基于經(jīng)典質(zhì)量法的栓皮櫟幼苗精準(zhǔn)灌溉制度的制定1)

毛海穎 馮仲科 鞏垠熙 閆 飛

(精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

水資源短缺問題是當(dāng)今社會討論的熱點問題，利用各種實際方法進(jìn)行節(jié)能節(jié)水減排也是當(dāng)今科學(xué)界亟需重點解決的問題。而蒸騰是植被及林木耗水的主要方式，在土壤—植物—大氣連續(xù)體(SPAC)水熱傳輸過程中占有極為重要的地位[1]。隨著世界經(jīng)濟(jì)日新月異的發(fā)展，人們對生存環(huán)境的要求也逐漸提高。近年來，森林覆蓋率的不斷提高，林木對水資源的合理吸收和利用已經(jīng)成為中國乃至世界林業(yè)學(xué)界和生物學(xué)界研究的熱點問題[2]。為了較好的掌握林木的需水限值，需要從林木自身的生理特性著手，進(jìn)而得知其抗旱特性、需水特性及基本規(guī)律，利用GIS遙感手段對苗木需水量進(jìn)行操作和控制來進(jìn)行田間推廣，從而實現(xiàn)苗木的精準(zhǔn)灌溉而達(dá)到節(jié)水的目的[3]。栓皮櫟是我國抗旱造林的主要樹種之一，國內(nèi)外對其抗旱節(jié)水的分析主要在利用熱擴(kuò)散式邊材液流探針(TDP)對整株樹木蒸騰耗水量進(jìn)行研究，揭示林木蒸騰耗水的日變化以及連日變化規(guī)律[4]。謝會存等[5]于2002年利用經(jīng)典質(zhì)量法研究了水分脅迫對栓皮櫟幼苗的光合生理和生長的影響，但未得出最佳的水分梯度，未能達(dá)到了節(jié)水的目的。管文軻等[6]曾就沙區(qū)主要造林樹種的節(jié)水灌溉進(jìn)行過研究，對主要防護(hù)林樹種，沙棗、胡楊以及新疆楊等在灌溉定額、灌溉周期分別給出了試驗性的結(jié)論，并采用滴灌的措施。而對利用GIS對最佳水分梯度的苗木在田間的推廣并進(jìn)行定量控制和布設(shè)的研究卻較少。

本文以栓皮櫟1－0苗木為研究對象，測定生長期(每年4—10月)的需水量，并根據(jù)生物量等關(guān)鍵因子的采集及比較分析來確定最佳水分梯度，并以此梯度為標(biāo)準(zhǔn)制定灌溉制度進(jìn)行田間推廣，將當(dāng)?shù)氐臍庀?、苗木需水量等?shù)據(jù)輸入計算機(jī)的模塊[7]，利用GIS技術(shù)對苗木田間種植進(jìn)行布設(shè)，并進(jìn)行水分供需控制。本試驗將地理信息系統(tǒng)技術(shù)與造林育苗結(jié)合，提高供水精度的同時節(jié)約水資源，為田間苗木的培育及節(jié)水灌溉提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地點選在北京市北京林業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)研究生示范基地，北京林學(xué)會試驗基地，位于東經(jīng) 115°50'17″～116°29'49″，北緯 40°02'18″～40°23'13″。氣候主要特點是四季分明，春旱少雨，多風(fēng)沙天;夏季濕熱，雨量集中;秋高氣爽，暖濕適宜;冬季地凍，干燥多風(fēng)。氣溫年較差和日較差都較大。年平均氣溫9.05℃，無霜期為150 d左右，2000—2010年平均降水量740 mm。本試驗為避免降水對苗木需水量的影響，設(shè)有遮雨棚。

2 材料與方法

本試驗以栓皮櫟1－0苗木為研究對象，栓皮櫟種子經(jīng)播種發(fā)芽后，將發(fā)芽的種子移入黑色合成塑料營養(yǎng)缽，規(guī)格為15 cm×10 cm。缽內(nèi)土質(zhì)為砂壤土，試驗開始時每盆均質(zhì)量為1.20 kg。試驗初期的平均苗高為18.41 cm，平均地徑為 2.24 cm，且長勢均良好。

