生态学研究进展植物水分利用效率及其影响因素

林业科学研究　2003,16(3):366～371Forest Research 文章编号:100121498(2003)0320366206植物水分利用效率的研究进展李荣生1,许煌灿1,尹光天1,杨锦昌1,李双忠2(1.中国林业科学研究院热带林业研究所,广东广州　510520;2.福建省莆田市农业局,福建莆田　351100)摘要:阐述了水分利用效率概念和测定方法的发展、水分利用效率的时间和空间变化规律、不同生活型植物的水分利用效率与水分利用效率的外在和内在影响因子、水分利用效率的遗传背景分析、水分利用效率和抗旱性关系及提高水分利用效率的措施,最后分析了今后水分利用效率的研究趋势。

关键词:水分利用效率;时空变化;稳定C同位素中图分类号:S718.43Q945117+1 文献标识码:A水是地球表面的一种最普通物质,同时又是最重要的物质,对生命体有着十分重要的作用。

水分不仅决定植物在地球表面上的分布,而且还影响农作物的产量和林木的生长。

在水分供应一定的条件下,水分利用效率越高的植物,其生产的干物质越多。

农林科研人员对植物水分利用效率进行了许多研究,本文总结了这些研究成果,期望对林业生产能有所帮助。

1　植物水分利用效率概念的发展水分利用效率(W UE)是用以描述植物产量与消耗水量之间关系的名词[1],随着科学技术的发展而发展。

20世纪初,Briggs和Shantz等用需水量来表示水分利用效率,指为了生产一个单位的地上部分干物质量或作物的产品所用的水量[2],这个定义有欠缺的地方,它虽然表明为植物生长所必需的一定水量,但是实际上它只表示在当时的环境条件下生产一定量的干物质从叶子所蒸腾的水量,再加上植物所保持的那部分水分[3]。

几乎同一时间Widts oe[3]用蒸腾比率一词来表示水分利用效率,这个名词与需水量的区别只是不包括植物体所保持的那一小部分水分而已。

1957年K och认为阴天时测定的光合速率和蒸腾速率之比比晴天时测定的高[1]。

植物生理学中的水分利用效率研究水分是植物生长发育必不可少的资源，但水分资源的稀缺性和不平均分布性导致水分是植物生产中的关键环节。

水分利用效率指的是植物通过光合作用形成单位干物质量的蒸腾水量，是反映植物水分利用效率水平的重要指标，对世界各地的农业生产和自然生态系统的正常运转均具有重要意义。

本文将从水分利用效率的定义、影响因素、研究方法和应用前景等方面展开讨论。

一、水分利用效率的定义水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）是指植物通过光合作用形成单位干物质量的蒸腾水量，即干物质与蒸腾量的比值，常用单位是μmol CO2 mmolH2O-1， WUE通常被认为是植物的水分利用效率。

