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1、第二章 作物的水分环境与作物对水分的利用,3学时,内容提要 一、农作系统中水分及其循环平衡；(0.5h) 二、作物对水分的吸收与利用；(0.5h) 三、作物的干旱伤害；(1h) 四、作物的湿、涝伤害。(1h),第二章 作物的水分环境与作物对水分的利用,第二章 作物的水分环境与作物对水分的利用,重点 1、作物水分利用效率及作物对旱、涝的反应； 2、农作系统中作物和土壤的水分状况与平衡。 难点 作物水分利用效率及提高途径。,第二章 作物的水分环境与作物对水分的利用,水分环境不仅决定作物的分布、形态结构和生活习性，而且可从分子水平至群体水平制约作物的生活。水分因子是诸生态因子中变化最大、最不稳定的因
2、素，因此也是影响产量形成的关键因素之一。 液态水分子理化特性及其作用： 极性分子，是良好的溶剂和生化反应介质； 水的比热大，有利于调节环境和生物体温度； 水的内聚力和表面张力大，保证水分运输时水柱不被拉断； 水具不可压缩性，能够传递机械力，维持细胞膨压，保持枝叶挺立。,一、农作系统中水分及其循环平衡,1、作物体内的水分：作物组织含水量为70-90% （1）作物体内水分存在状态 自由水：存在于细胞壁、细胞间隙、液泡、导管和管胞内、以及其他组织间隙和细胞中未被紧密吸附的水分。变化较大，移动性较强，参与植物的生命活动。 束缚水：细胞中受原生质颗粒、细胞壁亲水性物质和一些有机、无机离子吸附的水。移动性
3、差，含量少，不参与植物的生命活动，受外界环境影响小，但与胶体稳定性和作物抗逆性有密切关系。 化合态水：以基团形式参与有机物形成，成为该分子结构的一部分，约占作物一生耗水量的0.2%左右，对作物的生理作用不大。,一、农作系统中水分及其循环平衡,1、作物体内的水分 （2）作物体内水分状况指标 组织含水量（%）=（鲜重 - 干重）/ 鲜重100 含水量受大气湿度和植株生理年龄的影响，应用时须加以考虑。 组织相对含水量（RWC）=（鲜重- 干重）/（吸胀重-干重）100 细胞水势：w = s + p + m 单位:1MPa = 10bar = 9.87atm = 106J/L = 106N/m2 吸胀
4、重是指组织饱和吸水重。应用水势、相对含水量较理想。,一、农作系统中水分及其循环平衡,2、土壤水类型及有效性 土壤水分类型与可利用性 表 土壤水分状况及其可利用性,一、农作系统中水分及其循环平衡,2、土壤水类型及有效性 土壤水分形态与可利用性 重力水：10m孔隙中的水分； 毛管水：0.210m孔隙中的水分，即被毛细管吸持，而不因重力而下降流失的水分； 吸湿水：0.2m孔隙中的水分，即被土壤颗粒强烈吸持，不能被作物吸收的水，是土壤处于风干状态所含有的水分。 为什么重力水是旱作物的无效水？,一、农作系统中水分及其循环平衡,2、土壤水种类及有效性 土壤水分类型与可利用性 不同土壤类型的水分状况 作物可
5、利用的土壤水分是萎蔫点与田间持水量间的水分。作物对不同土壤中水分的利用性不同。,表 不同土类的田间持水量、萎蔫点及可利用水分的百分数（%）,一、农作系统中水分及其循环平衡,3、农作系统中水分循环平衡 水的来源： 降水（P，包括降雨、降雪、降霜等）、灌溉水（I）、地下水（只存在某些地下水位较高的地区）。 水的去向： 径流（Ro）、渗漏（D）、土壤蒸发（Es）、土层保留（Ws，如土壤胶体、毛管吸持）、植物蒸腾（Ep）、植物保留（Wp）。 农田生态系统水量平衡方程： （P+I）-（Ro+D+Es+Ws+Ep+Wp）= 0,一、农作系统中水分及其循环平衡,3、农作系统中水分循环平衡 水循环平衡的动力
