蓄水坑灌下蘋(píng)果樹(shù)莖流速率日變化及其影響因子的研究

張亞雄，孫西歡,2，馬娟娟，郭向紅，安江龍，李 蕊

(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(yùn)城 044004)

植物根系從土壤中吸收的水分通過(guò)樹(shù)干莖流進(jìn)入葉片，其中99.8%以上通過(guò)蒸騰作用進(jìn)入大氣[1]，樹(shù)干莖流就是植株在進(jìn)行蒸騰作用的過(guò)程中體內(nèi)一股上升的液流，因此植株蒸騰耗水量的大小受莖流量大小的影響較大[2]。準(zhǔn)確地測(cè)定植物蒸騰耗水規(guī)律及其影響因素，對(duì)合理利用現(xiàn)有水資源，提高水分利用效率，對(duì)節(jié)水灌溉的研究與發(fā)展具有非常重要的實(shí)踐意義[3]。通過(guò)測(cè)算莖流速率來(lái)得出莖流量進(jìn)而得出植株的蒸騰耗水量，許多學(xué)者對(duì)莖流速率在不同天氣下的周、日變化特征[4]，不同植株在莖流速率特性方面的個(gè)體差異[5]，甚至測(cè)定不同灌水方式下果樹(shù)莖流速率的狀況[6]和不同濕潤(rùn)模式下果樹(shù)莖流速率的狀況[7]，以及對(duì)同一植株上不同部位莖流速率的分布變化特征[8]等進(jìn)行了大量研究，但有關(guān)水勢(shì)與莖流速率的研究較少。蓄水坑灌關(guān)于蒸騰作用的研究主要集中在葉片蒸騰，利用莖流速率表征蒸騰作用的較少，李波等[9]通過(guò)水量平衡法來(lái)研究蘋(píng)果樹(shù)的耗水特性，王穎苗等[10]研究了蘋(píng)果樹(shù)葉片的蒸騰特性。本文通過(guò)研究莖流速率日變化規(guī)律來(lái)反映蓄水坑灌條件下蘋(píng)果樹(shù)蒸騰耗水特性并闡明土-葉水勢(shì)與莖流速率的關(guān)系。

目前對(duì)植物莖流速率的測(cè)定大多采用熱技術(shù)法，主要包括熱平衡、熱脈沖、熱擴(kuò)散等[11]，這些方法不僅操作方便，還能進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，而且對(duì)植物自然生長(zhǎng)狀態(tài)的干擾也比較小。其中，熱擴(kuò)散法能夠精確地測(cè)算出樹(shù)干中上升的液流量從而確定植株的蒸騰損耗，采用該種方法可以在保持樹(shù)木正常生長(zhǎng)的情況下對(duì)樹(shù)干莖流進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，并且易于野外操作及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)下載。因此，本試驗(yàn)采用熱擴(kuò)散(TDP)插針式植物莖流計(jì)對(duì)蘋(píng)果樹(shù)莖流日變化規(guī)律及其與水勢(shì)以及氣象因子的關(guān)系進(jìn)行研究，旨在了解當(dāng)?shù)靥O(píng)果樹(shù)水分利用規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)果園合理灌溉。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年4-10月進(jìn)行田間數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)地在山西省農(nóng)科院果樹(shù)研究所，位于山西省太谷縣西南部，地處東經(jīng)112°32′，北緯37°23′，年平均氣溫9.8 ℃，海拔約800 m，平均降雨量大約463 mm，無(wú)霜期175 d，2015年降雨量為386.3 mm。屬于典型的暖溫帶季風(fēng)影響下大陸性半干旱氣候。土壤以壤土為主，土壤物理參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)區(qū)為南北向，蘋(píng)果樹(shù)種植規(guī)格為4 m×2 m，灌溉水源為地下水，試材為7 a生長(zhǎng)富二號(hào)矮砧蘋(píng)果樹(shù)。

表1 土壤物理參數(shù)Tab.1 The soil physical parameters

1.2 試驗(yàn)方案

選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致且良好的蘋(píng)果樹(shù)，采用蓄水坑灌及地面灌溉2種灌溉方式，蓄水坑灌處理下每棵樹(shù)周?chē)?個(gè)蓄水坑，坑深40 cm。蓄水坑灌處理1：灌水上、下限為田間持水量的100%與70%，處理2：灌水上、下限為田間持水量的90%與60%，處理3：灌水上、下限為田間持水量的80%與50%，處理4：地面灌溉。定期監(jiān)測(cè)土壤含水率，當(dāng)土壤含水率達(dá)到其灌水下限時(shí)進(jìn)行灌水至上限。試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 不同處理試驗(yàn)方案 L/株

