(1～2)中，P_n为光合同化速率，g为二氧化碳在边界层和气孔的扩散导度，P为大气压，C_a与C_i分别为环境和植物细胞内的二氧化碳浓度，E为蒸腾速率，e_a和e_i分别为环境和植物细胞内的水汽分压，δ¹³C_a和δ¹³C_p分别为环境二氧化碳和植物的δ¹³C值，a和b分别为二氧化碳扩散和羧化过程中的同位素分馏系数，其中a为4.4％，b为30％。数值1.6为水蒸气和二氧化碳在环境中的扩散比率，Δe为叶片内外水蒸气压差，由植物生长过程中取样日前的平均白日(8:00-18:00)气象数据(环境温度T、环境湿度RH等)计算得出(式4)：

Δe＝0.611×e^{17.502T/(240.97+T)}×(1-RH) (4)

其中：e为实际水汽压；T为盆栽植物叶片温度；RH(Relative humidity)为箱体内相对湿度；0.611为t＝0℃时纯水平面上的饱和水汽压。

将公式(4)带入公式(3)中，得到：

通过以上步骤，可得到40组处理数据即所述二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系试验数据组。

所述二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系为：

其中，WUE为水分利用效率，x₁为二氧化碳浓度，x₂为土壤体积含水量。k₁至k₇可通过拟合40组数据得到。

如图2所示，本实施例公开一种处理器，该处理器可以包括以下单元：第一获取单元21、第二获取单元22及确定单元23。

所述第一获取单元21，用于获取安装在目标区域内的二氧化碳浓度检测器采集的环境二氧化碳浓度数据；

所述第二获取单元22，用于获取安装在目标区域土壤内的土壤体积含水量检测器采集的土壤体积含水量数据；

所述确定单元23，用于根据所述环境二氧化碳浓度数据以及所述土壤体积含水量数据，通过预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系，确定所述目标区域中的植物的水分利用效率。

具体地，所述第二确定单元23，用于将第一获取单元21获取的目标区域内的二氧化碳浓度数据与第二获取单元22获取到的目标区域内的土壤体积含水量代入预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系式，从而确定目标区域中的植物的水分利用效率。

如图3所示，本实施例公开一种植物水分利用效率的确定系统，该确定系统包括：二氧化碳浓度检测器31、土壤体积含水量检测器32以及如图2所示的处理器33；

所述二氧化碳浓度检测器31安装在目标区域内；所述土壤体积含水量检测器32安装在目标区域土壤内；所述处理器33连接所述二氧化碳浓度检测器31以及所述土壤体积含水量检测器32。

相比于现有技术，上述实施例公开的植物水分利用效率的确定方法、控制器及确定系统，通过预先建立二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系，可以定量植物达到最优水分利用效率下的二氧化碳浓度和土壤体积含水量两参数的最优区间，为气候变化条件下的植物与大气间水、碳耦合理论的建立提供理论支撑。

需要说明的是，本文中“第一”和“第二”仅仅用来区分名称相同的实体或操作，并不代表名称相同的实体或操作间的顺序或关系。

本领域技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是互相排斥之处，可以采用任何组合对本说明书中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (4)

1.一种植物水分利用效率的确定方法，其特征在于，包括：

获取安装在目标区域内的二氧化碳浓度检测器采集的环境二氧化碳浓度数据；

获取安装在目标区域土壤内的土壤体积含水量检测器采集的土壤体积含水量数据；

根据所述环境二氧化碳浓度数据以及所述土壤体积含水量数据，通过预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系，确定所述目标区域中的植物的水分利用效率；

所述预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系通过以下步骤实现：

元素分析仪煅烧培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品，其中，每个植物样品对应一个土壤体积含水量梯度；

同位素光谱仪收集所述元素分析仪的煅烧气体以及所述培养箱内环境气体进行稳定碳同位素分析，得到所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的第一稳定碳同位素丰度值以及培养箱内不同二氧化碳浓度梯度下的环境气体的第二稳定碳同位素丰度值；

计算机基于所述同位素光谱仪得到的所述第一稳定碳同位素丰度值以及所述第二稳定碳同位素丰度值，计算所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的水分利用效率；

计算机根据计算得到所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的水分利用效率，拟合得到二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系为：

$WUE=\frac{k_1{x_1}^3+k_2{x_1}^2+k_3{x}_1+k_4}{k_5{x_2}^2+k_6{x}_2+k_7}$

其中，WUE为水分利用效率，x₁为二氧化碳浓度，x₂为土壤体积含水量，k₁至k₇为所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的水分利用效率拟合得到的常数。

3.一种处理器，其特征在于，包括：

第一获取单元，用于获取安装在目标区域内的二氧化碳浓度检测器采集的环境二氧化碳浓度数据；

第二获取单元，用于获取安装在目标区域土壤内的土壤体积含水量检测器采集的土壤体积含水量数据；

确定单元，用于根据所述环境二氧化碳浓度数据以及所述土壤体积含水量数据，通过预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系，确定所述目标区域中的植物的水分利用效率；

所述预先建立的二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系通过以下步骤实现：

元素分析仪煅烧培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品，其中，每个植物样品对应一个土壤体积含水量梯度；

同位素光谱仪收集所述元素分析仪的煅烧气体以及所述培养箱内环境气体进行稳定碳同位素分析，得到所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的第一稳定碳同位素丰度值以及培养箱内不同二氧化碳浓度梯度下的环境气体的第二稳定碳同位素丰度值；

计算机基于所述同位素光谱仪得到的所述第一稳定碳同位素丰度值以及所述第二稳定碳同位素丰度值，计算所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的水分利用效率；

计算机根据计算得到所述培养箱内不同二氧化碳浓度梯度培养下的多个植物样品的水分利用效率，拟合得到二氧化碳浓度、土壤体积含水量与水分利用效率的函数关系。

4.一种植物水分利用效率的确定系统，其特征在于，包括：二氧化碳浓度检测器、土壤体积含水量检测器以及如权利要求3所述的处理器；

所述二氧化碳浓度检测器安装在目标区域内；所述土壤体积含水量检测器安装在目标区域土壤内；所述处理器连接所述二氧化碳浓度检测器以及所述土壤含水量检测器。