定額灌溉對(duì)蘋果樹冠層溫度變化的影響

王英師， 胡建芳， 陳建中， 杜慧玲

(1.山西運(yùn)城農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)林與工程系，山西運(yùn)城 044000； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，山西太谷 030801)

蘋果樹冠層溫度是一個(gè)復(fù)雜的變化量，它由土壤-蘋果樹-大氣連體之間的能量交換決定，取決于果樹本身冠層結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子。冠層溫度能反映果樹水分狀況，直接影響果樹蒸騰速率，進(jìn)而對(duì)果樹生長(zhǎng)、果實(shí)產(chǎn)量品質(zhì)和病蟲害發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生影響。近些年來，果樹科學(xué)工作者在果樹冠層溫度方面進(jìn)行了諸多研究，包括果樹冠內(nèi)溫度分布狀況[1-4]、樹形樹冠枝葉分布與冠內(nèi)溫濕度關(guān)系分析[5-6]、冠層溫度與病蟲害的發(fā)生發(fā)展關(guān)系探討[7-8]，以及冠層微環(huán)境與果實(shí)產(chǎn)量品質(zhì)的關(guān)系方面的研究[9-10]，均取得不少成果。這些研究成果為指導(dǎo)果樹生產(chǎn)管理提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，但定額灌溉用水對(duì)果樹冠層溫度變化影響方面的研究相對(duì)較少。近幾年來，我國(guó)北方果樹栽培區(qū)制定了有效的灌溉方案，合理水資源分配，使得果樹定額灌溉研究成為“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的一項(xiàng)重要技術(shù)。準(zhǔn)確掌握定額灌溉用水對(duì)果樹冠層溫度變化的影響，探討定額灌溉下果樹冠層溫度的變化規(guī)律，是果樹科學(xué)研究中不容忽視的基礎(chǔ)性工作。為了研究定額灌溉下果樹冠層溫度變化特征，在山西運(yùn)城一個(gè)普通果園進(jìn)行試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到定額灌溉對(duì)蘋果樹冠層溫度變化的影響規(guī)律，為探討定額灌溉下果樹科學(xué)管理提供基礎(chǔ)依據(jù)和決策支持。

1 材料與方法

1.1 場(chǎng)地概況

試驗(yàn)場(chǎng)地選在山西省運(yùn)城市臨猗縣一個(gè)普通果園，果園地處35°20′N、110°42′E，多年平均氣溫為12.8 ℃，屬于半干旱半濕潤(rùn)氣候，年平均降雨量為460 mm左右，土壤質(zhì)地為中壤，1 m 土層內(nèi)的田間持水率為23.5%，土壤干密度為 1.38 g/cm3。

1.2 果樹概況

供試果樹為長(zhǎng)富2號(hào)，樹齡15年，行距4 m，株距3.5 m，樹形為小冠疏層形，樹勢(shì)強(qiáng)壯，3層主枝，主干高50 cm，樹高2.3～2.5 m，主枝層間距80～100 cm，冠層長(zhǎng)寬各約為3 m，樹冠厚度為2 m左右。

1.3 灌溉設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在2016年進(jìn)行，設(shè)計(jì)3個(gè)定額灌水處理，灌溉濕潤(rùn)層深度為40、60、80 cm，對(duì)照為充分灌水，灌溉濕潤(rùn)層深度為100 cm左右。定額灌溉用水量計(jì)算公式為：M=667×n×h(θmax-θmin)×15，其中M為單位面積定額灌水量，m3；n為計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤的干密度，g/cm3；h為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，cm；θmax、θmin分別為土壤最大含水率、最小含水率。試驗(yàn)灌溉日期和定額灌水量見表1。

表1 灌溉日期和定額灌水量

1.4 冠層溫度觀測(cè)

果樹冠層溫度采用JK-24U多路溫度測(cè)試儀進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)觀測(cè)，用手持式溫度儀進(jìn)行補(bǔ)充觀測(cè)。單株樹冠內(nèi)分3層固定布置12個(gè)溫度觀測(cè)點(diǎn)，距樹干90 cm處分東南西北4個(gè)方位，各層分別距地面80、150、200 cm。定時(shí)溫度觀測(cè)時(shí)間為北京時(shí)間，間隔為30 min。

1.5 數(shù)據(jù)處理

溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)采用四舍五入法保留1位小數(shù)。數(shù)據(jù)采用SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Excel進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 定額灌溉對(duì)冠層溫度垂直變化的影響

