CN107085643B - 一种盐水灌溉节点的获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盐水灌溉节点的获取方法，属于农田灌溉技术领域。利用两参数的指数衰减方程和直角双曲线方程构建叶片生理电容、叶片紧张度与盐逆境水平模型以及植物干重生物量与叶片生理电容、叶片紧张度的关系模型，依据模型求出了植物基于叶片生理电容、叶片紧张度的直灌点和稀释灌点。本发明步骤简单，对植物损伤小，测定的结果灵敏、精度高，测得的灌溉节点为量化指标，具有较好的可比性，可用于精确控制盐水灌溉，节约淡水资源。
Description
技术领域
本发明涉及一种盐水灌溉节点的获取方法，属于农田灌溉技术领域。
背景技术
现如今，由于人口的需求和迅速发展的工农业大量用水，在一些国家中，淡水不足已成为严重的问题，国内外许多专家提出了盐水灌溉的可能性，如何开发利用这些盐水，以增辟水源，扩大农田灌溉面积，预防将来工农业争水矛盾，已是发展农业生产的一个急需研究解决的问题。盐水灌溉是一个比较复杂的问题，具有两重性，有“利”与“害”的两个方面，一方面，它供给农作物以必需的水分和养分，使作物能够生长；另一方面，也给农田带来了盐分，抑制植物的生长，使土壤发生盐碱化。因此，了解盐水灌溉的客观规律，找出盐水灌溉的合理节点，认识水与盐、作物与土壤之间的相互关系，采取一系列有效的农业技术措施，充分发挥盐水灌溉中的有利因素，克服有害因素，对农田灌溉具有重要的意义。
通常的盐水灌溉没有量化数据，一方面会造成植物伤害，另一方面使水资源造成大量的浪费，加速土壤的盐碱化。目前电生理检测方面取得了长足的进展，利用植物组织电参数值的变化可以表征植物生命活动中的物理信息，可以反映植物体宏观与微观结构变化。由于植物在不同的生长环境中所表现出来的生理响应是不相同的，电生理参数也不相同，因此可以用植物电生理参数来反映植物的这些生理变化。植物叶片由大量细胞组成，细胞液浓度以及体积的变化能够准确反映植物叶片的水分状况，而细胞液浓度以及体积的变化能够用生理电容或者叶片紧张度来反映。盐逆境将导致植物体细胞中水分的变化，因此可以用植物的生理电容或者叶片紧张度来量化植物所遭受的盐分胁迫效应，通过建立机理模型，从而使盐水灌溉数据量化。目前还未见到通过植物的生理电容或者叶片紧张度来来获取盐水灌溉节点的报道。本发明则公开了一套获取盐水灌溉节点的方法，以克服目前许多方法的诸多弊病和缺陷。
发明内容
本发明提供了一种通过电生理参数的测定既能评估植物的抗盐能力又能量化植物盐水灌溉节点的方法，克服了现有技术和方法不能量化和不可逆损伤植物的弊病和缺陷。
本发明采取以下技术方案：
一种盐水灌溉节点的获取方法，包括以下步骤：
步骤一，实验室内采用同样规格的穴盘萌发植物种子，配制培养液培养幼苗至3叶期以上，选择生长较为一致的幼苗作为被考察植物幼苗；
步骤二，将被考察植物幼苗分别培养在含有不同盐逆境水平的培养液中；
步骤三，待被考察植物幼苗培养至两周以上，以第一展开叶为考察对象，于同一时段测定其叶水势W和生理电容CP，随后测定植物干重生物量DW；
步骤四，依据叶水势W和生理电容CP计算叶片紧张度LT；
步骤五，利用两参数指数衰减方程分别构建叶片生理电容CP、叶片紧张度LT与盐逆境水平模型；
步骤六，利用直角双曲线方程构建植物干重生物量DW与叶片生理电容CP、叶片紧张度LT的关系模型；
