蓄水坑灌不同灌水上下限對蘋果樹葉片蒸騰日變化的影響

馬文云，孫西歡,2，馬娟娟，郭向紅，孟 瑋

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西晉中學院，山西 晉中 030619)

0 引 言

蒸騰作用作為植物生理特性的重要過程，是指一方面由根系從土壤中吸收水分，進入植物體內參與生理活動；另一方面其地上部分又不斷的以水蒸氣狀態散失水分[1,2]。植物葉片蒸騰速率是表征蒸騰作用的重要指標，它的變化能夠反映自身生長狀態以及對水分條件的響應，其變化規律受自身因素和外界因素共同影響：自身因素主要是氣孔導度、胞間CO2濃度等；外界因素主要是環境因素和土壤水分狀況等[3-5]。土壤水分是植物正常生長的必需條件，它對植物最直接的影響是通過根系吸水不斷供給蒸騰作用所需水分的能力[6,7]。同時土壤水分又會受到田間灌水量與灌水時間的影響，而灌水量與灌水時間是由灌水上下限決定的[8,9]。因此，灌水上下限影響著灌水量與灌水時間，從而影響土壤水分狀況，間接地影響植物蒸騰。相關研究[10-14]表明，合理的灌水上下限不僅會減少植物葉片過量的蒸騰，還會提高水分利用效率，這對節水灌溉的發展具有重要意義。

蘋果樹是需水量較大的植物，具有較高的經濟價值，是我國黃土高原地區種植的主要品種之一，然而由于該地區常年干旱少雨，降雨時空分布不均，水分供需矛盾突出，嚴重影響著經濟發展。為此，孫西歡[15]教授于1998年提出了一種中深層立體灌溉方式——蓄水坑灌法。該方法具有節水、保水、抗旱的特點。目前，蓄水坑灌關于蘋果樹葉片蒸騰的研究主要集中在不同灌溉方式與不同坑深條件下的對比[16,17]。但不同灌水上下限條件下葉片蒸騰變化的研究還未見報道。為此，本文通過測定蘋果樹葉片在3個不同灌水上下限條件下蒸騰日變化過程，對比葉片水分利用效率的差異，以期為當地蘋果樹生理研究以及制定合理的灌溉制度提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省農科院果樹研究所矮化蘋果園，該果園地處太谷縣西南部，東經112°32′，北緯37°23′，平均海拔781.9 m，年平均氣溫9.8 ℃，無霜期175 d，多年平均降雨量約460 mm，屬典型暖溫帶季風影響下的大陸性半干旱氣候。蘋果樹品種為三段砧木矮化型紅富士長富二號。土壤以壤土為主，容重為1.47 g/cm3。

1.2 試驗方案與設計

試驗選取長勢基本一致，無病蟲害的12棵蘋果樹作為材料，設置2種灌溉方式，蓄水坑灌與地面灌溉。蓄水坑灌下每棵樹周圍均勻對稱地挖4個蓄水坑，坑深40 cm，直徑30 cm。蓄水坑灌設置3個處理，T1：灌水上下限為田間持水量的80%與60%；T2：灌水上下限為田間持水量的90%與70%；T3：灌水上下限為田間持水量的100%與80%。地面灌溉為對照設置1個處理CK：灌水上下限為田間持水量的80%與60%。每個處理3次重復。計劃濕潤層均為120 cm。試驗于2018年4月初進行了田間布置，5月3日進行了第1次灌水，各處理的施肥以及田間管理方式相同。試驗設計方案見表1。

表1 試驗設計方案 %

1.3 測定項目與方法

(1)土壤含水率測定。土壤含水率采用TRIME-PICO-IPH管式TDR含水率監測管監測，每隔5～7 d測定一次，并在灌溉前、灌溉后1 d加測。測量深度為120 cm, 間隔20 cm。蓄水坑灌下的土壤含水率測點分為過坑軸線、不過坑軸線2個方向；地面灌溉土壤含水率測點為一條直線。田間布置見圖1。

圖1 田間工程布置示意圖(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of field engineering layout

(2)蒸騰作用日變化測定。在每顆果樹東南西北4個方向的中上部大致同一高度處各選擇1片健康成熟的葉片，采用Li6400 XT便攜式光合儀，分別于2018年5月23日、5月29日、6月5日的7∶00至17∶00，每隔2 h測定一次，每個葉片重復記錄3次數據。蒸騰作用測定參數包括蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Cond)、胞間CO2濃度(Ci)、葉面溫度(Tl)和基于葉溫的蒸汽壓虧缺(VpdL)等。大氣溫度(Ta)、大氣相對濕度(RH)和降雨量(P)由試驗地安裝的自動氣象站獲得。葉片水分利用效率(WUE)為凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(Tr)的比值。

