干旱區(qū)棗樹莖流速率變化特征及其與氣象因素的關系

李 宏，劉 幫，孫明森,程 平，張志剛，刁 凱，李長城,韓瑩瑩，黎 歡，武 鈺，王真真,苗乾乾

(1.新疆林業(yè)科學院，新疆 烏魯木齊 830000； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學 林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆師范大學，新疆 烏魯木齊 830054; 4.新疆林業(yè)廳，新疆 烏魯木齊 830000)

干旱區(qū)棗樹莖流速率變化特征及其與氣象因素的關系

李 宏1，劉 幫2，孫明森2,程 平1，張志剛2，刁 凱2，李長城2,
韓瑩瑩3，黎 歡4，武 鈺3，王真真2,苗乾乾2

(1.新疆林業(yè)科學院，新疆 烏魯木齊 830000； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學 林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆師范大學，新疆 烏魯木齊 830054; 4.新疆林業(yè)廳，新疆 烏魯木齊 830000)

采用包裹式莖流計持續(xù)測定棗樹莖流速率，并結(jié)合HOBO小氣候儀同步獲取太陽輻射強度、溫度、空氣相對濕度以及風速等氣象數(shù)據(jù)，研究不同天氣條件下棗樹莖流速率的變化規(guī)律及其與氣象因素之間的關系。結(jié)果表明：棗樹莖流連續(xù)日變化呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性,白天的莖流速率明顯大于晚上。莖流速率日變化曲線晴天為典型的寬型單峰曲線，陰雨天為不規(guī)則的多峰曲線。2種天氣條件下，棗樹日累積莖流量變化過程均呈現(xiàn)明顯的“S”形曲線,且晴天的日累積莖流量明顯高于陰雨天。棗樹莖流速率與氣象因子關系密切，2種天氣條件下，莖流速率與太陽輻射強度相關性最強，與風速相關性最弱，利用多元回歸的方法建立棗樹莖流速率與氣象因素的相關性回歸模型，經(jīng)過回歸系數(shù)和相關系數(shù)檢驗，晴天回歸系數(shù)為0.901，陰雨天為0.803,均達到極顯著水平。

干旱區(qū)； 棗樹； 莖流速率； 氣象因素

阿克蘇溫宿縣地處塔里木盆地的邊緣，自然環(huán)境干旱少雨，水資源短缺一直以來困擾著當?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。近年來，紅棗種植業(yè)逐漸成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，而水資源短缺日益凸顯，為了更加合理地利用水資源，減少不必要的水資源浪費，研究紅棗的節(jié)水灌溉技術(shù)及蒸騰耗水規(guī)律具有現(xiàn)實意義。

植物耗水主要通過蒸騰作用。相關研究表明，植物蒸騰耗水占整個蒸散耗水量80%以上，而植物根部吸收水分的99%用于蒸騰作用[1]，因此，了解紅棗植株的莖流變化是掌握植株蒸騰耗水的前提。國內(nèi)外測定作物蒸騰量一般采用葉室法、快速稱質(zhì)量法、傷流法、大型蒸滲儀法以及盆栽試驗等，但上述方法不僅操作復雜，很難持續(xù)觀測植株蒸騰量變化，而且改變了農(nóng)田小氣候及作物生長發(fā)育情況，代表性差。隨著莖流計的發(fā)明和改進，目前國內(nèi)外測定植物蒸騰耗水的方法主要是采用基于熱技術(shù)法的莖流計，而包裹式莖流計是運用莖熱平衡原理，通過測量樹液流動時產(chǎn)生的熱量變化，從而確定植物莖流和植物水分消耗[2-3]，此方法不僅可以實時測量植物莖流變化，直接得到蒸騰耗水讀數(shù)，而且不改變農(nóng)田小氣候，對植物本身無傷害。目前,國內(nèi)外學者運用莖熱平衡理論在研究植株莖流速率的過程中，側(cè)重于不同樹種在不同條件下樹干莖流速率變化規(guī)律以及莖流和環(huán)境因子的相關關系[4-6]，成果顯著，但大多數(shù)為生態(tài)林，經(jīng)濟林較少；有關紅棗莖流速率的報道較少，僅王文明等[7]、田盼盼等[8]對棗樹莖流情況進行研究。以前人對幼齡棗樹根系分布情況研究結(jié)果[9]為前提，采用美國 Dynamax公司生產(chǎn)的Flow-32包裹式莖流計測定棗樹莖流速率，并同步獲取氣象數(shù)據(jù)，分析棗樹莖流速率的變化規(guī)律及其與氣象因素之間的關系，為紅棗合理灌溉提供必要的理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在新疆阿克蘇溫宿縣的新疆林業(yè)科學院佳木試驗站進行,地理位置為東經(jīng)80°32′、北緯41°15′，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，光照時間長，四季分明，晝夜溫差大，春季升溫快而不穩(wěn)，常有倒春寒現(xiàn)象發(fā)生，夏季炎熱而干燥，秋季短暫而降溫迅速，干旱少雨，光照充足，空氣干燥；年日照時數(shù) 2 747 h，年平均總輻射量6 000 MJ/m2，平均海拔高度1 103 m；年降水量42.4～94.0 mm，年潛在蒸發(fā)量2 956.3 mm，淺層地下水位3.3 m；年均氣溫為10.1 ℃，極端最高氣溫為38.1 ℃，極端最低氣溫為-27.0 ℃，≥10 ℃積溫2 916.8～3 198.6 ℃，無霜期195 d；土壤類型為砂壤土，土壤砂粒(0.020～2.000 mm)含量為81.32%，粉粒(0.002～0.020 mm)含量為5.76%，黏粒(<0.002 mm)含量為12.92%，具體試驗地土壤理化性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 試驗地土壤的主要理化性質(zhì)

