CN111983141B - 一种基于碳酸氢根离子利用能力制定作物灌水策略的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于碳酸氢根离子利用能力制定作物灌水策略的方法，选取两种δ¹³C值差值大于10‰的碳酸氢钠作为同位素标记1和2分别加入干旱水平处理液中，同步设置相同干旱梯度分别培养植物，m天后，将植物分别复水至相邻较低胁迫水平并处理n天。利用双标记法获取各干旱胁迫水平下植物在复水前后的碳酸氢根离子利用份额，计算植物的碳酸氢根离子利用能力及修正的净光合速率，根据修正的净光合速率和蒸腾速率计算各水平下植物在复水前后的修正的水分利用效率，制定作物最佳灌水策略。本发明测定结果精确度高，不受自然环境的限制，能充分反映干旱下植物体内的水分调节能力，准确表征植物的水分利用特性。

Description

一种基于碳酸氢根离子利用能力制定作物灌水策略的方法

技术领域

本发明属于节水灌溉和农作物信息检测技术领域，具体涉及一种基于碳酸氢根离子利用能力制定作物灌水策略的方法。

背景技术

作物对水分的需求受自身生长阶段以及周围环境影响而发生改变，因此，合理的灌水对作物的生长发育以及产量的提高具有积极的作用。真正的节水技术需要充分考虑作物的生理机能在作物水分亏缺调控中的作用，传统的确定灌水时间的方法多存在针对性不强以及不能从根本上解除土壤旱情的问题。因此，在充分利用现代农业先进技术改良灌溉系统的同时，结合作物自身水分调控潜力，有助于找准灌水时间点，实现作物水分的供需平衡，提高水分利用效率。

目前植物的水分亏缺状况主要是通过测量植株的叶片水势、冠层温度、气孔导度、蒸腾速率、茎直径的变化等指标间接获得。受植物叶片内部水分调节等代谢活动的影响，这些指标对植物水分亏缺的表征都具有滞后性，据此供水，作物可能已遭受不可逆损害。近红外光谱法、视觉图像技术以及声发射技术，可以实现在线监测，然而测试结果主要代表叶片含水率及蒸腾的变化，且易受周围环境影响。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于碳酸氢根离子利用能力制定作物灌水策略的方法，基于水分逆境下碳酸氢根离子的利用能力对其水分利用效率进行修订评估，分析植物最佳灌水策略，为节水灌溉研究提供依据；克服现有技术中不能准确分析植物体内水分调节特性，精确检测水分利用效率、受环境因素影响大的缺陷。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于碳酸氢根离子利用能力制定作物灌水策略的方法，包括如下步骤：

步骤(1)，选取长势一致的植物叶片进行不同干旱胁迫水平处理，m天后，将植物分别复水至相邻较低胁迫水平再处理n天；所述处理包括处理1和处理2，所述处理1将δ¹³C值为δ_C1的碳酸氢钠作为同位素标记1同时等量添加至各干旱胁迫水平处理液中，所述处理2将δ¹³C值为δ_C2的碳酸氢钠作为同位素标记2同时等量添加至各干旱胁迫水平处理液中；其中：7≤m≤14、4≤n≤7；

步骤(2)，分别测定处理1和处理2中各干旱胁迫水平处理下复水前后植物叶片的δ¹³C值，利用双标记法计算各干旱胁迫水平下复水前后植物的碳酸氢根离子利用份额f_B；

步骤(3)，测定各干旱胁迫水平处理下复水前后植物叶片的净光合速率P_N和蒸腾速率E；

步骤(4)，利用净光合速率P_N和碳酸氢根离子利用份额f_B，计算各干旱胁迫水平处理下复水前后植物叶片的碳酸氢根离子利用能力BUC，

利用碳酸氢根离子利用能力BUC获取修正的净光合速率P_N'，P_N'＝P_N+BUC；

步骤(5)，由修正的净光合速率P_N'和蒸腾速率E的比值，得到修正的水分利用效率；

步骤(6)，根据修正的水分利用效率制定作物最佳灌水策略，具体为：复水前最大的WUE′₁对应的胁迫水平作为复水时间节点，复水的目标时间节点为复水后最大的WUE′₂对应的胁迫水平。