為了研究定額灌溉對(duì)冠層溫度垂直變化的影響，在原有冠層溫度觀測(cè)的基礎(chǔ)上，于6月9日(晴天)逐時(shí)加測(cè)了樹冠中心(樹干)位置不同高度的溫度，觀測(cè)位置分別距離地面高度30、50、80、150、20、250 cm，簡(jiǎn)稱高度1～6。圖1是10：00蘋果樹冠層溫度垂直分布變化曲線，可以看出樹冠上層溫度高，下層溫度低，樹冠上下層之間溫度變化大于相同高度間大氣層溫度變化；灌溉用水量小的處理冠層溫度變化幅度大，灌水量大的冠層溫度變化幅度小。由于灌水量影響土壤含水量、果樹新梢枝葉生長(zhǎng)、葉片厚度及樹體含水量等，在太陽輻射作用下，果樹蒸騰速率發(fā)生差異，導(dǎo)致果樹冠層溫度產(chǎn)生變化。在10：00，果樹冠層溫度最大變化在高度4、5之間。高度3以上樹冠溫度高于大氣溫度，高度3以下的樹冠溫度接近或低于大氣溫度。各高度之間、各處理之間冠層溫度存在差異，處理Ⅰ在高度4、5之間溫差是3.6 ℃，處理Ⅱ是 3.4 ℃，處理Ⅲ是3.1 ℃，對(duì)照組是2.9 ℃，各處理與對(duì)照組相比分別增溫 6.8%、20.6%和24.1%，處理Ⅰ與處理Ⅱ之間差異不明顯，處理Ⅰ與處理Ⅲ、對(duì)照組之間差異明顯。處理Ⅰ在高度2、3之間溫差是1.0 ℃，處理Ⅱ是0.9 ℃，處理Ⅲ是0.6 ℃，對(duì)照組是0.5 ℃，處理Ⅰ與處理Ⅱ之間差異不明顯，處理Ⅰ與處理Ⅲ、對(duì)照組差異明顯。到12：00，果樹冠層垂直溫度變化與上午之間出現(xiàn)差異(圖2)，樹冠層高度4、5之間溫差縮小到 0.5～1.5 ℃，灌水少者溫差大，灌水多者溫差小，這是因?yàn)樵谔栔鄙湎?，灌水較多的果樹葉片蒸騰速率較大，溫度相對(duì)較低。樹冠底部(高度2、3之間)溫差增大到2.1～3.1 ℃，灌水少者溫差小，灌水多者溫差大。樹冠底部溫差增大反映了冠層熱量交換特征，灌水較多的果樹，枝葉生長(zhǎng)量大，樹冠內(nèi)膛蒸騰熱量不易擴(kuò)散，加上枝葉較多易遮擋太陽光，造成底層增溫不明顯，導(dǎo)致溫差增大。此外，樹冠底部溫度低于大氣溫度，上層樹冠溫度高于大氣溫度，轉(zhuǎn)變拐點(diǎn)出現(xiàn)在高度3左右，高度2、3之間樹冠溫差在處理Ⅰ條件下是2.1 ℃，處理Ⅱ是 2.3 ℃，處理Ⅲ是3.0 ℃，對(duì)照組是3.1 ℃，處理Ⅰ與處理Ⅱ之間差異不明顯，與處理Ⅲ和對(duì)照組差異明顯。到15：00，隨著太陽輻射減弱，果樹冠層溫度下降，各冠層溫度普遍比 12：00時(shí)的低，樹冠各層之間溫差縮小，果樹冠層溫度均低于大氣溫度。各處理之間其變化程度不同，處理Ⅰ樹冠層高度4、5之間溫差為0.6 ℃，處理Ⅱ是0.5 ℃，處理Ⅲ是0.3 ℃，對(duì)照組是0.2 ℃，處理Ⅰ與處理Ⅲ、對(duì)照組差異明顯。處理Ⅰ在樹冠底部高度2、3之間溫差是1.9 ℃，處理Ⅱ是2.0 ℃，處理Ⅲ是2.2 ℃，對(duì)照組是2.3 ℃，其特征與中午相似(圖3)。日落后，果樹冠層溫度變化明顯小于白天冠層溫度變化。冠層溫度受大氣溫度和果樹本身放射輻射的影響。19：00—24：00 冠層溫度降低3.0 ℃左右，各定額灌溉處理間的差異不大，并且果樹冠層降溫幅度大于大氣降溫幅度。后半夜之后，果樹冠層內(nèi)不斷有水氣凝結(jié)，凝結(jié)潛熱釋放使得果樹冠層溫度有所增加，果樹冠層溫度大于大氣溫度，灌水多的果樹冠層溫度大于灌水少的果樹冠層溫度(圖表略)。在陰雨天，沒有太陽輻射，樹冠各層之間溫度變化幅度小，規(guī)律性不明顯；在多云天氣條件下，果樹冠層高度5處溫度變化幅度大，樹冠底部溫度變化小，其變化程度與太陽輻射強(qiáng)度、光照時(shí)間、天空云量等有關(guān)，在此不展開分析。