深度/cm土壤質(zhì)地容重/(g/cm3)最大持水量/%有機質(zhì)含量/(g/kg)全N含量/(g/kg)pH0～20壤土1.6119.72.250.6728.6720～40砂土1.4024.70.760.5538.6940～60紅黏土1.6127.30.670.3558.7060～80砂土1.4624.40.340.6228.78

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 試驗于2013年5月至9月進行。棗園棗樹品種為灰棗，林地屬于幼齡，樹齡均為4 a，株行距為1 m×4 m，根據(jù)實地條件，在園內(nèi)選取樣地面積為10 m×10 m，根據(jù)包裹式莖流計傳感器的操作要求選擇主干通直且符合傳感器規(guī)格的3株健康棗樹[地徑(3.00±0.30) cm，生長良好且無病蟲害]作為試驗對象，樣樹的主要參數(shù)如表2，樣樹距離地面10 cm處平均地徑為3.19 cm,平均株高為1.85 m,平均冠幅為1.36 m。傳感器安裝前，把安裝部位的死亡組織、脫落表皮等除去,避免因操作不當造成樣樹活表皮受損傷，影響棗樹正常生長，進而影響莖流速率測定的準確性，并用細砂紙將其打磨光滑，然后用游標卡尺測定包裹傳感器處的直徑。經(jīng)反復測定，包裹傳感器處的平均直徑為3.05 cm，平均莖干面積為7.31 cm2。樣地灌溉方式統(tǒng)一采取滴灌，供水系統(tǒng)采用自制壓力設備，由恒壓水桶和滴頭(16 L/h)組成，每次灌水量為72 L。同時樣地內(nèi)布設Decagon公司生產(chǎn)的ECH2O水分測量探頭及多通道數(shù)據(jù)采集器，通過土壤水分傳感器對土壤的體積含水量進行觀測，當土壤體積含水量下降到12%～15%(田間持水量60%)時進行下一次灌水。為防止樣地外其他作物灌溉對其影響，在樣地四周挖2 m的深溝，用塑料薄膜隔開，并在四周做壟，防止灌溉水滲漏進入樣地。樣地內(nèi)除灌水方式不同外，其余均按照當?shù)亓晳T統(tǒng)一管理。

表2 試驗地樣樹的主要參數(shù)

樣樹地徑/cm株高/m冠幅/m包裹傳感器處直徑/cm13.161.751.432.9723.151.941.283.1333.261.861.373.05平均3.191.851.363.05

