了解根系吸水模式对缺水地区发展高效的灌溉管理措施至关重要.大多数估算根系吸水的模型或传统方法都需要对根系形态有详细的了解,而这很难在原位条件下获得.本研究借助Insentek水分监测仪来估算地下滴灌条件下冬小麦-夏玉米的根系吸水特征.试验于2018-2019年在防雨棚下测坑内进行,地下滴灌灌溉量分别为作物蒸发蒸散量(ETc)的0.4、0.8、1.0和1.2倍,记为0.4ETc、0.8ETc、1.0ETc和1.2ETc,并设置地面灌溉处理为对照(CK).结果表明:土壤上层(20～50cm)和下层(60～100 cm)根系对水分的吸收存在互补效应;除0.4ETc外,灌溉后,下层土壤根系吸水速率降低;在各灌溉周期的后期,当上层根系吸水速率降低时,下层根系吸水速率表现为增强趋势;与CK处理相比,1.0ETc处理的根系吸水速率波动幅度较小,其冬小麦和夏玉米产量分别增加7.4％和15.3％;与1.0ETc处理相比,0.8ETc处理主要降低了冬小麦灌浆前期和夏玉米灌浆后期的测定间隔累计根系吸水量,最终,0.8ETc处理冬小麦的产量增加12.7％,而夏玉米产量没有显著降低;与1.0ETc处理相比,0.8ETc处理的水分利用效率显著增加.综上,地下滴灌适度亏缺灌溉(0.8ETc)能增强深层土壤根系吸水能力,提高冬小麦的产量及冬小麦-夏玉米水分利用效率,是一种有效的高产节水灌溉策略.

茉莉酸类化合物作为环境信号分子,不仅参与植物生长发育的调控,同时受到环境胁迫的诱导,参与植物对逆境胁迫的响应和防御.本研究以北方广泛种植的玉米品种'郑单958'为材料,通过对根系外源施加茉莉酸甲酯的方式,探究干旱胁迫下茉莉酸甲酯对玉米幼苗抗旱性以及根系吸水的影响.结果表明,外源茉莉酸甲酯可提高玉米幼苗光合速率、蒸腾作用和气孔导度,增强抗氧化酶活性,降低H2O2和丙二醛的含量,从而缓解干旱胁迫对植株造成的损伤.通过测定根系水导、氯化汞处理的蒸腾速率的变化以及水通道蛋白的表达量,发现干旱胁迫下外源茉莉酸甲酯可增强根系水通道蛋白的表达,进而增强玉米幼苗的根系吸水能力,从而缓解干旱胁迫造成的叶片水分含量的下降和水势的降低,提高了玉米幼苗的抗旱性.

土壤水分是影响植物生长发育的重要因子之一,探究不同土壤基质条件下幼苗生长和生物量分配对干旱胁迫的响应可为培育优质造林苗木提供理论支撑.以2年生蒙古栎(Quercus mongolica)幼苗为对象,设置土壤基质和水分两个因素的随机区组试验,采用盆栽控水法,选取腐殖土和黏土作为基质,设置4个水分胁迫水平,即正常供水CK、轻度胁迫T1、中度胁迫T2和重度胁迫T3(分别为田间持水量的80％、60％、40％和20％),测定在20、40和60 d持续干旱条件下幼苗苗高、地径、冠面积、叶面积、比叶面积、各器官生物量分配等指标.结果表明:幼苗苗高和地径随着水分胁迫强度的加深而降低,且在土壤基质间存在显著差异;幼苗比叶面积在水分胁迫间存在显著差异,腐殖土的幼苗叶面积指数和叶片生物量则显著高于黏土;持续胁迫60 d后,随着胁迫程度的加深,腐殖土的幼苗总生物量和各器官生物量均呈下降趋势,而黏土T1处理下幼苗总生物量、根系生物量和叶生物量最大,分别为39.98、22.32和6.16 g·株-1.冗余分析结果表明:土壤全氮、全磷、速效磷、蒸发速率、渗透速率和通气孔隙度与幼苗形态呈显著正相关,而土壤容重、总孔隙度和吸水倍数与幼苗形态呈负相关;总体上,幼苗各器官干重的可塑性指数要高于各器官生物量比的可塑性指数;干旱条件下,丰富的养分和良好的土壤结构能够弥补和缓解水分亏缺造成的蒙古栎幼苗生长受到的抑制,在实际育苗生产中需合理配置土壤和进行水分管理,以提高苗木对环境的耐受性和造林表现.