2.2 定額灌溉對(duì)冠層溫度日變化的影響

果樹冠層溫度日變化與天氣變化有關(guān)，晴天時(shí)果樹冠層溫度日變化呈單峰曲線型，日出后冠層溫度隨太陽輻射增強(qiáng)而升高，在12：00—13：00果樹冠層溫度達(dá)到最大值，午后隨著太陽輻射減弱，冠層溫度呈下降趨勢(shì)。圖4是6月9日果樹冠層溫度逐時(shí)變化動(dòng)態(tài)，可見在09：00前不同定額灌水處理下的冠層溫度差異不明顯，最大差值不超過1.0 ℃。在10：00后，各處理下的冠層溫度差異開始顯現(xiàn)，在10：00—11：00 之間，處理Ⅰ樹冠溫度增加4.8 ℃，處理Ⅱ增加 4.6 ℃，處理Ⅲ增加4.2 ℃，對(duì)照組4.0 ℃，處理Ⅰ比其他處理和對(duì)照組分別多增溫7.2%、14.3%和19.0%，處理Ⅰ與處理Ⅲ、對(duì)照組之間差異顯著。13：00樹冠溫度達(dá)到峰值，各處理之間最高溫差值約為1.0 ℃。午后隨太陽輻射強(qiáng)度的降低，冠層溫度開始回落，不同灌水處理間冠層溫度差異減小。日落前1～2 h由于太陽輻射強(qiáng)度降低很快，冠層溫度變化較大，在17：00—19：00，處理Ⅰ冠層溫度降低2.4 ℃，處理Ⅱ降低 2.2 ℃，處理Ⅲ降低1.8 ℃，對(duì)照組降低1.6 ℃，處理Ⅰ比其他處理多降溫0.2、0.6 ℃，比對(duì)照組多降溫0.8 ℃。

進(jìn)入盛夏，晴天時(shí)果樹冠層溫度日變化與夏初相似，不同之處是冠層溫度隨太陽輻射增強(qiáng)而升高的時(shí)間集中在09：00—11：00，果樹冠層持續(xù)高溫時(shí)間延長(zhǎng)。圖5是7月26日10：00—16：00逐時(shí)溫度變化曲線，09：00—11：00處理Ⅰ增溫4.7 ℃，處理Ⅱ增溫4.5 ℃，處理Ⅲ增溫4.2 ℃，對(duì)照組增溫4.0 ℃。灌水少的果樹在12：00左右冠層溫度達(dá)到最大值，比夏初果樹冠層溫度最大值出現(xiàn)的時(shí)間提早，這種提早現(xiàn)象與果樹蒸騰速率有關(guān)，可能是果樹應(yīng)對(duì)高溫和體內(nèi)水分虧損的表現(xiàn)；灌水多的果樹冠層溫度在13：00達(dá)到最高值，與夏初出現(xiàn)的時(shí)間接近。夏初冠層溫度大于35.0 ℃的持續(xù)時(shí)間為1～2 h，在盛夏，由于基礎(chǔ)溫度高，容易形成冠層高溫，冠層溫度大于35.0 ℃的持續(xù)時(shí)間在4～5 h左右，對(duì)果樹的生理生化過程影響較大。

在陰雨天，果樹冠層溫度日變化緩慢，不同定額灌溉處理下的冠層溫度基本無差異。這是因?yàn)殛幱晏鞗]有太陽直接輻射，大氣溫度日變化幅度縮小，果樹枝葉吸收和放射輻射變?nèi)?。白天果樹冠層溫度接近大氣溫度，樹冠上下層之間溫度差異很小，沒有晴天那么劇烈。在后半夜至日出前，果樹冠層溫度變化不超過1.5 ℃，后半夜有凝結(jié)潛熱釋放引發(fā)冠層溫度上升，但升溫幅度超過0.3 ℃。在多云天氣條件下，果樹冠層溫度日變化曲線不是單峰型，呈不規(guī)則變化，其變化程度與太陽輻射強(qiáng)度、直射時(shí)間長(zhǎng)短、天空云量等因子有關(guān)，在此不作分析。

2.3 定額灌溉對(duì)冠層內(nèi)不同方位溫度變化的影響

定額灌溉影響果樹冠層溫度垂直變化和日變化，還影響冠層內(nèi)不同方位溫度變化。太陽輻射是影響果樹冠層溫度變化的重要因素之一，白天太陽光入射角的變化使樹冠有向光和背光之分，引起樹冠內(nèi)各個(gè)方位溫度分布的不一致。定額灌溉用水量的多少影響果樹生長(zhǎng)與枝條長(zhǎng)短，影響樹膛內(nèi)光照分布和熱量擴(kuò)散。試驗(yàn)地6月初，日出時(shí)太陽方位角是東偏南27°左右，上午時(shí)段樹冠東南方位溫度高于西北方位。在6月9日10：00和15:00分別觀測(cè)距離地面150 cm處果樹冠層內(nèi)東南西北4個(gè)方位的溫度變化，詳見表2。。

