蓄水坑灌下蘋果樹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.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西水利職業技術學院，山西 運城 044004)

植物根系從土壤中吸收的水分通過樹干莖流進入葉片，其中99.8%以上通過蒸騰作用進入大氣[1]，樹干莖流就是植株在進行蒸騰作用的過程中體內一股上升的液流，因此植株蒸騰耗水量的大小受莖流量大小的影響較大[2]。準確地測定植物蒸騰耗水規律及其影響因素，對合理利用現有水資源，提高水分利用效率，對節水灌溉的研究與發展具有非常重要的實踐意義[3]。通過測算莖流速率來得出莖流量進而得出植株的蒸騰耗水量，許多學者對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體差異[5]，甚至測定不同灌水方式下果樹莖流速率的狀況[6]和不同濕潤模式下果樹莖流速率的狀況[7]，以及對同一植株上不同部位莖流速率的分布變化特征[8]等進行了大量研究，但有關水勢與莖流速率的研究較少。蓄水坑灌關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]通過水量平衡法來研究蘋果樹的耗水特性，王穎苗等[10]研究了蘋果樹葉片的蒸騰特性。本文通過研究莖流速率日變化規律來反映蓄水坑灌條件下蘋果樹蒸騰耗水特性并闡明土-葉水勢與莖流速率的關系。

目前對植物莖流速率的測定大多采用熱技術法，主要包括熱平衡、熱脈沖、熱擴散等[11]，這些方法不僅操作方便，還能進行連續測定，而且對植物自然生長狀態的干擾也比較小。其中，熱擴散法能夠精確地測算出樹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木正常生長的情況下對樹干莖流進行連續測定，并且易于野外操作及遠程數據下載。因此，本試驗采用熱擴散(TDP)插針式植物莖流計對蘋果樹莖流日變化規律及其與水勢以及氣象因子的關系進行研究，旨在了解當地蘋果樹水分利用規律，進而指導果園合理灌溉。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年4-10月進行田間數據采集。實驗地在山西省農科院果樹研究所，位于山西省太谷縣西南部，地處東經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，無霜期175 d，2015年降雨量為386.3 mm。屬于典型的暖溫帶季風影響下大陸性半干旱氣候。土壤以壤土為主，土壤物理參數見表1。試驗區為南北向，蘋果樹種植規格為4 m×2 m，灌溉水源為地下水，試材為7 a生長富二號矮砧蘋果樹。

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

1.2 試驗方案

選取長勢基本一致且良好的蘋果樹，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周圍挖4個蓄水坑，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。定期監測土壤含水率，當土壤含水率達到其灌水下限時進行灌水至上限。試驗方案見表2。

表2 不同處理試驗方案 L/株

1.3 測量項目與方法

水勢采用露點水勢儀進行測量，莖流速率采用TDP插針式植物莖流計進行測量，每半小時自動采集一次；氣象因子采用Adcon-Ws無線自動氣象監測站進行監測，每15 min自動采集一次，監測的指標包括輻射強度、相對濕度、溫度、土壤溫度及風速等。

試驗數據采用Excel和SPSS進行處理與分析。

2 結果與分析

2.1 蓄水坑灌下蘋果樹莖流速率日變化

由于在陰天樹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其影響較小，莖流曲線呈多峰無規律變化[12-14]。因此選擇不同生育期的典型晴天來分析莖流速率日變化規律，見圖1，其中5月20日處于萌芽花期，6月19日與7月4日處于新梢旺長期，8月10日、9月3日處于果實膨大期，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律基本一致，均為早上7∶30左右液流開始啟動，10∶30左右達到峰值，10∶30-13∶30下降速度較快，13∶00以后到18∶00左右保持一個相對平緩的下降趨勢，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果樹不會出現明顯的午休現象，這就使得蒸騰速率處于一個較為穩定的狀態。蘋果樹樹干莖流日變化規律大致呈“幾”字形，這是由于植物蒸騰水分主要通過氣孔散失，而太陽輻射和大氣溫度對氣孔的開閉有較大的影響[15]，上午隨著太陽輻射和大氣溫度的上升，蘋果樹的蒸騰也逐漸增大；在中午時會出現一段降低稍微平穩的過程，因為在這段時間太陽輻射和氣溫較高，當其根系吸水無法持續滿足蒸騰失水時，部分葉片氣孔暫時關閉或縮小，葉片蒸騰速率隨之變化，將樹干莖流速率穩定地調節在足以維系正常生命活動的水平上，避免過度失水，進而影響到植物蒸騰；到了下午，太陽輻射和氣溫有所降低，蘋果樹莖流速率也呈現遞減趨勢。試驗研究發現，在夜間樹干液流接近于零但是不為零，這可能是由于白天太陽輻射和大氣溫度等都較大，導致蘋果樹白天耗水強度大，使樹體內各部分組織的水容儲水被釋放出來，到了夜晚，根系需要通過吸水來恢復根系、樹干及枝葉的水勢梯度。

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

為了進一步說明不同灌水處理下莖流速率的差異，通過SPSS對莖流速率的日平均值作單因素方差分析，結果見表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為處理1最大，處理3最小。由表3得出各生育期內蓄水坑灌處理2與地面灌溉處理4沒有顯著性差異。通過比較可知新梢旺長期的莖流速率大于其他生育期，新梢旺長期內7月4日的最大，這是由于7月份屬于新梢旺長中后期，果樹的各項生理指標都處于一個快速生長的狀態，需要根系從土壤中吸收更多的水分和養分，這些營養物質通過樹干莖流運送到植物的各個部位，還有影響因子太陽輻射、大氣溫度等的值較大。果實膨大期內莖流速率是逐漸減小的，但整體的日變化趨勢是一樣的，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 不同灌水處理下蘋果樹日平均莖流速率的差異性分析 cm/s

