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植物水分胁迫管理技术

来源:力高泰 发布时间:2017-07-25 15:54:00 点击数: 使用提问咨询价格

茎流传感器

在美国加州的Fresno地区,很多杏树上已经安装了Dynamax制造的茎流传感器。这些传感器能够清楚准确地告诉种植者这些杏树是否受到水分胁迫,以及灌溉是否适量。

Dynamax从1989年就开始研发制造茎流传感器。最初研发的是TDP热扩散插针式茎流传感器,而最新研发的EXO-SkinTM外皮包裹式茎流传感器在安装时无需钻孔,对测试样株的影响很小。

Dynamax总裁Mike van Bavel介绍说:“茎流传感器可以测量得到杏树的蒸腾耗水量”。除了杏树,Dynamax的茎流传感器还可被用于山核桃、桃子、樱桃、李子、蓝莓、草莓、玉米和棉花等作物的茎流监测。他说:“让作物本身告诉你它已经消耗了多少水,进而你就能知道需要再补充多少”。

使用茎流传感器的节水作用非常显著。在过去几年间,在美国加利福尼亚州的Napa和Sonoma地区,已经有超过200多个葡萄园中安装了Dynamax茎流传感器。葡萄酒从业人员说:“这种监测可以帮助每年节水数十万加仑,而时机合适的精准亏缺灌溉能够显著提高葡萄的产量和品质。”

从作物系数Kc到茎流胁迫系数Ks
茎流胁迫系数Ks


作物系数Kc(Crop Coefficient, Kc)

地表蒸发和作物蒸腾共同组成了地表作物蒸发散(Crop Evapotranspiration)。如果,作物生长良好,没有病虫害,且作物根区土壤水分供应充足,把这种条件下的地表作物蒸发散(Crop Evapotranspiration)确定为理想状态下的作物需水量,用符号ETc表示。在此时的气象条件下,通过模型计算,可以得到潜在蒸发散,用符号ETo表示。二者的比值被称之为作物系数Kc。由于这三者之间存在上述的关系,研究者通常可以根据潜在蒸发散ETo和作物系数Kc,来推断理想状态下的作物需水量ETc,进而指导灌溉。
 
世界粮农组织FAO根据分段单值平均法,计算出了不同作物在理想状态下的作物系数Kc。这种方法把作物系数在整个生长季内的变化过程概括为几个阶段。
 
  • 初始生长期,从播种到作物覆盖率接近10%。此阶段内作物系数为K c ini;
  • 快速发育期, 从覆盖率10% 到充分覆盖(大田作物覆盖率达到70%~80%);此阶段内作物系数从Kc ini 提高到Kmid。
  • 生育中期,从充分覆盖到成熟期开始,叶片开始变黄。此阶段内作物系数为Kmid。
  • 成熟期,从叶片开始变黄到生理成熟或收获。此阶段内作物系数从Kmid 下降到Kend。
 
茎流胁迫系数Ks(Sap Flow Stress Coefficient,Ks)

与作物系数Kc类似,如果同步测量作物实测茎流量和同期气象数据,研究者可以计算得到作物实际茎流总量ETa(mm)以及潜在蒸发散ETo。两者的比值称之为茎流胁迫系数(Sap Flow Stress Coefficient),用Ks表示(公式如下),如果Ks越接近1,说明作物受到的胁迫越小。因此,对于作物而言,可根据Ks的动态变化,研究如何实施亏缺灌溉*。
Ks = ETa / ETo
 
美国Dynamax先进的茎流采集系统FLGS-TDP(插针式)Flow32(包裹式)以及内置潜在蒸发散计算模型的Dynamet科研级无线传输自动气象站,可帮助研究者时时采集到不同作物的茎流和潜在蒸发散数据。进而可以将植物的茎流胁迫状态定量化。
 
更进一步,Dynamax近期研发的SapIP分布式植物生理生态监测系统,可将采集的茎流和气象数据实时发送到Agrisensors.NET云数据平台,利用电脑或手机,就可随时查看最终的茎流胁迫系数Ks数据,为精准灌溉提供在线决策。
 
