梨棗花果期耗水規(guī)律及其與莖直徑變化的相關(guān)分析

張琳琳，汪有科 ，韓立新，劉守陽，李曉彬

(1.中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100;2.中國科學院研究生院，北京 100049;3.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌 712100)

紅棗作為陜北的一種特色經(jīng)濟林，近年來在國家退耕還林(草)政策的支持下得到了迅速發(fā)展，種植面積達到近7萬hm2［1］。陜北地處半干旱氣候區(qū)，自然降雨無法充分滿足棗樹耗水要求，水資源短缺成了限制棗林產(chǎn)量和經(jīng)濟效益提高的重要因素［2］。汪有科等［3-4］集成創(chuàng)新了山地棗林集雨微灌技術(shù)，極大提高了棗樹的產(chǎn)量和水分利用效率。而對于棗樹水分虧缺指標和耗水規(guī)律的研究，有助于制定精確灌溉制度，進一步提高水分利用效率。

基于植物自身的水分信息直接與土壤水分狀況和作物產(chǎn)量關(guān)聯(lián)，因此比一些非生物水分信息指標更可靠［5］。作物受到水分脅迫時往往是生長指標更敏感［6-7］。為此基于植物自身的水分虧缺指標已成為指導灌溉指標的發(fā)展趨勢，包括莖水勢(ψstem)、葉水勢(ψleaf)、莖直徑變化(TDV)等，對此前人進行了一些研究［8-10］。與莖水勢和葉水勢相比，莖直徑微變化具有簡單易行、對植株不具破壞性、可連續(xù)監(jiān)測、自動記錄并準確獲取植物體內(nèi)水分信息的優(yōu)點，因而被認為是最有潛力表示植物水分狀況和指導灌溉制度制定的指標［11］。Intrigliolo等［12］得出莖桿水勢(ψstem)和莖直徑日最大收縮量(MDS)都能夠很好的反映植物的水分狀態(tài)，可以作為灌溉控制指標。Fernanda等［13］用葉水勢、氣體交換、液流和莖桿直徑變化指標來檢測檸檬樹的水分脅迫狀態(tài)，得出MDS是指示成年檸檬樹水分虧缺，制定灌溉制度的良好指標。

試驗地(米脂)紅棗在生長季節(jié)理論耗水438.8 mm，花果期是指開花坐果期和果實膨大期，同時花果期也是是紅棗的關(guān)鍵需水期［14］，這兩個時期是生殖生長的主要時期，關(guān)系著果實的數(shù)量、體積、單果重和產(chǎn)量。本文通過監(jiān)測不同土壤水勢處理條件下，2a中梨棗花果期(2010年7月8日—9月4日，2011年6月26日—8月26日)土壤含水量動態(tài)變化以及莖直徑微變化，通過二者相關(guān)關(guān)系的分析，試圖找到梨棗花果期莖直徑變化對水分條件的響應機制，確定適宜水分虧缺指標，為建立灌溉制度提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2010年7月8日—9月4日和2011年6月26日—8月26日在米脂縣銀州鎮(zhèn)孟岔村山地微灌棗樹示范基地進行。米脂縣位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，屬于中溫帶半干旱性氣候，晝夜溫差大，日照充足，適宜果樹生長。年平均降雨量451.6 mm，主要集中在7—9月。試驗地土質(zhì)為黃綿土，容重1.29 g/cm3，0—100cm計劃濕潤層的田間持水量(FWC)為23%(質(zhì)量含水量)。

試驗小區(qū)規(guī)格為6m×1m×1m，采用水泥砌墻與周圍土壤隔離并用塑料布進行防滲，使小區(qū)土壤環(huán)境為封閉系統(tǒng)。小區(qū)上方安裝防雨棚以消除自然降雨對試驗的影響。灌溉方式采用地面滴灌，為提高灌溉均勻性，每小區(qū)布設2條毛管，毛管上等距安裝4個滴頭，滴頭流量為4 L/h。供試材料為2009年4月移栽于子洲縣的3年生梨棗樹，株行距為1m×2m。試驗梨棗樹形修剪均一，長勢良好，平均主干莖直徑4.05 cm，平均樹高89.67 cm，平均冠幅半徑45.98 cm。