表2 不同時(shí)間各處理各方位的觀測(cè)溫度

由表2可以看出，10：00時(shí)，處理Ⅰ東、南、西、北各方位溫度差異在0.4～2.2 ℃之間，處理Ⅱ在0.5～2.2 ℃之間，處理Ⅲ在0.5～2.2 ℃之間，對(duì)照組在0.4～1.9 ℃之間，并且是灌水少的溫度差異大，灌水多的溫度差異??；而不同處理之間同高度、同方位的溫度變化范圍在0.1～0.9 ℃之間，不同處理之間的溫度變化小于不同方位之間的溫度變化。到 15：00，太陽方位由東偏南轉(zhuǎn)到南偏西，西南方位的溫度大于東北方位，同處理中不同方位形成的溫度差異在0.1～1.3 ℃之間，不同處理之間的溫度差異在0.1～0.9 ℃之間。以樹干為中心，分析東西兩側(cè)溫度變化，上午樹冠東側(cè)溫度由冠外向冠內(nèi)逐漸降低，而在樹冠西側(cè)由冠外向冠內(nèi)，溫度逐漸升高，這與太陽光入射方位和果樹枝葉生長(zhǎng)量有關(guān)。到午后樹冠東西兩側(cè)溫度變化與上午相反。

為了分析影響冠層內(nèi)不同方位溫度變化的原因，用7月上中旬晴天10：30的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行各處理下果樹冠層正東方位溫度與太陽方位角、各處理下果樹冠層正東方位溫度與灌水量之間的相關(guān)性分析，相關(guān)關(guān)系式和相關(guān)系數(shù)見表3，由此可見太陽方位角與冠層內(nèi)正東方位溫度變化有關(guān)，但相關(guān)性沒有與灌水量之間的相關(guān)性高。灌溉用水量影響果樹生長(zhǎng)，改變樹膛內(nèi)光照分布，對(duì)蒸騰速率和熱量擴(kuò)散產(chǎn)生作用，在一定程度上對(duì)冠層內(nèi)不同方位溫度變化的影響大于太陽方位的影響。

表3 冠層正東方位溫度與太陽方位角、灌水量的相關(guān)關(guān)系

在多云天氣條件下，太陽直接輻射在果樹冠層內(nèi)各方位分布變化較快，各方位的溫度變化沒有統(tǒng)一規(guī)律。在陰雨天，太陽直接輻射很弱，果樹冠層沒有向光和背光之分，果樹冠層內(nèi)溫度分布基本均勻，冠層內(nèi)各方位的溫度變化不明顯。

3 結(jié)論

3.1 定額灌溉處理下果樹冠層溫度變化特征

晴天時(shí)冠層溫度變化呈單峰曲線，規(guī)律明顯，上午變化大于下午變化，白天變化大于夜間變化。在陰雨天氣或多云天氣果樹冠層溫度變化規(guī)律不明顯。在不同處理之間，灌水量少的冠層溫度變化幅度大，灌水量多的變化幅度小。

3.2 定額灌溉影響果樹冠層溫度垂直變化和日變化

晴天時(shí)，上午果樹冠層吸收太陽輻射，樹冠上層增溫快，下層增溫慢，灌水量少的增溫幅度大于灌水量多的，各處理間溫度變化在0.5～1.2 ℃。12：00左右冠層溫度達(dá)到最大值，灌水量少的樹冠上下層溫差小，灌水量多的上下層溫差大。日落后，果樹枝葉釋放輻射降溫，灌水量少的降溫量大于灌水量多的，導(dǎo)致不同處理之間的果樹冠層溫度變化幅度不一致。

3.3 定額灌溉影響樹冠內(nèi)不同方位的溫度變化

相同處理的果樹冠內(nèi)不同方位之間溫度差異在10：00為0.4～2.2 ℃，不同處理間冠層溫度差異在0.1～0.9 ℃之間，灌水量少的差異大于灌水量多的。到15:00時(shí)同處理中不同方位形成的溫度差異較上午的差異小，而不同處理之間的溫度差異與上午基本相同。

3.4 定額灌溉對(duì)果樹春季、秋季冠層溫度變化的影響

由于本試驗(yàn)沒有觀測(cè)定額灌溉是否對(duì)果樹新梢旺盛生長(zhǎng)期和果實(shí)采摘期冠層溫度變化產(chǎn)生影響，而在這2個(gè)時(shí)期果樹冠層結(jié)構(gòu)變化大，易造成微環(huán)境狀況的變化，需要進(jìn)一步完善試驗(yàn)方案并進(jìn)行相關(guān)研究。

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