步骤七，依据植物干重生物量DW与叶片生理电容CP的模型中的参数取CP值，即植物生长量受到对应的盐逆境水平抑制作用较小点和植物允许的生长量损失点，将CP值代入叶片生理电容CP与盐逆境水平模型中，求出基于叶片生理电容的直灌点WIcp和稀释灌点WDIcp；
步骤八，依据植物干重生物量DW与叶片紧张度LT的模型中的参数取LT值，即植物生长量受到对应的盐逆境水平抑制作用较小点和植物允许的生长量损失点，将LT值代入叶片紧张度LT与盐逆境水平模型中，求出基于叶片紧张度的直灌点WIlt和稀释灌点WDIlt。
进一步，所述步骤二中的盐逆境水平以培养液的电导率表示。
进一步，所述步骤四中计算叶片紧张度LT的公式为其中i系解离系数，R为气体常数，T为热力学温度，ε0为真空介电常数，a为细胞液溶质的相对介电常数，M为细胞液溶质的相对分子质量。
进一步，所述步骤五中叶片生理电容CP与盐逆境水平模型为叶片紧张度LT与盐逆境水平模型为其中a1、a2、b1、b2是模型常数，XEC为盐逆境水平。
进一步，所述步骤六中植物干重生物量DW与生理电容CP的关系模型为植物干重生物量DW与叶片紧张度LT的关系模型为其中m1、m2、n1、n2、DW01和DW02是模型常数。
进一步，所述步骤七中CP取值为3n1和n1，分别将CP＝3n1和CP＝n1代入中，求出对应的盐逆境水平XEC，即基于叶片生理电容的直灌点WIcp和稀释灌点WDIcp。
进一步，所述步骤八中LT取值为3n2和n2，分别将LT＝3n2和LT＝n2代入中，求出对应的盐逆境水平XEC，即基于叶片紧张度的直灌点WIlt和稀释灌点WDIlt。
本发明的有益效果为：
1)本发明建立植物在不同盐水平下，叶片生理电容与盐逆境水平以及叶片紧张度与盐逆境水平模型，能很好表征电生理指标与盐度之间的关系。
2)本发明测得的基于叶片生理电容的直灌点和稀释灌点和基于叶片紧张度的直灌点和稀释灌点，可用于精确控制盐水灌溉，节约淡水资源。
3)本发明测得的灌溉节点为量化指标，具有较好的可比性；在测得的灌溉节点的同时，还可以量化植物的抗盐能力；且对植物损伤小，步骤简单，测定的结果灵敏、精度高。
附图说明
图1为叶片生理电容CP、叶片紧张度LT与盐逆境水平之间关系的拟合曲线图，图1(a)为红秋葵叶片生理电容CP与盐逆境水平之间关系的拟合曲线图，图1(b)为红秋葵叶片紧张度LT与盐逆境水平之间关系的拟合曲线图，图1(c)为绿秋葵叶片生理电容CP与盐逆境水平之间关系的拟合曲线图，图1(d)为绿秋葵叶片紧张度LT与盐逆境水平之间关系的拟合曲线图；
图2为植物干重生物量DW与生理电容CP、叶片紧张度LT之间关系的拟合曲线图，图2(a)为红秋葵干重生物量DW与生理电容CP之间关系的拟合曲线图，图2(b)为红秋葵干重生物量DW与叶片紧张度LT之间关系的拟合曲线图，图2(c)为绿秋葵干重生物量DW与生理电容CP之间关系的拟合曲线图，图2(d)为绿秋葵干重生物量DW与叶片紧张度LT之间关系的拟合曲线图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
发明原理：
两参数的指数衰减模型为：
Y＝ae-bX (1)
其中，e是自然对数常数，a代表初始叶片紧张度或者生理电容，b代表衰减速率。
构建模型植物叶片生理电容与盐胁迫水平以及叶片紧张度与盐胁迫水平模型，将待测作物生理电容或叶片紧张度代入模型则可以预测植物所遭受的盐胁迫水平。
表示酶促反应的起始速度与底物浓度关系的米氏方程为：
