陽(yáng)山洞冠梨水分利用特征及其對(duì)氣象因子的響應(yīng)

歐陽(yáng)余旋,史懷豫,譚宇萍

(茂名市國(guó)有厚元林場(chǎng), 廣東 茂名 525000)

洞冠梨(Pyruscommunis)是廣東陽(yáng)山縣特有珍果,富含微量元素,且種植面積較大。陽(yáng)山縣林業(yè)用地面積2 623.88 km2,占縣土地總面積的79.85%,農(nóng)林牧漁業(yè)是陽(yáng)山縣第一產(chǎn)業(yè),2019年林業(yè)產(chǎn)值5.28億元。近年來,陽(yáng)山縣積極推動(dòng)洞冠梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展,逐步形成了以洞冠梨為主導(dǎo)的水果產(chǎn)業(yè)體系,增加了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的收入。

林木蒸騰是將土壤、植物、大氣中水分形成“水循環(huán)”的關(guān)鍵,準(zhǔn)確掌握林木蒸騰特征及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)規(guī)律,對(duì)高效利用水資源具有重要意義[1,2]。因?qū)﹃?yáng)山洞冠梨需水和耗水規(guī)律缺乏了解或不合理灌溉,在一定程度上限制了陽(yáng)山洞冠梨生態(tài)功能、經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)經(jīng)濟(jì)林樹種林木蒸騰耗水研究較少,對(duì)南方果樹的研究更少[4,5]。本研究可在一定程度上填補(bǔ)空缺。現(xiàn)研究表明,經(jīng)濟(jì)林樹種液流日變化多呈“晝高夜低”趨勢(shì),啟動(dòng)時(shí)間多為日出前后,其液流變化曲線特征多呈“幾”字形,有單峰型、雙峰型、多峰型等峰型。受太陽(yáng)輻射影響,晴天液流密度峰值和均值多大于雨天、陰天[6]。晴天正午時(shí),太陽(yáng)輻射較強(qiáng),林木蒸騰消耗的水分大于根系吸收的水分,氣孔關(guān)閉,導(dǎo)致林木液流變化趨勢(shì)呈現(xiàn)雙峰甚至多峰型[7]。黨紅忠等[8]研究發(fā)現(xiàn),蘋果(Maluspumila)液流具有明顯日變化特征,2017年不同月份液流總體排名由大到小依次是6、7、5、8、9、10、11月。樹干液流易受氣象因子(太陽(yáng)輻射、空氣溫濕度、風(fēng)速等)影響,但各氣候因子之間并不是獨(dú)立產(chǎn)生作用,且氣象因子與液流之間存在時(shí)滯性[8]。

為探明廣東省陽(yáng)山洞冠梨水分利用特征,利用熱擴(kuò)散探針式莖流儀連續(xù)測(cè)定其液流變化,同時(shí)結(jié)合氣候因子,探究其液流變化與氣候因子的相關(guān)性和響應(yīng)規(guī)律,可為解決水資源時(shí)空分布不均和灌溉管理之間的矛盾提供參考,對(duì)提高其水分利用效率,對(duì)改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)收益具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究地位于陽(yáng)山縣黎埠鎮(zhèn)依鋒洞冠犁種植場(chǎng),地理位置112°25′ E、24°33′ N。陽(yáng)山縣地形復(fù)雜,總體地形為南、北高峻,中間低緩,四周較高的船形地貌,山地約占全縣總面積的90%。屬亞熱帶季風(fēng)氣候,雨熱同季,四季分明,年均氣溫為21 ℃左右,陽(yáng)山縣各地平均年降水量1 500～2 200 mm,最高溫41.0 ℃,最低-8.0 ℃,日照時(shí)數(shù)平均為1 568.3 h,上半年日照偏少而下半年日照充足。植被類型以亞熱帶落葉闊葉林為主,縣內(nèi)生態(tài)公益林面積達(dá)1 626.69 km2,商品林997.18 km2,占全縣林業(yè)用地的38%,常見種植經(jīng)濟(jì)林樹種有陽(yáng)山洞冠梨、水蜜桃(Prunuspersica)、三華李(Prunussalicina)、柑橘(Citrusreticulata)等。

