欧美杨不同品系苗木蒸腾耗水特性及节水灌溉制度研究

论文摘要

杨树是我国北方地区主要的速生丰产林树种之一,在缓解木材供求矛盾,保障木材安全,促进经济发展,增加地方经济收入,固碳释氧效益等方面均发挥了非常重要的作用。然而,当前我国杨树人工林苗期各项经营管理还比较粗放,尤其是在水分的管理方式上更显粗放,导致苗木苗期生产力低下,致使杨树人工林的发展受限,从而严重影响并限制了杨树人工林潜在生产力的充分发挥,加之,我国是主要的贫水国之一,水资源的严重短缺成为限制各项生产的关键因素之一,为了在现有的形势下缓解我国的水资源压力,同时将杨树人工林苗期水分管理提高到一个更为可观的水平,本文以欧美杨不同品系苗木为研究对象,着眼于欧美杨苗木耗水特性及节水灌溉制度的确立,采用经典的盆栽称重法、便携式气象站、压力膜仪等测定手段,通过2年（2009、2010年）的动态监测,对欧美杨苗木蒸腾耗水特性进行了系统研究。初步摸清了欧美杨不同品系苗木的蒸腾耗水特性,并最终建立起了基于苗木生长、蒸腾耗水特性等的苗木节水灌溉技术及优化灌溉制度,以期提高欧美杨苗木苗期的水分管理,促进其可持续发展。主要结论如下：（1）采用人工神经网络模型的方法,利用DPS数据处理系统,以气象因子中的空气温度、空气相对湿度、太阳辐射等作为输入变量,建立了预测一年生107杨苗木耗水量的人工神经网络预测系统,并通过实测数据检验得出：3种模型均可用于苗木耗水量的预测,且BP神经网络模型预测的平均相对误差为0.04,但稳定性较差；PPR神经网络模型预测的平均相对误差为0.03；多元逐步回归分析模型预测的平均相对误差为0.10,且后面两种预测模型的稳定性都较好。因此,建议使用PPR人工网络神经模型预测苗木耗水量。同时,PPR网络模型预测系统的最大相对误差为0.073,最小相对误差为0.002,可见网络模型预测的准确度较高,较以往的线性模型预测更合理,并且此网络训练花费的时间较短。（2）综合不同田间持水量对欧美杨各品系苗木生长指标、生理生化指标的影响,最终得出田间持水量80%（60%～80%；18.8%）是欧美杨苗木适宜生长的最佳土壤水分含量。（3）欧美杨各品系苗木年耗水量表现出相似的耗水规律,蒸腾耗水量随土壤含水量的增加而增大,即100%>80%>60%。就最适土壤含水量而言,107杨年耗水量最小,为146.83kg·m-2,凌丰4号最大,为264.25kg·m-2,品系间耗水量差异极显著（P<0.01）。（4）欧美杨各品系苗木水分利用效率随土壤水分含量下降而升高,即田间持水量60%>80%>100%。最适土壤含水量条件下,107杨年平均水分利用效率最高,为（2.71±0.52）μmolCO2·mmol-1H2O,凌丰3号最低,为（1.85±0.31）μmolCO2·mmol-1H2O,品系间耗水量差异极显著（P<0.01）。（5）探讨了苗木耗水的季节差异,在最适土壤含水量条件下,107杨、凌丰1号、凌丰4号属于夏秋耗水型；帝国杨属于夏季耗水型；凌丰3号属于均衡耗水型。同时得出,同一品系苗木生长在不同的土壤含水量条件下时所属的耗水类型可能有所变化,凌丰3号在60%田间持水量下属于秋季耗水型,在80%田间持水量下属于均衡耗水型,在100%田间持水量下属于夏季耗水型。（6）通过蒸腾速率与环境因子的相关性分析得出,蒸腾速率与环境因子的相关性大小依次是：太阳辐射、相对湿度、气温、土壤水势,其中以太阳辐射最为显著（P<0.01）（7）各品系苗木蒸腾速率与主要环境因子之间的多元线性回归模型均达到显著水平（P<0.05）。在最适上壤含水量条件下,其判定系数R2分别为：107杨0.826、帝国杨0.837、凌丰1号0.902、凌丰3号0.862、凌丰4号0.815。将2010年主要环境因子实测数据带入模型进行预测,结果其相对误差分别为：107杨18.18%、帝国杨11.43%、凌丰1号15.18%、凌丰3号5.93%、凌丰4号10.90%,预测误差在允许范围内（<20%）,预测模型比较准确。