其中：I为植物对养分的吸收速率；Imax为植物体对养分的最大吸收速率；Km为米氏常数，即当吸收速率为最大吸收速率Imax一半时的外界养分浓度，C为底物浓度。
同样，米氏方程也可用于描述净光合速率与光合有效辐射强度或者CO2之间关系，它们同样可以用直角双曲线方程来表示，如(3)：
其中：A为净光合速率；I为光合有效辐射强度或者胞间CO2浓度；Amax为饱和光强或者CO2饱和时的净光合速率，即最大净光合速率；R为呼吸速率；K为常数，代表当净光合速率为最大净光合速率Amax一半时的外界光强或者CO2浓度。
光合作用总反应式为：
CO2+H2O＝(CH2O)+O2 (4)
其中(CH2O)表示糖类，CO2和H2O同为光合作用的反应底物，且反应比例为1:1，即光合作用过程中的净CO2同化速率等同于净H2O同化速率。植物叶片由大量细胞组成，细胞液浓度以及体积的变化能够准确反映植物叶片的水分状况，而细胞液浓度以及体积的变化能够用生理电容或者叶片紧张度来反映。生物量主要取决于植物叶片净光合速率的大小，所以，光合作用对光强或者CO2响应的直角双曲线模型同样可用于生长量对叶片生理电容CP或者叶片紧张度LT响应的曲线拟合。
直角双曲线方程由米氏方程推导演化而来，其中的K值同样可以用于表示当生长量(A)为最大生长量Amax一半时的生理电容CP或者叶片紧张度LT值。整个直角双曲线方程可划分为3段，前段为一级反应，中段为混合级，后段为二级反应。前段在CP小于(等于)K或者LT小于(等于)K时，此时斜率最大，因此，CP＝K或者LT＝K时，可得到植物允许的生长量损失点，当CP小于K或者LT小于K时，植物生长受到显著抑制，甚至不能完成植物整个生育史，因此，在淡水紧缺地区，用该点(CP＝K或者LT＝K)对应的盐逆境水平进行灌溉时需要对盐水进行稀释后方可用于灌水，该点(CP＝K或者LT＝K)对应的盐逆境水平称为稀释灌点。中段的中点为CP＝3K或者LT＝3K时，此时植物的生长量为最大生长量Amax的3/4处。当CP大于或等于3K或者LT大于或等于3K时，生长量受到对应的盐逆境水平的抑制作用较小，用对应的盐逆境水平的盐水灌溉，就不要对盐水进行稀释，可以直接进行灌溉。因此，CP＝3K或者LT＝3K对应的盐逆境水平就是直灌点。
实施例：
取秋葵为研究材料，品种分别为红秋葵和绿秋葵；室内采用12孔穴盘萌发秋葵种子，配制霍格兰培养液培养幼苗至3叶期后，分别选择生长较为一致的幼苗作为被考察植物幼苗。添加等量的NaCl和CaCl2到霍格兰培养液中，配制不同盐逆境水平的培养液，如表1所示。
表1不同盐逆境水平
分别用不同盐逆境水平的培养液对上述3叶期后的被考察植物幼苗同时进行培养，每天更换新的相对应的培养液，在培养的第21天上午9：00-11：00时测定不同盐逆境水平下两种秋葵的叶水势W和生理电容CP(表2)及植物干重生物量DW(表3)。
同时，依据叶水势W和生理电容CP，计算叶片紧张度LT。
其中：W为植物组织水势，MPa；i系解离系数，其值为1；R为气体常数，0.0083L·MPa/mol·K；T为热力学温度K，T＝273+t℃，t为环境温度；CP为植物叶片生理电容，F；真空介电常数ε0＝8.854×10-12F/m；a为细胞液溶质的相对介电常数，F/m；M为细胞液溶质的相对分子质量；叶片细胞液溶质假定为蔗糖，此时a为3.3F/m，M为342，计算结果如表2。
表2不同盐逆境水平下两种秋葵叶片生理电容CP、叶水势W和叶片紧张度LT
表3不同盐逆境水平下两种秋葵的植物干重生物量DW