2.1 試驗設(shè)計

試驗通過計算土壤飽和含水量，分別設(shè)定40%、50%、60%、70%、90%5個水分梯度(含水量不足30%的苗木在試驗之初由于水分不能滿足其正常生長而被取締;100%的梯度為土壤的飽和含水量，對苗木的需水供過于求，也在試驗中被取消;90%梯度與80%梯度在計算的過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)果比較接近，為了能更有代表性，所以選取了90%的梯度進(jìn)行試驗。每個梯度設(shè)100個重復(fù)，每盆(即每個重復(fù))一株幼苗，為排除土壤蒸發(fā)對苗木耗水的影響，苗木全部覆膜處理，并置于遮雨棚中。因此，本文的苗木需水量即為苗木自身生理需水量。

本試驗從2008年5月初開始，10月底結(jié)束，為研究苗木需水規(guī)律，根據(jù)土壤含水量計算出的不同梯度的需水范圍，自苗木展葉開始，定期利用SR6400精密天平進(jìn)行抽樣稱其質(zhì)量，試驗結(jié)束后計算各梯度苗木需水量。另外，每月利用卷尺和電子游標(biāo)卡尺對苗高(H)、地徑(D)進(jìn)行測量，生物量(W)的取樣為每月底各梯度破壞性抽取3整株苗木進(jìn)行烘干后稱其質(zhì)量。葉綠素的測定為在每月月中抽取不同水分梯度下固定株的葉片，利用丙酮浸泡法在分光光度計上進(jìn)行測定，每個水分梯度設(shè)3個重復(fù)，每個葉片質(zhì)量為0.2 g左右。利用便攜式HOBO氣象站實時觀測試驗地溫度、空氣濕度、降雨量及平均風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)，為苗木田間灌溉所需數(shù)據(jù)及苗木需水量輸入GIS模塊做準(zhǔn)備[8]。從設(shè)定的5個梯度中選取出既適合苗木生長又同時節(jié)水的水分梯度，以此作為灌溉制度制定的依據(jù)，并將栓皮櫟1－0苗木的月灌溉定額、灌溉強度、灌溉時間等一系列數(shù)值進(jìn)行制定具體的灌溉方法。利用GIS建立管理模塊進(jìn)行田間推廣，按照最佳水分梯度對苗木的需水量進(jìn)行實時監(jiān)控，進(jìn)而實現(xiàn)苗木的精準(zhǔn)灌溉。

2.2 測定指標(biāo)

2.2.1 需水量

栓皮櫟1－0苗木需水規(guī)律的研究主要采用經(jīng)典質(zhì)量法—即利用SR6400精密天平稱質(zhì)量法來定時測定苗木需水量，在試驗初期用環(huán)刀取土稱質(zhì)量測定土壤含水量，后利用公式計算預(yù)設(shè)水分梯度下，各梯度的上下限，所以每次稱質(zhì)量補水都要在這個限制范圍內(nèi)，并計算兩個苗齡苗木不同的需水日變化、月需水量和年需水量。利用Li－6400便攜式光合測定系統(tǒng)分析儀來測定苗木凈光合速率和其變化曲線，在不同水分梯度控水的情況下來觀測苗木的生長狀況。每次抽取20盆，5、6月份每5 d稱質(zhì)量1次，7、8月份每3 d稱質(zhì)量1次，9、10月份每4 d稱質(zhì)量1次。

2.2.2 氣象資料

從試驗區(qū)內(nèi)的HOBO氣象站采集相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，主要包括大氣日最高溫度、最低溫度、相對濕度、平均風(fēng)速和降雨量等，如表1。

表1 氣候因子的變化

2.2.3 生長指標(biāo)

生長指標(biāo)主要指苗高(H)、地徑(D)和生物量(W)，這3個指標(biāo)是衡量苗木生長的關(guān)鍵指標(biāo)。利用標(biāo)尺測定H和D，用稱質(zhì)量法測定W。本試驗采用電子游標(biāo)卡尺測量苗木的地徑，利用普通卡尺測量苗高，利用抽樣的方法測定苗木生物量。