1.2 試驗處理

試驗共設計4個土壤水勢水平，如表1所示。其中2010年T4處理水勢設置是由試驗初期的-311kPa開始，一直不灌水直到果實萎蔫，之后對該區(qū)進行灌水至-311kPa。2011年T4處理水勢設置是由前期的水分脅迫處理分3次灌水至-41 kPa，后期逐步進入干旱。每個處理自成一個小區(qū)，每小區(qū)3棵樹，單株視為1次重復。灌水量用控制灌溉配套數(shù)采(GP1，德國Ecomatik公司生產(chǎn))自動控制，當土壤水勢小于設定的土壤水勢下限時，每30 min自動灌水5 min，直到土壤水勢大于土壤水勢上限停止灌溉。

表1 各處理土壤水勢設置Table 1 The set of soil water potential in different treatments

1.3 觀測指標與方法

土壤水勢 用平衡式土壤水分張力計(EQ15:Equilibrium Tensiometer)監(jiān)測土壤水勢，測量范圍為0—-1500 kPa。每小區(qū)安裝3個土壤水勢儀探頭，埋設深度均為30 cm，一個水勢儀探頭與GP1相連，用來控制灌溉。其他探頭與DL2e型數(shù)據(jù)采集器(英國劍橋，Delta Device)相連，每30 min自動記錄1次數(shù)據(jù)。本文中土壤含水量為測得的土壤水勢值通過土壤水分特征曲線轉(zhuǎn)換而來，轉(zhuǎn)換公式如下:

式中，B1為土壤水勢值(kPa);θ為土壤體積含水量(cm3/cm3)。

梨棗耗水量為當日土壤含水量平均值與次日土壤含水量平均值之差，是基于水量平衡條件下的棗林地總耗水量，包括土壤蒸發(fā)量和棗樹蒸騰量，也稱為梨棗蒸散量。

莖稈直徑微變化:莖稈直徑微變化采用DD型線性差分徑向變化儀(簡稱LVDT，德國Ecomatik公司生產(chǎn))連續(xù)測定。在每棵樹安裝一個探頭，探頭通過不脹鋼框架安裝在樣樹主干距地面15 cm處的北向，安裝前用木銼輕刮樹干的死皮，以確保LVDT框架牢固和探頭與主干接觸良好，用隔熱銀箔紙包裹探頭，以防風、氣溫和降雨等對探頭測量精度的影響。所有探頭與DL2e型數(shù)據(jù)采集器相連，每30 min自動記錄1次數(shù)據(jù)。

莖直徑的日變化呈“U”型，通常莖直徑日最大值(MXTD)出現(xiàn)時間為8:00左右，莖直徑日最小值(MNTD)出現(xiàn)時間為16:00［8，15］。莖桿收縮大多發(fā)生在木質(zhì)部外圍的活組織中，其細胞具有彈性較強的細胞壁，因而當水分從中抽出時細胞體積就將減小［16］。夜間蒸騰停止后，若土壤水分充足，根系吸收的水分補充莖損失的水分使莖桿膨脹，莖桿復原或伴有生長;反之，莖桿不能復原(圖1)。莖直徑日最大收縮量(MDS)為MXTD與MNTD之差，連續(xù)兩天的MXTD或者MNTD之差為莖直徑日生長量(DG)，本試驗采用兩天的MXTD之差作為DG，日莖稈變化平均值為莖直徑日變化平均值(MTD)，RT為日復原時間，取兩天MXTD出現(xiàn)的時間段，若大于24h，則以24h為準，不能完全復原則以24h計算(圖1)。

本文各處理所選數(shù)據(jù)均為3個重復的平均值，采用SPSS和Excel軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Origin Pro 8.0繪圖。

圖1 莖稈直徑生長日變化Fig.1 Daily fluctuations of trunk diameter

2 結(jié)果與分析

2.1 梨棗花果期土壤含水量動態(tài)

圖2是2010年4個處理在梨棗花果期土壤含水量動態(tài)變化(豎直箭頭指示各處理灌水日期)。試驗初期4個處理的土壤含水量明顯不同，隨著試驗的進行，各小區(qū)進入預設的土壤含水量范圍。在控制灌溉期間，T1處理土壤含水量在0.190—0.304 cm3/cm3范圍波動，于7月30日、8月24日進行灌溉，灌水量為121.45 mm，土壤含水量平均為0.238 cm3/cm3;T2處理在0.122—0.278 cm3/cm3范圍波動，8月7日和8月24日各灌水1次，灌水量138.99m m，土壤含水量平均值為0.192 cm3/cm3;T3處理在0.082—0.244 cm3/cm3范圍波動，試驗于8月24日灌水1次，灌水量125.13 mm，其土壤含水量平均值為0.146 cm3/cm3;T4處理在0.058—0.163 cm3/cm3范圍波動，期間于8月13日果實萎蔫時灌水，灌水量0.033mm，其土壤含水量平均值為0.078 cm3/cm3。

