棗樹莖直徑日最大收縮量影響因子分析

張琳琳，汪有科，張俊，劉守陽，韓立新，趙英

(1.中國科學院 水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國科學院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，712100，陜西楊凌;4.楊凌職業(yè)技術(shù)學院，712100，陜西楊凌)

棗樹莖直徑日最大收縮量影響因子分析

張琳琳1，2，汪有科1，3?，張俊1，2，劉守陽3，韓立新1，2，趙英4

(1.中國科學院 水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國科學院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，712100，陜西楊凌;4.楊凌職業(yè)技術(shù)學院，712100，陜西楊凌)

摘要：選取4年生梨棗樹(Zizyphus jujubamill.)，設(shè)置4個土壤水分梯度，研究不同水分條件下梨棗樹不同生育期莖直徑日最大收縮量(DMDS)變化規(guī)律，確定DMDS與土壤水分及氣象因子(參考作物蒸發(fā)蒸散量E、水汽壓虧缺日均值V)的關(guān)系。結(jié)果表明：1)土壤水分條件影響梨棗樹DMDS對氣象變化的敏感度，水分適宜處理梨棗樹DMDS對氣象變化最為敏感，其余水分處理梨棗樹DMDS的變化規(guī)律與其一致，但波動幅度較小;2)不同生育期DMDS與氣象因子關(guān)系存在差異，果實膨大期、果實成熟期與E、V關(guān)系均極顯著，萌芽展葉期與開花坐果期相關(guān)系數(shù)較小;3)不同水分處理梨棗不同生育期DMDS與氣象因子關(guān)系不同，高水分處理(T1)開花坐果期DMDS與V關(guān)系顯著，與E極顯著，其他處理均不顯著;4)在不同水分條件下，梨棗全生育期內(nèi)參考作物蒸發(fā)蒸散量E是影響莖直徑日最大收縮量的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：梨棗;土壤水分;莖直徑日最大收縮量;氣象因子;相關(guān)分析

精準灌溉技術(shù)是指按照田間每一操作單元的具體條件，精細準確地調(diào)整各項土壤和作物管理措施，最大限度地優(yōu)化使用水投入量，以獲得最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟效益，同時保護生態(tài)環(huán)境的一種高科技灌溉技術(shù)［1］。掌握作物的需水信息是現(xiàn)代精準灌溉體系的重要組成部分，是精準灌溉實施的基礎(chǔ)和保障。眾多學者研究［2-5］表明，植物水分狀況的可靠指標只能從植物本身的測定中得到，只有獲取了準確的作物水分信息，才能更科學地采取田間水分管理措施，提高水分利用效率，降低無效損耗。

植物莖直徑微變化具有眾多優(yōu)點，如操作簡單，對植株無破壞性，能夠連續(xù)監(jiān)測、自動記錄、獲取植物體內(nèi)水分精確信息等，因而被認為是最有潛力表示植物水分狀況和指導(dǎo)灌溉制度制定的指標［6］。莖直徑觀測參數(shù)主要有莖直徑日最大值(DMXTD)、莖直徑日最小值(DMNTD)、莖直徑日最大收縮量(DMDS)與莖直徑日生長量(DDG)。目前研究成果已證實，DMDS適宜作為植物水分虧缺敏感性指標，并已成功應(yīng)用于精確灌溉中［7-10］。M.Ortu?o 等［11］提出從莖稈直徑日變化中能得到與作物水分狀況密切相關(guān)的指標，DMDS作為成年樹的控制灌溉指標比較適宜，但莖直徑觀測受土壤水分和外界氣象因素影響明顯。F.Moreno等［12］研究了成年橄欖樹在充分灌溉條件下其DMDS與太陽輻射(Rs)、參考作物蒸發(fā)蒸散量(E)、水汽壓虧缺日均值(V)、氣溫(T)之間的相關(guān)關(guān)系，得出DMDS與水汽壓虧缺和大氣溫度的相關(guān)性最好(R2分別為0.83、0.79)的結(jié)論。因此，分析莖直徑微變化影響因子，尋求準確、標準化監(jiān)測信號的方法和指標，對利用莖直徑觀測指導(dǎo)農(nóng)林灌溉具有重要意義［7，13-15］，但國內(nèi)外對于不同水分條件下不同生育期梨棗樹DMDS受土壤水分和氣象因子的影響研究較少。

