引黃灌區蘋果樹液流規律及與微氣象因子響應關系

萬 發， 吳文勇， 喻黎明， 廖人寬， 王 勇

(1.長沙理工大學水利工程學院，410114，長沙；2.中國水科院，100048，北京)

我國農業用水量占總用水的比例61.2%，灌溉水利用系數為0.559[1]，灌溉水利用系數與先進國家水平相比還有較大差距。果品的生產是現代都市農業的主要發展形勢之一，研究果園耗水規律、建立科學灌溉制度是提高灌溉水利用效率的有效途徑，同時也可有效指導果品的豐產、高產。蘋果是我國北方廣泛種植的果樹，其耗水規律的研究對于北方農業用水利用效率的提升意義重大。同時蘋果樹耗水作用與當地氣候相結合作用下，其耗水對于土壤水分的作用需要進行研究，尤其是長年降雨量低于耗水時會造成的土壤干化現象，在當地常規灌溉制度下的耗水與補水關系研究，有利評估當地果園土壤水分利用情況，確保土壤保持較好的水分條件。

蘋果園耗水主要由蒸騰耗水與棵間蒸發為主，其中蒸騰耗水規律的研究主要采用莖液流法，果樹液流規律與氣象因子之間的相關性是國內外研究熱點[2]。蘋果蒸騰耗水規律的研究成果已多見報道，丁日升[3]指出西北地區蘋果樹白天液流成多峰型，夜晚液流趨近與恒定值；王力等[4]認為黃土原區蘋果液流規律在晴天和陰天條件下均成單峰型，夜間夜流不為0，前半夜液流主要用于樹干補水；也有學者研究認為蘋果液流在晴天成單峰，陰天主要成多峰[5-7]，陳凱[8]研究表明山東地區蘋果蒸騰耗水規律22:00—翌日06:00液流停止。樹干液流的研究報道較多，但是關于蘋果樹干液流與氣象因子之間相關性的較少。王艷萍[9]研究認為蘋果樹干液流與水氣壓差的相關性最高，Liu等[10]研究認為蘋果生長季內2個階段主要影響因素為水汽壓差和參照蒸散量，龔道枝[11]研究認為影響生育期內蘋果樹干液流速率的主要因子為凈輻射。綜上所述，不同學者對不同地區蘋果液流變化規律及與微氣候因子的響應關系研究結論存在差異，因此筆者針對引黃灌區蘋果樹液流規律開展以下2方面研究：1)闡明生長季蘋果樹干蒸騰耗水規律；2)揭示蘋果樹干液流密度與氣象因子之間的響應關系。

1 研究區概況

試驗區位于山西省運城市尊村引黃灌區五級提水站，屬暖溫帶大陸性季風氣候，全市歷年平均氣溫為13.1 ℃，全市多年平均年降水量573.6 mm，多年平均蒸發量為1 240 mm，試驗區以砂質壤土為主，田間持水量為21%(質量)。

2 材料與方法

2.1 試驗設置與方法

試驗區蘋果園為6年生紅富士蘋果(Maluspumila)，面積為11畝(1畝=0.067 hm2)，東西走向，長290 m，寬25.3 m，株行距為2.4 m×2.4 m。在果園中部區域隨機選擇具有保護行、無病蟲害、長勢良好且相近的2棵蘋果樹作為試驗對象，灌溉方式為畦灌，灌溉制度為1年6次，分別為冬灌11月、春灌2月、生長季6、7、8、9月各1次，每次灌水定額為69 mm。分別在每個植株樹干距地面50 cm處正西方安裝一個熱擴散探針(thermal diffusion probe, TDP)式樹干莖流計DT80 (Datataker，Australia)+TDP30 (Dynamax，USA)，數據通道分別記為TC1和TC2，采用錫箔紙包裹以減弱環境因素對探針數據的影響，并對其采取一定的防雨和防曬措施，每隔15 min自動采集一組數據，每月2次導出樹干莖流信息，觀測時間為2016年2月20日至2016年9月30日。于果園正南1 700 m提水泵站內無遮擋開闊地帶安放小型氣象站Davis pro2 (Davis, USA)，監測降雨量、輻射、溫濕度、風速和風向等氣象信息，數據每10 min計算平均值并存儲。水汽壓虧缺計算方法如下：

(1)

式中：VPD為水汽壓虧缺，kPa；T為氣溫，℃；RH為相對濕度，%。

2.2 數據處理計算

樹干液流計算根據Grainer定義的量綱為1的常數K計算得出，計算公式如下：

K=(ΔTm-ΔT)/ΔT；

(2)

V=0.011 9K1.231；

(3)

F=3 600AsV。

(4)

TC1 represents the trunk circulation of the first apple tree; TC2 represents the trunk circulation of the second apple tree圖1 蘋果生長季樹干液流速率變化情況Fig.1 Variations of sap flow rate in apple trunk during growth period

式中：K為參數，量綱為1；ΔTm為2熱電藕間最大溫差，℃；ΔT為瞬時2熱電藕間溫差，℃，由探頭所測的電壓信號除以常數0.04計算得出；V為實際液流速率，cm/s；F為邊材液流通量，g/h；As為邊材面積，cm2。

