玉米导管微形态特征及其输水机制研究

农田生态系统作物水分传输过程的微形态机制的研究对揭示土壤－作物－大气系统中的水分运行规律，深入认识作物耗水规律及其水分利用效率提高的机理具有重要的意义。本课题拟以玉米为研究对象，在水分控制盆栽试验的基础上，利用导管复型和电镜扫描技术，实现玉米植株输水管道系统的三维重建，明确不同水分条件下玉米各生育期输水管道的类型、内部微观形态特征及其功能，以及玉米植株微结构特征在控水条件下对土壤含水量的响应机制；通过对玉米导管水分流速与空穴化仿真分析，揭示玉米导管微形态特征对水分传输的影响，以及玉米输水管道空穴化与管道微观形态的关系及其发生机理；通过对控水条件下玉米宏微观形态建成的内在关系研究，探索在环境因子作用下，玉米导管微形态特征对玉米气孔蒸腾等生理指标的影响。旨在揭示干旱半干旱区夏玉米蒸腾耗水的生物学机制，为农田作物水分高效利用提供理论支撑。

本项目进行了3年田间水分控制条件玉米生长响应试验，于各个生育期进行取样，并对植株各部位的导管进行复型。采用扫描电镜进行玉米导管微形态观察。通过观察发现玉米输水管道的主要类型是具缘导管和环纹导管，螺纹、网纹、梯纹导管较少。具缘导管直径一般为环纹导管直径的二倍，具缘导管是玉米输水的主要管道。导管微形态对土壤水分环境的反应是管道直径、长度随土壤水分含量的增加而增长。导管微观形态随含水量增加趋向于轴向伸长生长，而受到水分胁迫则趋向于径向增厚生长。.通过计算发现导管内壁次生增厚对水流的阻碍会造成管道内局部压力降低，仿真分析表明在次生增长靠近出口一侧，容易发生空穴化。导管空穴化的发生不仅与毛管吸力相关，还与吸力梯度相关；高压力梯度下的空穴化更可能发生在叶片。空穴发生时的汽含率主要分布在导管端壁附近及出口侧。.在各生育期测量玉米节间长度和节间直径，并分析其与其内部导管微观形态指标的关系，结果表明玉米宏观形态与微观形态对土壤水分有相同的反应，植株宏观形态可近似描述植株微观形态。根据叶片维管束在节间的分布，用一个节间或较少的节间和相应节间直径计算植株毛管吸力、毛管吸力梯度和体积流速较为合理。植株毛管吸力梯度从植株底部往上随节位升高呈升高趋势、含水量呈下降趋势。植株毛管吸力和毛管吸力梯度与土壤水环境的关系是，随土壤体积含水量降低，毛管吸力和毛管吸力梯度上升、体积流速下降，随土壤体积含水量的上升，上述变化呈相反趋势。.利用得到的导管微形态数据对玉米叶片气孔导度和叶片蒸腾的进行了预测。气孔下腔三维形态是影响气孔行为的内在因素，根据宏微观近似线性的关系，用玉米植株具缘导管径长比近似代替气孔下腔径长比，对叶面相对湿度进行估计。由此计算蒸腾速率估计的决定系数分别在0.70以上。根据宏微观线性关系，可用植株径长比对气孔行为进行预测。