（8）基于欧美杨盆栽苗木耗水规律基础之上,同时结合土壤蒸散情况及降雨量等因素初步确定了欧美杨各品系苗木最佳土壤水分条件下的节水灌溉制度。欧美杨5个品系苗木的灌溉定额大致可分为两组,107杨和凌丰3号的灌溉定额相对较小,属于一组；而帝国杨、凌丰1号和凌丰4号的灌溉定额相对较大,属于一组。整个生长季107杨灌溉定额为54.53kg,每月根据天气情况将灌溉定额细划为若干次灌溉,约45次；凌丰3号灌溉定额为56.90kg,约细划为54次；帝国杨、凌丰1号、凌丰4号灌溉定额分别为70.47kg、72.17kg、78.47kg,平均约细划为84次。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 论文中引用的符号及其中英文含义
• 目录
• 引言
• 1 概述
• 1.1 杨树栽培技术相关研究进展
• 1.1.1 杨树苗期生长规律研究进展
• 1.1.2 杨树苗木水分生理生态特性研究进展
• 1.1.3 杨树水分需求规律研究进展
• 1.2 植物耗水及节水灌溉制度研究进展
• 1.2.1 植物耗水研究进展
• 1.2.1.1 植物耗水性的概念
• 1.2.1.2 植物耗水的影响因素
• 1.2.1.3 植物耗水研究的主要内容
• 1.2.1.4 植物耗水研究的主要方法
• 1.2.1.5 植物耗水性评价
• 1.2.1.6 盆栽苗木蒸腾耗水特性研究
• 1.2.1.7 容器苗木蒸腾耗水特性的研究
• 1.2.1.8 树干液流动态和蒸腾耗水研究进展
• 1.2.1.9 植物水分传输机理与耗水调控机制的研究
• 1.2.1.10 耗水尺度扩展理论与方法研究
• 1.2.2 节水灌溉制度研究进展
• 1.2.2.1 灌溉制度的概念
• 1.2.2.2 节水灌溉制度的理论基础
• 1.2.2.3 节水灌溉的思路
• 1.2.2.4 节水灌溉的实现途径
• 1.3 本研究的目的和意义
• 1.4 应用前景
• 1.5 国内外研究的不足之处
• 1.6 本论文的课题来源
• 2 试验地概况及试验设计
• 2.1 试验地点概况
• 2.2 试验材料的选择
• 2.3 试验设计和实验方法
• 2.3.1 盆栽试验设计
• 2.3.2 苗木耗水日变化测定
• 2.3.3 叶片净光合速率、蒸腾速率等的测定
• 2.3.4 气象因子的测定
• 2.3.5 SPAC水势的测定
• 2.3.5.1 土壤水势的测定
• 2.3.5.2 叶片水势的测定
• 2.3.5.3 大气水势的测定
• 2.3.6 苗木生长指标的测定
• 2.3.7 苗木内含物的测定
• 2.3.7.1 叶绿素含量的测定
• 2.3.7.2 蛋白质含量的测定
• 2.3.7.3 丙二醛含量的测定
• 2.3.7.4 脯氨酸含量的测定
• 2.3.7.5 超氧化物歧化酶SOD活力的测定
• 2.3.7.6 过氧化物酶POD活性的测定
• 2.3.7.7 过氧化氢酶CAT活力的测定
• 2.3.7.8 苗木根系活力的测定
• 2.3.7.9 苗木茎干水势的测定
• 2.3.8 叶片叶绿素荧光的测定
• 2.3.9 苗木矿质元素含量的测定
• 2.3.10 叶片气孔特性的测定
• 2.3.10.1 叶片气孔密度的测定
• 2.3.10.2 叶片气孔长度的测定
• 2.3.10.3 叶片气孔开度的测定
• 2.3.10.4 叶片气孔比面积的测定
• 2.4 数据处理与分析
• 2.5 技术路线
• 3 欧美杨不同品系苗木蒸腾耗水特性研究
• 3.1 不同水分梯度下盆栽欧美杨各品系苗木的耗水特性
• 3.1.0 基于BP、PPR神经网络下欧美杨苗木耗水量预测的比较
• 3.1.0.1 BP网络神经模型
• 3.1.0.2 PPR神经网络模型
• 3.1.0.3 多元逐步回归模型