为揭示部分根区灌溉与合理密植在棉花产量和水分生产率上的互作效应及其生理学机制,探索旱区节水灌溉植棉的新途径,在内蒙古自治区西部大田条件下,采用两因子试验设计研究了灌溉方式(常规灌溉、亏缺灌溉、部分根区灌溉)和种植密度(13.5万、18.0万、22.5万株·hm-2)对棉花生长发育、产量、水分生产率和相关生理指标的影响.结果表明:灌溉方式和种植密度及其互作对棉花生物产量、籽棉产量、产量结构和收获指数有显著影响.常规灌溉条件下,提高密度能显著提高生物产量和单位面积铃数,但铃重和收获指数显著降低,高密度与中等密度下的经济产量相当,并显著高于低密度处理;部分根区灌溉可显著提高棉花叶片中脱落酸(ABA)含量,并显著降低吲哚乙酸(IAA)含量,促进同化物向生殖器官的分配,提高收获指数.随着种植密度的提高,部分根区灌溉下单位面积铃数增加、铃重基本不变,高密度较中、低密度籽棉分别增产6.7％和11.5％.高密度下,部分根区灌溉与常规灌溉的籽棉产量相当,霜前花率提高22.5％,节水30％,水分生产率提高49.3％.种植密度对主茎功能叶光合速率没有显著影响,灌溉方式对光合速率有显著影响,亏缺灌溉显著降低了主茎功能叶的光合速率,而部分根区灌溉的叶片光合速率与常规灌溉相当.部分根区灌溉灌水侧根系茉莉酸(JA)含量和水通道蛋白基因(PIP)表达量显著高于常规灌溉,表明部分根区灌溉下,JA作为信号分子参与了灌水侧根系水分吸收的调控,PIP基因上调表达,根系吸水能力增强,保障了地上部叶片的水分平衡,进而维持了较高的光合速率.部分根区灌溉配合适当密植(22.5万株·hm-2)是旱区节水植棉的重要技术途径.

叶片吸收水分(foliar water uptake,FWU)是植物通过叶片"逆蒸腾作用"吸收和利用空气水分的现象.近年来,FWU一直是植物生理生态学领域的研究热点,几乎所有生态系统中的植物都存在FWU生理过程.FWU对植物个体、群落和生态系统的水分及碳平衡起到了不可忽视的作用,尤其是在全球气候变暖导致干旱加剧的背景下,FWU备受关注.为此,本文总结了国内外研究具有FWU现象的各科物种数量、FWU过程和影响因素:(1)降雨和云雾导致空气相对湿度上升或土壤水势降低等外界环境因素;(2)叶片表面结构对水分的渗透影响;(3)叶片内部结构和物质通过改变叶片吸水速率和通量进而影响FWU.同时,本文归纳了FWU的生理生态学意义:FWU可通过提高植物叶片水势,增加气孔导度和光合速率等,促进植物的生存和生长发育.此外,在极端情况下,叶片吸收的水分还可以通过植物的维管系统进入到根系及根周的土壤中,具有改善土壤水分平衡和保持水土等作用.

大规模植树造林工程有效缓解了我国北方水土流失等问题,但伴随植被生长和降水格局变化,水循环过程发生明显改变.土壤水分运动是水循环的关键过程,研究变化环境下人工林植被土壤水分运移规律,对植被生态恢复具有重要意义.基于2014-2018年多时间尺度(半小时、天、月和年)华北山区崇陵流域典型人工侧柏林和荒草土壤剖面水势监测数据,阐明不同植被覆盖下土水势动态变化规律,提出土壤水分运移和植被水分利用模式.研究结果表明:侧柏林土壤水势日变幅显著低于荒草植被,但土水势日变幅随土壤深度增加而减小的速率90 a侧柏依次大于60 a侧柏和荒草;月、年尺度侧柏林不同深度土水势变化对降水的响应大于荒草地,其中60 a侧柏林年均土水势与年降雨量显著线性相关(P＜0.05).由水势梯度和零通量面多年平均变化可知,90 a侧柏林0-50 cm 土壤水呈下渗趋势,根系水力提升促使50-100 cm 土壤水向上蒸散;60 a侧柏林0-20 cm、70-100 cm以及枯水年30-70 cm 土壤水均以蒸散为主,根系可同时吸收利用表层和深层土壤水分;荒草地0-20 cm 土壤水分蒸发强烈,且为根系主要吸水深度,20-100 cm 土壤水稳定下渗.相比60 a侧柏林和荒草,90 a侧柏林的土壤调蓄能力增强,与荒草互被可减少植被间水分竞争,充分利用土壤水,从而减少流域内地表径流和土壤侵蚀量.