进一步的技术方案，所述δ_C1与δ_C2的差值大于10‰。

进一步的技术方案，所述处理1和处理2设置相同的干旱梯度，且在同等环境下同步处理植物。

进一步的技术方案，所述步骤(2)中，用于测定δ¹³C值的植物叶片为新生成的完全展开叶。

进一步的技术方案，所述碳酸氢根离子利用份额为：

其中δ_T1为处理1中植物叶片的δ¹³C值，δ_T2为处理2中植物叶片的δ¹³C值。

本发明有益效果为：

(1)本发明考虑到叶片内部的水分代谢对净光合速率及蒸腾的即时影响，且能够直接定量植物对碳酸氢根离子的利用，并据此修正净光合速率的值，完善即时水分利用效率的意义表征，更能反映植物对各种水源和碳源的利用特性，准确探索植物的需水节点，为节水灌溉研究提供依据。

(2)本发明利用稳定碳同位素示踪技术，能精确定量植物对碳酸氢根离子的利用份额，从地球化学角度分析植物自身水分调控特性，为水分亏缺的精确诊断提供依据；稳定碳同位素组成测试过程不受周围环境因素的限制，精确度高，可批量操作。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例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。

本发明的基本原理为：植物遭受干旱逆境时，在气孔关闭的情况下能够利用碳酸酐酶作用分解胞内碳酸氢根离子产生水分和CO₂，为植物光合结构提供水分和碳源，维持光合作用的正常进行。植物光合作用过程中所需碳源既可以来自大气中的CO₂，还可由胞内碳酸氢根离子分解产生。因此，来自胞内碳酸氢根离子分解生成的CO₂对净光合速率具有增强修正作用。

叶片能够分解利用细胞内部的碳酸氢根离子，其中的无机碳经光合作用过程的转化利用，最终合成为碳水化合物储存在叶片细胞中，该过程会引发同位素的分馏。碳酸氢根离子的稳定碳同位素组成直接影响叶片稳定碳同位素组成值的大小。因此，胞内碳酸氢根离子的利用份额可以通过稳定同位素示踪技术，利用双标记法进行检测。其计算公式如下：

其中，f_B为碳酸氢根离子利用份额，δ_C1是作为同位素标记1的碳酸氢钠的δ¹³C值，δ_C2是作为同位素标记2的碳酸氢钠的δ¹³C值，δ_T1为通过添加作为同位素标记1的碳酸氢钠所培养植物叶片的δ¹³C值，δ_T2为通过添加作为同位素标记2的碳酸氢钠所培养植物叶片的δ¹³C值。

测定植物叶片的净光合速率P_N和蒸腾速率E，碳酸氢根离子的利用能力计算公式如下：

其中，BUC为碳酸氢根离子利用能力。

修正的净光合速率的计算公式为：

P_N'＝P_N+BUC   (3)

其中，P_N'为修正的净光合速率。

水分亏缺引发的气孔关闭在减少蒸腾耗水的同时，来自于碳酸氢根离子额外碳源的供应有利于光合作用的维持，即时水分利用效率获得修正，将有所提升。

修正的水分利用效率的计算公式则为：

其中，WUE′为修正的水分利用效率。

碳酸氢根离子的利用能力在一定程度上反映了植物对自身水分供应潜力的开发程度，植物的正常生长同时依赖于水分逆境下光合作用的维持。较高的WUE′值表明植物对胞内碳酸氢根离子的充分利用，同时光合作用未受抑制，有利于灌水的节约使用，WUE′值可作为灌水策略制定的依据。

本发明一种基于碳酸氢根离子利用能力制定作物灌水策略的方法，具体实施过程如下：

步骤一，选取两种δ¹³C值差值大于10‰的碳酸氢钠分别作为同位素标记1和同位素标记2；处理1：将δ¹³C值为δ_C1的碳酸氢钠作为同位素标记1同时等量添加至各干旱胁迫水平处理液中，处理2：选取δ¹³C值为δ_C2的碳酸氢钠作为同位素标记2同时等量添加至各干旱胁迫水平处理液中；处理1和处理2中设置相同的干旱梯度，且在同等环境下同步处理植物，处理的植物为拥有至少4片以上真叶、长势良好且一致，m天后(7≤m≤14)，将干旱胁迫处理的植物分别复水至相邻较低胁迫水平继续处理n天(4≤n≤7)。

