一种测定温带荒漠草原植物幼苗定植水分阈值方法与流程

1.本发明涉及农业生态恢复技术领域，尤其涉及一种测定温带荒漠草原植物幼苗定植水分阈值方法。


背景技术：

2.水分是荒漠草原的重要限制性因素之一，植被更新的早期阶段包括种子萌发和幼苗定植，对水分响应极为敏感。但由于温带荒漠草原植物对干旱胁迫和降水的变异性具有一定的适应性。一般而言，温带荒漠草原植物的幼苗定植对于轻度干旱具有一定的抗逆性，甚至轻度干旱可能会促进植物幼苗的死亡率略微降低。但是随着干旱胁迫的加剧，一旦突破一定的临界点，或者临界区间，即“阈值”，该植物幼苗死亡率就会急剧上升。
3.由于不同的温带荒漠草原植物幼苗定植对干旱胁迫响应不同，与之对应的幼苗定植的水分阈值也不尽相同。不同的定植水分阈值代表了该植物在早期对于干旱抗逆的强弱。植物较低、较广(幼苗死亡率上升相对较缓，说明在阈值期间幼苗定植对干旱胁迫的变化的敏感度相对较低)的幼苗定植土壤水分阈值代表该种植物早期更新阶段具有较强干旱抗逆性和适应性。
4.温带荒漠植物早期更新(尤其是定植)水分阈值大小决定着该植物是否在干旱胁迫下获得先发优势，阈值范围则决定着对于干旱胁迫变异的适应能力。随着全球气候变暖，气候异常加剧，尤其是在荒漠草原区域尤为突出。确定植物幼苗定植的水分阈值，结合未来的气候变化，可以在一定程度上预测哪些温带荒漠草原植物能够在未来的植被演替中占据优势地位，对于解释和指明荒漠草原植被的演替方向具有一定的意义，也可以为政府防止荒漠草原进一步沙漠化提供政策性建议。


技术实现要素：

5.本发明公开一种测定温带荒漠植物幼苗定植水分阈值方法，所述方法联合运用实验室试验和野外调查相结合方法进行研究和分析，具体地，所述方法包括如下步骤：
6.(1)进行盆栽试验，获取温带荒漠草原植物在不同渗透势胁迫溶液建立的水势梯度下进行干旱胁迫的幼苗死亡率与其所对应的水势；
7.(2)用s型曲线模型(boltzmann)将不同渗透势梯度下的幼苗死亡率与其所对应的渗透势进行拟合，获得拟合函数(a，b，c，d均为常数)，并依据拟合函数获得幼苗定植渗透势阈值；
8.(3)利用origin中的线性拟合，将步骤(1)胁迫溶液的渗透势和其所对应样地盆栽土壤的水势进行拟合，获得拟合函数(a，b均为常数，*代表乘号)；并依据拟合函数确定渗透势和土壤水势关系模型；
9.(4)将步骤(2)幼苗定植渗透势阈值代入步骤(3)的渗透势和土壤水势关系模型，计算出幼苗定植土壤水势阈值；
10.(5)利用origin非线性log3p1模型，将野外观测的特定样地土壤水势和土壤含水量进行拟合，获得拟合函数f(
w
)＝a b*ln(w
‑
c)(a，b，c均为常数，*代表乘号)，并依据拟合函数f(
w
)确定该样地表层土壤水分特征曲线；
11.(6)将步骤(4)幼苗定植土壤水势阈值代入步骤(5)土壤水分特征曲线，确定出植物在该特定样地土壤下的定植水分阈值。
12.所述步骤(1)中温带荒漠草原植物在不同渗透势胁迫溶液建立的水势梯度下进行干旱胁迫的幼苗死亡率与其所对应的水势确定方法具体为：
13.(a1)将定植样地土壤均分为等份，分别铺在花盆里，并在每个花盆适宜深度种植上相同粒种子；
14.(b1)将花盆分为不同梯度，每个梯度设置足额的生物学重复，在设置的不同梯度的花盆中分别加入不同浓度(分别相当于不同渗透势胁迫梯度)且体积相同的peg
‑
6000聚乙二醇，获得不同土壤水势梯度；
15.(c1)将步骤2试验样品准确称重记录后放置在适宜环境下，每隔一段时间采用恒重法向花盆内洒入蒸馏水，通过保持土壤渗透势不变来维持土壤水势不变；
16.(d1)种子出苗后，及时记录每个peg
‑
6000浓度下的盆栽土壤水势值，取每个样品生物学重复的平均值作为该渗透势下的水势梯度值，并记录种子破土及幼苗死亡情况。
17.优选地，
18.(a1)将植物定植样地的土壤均分为24等份，分别铺在花盆里，并在每个花盆2