在蒸騰作用測定中，以4個方向的葉片平均值作為該棵樹的測量值，以每個處理3顆樹的平均值作為該處理的測量值。

1.4 數據分析與處理

試驗數據采用Excel和SPSS軟件進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水上下限對灌水次數及土壤含水率的影響

影響蘋果樹生長發育的因素有很多，土壤水分狀況是其中最重要的因素之一。土壤水分伴隨時間、天氣、植物蒸騰與地面蒸發處于不斷的變化之中[8]。由表2與圖2可知：試驗期各處理計劃濕潤層平均土壤含水率在設計上下限范圍內動態變化，其中5月16日至23日變化幅度較小，這是因為期間有多次階段性降雨出現，累計57.40 mm，對土壤水分的消耗有所補償。蓄水坑灌處理T3的土壤含水率始終高于T1與T2，且比T1多灌水2次(640 L)，比T2多灌水1次(320 L)；這說明灌水上下限越高，土壤水分消耗得越快。地面灌溉對照處理CK比T1多灌水2次(640 L)，比T2多灌水1次(320 L)，表明地面灌溉的水分消耗比蓄水坑灌快得多，這是由于地面灌溉的土壤含水率在地表處較高，地表蒸發量大，而蓄水坑灌使得中深層土壤含水率增高，有效減少了地表蒸發[18]，體現出了蓄水坑灌法較強的保水能力。

圖2 不同處理計劃濕潤層平均土壤含水率動態變化Fig.2 Dynamic changes of planned moisture layer average soil water content in different treatment

2.2 不同處理蘋果樹葉片蒸騰速率及其影響因素日變化特征

2.2.1 蘋果樹葉片蒸騰速率日變化特征

由于5月23日、5月29日、6月5日的蘋果樹葉片蒸騰速率日變化趨勢基本一致，限于篇幅原因，現僅以5月29日為代表進行分析。圖3為各處理在5月29日的葉片蒸騰速率日變化曲線。由圖3可以看出：不同處理葉片蒸騰特征相似，呈單峰曲線，早上7∶00開始蒸騰速率較小，隨后持續增大，至13∶00達到峰值，午后又漸漸減小。其中T1處理峰值為4.54 mmol/(m2·s)，日變幅為3.36 mmol/(m2·s)，日平均蒸騰速率2.82 mmol/(m2·s)；T2處理峰值為4.97 mmol/(m2·s)，日變幅為3.71 mmol/(m2·s)，日平均蒸騰速率3.23 mmol/(m2·s)；T3處理峰值為5.33 mmol/(m2·s)，日變幅為3.82 mmol/(m2·s)，日平均蒸騰速率3.30 mmol/(m2·s)；CK處理峰值為4.78 mmol/(m2·s)，日變幅為3.15 mmol/(m2·s)，日平均蒸騰速率3.09 mmol/(m2·s)。日變幅的大小排序為T3>T2>T1>CK，日平均蒸騰速率的大小排序為T3>T2>CK>T1。由圖2可知當日土壤相對含水率大小排序為T3>T2>CK>T1，這說明灌水上下限越大，土壤含水率越高，蘋果樹葉片蒸騰速率越大。將土壤相對含水率和日平均蒸騰速率作相關性分析，可以得出，2者在0.01水平時顯著相關，且相關系數為0.901。

圖3 不同處理蘋果樹葉片蒸騰速率日變化Fig.3 The diurnal variation of transpiration rate of apple tree leaves in different treatment

為進一步說明不同處理蘋果樹葉片蒸騰速率之間的差異，對蒸騰速率的日平均值作單因素方差分析(見圖4)。可以看出：蓄水坑灌條件下，T1與T2、T3都有顯著性差異，而T2、T3之間沒有顯著性差異，這說明隨著灌水上下限的增大，蘋果樹葉片日平均蒸騰速率的增長幅度有所下降；地面灌溉對照處理CK的日平均蒸騰速率比T1大0.27 mmol/(m2·s)，但沒有顯著性差異，結合2.1的結論可以進一步得出，地面灌溉條件下地表蒸發耗水量大。

圖4 不同處理蘋果樹葉片日平均蒸騰速率差異性分析Fig.4 Analysis of average daily transpiration rate of apple tree leaves in different treatment

