基于植气温差的小麦水分状况监测研究

论文摘要

实时无损监测作物水分状况是现代农业领域的关键技术,对于作物精确灌溉和节水生产具有重要意义。本研究的目的是以小麦为对象,通过不同年份不同土壤水分处理下的池栽试验,系统分析小麦植株的叶气温差与水分状况的定量关系,构建小麦水分相关指标监测模型,从而为小麦水分状况的实时监测和精确诊断提供理论基础和关键技术。首先,明确了不同土壤水分处理下冬小麦不同叶位的叶气温差与叶片含水量和叶片等效水厚度的动态变化特征,构建了基于不同叶位叶气温差的叶片含水量和叶片等效水厚度的估算模型。结果表明,在开花灌浆期,随着土壤水分含量的升高,小麦不同叶位的叶片含水量和叶片等效水厚度逐渐升高,叶气温差逐渐降低。土壤水分亏缺时,小麦顶三叶的叶片含水量和叶片等效水厚度首先降低,旗叶叶气温差较小；土壤水分充足时,小麦顶二叶和顶三叶的叶气温差较小。基于小麦上部三张叶片的叶气温差可以较好的预测叶片含水量和叶片等效水厚度,其定量模型分别为y=-0.159X2-2.053x+74.632和y=-0.012x+0.128,决定系数（R2）分别为0.56和0.77,标准误（SE）分别为4.22和0.017。利用独立年份数据对模型进行检验,预测精度（R2）分别为0.47和0.61,预测均方差根（RRMSE）分别为7.59%和12.76%。进一步分析了冬小麦旗叶的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（cond）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、水分利用效率（WUE）等在不同条件下的变化规律,量化了叶气温差与Pn, cond, Ci, Tr, WUE之间的关系。结果显示,随土壤含水量降低,小麦旗叶的Pn, Cond, Tr程下降趋势；而Ci在拔节到孕穗期随土壤含水量降低而降低,在灌浆末期在W4和W1处理下较高。WUE在孕穗期、抽穗期随着土壤含水量降低而增加；在开花期、灌浆前期、灌浆中期在W2处理下最大,在灌浆末期淮麦25与扬麦18分别在W2、W3处理下最大。小麦旗叶的叶气温差与Pn、Cond、Ci、Tr和WUE的相关性都达显著水平（P<0.05）,其中叶气温差与气孔导度和蒸腾速率之间相关性较好,模型分别为y=-0.208x+0.076和y=-3.338x+1.339,R2分别为0.56和0.91,SE分别为0.126和0.704,而叶气温差与净光合速率、胞间二氧化碳浓度和水分利用效率之间相关性相对较弱。利用独立年份的试验资料对光合生理指标模型进行测试和检验,表明气孔导度和蒸腾速率监测模型的预测精度（R2）较高,分别为0.79和0.82,预测相对均方根（RRMSE）分别为36.88%和22.82%。最后研究了冬小麦不同角度（探头与水平面成60°和90°）的冠气温差、冠层等效水厚度、冠层叶片含水量与植株含水量的变化特征,阐明了不同角度小麦冠气温差与冠层等效水厚度、冠层叶片含水量及植株含水量的定量关系,比较了基于不同观测角度的冠气温差反演冬小麦植株水分状况的能力。结果表明,除拔节期外,随着土壤水分含量的减少,冠层等效水厚度、冠层叶片含水量、植株含水量均逐渐降低,冠气温差逐渐增加,且基于冠气温差能可靠预测冬小麦孕穗到灌浆期尤其是生育后期冠层等效水厚度、冠层叶片含水量和植株含水量。此外,与水平面成90°测得的冠气温差在抽穗期与各类水分指标相关性相对较好,拟合方程的R2达到0.62以上。与水平面成60°测得的冠气温差在抽穗期后与各类水分指标相关性较好,R2达到0.76以上。总体而言,与水平面成60°的冠气温差较90°能更好地指示冬小麦植株的水分状况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 摘要
• 1 作物水分监测的必要性
• 2 作物水分监测诊断的发展历程
• 2.1 传统的作物水分监测诊断方法
• 2.2 现代的作物水分监测诊断方法
• 3 基于温度的作物水分监测研究进展
• 3.1 作物温度监测水分相关指标的原理
• 3.2 基于温度的作物水分状况监测研究进展
• 4 本研究的目的与意义
• 参考文献
• 第二章 技术路线与研究方法
• 摘要
• 1 研究思路与技术路线
• 2 材料与方法
• 2.1 试验设计
• 2.2 水分控制
• 2.3 取样方法和测试时间
• 2.4 测定项目和计算方法
• 2.5 数据分析与利用
• 参考文献
• 第三章 小麦不同叶位叶片叶气温差与水分状况的定量关系研究
• 摘要
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 水分控制
• 1.3 测定项目与计算方法
• 1.4 数据分析与利用
• 2 结果与分析
• 2.1 不同水分处理下小麦不同叶位叶片的水分状况变化趋势
• 2.2 不同水分条件下小麦不同叶位叶片的叶气温差的变化规律
• 2.3 小麦不同叶位叶片的叶气温差与水分状况的定量关系
• 2.4 小麦不同叶位叶片水分监测模型的测试和检验
• 3 讨论与结论
• 参考文献
• 第四章 小麦旗叶叶气温差与光合生理指标的定量关系研究
• 摘要
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 水分控制
• 1.3 温度及光合生理指标的测定和计算方法
• 1.4 数据分析与利用
• 2 结果与分析
• 2.1 不同水分处理下小麦旗叶光合生理指标的变化模式
• 2.2 不同水分条件下小麦旗叶叶气温差的变化模式
• 2.3 小麦旗叶叶气温差与光合生理指标的定量关系
• 2.4 小麦光合生理指标监测模型的测试和检验
• 3 讨论与结论
• 参考文献
• 第五章 小麦不同角度的冠气温差与水分状况的关系研究
• 摘要
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 水分控制
• 1.3 冠气温差与植株水分测定与计算方法
• 1.4 数据分析与利用
• 2 结果与分析
• 2.1 气象因素对冠层温度的影响
• 2.2 不同水分条件下小麦水分状况的变化趋势
• 2.3 不同水分条件下不同角度的小麦冠气温差的变化特征
• 2.4 不同角度的小麦冠气温差与水分状况的定量关系
• 2.5 小麦冠层、植株水分监测模型的测试和检验
• 3 讨论与结论
• 参考文献
• 第六章 讨论与结论
• 摘要
• 1 讨论
• 1.1 基于叶气温差监测小麦单叶叶片水分状况
• 1.2 基于叶气温差监测小麦旗叶光合生理指标
• 1.3 基于冠气温差监测小麦冠层和植株水分状况
• 2 本研究的创新与展望
• 2.1 本研究的特色与创新
• 2.2 今后的研究设想
• 3 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