蓄水坑灌下不同灌水對新梢旺長期蘋果園SPAC系統(tǒng)水勢影響研究

桑永青，馬娟娟，孫西歡,2，郭向紅，秦 聰，李 波

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運城 044004)

我國是世界上13個貧水國之一，水資源短缺，人均占有水資源約2 200 m3，約為世界人均的1/4[1]。近年來，由于工、農(nóng)業(yè)污染，城市化進(jìn)程加快，地下水過度開采等原因，我國的缺水問題日益凸顯[2]。而水分是決定樹木生存、影響樹木根系分布和生長發(fā)育的重要條件之一，尤其對于干旱半干旱地區(qū)而言，水分因子更是其樹木生存和生長最重要的制約因子[3]。我國是蘋果生產(chǎn)大國，而山西又是我國的蘋果主產(chǎn)區(qū)之一，因此發(fā)展果園節(jié)水灌溉有著巨大的經(jīng)濟價值。

蓄水坑灌法是針對我國北方地區(qū)干旱、水資源短缺和水土流失嚴(yán)重的雙重問題，于1998年由孫西歡教授提出的一種新型的適合山丘區(qū)果林灌溉的新方法。它綜合了穴灌、環(huán)灌、地下灌及滲池灌等灌溉方法的優(yōu)點，是一種中深層的新型立體灌溉方法[4]。水分在土壤-植物-大氣系統(tǒng)(SPAC)中的運動最為活躍，自Philip于1966年提出SPAC系統(tǒng)的概念后，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了許多研究，主要集中在SPAC系統(tǒng)水分運移能力關(guān)系、植物根系吸水、蒸發(fā)蒸騰計算和SPAC水分運動數(shù)值模擬方面。在蓄水坑灌方面，僅馬艷榮等對蘋果樹葉水勢及其影響因子進(jìn)行了研究，而新梢旺長期作為蘋果樹的一個重要生長期，對促進(jìn)蘋果樹果實發(fā)育和花芽形成、提高果實品、增加儲備營養(yǎng)以及保證果樹持續(xù)優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)有重要作用[5]。本文旨在對蘋果園新梢旺長期不同灌水下限及灌溉方式下土壤水勢、莖水勢、葉水勢和大氣水勢等的變化特征進(jìn)行研究，為蓄水坑灌的進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省太谷縣果樹研究所，地理位置為北緯37°23′，東經(jīng)112°32′。該地土壤類型主要為粉沙壤土，土壤平均容重為1.47 g/cm3，田間體積持水率為31%，年平均氣溫9.8 ℃，平均海拔781.9 m，年平均降雨量為459.6 mm，無霜期175 d，因其獨特的土壤和氣候環(huán)境，當(dāng)?shù)胤N植了大量蘋果、梨、桃等果樹，是山西優(yōu)質(zhì)果品基地之一。

1.2 試驗設(shè)計

實驗蘋果樹為7年生三段砧木矮化型紅富士長富二號，選取無病蟲害、樹齡及長勢基本一致的12棵蘋果樹作為試驗用樹，設(shè)4個處理，3個重復(fù)，采用蓄水坑灌和地面灌溉兩種灌溉方式(見表1)。蓄水坑灌的3個處理為：當(dāng)土壤含水量達(dá)到田間持水量的70%開始灌溉，灌至田間持水量的100%(T1)、當(dāng)土壤含水量達(dá)到田間持水量的60%開始灌溉，灌至田間持水量的90%(T2)、當(dāng)土壤含水量達(dá)到田間持水量的50%開始灌溉，灌至田間持水量的80%(T3)；地面灌溉的處理為：當(dāng)土壤含水量達(dá)到田間持水量的70%開始灌溉，灌至田間持水量的100%(D)。每棵樹下設(shè)4個蓄水坑均勻布置于環(huán)狀溝中(東北、東南、西南、西北方向各一個)；環(huán)狀溝內(nèi)徑60 cm，外徑90 cm，深度20 cm。定期用TDR對土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)土壤含水率達(dá)到其灌水下限時對果樹進(jìn)行灌水，灌水至各個標(biāo)準(zhǔn)的上限值。

表1 試驗方案Tab.1 Experiment scheme

1.3 測定項目與方法

1.3.1葉水勢、莖水勢和土壤水勢

葉水勢、莖水勢和土壤水勢均采用美國產(chǎn)HR-33T露點水勢儀測定。莖水勢、葉水勢的測定隨機選取果樹外圍新梢測其莖水勢，并從新梢上摘取3片健康的葉子，測其葉水勢，取平均值；土壤水勢的測定則在距樹干正北(南)75 cm、距地表40 cm處取土(該處的土壤水勢接近果樹根系分布范圍內(nèi)的平均值)。

