廣西甘蔗莖流速率對(duì)氣象變化的響應(yīng)規(guī)律研究

何令祖，張廷強(qiáng)，吳衛(wèi)熊(.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，南寧 53003；.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 00038)

0 引 言

甘蔗從根系吸收水分，經(jīng)莖流輸送到葉片，99.8%的水分在蒸騰作用下耗散到空氣中。現(xiàn)有以葉水勢(shì)和基于葉面蒸騰的水分虧缺指數(shù)表征甘蔗耗水狀態(tài)已有一些成果，但這兩種方法均需要對(duì)甘蔗活體進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，測(cè)量過程比較復(fù)雜，操作難度大，難以在監(jiān)測(cè)設(shè)施條件較差的地方使用[1,2]。謝華等則利用莖流計(jì)研究了冬小麥蒸騰規(guī)律[3];楊再強(qiáng)等通過研究不同水分脅迫處理對(duì)番茄莖流以及葉水勢(shì)的影響，證明可以利用莖流來表征作物需水情況[4];張雷等研究表明莖流量可以直接代表甘蔗的蒸騰量[5]。利用莖流代表作物水分蒸發(fā)量在理論上已經(jīng)可行,如何通過甘蔗莖流速率及其影響因素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立甘蔗莖流速率與氣象因素相關(guān)關(guān)系，揭示甘蔗水分代謝規(guī)律，實(shí)際指導(dǎo)甘蔗灌溉，則是當(dāng)前生產(chǎn)中迫切需要解決的實(shí)際問題之一。

考慮到甘蔗莖流變化的主要影響因素是太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度等。本文通過采用插針式莖流計(jì)和氣象站對(duì)太陽輻射、空氣濕度、空氣溫度等持續(xù)同步監(jiān)測(cè)，分析各因素對(duì)于甘蔗莖流的影響，建立甘蔗莖流速率預(yù)測(cè)模型，為指導(dǎo)甘蔗灌溉，實(shí)現(xiàn)高效智能節(jié)水灌溉提供了條件。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)田位于廣西壯族自治區(qū)崇左市大新縣，北緯22°29′～23°05′，東經(jīng)106°39′～107°29′之間。年平均溫度21.3 ℃，極端最高溫度39.8 ℃，最低氣溫-2.2 ℃。年平均降雨量1 326 mm，降雨多集中在夏秋季，冬春較少。試驗(yàn)田為旱坡地常規(guī)種植農(nóng)田，田間土壤為磚紅壤，甘蔗品種為新臺(tái)糖03287，甘蔗種植行間距1.2 m。

甘蔗為宿根蔗，均勻行種植，試驗(yàn)期間為種植第二年。試驗(yàn)田甘蔗常規(guī)耕作、施肥，不對(duì)甘蔗進(jìn)行水分脅迫處理。

試驗(yàn)甘蔗莖流、葉溫觀測(cè)采用北京澳作生態(tài)儀器有限公司ENVIdata莖流葉溫生長測(cè)量系統(tǒng)，莖流計(jì)采用熱擴(kuò)散法插針式莖流計(jì)，插針為TDP30。插針安裝在甘蔗底部，安裝前先將甘蔗底部老葉剔除干凈，并用蒸餾水擦洗干凈，測(cè)量其直徑，插針安裝好后做好防水防輻射保護(hù)。莖流計(jì)數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為30 min，試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間為2014年8月8日至2014年10月21日。太陽輻射、相對(duì)空氣濕度、溫度觀測(cè)采用北京澳作生態(tài)儀器有限公司2000系列自動(dòng)氣象站，氣象站安裝在試驗(yàn)區(qū)附近，無較高建筑物遮擋的田間。氣象站數(shù)據(jù)采集間隔與莖流計(jì)同時(shí)同步進(jìn)行。試驗(yàn)測(cè)得甘蔗直徑3.358 cm，株高274 cm，葉片數(shù)9片。

2 結(jié)果與分析

2.1 日莖流速率變化規(guī)律

圖1為甘蔗典型晴天、典型陰天、典型雨天三種天氣狀況典型莖流變化規(guī)律圖，典型晴天為8月10日，典型陰天為8月12日，典型雨天為8月13日。從圖中可以看出甘蔗莖流在各種天氣狀況下都有一定的周期性。晴天莖流基本呈現(xiàn)M型，在9∶00莖流啟動(dòng)然后大幅上升，在12∶00、15∶00與17∶00分別達(dá)到3個(gè)峰值，莖流速率最高可達(dá)38 g/h。在3個(gè)峰值之間有莖流明顯降低的午休現(xiàn)象。晴天莖流在17∶00后開始大幅降低，至20∶00趨于低莖流平衡。陰天莖流呈現(xiàn)倒V型，莖流啟動(dòng)稍晚于晴天在10∶00左右，之后莖流上升在14∶00達(dá)到最大20 g/h，然后莖流下降，在20∶00基本達(dá)到低水平莖流平衡。雨天莖流整體較為平緩，莖流啟動(dòng)時(shí)間在10∶00左右，在14∶00達(dá)到莖流速率最大值10 g/h，也在20∶00基本達(dá)到低水平莖流平衡。3種天氣狀況都是隨著天氣情況白天莖流增加，下午莖流降低，夜間莖流平衡。不同的是天氣狀況不同，莖流啟閉時(shí)間以及莖流最大值有差異。