2 材料與方法

2.1 樣樹選擇

本研究在栽植密度為3 m×3 m的洞冠梨林地上進(jìn)行每木檢尺,在3個(gè)樣地(表1)上分別選擇3株標(biāo)準(zhǔn)樣樹(生長(zhǎng)狀況良好、胸徑差別不大且無病蟲害),應(yīng)用熱擴(kuò)散式液流測(cè)定儀進(jìn)行連續(xù)測(cè)定,試驗(yàn)時(shí)間為2022年3月1日—2022年10月31日。

表1 測(cè)量液流樣地基本情況

2.2 液流密度測(cè)定

利用熱擴(kuò)散探針式莖流儀(Campbell Scientific,美國(guó))測(cè)定樹干邊材液流密度,將20 mm探針刺入莖內(nèi)的木質(zhì)邊材,并接通恒定的電流以測(cè)定邊材的導(dǎo)熱率[9]。通過測(cè)量2個(gè)探針間的溫度差,用Granier經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算樹干液流密度,公式如下:

(1)

式中:Js為液流密度(cm3·cm-2·s-1);Tmax為24 h內(nèi)上下探針的最大溫差值(℃);T為某時(shí)刻瞬時(shí)溫差值(℃),即當(dāng)時(shí)測(cè)定的溫差值。

2.3 氣候因子測(cè)定

樣地內(nèi)設(shè)置全自動(dòng)氣象站(Davis Instruments,美國(guó)),監(jiān)測(cè)大氣溫度(Ta)、大氣相對(duì)濕度(RH)、太陽(yáng)輻射(Rs)、風(fēng)速(W)、日降雨總量(P)等指標(biāo)。水汽壓虧缺(VPD)由大氣相對(duì)濕度和大氣溫度計(jì)算可得,公式如下:

VPD=a·eb×Ta/(Ta+c)·(l-RH)

(2)

式中:a=0.611、b=17.502 、c= 240.97,VPD為水汽壓虧缺(kPa),Ta為氣溫(℃);RH為空氣相對(duì)濕度(%)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

將所有測(cè)得數(shù)據(jù)通過Excel 2019進(jìn)行整理,通過SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,使用Sigmaplot 12.0繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 洞冠梨液流變化特征

3.1.1 不同季節(jié)日變化 選取生長(zhǎng)季內(nèi),每個(gè)月不連續(xù)8 d晴天下洞冠梨液流數(shù)據(jù)平均(圖1)。洞冠梨液流晝夜變化差異較大,白天液流密度(2.28～19.91 cm3·cm-2·min-1)較大,夜間液流密度(0～5.36 cm3·cm-2·min-1)較小。液流增強(qiáng)時(shí)間段為春季5:00—8:00、夏季5:00—7:00、秋季5:30—9:00;液流減弱時(shí)間段則為春季18:00—21:00、夏季19:00—22:00、秋季17:00—20:00。洞冠梨液流密度變化在春、夏、秋三個(gè)季節(jié)內(nèi)皆呈雙峰型,且伴有晨間沖高回落的趨勢(shì),春季,在08:00、12:00左右達(dá)到峰值,分別為16.38、17.78 cm3·cm-2·min-1;夏季,在07:00、12:00出現(xiàn)峰值,分別為14.74、19.91 cm3·cm-2·min-1。秋季,峰值在9:00、13:00左右出現(xiàn),分別為10.85、13.54 cm3·cm-2·min-1。生長(zhǎng)季內(nèi)夜間洞冠梨液流密度均為前半夜(1.86 cm3·cm-2·min-1)強(qiáng)于后半夜(1.25 cm3·cm-2·min-1)。

圖1 各季節(jié)晴天洞冠梨液流日變化

3.1.2 不同月份液流日變化 將洞冠梨生長(zhǎng)季內(nèi)每日液流數(shù)據(jù)平均,結(jié)合同步監(jiān)測(cè)氣候因子數(shù)據(jù),其結(jié)果見圖2。隨著生長(zhǎng)季內(nèi)洞冠梨的物候變化,其液流密度整體呈先增加后減少趨勢(shì),且液流變化明顯受樹木生長(zhǎng)狀況影響。洞冠梨日均兩大液流峰值分別出現(xiàn)在4月和6月,為10.03、9.49 cm3·cm-2·min-1。洞冠梨各月液流密度整體由大到小依次為:4月(8.36 cm3·cm-2·min-1)、6月(7.38 cm3·cm-2·min-1)、7月(6.53 cm3·cm-2·min-1)、8月(6.04 cm3·cm-2·min-1)、5月(5.96 cm3·cm-2·min-1)、9月(5.13 cm3·cm-2·min-1)、3月(4.91 cm3·cm-2·min-1)、10月(4.25 cm3·cm-2·min-1)。整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)液流波動(dòng)幅度為2.16 ～ 10.03 cm3·cm-2·min-1,最大量是最小量的約5倍,不同月份內(nèi)日均液流密度波動(dòng)幅度前3分別為3月(0 ～ 430.56%)、5月(0 ～ 243.98%)和6月(0 ～ 236.66%)。每年梨樹根系生長(zhǎng)可有2個(gè)生長(zhǎng)高峰期,其中第2次高峰多出現(xiàn)在9—10月?；诖松硖匦?9、10月洞冠梨液流密度出現(xiàn)了2次連續(xù)遞增現(xiàn)象,2次遞增現(xiàn)象之間的液流降低現(xiàn)象是受強(qiáng)降雨的影響。

