基于冠層溫度的玉米缺水診斷研究

張立偉，張智郡，劉海軍，劉 鈺，朱明承，丁 梅

(1.北京師范大學水科學研究院， 北京 100875；2.寧夏大學土木與水利工程學院， 寧夏 銀川 750021)

基于冠層溫度的玉米缺水診斷研究

張立偉1，張智郡1，劉海軍1，劉 鈺2，朱明承1，丁 梅1

(1.北京師范大學水科學研究院， 北京 100875；2.寧夏大學土木與水利工程學院， 寧夏 銀川 750021)

冠層溫度是判斷植物水分狀況的一項重要指標。以玉米良玉11為試驗作物，在2014和2015年玉米抽雄期(7—8月)進行了4種不同梯度的土壤水分脅迫處理，研究了作物冠層溫度、冠氣溫度比以及冠氣溫度差等指標與土壤含水量的關系，分析了冠氣溫度比與生理指標氣孔導度的關系。研究結果顯示：當土壤含水量低于0.16 cm3·cm-3時，植株出現了明顯的萎蔫現象，這時冠層溫度、冠氣溫度比、冠氣溫度差也都分別達到了其最大值34℃,1.2℃和5℃；隨著土壤含水量增大到0.20 cm3·cm-3，冠層溫度等指標均達到其最小值，約為30℃,1.0℃和1℃，且變化比較穩定，這時植株生長良好，說明土壤供水充足，植株未受到水分脅迫。冠層溫度等指標與氣孔導度有顯著的線性關系，氣孔導度隨著冠層溫度等指標的增加而線性降低，表明氣孔關閉會使得冠層溫度顯著提升。

玉米；冠層溫度；水分虧缺；土壤含水量；氣孔導度

農作物缺水研究對于探討水分對作物生長發育、生理變化過程、指導田間試驗等都有著重要的意義。當土壤水分含量降低，供水不充足時，作物生理指標，包括冠層溫度、葉水勢、氣孔導度等首先會表示出一定的變化特征[1-4]。冠層溫度是指作物冠層莖、葉表面溫度的平均值[5]。作物吸收的水分絕大部分通過葉面蒸騰散失以維持葉面溫度均衡。如果土壤水分不足，而空氣中的蒸散強度很大，就會導致葉片蒸騰降低，葉面溫度升高[6]。因此，作物葉面溫度上升就成為作物缺水的一個信號[7-9]，作物冠層溫度己成為判別作物水分狀況的重要指標[10]。如劉恩民等[11]采用不同方法模擬冬小麥缺水狀況，實驗結果表明水分虧缺導致冠層溫度升高1.5℃～2.0℃。韓亞東等[12]研究發現，水稻孕穗期土壤含水量降低產生水分脅迫時，葉片溫度會一定程度升高，嚴重條件下會超過大氣溫度。陳佳等[13]通過試驗認為水稻冠層溫度與土壤水分含量關系密切，總體上，土壤含水量越低，冠層溫度越高。Dejonge等[14]在美國北卡羅州研究發現，當玉米冠層溫度高于28℃時，玉米出現了干旱的特征，且基于冠層溫度的干旱指標隨著土壤水分的降低而線性增加。但是研究結果顯示不同作物冠層溫度存在明顯的差異[14-17]，而且這種差異與作物種類、經濟產量及抗旱性等特性密切相關[16-20]。因此針對于不同的作物和種植環境需要開展相應研究。

本研究選定在我國玉米主產區吉林省梨樹縣進行，通過在玉米需水高峰期(抽雄期)設置不同的土壤水分虧缺處理，連續測定玉米冠層溫度、氣孔導度、土壤含水量等指標，分析玉米冠層溫度與土壤含水量的關系，以及玉米冠層溫度與氣孔導度的關系，提出了判斷作物水分虧缺的溫度指標。研究成果為判定玉米旱情和制定玉米灌溉計劃提供技術支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗概況