从植株角度来看，WUE越高代表着单位蒸腾量产生更多的干物质，相应的生长速度也会增加。

在一定程度上，这也意味着植物需要摄取的水分量相对较少，能适应较干旱的环境。

二、影响因素植物的水分利用效率受到多种影响因素的调节，主要包括植物的内部水分调控机制和外界环境因素两方面。

对于内部因素，光合物质积累、小气孔密度、细胞膜透性和细胞渗透压调节等均可以影响WUE的水平。

部分植物会借助行星微生物来进行氮素固定，这也能在一定程度上影响植物的WUE表现。

植物内部调节机制和使用程度的种类也是对WUE影响比较大的内部因素。

环境因素对植物的WUE影响更加明显。

例如温度、光照、CO2浓度和土地类型等因素都是直接影响植物WUE的环境因素。

温度的上升会降低气孔开度，减少蒸腾量，从而提高WUE；而随着CO2浓度的升高，植物的WUE水平会有所下降。

三、研究方法WUE的研究方法多种多样，主要包括水分利用效率的测定与模型预测两种主要方法。

水分利用效率的测定主要通过实验室测量法、野外测量法和生态系统模拟等方法来进行。

其中，实验室测量法主要通过对植物的光合同步测量和根吸收量来确定WUE水平；野外测量法则通过在野外利用碳同位素标记技术和适用的计算模型来测定WUE。

林木水分利用效率的研究与提高林木作为陆地上最重要的植物资产之一，对于维持生态平衡和提供人类生活所需的资源起到至关重要的作用。

林木的水分利用效率不仅影响到森林生态系统的健康和稳定性，还直接关系到林木的生长和产量。

因此，研究和提高林木的水分利用效率一直是林业科学与实践的重要课题。

一、林木水分利用效率的意义林木水分利用效率指的是林木在单位水分供应条件下所能产生的生态系统服务、木材生产或碳汇的量。

水分是植物生长和发育的基本要素之一，对于林木的生长、抗旱性和生态系统功能发挥起着重要作用。

提高林木的水分利用效率可以增加水资源的利用效益，减少水资源的损失，同时也可以改善土壤水分状况，促进土壤保育和环境保护。

因此，研究和提高林木的水分利用效率对于实现可持续发展具有重要意义。

二、林木水分利用效率的影响因素1. 树种因素：不同树种对水分的利用效率存在差异。

一些乔木树种如松树、橡树等具有较高的耐旱能力和水分利用效率，而一些灌木类树种如丛枝石松、沙柳等具有较低的耐旱能力和水分利用效率。

2. 土壤因素：土壤的含水量、质地、通透性等因素对林木的水分利用效率有着直接的影响。

优质的土壤可以提供充足的水分和养分供应，促进林木的生长和发育，提高水分利用效率。

3. 气候因素：气候条件对于林木水分利用效率起着重要作用。

高温、干旱和强风等气候因子会降低林木的水分利用效率，而适宜的气候条件则有利于林木的正常生长和水分利用。

4. 人为因素：林业管理措施和人类活动对林木的水分利用效率产生着重要影响。

科学合理的森林经营、灌溉措施和合理利用水资源等可以提高林木的水分利用效率。

三、提高林木水分利用效率的方法1. 选择适宜的树种：根据气候、土壤和地理条件选择水分利用效率较高的树种。

这样可以提高林木对于水分的利用效率，适应不同的气候和环境条件。

2. 改善土壤条件：合理施肥、改善土壤质地和结构，增加土壤水分的持水能力，提高土壤的保水能力和供水能力。

这样可以提供充足的水分供应，促进林木的正常生长和发育。

植物水分利用率的影响因素及测定方法摘要：提高植物水分利用率具有重要的意义，本文介绍了水分利用率的概念，不同植物的水分利用率，重点介绍了目前广为应用的稳定碳同位素测定植物水分利用率的方法，及影响WUE的因素：CO2浓度、耕作方式、灌水、秸秆覆盖、施肥、植物遗传。

关键词：水分利用率； WUE ；稳定碳同位素；影响因素全球水资源丰富，而淡水资源较少，可灌溉水更加缺乏且分布不均匀。

在一些发展中国家，如中国、印度、非洲国家等，人均可利用水资源少，如果遇到恶劣环境导致农作物缺水，就会造成人类与作物抢水的场面，严重的话会引发饥荒，造成大量人口死亡，形成无法预估的灾难。

可见，提高植物水分利用率是如此重要，正如诺贝尔和平奖获得者，布劳格所说，“让每一滴水生产出更多的粮食”，因此，国内外众多研究人员都在致力于提高植物水分利用率。

1 水分利用率的概念及其表达式1.1叶片水平上的生理学概念以单位蒸腾量固定的净CO2 量，即植物的蒸腾效率来表示:WUE=PH/TRPH为单叶的净光合速率,TR为蒸腾速率,其单位是umol(CO2)mol-1(H2O),即消耗单位水所吸收的CO2的摩尔数。

由于便携式光和测定系统的广泛应用，使这一测定计算方法简便易行，缺点是只能表示某一时刻的瞬时值，而测定的部位亦受到限制(如多用于测定叶片的WUE等)。

1.2田间水平上的广义概念把WUE表述为单位蒸腾蒸发量的地上部干物质产量。

可简单用下式表达：WUE=DW／CW (2)式中，DW 为地上部干物质量；CW 为蒸发蒸腾量。

其单位一般为kg·m-3hm, 即消耗单位水所获得的单位土地面积上的干物质量，一般是指经济产量。

蒸发蒸腾量可用水分平衡公式获得。

此表达方法的优点是简单明了，目的性强，便于理解和计算。

缺点是单位的大小因土壤面积的不同而不同，反映的只是一个综合的最终结果，不能反映作物生育时期的某一阶段、某一部位的水分利用情况，难以分析植物组织瞬时的水分利用效率。