圖2 洞冠梨液流及氣候因子月變化

3.2 氣象因子對(duì)洞冠梨液流的影響

3.2.1 氣象因子變化與洞冠梨液流相關(guān)性 由圖2可知,生長(zhǎng)季內(nèi)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)氣溫Ta(10.31～27.47 ℃)、大氣相對(duì)濕度RH(66.79～99.28%)、水氣壓虧缺VPD(49～335 kPa)波動(dòng)較小,太陽(yáng)輻射Rs波動(dòng)區(qū)間(49～335 W·m-2)穩(wěn)定;太陽(yáng)輻射W、風(fēng)速Rs在3—10月間整體波動(dòng)較小,但8月時(shí)日降雨總量P曾出現(xiàn)最大值(56.7 mm),各氣象因子皆在10月出現(xiàn)了較大波動(dòng),原因是出現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)。當(dāng)某一氣象因子出現(xiàn)劇烈變化時(shí),其余氣象因子和洞冠梨液流也出現(xiàn)了相對(duì)應(yīng)的變化。

將生長(zhǎng)季內(nèi)洞冠梨樹干液流數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見表2。洞冠梨液流與VPD、Rs、Ta呈極顯著正相關(guān)(r=0.677、0.525、0.295,P<0.01),與RH、P呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.635、-0.302,P<0.01),與W呈顯著正相關(guān)(r=0.179,P<0.05)。各氣象因子間也具有較強(qiáng)的自相關(guān)性,如RH與VPD間存在極顯著負(fù)相關(guān)(r=0.912),Rs與Ta間存在極顯著正相關(guān)(r=0.734)。結(jié)合圖2可知,在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi),洞冠梨液流均受到VPD、Rs、Ta、RH、P等氣象因子不同程度的影響。

表2 氣象因子與洞冠梨液流密度相關(guān)性分析

2021年陽(yáng)山4、5、6、8、10月降雨較大,導(dǎo)致種植林區(qū)內(nèi)排水不暢,造成田間持水量飽和,故此洞冠梨液流密度整體在4月達(dá)到頂峰后一直處于緩慢降低趨勢(shì)。還有部分原因是洞冠梨在3月發(fā)芽,4月屬于生長(zhǎng)高峰期,此時(shí)期洞冠梨需要大量水分,故樹干液流密度增加。雨季降雨增加,P值過大,由于各氣象因子間的自相關(guān)性,嚴(yán)重影響了VPD、Rs、RH、Ta,從而打破洞冠梨液流變化的原有趨勢(shì)。這說明影響洞冠梨樹干液流變化的不是單一氣象因子作用,而是多因子共同作用。

3.2.2 洞冠梨液流變化對(duì)氣候因子的時(shí)滯性 為探索洞冠梨樹干液流對(duì)氣候因子響應(yīng)的時(shí)滯效應(yīng),通過錯(cuò)位分析法,將液流數(shù)據(jù)以0.5 h為間隔,與提前或延后2小時(shí)氣候因子數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見圖3。洞冠梨液流密度與0.5 h前Ta的響應(yīng)程度最高,r=0.368(P<0.01);與0.5 h前RH的響應(yīng)程度最高,r=-0.724(P<0.01);與1 h前VPD的相關(guān)性最強(qiáng),r=0.783(P<0.01);與1.5 h后P的響應(yīng)程度最高,r=-0.423(P<0.01);對(duì)0.5 h后W響應(yīng)程度最高,r=0.206(P<0.01);對(duì)1 h后Rs的響應(yīng)程度最高,r=0.612(P<0.01)。試驗(yàn)中生長(zhǎng)季內(nèi)洞冠梨樹干液流密度變化對(duì)Ta、RH、VPD、Rs等氣候因子有不同程度的時(shí)滯效應(yīng),且可能由于樹齡、季節(jié)、物候期的不同,洞冠梨液流可能在不同時(shí)期對(duì)同一氣象因子的時(shí)滯效應(yīng)也不同。