圖1 典型晴天、陰天、雨天莖流流速、莖流累計(jì)量對(duì)比圖

整體比較，晴天莖流量最大，陰天莖流量其次，雨天莖流量最小，白天莖流差距顯著，夜間莖流相對(duì)都比較穩(wěn)定，都在5 g/h以下，略有S型變化，且晴天在8∶00達(dá)到莖流最低值，陰天在5∶00達(dá)到莖流最低值，雨天在8∶00達(dá)到莖流最低值。

2.2 莖流速率與太陽輻射關(guān)系

圖中典型晴天為8月10日，典型陰天為8月12日。由圖可知，在一天范圍內(nèi)甘蔗莖流隨著太陽輻射強(qiáng)度增強(qiáng)而增加，隨輻射強(qiáng)度減弱而降低，莖流與太陽輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，日莖流也隨著日輻射同步變化。此外從晴天、陰天莖流與輻射關(guān)系圖中可以發(fā)現(xiàn)，莖流變化總是在輻射強(qiáng)度變化之后，兩者相差約有半個(gè)小時(shí)，莖流變化相對(duì)太陽輻射變化具有一定的滯后性。

圖2 甘蔗典型晴天太陽輻射與莖流關(guān)系圖

圖3 甘蔗典型陰天太陽輻射與莖流關(guān)系圖

圖4 甘蔗日太陽輻射與日莖流量關(guān)系圖

晴天輻射強(qiáng)大，波動(dòng)也大，在白天輻射強(qiáng)度在600 W/m2至900 W/m2區(qū)間波動(dòng)，并在12∶00、13∶00以及16∶00出現(xiàn)3個(gè)峰值；陰天輻射強(qiáng)度小，變化波動(dòng)相對(duì)較小，輻射強(qiáng)度波動(dòng)上升在14∶00達(dá)到最大值，兩種天氣狀況夜間輻射值都為0。白天莖流曲線跟著輻射強(qiáng)度同形狀波動(dòng)，晴天最大莖流速率可達(dá)38 g/h，陰天最大莖流速率約20 g/h，兩者莖流量差距顯著。夜間甘蔗莖流速率在0～5 g/h內(nèi)S型波動(dòng)，并且在夜間都會(huì)有兩次莖流降低到零附近的情況。

在白天太陽輻射將促使葉面氣孔張開，促進(jìn)蒸騰作用，甘蔗莖流主要由太陽輻射影響；在夜間太陽輻射強(qiáng)度為0，甘蔗騰發(fā)作用只能通過葉面呼吸作用以及葉面蒸發(fā)帶動(dòng)莖流，因此夜間莖流仍然維持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，溫度、相對(duì)空氣濕度等成為影響莖流的主要因素。

晴天12∶00到14∶00太陽輻射強(qiáng)度很大的時(shí)候，甘蔗莖流并沒有像上午或者下午那樣維持在一個(gè)較高的水平而是略有下降，這是因?yàn)檫^高的輻射和溫度也帶走了過多的水分，根系吸水不足以滿足蒸騰失水，甘蔗啟動(dòng)自我保護(hù)機(jī)制，關(guān)閉部分氣孔從而出現(xiàn)了甘蔗為了維持體內(nèi)水分平衡出現(xiàn)的午休現(xiàn)象[9]。

從日太陽輻射與日莖流關(guān)系圖中可以看出8月到9月伸長期范圍內(nèi)，日莖流量始終維持在400 g附近，太陽輻射強(qiáng)度與莖流變化節(jié)奏幾乎一致。而9-10月成熟期莖流量與太陽輻射強(qiáng)度變化趨勢(shì)雖然類似，但莖流量隨著輻射變化的影響越來越小。隨著甘蔗生長期推移，甘蔗越來越成熟，新陳代謝越來越慢，輻射強(qiáng)度對(duì)莖流的影響也就越來越小。

2.3 莖流速率與空氣溫度關(guān)系

圖5中典型晴天為8月10日，典型陰天為8月12日。由圖5可知，莖流與空氣溫度的波動(dòng)大致方向一致，兩者有一定的正相關(guān)關(guān)系。晴天的白天由于太陽輻射變化大帶動(dòng)莖流變化也大，莖流與空氣溫度波動(dòng)相關(guān)性不是很明顯；而陰天太陽輻射較小，太陽輻射對(duì)莖流的影響減弱，甘蔗莖流與空氣溫度的波動(dòng)趨于一致，在太陽輻射強(qiáng)度高時(shí)太陽輻射是主要影響因素，太陽輻射強(qiáng)度低時(shí)空氣溫度對(duì)莖流影響很大。