蒸騰計算公式：

Q=Ft。

(5)

式中：Q為液流量，g；t為時間，h。

標準化液流密度計算公式：

(6)

式中：V′n為標準化液流密度，量綱為1；F1～Fn為計算范圍內不同時刻邊材液流通量，g/h。

3 結果與分析

3.1 蘋果生長季莖液流變化特征

圖1為TC1和TC2 2通道內全生育期每小時內液流速率的變化規律，最大液流速率值發生在TC1的5月18日，最大值為2 458.77 g/h，最小值為2.07 g/h，發生在TC1的3月27日。圖2所示為TC1生育期內液流月均值在一天內的變化規律，可知，在2、3和4月內的液流在午后出現一個大幅下降的休止期后在太陽下山后又開始增加，這種午后液流休止的趨勢隨時間的變化而開始減緩，并在5月不在出現，從5月開始，液流速率在中午達到最大值后保持較高的液流速率緩慢下降。圖3為TC1在全生育期內的蒸騰耗水量變化規律，TC1蘋果樹的蒸騰耗水成明顯的季節性變化，2至9月內的總蒸騰耗水量為685.8 mm，蘋果蒸騰耗水量的高峰期發生在7、8月及9月。當地多年平均降雨量約為573 mm，低于耗水量，當地引黃灌溉制度下，每年可補充灌溉420 mm，降雨量和補充灌溉量總和高于耗水量，表面在該地區的灌溉制度下，土壤不會形成干化效應，保持著較好的水分條件。

圖2 生長期內月每天均值逐小時液流速率變化Fig.2 Daily mean hourly sap flow rate changes in different month during the growing period

圖3 TC1各月蒸騰總量變化Fig.3 Total transpiration of TC1 varies in different months

3.2 蘋果晴天和陰雨天液流密度日內變化規律

蘋果生長期內的樹干液流日變化，表現出明顯晝夜變化規律，如圖4液流密度在日變化過程中呈單峰變化。由于果樹自身生長狀況、氣象條件、土壤水分等因素的不同，樹干液流的啟動、結束、最大值及其出現時間各不相同，最大值為7月份15 g/(cm2·h)。蘋果生長季的夜晚液流均不為0，本結論與續海紅等[7]和孟秦倩等[12]的結論一致，雖然在夜間光照輻射強度變為0，但是由于氣溫、風速、相對濕度等環境因素的影響，樹干的液流速率在夜間仍然保持著微弱的液流[13]。

蘋果液流密度各月的典型晴天條件下的最大值和最大值的時間有所區別，液流密度在6、7月白天啟動時間最早，于08:00開始，增長速度也最快，最大值分別為每小時12、15 g/cm2，主要原因為6、7月份的葉片發育成熟，外界氣溫較高，白天光照輻射強。早晨太陽輻射弱，氣溫低，液流量上升緩慢；隨著太陽輻射的逐漸增強，氣溫逐漸升高，空氣相對濕度逐漸降低，液流量逐漸增大，10:00—14:00 達到最高值。隨后太陽輻射強度逐漸減弱，溫度逐漸降低，空氣相對濕度逐漸升高，液流在20：00左右減弱到最小值，此時光照輻射為0，但液流并未停止。夜間液流速率峰值為白頭峰值的30%，這與胡楊樹夜間液流規律相似[14]，這種情況有2個原因：1)蘋果夜間仍然存在蒸騰活動；2)由于白天樹冠的強烈蒸騰活動而導致樹體內儲水減少，在樹體內產生葉片-冠-根的水勢差，從而導致在無光照條件下根系繼續吸水以補充白天蒸騰消耗的水分，形成夜間的補償流[15-16]。

圖4 2016年各月中典型晴天蘋果樹干液流 密度日變化特征Fig.4 Characteristics of diurnal variation of apple trunk sap flow density in typical sunny days in each month of 2016

從蘋果生長季3—10月中選取7月作為典型進行分析，7月晴天和陰雨天氣條件下的蘋果樹樹干液流密度如圖5。晴天和陰雨天氣條件下蘋果樹干液流密度均呈明顯晝夜變化規律，白天高，夜晚低。液流曲線夜間不為0，保持微弱液流。晴天條件下的液流變化規律同上分析，在陰雨天天氣條件下，全天太陽輻射較弱，氣溫相對較低，空氣濕度相對較大，使蘋果樹干液流明顯低于晴天。陰雨天液流在白天日出時達到峰值和降低到最低值時的時間比晴天晚1 h，且從08:00啟動后的液流增長較晴天緩慢，午后的下降趨勢也較為緩慢，液流峰值和均值均較低。