2.2.2 蘋果樹葉片蒸騰速率影響因素日變化特征

蘋果樹葉片蒸騰會受到自身因素和外界因素共同影響，如氣孔導度、胞間CO2濃度、葉面溫度、基于葉溫的蒸汽壓虧缺、大氣相對濕度 、大氣溫度等[4]。圖5為5月29日各影響因素的日變化曲線。圖5(a)為氣孔導度日變化，呈單峰曲線，各處理7∶00-13∶00呈逐漸增大的趨勢，13∶00之后逐漸減小。圖5(b)為胞間CO2濃度日變化，都呈“U”形曲線，早晨7∶00左右較大，之后逐漸減小，11∶00達到低谷，隨后緩慢增大。圖5(c)葉面溫度日變化與圖5(d)基于葉溫的蒸汽壓虧缺相似，都呈單峰曲線，早晨7∶00左右較小，隨后緩慢增大，于 13∶00達到峰值，而后降低。圖5(e)大氣相對濕度早晨7∶00左右最大，之后平緩降低，直至15∶00左右開始回升，這與圖5(f)大氣溫度日變化呈明顯負相關。綜合圖3、圖5分析可知：早晨7∶00大氣溫度低，空氣相對濕度大，氣孔導度較小，這一時刻各處理蒸騰速率都較低。7∶00-9∶00，T1、T2、T3蒸騰速率快速增大，CK的增長速度相對較緩，致使9∶00時CK處理蒸騰速率遠小于其他處理，這是由于這一時段CK的氣孔導度遠小于其他處理，限制了水分的進出。9∶00-11∶00，隨著大氣溫度和葉面溫度的升高、相對濕度降低，氣孔導度變大，胞間CO2濃度逐漸降至最低，基于葉溫的蒸汽壓虧缺急劇增大，各處理蒸騰速率持續增大；11∶00-13∶00增長幅度相對較緩，到13∶00左右，達到了一天中的最大值，其中T3最大[5.33 mmol/(m2·s)]，這是由于T3處理灌水上下限最高，土壤含水率最高，蒸騰潛力最大。13∶00-15∶00，隨著大氣溫度和葉面溫度的降低、氣孔導度變小，胞間CO2濃度逐漸增大，基于葉溫的蒸汽壓虧缺降低，各處理蒸騰速率都開始降低，15∶00-17∶00蒸騰速率持續下降。

圖5 各影響因素日變化 Fig.5 Daily variation of each influencing factor

2.2.3 蘋果樹葉片蒸騰速率與影響因素的相關分析及逐步回歸分析

為量化各影響因素對蘋果樹葉片蒸騰速率的影響程度，將蒸騰速率與各影響因素作相關分析，結果見表3。可以看出：各處理蘋果樹葉片蒸騰速率均與Cond、Tl、Ta呈顯著正相關，與Ci呈顯著負相關，這與王穎苗等[17]得出的結論相似。其中T2的葉片蒸騰速率與Cond的相關性達到極顯著水平，CK的葉片蒸騰速率與Cond、Ci的相關性達到極顯著水平。對各處理主要影響因素的相關系數絕對值大小排序為：T1，Cond>Ta>Tl>Ci；T2，Cond>Ci>Ta>Tl；T3，Ci>Cond>Ta>Tl；CK，Cond>Ci>Ta>Tl。可以得出，除T3的最大影響因素是Ci外，其余處理都是Cond，這是因為較T3處理，其余處理灌水上下限低，土壤含水率低，氣孔還未完全開放，Cond成為了限制葉片蒸騰速率的最大影響因素；而T3處理灌水上下限高，土壤含水率高，氣孔開放程度達到最大，此時限制葉片蒸騰速率的最大影響因素不再是Cond，而是Ci。將蘋果樹葉片蒸騰速率與各影響因素作多元逐步回歸分析，得到模型方程(見表4)，蓄水坑灌處理T1、T2以Cond和Tl為主導因子，而T3以Ci為主導因子；地面灌溉對照處理以Cond為主導因子。