1.2.2 莖流速率的測定和莖流累積量的計算 試驗儀器采用美國 Dynamax公司生產(chǎn)的Flow-32包裹式莖流計。根據(jù)樣樹的實際情況，所選樣樹均采用SGB25型號傳感器，按照傳感器的要求對樣樹進行包裹，連接傳感器與數(shù)據(jù)采集器，并通過電腦對數(shù)據(jù)采集器進行程序設定，莖流速率數(shù)據(jù)采集時間間隔為10 min。選擇6月1日—7月31日(6月1日縮寫為06-01，所有日期下同，即06-01—07-31)的試驗數(shù)據(jù)，將采集到的3株樣樹的莖流速率進行平均，得到每隔10 min的莖流速率。然后通過莖流速率計算莖流累積量。

1.2.3 其他因子的測定 樣地內(nèi)安裝HOBO小氣候儀，對棗園的氣象因子進行測定，主要氣象因子包括太陽輻射強度、空氣相對濕度、空氣溫度、風速，數(shù)據(jù)采集時間間隔10 min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2007 和 SPASS 18.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 棗樹莖流速率連續(xù)日變化特征

從圖1可知，棗樹莖流速率連續(xù)日變化呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性,即晴天均為相似的單峰型曲線，如06-20—06-24、06-26—06-27等；陰雨天均為不規(guī)則的多峰曲線，如06-25、07-04等；通過連續(xù)觀察可知，大部分時間內(nèi)晴天莖流速率略大于陰雨天，這是由于外界環(huán)境干旱，且晴天條件下，太陽輻射較強烈，溫度較高，空氣相對濕度較低，植物白天蒸騰作用強烈，因此莖流速率略大；從完整一晝夜來看，白天的莖流速率明顯大于晚上，這是由于晚上太陽輻射很弱，甚至為零，環(huán)境中氣溫較低，空氣相對濕度高,棗樹蒸騰處于停滯狀態(tài)，因此棗樹莖流速率很小甚至為零。正常天氣下，除陰雨天外，莖流啟動后，上升趨勢明顯，并隨著太陽輻射強度的逐漸增加，莖流速率迅速增大，莖流速率峰值出現(xiàn)后，即使太陽輻射強度繼續(xù)增加，莖流速率峰值也不再增大，之后隨著太陽輻射強度減弱直至為零，棗樹莖流速率維持在相對較小的水平，甚至處于停滯狀態(tài)。

圖1 棗樹莖流速率連續(xù)日變化

2.2 棗樹莖流速率日變化特征

不同天氣條件下，植物莖流速率日變化規(guī)律存在差異，在棗樹莖流速率連續(xù)觀測記錄中選取晴天(06-24、07-02、07-03)與陰雨天(07-22、07-23、07-26)2種典型的天氣條件。圖2為典型天氣條件下棗樹莖流速率的日變化情況，2種天氣條件下，棗樹莖流速率均表現(xiàn)出相似的晝夜變化規(guī)律，但莖流速率日變化曲線的趨勢有很大差異。晴天條件下，莖流速率日變化呈現(xiàn)出典型的寬型單峰曲線，早晨莖流啟動后，隨著太陽輻射強度的逐漸增大，溫度增高，植物蒸騰速率加大，植物莖流速率加大，莖流速率最大增幅出現(xiàn)在8：30—9：30，之后莖流速率持續(xù)上升，出現(xiàn)峰值的時間大致在14：00—15：00，峰值為824.50～974.43 g/h，之后隨著太陽輻射強度的減弱,莖流速率也逐漸下降,至20：00(日落)處于相對較低水平至停滯狀態(tài)，并趨于平穩(wěn)。陰雨天,棗樹莖流速率日變化呈現(xiàn)多峰型曲線,由于在陰雨天條件下，太陽輻射強度多變且穩(wěn)定性較差,因此棗樹莖流速率的變化也很不穩(wěn)定,早晨莖流啟動后，隨著時間的推移莖流速率日變化曲線出現(xiàn)不同程度的波動，出現(xiàn)多個峰值且時間各異，但白天莖流速率依舊大于晚上莖流速率，且夜間也存在較小的莖流速率。

從圖3可以看出，晴天(06-24)與陰雨天(07-22)棗樹日累積莖流量變化過程均呈現(xiàn)明顯的“S”形曲線,且晴天的日累積莖流量明顯高于陰雨天。晴天條件下，日累積莖流量的啟動時間大約在7：00，隨后呈直線上升趨勢且速度加快，直至20：30上升速度趨于平緩，24：00日積累莖流量達7.56 L，