步骤二，分别测定处理1和处理2中各干旱胁迫水平处理下复水前后植物叶片的δ¹³C值，用于测定δ¹³C值的植物叶片应为新生成的完全展开叶；相同干旱胁迫水平下相同处理阶段，处理1中复水前后植物叶片的δ¹³C值分别记为δ_T11、δ_T12，处理2中复水前后植物叶片的δ¹³C值分别记为δ_T21、δ_T22；利用双标记法，计算各干旱胁迫水平下复水前后植物的碳酸氢根离子利用份额f_B1、f_B2，

步骤三，测定各干旱胁迫水平处理下复水前植物叶片的净光合速率P_N1和蒸腾速率E₁，测定各干旱胁迫水平处理下复水后植物叶片的净光合速率P_N2和蒸腾速率E₂，上述参数的测定选择处理1处理的植物或者处理2处理的植物。

步骤四，计算各干旱胁迫水平处理下复水前植物叶片的碳酸氢根离子利用能力BUC₁及修正的净光合速率P′_N1，

P′_N1＝P_N1+BUC₁；计算各干旱胁迫水平处理下复水后植物叶片的碳酸氢根离子利用能力BUC₂及修正的净光合速率P_N2'，

P_N2'＝P_N2+BUC₂。

步骤五，计算各干旱胁迫水平处理下复水前植物叶片修正的水分利用效率WUE′₁，

计算各干旱胁迫水平处理下复水后植物叶片修正的水分利用效率WUE′₂，

步骤六，根据修正的水分利用效率制定作物最佳灌水策略，具体为：复水前最大的WUE′₁对应的胁迫水平作为复水时间节点，复水的目标时间节点为复水后最大的WUE′₂对应的胁迫水平。

上述步骤的具体实施过程如下：

实施例1

处理1：通过添加不同浓度聚乙二醇6000(PEG6000)，设置不同干旱胁迫水平(0％、10％、20％、40％、80％)，将δ¹³C值为-10.515‰的碳酸氢钠作为同位素标记1同时等量添加至各干旱胁迫水平处理液中，选取拥有至少4片以上真叶、长势良好且一致的甘蓝型油菜幼苗进行处理，7天后，将植物分别复水至相邻较低胁迫水平并处理4天；处理2：选取δ¹³C值为-21.200‰的碳酸氢钠作为同位素标记2同时等量添加至各水平处理液中，其余与处理1完全一致；处理1和处理2中设置相同干旱梯度系列，且在同等环境下同步培养甘蓝型油菜幼苗。

分别测定处理1和处理2中各水平处理下复水前后甘蓝型油菜叶片的δ¹³C值，用于测定δ¹³C值的植物叶片应为新生成的完全展开叶；相同干旱胁迫水平下相同处理阶段处理1中复水前后植物叶片的δ¹³C值δ_T11、δ_T12(见表1)，处理2中复水前后植物叶片的δ¹³C值δ_T21、δ_T22(见表1)，利用双标记法计算各水平下各处理阶段复水前后植物的碳酸氢根离子利用份额f_B1、f_B2(见表2)。

表1各干旱胁迫水平下复水前后甘蓝型油菜叶片的δ¹³C值(‰)

表2各干旱胁迫水平下复水前后甘蓝型油菜的碳酸氢根离子利用份额(％)

分别测定各干旱胁迫水平处理下复水前后植物叶片的净光合速率和蒸腾速率，其值见表3；计算各干旱胁迫水平处理下复水前后植物叶片的碳酸氢根离子利用能力及修正的净光合速率(见表4)。

表3各干旱胁迫水平下复水前后甘蓝型油菜的净光合速率(μmol·m²·s^-1)和蒸腾速率(mmol·m²·s^-1)

表4各干旱胁迫水平下复水前后甘蓝型油菜的碳酸氢根离子利用能力(μmol·m²·s^-1)和修正的净光合速率(μmol·m²·s^-1)