‑
3cm深度种植上种子50粒；
19.(b1)将24个花盆分为8个梯度，每个梯度3个重复，分别加入浓度为2.9％(对照组ck)、8.2％、12.5％、17.5％、20％、21.1％、23％、23.8％(分别相当于0、
‑
0.02、
‑
0.1、
‑
0.3、
‑
0.6、
‑
0.7、
‑
0.9、
‑
1.2mpa的渗透势胁迫)且体积相同(350ml)的peg
‑
6000聚乙二醇，获得不同土壤水势梯度；
20.(c1)将步骤2试验样品准确称重记录后放置在适宜环境(光照长度为12h，温度20℃～25℃)下，每隔一段时间(≤2天)采用恒重法向花盆内洒入蒸馏水，通过保持土壤渗透势不变来维持土壤水势不变；
21.(d1)种子出苗后，及时记录每个peg
‑
6000浓度下的盆栽土壤水势值，取3个重复的平均值作为该渗透势下的水势梯度值，并记录种子破土及幼苗死亡情况。
22.更优选地，所述利用peg
‑
6000聚乙二醇溶液来模拟不同的渗透势梯度的具体计算公式为：
23.φs＝
‑
(1.18
×
10
‑2)
×
c
‑
(1.18
×
10
‑4)
×
c2 (2.67
×
10
‑4)
×
c
×
t (8.39
×
10
‑7)
×
c2×
t(式中：φs——溶液的渗透势，单位：bar；c——peg
‑
6000溶液的浓度，单位：g
·
kg
‑1·
h2o
‑1；t——温度，单位：℃。)
24.所述计算幼苗定植渗透势阈值的步骤具体为：
25.(a2)将渗透势梯度和在不同渗透势梯度建立的土壤水势梯度下的幼苗死亡率拟合为幼苗死亡率对渗透势响应的函数(a，b，c，d均为常数)；
26.(b2)画出的s型函数图像；
27.(c2)求出当函数的三阶导函数等于0时自变量的两个解
即幼苗定植的渗透势阈值为
28.所述建立渗透势和土壤水势关系模型的步骤具体为：
29.利用origin中的线性拟合，根据步骤(1)胁迫溶液渗透势和其所对应盆栽土壤中的水势，拟合函数(a，b均为常数，*代表乘号)，建立渗透势和土壤水势关系模型。
30.所述建立样地表层土壤水分特征曲线的步骤具体为：
31.(a3)用psypro露点水势仪从7:00至17:00每隔1h测定土样水势值，每次测定3次，并及时记录；
32.(b3)在每次水势仪测定完毕之后取该区域0
‑
10cm表层土壤，直接称其土壤样品鲜重，记录土壤质量含水量；
33.(c3)待全部测定结束后将所取土样带回，采用烘干法烘干后测定土壤质量含水量：
34.(d3)根据土壤体积含水量和土壤水势利用origin非线性log3p1模型拟合函数f(
w
)＝a b*ln(w
‑
c)(a，b，c均为常数，*代表乘号)，并依据拟合函数f(
w
)确定该样地表层土壤水分特征曲线；
35.优选地，所述计算体积含水量的公式为：
[0036][0037]
优选地，所述烘干温度为105
‑
110℃，烘干至恒重。
[0038]
所述确定出植物在该土壤下的定植水分阈值的步骤具体为：
[0039]
(a4)将定植渗透势阈值代入步骤(3)渗透势和土壤水势关系模型”，求得定植土壤水势阈值
[0040]
(b4)将与代入步骤(5)土壤水分特征曲线，求出w
(1)
～w
(2)
，即是幼苗定植土壤水分阈值。
[0041]
以上任一所述温带荒漠草原植物是指荒漠草原条件下能生存的草本植物及灌木，在温带以禾本科、莎草科、藜科、柽柳科、菊科、豆科为主，温带荒漠草原植物优选为蒙古冰草和柠条锦鸡儿。
[0042]
本发明公开了以下技术效果：
[0043]
本发明通过渗透势胁迫溶液建立的土壤水势与幼苗死亡率的关系结合特定样地的土壤水分特征曲线，从而判断植物幼苗定植在特定土壤的水分阈值。因此，本发明对科研、农业育苗和生态恢复中判断荒植物的幼苗定植水分阈值提供了一整套可行性的方法指导，同时也为荒漠生态脆弱区植被恢复中紧缺水资源的高效利用方面有其积极的参考价值。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