圖3 氣候因子與洞冠梨液流錯(cuò)位相關(guān)性分析

3.2.3 多元回歸模型 將生長(zhǎng)季內(nèi)洞冠梨樹干液流(y)與各氣象因子進(jìn)行回歸分析,擬合多元回歸模型。在擬合過程中采用步進(jìn)的方式,發(fā)現(xiàn)最優(yōu)擬合模型為y=4.475×10-6×VPD+3.15×10-6×RH+0.11×Rs-0.006。結(jié)合表2發(fā)現(xiàn),洞冠梨樹干液流對(duì)各氣象因子中主要響應(yīng)因子為VPD、RH、Rs。

4 結(jié)論與討論

洞冠梨樹干液流變化具有明顯晝夜差異,生長(zhǎng)季內(nèi)晴天液流變化趨勢(shì)大體呈雙峰型,白天液流密度(2.28 ～ 19.91 cm3·cm-2·min-1)較大,夜間液流密度(0～5.36 cm3·cm-2·min-1)較小,不同季節(jié)其液流變化趨勢(shì)、峰值、啟動(dòng)時(shí)間有所差異。該結(jié)果與他人研究結(jié)果相似,周玉燕等[10]發(fā)現(xiàn),蘋果樹干液流時(shí)間變化明顯,晴天峰值出現(xiàn)在15:00,陰天出現(xiàn)在12:00、17:00。生長(zhǎng)季內(nèi)洞冠梨液流密度逐漸增加,在4月(8.36 cm3·cm-2·min-1)達(dá)到峰值后緩慢減少,其液流變化明顯受到樹木生長(zhǎng)狀況影響。樹木由于其物候變化,春季生長(zhǎng)發(fā)育迅速,液流速率整體呈現(xiàn)增加,夏季葉片發(fā)育成熟,樹木自身為維持蒸騰和繁殖,液流活動(dòng)強(qiáng)烈,秋季果實(shí)被采摘,葉片衰老和脫落,液流減弱[11]。對(duì)果樹不同階段生育期的水分利用研究對(duì)提高其經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益具有重要作用。未來還需加強(qiáng)對(duì)洞冠梨不同生育期液流變化特征的研究。

洞冠梨液流受氣象影響存在較大復(fù)雜性,可能不同研究區(qū)域、土壤條件、管理方式對(duì)其液流變化的影響均不相同。本試驗(yàn)中,洞冠梨液流受VPD、Rs、P、RH等氣象因子的顯著影響,且液流變化與氣象因子之間存在時(shí)滯效應(yīng)。該結(jié)果與他人研究結(jié)果相似,萬發(fā)等[12]發(fā)現(xiàn),蘋果樹液流變化與環(huán)境因子間存在時(shí)滯性。有研究表明,土壤因子也會(huì)影響林木樹干液流,但氣象因子和土壤因子通過影響樹木水分運(yùn)輸?shù)牟煌课?而影響液流變化,前者主要通過影響葉片氣孔開閉程度改變個(gè)體水分蒸發(fā),后者使根系和根際土壤界面間的水分導(dǎo)度發(fā)生變化從而影響水分吸收。Cochard等[13]發(fā)現(xiàn),較高的土壤溫度更有利于植物的蒸騰耗水。還有研究表明,樹木體內(nèi)的空穴化和栓塞會(huì)導(dǎo)致降低導(dǎo)管的輸水能力,嚴(yán)重影響樹木液流的活動(dòng),阻礙樹木生長(zhǎng)。下一步應(yīng)加強(qiáng)對(duì)土壤因子和洞冠梨自身因子對(duì)其液流變化影響的研究。目前,南方經(jīng)濟(jì)林樹種液流研究還處于探索階段,需要進(jìn)一步加強(qiáng)各種方法的比較和改進(jìn),以提高樹木液流速度和方向的準(zhǔn)確性和精細(xì)度,并為果樹的栽培管理和品種改良提供科學(xué)依據(jù)。