1.3 測(cè)量項(xiàng)目與方法

水勢(shì)采用露點(diǎn)水勢(shì)儀進(jìn)行測(cè)量，莖流速率采用TDP插針式植物莖流計(jì)進(jìn)行測(cè)量，每半小時(shí)自動(dòng)采集一次；氣象因子采用Adcon-Ws無(wú)線自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每15 min自動(dòng)采集一次，監(jiān)測(cè)的指標(biāo)包括輻射強(qiáng)度、相對(duì)濕度、溫度、土壤溫度及風(fēng)速等。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS進(jìn)行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蓄水坑灌下蘋(píng)果樹(shù)莖流速率日變化

由于在陰天樹(shù)干莖流更多受根系活力、土壤墑情等氣象因子的影響而灌溉對(duì)其影響較小，莖流曲線呈多峰無(wú)規(guī)律變化[12-14]。因此選擇不同生育期的典型晴天來(lái)分析莖流速率日變化規(guī)律，見(jiàn)圖1，其中5月20日處于萌芽花期，6月19日與7月4日處于新梢旺長(zhǎng)期，8月10日、9月3日處于果實(shí)膨大期，10月3日處于成熟期。

由圖1可知，各生育期莖流速率日變化規(guī)律基本一致，均為早上7∶30左右液流開(kāi)始啟動(dòng)，10∶30左右達(dá)到峰值，10∶30-13∶30下降速度較快，13∶00以后到18∶00左右保持一個(gè)相對(duì)平緩的下降趨勢(shì)，然后下降速度又加快，到23∶00左右降到最低值，可以看出蓄水坑灌條件下蘋(píng)果樹(shù)不會(huì)出現(xiàn)明顯的午休現(xiàn)象，這就使得蒸騰速率處于一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)干莖流日變化規(guī)律大致呈“幾”字形，這是由于植物蒸騰水分主要通過(guò)氣孔散失，而太陽(yáng)輻射和大氣溫度對(duì)氣孔的開(kāi)閉有較大的影響[15]，上午隨著太陽(yáng)輻射和大氣溫度的上升，蘋(píng)果樹(shù)的蒸騰也逐漸增大；在中午時(shí)會(huì)出現(xiàn)一段降低稍微平穩(wěn)的過(guò)程，因?yàn)樵谶@段時(shí)間太陽(yáng)輻射和氣溫較高，當(dāng)其根系吸水無(wú)法持續(xù)滿足蒸騰失水時(shí)，部分葉片氣孔暫時(shí)關(guān)閉或縮小，葉片蒸騰速率隨之變化，將樹(shù)干莖流速率穩(wěn)定地調(diào)節(jié)在足以維系正常生命活動(dòng)的水平上，避免過(guò)度失水，進(jìn)而影響到植物蒸騰；到了下午，太陽(yáng)輻射和氣溫有所降低，蘋(píng)果樹(shù)莖流速率也呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在夜間樹(shù)干液流接近于零但是不為零，這可能是由于白天太陽(yáng)輻射和大氣溫度等都較大，導(dǎo)致蘋(píng)果樹(shù)白天耗水強(qiáng)度大，使樹(shù)體內(nèi)各部分組織的水容儲(chǔ)水被釋放出來(lái)，到了夜晚，根系需要通過(guò)吸水來(lái)恢復(fù)根系、樹(shù)干及枝葉的水勢(shì)梯度。

圖1 各生育期莖流速率日變化規(guī)律Fig.1 Variation of stem flow rate of apple tree of growth period

為了進(jìn)一步說(shuō)明不同灌水處理下莖流速率的差異，通過(guò)SPSS對(duì)莖流速率的日平均值作單因素方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

處理1是蓄水坑灌充分灌溉，處理2和處理3均為非充分灌溉，因此莖流速率在各生育期均表現(xiàn)為處理1最大，處理3最小。由表3得出各生育期內(nèi)蓄水坑灌處理2與地面灌溉處理4沒(méi)有顯著性差異。通過(guò)比較可知新梢旺長(zhǎng)期的莖流速率大于其他生育期，新梢旺長(zhǎng)期內(nèi)7月4日的最大，這是由于7月份屬于新梢旺長(zhǎng)中后期，果樹(shù)的各項(xiàng)生理指標(biāo)都處于一個(gè)快速生長(zhǎng)的狀態(tài)，需要根系從土壤中吸收更多的水分和養(yǎng)分，這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)樹(shù)干莖流運(yùn)送到植物的各個(gè)部位，還有影響因子太陽(yáng)輻射、大氣溫度等的值較大。果實(shí)膨大期內(nèi)莖流速率是逐漸減小的，但整體的日變化趨勢(shì)是一樣的，這期間主要還是氣象因子的影響程度的減弱使得莖流速率減小。在10月份所有處理都不灌水，莖流速率整體較9月份再次減小。