苗高:自幼苗展葉開始每月月中，各梯度隨機(jī)抽樣20株進(jìn)行測定。

地徑:利用電子游標(biāo)卡尺，每月月中，各梯度隨機(jī)抽取20株進(jìn)行測定。

生物量:生物量是苗木生長的重要標(biāo)志，不同的水分梯度下的苗木生物量不同。按照苗木的生長周期，自苗木第一片葉子展開后開始，按月進(jìn)行不同水分梯度下生物量的抽樣采集。生物量的測定時間選在每月月末，各水分梯度破壞性取樣抽取3株，并按照葉、莖、根進(jìn)行具體分類，測定鮮質(zhì)量，再將其放入烘箱中，在80～100℃的條件下烘干3 d，利用公式(1)稱質(zhì)量測其干質(zhì)量[9]。

式中:N為全樹的枝數(shù)量;n為標(biāo)準(zhǔn)枝數(shù)量;Wi為標(biāo)準(zhǔn)枝的枝鮮質(zhì)量或葉鮮質(zhì)量。計算出根、莖和葉的生物量。

2.2.4 葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

葉綠素是光合作用的基礎(chǔ)，是反映苗木光合能力的重要標(biāo)志。本試驗生理指標(biāo)的測定主要是葉片中葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定，葉綠素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是苗木生長狀況的重要評價指標(biāo)之一，也是評定苗木受水分脅迫程度大小的指標(biāo)之一。有研究者指出，葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與光合作用之間一般呈正相關(guān)性。葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低直接影響葉片的光合速率、呼吸速率，而土壤水分脅迫對葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和光合速率都有一定的影響[10]。正常生長的栓皮櫟苗木葉片葉綠素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，但受到水分脅迫后，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯下降，苗木受到的脅迫程度越大其葉片中葉綠素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低。

將新鮮葉片剪成0.2 cm左右的細(xì)絲或小塊混合均勻后，稱取0.2 g，放入25 mL具塞刻度試管中，加入80%丙酮定容至刻度，并仔細(xì)將粘附在瓶壁邊緣的葉片碎末洗到丙酮溶液中，蓋上瓶蓋，室溫下置暗處浸提過夜，其間搖動3～4次，次日觀察葉片全部變白時，表示葉綠素浸提完全。過濾后，在波長663、645和470 nm測定吸光值，并根據(jù)下列公式計算葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素t的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[11]。

式中:Ca為葉綠素a;Cb為葉綠素b;CT為葉綠素總量;Ct為類胡蘿卜素;A470為波長在470 nm的吸光值;A645為波長在645 nm的吸光值;A663為波長在663 nm的吸光值。

3 結(jié)果與分析

3.1 最佳水分梯度的選取

在設(shè)定的40%、50%、60%、70%、90%的水分脅迫下，根據(jù)栓皮櫟幼苗的苗高、地徑、生物量(生長指標(biāo))和葉綠素(生理指標(biāo))在不同水分梯度間的相互比較和方差分析，選取長勢良好苗木的水分梯度作為灌溉制度制定的依據(jù)。

此時測定的耗水量并非苗木自身生理需水量，如灌溉量超過苗木生理需水量則并不會加快苗木生長，反而會導(dǎo)致苗木根系因水分供過于求，產(chǎn)生爛根等現(xiàn)象影響苗木正常生長[12]。在苗木生長期水分測定過程中，90%梯度出現(xiàn)了明顯的水分供過于求的狀況(表2)，因此該梯度不能作為節(jié)水灌溉梯度，而其他梯度將結(jié)合苗木生長、生理指標(biāo)的測定后再進(jìn)一步篩選。