圖2 不同天氣條件下棗樹莖流速率的日變化情況

圖3 不同天氣條件下棗樹日累積莖流量的變化

夜間日累積莖流量變化明顯，這是由于試驗區(qū)氣候干旱，植物白天蒸騰作用耗水嚴重，晚上在根壓的作用下，吸收水分來維持自身生理活動需要；而陰雨天，棗樹日累積莖流量變化趨勢與晴天基本一致,但曲線增加速率相對較小,夜間0：00—7：00，沒有莖流量累積，這是由于經(jīng)過白天的蒸騰，棗樹自身并未出現(xiàn)水分虧缺，不需要補充水分，所以夜間未出現(xiàn)莖流累積現(xiàn)象，陰雨天的日累積莖流量為6.51 L。

2.3 不同天氣條件下氣象因素與莖流速率的關系

相關研究表明，植物的莖流速率不僅與自身生理狀況關系密切，而且受外界環(huán)境因子影響[10-12]。圖4、圖5分別為晴天和陰雨天條件下，棗樹莖流速率與太陽輻射強度、溫度、風速以及空氣相對濕度的日變化曲線。晴天條件下，莖流速率變化趨勢與太陽輻射強度以及溫度基本保持一致(圖4a、b)，均呈現(xiàn)明顯的單峰曲線且正相關性顯著，空氣相對濕度變化雖然也呈現(xiàn)明顯的單峰曲線(圖4d)，但是變化趨勢與莖流速率相反，兩者呈負相關性，風速變化規(guī)律性較差(圖4c)，即棗樹莖流啟動后，隨著太陽輻射強度的增加，溫度開始增高，空氣相對濕度卻逐漸降低，棗樹蒸騰作用逐漸增大，亦莖流速率增大，反之，隨著太陽輻射強度的減小，溫度開始降低，空氣相對濕度卻逐漸增大，棗樹蒸騰作用逐漸減小，莖流速率降低；莖流速率與太陽輻射強度出現(xiàn)峰值的時間大致相同，為14：00—15：00，溫度峰值出現(xiàn)時間稍晚，為15：30—18：00。陰雨天條件下，由于天氣變化頻繁，太陽輻射強度較低且波動性明顯，雖然莖流速率與太陽輻射強度曲線趨勢大致相同，但均是多峰不規(guī)則曲線(圖5a)，且相對于晴天條件下，正相關性不顯著，白天空氣相對濕度和風速均明顯高于晴天(圖5c、d)，說明陰雨天條件下，空氣相對濕度與風速對莖流速率產(chǎn)生了影響。

圖4 晴天條件下棗樹莖流速率與氣象因素的日變化

圖5 陰雨天條件下棗樹莖流速率與氣象因素的日變化

本研究利用2種天氣條件下太陽輻射強度、溫度、空氣相對濕度以及風速等4個氣象因子與莖流速率進行相關分析，結(jié)果顯示(表3)，晴天條件下其相關系數(shù)分別為0.943、0.760、-0.756和0.660，陰雨天條件下相關系數(shù)分別為0.879、0.638、-0.448和0.368；2種天氣條件下，莖流速率與太陽輻射強度相關性最強，與風速相關性最弱。利用多元回歸的方法建立棗樹莖流速率和氣象因素的相關性回歸模型，得到多元回歸方程(表4)，經(jīng)過回歸系數(shù)和相關系數(shù)檢驗，回歸系數(shù)均達到極顯著水平，說明棗樹莖流速率受太陽輻射強度、溫度、空氣相對濕度以及風速等4個氣象因子共同作用。通過相關性回歸模型的建立，可以利用環(huán)境因子對滴灌條件下棗樹莖流速率變化情況進行預測，進而為滴灌方式下棗樹的合理灌溉提供一定的理論基礎。

表3 棗樹莖流速率和氣象因素的相關系數(shù)

天氣太陽輻射強度溫度空氣相對濕度風速晴天0.943**0.760**-0.756**0.660**陰雨天0.879**0.638**-0.448**0.368**

注：n=145; **表示P<0.01。

表4 棗樹莖流速率和氣象因素的多元回歸模型

天氣回歸方程R2晴天F=100.692+0.796X1+181.320X2+0.941X3-0.939X40.901**陰雨天F=-840.179+0.608X1+143.068X2+27.674X3+5.045X40.803**

