干旱脅迫是植物生產(chǎn)的環(huán)境限制因子之一。土壤-植物水力學(xué)分析是解釋和預(yù)測(cè)植物在缺水條件下行為的重要手段(Javaux et al., 2008; Sperry et al., 2002)。葉片水勢(shì)（ψ leaf）被認(rèn)為是植物水分狀況的一個(gè)指標(biāo)，通常用于研究植物對(duì)不同土壤和大氣干燥的響應(yīng)(Matin et al., 1989; O’Toole et al., 1984)。
有多種不同的方法被用來(lái)測(cè)定葉片水勢(shì)。 Scholander等人(1965)引入了一種壓力室，用于在實(shí)驗(yàn)室和田間條件下測(cè)量植物組織中的水勢(shì) (Parent et al., 2010; Richter, 1997;Tyree and Hammel, 1972)。 雖然該方法可以測(cè)量不同的植物種類(lèi)和組織大小， 但它具有破壞性，并且不能在同一植物組織上重復(fù)測(cè)量(O’Toole et al., 1984)。 采用干濕計(jì)連續(xù)監(jiān)測(cè)莖葉水勢(shì)(Iwasaki et al., 2019; Kirkham, 2005; Oosterhuis et al., 1983; Wullschleger et al.,1988)， 濕芯和熱電偶的敏感性仍然存在問(wèn)題(Chen and Chen, 2017; Montgomery andMcDowall, 2008)。利用根部壓力室來(lái)測(cè)量葉片水勢(shì) (Passioura, 1980)，雖然只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)植物幼株進(jìn)行測(cè)量，但是可以精確的測(cè)量出全天或者在土壤變干的幾天內(nèi)葉片水勢(shì)和蒸騰速率(E)之間的關(guān)系(Matzner and Comstock, 2001; Saliendra et al., 1995)，利用該技術(shù)可以從葉片水勢(shì)與蒸騰速率的關(guān)系中得到植物的水力導(dǎo)度。 (Passioura, 1980)
利用根部壓力室， Passioura (1980) 發(fā)現(xiàn)在潮濕土壤中小麥的葉片水勢(shì)和蒸騰速率成線性相關(guān)，隨著土壤變得 干燥，這種關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性相關(guān)。 隨即在有根毛和沒(méi)有根毛的大麥中也測(cè)得了類(lèi)似的關(guān)系 (Carminati et al., 2017)。高蒸騰速率下干燥土壤葉片水勢(shì)的下降可以解釋為根際水勢(shì)的下降。這種下降最終限制了根系的供水量，并進(jìn)一步限制了蒸騰速率，我們的目標(biāo)是利用根壓法調(diào)查出土壤水力對(duì)蒸騰作用的影響。將這種方法應(yīng)用在耐旱度高的珍珠粟品系中( Kholovet al., 2010 ? )，目的是測(cè)試新的根部壓力室系統(tǒng)在測(cè)葉片水勢(shì)和蒸騰速率關(guān)系時(shí)的準(zhǔn)確性。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法
根部壓力室系統(tǒng)
根部壓力室系統(tǒng)（ RPCS）由兩個(gè)部分組成：一個(gè)根壓室與上面的試管結(jié)合，一個(gè)主控制器用于參數(shù)調(diào)節(jié)（圖1） 。根壓室由鋼制成，高31.5cm，內(nèi)徑14.5cm，外徑17.5cm。上面的試管由亞克力玻璃制成，高50厘米，內(nèi)徑19厘米，外徑20厘米。這些植物種植在PVC管中。然后將樣品放置在RPCS中，根和土壤位于壓力室中，而芽位于試管中。蒸騰速率是通過(guò)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度來(lái)改變的，將進(jìn)入空氣的流速乘以進(jìn)入空氣和排出空氣之間的濕度差可以得出蒸騰速率。利用安裝在比色皿兩端的溫濕度傳感器（ GalltecMela， Bondorf， Germany）每隔10s監(jiān)測(cè)進(jìn)出空氣的相對(duì)濕度（ RH）和溫度。四組發(fā)光二極管（ LED）燈從外部安裝在試管上。光強(qiáng)由輻射傳感器（ Gamma Scientific, San Diego，USA）在試管頂部?jī)?nèi)部測(cè)量，值范圍為0至1180µmol m-2 s-1。通過(guò)的空氣被安裝在輻射傳感器上方的風(fēng)扇攪動(dòng)。