研究區位于吉林省四平市梨樹縣(123°45′～124°53′ E、43°02′～43°46′N)，該地區屬北溫帶半濕潤大陸季風性氣候，四季分明，雨熱同季，作物生長期日照、降水較充足。年平均氣溫5.8℃，活動積溫3 207℃，平均年日照時數為2 698.5 h，無霜期152 d，年降水量平均為577.2 mm，主要集中在6—8月，雨熱同季，一般可滿足一年一熟農作物的生長需要。梨樹縣是我國糧食生產重點縣，玉米播種面積占全縣播種面積的80%以上，有黃金玉米帶的美譽。

1.2 試驗布置以及裝置

試驗玉米供試品種為當地廣泛種植的良玉11，種植時間為2014和2015年5月1日。本試驗采用盆栽種植模式，盆高60 cm，直徑50 cm，桶中土壤為當地農田中土壤。試驗時每盆種植一棵植株，種植時每盆施底肥12 g·盆-1(氮磷鉀含量分別為24%、13%和15%)，玉米生長期間沒有追肥。為防止土壤水分蒸發對試驗影響，在種植后對每個盆栽進行覆膜處理，直至試驗結束。為防止天然降雨對試驗的影響，本試驗設置一個3 m高遮雨棚，在降水量將遮雨棚移至試驗區，雨停后及時移走。

在玉米需水高峰期抽雄期設置試驗處理，根據水分脅迫程度共分4個梯度處理，即在作物觀察到萎蔫現象后，在萎蔫后的第1天、3天、5天、7天(T1，T2，T3，T4)復水。試驗中由于降水和氣象條件的變化，實際復水的時間稍有調整。每個處理設置三個重復植株。試驗中采用滴灌系統向每個盆栽玉米植株供水，以保障每棵玉米獲得的水分相同。試驗中4個處理及玉米植株和土壤水分監測圖見圖1。

圖1 抽雄期玉米試驗處理及裝置示意圖

1.3 測量指標及儀器

試驗中觀測指標主要包括冠層溫度、土壤水分、氣孔導度和氣象條件。

冠層溫度系指作物冠層莖、葉表面溫度的平均值[21]，本試驗利用手持紅外線熱像儀(FLUKE TI200，美國)對冠層溫度進行測量，觀測時間為每天的11∶00—13∶00。由于通過手持紅外線熱像儀測得的數據為華氏溫度，通過公式C=(F-32)/1.8換算成攝氏溫度，式中C表示攝氏溫度，℃，F表示華氏溫度。每天中午12∶00左右利用穩態葉片氣孔計(SC-1，美國)進行氣孔導度測量。考慮到光照和葉片生長狀況，測量玉米從上向下數第三片完全伸展葉子。本試驗利用土壤含水量監測系統(ECH2O，美國)對盆栽的土壤含水量進行連續監測，測量頻率為半小時一次，以便分析不同含水量條件下植株的各項指標變化。本試驗利用小型氣象站(包括測量空氣溫(濕)度、風速、太陽輻射等指標)對試驗地的氣象條件進行自動監測。

2 結果與分析

2.1 冠層溫度與土壤含水量的關系

圖2和圖3分別描述了2014年和2015年玉米抽雄期冠層溫度與土壤含水量(體積)的關系。可以看出兩年冠層溫度與土壤含水量的關系的總體趨勢相同，土壤含水量越高，冠層溫度則越低，與張文忠[22]的研究結果一致。綜合兩年數據可以看出土壤含水量在0.16～0.20 cm3·cm-3之間冠層溫度變化較大，而當土壤含水量小于0.16 cm3·cm-3時，冠層溫度整體較高。同時可以看出在土壤含水量小于0.16 cm3·cm-3(圖2)和土壤含水量大于0.20 cm3·cm-3(圖3)時，冠層溫度變化較大。如圖2顯示，在土壤含水量小于0.16 cm3·cm-3時，有部分冠層溫度在30℃，明顯小于該土壤水分所對應的大部分冠層溫度(約為34℃)；圖3顯示當土壤含水量大于0.20 cm3·cm-3時冠層溫度分布也比較分散，在29℃～31℃之間變化。出現這種現象可能是因為冠層溫度不僅與土壤含水量有關系，同時還受當時的空氣溫度等環境因素的影響，隨著空氣溫度的上下浮動而發生變化[23]。因此為了消除空氣溫度對冠層溫度的影響，進一步分析了冠氣溫度比(冠層溫度和空氣溫度比值)與土壤含水量的關系，見圖4和圖5。