表2 栓皮櫟1－0苗木生長期需水量 mL

苗高:5—10月苗高的生長呈先上升后下降的單峰曲線規(guī)律。5月份各梯度苗高接近相同，約為18.5 cm，7、8月份為生長速生期，7月份的苗高各梯度由大到小分變?yōu)?25.46、24.87、25.55、23.81、23.79 cm。分別比 5、6 月份增長了 13.21%、12.77%、12.98%、11.32%和 10.33%。9、10 月份生長增量相對比7、8月份低，9月份各梯度平均苗高增長為8月份10.01%，10月份各梯度苗高增長為9月份的8.75%，生長接近于停止(見表3)。苗高和地徑的變化對于增長比較緩慢的栓皮櫟來說變化不是很明顯，一個生長季內(nèi)苗高增量在(18～33 cm)范圍內(nèi)，90%、70%和60%水分梯度下的苗木苗高(H)差異性不顯著(P＞0.05)，50%與40%水分梯度間的苗木苗高(H)差異性顯著(P＜0.05)，見表4。因此考慮苗木生理需求和節(jié)水的因素，60%水分梯度相比其他梯度已經(jīng)適合苗木生長，但還需根據(jù)地徑、生物量等因素綜合考慮。

表3 不同水分梯度1－0苗木苗高變化 cm

表4 不同水分梯度1－0苗木苗高方差分析

地徑:苗木地徑的生長在整個生長期內(nèi)呈現(xiàn)遞增趨勢(如表5)。

表5 不同水分梯度1－0苗木地徑變化 cm

根據(jù)表6可知，50%與40%水分梯度下的苗木地徑的增長與90%、70%、60%水分梯度的苗木存在顯著性差異(P＜0.05)。而 90%、70%、60%水分梯度下的苗木地徑的增長卻沒有差異(P＞0.05)?？梢?0%水分梯度下的苗木就可以完全達(dá)到與90%水分梯度完全等同的生長效果，水分梯度大到超過一定的范圍，反而抑制了苗木根系的生長，從而抑制苗木地徑的生長，這與苗高的生長相符，但最佳水分梯度的選擇還應(yīng)結(jié)合苗木生物量的生長進(jìn)行具體分析和篩選。

表6 不同水分梯度1－0苗木地徑方差分析

生物量:生物量的增長從5月初苗木開始展葉開始，各水分梯度苗木生物量的各部分干質(zhì)量接近相等，葉部約為 1.0886 g/株、根部約為 3.8492 g/株、干部約為2.475 g/株(見表7)。而根部的增長尤為明顯，90%、70%、60%水分梯度下的苗木根部生物量差異不顯著(P＞0.05)。50%、40%水分梯度下的苗木增長與90%、70%、60%水分梯度苗木生物量增長有顯著性差異(P＜0.05)(表8)。7月份各水分梯度下苗木生物量對比試驗初的增量根部平均為1.681 g/株，葉為 1.183 g/株，干為 0.65 g/株。

表7 不同水分梯度1－0苗木生物量的積累 g

10月底各水分梯度下苗木生物量增量對比5月份，根部平均為 5.9262 g/株，葉為 3.0382 g/株，干為1.301 g/株，苗木葉子脫落，生物量增長緩慢，標(biāo)志著苗木整個生長期的結(jié)束。

表8 不同水分梯度1－0苗木生物量生長方差分析

葉綠素:葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定程度上說明苗木在整個生長季內(nèi)的生長變化情況，含量高則苗木生長迅速，反之則緩慢[13]。

栓皮櫟1－0苗木整個生長季內(nèi)葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，從圖1可以看出，從6月份到9月份葉綠素a和葉綠素都呈現(xiàn)先上升后下降的整體趨勢。5、6月份各水分梯度還沒有拉開，對于葉片葉綠素含量的影響不大，各水分梯度苗木在該月葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近，都在很小的范圍內(nèi)變化。6月份葉綠素a比葉綠素b變化幅度稍大水分梯度漸漸拉開，但葉綠素a/葉綠素b的值沒有明顯的變化。