葉片水勢(shì)是通過(guò)對(duì)土壤和根系施加氣壓，使葉片中的水分達(dá)到大氣壓力而確定的。這個(gè)壓力被稱為平衡壓力(P)，它對(duì)應(yīng)于木質(zhì)部的吸力，等于葉片水勢(shì)的流體靜力分量（ Passioura, 1980）。來(lái)自氮?dú)夂蛪嚎s空氣的壓力范圍為0-20bar， 分辨率為0.01bar。壓力室中的氣體調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)蒸騰速率的不同參數(shù)通過(guò)主控制器中的監(jiān)視器進(jìn)行控制（圖1a） 。 P的測(cè)量從密封在壓力室中的柱開(kāi)始。根據(jù)土壤的干燥程度，在根部施加大約0 0-3bar的壓力，直到被切割的葉子上出現(xiàn)液滴。剪下的葉片隨后被夾在毛細(xì)管（內(nèi)徑=1mm）上。將活頁(yè)夾掛在一根垂直擰在試管底部密封盤(pán)上的棍子上。該管用于保持葉片和毛細(xì)管之間的水力連續(xù)性，其中空氣-水界面的半月板用紅外探測(cè)器測(cè)量。半月板的位置用來(lái)指示植物對(duì)施加壓力的加壓狀態(tài)。當(dāng)半月板保持恒定（波動(dòng)≤ ±2mm）至少1分鐘時(shí)，確定葉片水勢(shì)。監(jiān)視器可以對(duì)半月板、進(jìn)出空氣的相對(duì)濕度以及施加的壓力的變化做出快速反應(yīng)。
根部壓力室靈敏度測(cè)試及測(cè)定 葉片水蒸騰速率和P
我們比較了根壓室系統(tǒng)測(cè)量的進(jìn)氣和出氣的濕度和溫度，并與兩個(gè)無(wú)線溫濕度傳感器進(jìn)行了測(cè)量。此外，我們比較了從根壓室系統(tǒng)的氣體交換測(cè)量中計(jì)算的蒸騰速率與通過(guò)天平測(cè)量的植物水分損失。為了測(cè)試半月板對(duì)施加壓力的敏感性，在恒定的光照強(qiáng)度下，對(duì)土壤和根系施加0.1-0.2bar范圍內(nèi)的一系列壓力。
圖1. (a)設(shè)備外觀 和 (b) 根部壓力室系統(tǒng)示意圖(RPCS).
(b)中的設(shè)備草圖不是按照實(shí)際尺寸繪制的。 氮?dú)夂蛪嚎s空氣的混合物用于施加高壓 (P>15 bars)， 而氮?dú)鈨H用于施加較低的壓力(P<15 bars). 進(jìn)入試管的干燥空氣或潮濕空氣由主控制器中的閥門(mén)調(diào)節(jié)。對(duì)一種珍珠谷子品種( Pennisetum glaucum)進(jìn)行了蒸騰速率和P的測(cè)量( Kholov et al.,2010)，將它的種子播種在高3cm，內(nèi)徑9.4cm的PVC管中，管內(nèi)用肥沃的土和石英砂以5:3的比例混合進(jìn)行填充，混合土被篩至0.1cm。 通過(guò)管上直徑為5mm的5個(gè)孔進(jìn)行土壤濕度測(cè)量， 此外管底均勻分布5 個(gè)直徑為1 .5mm用于排水的孔。 柱子用0 .8cm厚的鋁板覆蓋，中間有直徑1 .4厘米的播種孔。 在光照時(shí)間為14h的氣候室中生長(zhǎng)，晝夜溫度30/18.5℃，晝夜?jié)穸葹?7/65%，光照強(qiáng)度為600µmol m-2 s-1 13h， 360µmol m-2 s-1 0.5h，三周后將植株的根莖沖洗，晾干一到兩天，然后用膠水密封在板孔內(nèi)( UHU plus Endfest 300, Bòhl,Germany) 。需要注意的是，膠水在短時(shí)間內(nèi)（例如兩周）對(duì)植物不應(yīng)有毒，并要能承受高達(dá)20bar的壓力。通過(guò)調(diào)節(jié)光強(qiáng)來(lái)改變蒸騰速率，從100μmol m-2 s-1逐步上升到1000μmolm-2 s-1，然后回落到100 μmol m-2 s-1，每個(gè)步驟的測(cè)氣壓的時(shí)間約為30-50分鐘。土壤水分由時(shí)域反射儀（TDR）在加壓前后測(cè)量(E-Test,Lublin,Poland)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根部壓力室系統(tǒng)的靈敏度
圖2說(shuō)明了根部壓力室系統(tǒng)測(cè)量的總體精度。 根壓室系統(tǒng)測(cè)得的RH和進(jìn)風(fēng)口溫度與無(wú)線傳感器測(cè)得的溫度匹配良好( r2=0.94and 0.79,respectively)(Figure2a, b)。根壓室系統(tǒng)的傳感器對(duì)溫度的微小變化（如0.2℃）更為敏感。根壓室系統(tǒng)測(cè)得的蒸騰量與天平測(cè)得的失水量也吻合得很好( r2=0.96) (Figure 2c)。 植物對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)如圖3所示。 在光強(qiáng)增加后1分鐘內(nèi)RHin保持不變， RHout增加，說(shuō)明光強(qiáng)一變化，植物就開(kāi)始調(diào)節(jié)氣孔。 RHout的變化表明，更換試管內(nèi)的空氣并達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的e 需要5 到6 分鐘。然而，半月板并不是瞬間變化的，它的反應(yīng)較慢，有4 到5 分鐘的滯后。注意，在半月板顯示出明顯的移動(dòng)（例如， 3毫米）之前，壓力一直維持在P，這是根據(jù)之前的光強(qiáng)確定的。半月板反應(yīng)滯后的原因可能是由于蒸騰需求增加，葉片水勢(shì)降低，即從連接的毛細(xì)管中吸收水分需要幾分鐘的時(shí)間。