筆者通過在梨棗樹(Zizyphus jujubamill.)全生育期(05-12—09-27)設(shè)置4個不同的水分處理，探索其不同生育期(萌芽展葉期(05-12—06-12)、開花坐果期(06-13—07-20)、果實膨大期(07-21—08-26)、果實成熟期(08-27—09-27)4個階段)DMDS對土壤水分變化的響應(yīng)，分析氣象因子與DMDS的關(guān)系，確定梨棗樹不同生育期DMDS的主要影響因子，以期為梨棗樹自身水分狀況以及需水信息的獲取提供精確的理論依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

試驗于2011-05-12—2011-09-27在陜西省米脂縣銀州鎮(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)，E 109°49'～110°29'，N 37°39'～38°5'，屬于中溫帶半干旱性氣候，全年雨量不足，氣候干燥，四季分明，日照充沛，晝夜溫差大，適宜果樹生長。年平均氣溫8.5℃，極端最高氣溫38.2℃，極端最低氣溫-25.5℃，無霜期162 d。年降雨主要集中在夏季，平均年降水量451.6mm，最大年降水量704.8mm，最小年降水量186.1mm。供試土壤質(zhì)地為黃綿土，密度為1.29 g/cm3，計劃濕潤層0～100 cm的田間持水量為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，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)上方安裝防雨棚避免自然降雨對試驗的影響。采用地面滴灌的灌溉方式，每小區(qū)布設(shè)2條毛管，毛管上等距安裝4個滴頭，確保灌溉均勻，滴頭流量為4 L/h。供試植物為2009年4月于子洲縣移栽的 2年生梨棗樹，株行距預(yù)設(shè)1m×2m。試驗梨棗樹樹形修剪均一，長勢良好，平均主干莖直徑4.05 cm，平均樹高89.67 cm，平均冠幅直徑90.86 cm。

2 材料與方法

2.1 試驗處理

試驗共設(shè)計4個土壤水勢水平(表1)。各處理自成一個小區(qū)，每小區(qū)3棵梨棗樹，單株視為1次重復(fù)。作物灌水量采用控制灌溉配套儀器GP1(德國Ecomatik公司生產(chǎn))自動控制，當土壤水勢低于預(yù)設(shè)土壤水勢下限時，每隔30min自動灌水5min，直到土壤水勢高于土壤水勢上限時停止灌溉。

2.2 試驗方法與觀測指標

1)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，其測量范圍為0～-1 500 kPa。各小區(qū)分別安裝土壤水勢儀探頭6個，埋深30、60 cm的探頭各3個，其中一個埋深30 cm的水勢儀探頭與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，每隔30min自動記錄一次數(shù)據(jù)。土壤體積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：

表1 各處理土壤水勢設(shè)置Tab．1 Set of soil water potential under different treatments

式中：θ為土壤體積含水量，cm3/cm3;B1為土壤水勢值，kPa。

2)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，為確保LVDT框架牢固和探頭與主干接觸良好，安裝前用木銼輕刮樹干的死皮，為防風、氣溫和降雨等對探頭測量精度的影響，用隔熱銀箔紙包裹探頭。所有探頭與DL2e型數(shù)據(jù)采集器相連，每隔30min自動記錄一次數(shù)據(jù)。

莖桿收縮大多發(fā)生于木質(zhì)部外圍的活組織中，其細胞具有彈性較強的細胞壁，因此當水分從中抽出時細胞體積將減?。?6］。莖直徑相對變化量為 DD型線性差分徑向變化儀直接測得的數(shù)據(jù)，是相對于探頭安裝那一刻莖直徑的變化值。莖直徑日最大收縮量為一天中莖直徑相對變化量最大值與最小值之差。

3)氣象數(shù)據(jù)：距試驗地10m的Watch Dog自動氣象站，按照國家氣象局標準連續(xù)采集降雨量、太陽輻射、氣溫、空氣相對濕度、2m高處風速和風向等。