表3 不同灌水處理下蘋(píng)果樹(shù)日平均莖流速率的差異性分析 cm/s

注：同一列數(shù)據(jù)后大寫(xiě)和小寫(xiě)字母分別表示達(dá)到0.01和0.05的顯著性差異。

2.2 莖流速率日變化與葉水勢(shì)的關(guān)系

對(duì)蓄水坑灌不同灌水處理與地面灌溉處理下的葉水勢(shì)與莖流速率進(jìn)行同步測(cè)定，得出兩者的變化規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 莖流速率日變化與葉水勢(shì)的關(guān)系Fig.2 The relationship of stem flow rate change and leaf water potential 注：實(shí)線表示莖流速率，虛線表示葉水勢(shì)。

由圖2可以看出，所有灌水處理下，蘋(píng)果樹(shù)的莖流速率日變化規(guī)律是先增大后減小，而葉水勢(shì)是先減小后增大，兩者呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。7∶00-9∶00葉水勢(shì)下降速度較慢，9∶00-11∶00下降速度加快，到了13∶00左右降到一天中的最低值，這是由于7∶00開(kāi)始蘋(píng)果樹(shù)逐漸開(kāi)始蒸騰耗水，隨著太陽(yáng)輻射以及氣溫的增高，蒸騰作用逐漸增強(qiáng)，通過(guò)葉片耗水量增加，使得葉水勢(shì)一直在降低。而蘋(píng)果樹(shù)為了彌補(bǔ)自身的水分虧缺，就會(huì)從土壤中吸收大量的水分，所以莖流速率是增長(zhǎng)的趨勢(shì)。中午過(guò)后，果樹(shù)蒸騰作用逐漸減弱，因此莖流速率逐漸減小，從而耗水量逐漸減小，所以葉水勢(shì)又逐漸增大。

2.3 莖流速率日變化與土水勢(shì)的關(guān)系

由圖3可以看出，各不同灌水處理下一天內(nèi)土水勢(shì)基本處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，土水勢(shì)反映的是土壤含水量，變化幅度比較小，在13∶00左右處于一天中的最低值，這是由于果樹(shù)開(kāi)始進(jìn)行蒸騰作用，消耗掉自身大量的水分，這就需要從土壤中吸收水分來(lái)彌補(bǔ)，莖流速率會(huì)逐漸增大。中午過(guò)后，莖流速率開(kāi)始變小，對(duì)土壤中水分的消耗隨之變小，所以土水勢(shì)基本保持一個(gè)較小的變化。

圖3 莖流速率日變化與土水勢(shì)的關(guān)系Fig.3 The relationship of stem flow rate change and soil water potential 注：實(shí)線表示莖流速率，虛線表示土水勢(shì)。

2.4 莖流速率日變化與土-葉水勢(shì)梯度的關(guān)系

由圖4可以看出，水勢(shì)梯度和莖流速率的變化規(guī)律都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。11∶00左右莖流速率達(dá)到最大值，此后開(kāi)始減小，但到13∶00左右仍然保持一個(gè)較大的速率。由于這一時(shí)段葉水勢(shì)仍然在不斷減小，而土水勢(shì)基本保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，在土壤和葉片間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)水勢(shì)梯度，因此11∶00-13∶00這一時(shí)間段水勢(shì)梯度仍然在增大，直到13∶00左右達(dá)到最大值。由于在莖流速率達(dá)到峰值后，蘋(píng)果樹(shù)為了補(bǔ)償自身的水分虧缺，通過(guò)降低葉水勢(shì)以增大土水勢(shì)與葉水勢(shì)之間的水勢(shì)差，進(jìn)而從土壤中吸收大量的水分，所以13∶00左右葉水勢(shì)達(dá)到最小值，水勢(shì)梯度達(dá)到最大。然后葉水勢(shì)逐漸增大，水勢(shì)梯度逐漸減小。

圖4 莖流速率日變化與土-葉水勢(shì)梯度的關(guān)系Fig.4 The relationship of stem flow rate change and soil-leaf water potential gradient 注：實(shí)線表示莖流速率，虛線表示水勢(shì)梯度。