圖2. RPCS測(cè)得的進(jìn)入進(jìn)出空氣的(a) 相對(duì)濕度 (RH) 、 (b) 溫度 (T) 和(c) 通過(guò)RPCS和天平 測(cè)量的蒸騰作用
半月板對(duì)相對(duì)較小的壓力變化的響應(yīng)如圖4所示。當(dāng)光強(qiáng)和流量不變時(shí)， 根壓室系統(tǒng)測(cè)得的蒸騰速率是穩(wěn)定的。壓力保持在平衡壓力。兩分鐘后，當(dāng)壓力增加0.1和0.2bar時(shí)，半月板上升。 需要注意， 0.1bar是閥門(mén)可以控制的最小精確壓力。當(dāng)壓力釋放并降低到平衡壓力時(shí)， 半月板停止上升并保持穩(wěn)定水平。這說(shuō)明半月板對(duì)0.1bar的壓力變化很敏感，這又說(shuō)明壓力的測(cè)量可以精確到0.1bar。這比Scholander bomb的測(cè)量值(0.5bar)和和干濕計(jì)的測(cè)量值(1bar)要高。 (Model 3115, Soil moisture Equipment Corp, USA; Model600, PMSInstrument, USA), (PSY1 Stem Psychrometer, ICT International, Australia)。
圖3. 出風(fēng)口相對(duì)濕度（ RHout）、蒸騰速率（E，用RPCS測(cè)量）和半月板對(duì)光強(qiáng)（LI）和施加壓力(P)變化的響應(yīng)。黑色和灰色箭頭之間的距 離表示光強(qiáng)改變后RHout和半月板變化的時(shí)間。
圖4. 在恒定的光強(qiáng)（ LI）和蒸騰速率(E)以及相應(yīng)的相對(duì)濕度（ RH）下，半月板對(duì)施加壓力(P)的響應(yīng)。RHin 和 RHout: 進(jìn)出空氣的相對(duì)濕度。
蒸騰速率和壓力之間的關(guān)系
不同土壤水分條件下，蒸騰速率與施壓力的關(guān)系如圖5所示。 無(wú)論是濕潤(rùn)土壤還是相對(duì)干燥土壤，施壓均隨蒸騰速率線性增加，這與均勻濕潤(rùn)土壤和干燥土壤中羽扇豆的研究一致(Hayat et al., 2019)。 在高蒸騰速率和干燥土壤中，蒸騰速率與施壓力的關(guān)系保持線性，這與之前對(duì)小麥和大麥的研究形成對(duì)比，在這些研究中，關(guān)系開(kāi)始變得非線性(Carminati et al., 2017; Deery et al., 2013; Passioura, 1980)。 與小麥和大麥的遲滯現(xiàn)象相比珍珠谷子在蒸騰速率增加和減少階段的壓力差要小得多。隨著土壤含水量的降低，植物水力阻力（Rplant）的斜率逐漸增大。坡度稍陡表明干燥土壤中植物水力導(dǎo)度有中度降低（Kplant = 1/Rplant）。
圖 5. 土壤干燥過(guò)程中珍珠谷子蒸騰速率E與平衡壓力P的關(guān)系。D: 播種后第二天, θ: 土壤含水量.
結(jié)果與展望
本研究建立了測(cè)量土壤干燥過(guò)程中葉片水勢(shì)與蒸騰速率關(guān)系的根壓室系統(tǒng)。該系統(tǒng)分辨率高（ 0.1bar），能準(zhǔn)確測(cè)量葉片水勢(shì)，測(cè)量蒸騰速率可靠。結(jié)果表明，無(wú)論在濕潤(rùn)土壤還是相對(duì)干燥土壤中，珍珠谷子的蒸騰速率與平衡壓力均呈線性關(guān)系，即使在高蒸騰速率下也是如此。隨著土壤干燥，植物水力導(dǎo)度略有下降。
這項(xiàng)技術(shù)可以研究植物對(duì)嚴(yán)重的土壤干燥和灌溉的反應(yīng)。此外，人們可以研究植物的水力導(dǎo)度如何受到環(huán)境條件的影響，如土壤類(lèi)型或空氣濕度，以及不同的根系性狀，如根長(zhǎng)密度或根毛(Carminati et al., 2017)。最后，可以測(cè)試不同耐旱性的植物的蒸騰速率(E)與平衡壓力(P)之間的關(guān)系，如Kholová 等（ 2010）測(cè)試的珍珠谷子?？傊?，該方法為研究植物對(duì)土壤水分脅迫的響應(yīng)提供了新的機(jī)會(huì)。