參考作物蒸發(fā)蒸散量和水汽壓虧缺日均值利用Penman-Monteith 公式［17］計算：

式中：E為參考作物蒸發(fā)蒸散量，mm/d;Rn為作物表面凈輻射，MJ/(m·d);G為土壤熱通量密度，MJ/(m·d);t為距地面2m高處日平均氣溫，℃;u2為距地面2m高處風速，m/s;es為飽和水汽壓，kPa;ea為實際水汽壓，kPa;κ為水汽壓曲線斜率，kPa/℃;γ為濕熱常數(shù)，kPa/℃;V為水汽壓虧缺日均值，kPa。

各處理數(shù)據(jù)均為3個重復(fù)的平均值，采用軟件Origin Pro 8.0繪圖，利用SPSS和Excel進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同處理不同土層土壤體積含水量動態(tài)變化

梨棗樹全生育期30、60 cm土層深度土壤體積含水量動態(tài)變化規(guī)律如圖1所示。可以看出，隨著灌水時期的不同，各處理30 cm處土層土壤體積含水量變化曲線波動明顯。T1處理分別在06-27、07-13、07-27和08-10時灌水，T2 處理分別在06-29和07-28時灌水，T3處理分別在06-27、07-14和08-01時灌水，T4處理分別在06-26、07-02和07-11時灌水。T1、T2、T3、T4處理30 cm處土層土壤體積含水量平均值分別為 0.220、0.150、0.156 和0.110 cm3/cm3，60 cm處土層土壤體積含水量平均值分別為0.240、0.080、0.135 和0.120 cm3/cm3。

結(jié)果表明，不同土壤水分處理下，梨棗樹林地30、60 cm處土層土壤體積含水量變化過程具有相似的變化規(guī)律，土壤體積含水量越低，則日降幅越大。同一處理60 cm處土層土壤體積含水量變化曲線較30 cm處變化平坦，變幅較小。高水分處理(T1)、低水分處理(T4)60 cm處土層土壤體積含水量整體高于同一處理30 cm處，這種現(xiàn)象一方面是受外界蒸發(fā)能力的影響，另一方面就是梨棗樹根系主要分布在30 cm處，使得30 cm處梨棗樹耗水大于60 cm處。由于極端水分條件(如T1、T4)會促使根系較快速生長，為使根系附近的土壤水分能夠得到及時補充，土壤水分總是由高勢能處向低勢能處運動，由無根處向有根處運動，從而有利于作物根系吸收利用土壤水分;所以，會出現(xiàn)土壤水分體積含量30 cm處土層小于60 cm處。

圖1 不同處理不同土層土壤體積含水量動態(tài)變化Fig．1 Dynamic trend of soil water content of Zizyphus jujubamill.in different depth under different treatments

3.2 梨棗樹不同生育期DMDS對土壤水分的響應(yīng)

圖2為梨棗樹不同生育期莖直徑日最大收縮量變化規(guī)律?？梢钥闯觯涸诿妊空谷~期，DMDS隨著土壤體積含水量的降低而增大，不同水分處理DMDS差異明顯，高水分處理(T1、T2)波動較大，T2水分處理條件下波動最大，低水分處理(T4)DMDS波動平緩;在開花坐果期，T2處理的DMDS波動最大，在灌水之前(06-22)達到最大值，其次是T3處理，低水分的T4處理變化規(guī)律與萌芽展葉期相似;在果實膨大期，T3水分處理條件下DMDS變化劇烈，其最大值出現(xiàn)在07-31，其次是T1處理;在果實成熟期，T4處理DMDS變化最為劇烈，其次是T3處理，高水分的T1、T2處理變化均較平緩。結(jié)果表明，在萌芽展葉期和開花坐果期，DMDS適宜作為高水分處理下的梨棗樹水分敏感指標，在果實膨大期，DMDS適宜作為控制灌溉的梨棗樹水分敏感指標，在果實成熟期，DMDS在低水分處理條件下最為敏感。可知，各生育期內(nèi)，在水分適宜條件下梨棗樹DMDS波動較大。

3.3 氣象因子分析

參考作物蒸發(fā)蒸散量、水汽壓虧缺日均值隨時間的變化規(guī)律見圖3。可以看出，試驗期間，E、V具有較一致的變化趨勢，在整個生育期呈現(xiàn)波折性動態(tài)變化。E的最大值、最小值分別落在06-01(16.43mm/d)和07-02(0.30mm/d)。V的最大值、最小值分別落在06-07(3.22 kPa)和05-28(0.05 kPa)，其最值均出現(xiàn)在梨棗萌芽展葉期。由圖亦可看出，E與V在萌芽展葉期與開花坐果期波動劇烈，于果實膨大期波動幅度漸小，在果實成熟期二者呈現(xiàn)較平穩(wěn)的動態(tài)變化。