[0045]
图1是本发明的技术路线图。
[0046]
图2是蒙古冰草幼苗渗透势阈值函数的图像。
[0047]
图3是荒漠草原土壤渗透势和土壤水势关系模型。
[0048]
图4荒漠草原样地土壤水分特征曲线。
[0049]
图5是柠条锦鸡儿幼苗渗透势阈值函数的图像。
[0050]
图6是荒漠草原土壤渗透势和土壤水势关系模型。
[0051]
图7是灌丛边缘样地土壤水分特征曲线。
具体实施方式
[0052]
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进的指南，并不以任何方式构成对本发明的限制。
[0053]
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0054]
主要仪器与设备
[0055]
实施例
[0056]
名称：psypro水势仪器，型号：psypro，所在单位：宁夏大学。
[0057]
名称：电热恒温干燥箱，型号：gzx
‑
dh
·
202
‑
ao
‑
s型，制造商：上海博泰实验设备有限公司，所在单位：宁夏大学。
[0058]
名称：电子天枰，型号：le204e，制造商：梅特勒
‑
托利多仪器(上海)有限公司，所在单位：宁夏大学。
[0059]
实施例1蒙古冰草幼苗的定植水分阈值的测定
[0060]
试验例1、进行盆栽定植试验获取蒙古冰草在不同渗透势胁迫溶液建立的水势梯度下进行干旱胁迫的幼苗死亡率与其所对应的水势
[0061]
(1)将荒漠草原样地所取得的土壤分为均等的24份，分别铺在花盆(花盆内径15cm、高15cm，塑料花盆底部预先填充5cm厚、无种子的蛭石，铺设土样厚度为9
‑
10cm)之中。在花盆之中种植蒙古冰草种子50粒(播种深度为2
‑
3cm)。
[0062]
(2)在花盆中的荒漠草原样地土壤中加入浓度为2.9％(对照组ck)、8.2％、12.5％、17.5％、20％、21.1％、23％、23.8％(分别相当于0、
‑
0.02、
‑
0.1、
‑
0.3、
‑
0.6、
‑
0.7、
‑
0.9、
‑
1.2mpa的渗透势胁迫)且体积相同(350ml)的peg
‑
6000聚乙二醇，改变土壤渗透势(溶质势)来建立土壤水势梯度。
[0063]
(3)将试验样品准确称重后放置在适宜环境(光照长度为12h，温度20℃～25℃)下，每隔2天采用恒重法向花盆内洒入蒸馏水，通过保持土壤渗透势不变来维持土壤水势基本不变。
[0064]
(4)种子出苗后，定植试验开始，及时记录每个peg
‑
6000浓度下的土壤水势值，取3个重复的平均值作为该渗透势胁迫下的水势梯度值，并记录种子破土及幼苗死亡情况，如表1所示：
[0065]
表1不同渗透势下蒙古冰草对应的死亡率及水势
[0066][0067]
试验例2根据拟合函数获取蒙古冰草幼苗定植渗透势阈值
[0068]
(1)将表1设定的渗透势梯度和在不同渗透势梯度建立的土壤水势梯度下的幼苗死亡率通过s型曲线模型(boltzmann)拟合为幼苗死亡率对渗透势响应的函数
[0069]
(2)画出的s型函数图像，如图2所示。
[0070]
(3)求出当函数的三阶导函数等于0时自变量的两个解的三阶导函数等于0时自变量的两个解即幼苗定植的渗透势阈值为
‑
0.22～
‑
0.38mpa。
[0071]
试验例3依据拟合函数确定渗透势和土壤水势关系模型以及土壤水分特征曲线
[0072]
(1)利用origin中的线性拟合，根据表1胁迫溶液渗透势和其所对应盆栽土壤中的水势，拟合函数，建立渗透势和土壤水势关系模型。
[0073]
(2)画出的函数图像，如图3所示。
[0074]