日變化：在新梢旺長期選擇一個晴天(5月13日)，從7∶00-19∶00測土、莖、葉水勢日變化，每2 h進(jìn)行一次；在灌前、灌后要加測。

清晨水勢變化：定期監(jiān)測清晨7∶00土、莖、葉水勢變化(每周一次)，同樣灌前、灌后要加測。

1.3.2大氣水勢

根據(jù)空氣溫濕度與大氣水勢之間的關(guān)系，由式(1)(單位： MPa)計算：

(1)

式中：R為氣體常數(shù)，8.314 5 J/(mol·K)；T為絕對溫度(273.15 ℃+t℃)；Vω為水的偏摩爾體積(18.00 cm3/mol)；RH為大氣相對濕度，%。

用Adcon_Ws無線自動氣象監(jiān)測站觀測大氣溫度和相對濕度，根據(jù)公式計算出大氣水勢。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

用Microsoft Excel制表和作圖，數(shù)據(jù)處理與分析通過SPSS19.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果園SPAC系統(tǒng)水勢日變化特征

2.1.1土壤水勢的日變化特征

如圖1所示，實驗于5月13日7∶00-17∶00對土壤水勢進(jìn)行了日變化的測定。從圖中可以看出蓄水坑灌的土壤水勢日變化不明顯，幾乎維持在一固定值；地面灌溉的土壤水勢則呈現(xiàn)出先減小，后增大的趨勢。T1處理的土壤水勢近乎定值，日均土壤水勢為-0.09 MPa；T2、T3處理的土壤水勢變化與T1相似，T2處理的日均土壤水勢為-0.10 MPa，略低于T1，T3處理的均值為-0.25 MPa；D處理的土壤水勢從早晨7∶00到11∶00幾乎不變，其水勢維持在-0.30 MPa左右，從11∶00開始逐漸降低，到13：00降到最低值-0.39 MPa，之后開始回升，至15∶00回到早晨的水平，其日均值為-0.33 MPa。其原因是蓄水坑灌進(jìn)行的是中深層立體灌溉，可誘導(dǎo)樹木根系逐漸向深處生長，進(jìn)而改善中深層土壤的通透性，有效減小地表蒸發(fā)[6]，而地面灌是傳統(tǒng)的畦灌，蒸發(fā)量大，故相同灌水處理下的T1和D，T1處理的土壤水勢日變化值均高于D處理，即便是灌水量低于D處理的T2、T3，它們的土壤水勢也高于D處理，可見蓄水坑灌的保水優(yōu)越性；蓄水坑灌的3個處理中，T1、T2處理的水勢相近，均高于T3，但T1處理的用水量高于T2，故T2可視為最適灌水上下限，即當(dāng)土壤含水量達(dá)到田間持水量的60%開始灌溉，灌至田間持水量的90%。

圖1 不同處理土壤水勢日變化Fig.1Daily variation of soil water potential in different processing

2.1.2莖、葉水勢日變化特征

試驗選取蓄水坑灌3個不同灌水下限T1、T2、T3的蘋果樹三株，在新梢旺長期對其葉、莖水勢進(jìn)行了日變化測定。結(jié)果表明，蓄水坑灌下不同灌水下限的葉、莖水勢在新梢旺長期的日變化特征大致相同，如圖2所示。T1、T2、T3三個處理的蘋果樹葉、莖水勢日變化均表現(xiàn)為先減小后增大。葉水勢和莖水勢均是清晨7∶00左右出現(xiàn)最高值，之后葉水勢開始下降，而莖水勢在7∶00-9∶00之間下降不明顯，9∶00之后開始明顯下降，莖水勢出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象；葉、莖水勢均是中午13∶00-15∶00左右降到最低值，而后逐漸回升，且都沒達(dá)到清晨時的水平。其主要原因是清晨氣溫低，空氣濕度大，光照強度弱，故其水勢最高，之后溫度漸升，光照變強，而空氣濕度則變小，水勢變低，中午前后達(dá)到最低值；午后隨著光照的減弱，氣溫的降低，蒸騰速率減小，大氣相對濕度開始回升，葉、莖水勢開始回升。T1、T2、T3的葉、莖水勢均值分別為-1.78和-1.39 MPa、-1.76和-1.36 MPa、-1.89和-1.86 MPa，莖、葉水勢差分別為0.39、0.40、0.03 MPa，可以看出T1、T2處理的葉、莖水勢和莖葉水勢差均相近，且均高于T3處理，T2處理比T1處理省水，同樣，T2可視為最適灌水上下限。