3.4 莖直徑日最大收縮量與氣象因子的關(guān)系

不同水分條件下梨棗不同生育期DMDS與氣象因子(V、E)的相關(guān)分析結(jié)果見表2。可以看出，不同水分處理條件下DMDS與氣象因子之間相關(guān)系數(shù)各不相同。

萌芽展葉期，只有T2處理DMDS與V關(guān)系極顯著，說明該時期在T2(0.123～0.233 cm3/cm3)水分條件下梨棗樹DMDS與V具有較好的相關(guān)性，水分過高(如T1)或虧缺(如T3、T4)則會影響DMDS受氣象因素的綜合影響。

圖2 梨棗樹不同生育期莖直徑日最大收縮量變化規(guī)律Fig．2 Dynamic of Zizyphus jujubamill.maximum daily shrinkage in trunk diameter in different stages

圖3 E、V隨梨棗樹不同生育期的動態(tài)變化Fig．3 Dynamic of E and V during different stages of Zizyphus jujubamill.

開花坐果期，只有高水分處理(T1)DMDS與V關(guān)系顯著，與E關(guān)系極顯著，說明該時期土壤水分與氣象因子的綜合作用顯著影梨響棗樹莖稈變化。其原因可能是由于開花坐果期是梨棗樹關(guān)鍵需水期，梨棗樹生長對水分要求較高［18-19］。

果實膨大期，各水分處理的DMDS均與氣象因子V、E關(guān)系達極顯著，且相關(guān)系數(shù)差異微小。說明一方面該時期各處理DMDS受大氣蒸發(fā)強度影響較大，表征了蒸騰流的強弱，另一方面，在該時期，無論何種水分狀況，其DMDS都能作為良好的指示指標，該時期不同水分處理對梨棗樹DMDS影響較小。

表2 梨棗樹不同生育期莖直徑日最大收縮量(DMDS)與氣象因子(V、E)的相關(guān)分析Tab．2 Correlation analysis between Zizyphus jujubamill.maximum daily trunk shrinkage(DMDS)and dailymean vapor pressure deficit(V)，reference crop evapotranspiration(E)during different growth period

4 討論

從植物生理學角度講，植物器官(莖桿、葉片、果實等)體積短期微變化與其體內(nèi)的水分狀態(tài)密切相關(guān)。以莖稈為例，水分充足時莖桿膨脹，水分虧缺時莖桿收縮，這就為使用莖直徑微變化指導(dǎo)作物精確灌溉提供了可能性［20］。莖直徑日最大收縮量受土壤水分與氣象因子的綜合影響，各因素影響程度具有一定差異性。土壤水分不同，DMDS差異顯著，水分虧缺在一定程度上增大了梨棗樹莖直徑日最大收縮量，說明DMDS適宜作為梨棗樹水分敏感性指標指示土壤水分情況與植物水分狀況。這與F.Moreno等［12］對李樹(Prunus)以及m.C.Ruiz-Sánchez 等［21］對桃樹(Prunus persica)的研究結(jié)果一致。梨棗樹不同水分條件下不同生育期內(nèi)DMDS變化規(guī)律相同，波動程度不同，說明DMDS受植物生育期內(nèi)生命活動量的影響，如文中梨棗樹萌芽展葉期與開花座果期高水分處理(T1、T2)DMDS變化劇烈，果實膨大期T3處理變化劇烈，果實成熟期低水分處理(T4)DMDS波動幅度大。