從表4中可以得出，4種灌水處理下，兩者呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。但處理2水勢(shì)梯度與莖流速率是顯著相關(guān)的，處理4也表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，而處理1與處理3這2種情況下兩者的相關(guān)性不明顯。通過(guò)回歸分析得出處理2條件下蘋(píng)果樹(shù)莖流速率與土-葉水勢(shì)梯度的回歸方程如下：

F=0.000 411 Δψ-0.000 19 (R=0.933 8，p<0.01)

式中：Δψ為水勢(shì)梯度，MPa；F為莖流速率，cm/s。

表4 不同灌水處理?xiàng)l件下莖流速率和水勢(shì)梯度的相關(guān)性分析Tab.4 Analysis the correlation of the stem flow rate and water potential gradient under different irrigation treatments

注：**在置信度(雙測(cè))為 0.01 時(shí)，相關(guān)性是顯著的；* 在置信度(雙測(cè))為 0.05 時(shí)，相關(guān)性是顯著的。

2.5 蘋(píng)果樹(shù)莖流速率與氣象因子的關(guān)系

蘋(píng)果樹(shù)莖流速率日變化受多方面因素的影響，除與自身的生理指標(biāo)有關(guān)以外，還會(huì)受到外界氣象因子的影響。為了研究氣象因子對(duì)莖流速率日變化影響的綜合效應(yīng)，以灌水處理2為例進(jìn)行分析，對(duì)莖流速率及氣象因子進(jìn)行同步連續(xù)觀測(cè)。圖5～圖7分別為處理2條件下蘋(píng)果樹(shù)日莖流速率(F)與太陽(yáng)總輻射(Rs)、大氣溫度(Tm)以及大氣相對(duì)濕度(RTh)的關(guān)系。從圖5、圖6中可以看出，蘋(píng)果樹(shù)日莖流速率分別隨著太陽(yáng)輻射和大氣溫度的增大而增大，從圖7中可以看出日莖流速率隨大氣相對(duì)濕度的增大而減小。

圖5 莖流速率與太陽(yáng)輻射的關(guān)系Fig.5 The relationship of stem flow rate change and solar radiation

圖6 莖流速率與大氣溫度的關(guān)系Fig.6 The relationship of stem flow rate change and atmospheric temperature

圖7 莖流速率與大氣相對(duì)濕度的關(guān)系Fig.7 The relationship of stem flow rate change and air relative humidity

經(jīng)回歸分析得出莖流速率與3個(gè)氣象因子的回歸方程如下：

F=-0.006+1.56×10-6Rs+1.2×10-7Tm+

3.94×10-5RTh(R=0.961，p<0.01)

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)蓄水坑灌和地面灌溉2個(gè)方式下蘋(píng)果樹(shù)莖流速率日變化規(guī)律及莖流速率與其影響因子之間的相互關(guān)系的分析，得出以下結(jié)論。

(1)蓄水坑灌不同灌水處理?xiàng)l件下蘋(píng)果樹(shù)的莖流速率日變化呈“幾”字形，其中處理1灌水量最大，在各個(gè)生育期的莖流速率均高于其他處理。處理2和處理4未達(dá)到顯著性差異，但處理2的灌水量比處理4少560 L/株，表明相對(duì)于地面灌溉而言，蓄水坑灌具有節(jié)水保水的作用，同時(shí)得出處理2是相對(duì)合理的灌水處理。該結(jié)論基于一種水文年型蓄水坑灌下7 a生蘋(píng)果樹(shù)得出，還應(yīng)進(jìn)行不同水文年型、質(zhì)地、品種下莖流速率的研究，進(jìn)而豐富蓄水坑灌適用于不同條件下的灌水方案。

(2)不同處理的葉水勢(shì)日變化與莖流速率日變化呈負(fù)相關(guān)，水勢(shì)梯度與莖流速率日變化呈正相關(guān)，總體上看莖流速率對(duì)水勢(shì)梯度的響應(yīng)較好，其中處理2條件下兩者是顯著相關(guān)的，通過(guò)線性回歸分析得出了莖流速率與水勢(shì)梯度之間的回歸方程，兩者呈正的線性相關(guān)。

(3) 不同氣象因子對(duì)莖流速率的影響程度不同，莖流速率與太陽(yáng)輻射是二次多項(xiàng)式關(guān)系，與大氣溫度和大氣相對(duì)濕度均為指數(shù)關(guān)系。通過(guò)回歸分析得出蓄水坑灌條件下莖流速率與太陽(yáng)輻射、大氣溫度及大氣相對(duì)濕度之間的回歸方程，從而更精確地表征它們之間的數(shù)量關(guān)系。

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