一种基于高通量气孔导度诊断植物水分胁迫的方法及系统

技术领域

本发明属于农业灌溉技术领域，特别涉及一种基于高通量气孔导度诊断植物水分胁迫的方法及系统。

背景技术：

近年来，随着其他行业对农业用水的挤占，农业灌溉用水量比例在逐步下降。在供水的不确定性和灌溉用水量减少的形势下，调亏灌溉(RDI)模式得到广泛应用。一些学者指出，调亏灌溉可能是实现更高水分生产率(即单位用水量的产量)的一种方式，在保证稳产的同时实现节水。调亏灌溉的核心思想是对作物整个生育期进行精准、差异化的灌溉，该灌溉模式依据作物在不同生育阶段的耗水规律，在作物生长发育的非敏感时期施加一定程度的有益亏水，可以利用作物气孔调节作用来减少奢侈蒸腾量进而提高水分利用效率，同时对作物进行抗旱锻炼，提高作物的后期抗旱能力以及改变光合产物在营养器官和生殖器官之间的分配比例，实现作物稳产从而提高作物水分生产率。

在调亏灌溉模式下，需要了解不同生育阶段作物对水分胁迫的响应并据此优化灌溉制度，从而达到灌溉用水与产量收益的最佳平衡。若要获取关于作物水分胁迫的准确信息，就需寻找能够有效监测及诊断作物水分胁迫的工具。水分胁迫的信息主要来源于对土壤水分的直接测量或是基于土壤水分平衡计算或是基于植物对干旱的生理响应。土壤水分测量会受到土壤异质性的影响，且土壤水分和植物水分状况的关系比较复杂，会受到作物品种及其他非生物胁迫如盐分胁迫的影响；耗水估算需要对作物系数进行良好的估算，这取决于作物生长如冠层覆盖度的变化；利用植物对干旱的生理响应诊断植物水分胁迫是比较精准的方法，也是多数研究人员都会考虑使用的方法，如使用株高、茎粗、叶面积等形态指标，其在长期水分胁迫中比较敏感，但植物初次受到水分胁迫时形态指标并不能快速响应。而光合速率可以较迅速的响应水分胁迫，但仪器操作较为复杂，技术要求高。能够较好指示作物对水分胁迫的敏感性的指标如叶水势、茎水势，也被认为是最直接反应植物水分状态的指标，然而实现过程会对植物产生损伤，也存在长期监测费时费力不易实现植物茎流是监测植物水分状况的一个重要生理指标，茎流值可以代表作物单株尺度的耗水量，如申请号为201010262481.5的发明专利，公开了一种基于多数据的作物需水检测系统，利用观测的作物茎流、作物水分含量和土壤水分含量等作物生长信息，对作物需水耗水动态监测并做出准确判断。测定植物茎流的液流计法可分为：热脉冲法、热扩散法和热平衡法，包裹式茎流计通过对植物茎秆加热，基于热平衡方法推算测量处的植物茎流且连续地监测，该方法具有无伤测定的优点，不会对植物正常的生理活动产生影响和破坏；适用于灌木及农作物等直径较小的植物茎流测定；精度较高，可获得长时间连续高通的茎流数据。茎流计的方法已经被广泛用于通过各种模型评估模拟作物的蒸腾量以及水分胁迫。

除上述植物生理指标之外，气孔导度对水分以及其他环境胁迫的响应研究也愈加深入，如申请号为201810188178.1的发明申请，公开了一种植物气孔监测系统以及利用该系统分析植物气孔对环境响应的方法，利用显微镜、光合仪、环控叶室及计算机图像处理软件集成的系统，对某时段内气孔导度对湿度、ABA等因子的响应过程进行实时观测。气孔是植物与大气之间碳水交换的关口，控制着作物蒸腾和光合等生理过程，因此许多植物的气孔导度对水分胁迫特别敏感。充分灌溉的植物会以潜在的速率蒸腾，此时气孔导度最大；当水分胁迫时，实际的蒸腾速率将低于潜在蒸腾速率，气孔导度会显著降低，因此实际的气孔导度与潜在的气孔导度之比可以作为衡量植物水分状况的一种指标。但现有的气孔导度测定方法一般基于光合仪和气孔计测量，这需要对植物叶片进行逐个测量，耗时费力而且由于叶片本身的生理状态的差异性，逐个测量的点值容易产生较大误差，很难连续准确的反应植物所受胁迫的程度，故难广泛应用于生产实践。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于高通量气孔导度诊断植物水分胁迫的方法及系统，其特征在于，通过高通量茎流、气象数据、净辐射测定设备以及植物株高叶面积参数辅助测定组成的植物水分胁迫诊断系统，结合P-M公式连续输出高通量的气孔导度，从而利用气孔导度计算的水分胁迫指数，实现对植物水分胁迫长时间准确、高通连续地监测、量化及诊断；具体包括如下步骤：