6、太阳辐射：影响土壤蒸发和作物蒸腾； 重力：造成土壤水分渗漏和径流； 水势梯度：导致水分从水势高的地方流向水势低的地方。,一、农作系统中水分及其循环平衡,3、农作系统中水分循环平衡 在农作系统中，由于存在作物对水分的吸收、传导和蒸腾，水分的流动便形成了土壤作物大气连续体系（soil-plant-atmosphere continuum，SPAC）。 在这个体系中，水势是以递减的形式分布的，水的运动基本上是一个降低自由能的过程，并不需要额外能量的输入。 相邻层次间的水通量可用：F = -K描述，其中，K为水传导度（水流阻力的倒数），为水势梯度。,3、农作系统中水分循环平衡,注：a：大气阻力；c：边
7、界层阻力；s：气孔阻力；m：茎阻力；xy：导管阻力；土壤：土壤阻力；r：根阻力,图,二、作物对水分的吸收与利用,1、水对作物的生理生态效应 生理作用 生态作用 2、作物对水分的吸收与传导 细胞吸水：细胞主要通过质膜上的水孔以水集流的方式从环境中吸水；水分传递方向和限度依据水势的相对大小。 根-土之间的水分传递：根系吸水时，水分首先从根土接触的界面较自由地进入细胞壁，使细胞壁达到水饱和状态，然后通过渗透作用，经根表或根毛细胞质膜进入细胞，再经液泡膜进入液泡中。,二、作物对水分的吸收与利用,2、作物对水分的吸收与传导 根表细胞到木质部的水分传递：一般通过质外体空间径向传递，但由于根内皮层细胞壁存在
8、凯氏带加厚，水分进入根中柱木质部，应穿过根内皮层细胞质。 根内从表皮到木质部导管各部位的水势变化有一定的规律性。内皮层以外的各细胞水势从外到内逐步降低，但内皮层细胞水势有突然的、较大幅度降低的现象，这称为“内皮层跃变现象”，具体机制不明。,二、作物对水分的吸收与利用,2、作物对水分的吸收与传导 导管系统中水的传递：水以集流的方式在导管死细胞中流动，传导阻力小。 叶脉、叶肉细胞与大气间的水分传递：发达的叶脉导管与叶肉细胞间建立了广泛的联系，并有较大的接触面。水分首先由叶脉的木质部传递给邻近的叶肉细胞的细胞壁，再渗透到细胞内部。 水分散失时，水分从湿润的细胞壁表面以气态蒸发到叶肉细胞间隙中，使其达
9、到接近水蒸气饱和状态，然后通过气孔扩散到大气。,二、作物对水分的吸收与利用,2、作物对水分的吸收与传导 作物体内水分的传导动力 一般作物根细胞水势为-0.2-0.6MPa，叶细胞水势为-1.0-1.5MPa。根 茎 叶。 保证水分在导管中流动由三个方面的力量决定： 根压：由伤流和吐水现象可以说明。伤流量越大，根系活力越强； 蒸腾拉力 水分子内聚力,二、作物对水分的吸收与利用,2、作物对水分的吸收与传导 作物体内外水分运动阻力（s/cm表示）： 根-土阻力：土壤类型及根的数量、根表面积不同，阻力大小不同。一般沙性土阻力小。 导管体系阻力：导管细胞是死细胞，因此阻力较小。 叶-气阻力：包括气孔阻力
10、和边界层阻力，与气孔分布、形状、结构和大气条件有关。,二、作物对水分的吸收与利用,注：阻力单位为s/cm，即水分运动1cm所需时间。在总阻力中，根土阻力占比例较大，其大小取决于根的数量、根表面积大小。,表,二、作物对水分的吸收与利用,3、作物水分的蒸腾与散失 作物个体水分散失的部位和方式 作物体内的水分绝大部分从叶片上散失，而叶片水分散失部位则由气孔和角质层组成，并以气孔为主，但在某些情况下，如植株幼嫩时，角质层蒸腾可达叶片总蒸腾的50%。低温、干旱可加大角质层蒸腾。 暴露于空气中的枝条也会散失部分水分，这与表皮木栓化程度、皮孔的多少及有无裂缝有关。 根系吸收的水分上运过程中，有少量水分可从干
11、土层中的根表面散失到土壤中，其数量随根系老化程度加重而减少。 植物还可通过“吐水”从叶缘散失液态水。,二、作物对水分的吸收与利用,3、作物水分的蒸腾与散失 作物群体的水分蒸腾 群体条件下，所有个体均可散失水分，扩散的水汽在群体中交汇，使群体株丛中的空气比外界更为潮湿，只有群丛内上层空气中的水汽可以比较容易扩散到大气中，下部的水汽扩散阻力大，从而形成群丛内自上而下水蒸气压逐渐增高，下部常会达到饱和状态。 光在群体中分布也越往下越少，下部叶的气孔开度减小，蒸腾速率降低。 作物群体的蒸腾作用主要发生在上层，不管群体多么复杂，可把群体暴露在空气中的外表面看作其蒸腾表面，整个群体的蒸腾失水远少于单个孤立