计算各干旱胁迫水平处理下复水前后植物叶片修正的水分利用效率(见表5)。

表5各干旱胁迫水平下复水前后甘蓝型油菜的修正的水分利用效率(mmol·mol^-1)

由表5可知，干旱阶段的甘蓝型油菜在40％PEG6000处理下拥有最高WUE′₁的值，复水后，其值同样最高。因此，在40％PEG6000处理下将干旱阶段的甘蓝型油菜复水至20％PEG6000水平，能够最大限度激发甘蓝型油菜对胞内碳酸氢根离子的利用潜能，实现水分的高效利用，可作为甘蓝型油菜的最佳灌水策略。

实施例2

以诸葛菜为例，所有步骤同实施案例1，不同之处在于该实施例中设置0％、5％、10％和20％PEG6000共4个干旱胁迫水平。

表6各干旱胁迫水平下复水前后诸葛菜叶片的δ¹³C值(‰)

表7各干旱胁迫水平下复水前后诸葛菜的碳酸氢根离子利用份额(％)

表8各干旱胁迫水平下复水前后诸葛菜的净光合速率(μmol·m²·s^-1)和蒸腾速率(mmol·m²·s^-1)

表9各干旱胁迫水平下复水前后诸葛菜的碳酸氢根离子利用能力(μmol·m²·s^-1)和修正的净光合速率(μmol·m²·s^-1)

表10各干旱胁迫水平下复水前后诸葛菜的修正的水分利用效率(mmol·mol^-1)

由表10可知，干旱阶段的诸葛菜在10％PEG6000处理下拥有最高WUE′₁的值，复水后，其值同样最高。因此，在10％PEG6000处理下将干旱阶段诸葛菜复水至5％PEG6000水平，能够最大限度激发诸葛菜对胞内碳酸氢根离子的利用潜能，实现水分的高效利用，可作为诸葛菜的最佳灌水策略。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于碳酸氢根离子利用能力制定作物灌水策略的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，选取长势一致的植物叶片进行不同干旱胁迫水平处理，m天后，将植物分别复水至相邻较低胁迫水平再处理n天；所述处理包括处理1和处理2，所述处理1将δ¹³C值为δ_C1的碳酸氢钠作为同位素标记1同时等量添加至各干旱胁迫水平处理液中，所述处理2将δ¹³C值为δ_C2的碳酸氢钠作为同位素标记2同时等量添加至各干旱胁迫水平处理液中；其中：7≤m≤14、4≤n≤7；所述处理1和处理2设置相同的干旱梯度，且在同等环境下同步处理植物；

步骤(2)，分别测定处理1和处理2中各干旱胁迫水平处理下复水前后植物叶片的δ¹³C值，利用双标记法计算各干旱胁迫水平下复水前后植物的碳酸氢根离子利用份额f_B；

所述碳酸氢根离子利用份额为：

其中δ_T1为处理1中植物叶片的δ¹³C值，δ_T2为处理2中植物叶片的δ¹³C值；

步骤(3)，测定各干旱胁迫水平处理下复水前后植物叶片的净光合速率P_N和蒸腾速率E；

步骤(4)，利用净光合速率P_N和碳酸氢根离子利用份额f_B，计算各干旱胁迫水平处理下复水前后植物叶片的碳酸氢根离子利用能力BUC，

利用碳酸氢根离子利用能力BUC获取修正的净光合速率P_N'，P_N'＝P_N+BUC；

步骤(5)，由修正的净光合速率P_N'和蒸腾速率E的比值，得到修正的水分利用效率；

步骤(6)，根据修正的水分利用效率制定作物最佳灌水策略，具体为：复水前最大的修正的水分利用效率WUE′₁对应的胁迫水平作为复水时间节点，复水的目标时间节点为复水后最大的修正的水分利用效率WUE′₂对应的胁迫水平。

2.根据权利要求1所述的基于碳酸氢根离子利用能力制定作物灌水策略的方法，其特征在于，所述δ_C1与δ_C2的差值大于10‰。

3.根据权利要求1所述的基于碳酸氢根离子利用能力制定作物灌水策略的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，用于测定δ¹³C值的植物叶片为新生成的完全展开叶。