圖1 不同水分處理下1－0苗木葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

7月份各水分梯度苗木葉片葉綠素a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始有顯著增加，最高水分梯度苗木葉綠素a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 11.4881 mg·g－1，而此時 60%水分梯度的苗木葉綠素a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻高于90%水分梯度的苗木，為 12.1717 mg·g－1。8 月份這種現(xiàn)象更加明顯，90%、70%、60%、50%以及40%水分梯度下苗木葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:15.7799、12.6894、15.1477、13.3713、10.5042 mg·g－1?？梢?，60%水分梯度下葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)接近于90%梯度下苗木葉綠素的量，說明60%水分梯度已經(jīng)可以滿足苗木生理需求。結(jié)合以上測定數(shù)據(jù)及相關(guān)分析，栓皮櫟1－0苗木在60%水分梯度下能夠正常生長且各指標(biāo)也已達(dá)到和接近最優(yōu)，因此選擇60%水分梯度作為栓皮櫟1－0苗木灌溉制度制定的標(biāo)準(zhǔn)和大田推廣的最佳水分梯度，60%梯度下苗木需水規(guī)律。

對于栓皮櫟1－0苗木各月份需水量與生長指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，經(jīng)回歸分析可用以下模型來表示，見表9。以60%水分梯度為例:

其中，Y60%表示60%水分梯度的苗木單株月需水量(mL·株－1·月－1);X1為苗高(H)月生長量(cm);X2為地徑(D)月生長量(cm);X3為生物量(W)月生長量(g·株－1)。

苗木單株月需水量將按照模型來進(jìn)行具體計算，而60%水分梯度作為苗木節(jié)水的最佳梯度，它的選取將會作為灌溉制度指定的標(biāo)準(zhǔn)。

表9 1－0苗木生長指標(biāo)與需水量的模型

3.2 灌溉制度的制定

根據(jù)苗木最佳水分梯度的選取和單株月需水量模型的建立，可以計算出苗木的具體灌溉定額、灌溉時間、年季灌溉量等。以栓皮櫟1－0苗木60%水分梯度為最佳水分梯度的灌溉制度見表10。其中，年灌溉量是指在整個生長季苗木的灌溉總量。

表10 栓皮櫟1－0苗木最佳水分梯度(60%)下的灌溉制度

日后可在本研究的基礎(chǔ)上，可利用灌溉區(qū)信息管理模塊將田間氣象、土壤、苗木需水量等相關(guān)信息進(jìn)行綜合分類，并存儲于數(shù)據(jù)庫中[14]。數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Access開發(fā)，待田間灌溉時，利用GIS從中調(diào)用相關(guān)屬性數(shù)據(jù)。在過去的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)中，要達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)水的目的，還需在此基礎(chǔ)上建立作物配水模擬模塊及根據(jù)遺傳算法進(jìn)行的優(yōu)化模塊，以期達(dá)到對作物需水量的預(yù)測及制定灌溉方案[15－16]。但卻不能克服預(yù)測需水量帶來的灌溉誤差及模塊建立帶來的系統(tǒng)誤差[17－18]。本試驗解決了這一難點，已經(jīng)根據(jù)經(jīng)典稱重法測定了不同梯度下苗木需水量，并利用方差分析及相關(guān)模型的建立篩選出了最佳水分梯度，依據(jù)該梯度進(jìn)行計算確定灌溉量，制定灌溉制度，該灌溉制度則更加精確，為日后栓皮櫟1－0苗木的田間灌溉提供實踐基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

4 結(jié)論

影響水分蒸騰的因素有很多，如光照、溫度、濕度、風(fēng)力、降雨等氣候因素以及植物自身的生長消耗[19]。影響植物自身生長需水的主導(dǎo)因素，要根據(jù)植物所處的環(huán)境條件以及人為的外力來決定[20]。本文以栓皮櫟1－0苗木的大田精準(zhǔn)灌溉為目的，對其水分需求量進(jìn)行了具體的測定，包括水分梯度的設(shè)定和篩選，利用栓皮櫟1－0苗木生長指標(biāo)(苗高、地徑、生物量)及生理指標(biāo)(葉綠素a、葉綠素b)與苗木需水量之間的相關(guān)模型篩選出最佳水分梯度為60%梯度，作為苗木田間推廣的最優(yōu)水分梯度，并利用GIS建立灌溉區(qū)信息管理模塊，將氣象及土壤類型等因素與苗木需水量結(jié)合起來，使田間灌溉更加準(zhǔn)確，本試驗將為耐旱苗木的灌溉提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

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