植物水分利用效率综述摘要：植物水分利用效率(WUE)是评价植物生长适宜程度的综合生理生态指标，它实质上反映了植物耗水与其干物质生产之间的关系。

本综述评述了植物水分利用效率计算公式，分析了水分利用效率的影响因素。

讨论了稳定性碳同位素技术和指标替代法的应用。

1.概念及计算公式水分利用效率指植物消耗单位水量生产出的同化量。

它分为三种。

在叶片尺度上, 水分利用效率等于光合速率与蒸腾速率之比。

对植物个体, WUE=干物质量/ 蒸腾量。

对植物群体, WUE=干物质量/( 蒸腾量+ 蒸发量)。

2.影响因子WUE受到植物和环境两方面因素的影响。

WUE与植物生理因子如叶水势、气孔、光合速率、蒸腾速率等有关。

叶水势对蒸腾速率和光合速率的影响程度不同,从而影响WUE。

气孔作为CO2 和水汽进出的共同通道, 微妙地调节着植物的碳固定和水分散失的平衡关系, 但是光合产物和水分运输系统和方向不同: 一方面, 叶片通过调节气孔导度可以使碳固定最大化; 另一方面气孔行为还受光合产物的反馈抑制。

这造成了气孔对CO2 和水汽扩散的不同步, 进而影响WUE。

研究表明, WU E 随着气孔导度下降反而上升。

不同生长发育期, 植物的WUE 不同: 樊巍的研究表明, 冬小麦在灌浆前期水分利用效率较高,后期则较低。

在整个生长季中, 植物在早春时水分利用效率高于生长旺期。

苏培玺等研究表明,荒漠植物月水分利用效率与年生长期平均水分利用效率的相关性在8月最高,。

WU E 除了受植物因子的调节与影响之外, 同时受环境因子的控制。

由于植物叶片水平的WU E是光合和蒸腾之比, 因而凡影响植物光合和蒸腾的环境因子对植物单叶WU E 均有影响。

影响植物WU E的外界因子很多, 如光照、水分、CO2浓度、空气温度、叶温等, 但其影响程度不同。

樊巍认为, 空气温度、叶温和饱和差是影响水分利用效率的最主要因子, 而Farquhar 等则认为, 光照和水分是植物水分利用效率的主要影响因子。

植物水分利用效率综述摘要：植物水分利用效率(WUE)是评价植物生长适宜程度的综合生理生态指标，它实质上反映了植物耗水与其干物质生产之间的关系。

本综述评述了植物水分利用效率计算公式，分析了水分利用效率的影响因素。

讨论了稳定性碳同位素技术和指标替代法的应用。

1.概念及计算公式水分利用效率指植物消耗单位水量生产出的同化量。

它分为三种。

在叶片尺度上, 水分利用效率等于光合速率与蒸腾速率之比。

对植物个体, WUE=干物质量/ 蒸腾量。

对植物群体, WUE=干物质量/( 蒸腾量+ 蒸发量)。

2.影响因子WUE受到植物和环境两方面因素的影响。

WUE与植物生理因子如叶水势、气孔、光合速率、蒸腾速率等有关。

叶水势对蒸腾速率和光合速率的影响程度不同,从而影响WUE。

气孔作为CO2 和水汽进出的共同通道, 微妙地调节着植物的碳固定和水分散失的平衡关系, 但是光合产物和水分运输系统和方向不同: 一方面, 叶片通过调节气孔导度可以使碳固定最大化; 另一方面气孔行为还受光合产物的反馈抑制。

