为了探究长期干旱胁迫下连翘不同器官的非结构性碳水化合物(NSC)含量与水力特性的协调及响应机制.以连续 3 年不同水分条件处理后的连翘幼苗为研究对象,设置 3 个水分处理(适宜供水、中度干旱胁迫和重度干旱胁迫),研究长期干旱胁迫后连翘幼苗的光合特性、生物量的分配、NSC各组分含量、水力特性的变化及其碳水两者之间的相关关系.结果表明:(1)适宜供水、中度干旱、重度干旱胁迫下,枝条的栓塞程度分别为 30.7%、41.8%和 42.3%,枝条导水率分别为 0.95、0.71、0.65 kg m-1 s-1 MPa-1.(2)重度干旱胁迫显著降低了净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、水分利用效率.(3)重度干旱胁迫导致地上和粗根生物量显著降低,细根生物量和根冠比显著增加.此外,各器官的NSC含量显著降低,其根系NSC消耗量最高,根系的可溶性总糖和淀粉含量显著降低,枝条的可溶性总糖、葡萄糖和蔗糖含量增加了 12.9%、31.1%和 45.7%,而淀粉含量降低了 40.7%.(4)枝条栓塞程度和导水率与可溶性总糖、淀粉、蔗糖和葡萄糖含量显著相关,其栓塞程度与可溶性总糖、葡萄糖和蔗糖呈正相关,而与淀粉呈负相关(P＜0.01).综上所述,干旱导致连翘枝条木质部的栓塞程度增加,导水率、光合作用和水分运输效率均显著降低,但连翘通过提高枝条内可溶性总糖、葡萄糖、蔗糖含量和降低淀粉、NSC含量以提高植物在干旱条件下的存活机率及旱后水分恢复能力,研究为半干旱区连翘培育和经营提供理论依据.

离心血泵的优化对于体外膜肺氧合的临床应用具有重要意义.本研究参考座头鲸在深海中作原地转身运动时其鳍状肢的流线形,重新设计血泵的叶片.采用计算流体动力学对血泵性能进行预测和评估;通过水力试验来验证数值计算的准确性;溶血预测模型采用渐进一致数值近似方法.仿真结果表明,叶片尾缘形状对出口隔舌处的流场分布和该区域的壁面剪应力分布均有显著影响;当叶片尾缘达到一定扭转角度时,叶片结构能较好地适应泵内的流场环境,但当扭转角度不足时,流场扰动反而会增大.与原模型相比,扭转角为20°的模型在转速为2500 rpm、流量为5 L/min的工况下,扬程试验结果增加11.6%,水力效率提升3.1%,溶血指数下降40.1%.总的来说,具有一定扭转角度的仿生叶片尾缘结构可以提高半开放式离心血泵的性能.

水分是干旱沙区植被重建和恢复的主要限制性因子,土壤有效水分含量直接影响植物木质部水分运输能力.但是不同水分条件下不同物种、不同年龄木质部水力特性和叶片气体交换的差异以及土壤水分含量对其影响的相关研究目前尚不明确.因此,该研究以10年和30年树龄人工固沙区的柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)和中间锦鸡儿(C.liouana)为实验材料,研究它们在旱季和雨季下水力特性和光合特性的差异及其关系.研究结果表明,树龄对柠条锦鸡儿和中间锦鸡儿木质部导水率、导水率损失百分比、叶片水势和相对含水量等无显著的影响,而土壤水分含量对其功能性状的影响较显著.树龄和土壤水分含量均对灌木叶片光合作用有显著影响,但在土壤水分条件良好的情况下树龄对其影响不显著.此外,土壤含水量与叶片水分含量和木质部茎比导水率之间呈显著的正相关关系;木质部导水率与叶片水分状态和气孔导度也存在显著的正相关关系,而光合速率与木质部导水率和叶片水分含量存在显著正相关关系,这表明土壤水分含量通过影响木质部导水率和栓塞程度而直接影响了叶片水分状况和光合碳同化能力.总而言之,柠条锦鸡儿和中间锦鸡儿的木质部导水能力和叶片光合碳同化能力显著地响应了土壤水分含量的变化.