圖5 甘蔗典型晴天、典型陰天溫度與莖流關(guān)系圖

晴天空氣溫度總體明顯高于陰天空氣溫度，晴天莖流也都大于陰天莖流；當(dāng)夜間太陽輻射強(qiáng)度為零時(shí)，晴天夜間空氣溫度高于陰天夜間空氣溫度，晴天莖流完全在陰天莖流之上，這也表明空氣溫度對(duì)莖流的明顯正相關(guān)影響。

圖6 甘蔗日積溫與日莖流量關(guān)系圖

分析整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)日積溫與日莖流的關(guān)系，莖流隨積溫波動(dòng)變化，空氣溫度升高莖流增加，空氣溫度降低莖流也減少，日莖流量與日積溫呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。并且8-9月伸長期范圍內(nèi)，莖流隨著空氣溫度變化波動(dòng)大，而9-10月成熟期莖流隨著空氣溫度變化波動(dòng)相對(duì)較小，這表明空氣溫度在伸長期對(duì)莖流影響大于成熟期。甘蔗各個(gè)階段對(duì)環(huán)境影響因素的敏感性不一樣，新陳代謝越旺盛受氣象因素影響越大，因此伸長期空氣溫度與莖流的相關(guān)性大于成熟期。

2.4 莖流速率與空氣濕度關(guān)系

圖7中典型晴天是8月10日，典型陰天為8月12日。由圖可知無論是白天還是夜間空氣濕度與莖流存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，空氣濕度增加莖流減小，空氣濕度降低莖流增加。

圖7 甘蔗典型晴天、典型陰天空氣溫度與莖流關(guān)系圖

晴天水分蒸發(fā)快，空氣濕度變化大；陰天水分蒸發(fā)慢，空氣濕度變化小；因此晴天莖流的變化幅度遠(yuǎn)大于陰天莖流的變化幅度。陰天太陽輻射強(qiáng)度低，太陽輻射對(duì)莖流影響較弱，更能體現(xiàn)空氣濕度、溫度對(duì)莖流的影響，從陰天莖流與空氣濕度關(guān)系不難發(fā)現(xiàn)兩者之間負(fù)相關(guān)關(guān)系密切，空氣濕度對(duì)莖流影響顯著。除此之外陰天夜間空氣濕度接近100%時(shí)，為了維持正常生理代謝，甘蔗莖流仍然可以維持在較小的范圍內(nèi)，這也表明莖流在夜間受溫度影響很大。

2.5 莖流速率預(yù)測(cè)模型

由莖流變化與氣象因素的相關(guān)性分析表可知，甘蔗莖流速率與太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度都有顯著的相關(guān)性。莖流速率與太陽輻射、空氣溫度呈正相關(guān)關(guān)系，莖流速率與空氣濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。聯(lián)合太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度對(duì)甘蔗莖流進(jìn)行非線性回歸分析，得到以下回歸分析參數(shù)表。

模型線性回歸R2為0.703，模型擬合度好，模型方程如下：

F=0.006 SR-0.07 RH+1.667 T-34.615

注：**為0.01的顯著水平(雙尾)。

表2 甘蔗莖流速率與氣象因素聯(lián)合分析模型參數(shù)表

式中：F為莖流速率，g/h；SR為太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；T為空氣溫度，℃；RH空氣濕度，%。

3 結(jié)論與討論

(1)影響甘蔗蒸騰作用的主要因素是太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度。太陽輻射強(qiáng)度高，甘蔗光合作用強(qiáng)，葉片開啟的氣孔數(shù)量增多，蒸騰作用也就增強(qiáng)，白天太陽輻射強(qiáng)度是影響莖流的最主要因素。其次，空氣溫度對(duì)甘蔗莖流有顯著的影響，溫度增加帶動(dòng)莖流增加。

(2)甘蔗莖流速率在一天內(nèi)隨著太陽輻射、空氣溫度以及空氣濕度呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律。白天的莖流速率明顯大于夜間，晴天的莖流速率最大。

(3)不同生育期各氣象因素對(duì)甘蔗莖流的影響也有差異，伸長期甘蔗新陳代謝旺盛，莖流隨著氣象因素的變化波動(dòng)大；成熟期甘蔗新陳代謝慢，氣象因素對(duì)莖流變化影響較小。

(4)建立的莖流速率與太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度的相關(guān)關(guān)系模型，擬合度高，顯著性好，方便在灌溉生產(chǎn)管理中應(yīng)用。

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