莖直徑日最大收縮量(DMDS)與V、E密切相關(guān)，說明DMDS受大氣蒸發(fā)強度影響較大。李曉彬等［22］研究了梨棗樹果實膨大期DMDS與氣象因子的關(guān)系，結(jié)果表明，DMDS與大氣蒸發(fā)強度指標(V、E)和溫度指標(T)線性相關(guān)性較大，且高水分處理的DMDS與氣象因子的線性相關(guān)性要高于控制灌溉處理。本研究結(jié)果顯示，梨棗樹不同生育期DMDS與氣象因子的關(guān)系不同，表現(xiàn)為開花坐果期DMDS與E關(guān)系極顯著，果實膨大期、果實成熟期DMDS均與V、E關(guān)系極顯著。不同水分處理條件下DMDS與氣象因子關(guān)系不同，如開花坐果期高水分處理(T1)DMDS與V關(guān)系顯著，與E關(guān)系極顯著，其他水分處理該時期DMDS均與V、E關(guān)系甚微，說明該時期土壤水分與氣象因子的綜合作用顯著影響梨棗樹莖稈變化。E.Fereres等［23］學者研究認為，DMDS變化還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DMDS的變化;因此，在進一步試驗時這些因素應(yīng)當引起注意。

5 結(jié)論

1)不同土壤水分條件下，梨棗林地30、60 cm土層土壤體積含水量變化規(guī)律相似，土壤體積含水量越低，日降幅越大。同一處理60 cm處土層土壤體積含水量變化曲線較30 cm處變化平坦，變幅較小。極端水分條件下(充分灌溉和嚴重虧缺)，60 cm處土層土壤體積含水量整體高于同一處理30 cm處土層土壤體積含水量。

2)土壤水分不同，梨棗樹DMDS差異顯著，水分不足在一定程度上有利于梨棗樹莖稈增粗。

3)土壤水分影響梨棗樹DMDS對氣象變化的敏感度。水分適宜處理梨棗樹DMDS對氣象變化最為敏感，其他水分處理梨棗樹DMDS變化規(guī)律與其一致，但波動幅度較小。

4)不同水分處理梨棗樹不同生育期DMDS與氣象因子關(guān)系不同，高水分處理開花坐果期DMDS受氣象因子(V、E)影響顯著。

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Impact factors analyses ofZizyphus jujubamill．trunk on dailymaximum shrinkage

Zhang Linlin1，2，Wang Youke1，3，Zhang Jun1，2，Liu Shouyang3，Han Lixin1，2，Zhao Ying4
(1.Soil and Water Conservation and Ecological Environment Research Center，CAS ＆mWR，712100，Yangling，Shaanxi，China;2.Graduate University of Chinese Academy of Science，100049，Beijing，China;3.College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi，China;4.Yangling Vocational＆ Technical College，712100，Yangling，Shaanxi，China)

Abstract：To explore the relationship betweenZizyphus jujubamill.trunk dailymaximum shrinkage(DMDS)andmeteorological factors under different soil water status，we performed an experiments with 4 year-oldZizyphus jujubamill.under four-level soilmoisture treatments.The results demonstrated that：1)Soil water conditionmainly had influence on the sensitivity ofDMDSresponse tometeorological factors.The suitable water treatment was themost sensitive tometeorological factors，while other treatments presented similar dynamics and narrow fluctuation range.2)DMDSshowed varied relationship withmeteorological factors over growth stages.The difference betweenDMDSandE、Vwas very significant in fruit expansion and ripening stages，which was not significant during leaf expansion and flowing and fruit set stages.3)The relationship betweenDMDSandmeteorological factors were different under different water treatment during different growth stages.DMDSandVhad significant relationship，DMDSandEhad very significant relationship under higher water treatment，but others was not significant.4)Ewas the key factor on influence trunkmaximum daily shrinkage forZizyphus jujubamill.which under different water conditions during all growth stages.

Key words：Zizyphus jujubamill.;soil water content;dailymaximum shrinkage;meteorological factors;correlation analysis

S275.6;S152.7

A

1672-3007(2013)04-0104-07

2012-12-28

2013-04-05

國家科技支撐計劃“西北生態(tài)脆弱區(qū)經(jīng)濟作物高效用水關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2011BAD29B04);陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程“節(jié)水型旱作紅棗修剪技術(shù)集成與示范”(2011KTCL02-02)

張琳琳(1986—)，女，碩士研究生。主要研究方向：水資源高效利用。E-mail：zhanglinlin7711@163.com

簡介：汪有科(1956—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：水資源高效利用與節(jié)水灌溉新技術(shù)。E-mail：gjzwyk@vip.sina.com

(責任編輯：宋如華)