圖4和圖5分析了冠氣溫度比與土壤含水量的關系。總體上可以看出，冠氣溫度比表現出來的規律性比冠層溫度與土壤含水量的關系要好。綜合兩年數據可以看出，不同土壤含水量對冠層溫度比的影響不同，冠層溫度比隨著土壤含水量的升高而降低。當土壤含水量小于0.16 cm3·cm-3時，冠氣溫度比較大，平均值約為1.2。土壤含水量在0.16～0.20 cm3·cm-3之間時，冠氣溫度比變化較大，總體在1.0與1.2之間變化。隨著土壤含水量繼續增高至大于0.2 cm3·cm-3后，冠氣溫度比整體較小，均值為1.03左右。

圖6和圖7進一步分析了2014年與2015年的冠氣溫度差與土壤含水量的關系，其關系與冠氣溫度比呈現出來的規律基本一致。在土壤含水量小于0.16 cm3·cm-3時，冠層溫度與空氣溫度之間差值較大，均值在5.5℃左右。土壤含水量在0.16～0.20 cm3·cm-3之間時，冠氣溫度差波動范圍較大，在2℃～5℃。土壤含水量繼續增大，大于0.2 cm3·cm-3，冠層溫度與大氣溫度較接近，差值一般小于1℃。

圖2 2014年冠層溫度與土壤含水量的關系

圖3 2015年冠層溫度與土壤含水量的關系

圖4 2014年冠氣溫度比與土壤含水量的關系

圖5 2015年冠氣溫度比與土壤含水量的關系

圖6 2014年冠氣溫度差與土壤含水量的關系

圖7 2015年冠氣溫度差與土壤含水量的關系

從圖2到圖7可以看出，不同的土壤含水量對冠層溫度的影響明顯不同。當土壤含水量小于0.16 cm3·cm-3時，冠層溫度都明顯較高且穩定在34℃左右，這時冠氣溫度比以及冠氣溫度差的數值也較大，冠氣溫度比約為1.2，而冠氣溫度差在5℃左右。玉米的表觀性狀也顯示這時玉米葉片出現了萎蔫現象，這說明當土壤含水量小于0.16 cm3·cm-3，植株明顯受到水分脅迫。當土壤含水量大于0.20 cm3·cm-3時，冠層溫度、冠氣溫度比和冠氣溫度差三者的值較小，并且穩定，說明這時的土壤含水量充分，能滿足植株正常的生理活動。當土壤含水量在0.16～0.20 cm3·cm-3之間時，冠層溫度、冠氣溫度比和冠氣溫度差變化浮動較大，且變化范圍在受水分脅迫和充分灌溉的數值之間。說明當土壤含水量在該范圍內時，植株受到一定的水分脅迫，如果灌水及時，植株能夠通過自身的能力恢復正常生理活動，植株生長不會受到很大的影響。而如果不能及時灌水，土壤含水量進一步降低，植株的正常生理生長活動都會受到很大的影響，并進一步影響產量。

2.2 冠氣溫度比與氣孔導度的關系

葉片冠層溫度升高主要是由于葉片氣孔部分或者全部關閉，使得葉片蒸騰能力減弱，造成葉片對溫度調節能力降低，氣孔開閉的程度可用氣孔導度表示。圖8和圖9分別描述了2014年和2015年試驗季節冠氣溫度比與氣孔導度的關系。可以看出，在整個試驗階段氣孔導度在0～300 mmol·m-2·s-1之間變化，而冠氣溫度比基本上在1.0～1.3之間變化。一般當冠氣溫度比小于1.1(對應于含水量>0.2 cm3·cm-3)，氣孔導度比較大，基本大于200 mmol·m-2·s-1；而當冠氣溫度比接近于1.2時(對應含水量<0.16 cm3·cm-3)，氣孔導度顯著降低，一般小于50 mmol·m-2·s-1，表明作物氣孔接近關閉，葉片已經受到嚴重的水分脅迫。該結果與圖4、圖5的結果一致，說明含水量<0.16 cm3·cm-3會顯著影響作物的生理活動。Han等[24]的研究發現，冠層溫度指數隨著氣孔導度的增加而降低。