• 3.1.0.4 气象因子的筛选
• 3.1.0.5 模型的建立
• 3.1.0.6 模型参数的设置
• 3.1.0.6 模型的应用
• 3.1.1 苗木蒸腾耗水日变化规律
• 3.1.2 光合作用日变化规律
• 3.1.3 蒸腾速率日变化规律
• 3.1.4 水分利用效率日变化规律
• 3.1.5 苗木不同时段耗水量及季节耗水型的划分
• 3.1.5.1 各品系苗木不同季节和全年耗水量
• 3.1.5.2 不同水分条件下各品系苗木月耗水量比较
• 3.1.5.3 苗木季节耗水型的划分
• 3.1.5.4 苗木蒸腾耗水能力评价
• 3.1.6 苗木耗水的影响因子
• 3.1.6.1 气孔导度的影响
• 3.1.6.2 气象因子的影响
• 3.1.6.3 SPAC水势的影响
• 3.1.7 蒸腾速率与环境因子的相关性分析
• 3.1.8 蒸腾速率与环境因子的优化模型
• 3.1.9 欧美杨苗木蒸腾耗水模型的评价
• 3.1.10 天气状况对苗木蒸腾速率的影响
• 4 不同土壤含水量对欧美杨各品系苗木生长及生理生化的影响
• 4.1 不同土壤含水量对苗木生条指标的影响
• 4.1.1 不同土壤含水量对苗木高生长曲线的影响
• 4.1.2 不同土壤含水量对苗木地径生长的影响
• 4.1.3 不同土壤含水量对苗木生物量的影响
• 4.1.4 不同土壤含水量对苗木组织含水率的影响
• 4.2 不同土壤含水量对苗木体内物质含量的影响
• 4.2.1 不同土壤含水量对苗木叶片叶绿素含量的影响
• 4.2.2 不同土壤含水量对苗木叶片蛋白质含量的影响
• 4.2.3 不同土壤含水量对苗木叶片丙二醛含量的影响
• 4.2.4 不同土壤含水量对苗木叶片脯氨酸含量的影响
• 4.2.5 不同土壤含水量对苗木叶片过氧化物酶POD活性的影响
• 4.2.6 不同土壤含水量对苗木叶片超氧化物歧化酶SOD活力的影响
• 4.2.7 不同土壤含水量对苗木叶片过氧化氢酶CAT活力的影响
• 4.2.8 不同土壤含水量对苗木根系活力的影响
• 4.2.9 不同土壤含水量对苗木茎干水势的影响
• 4.3 不同土壤含水量对苗木叶片叶绿素荧光的影响
• 0）的影响'>4.3.1 不同土壤含水量对苗木叶片叶绿素初始荧光（F₀）的影响
• m）的影响'>4.3.2 不同土壤含水量对苗木叶片叶绿素最大荧光（F_m）的影响
• v）的影响'>4.3.3 不同土壤含水量对苗木叶片叶绿素可变荧光（F_v）的影响
• v/F_m）的影响'>4.3.4 不同土壤含水量对苗木叶片叶绿素光系统PS Ⅱ原初光能转化率（F_v/F_m）的影响
• v/F₀）的影响'>4.3.5 不同土壤含水量对苗木叶片叶绿素光系统PS Ⅱ潜在活性（F_v/F₀）的影响
• m）的影响'>4.3.6 不同土壤含水量对苗木叶片叶绿素荧光（T_m）的影响
• 5 不同土壤含水量对欧美杨各品系苗木吸收矿质元素能力的影响
• 5.1 不同土壤含水量对欧美杨各品系苗木全N含量的影响
• 5.2 不同土壤含水量对欧美杨各品系苗木全P含量的影响
• 5.3 不同土壤含水量对欧美杨各品系苗木全K含量的影响
• 6 不同土壤含水量对欧美杨各品系苗木气孔特性的影响
• 6.1 不同土壤含水量对欧美杨苗木气孔密度的影响
• 6.2 不同土壤含水量对欧美杨苗木气孔长度的影响
• 6.3 不同土壤含水量对欧美杨苗木气孔开度的影响
• 6.4 不同土壤含水量对欧美杨苗木气孔比面积的影响
• 7 欧美杨不同品系苗木节水灌溉制度的建立
• 7.1 欧美杨不同品系苗木最佳田间持水量梯度的确立
• 7.2 欧美杨不同品系苗木节水灌溉制度的建立
• 8 结论、讨论与建议
• 8.1 结论、讨论
• 8.2 建议
• 9 论文的创新之处
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 致谢