圖2 蓄水坑灌下葉、莖水勢日變化Fig.2 Daily variation of leaf and stem water potential in water storage pit irrigation

對比不同灌溉方式下葉、莖水勢日變化可以發(fā)現(xiàn)蓄水坑灌的葉、莖水勢明顯高于地面灌，蓄水坑灌的葉、莖水勢值分別為-1.78、-1.39 MPa，地面灌的則為-1.92、-1.90 MPa，且蓄水坑灌的莖、葉水勢差高于地面灌；蓄水坑灌的葉、莖水勢日變化形似“V”形，有一個最低點，而地面灌的則為“W”形，有兩個最低點，如圖3所示。研究表明，蓄水坑灌下的土壤含水量增量主要集中在40～160 cm的深度范圍內(nèi)[7]，地面灌則主要集中在0～80 cm的深度范圍內(nèi)，而果樹主要根系活動層為20～120 cm[8]，蓄水坑灌方式下的灌水更利于蘋果樹吸收，所以蓄水坑灌的葉、莖水勢均高于地面灌；地面灌水分相對虧缺，中午前后果樹為了減小蒸騰耗水，通過自身的生理調(diào)節(jié)使葉片的氣孔部分關(guān)閉，水勢短暫升高[9]，使其水勢變化呈現(xiàn)“W”形。

圖3 不同灌溉方式下葉、莖水勢日變化Fig.3Daily variation of leaf and stem water potential with different irrigation methods

2.1.3大氣水勢日變化特征

利用自動氣象站連續(xù)觀測得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算求出大氣水勢，其存在明顯的日變化特征，如圖4所示。大氣水勢的日變化最高點出現(xiàn)在7∶00左右，其值為-88.32 MPa，之后開始緩慢降低，到17∶00左右降至一天中的最低點，約為-215.24 MPa，19∶00-21∶00迅速升高到-112.06 MPa，之后緩慢升到一天中的最高值。主要原因是大氣水勢與空氣溫度負(fù)相關(guān)，與空氣濕度正相關(guān)。6∶00-7∶00日出，以后空氣溫度開始從最低點逐漸升高，于15∶00前后達(dá)到最大值，之后下降；空氣相對濕度的日變化特征與溫度相反。

圖4 大氣水勢日變化Fig.4 Daily variation of atmosphere water potential

2.2 蘋果園SPAC系統(tǒng)清晨水勢變化特征

2.2.1土壤水勢清晨變化特征

從圖5中可以看出T1和T2處理的土壤水勢最高，其新梢旺長期的均值分別為-0.10和-0.11 MPa；T3處理的水勢低一些，其均值為-0.20 MPa。但所有蓄水坑灌的土壤水勢均高于對照處理的地面灌溉D(D為-0.27 MPa)。其主要原因是土壤水勢所測點在距地面40 cm處，蓄水坑灌進(jìn)行的中深層的立體灌溉，地面40 cm處的土壤水分較多；而地面灌溉進(jìn)行的是傳統(tǒng)的畦灌，同樣的灌水量下距地面40 cm處的土壤含水量沒有蓄水坑灌的多?？梢?，蓄水坑灌具有保水和抗旱的優(yōu)點，減小地面蒸發(fā)。在整個新梢旺長期內(nèi)，各處理的土壤水勢有高有低，變化不大，總體上略微有所降低，主要原因是這一時期的降雨量少，不足40 mm(該地區(qū)的降雨主要集中在7、8、9月份)，且溫度高，蒸發(fā)量大，再加上隨著新梢旺長期的完成，果樹樹葉變大，蒸騰也變大，耗水量增加。T1處理的土壤水勢跟T2處理的相當(dāng)，但T1處理的灌水量明顯比T2大，同樣表明T2處理可視為最適灌水上下限。

圖5 土壤水勢清晨水勢變化Fig.5 Variation of soil water potential in the early morning

2.2.2莖、葉水勢清晨變化特征

從圖6可以看出，莖水勢清晨變化與葉水勢清晨變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為隨著新梢旺長期的進(jìn)行，莖、葉水勢清晨逐漸升高，主要原因是隨著新梢旺長期的進(jìn)行，莖、葉逐漸趨于成熟，它們的吸水能力逐漸增強，故其水勢逐漸升高；其中5月10日有一次降雨，所以5月13日的莖、葉水勢升高值略大，5月18日對T3進(jìn)行了一次灌水，故5月20日T3處理高于T1、T2?？傮w上莖水勢、葉水勢均呈現(xiàn)T1>T2>T3>D，且T1、T2差異不大。同樣表明蓄水坑灌要優(yōu)于地面灌溉，T2處理為最適灌水上下限。