步骤1，分别获取参考植株与待测量植株高通量茎流，分别转换为高通量的单位叶面积蒸腾速率；所述参考植株与待测量植株处于相同的生长环境；

步骤2，分别获取参考植株与待测量植株的高通量净辐射，基于高通量的单位叶面积蒸腾速率以及冠层截获净辐射及其他参数，获取参考植株与待测量植株的高通量的气孔导度；

步骤3，根据高通量气孔导度计算水分胁迫指数；

步骤4，根据所述水分胁迫指数，对待测量植株水分胁迫程度进行诊断。

所述步骤1转换为高通量的单位叶面积蒸腾速率是基于高通量茎流、测定茎流植株的叶面积以及水的密度转换获得；

所述步骤2中获取参考植株与待测量植株的高通量的气孔导度，是根据高通量的单位叶面积蒸腾速率、高通量净辐射经叶面积指数修正获得的冠层截获净辐射R

上述公式(1)中g

所述公式(1)中高通量的冠层截获净辐射R

R′

上述公式(2)中R

所述步骤3中水分胁迫指数K

K

上述公式(3)中g

所述步骤4根据水分胁迫指数对待测植株水分胁迫程度进行诊断，当待测植株灌溉良好，不缺水时因植株蒸腾强烈导致茎流量达到最高水平，此时g

所述茎流测定设备为包裹式茎流计，其传感器包括微传感器、茎秆测量计和枝干测量计；分别适宜测量茎秆直径在2-5mm、9-23mm和32-125mm的植物茎流量，其中直径60mm以下的探头应用时误差小，因此应用K

所述诊断多种植物的水分胁迫状态的各项指标均为自动测量，数据收集与记录时间间隔可重新设定，推荐设定每1分钟收集一次设备采集值，并记录为15分钟平均值，可实现各个生育期内关键指标的连续高通量的测定；因此水分胁迫指数K

所述诊断多种植物水分胁迫状态的水分胁迫指数K

所述茎流测定的开始时间与植物生长发育有关，在植物茎秆生长发育达到传感器要求的最低直径时，即可安装茎流测定设备开始监测，茎流测定覆盖时间时长，对于玉米来说，茎流测定时间覆盖了营养生长后期(V6-VT)、生殖生长前期(R1-R3)及生殖生长后期(R4-R6)。因此该方法的水分胁迫指数K

所述植物水分胁迫诊断系统由水分胁迫诊断数据测定设备、供电设备、数据采集设备及终端设备处理器连接组成；其中水分胁迫诊断数据测定设备由茎流测定设备、气象数据测定设备、净辐射测定设备以及植物株高叶面积参数辅助测定设备集成为多种数据测定设备；数据采集器与终端处理器之间直接或者间接的电性连接，实现数据的传输或交互；系统内部数据均能利用数据采集器采集存储，在终端设备对数据进行实时查看与计算处理，根据得到的水分胁迫指数K

本发明的有益效果是本发明提出的高通量气孔导度诊断植物水分胁迫的方法，通过高通量的表型参数计算气孔导度，输出水分胁迫指数K

附图说明

图1为基于高通量气孔导度诊断植物水分胁迫系统的结构框图。

图2为基于高通量气孔导度诊断植物水分胁迫方法的流程示意图。

图3为图2步骤中S1的子步骤流程图。

图4为图2步骤中S2的子步骤流程图。

图5为水分胁迫指数K

具体实施方式

本发明提供了一种基于高通量气孔导度诊断植物水分胁迫的方法及系统，该方法通过高通量茎流、气象数据、净辐射测定设备以及植物株高叶面积参数辅助测定组成的植物水分胁迫诊断系统，结合P-M公式连续输出高通量的气孔导度，从而利用气孔导度计算的水分胁迫指数，实现对植物水分胁迫长时间准确、高通连续地监测、量化及诊断。下面结合附图对本发明予以进一步说明。