注：同一列數據后大寫和小寫字母分別表示達到0.01和0.05的顯著性差異。

2.2 莖流速率日變化與葉水勢的關系

對蓄水坑灌不同灌水處理與地面灌溉處理下的葉水勢與莖流速率進行同步測定，得出兩者的變化規律，結果見圖2。

圖2 莖流速率日變化與葉水勢的關系Fig.2 The relationship of stem flow rate change and leaf water potential 注：實線表示莖流速率，虛線表示葉水勢。

由圖2可以看出，所有灌水處理下，蘋果樹的莖流速率日變化規律是先增大后減小，而葉水勢是先減小后增大，兩者呈現出相反的變化趨勢。7∶00-9∶00葉水勢下降速度較慢，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開始蘋果樹逐漸開始蒸騰耗水，隨著太陽輻射以及氣溫的增高，蒸騰作用逐漸增強，通過葉片耗水量增加，使得葉水勢一直在降低。而蘋果樹為了彌補自身的水分虧缺，就會從土壤中吸收大量的水分，所以莖流速率是增長的趨勢。中午過后，果樹蒸騰作用逐漸減弱，因此莖流速率逐漸減小，從而耗水量逐漸減小，所以葉水勢又逐漸增大。

2.3 莖流速率日變化與土水勢的關系

由圖3可以看出，各不同灌水處理下一天內土水勢基本處于一個相對穩定的范圍內，土水勢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，這是由于果樹開始進行蒸騰作用，消耗掉自身大量的水分，這就需要從土壤中吸收水分來彌補，莖流速率會逐漸增大。中午過后，莖流速率開始變小，對土壤中水分的消耗隨之變小，所以土水勢基本保持一個較小的變化。

圖3 莖流速率日變化與土水勢的關系Fig.3 The relationship of stem flow rate change and soil water potential 注：實線表示莖流速率，虛線表示土水勢。

2.4 莖流速率日變化與土-葉水勢梯度的關系

由圖4可以看出，水勢梯度和莖流速率的變化規律都呈現先增大后減小的趨勢。11∶00左右莖流速率達到最大值，此后開始減小，但到13∶00左右仍然保持一個較大的速率。由于這一時段葉水勢仍然在不斷減小，而土水勢基本保持一個相對穩定的狀態，在土壤和葉片間會產生一個水勢梯度，因此11∶00-13∶00這一時間段水勢梯度仍然在增大，直到13∶00左右達到最大值。由于在莖流速率達到峰值后，蘋果樹為了補償自身的水分虧缺，通過降低葉水勢以增大土水勢與葉水勢之間的水勢差，進而從土壤中吸收大量的水分，所以13∶00左右葉水勢達到最小值，水勢梯度達到最大。然后葉水勢逐漸增大，水勢梯度逐漸減小。

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

從表4中可以得出，4種灌水處理下，兩者呈現出正相關的關系。但處理2水勢梯度與莖流速率是顯著相關的，處理4也表現出一定的相關性，而處理1與處理3這2種情況下兩者的相關性不明顯。通過回歸分析得出處理2條件下蘋果樹莖流速率與土-葉水勢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為水勢梯度，MPa；F為莖流速率，cm/s。

表4 不同灌水處理條件下莖流速率和水勢梯度的相關性分析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)為 0.01 時，相關性是顯著的；* 在置信度(雙測)為 0.05 時，相關性是顯著的。

2.5 蘋果樹莖流速率與氣象因子的關系

蘋果樹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有關以外，還會受到外界氣象因子的影響。為了研究氣象因子對莖流速率日變化影響的綜合效應，以灌水處理2為例進行分析，對莖流速率及氣象因子進行同步連續觀測。圖5～圖7分別為處理2條件下蘋果樹日莖流速率(F)與太陽總輻射(Rs)、大氣溫度(Tm)以及大氣相對濕度(RTh)的關系。從圖5、圖6中可以看出，蘋果樹日莖流速率分別隨著太陽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濕度的增大而減小。

圖5 莖流速率與太陽輻射的關系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系Fig.6 The relationship of stem flow rate change and atmospheric temperature

圖7 莖流速率與大氣相對濕度的關系Fig.7 The relationship of stem flow rate change and air relative humidity

經回歸分析得出莖流速率與3個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 論

本文通過對蓄水坑灌和地面灌溉2個方式下蘋果樹莖流速率日變化規律及莖流速率與其影響因子之間的相互關系的分析，得出以下結論。

(1)蓄水坑灌不同灌水處理條件下蘋果樹的莖流速率日變化呈“幾”字形，其中處理1灌水量最大，在各個生育期的莖流速率均高于其他處理。處理2和處理4未達到顯著性差異，但處理2的灌水量比處理4少560 L/株，表明相對于地面灌溉而言，蓄水坑灌具有節水保水的作用，同時得出處理2是相對合理的灌水處理。該結論基于一種水文年型蓄水坑灌下7 a生蘋果樹得出，還應進行不同水文年型、質地、品種下莖流速率的研究，進而豐富蓄水坑灌適用于不同條件下的灌水方案。

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

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

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