植物叶片厚度耦合因子及其模型的研究

　　摘要：植物叶片厚度变化反映了植物的生长状态，叶片厚度的耦合因子包括叶气温差、气孔开度及叶片含水量。为测量叶气温差，设计了一种新型的叶片温度测量方法，采用自主研发的YI-20020A型植物叶片厚度精密测量仪，以花生为研究对象，研究叶片厚度与3个耦合因子的关系，结果表明各耦合因子与叶片厚度均呈高度显著相关关系；采用时间分段法建立了叶片厚度与叶气温差及空气相对湿度的数学模型，F检验其显著性，利用花生成长期的数据评估模型的准确性，结果表明实测值与估算值相差5 μm以内。

　　关键词：叶片厚度；耦合因子；数学模型；叶片温度；气孔开度

　　中图分类号：S24 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）16-3835-05

　　叶片作为植物最重要的器官，其生理特性备受关注[1，2]。研究表明，外界环境的改变会导致叶片面积、叶片厚度等影响叶片尺寸的因素发生变化。同时，植物叶片厚度在一定程度上反映了植物的生长状态，为了实现对植物生长状态的精密控制，研究植物叶片厚度的增厚机理具有重要意义[3，4]。

　　已有研究从不同角度探讨了引起植物叶片厚度变化的原因，从数学角度研究发现，降水量的增加会导致叶片变厚，随降水量或水分指数的增加，叶片厚度与各组织厚度均呈增加趋势[5]；从解剖学角度研究发现，维管束发达程度及细胞层数与叶片厚度变化存在相关性[6，7]；植物生理学水分胁迫试验研究发现，水分含量对茎秆直径及器官体积具有直接影响[8]。

　　以上研究结果反映了叶片厚度变化与外界环境、自身水分等参数相关。然而，叶片水分含量受蒸腾作用、光合作用等生理活动的影响。植物的生理活动又与叶气温差（叶面温度与空气温度之差）及叶片的气孔开度息息相关。为此叶片厚度变化机理还需要通过深入试验进行研究。本研究选取了叶气温差、气孔开度及叶片含水量3个重要因子作为自变量，叶片厚度作为因变量，分析各耦合因子对植物叶片厚度的影响。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验材料

　　本研究以花生各成长阶段的叶片为试验材料，对叶片厚度、空气温度及叶片表面温度进行测量。于全晴天、全光照、土壤充分灌溉的试验环境下进行，地点为中国计量学院温室。

　　植物叶片生理活动存在较为适宜的温度范围[9]。目前植物叶片温度的测量多采用红外测温法，该方法存在叶片发射率难以确定及环境影响大等缺陷[10，11]。为此设计了一种接触式测量方法测量叶片表面温度。

　　1.2 试验原理

　　叶片温度测量原理如图1所示，由图1可知，仪器测头采用贴片式铂电阻传感器，传感器将温度信号转化为电阻信号，经测控电路后由单片机处理与标尺转换，将温度值输送给显示器。测量时通过夹子将贴片式铂电阻传感器夹在叶片表面，使其充分接触叶面，便可从显示器上读取叶片温度值。

　　叶面温度测量

　　1.3 测量试验

　　叶片厚度及空气温度的采集运用自主开发的YI-20020A型植物叶片参数测量仪，测厚仪的测量范围为0～700 μm，精度为1 μm，空气温度的测量误差小于0.3 ℃，空气相对湿度测量误差小于2.0% RH。

　　叶面温度测量采用图1所示的测量方法，以主叶脉为中心，叶脉左右各取两点进行温度采集，取均值，计算叶气温差。被测植物叶片厚度的监测周期为24 h，每隔30 min记录一次叶片厚度值。每隔2 h灌水以保证在相同的土壤湿度环境，当日18：00至次日6：00进行无土壤灌水。

　　1.4 数据处理

　　试验数据通过Excel 2007、SPSS 19.0及Matlab R2009a进行相关性分析。

　　2 结果与分析

　　由图2可见，日间保证土壤湿度相同的条件下，随光照强度增加，空气温度上升，叶气温差逐渐减小至负值，叶片厚度随着叶气温差的降低逐渐减小，两者变化趋势相同；午后随光照减弱，空气温度逐渐下降，叶气温差逐渐升高，叶片厚度也随之增加；晚间叶片厚度变化微小，叶片温度基本等于或略高于空气温度。对两者进行相关性分析，得到叶片厚度与叶气温差相关系数为0.784，表现为显著正相关。

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