2.3 不同處理蘋果樹葉片水分利用效率日變化

圖6為各處理蘋果樹葉片凈光合速率日變化曲線。由圖6知：各處理蘋果樹葉片凈光合速率日變化均為單峰曲線，且除地面灌溉處理峰值出現在11∶00[CK， 12.60 μmol/(m2·s)]外，其余蓄水坑灌處理均在上午9∶00達到峰值[T1，13.66 μmol/(m2·s)；T2，15.74 μmol/(m2·s)；T3，13.91 μmol/(m2·s)]之后逐漸降低至17∶00達到最低值。日平均凈光合速率大小排序為T3[10.29 μmol/(m2·s)]>T2[10.13 μmol/(m2·s)]>T1[10.11 μmol/(m2·s)]>CK[8.95 μmol/(m2·s)] 。由圖7蘋果樹葉片水分利用效率日變化曲線知：各處理蘋果樹葉片水分利用效率日變化均呈現出先降低后升高的趨勢，其中7∶00-13∶00呈下降趨勢，13∶00后開始緩慢回升，但CK處理上升不明顯。日平均葉片水分利用效率大小排序為T1(4.16 μmol/mmol)>T2(3.69 μmol/mmol)>T3(3.60 μmol/mmol)>CK(3.11 μmol/mmol)。

表3 蘋果樹葉片蒸騰速率與影響因素的相關分析Tab.3 The correlation analysis of transpiration rate and influencing factors of apple tree leaves

注：**為相關性極顯著(P<0.01), *為相關性顯著(P<0.05)。

表4 蘋果樹葉片蒸騰速率與影響因子的逐步回歸方程Tab.4 The stepwise regression equation transpiration rate and influencing factors of apple tree leaves

圖6 葉片凈光合速率日變化Fig.6 Daily variation of net photosynthetic rate

圖7 葉片水分利用效率日變化Fig.7 Daily variation of leaf water use efficiency

為進一步說明不同處理葉片水分利用效率的差異，通過SPSS對日平均葉片凈光合速率與日平均葉片水分利用效率分別作單因素方差分析，結果見表5。結合表2與圖2、圖4分析如下：地面灌溉對照處理CK在灌水量3倍于T1的情況下，其日平均凈光合速率和葉片水分利用效率都顯著小于T1，這是因為地面灌溉土壤水分分布較淺[18]，地面蒸發與葉片蒸騰都相對較大，耗水較多，同時也說明蓄水坑灌節水效果顯著且利于植物光合作用。蓄水坑灌處理T2與T3的日平均凈光合速率都大于T1，但均未與T1形成顯著差異，由于其日平均蒸騰速率均顯著大于T1，導致日平均葉片水分利用效率顯著小于T1。這是因為隨著灌水上下限的增大，葉片蒸騰速率比凈光合速率增大的幅度大。

表5 不同處理日平均凈光合速率和水分利用效率的差異性分析Tab.5 Analysis of average daily net photosynthetic rate and water use efficiency in different treatment

注：同一列數據后的小寫字母不同表示達到0.05水平的顯著性差異。

在試驗期內T2比T1多灌水1次(320 L)的情況下，日平均凈光合速率只比T1大 0.02 mmol/(m2·s)，而日平均葉片水分利用效率卻比T1小0.47 μmol/mmol；T3在比T1多灌水2次(640 L)的情況下，日平均凈光合速率只比T1大 0.18 mmol/(m2·s)，而日平均葉片水分利用效率卻比T1小0.56 μmol/mmol。這進一步說明，灌水上下限的增大沒有顯著提高葉片的凈光合速率，卻降低了葉片水分利用效率。綜上所述，T1節水效果最為顯著。

3 結 論

(1)不同灌水上下限條件下蘋果樹葉片蒸騰速率日變化特征基本一致，峰值均出現在13∶00。蓄水坑灌隨著灌水上下限的增大，日平均蒸騰速率增大，日平均凈光合速率也增大，但由于凈光合速率的增大幅度較小，導致日平均水分利用效率的減小。綜合蘋果樹葉片蒸騰、光合及水分利用效率，T1為該時期節水效果最顯著的處理。

(2)蘋果樹葉片蒸騰速率與土壤含水率呈極顯著正相關。各處理葉片蒸騰速率日變化與氣孔導度、葉面溫度、大氣溫度的呈日變化顯著正相關，與胞間CO2濃度呈顯著負相關。

(3)蒸騰變化規律能夠在一定程度上反映植物生長狀態以及對水分條件的響應[2]。蓄水坑灌隨著灌水上下限的增大，土壤含水率會隨之增大，葉片蒸騰速率相應增大，導致植物葉片過量蒸騰。所以合理的灌水上下限是在不降低光合作用前提下，蒸騰較小的灌水處理，這樣既提高了植物的水分利用效率，又達到了節水的目的。