| 逆境水平(％) | 红秋葵 | 绿秋葵 |
| 0 | 50.34 | 43.50 |
| 0 | 49.54 | 42.70 |
| 0 | 50.60 | 43.20 |
| 0.6 | 40.12 | 30.00 |
| 0.6 | 40.12 | 29.00 |
| 0.6 | 40.14 | 30.10 |
| 1.2 | 30.13 | 25.40 |
| 1.2 | 30.00 | 26.40 |
| 1.2 | 29.80 | 26.10 |
| 1.8 | 22.00 | 22.30 |
| 1.8 | 20.00 | 22.10 |
| 1.8 | 20.00 | 21.60 |
随后，利用两参数的指数衰减方程(1)构建叶片生理电容CP与盐逆境水平以及叶片紧张度LT与盐逆境水平模型，分别为：
其中，a1、a2、b1、b2是方程的常数，XEC为盐逆境水平，以溶液的电导率表示；
通过Sigmaplot软件对叶片生理电容CP、叶片紧张度LT与盐逆境水平之间的关系进行曲线拟合，拟合曲线见图1；同时可得到两参数的指数衰减方程的拟合参数，即红秋葵为a1＝123.837，b1＝0.142，a2＝200.706，b2＝0.131；绿秋葵为a1＝161.075，b1＝0.239，a2＝240.708，b2＝0.208；将参数值代入指数衰减方程即可得到对应的关系模型；如表4所示。
表4两种秋葵叶片生理电容CP、叶片紧张度LT与盐逆境水平模型
从表4可以看出，叶片生理电容CP与盐逆境水平以及叶片紧张度LT与盐逆境水平模型都可以很好地表征电生理指标与盐逆境之间的关系，从决定系数的平方值(R2)来看，与叶片生理电容CP与盐逆境关系相比，叶片紧张度LT与盐逆境关系可更好地用两参数的指数衰减方程来拟合。
利用直角双曲线方程构建植物干重生物量DW关系与生理电容CP或叶片紧张度LT关系模型，分别为：
其中，m1、m2、n1、n2、DW01和DW02是方程的常数；
通过Sigmaplot软件对植物干重生物量DW关系与生理电容CP、叶片紧张度LT之间的关系进行曲线拟合，拟合曲线见图2，同时可得到直角双曲线方程的拟合参数，即红秋葵为DW01＝18.42，m1＝43.67，n1＝34.24，DW02＝16.19，m2＝46.42，n2＝54.14；绿秋葵为DW01＝22.01，m1＝28.05，n1＝32.75，DW02＝21.69，m2＝31.57，n2＝74.21；将参数值代入直角双曲线方程即可得到对应的关系模型；结果如表5所示。
表5两种秋葵干重生物量DW与叶片生理电容CP、叶片紧张度LT关系模型
从表5可以看出，植物干重生物量DW关系与生理电容CP或叶片紧张度LT关系模型都可以很好地表征电生理指标与植株生长之间的关系；同样，从决定系数的平方值(R2)来看，与叶片生理电容CP与植株生长关系相比，叶片紧张度LT与植株生长关系可更好地用直角双曲线方程来拟合。
将CP＝3n1和CP＝n1分别代入和中；求出对应的盐逆境水平，即为两种秋葵的基于叶片生理电容的直灌点WIcp和稀释灌点WDIcp；将LT＝3n2和LT＝n2分别代入和中；求出对应的盐逆境水平，即为两种秋葵的基于叶片紧张度的直灌点WIlt和稀释灌点WDIlt，如表6。
表6两种秋葵基于叶片生理电容的直灌点WIcp和稀释灌点WDIcp以及基于叶片紧张度的直灌点WIlt和稀释灌点WDIlt
