编者按 为弘扬科学家精神，鼓励潜心研究，推动学院科技创新，突出创新质量和服务贡献，经个人申报、学术委员会评选、学校审核，我院共评出2021年度院级代表性科研成果4项，重大社会服务贡献2项。为进一步发挥院级代表性成果的引领示范作用，特推出系列报道。

变化环境下作物水分传输响应机制解析

西北旱区生态环境脆弱，粮食生产节水增效十分迫切。本代表性成果完成团队（牛俊、杜太生、康绍忠、侯学敏、李浩、廖德海等）以作物面对变化环境的微观生理学响应机理为突破口，基于甘肃武威绿洲农业高效用水野外科学观测研究站的实验观测数据，围绕气候变化和灌溉调节情势下西北内陆干旱区典型农作物的水分传输，开展了有效的前沿交叉研究，在规律捕捉、数学描述、软件开发上取得创新，研究成果解析了变化环境下的水分传输响应机制，在农业节水的深度潜力挖掘上具有重要的科学意义和应用价值。

气孔是植物水汽交换的关键通道，其大小受到多种环境因子的共同调节。CO₂是植物光合作用的原料，是影响气孔导度的重要因素之一。全球CO₂浓度正持续上升，这将引起气孔导度的减少及叶面积增大等植物响应，相关响应影响了作物水分耗散的通道，具有一定的节水潜力。我国西北干旱内陆区，水资源匮乏，准确的耗水计算有利于区域水资源的高效利用与管理。本研究基于人工气候室中CO₂浓度增加情势下玉米气孔导度的响应规律，创建了CO₂浓度变化下非线性的气孔导度响应模型，开发了基于气孔导度动态调整的蒸散发模拟软件。考虑现有VIC模型对非线性气孔导度-CO₂浓度增加响应的不足，改进VIC模型的蒸散发计算，估算了西北内陆河流域不同气候变化情景下的主要作物农业耗水量和CO₂攀升带来的节水潜力。研究发现，ET随着CO₂浓度增加而持续减少，但减少速率在变缓。RCP4.5情景下玉米ET的减少量大约是RCP8.5的一半。

图1 未来气候变化情景下西北典型农作物ET对CO₂浓度上升的响应

木质部水分运输在果实生长发育和品质形成中起着至关重要的作用。前人试图量化果实生长发育过程中水力阻力的变化，但尚未达成共识。此外，这个问题尚未在水分亏缺引起植株和果实水分状况变化的背景下得到解决。因此，研究了番茄果实和果柄在充分灌溉和水分亏缺条件下的水力学特性，创新发展了量化果柄、花萼水力特性的新方法，探索提出了量化离体果实木质部复水的方法，通过碱性品红染料定性研究了木质部的功能性，观察研究了番茄果柄及果实木质部解剖结构对水分亏缺的响应，模拟分析了不同水分运输驱动力（茎-果水势梯度）情景下的木质部流动，研究发现在果实发育过程中水分运输能力的下降并不是发生在通向果实的木质部通道中，而是发生在果实本身，这种影响可能存在于果实木质部的内部或外部。水分亏缺对木质部水力阻力的影响不显著，但水分亏缺下果实水分积累减少也可能是由于茎-果水势驱动力的降低导致母体植株与果实之间木质部水流的变化所致。

图2 不同生育期番茄果柄与果实维管束横切图

图3 充分灌水下成熟期番茄果柄扫描电镜（SEM）图像

该代表性研究成果推进了作物水分利用效率的响应机制解析，有效提升了变化环境下农区耗水过程的模拟精度；多学科交叉融合，把果实水力学拓展到传统的植物水力学研究中，一方面量化了水分从母体植株到果实的水分传输过程，进一步补充发展了土壤-植物-大气连续体（SPAC系统）水分传输过程的研究；另一方面提供了研究控水调质高效灌溉理论的新思路与新视角，为进一步从水分传输的角度调控果实品质形成的过程提供理论基础。该研究成果被澳大利亚Brodribb TJ等知名专家团队引用。

本研究受到了国家自然科学基金国家杰出青年科学项目（51725904）、重大项目（51790534）、国际（地区）合作与交流项目（51861125103）、面上项目（51679233）等项目资助。

代表性论文1：https://academic.oup.com/jxb/article/72/7/2741/6074798

代表性论文2：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.125858