(3)用psypro露点水势仪在荒漠草原样地从7：00至17:00每隔1h测定土壤水势并记录(每次测量重复三次，并剔除测定异常值)，每次测定结束后，取所测区域0～10cm土样并直接称其所取土壤样品鲜重；待全部测定结束后将所取土样带回，采用烘干法(105℃，24h)测定土壤水分质量含水量，按照公式：24h)测定土壤水分质量含水量，按照公式：计算土壤体积含水量。土壤水势和体积含水量如表2。
[0075]
表2土壤水分及土壤水势数值
[0076]
土壤水分(体积含水量，％)土壤水势(kmp)6.54768
‑
14.555.75363
‑
10.305.55464
‑
13.055.47818
‑
4.305.26237
‑
12.405.25304
‑
11.405.01507
‑
13.854.89876
‑
11.604.79848
‑
12.05
4.70546
‑
11.404.60365
‑
13.104.34132
‑
15.854.33132
‑
13.604.31127
‑
13.804.18454
‑
9.9504.06426
‑
14.803.91246
‑
21.253.90301
‑
15.353.48268
‑
8.703.43955
‑
13.653.34001
‑
17.453.30947
‑
14.502.8807
‑
23.552.6217
‑
24.352.15798
‑
24.001.81822
‑
25.65
[0077]
(4)利用origin中非线性“log3p1”模型拟合荒漠草原样地土壤水势和其所对应的土壤含水量(体积含水量)建立该样地表层土壤水分特征曲线：f(
w
)＝
‑
19.43 5.40ln(w
‑
1.57)。
[0078]
(5)画出f(
w
)的函数图像，如图4所示。
[0079]
试验例4蒙古冰草幼苗定植水分阈值的确定
[0080]
(1)将定植渗透势阈值
‑
0.22～
‑
0.38mpa代入荒漠草原样地土壤的“渗透势和土壤水势关系模型”：求得与即蒙古冰草土壤水势阈值为：
‑
7.87～
‑
8.33kpa。
[0081]
(2)将蒙古冰草土壤水势阈值
‑
7.87～
‑
8.33kpa代入“土壤水分特征曲线”：f(
w
)＝
‑
19.43 5.40ln(w
‑
1.57)，求出w
(1)
＝9.38％，w
(2)
＝10.08％，即蒙古冰草在荒漠草原样地的幼苗定植水分阈值为：9.38％～10.08％。
[0082]
实施例2柠条锦鸡儿幼苗定植水分阈值的测定
[0083]
试验例1、进行盆栽定植试验获取柠条锦鸡儿在不同渗透势胁迫溶液建立的水势梯度下进行干旱胁迫的幼苗死亡率与其所对应的水势
[0084]
(1)将灌丛边缘样地所取得的土壤分为均等的24份，分别铺在花盆(花盆内径15cm、高15cm，塑料花盆底部预先填充5cm厚、无种子的蛭石，铺设土样厚度为9
‑
10cm)之中。在花盆之中种植柠条锦鸡儿种子50粒(播种深度为2
‑
3cm)。
[0085]
(2)在花盆中的灌丛边缘样地土壤中加入浓度为2.9％(对照组ck)、8.2％、12.5％、17.5％、20％、21.1％、23％、23.8％(分别相当于0、
‑
0.02、
‑
0.1、
‑
0.3、
‑
0.6、
‑
0.7、
‑
0.9、
‑
1.2mpa的渗透势胁迫)且体积相同(350ml)的peg
‑
6000聚乙二醇，改变土壤渗透势(溶质势)来建立土壤水势梯度。
[0086]
(3)将试验样品准确称重后放置在适宜环境(光照长度为12h，温度20℃～25℃)
下，每隔2天采用恒重法向花盆内洒入蒸馏水，通过保持土壤渗透势不变来维持土壤水势基本不变。
[0087]
(4)种子出苗后，定植试验开始，及时记录每个peg
‑
6000浓度下的土壤水势值，取3个重复的平均值作为该渗透势胁迫下的水势梯度值，并记录种子破土及幼苗死亡情况，如表1所示：
[0088]
表1不同渗透势下柠条锦鸡儿对应的死亡率及水势
[0089][0090]
试验例2根据拟合函数获取柠条锦鸡儿幼苗定植渗透势阈值