*亏缺灌溉是一种作物灌溉制度的优化策略。在整个生育期,作物生长存在干旱敏感期,在干旱敏感期是不能缺乏水分灌溉的。除了灌溉敏感期,适当的减少水分灌溉或是不灌溉,在尽量不减少作物产量的同时,提升作物品质以及其作物的水分利用效率。

植物蒸腾耗水总量ETa
它是计算茎流胁迫系数Ks的必要参数

在Dynamax的茎流胁迫系数Ks模型中,ETa是指样地内所有植株单位时间内通过蒸腾作用向大气中释放的水汽量。若要获取ETa,需要首先测量单株植物的茎流速度,之后乘以样方内植株数量,或根据样地叶面积指数,计算得到样地内所有植株的茎流总量。目前,依据测量仪器的不同,获取单株植物茎流速度的方式有三种。
 
 
前两种测量方式可以获取单株植物的茎流速度,但是不包含“云服务”功能;而SapIP茎流监测网络则可利用Dynamax研发的云服务功能。用户可随时登录Agrisensors.NET获取单株植株的茎流数据。

根据样株的具体情况:是草本还是乔木?节间距大还是小?研究者可选择不同的传感器。例如,对于草本植物而言,如西红柿、黄瓜,只能选择Dynagage包裹式茎流传感器;而对于杨树,TDP热扩散插针式茎流传感器则是更优的选择;而对于节间距短的植物葡萄来说,则只能采用EXO-SkinTM外皮包裹式茎流传感器
 
植物需水量潜在值ETo
Dynamax在Penman 模型基础上做了进一步 修正

ETo是植物需水量的潜在值,指土壤水分供应充足的条件下,在地面开阔、生长茂密、8-15cm高的矮草地上的蒸发散量。ETo可根据当地的气象条件进行计算。常用的计算方法包括:布莱尼-克雷多公式(适用于干旱、半干旱地区)、水汽扩散法公式(精度高)、能量平衡法、Penman综合法公式。其中,Penman综合法公式已经被大多数学者接受。

Dynamax的多种气象站,标准蒸发散模型内置于气象站中,可提供每小时(mm/h)或整天(mm)的数据。计算原型依然是基于Penman综合法。在此模型基础上,C.H.M. Van Bavel博士做了进一步订正,使得目前的模型可以输出每小时的标准蒸发散数据,这使得模型计算得到的数据和实际情况更加接近。

Dydamax提供了一系列的标准气象站供用户选择。值得一提的是,最新推出的SapIP-MICRO微气象监测系统,可精细化研究中小尺度上的微气候差异,并可利用Agrisensors.NET云服务平台,帮助研究者随时查看研究区的标准蒸发散数据。进一步的,结合植物茎流数据ETa,就可计算得到茎流胁迫系数Ks。
 
茎流胁迫系数Ks监测平台
 
AgriSensors.Net 云服务平台
图1  AgriSensors.Net 云服务平台
   
图2  植物茎流日动态
图2  植物茎流日动态
 
图3  植物胁迫系数Ks动态
图3  植物胁迫系数Ks动态

美国Dynamax采用先进的植物茎流传感器以及稳定的SapIP系统,可直接测量得到植物的蒸腾耗水量。采集的数据可直接成图显示在AgriSensors.NET平台上(图2)。单株植物瞬时的测量结果可用于推算得到每天的蒸腾总量,结合单位样地面积上植物的总株数或叶面积指数,可计算得到样地的植物蒸腾耗水总量Eta(图1)。

该系统内所采集的气象数据可估算得到该地区的植物需水量潜在值ETo,进而就可计算植物茎流胁迫系数了(图3)。在不考虑地表蒸发的前提下,理想的茎流胁迫系数应该为1。
 
在实际应用中,种植者只需要确定该作物所能接受的胁迫状态是怎样的,并参考土壤水分测量结果,然后就可恢复灌溉。有些情况下,对于特定作物来说,一段时间的胁迫是必要的,这反而有助于作物果实的生长。
 
Ks植物水分胁迫系数是实现精准灌溉的数据基础!