这造成了气孔对CO2 和水汽扩散的不同步, 进而影响WUE。

研究表明, WU E 随着气孔导度下降反而上升。

不同生长发育期, 植物的WUE 不同: 樊巍的研究表明, 冬小麦在灌浆前期水分利用效率较高,后期则较低。

在整个生长季中, 植物在早春时水分利用效率高于生长旺期。

苏培玺等研究表明,荒漠植物月水分利用效率与年生长期平均水分利用效率的相关性在8月最高,。

WU E 除了受植物因子的调节与影响之外, 同时受环境因子的控制。

由于植物叶片水平的WU E是光合和蒸腾之比, 因而凡影响植物光合和蒸腾的环境因子对植物单叶WU E 均有影响。

影响植物WU E的外界因子很多, 如光照、水分、CO2浓度、空气温度、叶温等, 但其影响程度不同。

樊巍认为, 空气温度、叶温和饱和差是影响水分利用效率的最主要因子, 而Farquhar 等则认为, 光照和水分是植物水分利用效率的主要影响因子。

植物的水分利用效率植物是地球上最重要的生物之一，它们通过光合作用将阳光转化为化学能，并通过根系吸收水分和营养物质。

在这个过程中，植物的水分利用效率起着关键的作用。

水分利用效率是指植物在光合作用过程中，利用单位水分量产生的干物质的多少。

了解植物的水分利用效率对于解决水资源的合理利用和保护生态环境具有重要意义。

一、水分利用效率的影响因素植物的水分利用效率受多种因素的影响，包括环境条件、植物种类、气候变化等。

1. 环境条件：土壤含水量、土壤质地、光照条件以及温度等环境因素都会影响植物的水分利用效率。

例如，干旱地区的植物通常具有较高的水分利用效率，它们能够适应水分稀缺的环境，通过调节气孔开合和根系吸收水分来提高水分利用效率。

2. 植物种类：不同的植物种类对水分的利用效率也有差异。

一些适应干旱环境的植物，如仙人掌和沙漠植物，通常具有较高的水分利用效率。

而一些生长在湿润环境中的植物，如水生植物和热带雨林植物，一般具有较低的水分利用效率。

3. 气候变化：气候变化对植物的水分利用效率也有着重要的影响。

全球气候变暖导致气温升高和降水模式的改变，这将对植物的水分利用效率产生深远影响。

一方面，气候变暖可能导致蒸腾作用的增加，植物需要更多的水分来维持其正常生长和发育。

另一方面，降水模式的变化可能导致植物在生长季节内无法获得足够的水分，进而降低水分利用效率。

二、植物调节水分利用效率的策略为了适应不同的环境条件和水分利用需求，植物具有一系列调节水分利用效率的策略。

1. 调节气孔开合：气孔是植物体内的重要通道，能够调节水分的蒸发和二氧化碳的吸收。

植物通过调节气孔的开合程度来控制蒸腾作用的强弱，从而调节水分利用效率。

在干旱环境中，一些植物能够通过闭合气孔减少水分的蒸发，提高水分利用效率。

2. 深入土壤吸水：植物的根系能够深入土壤中吸取水分和养分。

一些适应干旱环境的植物具有较长的根系，能够到达更深的土层，吸取更多的水分和养分，提高水分利用效率。

植物生理生态学研究植物的生理学机制与生态环境的关系植物生理生态学是一门研究植物在生态环境中生长、发育和适应的学科，通过探究植物的生理学机制与生态环境的关系，为深入理解植物的适应性进化以及生态系统的功能与稳定性提供了理论基础。

本文将从植物的光合作用、水分利用效率以及营养元素吸收和利用等方面，探讨植物生理学机制与生态环境之间的关系。

一、光合作用及其调控光合作用是植物能量收集和固定的重要过程，光合作用速率对植物的生长和发育具有重要影响。

光合作用的速率受到光照强度和光质的影响。

一般情况下，光强越高，光合作用速率越快。

然而，当光照较强时，植物为了避免过量能量的积累，会通过光抑制机制降低光合作用速率。

另外，光质的变化也会对光合作用产生影响。

不同光质的组合会调节植物的生长和发育过程。

二、水分利用效率及其调控水分是植物生存和生长发育的关键因素。

植物通过根系吸收土壤中的水分，并通过导管系统向地上部分输送。

然而，在水资源匮乏的环境中，植物需要通过适应性机制来提高水分利用效率。

植物可以通过调节气孔的开闭来控制蒸腾速率，减少水分的丢失。

此外，一些植物还能通过调节根系的生长和类型来适应干旱环境，从而降低对水分的需求。

三、营养元素吸收和利用植物对营养元素的吸收和利用对其生长发育有着重要的影响。

植物从土壤中吸收氮、磷、钾等必需元素，并利用这些元素参与代谢过程和合成有机物质。

植物对不同营养元素的需求量不同，且环境条件会对植物对营养元素的吸收和利用产生影响。

例如，在土壤中缺乏氮素的情况下，植物会通过生理机制来提高对氮素的吸收效率，以满足生长发育的需求。

综上所述，植物生理生态学研究了植物的生理学机制与生态环境之间的关系。

通过对植物的光合作用、水分利用效率以及营养元素吸收和利用等方面的研究，我们可以更好地理解植物在不同生态环境下的生存与适应策略。

这不仅对于保护和恢复生态系统的功能与稳定性具有重要意义，也对于农业生产和植物育种具有重要指导意义。