全球气候突变导致干旱事件频发,进而易引发严重的植物衰退甚至死亡,聚焦植物尤其是树木死亡的生理学机制并期望基于此评估及预测气候变化导致植物死亡风险已成为热点话题.植物通过调整内在生理代谢过程,例如通过调节渗透物质的含量,来平衡渗透势、维持细胞膨压、调节植物激素的信号水平,诱导植物气孔开放程度降低,有利于植物保存水分、调控植物水通道蛋白的表达,进而保持体内水分稳定并对干旱胁迫做出快速响应.这些生理过程中的每一环调节都为了确保水分运输的效率和安全性,增加植物抗旱性以及生态系统稳定性.植物的抗旱性不仅体现在生理代谢方面的调节,还表现在植物水力特性与解剖结构间相辅相成.当植物改变水力特性的同时,其茎叶会在解剖结构上做出调整以满足植物在干旱环境下水分供需平衡,从而降低植物蒸腾水分散失、增强细胞储水并提高生存能力.植物应对水分胁迫的策略通常与水分消耗和碳获取之间的平衡有关,明晰植物水分消耗与光合碳获取间存在平衡关系的性状特征便于更好地理解植物的水分利用策略.然而,植物表现出的任意单一性状特征的强弱都无法代表整个植物适应逆境的优劣,未来只有通过将植物更多性状特征进行相互关联,以具有代表植物水力功能、结构以及与光合能力相关的综合性状为重点,把众多相互关联的性状合理纳入模型系统,才能在大尺度上预测不同植物在干旱环境下的生存风险与生态分布.综述了干旱胁迫下植物生理代谢机制,同时阐述了植物水力特性与解剖结构及光合作用的关系,在现有研究基础上指明植物水力模型发展的重要意义,促进植物综合性状在水力模型与其他模型中的应用.这为评估当前生态系统中植物生存风险以及未来生态系统的健康水平提供依据.

水分是限制干旱区核桃产业提质增产的关键因子,然而不同水分供应下树体结构对核桃树生理、生长及果实品质的影响并不清楚.以'温185'核桃为实验材料,设置3组灌溉量,亏缺(DI)、保墒(CI)和过量灌溉(EI),测定不同树冠垂直高度(下、中、上)叶片水力性状、光合生理特性、可溶性糖含量、叶面积、枝条生长、果实形态和空壳瘪仁率.结果表明:(1)正午叶水势因灌溉量的减少而显著下降,且随树冠高度的增加而下降,树冠上部的正午叶水势相较于下部显著降低;(2)光补偿点、光饱和点、最大净光合速率、最大光化学效率和叶绿素相对含量(SPAD)随灌溉量的减少无显著差异;(3)灌溉量的减少未对叶片及细根的可溶性糖含量产生显著影响,但核桃仁的可溶性糖含量显著升高,且随树冠高度的增加而累积;(4)叶面积因灌溉量减少显著降低,胡伯尔值显著升高;灌溉量的减少未对果实形态产生显著影响,但会增加核桃的空壳瘪仁率,DI组相较于EI组的空壳瘪仁率上升了 87.9％,并且核桃树上部的空壳瘪仁率相较于下部升高了 41.8％.研究发现,核桃树通过提高胡伯尔值和减少叶面积,以维持稳定光合来抵御干旱,但树冠高度的增加带来的水力限制会加剧植株的水分胁迫,由此造成果实空壳瘪仁率的升高.

木质部是植株体内水分传输的主要通路,其水力特性的变化会影响植株的水分关系和果实的水分积累.目前关于番茄植株木质部解剖结构和水力特性对水分和盐分胁迫的响应及其与植株生长和果实含水量之间的关系尚不明确.本研究通过日光温室番茄盆栽试验,设置3 个处理:对照,土壤含水量(θ)为75%～95%田间持水量(FC),初始电导率(EC)为0.398 dS·m-1;水分胁迫,开花前θ为75%～95%FC,开花后至成熟期θ为45%～65%FC,EC为0.398 dS·m-1;盐分胁迫,θ为75%～95%FC,EC为1.680 dS·m-1,研究了樱桃型番茄(红宝石)和中果型番茄(北番501)植株在水分和盐分胁迫下的植株生长、果实含水量以及木质部水力特性的变化.结果表明:与对照相比,水分和盐分胁迫下茎秆横截面积和木质部导管直径分别减小了22.0%～40.7%和10.0%～18.3%,茎秆比导水率和桁架柄比导水率分别降低了 8.8%～41.1%和 12.9%～28.4%,抑制了植株生长,减少了地上部鲜重、果实大小、果实鲜重和含水量,且与樱桃型番茄相比,中果型番茄的降幅更大.此外,果实含水量分别与茎秆和桁架柄比导水率呈显著正相关.综上,番茄植株在水分和盐分胁迫下木质部水力特性指标减小,生长被抑制,果实鲜重显著降低,最终导致产量降低.其中,中果型番茄相较于樱桃型番茄对水分和盐分胁迫更敏感.