圖6 不同處理下葉、莖水勢清晨變化Fig.6Variation of leaf and stem water potential in different processing

2.2.3大氣水勢清晨變化特征

從圖7可看出大氣水勢清晨變化無明顯特征性。這一現(xiàn)象表明：大氣水勢的變化受多種氣象因素的綜合影響，呈現(xiàn)出較大的不穩(wěn)定性，這與徐軍亮[10]的“油松人工林SPAC水勢梯度的時空變異”一文中關(guān)于大氣水勢清晨的結(jié)論一致。

圖7 大氣水勢清晨變化Fig.7Variation of atmosphere water potential in the early morning

2.3 蘋果園SPAC系統(tǒng)水勢梯度及其特征

土壤-植物-大氣系統(tǒng)水勢梯度決定了SPAC系統(tǒng)水流運移方向和速率，在SPAC系統(tǒng)內(nèi)部，水流在傳輸?shù)拿總€環(huán)節(jié)均有明顯的水勢梯度。從表2中可以看出，SPAC系統(tǒng)水勢梯度土壤-葉片的日變化呈現(xiàn)早晚低、中午前后高的明顯趨勢，與大氣水勢、莖葉水勢變化特征相反，主要原因是中午蒸騰作用強，需水量大，植物通過增高水勢梯度來提高水分傳輸；而土壤-大氣、葉片-大氣的水勢梯度日變化則呈增加趨勢，主要是由于該時段內(nèi)大氣水勢一直在下降。各水勢梯度變化為從葉片到大氣的水勢梯度遠(yuǎn)大于從土壤到葉片的水勢梯度，一般高1～2個數(shù)量級，說明水分從葉片到大氣需克服的阻力遠(yuǎn)大于從土壤到植物的阻力。各處理土壤-大氣與葉片-大氣的水勢梯度主要由大氣水勢決定，數(shù)值較大，差異不明顯。土壤-葉片的水勢梯度早晨和傍晚差異不明顯；而在13∶00時，T2處理的水勢梯度為2.22 MPa，高于T1、T3以及D處理的2.09、2.08、1.72 MPa，且T2處理的日均值與T1處理相近，高于T3和D處理。

表2 SPAC系統(tǒng)水勢梯度日變化 MPa

從表3中同樣可以看出在SPAC系統(tǒng)清晨水勢梯度中，葉片到大氣的水勢梯度遠(yuǎn)大于土壤到葉片的水勢梯度，其中5月27日的各梯度突然變小，主要是因為當(dāng)天早晨的空氣相對濕度大，大氣水勢高所致。可以看出土壤-葉片的新梢旺長期水勢梯度均值各處理分別為1.03、1.10、0.38、1.01 MPa，呈現(xiàn)出T2>T1>D>T3；隨著新梢旺長期的進(jìn)行，各處理土壤-葉片的水勢梯度逐漸變小，主要原因是隨著新梢生長的完成，蘋果樹生長變慢，需水量逐漸減小，所以水勢梯度變小。

表3 SPAC系統(tǒng)清晨水勢梯度變化 MPa

以上討論可以表明蓄水坑灌優(yōu)于地面灌溉，T2處理可作為新梢旺長期的最優(yōu)灌水上下限指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。

3 結(jié) 論

(1)蘋果園SPAC系統(tǒng)水勢日變化特征中莖水勢、葉水勢和大氣水勢變化趨勢相同，均呈現(xiàn)先減小后增大的變化特征，而土壤水勢則變化不明顯。

(2)蘋果園SPAC系統(tǒng)清晨水勢變化特征中莖水勢和葉水勢變化特征相似，均表現(xiàn)為隨著新梢旺長期的進(jìn)行，水勢逐漸升高，土壤水勢變化不明顯，大氣水勢則無明顯特征。

(3)蘋果園SPAC系統(tǒng)葉片到大氣的水勢梯度遠(yuǎn)大于土壤到葉片的水勢梯度，水勢梯度日變化表現(xiàn)為早晚低、中午前后高的明顯趨勢，清晨水勢梯度隨著新梢旺長期的進(jìn)行，土壤-葉片的水勢梯度逐漸變小。

(4)不論是蘋果園SPAC系統(tǒng)水勢日變化、清晨水勢變化還是水勢梯度變化均呈現(xiàn)T1、T2處理的水勢相近，高于T3處理，同樣灌水上下限的T1處理的水勢高于D處理，故蓄水坑灌優(yōu)于地面灌溉，且T2處理可作為新梢旺長期的最優(yōu)灌水上下限。

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