图1所示为基于高通量气孔导度诊断植物水分胁迫系统的结构框图。图1中，所述植物水分胁迫诊断系统由水分胁迫诊断数据测定设备01、供电设备02、数据采集设备03及终端设备处理器04连接组成；其中水分胁迫诊断数据测定设备01由茎流测定设备、气象数据测定设备、净辐射测定设备以及植物株高叶面积参数辅助测定设备集成为多种数据测定设备；数据采集器03与终端处理器04(个人电脑或者台式电脑)之间直接或者间接的电性连接，实现数据的传输或交互；系统内部数据均能利用数据采集器03采集存储，在终端设备处理器04内对数据进行实时查看与计算处理，根据得到的水分胁迫指数K

图2所示为基于高通量气孔导度诊断植物水分胁迫方法的流程示意图。具体包括如下步骤：

步骤S1为分别获取参考植株与待测植株的高通量茎流及叶面积，转换后获得参考植株与待测植株单位叶面积的高通量蒸腾速率；所述转换为高通量的单位叶面积蒸腾速率是基于高通量茎流、测定茎流植株的叶面积以及水的密度转换获得；

如茎流采集数据自玉米营养生长后期的V10开始，此时植物茎秆生长发育达到传感器要求的最低直径，茎流测定设备类型为包裹式茎流计(Flow32-1K,Dynamax Inc.,Houston,TX,USA)，其中针对玉米直径仍然存在一定的差异，因此传感器型号选取SGEX-19与SGEX-25两种。

针对不同植物可以选不同类型的包裹式茎流计：微传感器、茎秆测量计及枝干测量计分别适宜测量茎秆直径在2-5mm、9-23mm及32-125mm的植物茎流量,其中直径60mm以下的探头应用时误差较小。分别适宜测量茎秆直径在2-5mm、9-23mm和32-125mm的植物茎流量，其中直径60mm以下的探头应用时误差小，因此应用K

所述诊断多种植物的水分胁迫状态的各项指标均为自动测量，数据收集与记录时间间隔可重新设定，推荐设定每1分钟收集一次设备采集值，并记录为15分钟平均值，可实现各个生育期内关键指标的连续高通量的测定；因此水分胁迫指数K

所述步骤S1还包括S11和S12两个子步骤(如图3所示)：

步骤S11测得关键生育期始末的参考植株与待测植株的叶面积，插值获得叶面积在各生育期内的日变化。这可以减轻叶面积测量的工作量而又保证数据的稳定。

步骤S12将高通量的植株茎流，根据叶面积与水的密度转换为高通量的单位叶面积蒸腾速率。

步骤S2为分别获取参考植株与待测植株的高通量冠层净辐射数据，基于高通量的单位叶面积蒸腾速率、净辐射、气象参数等基础数据的进一步计算，获得参考植株与待测植株的高通量气孔导度。

具体包括S21和S22两个子步骤(如图4所示)：

步骤S21将参考植株与待测植株的高通量冠层净辐射，基于消光系数和叶面积指数转换为高通量冠层截获的净辐射。

步骤S22利用高通量气象数据计算得到高通量空气动力学导度、饱和水汽压差、饱和水汽压-温度曲线斜率以及空气密度等其他参数，结合高通量的单位叶面积蒸腾速率、高通量冠层截获的净辐射计算得到气孔导度g

上述公式(1)中g

所述公式(1)中高通量的冠层截获净辐射R

R′

上述公式(2)中R

步骤S3根据气孔导度计算得到水分胁迫指数：

水分胁迫指数K

K

上述公式(1)中g

当待测植物灌溉良好，不缺水时因植物蒸腾强烈导致茎流量达到最高水平，此时g

所述诊断多种植物水分胁迫状态的水分胁迫指数K

步骤S4根据所述水分胁迫指数K

根据每日11:00-14:00时段内P-M公式输出的高通量气孔导度的均值，计算水分胁迫指数K