注：F為莖流速率，X1為太陽輻射強度，X2為風速，X3為溫度，X4為空氣相對濕度。

3 結(jié)論與討論

植物莖流速率連續(xù)日變化具有明顯的規(guī)律性，烏日娜等[13]、李思靜等[4]、郭樹江等[14]在研究過程中也都得出相同的結(jié)論。棗樹莖流速率晝夜變化規(guī)律性明顯，白天的莖流速率明顯大于晚上，這是由于晚上環(huán)境中氣溫較低、空氣相對濕度高,棗樹蒸騰處于停滯狀態(tài)。不同天氣條件下植物莖流速率日變化特征存在差異，田盼盼等[8]、南慶偉等[15]也得出一致的結(jié)論，棗樹莖流速率日變化晴天均呈現(xiàn)出典型的寬型單峰曲線，陰雨天均為不規(guī)則的多峰曲線，且晴天莖流速率略大于陰雨天；棗樹日累積莖流量變化均呈現(xiàn)明顯的“S”形曲線,且晴天的日累積莖流量明顯高于陰雨天，晴天日累積莖流量為7.56L，陰雨天日累積莖流量為6.51L；植物莖流速率不僅與自身生理特性有關，還與環(huán)境因子關系密切，不同天氣條件下植物莖流速率與氣象因子關系也存在異同[16-18]，晴天條件下，莖流速率變化趨勢與太陽輻射強度以及溫度基本保持一致，均呈現(xiàn)明顯的單峰曲線且正相關性顯著，與空氣相對濕度變化趨勢相反，陰雨天條件下，由于天氣變化頻繁，太陽輻射強度較低且波動性明顯，雖然莖流速率與太陽輻射強度曲線趨勢大致相同，但均是多峰不規(guī)則曲線，且相對于晴天條件下，正相關性不顯著；用太陽輻射強度、溫度、空氣相對濕度以及風速等4個氣象因子與莖流速率進行相關分析，2種天氣條件下，莖流速率與太陽輻射強度相關性最強，晴天、陰雨天相關系數(shù)分別為0.943、0.879，利用多元回歸的方法建立棗樹莖流速率和氣象因素的相關性回歸模型，得到多元回歸方程，經(jīng)過回歸系數(shù)和相關系數(shù)檢驗，回歸系數(shù)均達到極顯著水平。

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Change Features of Jujube Stem Flow Rate and Its Relationship with Meteorological Factors in Arid Area

LI Hong1,LIU Bang2,SUN Mingsen2,CHENG Ping1,ZHANG Zhigang2,DIAO Kai2,LI Changcheng2,HAN Yingying3,LI Huan4,WU Yu3,WANG Zhenzhen2,MIAO Qianqian2

(1.Xinjiang Academy of Forestry Sciences,Urumqi 830000,China;2.Forestry and Horticulture College,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;3.Xinjiang Normal University,Urumqi 830054,China; 4.Xinjiang Forestry Department,Urumqi 830000,China)

The package type stem flow meter was used for continuous determination of the jujube tree stem flow rate,and the HOBO microclimate meter synchronously determined the solar radiation,temperature,air humidity and wind speed and other meteorological data,so as to study the change rule of jujube tree stem flow rate under different weather conditions and its relationship with the meteorological factors.The results indicated that jujube stem flow consecutive diurnal variation showed significant regularity,day sap flow rate was significantly greater than that in the evening;stem flow diurnal variation curve in sunny day was the typical wide single peak curve,in rainy days was irregular multimodal curve;under two weather conditions,the change of day cumulative sap flow rate of jujube showed a significant “S” shaped curve,and the stem flow accumulation was significantly higher in sunny day than that in rainy days;under two weather conditions,the relationship between jujube stem flow rate and the meteorological factors was close,stem flow rate had the strongest correlation with solar radiation and the weak correlation with wind speed,using multiple regression method to establish the correlation regression model of jujube stem flow rate and meteorological factors,the regression coefficient was 0.901 in sunny day,and 0.803 in rainy day,which all reached significant level.

arid areas; jujube; stem flow rate; meteorological factors

2015-06-29

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201304701-2)

李 宏(1962-)，男，新疆伊犁人，研究員，主要從事森林培育方面的研究。E-mail:hong1962@126.com

S665.1

A

1004-3268(2016)02-0098-06