3.3 樹干液流密度與氣象因子之間的相應關系

液流與氣象因子雙變量相關性分析結果如表1所示，蘋果樹干液流密度與環境氣象各因子之間均存在不同程度相關性。液流密度與各因子相關性高低排序為水汽壓虧缺>氣溫>光照>相對濕度>風速，液流密度與降雨之間無相關性。液流密度與水氣壓虧缺之間為負相關，即水氣壓虧缺越大，液流速率越小，光照、氣溫、相對濕度與液流密度均為正相關，光照強烈、氣溫高、相對濕度越大液流密度越大。

圖5 不同天氣條件下蘋果日液流密度變化特征Fig.5 Characteristics of sap flow density variation of apple on different weather conditions

表1 基于15 min間隔監測密度的環境變量和液流密度相關性分析

分別對白天和夜晚的標準化液流密度和主要氣象因子之間相關性進行分析(表2)。標準化液流密度白天對4個因子相關性比全期和晚上高，白天主要受水氣壓虧缺、氣溫、光照影響，在晚上主要由相對濕度和水氣壓虧缺影響。參照徐世琴等[17-19]對梭梭、白刺、沙拐棗3種植物的夜間環境因素VPD和風速對于樹干液流的特征的解釋率較低而推出蒸騰和補水作用，此處蘋果白天主要影響蒸騰的因素VPD和氣溫在夜晚時對蘋果液流速率的解釋率都較低，表明夜晚樹干液流主要是由于補水作用而非蒸騰作用。

用曲線按時間連接液流密度時均值和對應各氣象因子的散點圖，形成的遲滯圈如圖6所示，液流密度對于氣溫和水汽壓虧缺的響應關系為順時針環狀，相同氣溫和水汽壓虧缺下，上午液流密度比下午大，主要原因是中午的高溫和強烈的蒸騰需求導致葉片氣孔在下午開始關閉而導致蒸騰作用的減弱。液流密度對于相對濕度的響應關系則為逆時針，相同的相對濕度條件下，隨著光照增強，氣溫逐漸升高，相對濕度降低蒸騰作用卻越來越強，在下午氣孔開始關閉是相對濕度達到最低值，隨后慢慢升高。液流密度對于光照的順時針環狀，對稱性較差，在夜間保持微弱液流，并在上午光照持續增強時出現一個較小回落，主要由于影響夜間蒸騰拉力的主要因素在此時變換為日間主要的影響因素。

表2 白天和夜晚標準液流密度與主氣象因子相關性

圖6 蘋果樹干液流密度日變化對各氣象因子的響應關系Fig.6 Response of diurnal variation of apple trunk sap flow density to various meteorological factors

蘋果液流與環境因子之間的非對稱響應現象本質是液流現象是樹干內水分傳輸的反映，果樹體內有一定的儲水能力[20]，瞬時液流密度與實際蒸騰速率并不能完全對應，即液流量存在一定的時滯效應[21]。光合輻射和水汽壓虧缺是影響樹干液流的主要環境因素，光輻射與葉片氣孔導度之間存在正相關關系，光輻射的增強導致蒸騰作用的增加，水汽壓虧缺對于液流也存在負效應[22]，氣孔導度隨著水汽壓虧缺的明顯上升而呈自然對數形式降低，逐漸降低蒸騰作用[23-24]。光合輻射，水汽壓虧缺和氣溫等環境驅動因子對于蒸騰作用是同時產生效應，單個因子對于液流變化的分析難以準確表征它們之間的真實關系，要真正區分各環境因子對于蒸騰影響的作用和貢獻是比較困難[25]?？偠灾?，各氣象因子之間相互影響、相互制約、相互作用從而對樹干液流產生影響。

4 結論

1)引黃灌區蘋果樹生育期內液流蒸騰耗水總量為685.8 mm，液流蒸騰耗水量總體趨勢隨著生育期的增加而增加，在7、8、9月蒸騰耗水量均較大，應當及時根據氣象變化監測土壤水分情況，及時補充灌溉。在當地灌溉制度下，蘋果園的種植不會造成當地土壤干化現象，可以較好保持土壤水分特性。

2)蘋果樹干液流速率日變化在晴天和陰雨天氣條件下均呈明顯的晝夜變化的單峰曲線。但由于受天氣的影響，不同天氣條件下蘋果樹干液流速率的日變化規律存在一定的差異。晴天液流啟動早，液流速率大；陰雨天液流啟動晚1 h，液流速率為晴天的60%～70%。蘋果樹在夜間保持一定的液流速率，蘋果夜間液流和日間液流的主要驅動因子并不相同，白天的驅動因子主要為溫度、光照等導致的蒸騰活動，而夜晚的主要驅動因子為夜間的補水作用，在主要驅動因子的交替變化中液流密度會有小幅度降低。

3)水氣壓虧缺是光合作用的驅動力，影響氣孔的開放程度，進而影響到蒸騰作用的強弱，太陽輻射對蒸騰作用起著決定的作用。而晴天太陽輻射強，光照充足，葉片生理活性強，光合速率和蒸騰速率高，蒸騰拉力大。空氣溫度影響葉片氣孔開放程度。液流密度與水汽壓虧缺和氣溫因素的非對稱響應較大，水汽壓虧缺和氣溫達到最大值時液流密度則開始降低。