[0091]
(1)将表1设定的渗透势梯度和在不同渗透势梯度建立的土壤水势梯度下的幼苗死亡率通过s型曲线模型(boltzmann)拟合为幼苗死亡率对渗透势响应的函数
[0092]
(2)画出的s型函数图像，如图5所示。
[0093]
(3)求出当函数的三阶导函数等于0时自变量的两个解的三阶导函数等于0时自变量的两个解即幼苗定植的渗透势阈值为
‑
0.64～
‑
0.80mpa。(图5)
[0094]
试验例3依据拟合函数确定渗透势和土壤水势关系模型以及土壤水分特征曲线
[0095]
(1)利用origin中的线性拟合，根据表1胁迫溶液渗透势和其所对应盆栽土壤中的水势，拟合函数建立渗透势和土壤水势关系模型。
[0096]
(2)画出的函数图像，如图6所示。
[0097]
(3)用psypro露点水势仪在灌丛边缘样地从7：00至17:00每隔1h测定土壤水势并记录，每次测定完成后，取所测区域0～10cm土样并直接称其所取土壤样品鲜重；待全部测定结束后将所取土样带回，采用烘干法(105℃，24h)测定土壤水分质量含水量，按照公式：计算土壤体积含水量。土壤水势和体积含水量如表2。
[0098]
表2土壤水分及土壤水势数值
[0099]
土壤水分(体积含水量，％)土壤水势(kmp)4.84539
‑
6.934.58518
‑
4.974.45345
‑
11.774.36541
‑
7.434.36008
‑
10.334.27269
‑
7.83
4.10724
‑
10.304.00428
‑
12.733.76108
‑
12.633.76108
‑
12.633.73707
‑
6.973.64003
‑
10.873.50044
‑
8.633.37385
‑
10.603.34889
‑
8.203.31402
‑
9.933.24596
‑
12.733.23192
‑
13.303.14214
‑
10.532.72765
‑
12.032.4122
‑
14.932.19986
‑
8.632.07648
‑
19.502.02034
‑
19.001.93876
‑
24.371.8337
‑
25.401.72265
‑
25.171.62852
‑
25.671.4713
‑
25.97
[0100]
(4)利用origin中非线性“log3p1”模型拟合灌丛边缘样地土壤水势和其所对应的土壤含水量(体积含水量)建立该样地表层土壤水分特征曲线：f(
w
)＝
‑
17.46 8.01ln(w
‑
1.21)。
[0101]
(5)画出f(
w
)的函数图像，如图7所示。
[0102]
试验例4柠条锦鸡儿幼苗定植水分阈值的确定
[0103]
(1)将定植渗透势阈值
‑
0.64～
‑
0.80mpa代入灌丛边缘样地土壤的“渗透势和土壤水势关系模型”：求得与即柠条锦鸡儿的土壤水势阈值为：
‑
9.91～
‑
10.53kpa
[0104]
(2)将柠条锦鸡儿土壤水势阈值
‑
9.91～
‑
10.53kpa代入“土壤水分特征曲线”：f(
w
)＝
‑
17.46 8.01ln(w
‑
1.21)，求出w
(1)
＝3.59％，w
(2)
＝3.78％，即柠条锦鸡儿在灌丛边缘样地的幼苗定植水分阈值为：3.59％～3.78％。
[0105]
以上对本发明进行了详述。对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的宗旨和范围，以及无需进行不必要的实验情况下，可在等同参数、浓度和条件下，在较宽范围内实施本发明。虽然本发明给出了特殊的实施例，应该理解为，可以对本发明作进一步的改进。总之，按本发明的原理，本技术欲包括任何变更、用途或对本发明的改进，包括脱离了本技术中已公开范围，而用本领域已知的常规技术进行的改变。按以下附带的权利要求的范围，
可以进行一些基本特征的应用。