2011年4 個處理的土壤含水量波動范圍不同(圖2)。T1處理在0.194—0.239 cm3/cm3之間波動，試驗期間分別于6月27日、7月13日、7月27日和8月10日灌水，灌水量總計118.6 mm，土壤含水量平均為0.216 cm3/cm3;T2處理在0.121—0.234 cm3/cm3范圍波動，分別于6月29日和7月28日各灌水1次，灌水量112.8 mm，其土壤含水量平均為0.177 cm3/cm3;T3處理的土壤含水量波動范圍為0.082—0.178 cm3/cm3，于6月27日、7月14日和8月1日灌水，灌水量總計106.8mm，土壤含水量平均為0.135 cm3/cm3;T4處理由最初的土壤含水量0.059 cm3/cm3，于6月26日、7月2日和7月11日各灌水1次，在7月14日土壤含水量達最大值0.24 cm3/cm3，總灌水量148.4 mm，隨后土壤含水量隨時間的推移逐漸變小，其土壤含水量平均為0.142 cm3/cm3。

圖2 梨棗花果期土壤含水量動態(tài)變化Fig.2 Dynamic trend of soil water content of pear jujube trees on flowering and fruit development periods in different treatments

灌水后，所有處理的土壤水分消耗速率均明顯表現(xiàn)出前期大于后期，一方面因為灌水初期表層土壤含水量比后期高，土壤水分狀況較好，蒸發(fā)劇烈，土壤水分消耗速率快［17］;另一方面經(jīng)過一定程度干旱處理，梨棗樹復水后根系生長活性增強，吸水速率增大。各處理2010年灌水頻率低于2011年，說明隨著樹齡的增長，棗樹根系活動加快，土壤水分變化加大，灌水頻數(shù)增多。

2.2 梨棗花果期莖直徑動態(tài)

在梨棗花果期，各處理莖直徑日變化平均值(MTD)符合Logistic函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2在0.96以上且均達到顯著性水平(P＜0.05)(圖3)，說明土壤含水量對MTD的變化趨勢沒有影響，各年內(nèi)的MTD曲線變化規(guī)律一致，均呈不同程度的遞增趨勢，這說明各處理下梨棗樹的莖直徑均能復原并伴隨著生長。2a內(nèi)各處理MTD增長率因土壤含水量以及樹齡的不同而存在差異。2010年4個處理增長率T1＞T2＞T3＞T4，分別為2.28、1.71、1.18、0.74，高水分處理(T1)MTD增長率最大，低水分處理(T4)MTD遞增幅度最小，說明該時期為該樹齡棗樹提供充足的水分有助于莖稈直徑的增粗。2011年各處理增長率為T2＞T3=T4＞T1，控制灌溉的T2處理增長率最大(2.30)，其次是T3和T4處理(1.25)，高水分的T1處理增長率最低(1.08)，說明低水分處理有助于梨棗莖稈直徑的生長，同時隨著樹齡的變化，梨棗生命活動不同，對水分的需求也不同，這與2011年李曉彬的結(jié)論一致［18］。在試驗前期(開花坐果期)MTD增長較快，這是由于開花坐果期果實較小，對水分和營養(yǎng)的需要量較小，營養(yǎng)生長占有一定優(yōu)勢，在果實膨大期后期MTD變化平緩，此時生殖生長占優(yōu)勢，水分在果實品質(zhì)形成過程中起著關(guān)鍵作用［16，19］。

圖3 梨棗花果期莖直徑微變化指標動態(tài)變化Fig.3 The daily change of trunk diameter variation derived indexes during flowering and fruit development periods

莖直徑日最大值(MXTD)曲線變化規(guī)律總體趨勢與MTD一致，同樣符合Logistic函數(shù)關(guān)系，變化規(guī)律與結(jié)論均與MTD一致，說明MXTD與MTD在表征梨棗莖稈生長規(guī)律方面效果一致(圖3)。