12、个体的蒸腾量之和。群体表面粗糙度较大时，群体蒸腾量增加。,二、作物对水分的吸收与利用,3、作物水分的蒸腾与散失 影响作物蒸腾作用的因素 作物蒸腾作用在外部因素上受大气因子（光、温、湿等）影响，在内部因子上主要受气孔的调节。 太阳辐射:以信号的形式影响气孔的开关；以能量形式影响作物体温及环境的温、湿度。 温、湿度:影响土壤、作物和大气的水势。 风速：在农田周围设置防护林，可减小风力影响，降低蒸腾失水。 土壤水分状况：决定于土壤有效水含量。 作物类型：不同作物类型，蒸腾速率不同。,二、作物对水分的吸收与利用,3、作物水分的蒸腾与散失 作物蒸腾作用的规律性变化 蒸腾作用的季节性变化：水稻全生育期蒸腾
13、强度呈抛物线，以拔节期及抽穗期（即叶面积最大时）最高。 蒸腾作用的日变化：与气孔导度的日变化相似。一般情况下，表现为单峰曲线，中午前后（13时左右）蒸腾强度最大，晚间十分微弱；某些作物、某些条件下，蒸腾作用的日变化呈双峰曲线，即表现出“午睡”现象，可通过增加供水、降温等措施进行削减。,二、作物对水分的吸收与利用,4、作物体内的水分平衡机理与分配原则,图,二、作物对水分的吸收与利用,4、作物体内的水分平衡机理与分配原则 作物体内水分平衡机理 作物的水分平衡受土壤水分状况和蒸腾失水的调节。 在土壤供水状况良好时，植株体内水势变化受昼夜节律的影响，但处于平衡状态。 当水分的吸收、运输、损耗三者协调时
14、，作物体处于良好水分平衡状态。 当土壤供水不足时，作物体内的水分平衡被打破。,二、作物对水分的吸收与利用,4、作物体内的水分平衡机理与分配原则 作物体内水分分配原则 在水势差的支配下，由高水势部位向低水势部位分配； 当蒸腾大于吸水时，水分优先向分生组织、幼嫩器官（幼叶、幼果）及蒸腾旺盛的功能叶分配； 当严重缺水时，体内水分可发生再分配，即分生组织、生长点、成熟中的果实可向老叶及花和未成熟果实夺取水分，导致叶片、花和幼果的脱落。,二、作物对水分的吸收与利用,5、作物的需水规律及水分利用效率 作物需水量：可用在最佳水分供应条件时达到作物旺盛生长的田间蒸散量（ET）估算作物田间需水量： ET=Es+
15、Ep，Es为土表直接蒸发失水量，Ep为作物蒸腾失水量，用kg或mm表示。 作物一生的需水量也可根据蒸腾系数，即作物每形成1g干物质所需要消耗的水分克数来估测。 水分临界期：作物对缺水最敏感的时期。一般在营养生长末期到生殖生长时期。此期的作物对缺水的反应最强烈，因此要保证此期的作物需水。 最大需水期：作物对水分需求量最大的时期。一般是作物生长最快的时期。,二、作物对水分的吸收与利用,5、作物的需水规律及水分利用效率 作物对水分的有效利用 在农作系统的水去向中，只有通过作物蒸腾所消耗的水才是有效利用的水分，因为由根系吸收至叶面蒸腾的水流与矿质营养的吸收和运转相耦联，气孔水蒸腾又与CO2的吸收反向耦
16、联，所以作物的蒸腾与产量形成密切相关。作物蒸腾失水约占作物吸水总量的95%。 水分利用效率（WUE）= 干物质生产重量/消耗水kg 。 水分利用效率与作物的特性及其对环境的适应能力有关。,二、作物对水分的吸收与利用,5、作物的需水规律及水分利用效率 作物水分利用效率的表达方法及其意义： （1）WUE = 干物重积累(g)/Ep(kg) 又称为作物的蒸腾效率（TE），也是通常所指的水分利用效率，广泛用于评价不同作物或不同品种的水分利用效率。 （2）WUE = 作物产量（Y）/田间水分蒸散作用消耗的水量（ET） 其中，Y为kg，ET为Es+Ep之和。Es为土表直接蒸发失水量，Ep为作物蒸腾失水量，用kg或mm表示。这反映田间水分蒸腾散失效率，在评价田间总耗水效率上具实用意义。,二、作物对水分的吸收与利用,5、作物的需水规律及水分利用效率 作物水分利用效率的表达方法及其意义： （3）WUE=Y（产量）/I（灌溉用水量m3） 它反映灌溉用水的效率，在确定最佳灌溉定额时具重要意义。 （4）WUE=Y