圖8 2014年冠氣溫度比與氣孔導度的關系

3 結 論

冠層溫度是判斷作物缺水的一項非常重要指標，其變化與很多因素有關，如土壤含水量、大氣溫度、氣孔導度等。本研究顯示當土壤含水量小于0.16 cm3·cm-3時，試驗條件下冠層溫度在34℃左右，冠氣溫度比為1.2左右，冠氣溫度差約為5℃，這時植株受到水分脅迫明顯，影響了植株的生理作用。當土壤含水量大于0.20 cm3·cm-3時，冠層溫度在30℃左右、冠氣溫度比一般在1.0左右，冠氣溫度差一般小于1℃，各項指標均達到最低值，這時植株的水分供給充分，土壤水分能滿足植物生理生長需求。當土壤水分在0.16～0.2 cm3·cm-3之間時，冠氣溫度比也在1.0～1.2之間，試驗條件下冠層溫度在30℃～34℃之間，冠氣溫度差一般在2℃～5℃之間，這時植株受到一定的水分脅迫，但如果灌水及時，在植株的自我調節能力下不會影響植株的正常生長，如果不及時灌水，土壤水分持續下降，會對植株的正常生長產生影響，進而影響產量。氣孔導度隨著冠氣溫度比的增加而顯著線性降低，說明冠層溫度升高會顯著影響作物的光合和蒸騰，進而影響作物的正常生長。考慮到冠層溫度受到環境溫度影響較大，建議利用冠氣溫度比和冠氣溫差指標可較好地判斷作物的水分狀況，為干旱監測和進行灌溉提供技術支撐。

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Researchonwaterdeficitdiagnosisofmaizebasedoncanopytemperature

ZHANG Li-wei1, ZHANG Zhi-jun1, LIU Hai-jun1, LIU Yu2, ZHU Ming-cheng1, DING Mei1

(1.InstituteofWaterScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 2.CollegeofCivilandWaterConversancyEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021,China)

Canopy temperature is an important indicator to judge the crop water condition. The variety Liang Yu11 was used as test crop, and four different soil moisture stress treatments were carried out for tasseling stage of the maize in 2014 and 2015. The relationships between canopy temperature, canopy-air temperature ratio, canopy-air temperature difference with soil moisture were researched, and relationship between canopy temperature with stomatal conductance was analyzed. The results were shown that: when the soil water content was less than 0.16 cm3·cm-3, the plant was appeared obvious wilting, at this time, the canopy temperature, canopy-air temperature ratio and canopy-air temperature difference were reached the maximum as 34℃, 1.2℃ and 5℃, respectively. Along with the soil water content was increased to 0.20 cm3·cm-3, the canopy temperature, canopy-air temperature rate and canopy-air temperature difference were reached the least values about 30℃, 1.0℃ and 1℃, at this time the plant growth was good, it was explained that soil water supply was sufficient and plant was not suffered water stress. There was the distinct linear relationship between the canopy temperature and stomatal conductance, the stomatal conductance was linearly decreased with increasing canopy temperature. It was indicated that stoma close will be let the canopy temperature notable increase. This research results can be provided the technical support for diagnosis of crop drought and drawing up the irrigation schedule.

maize; canopy temperature; water deficit; soil moisture; stomatal conductance

1000-7601(2017)03-0094-05doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.15

2016-05-13

：2017-03-22

：水利部公益項目(201401036)；國家自然科學基金項目(51479004，51179005)

張立偉(1992—)，男，黑龍江綏化人，碩士，研究方向為節水與水資源高效利用。 E-mail: zlwaie@126.com。

劉海軍(1975—)，男，陜西富平人，副教授，主要從事農業水肥高效利用機理和技術的研究。 E-mail: shanxilhj@bnu.edu.cn。

S152.7+3

： A