2.3 梨棗花果期耗水量動態(tài)

如圖4所示梨棗花果期耗水量呈不同的波動趨勢。2010年T1、T2、T3、T4處理梨棗耗水量分別在1.07—3.54 mm、1.08—3.88 mm、0.96—3.25mm、1—2.4 mm 范圍波動，花果期耗水量 T1＞T2＞T3＞T4，分別為147.82、136.17、110.4、97.668mm，日均耗水強度 T1 ＞T2 ＞T3 ＞ T4，分別為 2.55、2.35、1.90、1.68mm/d，T1、T2、T3、T4日耗水量最大值分別出現(xiàn)在8月29日、8月16日、8月27日、8月18日，均為灌水后，且灌水后1周內(nèi)梨棗耗水量持續(xù)增大，之后逐漸減少，耗水曲線呈拋物線狀，說明梨棗耗水量隨土壤含水量的增加而增大。2a內(nèi)各處理耗水量曲線均表現(xiàn)為遞增趨勢，開花坐果期是棗樹營養(yǎng)生長、生殖生長的并進時期，棗樹各項生理活動機能增加，樹體冠層等屬于快速生長期，并且隨氣溫的升高，作物蒸騰加強，棗樹對水分的需求日益增加，耗水量增大，此階段的日耗水強度分別為2.26、1.91、1.64、1.46 mm/d，可以看出此階段不同水分處理間耗水量差異較大。果實膨大期日耗水量達最大，此階段樹體各方面生長均達最大狀態(tài)(包過新梢生長、葉面積等)，新陳代謝旺盛，氣溫在此時也較高，棗樹對水分的需求達到最大，日耗水強度分別為2.93、2.97、2.24、1.98 mm/d，分別是開花坐果期耗水強度的1.30、1.56、1.36、1.35倍。果實膨大后期耗水量明顯減少，日變化平緩，此時棗樹已逐漸進入成熟前期，耗水量隨之減少，另一方面此時棗樹的各項生長指標(包括新稍生長、葉面積等)均已達穩(wěn)定狀態(tài)，所以日變化平緩。

圖4 梨棗花果期耗水量的動態(tài)變化Fig.4 Dynamic trend of water consumption of pear jujube trees during flowering and fruit development periods under different treatments

2011年各處理梨棗耗水量分別在1.39—4.22、1.19—4.15、1.07—4、0.96—3.79mm范圍波動，花果期耗水量 T1＞T2＞T3＞T4，分別為171.66、155.45、151.87、138.23mm，日耗水強度 T1＞T2＞T3＞T4，分別為2.81、2.55、2.50、2.27mm/d，各處理日耗水量最大值均出現(xiàn)在灌水后一周內(nèi)，與2010年規(guī)律一致?？梢钥闯?011年各處理花果期耗水總量與日耗水強度均高于2010年，說明一方面隨著樹齡的增大，植株體形增大，各項生命活動增強，對水分等的需求增多，耗水量增加，另一方面年際間氣候因子的不同，也是影響梨棗耗水量不同的主要因子［20-21］。

2.4 梨棗花果期日耗水量與莖直徑變化指標的相關(guān)分析

在莖直徑變化指標(MTD、MXTD、MDS、DG)中，2010年T1處理的日耗水量僅與MDS呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.448，而2011年的T1處理的日耗水量與各莖直徑變化指標相關(guān)性均不顯著，可見高水分條件下莖直徑變化指標在表征棗樹耗水狀況方面不敏感。T2、T3作為調(diào)虧灌溉的水分處理，其日耗水量與莖直徑變化指標(除DG外)呈極顯著相關(guān)關(guān)系，說明梨棗莖直徑變化指標(MTD、MXTD、MDS)可以作為適當調(diào)虧灌溉處理的棗樹敏感性指標。2a中T4作為低水分處理，其日耗水量與莖直徑動態(tài)指標(除DG)呈極顯著相關(guān)，這說明棗樹莖直徑變化指標(MTD、MXTD、MDS)能夠很好的表征低水分處理的棗樹耗水狀況，其中MDS能夠更好的表征這一耗水狀況，其相關(guān)系數(shù)最大達0.858。2a試驗中DG只與2010年T4處理以及2011年T2處理棗樹日耗水量相關(guān)性顯著，其他處理均不顯著，這可能是由于影響DG的因素較為復雜，與單因素間的線性相關(guān)性不顯著。2a中不同水分處理的MTD、MXTD與耗水量相關(guān)性一致，這說明這兩個指標在表征棗樹日耗水量方面效果相同。