血液流体设备普遍存在过度的剪切应力血液损伤与水力效率损失,这制约其实现安全、高效的长期稳定运行,探明高剪切应力下的内流特性与能量熵产损失可为设备研究与优化提供有力支持.对此,设计建立可模拟出高剪切应力流动的喷管模型,采用计算流体力学数值模拟与粒子图像测速可视化实验的研究方法,重点分析内流特性、剪切应力和能量熵产损失.研究产生高剪切应力和能量熵产损失的相关流动特征,解析熵产损失与剪切应力的关联特性.研究结果认为:流速变化梯度是产生高剪切应力的主要因素,局部高流速并不与剪切应力直接关联.高剪切应力流场中能量损失主要来源于湍流熵产,在主流段湍流熵产占总熵产的97.7%,主要分布在涡旋与流动剧烈变化的区域.流场能量熵产与剪切应力在分布状态与变化趋势上具有明显的关联一致性,抑制流场速度变化梯度可降低流动能量损失与剪切应力血液损伤.

小叶杨作为六道沟流域植被恢复的优势乔木速生树种,对该区的生态恢复与建设有着至关重要的作用.通过测定六道沟流域生长旺期(8和9月)不同冠层高度下小叶杨叶片的水势、光合气体交换参数、稳定性碳同位素比率(δ13 C)和叶片全N全P含量,分析了冠层叶片的δ13 C、光合特性指标、叶水势等在不同月份及冠层高度下的变化特征.结果表明:(1)小叶杨8、9月份间叶片光合特性指标净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)均随着冠层高度增加而减小.(2)小叶杨叶片δ13 C和瞬时水分利用效率(WUEi)均随冠层高度增加而增加,δ13 C沿冠层高度的变化范围为-29.81‰~-27.43‰.(3)叶片δ13 C与植物的水分利用效率呈正相关关系,8月份和9月份δ13 C沿树高的变化幅度分别为2.22‰和2.12‰.研究发现,六道沟流域小叶杨叶片确实受到来自树高所引起的水分胁迫,叶片δ13 C能真实反映其长期的水分利用状况,且叶片δ13 C的变化是自身遗传特性与环境因子共同作用的结果.

通过圆盘入渗试验,探讨不同改良剂施用量下土壤入渗特性的变化,揭示添加生物炭和聚丙烯酰胺(PAM)对海涂围垦区盐碱土水力学参数、孔隙特征及不同级别孔隙水流贡献率的影响.结果表明:单施2％生物炭,土壤饱和导水率比对照增加46.4％;盐碱土饱和导水率随PAM施用量增加而减小.单施2％生物炭使土壤总有效孔隙度和半径＞100 μm的有效孔隙度分别增加8.3％和10.2％.单施PAM时,土壤总有效孔隙度和不同半径孔隙有效孔隙度均有减小趋势,其中,PAM梯度为1‰时最明显,减幅高达88％以上.施用生物炭和PAM后,半径＜100 μm的孔隙的水流贡献率呈下滑趋势,半径＞500 μm的孔隙对土壤水流运动起主导作用.

盐碱胁迫是全球范围内重要的非生物胁迫形式之一,但目前对植物水力学特性和碳代谢应对盐碱胁迫响应的研究还不多.本研究以耐盐碱植物枸杞(Lycium chinense Miller)和柽柳(Tamarix chinensis Lour.)为对象,测定不同盐碱程度下两种植物的枝条水势和导水损失率(PLC)、叶片光合作用和气孔导度、不同部位的非结构性碳(NSC)浓度以及植株生长情况.结果显示,重度盐碱胁迫显著降低了两种植物凌晨和正午水势、光合速率和枝条PLC,重度胁迫下柽柳的光合速率、气孔导度和枝条PLC下降程度均大于枸杞,重度盐碱胁迫下枸杞不同部位的NSC浓度均显著降低,但柽柳的地上部分NSC浓度显著增加,根部NSC浓度显著减低.两种植物有不同的应对盐碱胁迫策略,枸杞有较强的气孔调节能力,对水力结构的维持有利,但会限制碳摄取,柽柳气孔调节能力弱,水力结构易受影响,但对碳平衡维持有利.