| 品种 | WI<sub>cp</sub> | WDI<sub>cp</sub> | WI<sub>lt</sub> | WDI<sub>lt</sub> |
| 红秋葵 | 1.32 | 9.05 | 1.62 | 10.00 |
| 绿秋葵 | 2.07 | 6.67 | 0.38 | 5.66 |
从表6可以看出，两种秋葵无论是基于叶片生理电容的稀释灌点WDIcp，还是基于叶片紧张度的稀释灌点WDIlt都大于直灌点WIcp和WIlt，这是因为随着盐度的增加对生长的抑制增加，当到了稀释灌点时，盐度对生长抑制强烈，必须稀释盐水才能灌溉，这与事实是相符的。同时可以看到红秋葵的稀释灌点显著大于绿秋葵，表明红秋葵抗盐能力强。
以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明保护。
Claims (3)
1.一种盐水灌溉节点的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，实验室内采用同样规格的穴盘萌发植物种子，配制培养液培养幼苗至3叶期以上，选择生长较为一致的幼苗作为被考察植物幼苗；
步骤二，将被考察植物幼苗分别培养在含有不同盐逆境水平的培养液中；
步骤三，待被考察植物幼苗培养至两周以上，以第一展开叶为考察对象，于同一时段测定其叶水势W和生理电容CP，随后测定植物干重生物量DW；
步骤四，依据叶水势W和生理电容CP计算叶片紧张度LT；
步骤五，利用两参数指数衰减方程分别构建叶片生理电容CP、叶片紧张度LT与盐逆境水平模型；
步骤六，利用直角双曲线方程构建植物干重生物量DW与叶片生理电容CP、叶片紧张度LT的关系模型；
植物干重生物量DW与生理电容CP的关系模型为植物干重生物量DW与叶片紧张度LT的关系模型为其中m1、m2、n1、n2、DW01和DW02是模型常数；
步骤七，依据植物干重生物量DW与叶片生理电容CP的模型中的参数取CP值，即植物生长量受到对应的盐逆境水平抑制作用较小点和植物允许的生长量损失点，将CP值代入叶片生理电容CP与盐逆境水平模型中，求出基于叶片生理电容的直灌点WIcp和稀释灌点WDIcp；CP取值为3n1和n1，分别将CP＝3n1和CP＝n1代入叶片生理电容CP与盐逆境水平模型中，求出对应的盐逆境水平XEC，即基于叶片生理电容的直灌点WIcp和稀释灌点WDIcp；其中a1、b1是模型常数；
步骤八，依据植物干重生物量DW与叶片紧张度LT的模型中的参数取LT值，即植物生长量受到对应的盐逆境水平抑制作用较小点和植物允许的生长量损失点，将LT值代入叶片紧张度LT与盐逆境水平模型中，求出基于叶片紧张度的直灌点WIlt和稀释灌点WDIlt；LT取值为3n2和n2，分别将LT＝3n2和LT＝n2代入叶片紧张度LT与盐逆境水平模型中，求出对应的盐逆境水平XEC，即基于叶片紧张度的直灌点WIlt和稀释灌点WDIlt；其中a2、b2是模型常数。
2.根据权利要求1所述的一种盐水灌溉节点的获取方法，其特征在于，所述步骤二中的盐逆境水平以培养液的电导率表示。
3.根据权利要求1所述的一种盐水灌溉节点的获取方法，其特征在于，所述步骤四中计算叶片紧张度LT的公式为其中i系解离系数，R为气体常数，T为热力学温度，ε0为真空介电常数，a为细胞液溶质的相对介电常数，M为细胞液溶质的相对分子质量，W为植物组织水势。
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