由表3可以建立線性回歸模型為yi=axj，式中y為耗水量;a為回歸系數(shù);x為莖直徑變化指標;i=T1，T2，T3，T4;j=MTD，MXTD，MDS，DG。由表2、表3可以看出，耗水量與莖直徑變化指標間相關(guān)性越顯著且相關(guān)系數(shù)越大，線性回歸時決定系數(shù)則越大，顯著水平越高。如2010年T1處理MDS對耗水量作用極顯著，且決定系數(shù)最大，其他莖直徑指標作用不顯著。2a中低水分T4處理中MTD、MXTD、MDS均對耗水量作用極顯著，且決定系數(shù)大于其他水分處理。說明該回歸模型可為低水分處理下梨棗耗水狀況提供依據(jù)。

表2 梨棗花果期日耗水量與莖稈直徑指標值的相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis between pear jujube daily water consumption and trunk diameter variation derived indexes during flowering and fruit development periods

3 結(jié)論及討論

(1)通過連續(xù)2a對梨棗花果期耗水狀況的研究表明，梨棗耗水量隨著土壤供水量的增加而增大，各個處理日耗水量最大值均出現(xiàn)在灌水后1周內(nèi)，在2a中高水分處理(T1)耗水量最大，花果期梨棗日耗水強度均為T1＞T2＞T3＞T4，足以證明梨棗耗水量隨著土壤供水量的增加而增大，這與汪耀富［22］研究的烤煙蒸騰耗水量的結(jié)論一致。

(2)梨棗樹日耗水量受生育期、樹齡以及氣候的影響。2a內(nèi)各處理耗水量曲線均表現(xiàn)為遞增趨勢，棗樹在開花坐果期各項生理機能趨于活躍，耗水量遞增，在果實膨大期耗水達到最大值。果實膨大期樹體各項生理機能均達到最活躍狀態(tài)，耗水量最大，各處理耗水強度也均高于同處理的開花坐果期，這與2010年胡永翔［23］的研究結(jié)果一致。2011年各處理花果期耗水總量與日均耗水強度均高于2010年，說明一方面隨著樹齡的增加，棗樹樹體增大，生命活動加強，耗水量增加，另一方面年際間氣候差異，也是影響梨棗耗水量關(guān)鍵因素［20-21］。

表3 梨棗花果期日耗水量與莖稈直徑指標值的線性回歸Table 3 Linear regression between pear jujube daily water consumption and trunk diameter variation derived indexes during flowering and fruit development periods

(3)通過連續(xù)2a對梨棗花果期莖直徑動態(tài)變化有關(guān)指標的研究表明，各處理MTD、MXTD的變化規(guī)律一致，均符合Logistic函數(shù)關(guān)系，各指標(MTD、MXTD)增長率因水分處理不同而存在差異，說明MTD、MXTD可以作為樹體生長狀況的監(jiān)測指標。

(4)莖直徑微變化各指標均受土壤水分的影響，但影響程度不同。2a不同水分處理MTD、MXTD與耗水量的相關(guān)性一致，二者表征植物與土壤水分關(guān)系的作用相同。以T1處理為例，2a間與耗水量顯著相關(guān)的指標并不相同，這與Morales［24］和Moreno［15］研究認為莖直徑變化與樹齡有關(guān)的結(jié)論一致。2a中T4為低水分處理，其日耗水量與MDS相關(guān)系數(shù)較其他3個處理高且達到極顯著水平，說明MDS在一定水分虧缺條件下能夠很好的表征棗樹耗水規(guī)律，與 Moreno［15］對橄欖樹以及Ruiz-Sánchez［11］對檸檬樹得出MDS可以作為植物水分虧缺敏感性指標的研究結(jié)果相一致。Moriana［24］等研究認為莖直徑微變化與物候期和生育期有關(guān)，果實的生長、成熟和采摘直接影響到莖直徑微變化，所以分生育期分析MTD、MXTD、MDS與不同處理棗樹日耗水量相關(guān)性意義重大，有待進一步探討。

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