引黃灌區(qū)蘋果樹液流規(guī)律及與微氣象因子響應(yīng)關(guān)系

萬(wàn) 發(fā)， 吳文勇， 喻黎明， 廖人寬， 王 勇

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，410114，長(zhǎng)沙；2.中國(guó)水科院，100048，北京)

我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量占總用水的比例61.2%，灌溉水利用系數(shù)為0.559[1]，灌溉水利用系數(shù)與先進(jìn)國(guó)家水平相比還有較大差距。果品的生產(chǎn)是現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展形勢(shì)之一，研究果園耗水規(guī)律、建立科學(xué)灌溉制度是提高灌溉水利用效率的有效途徑，同時(shí)也可有效指導(dǎo)果品的豐產(chǎn)、高產(chǎn)。蘋果是我國(guó)北方廣泛種植的果樹，其耗水規(guī)律的研究對(duì)于北方農(nóng)業(yè)用水利用效率的提升意義重大。同時(shí)蘋果樹耗水作用與當(dāng)?shù)貧夂蛳嘟Y(jié)合作用下，其耗水對(duì)于土壤水分的作用需要進(jìn)行研究，尤其是長(zhǎng)年降雨量低于耗水時(shí)會(huì)造成的土壤干化現(xiàn)象，在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌溉制度下的耗水與補(bǔ)水關(guān)系研究，有利評(píng)估當(dāng)?shù)毓麍@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(fā)為主，其中蒸騰耗水規(guī)律的研究主要采用莖液流法，果樹液流規(guī)律與氣象因子之間的相關(guān)性是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[2]。蘋果蒸騰耗水規(guī)律的研究成果已多見報(bào)道，丁日升[3]指出西北地區(qū)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(rèn)為黃土原區(qū)蘋果液流規(guī)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(bǔ)水；也有學(xué)者研究認(rèn)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(qū)蘋果蒸騰耗水規(guī)律22:00—翌日06:00液流停止。樹干液流的研究報(bào)道較多，但是關(guān)于蘋果樹干液流與氣象因子之間相關(guān)性的較少。王艷萍[9]研究認(rèn)為蘋果樹干液流與水氣壓差的相關(guān)性最高，Liu等[10]研究認(rèn)為蘋果生長(zhǎng)季內(nèi)2個(gè)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(rèn)為影響生育期內(nèi)蘋果樹干液流速率的主要因子為凈輻射。綜上所述，不同學(xué)者對(duì)不同地區(qū)蘋果液流變化規(guī)律及與微氣候因子的響應(yīng)關(guān)系研究結(jié)論存在差異，因此筆者針對(duì)引黃灌區(qū)蘋果樹液流規(guī)律開展以下2方面研究：1)闡明生長(zhǎng)季蘋果樹干蒸騰耗水規(guī)律；2)揭示蘋果樹干液流密度與氣象因子之間的響應(yīng)關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省運(yùn)城市尊村引黃灌區(qū)五級(jí)提水站，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)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(fā)量為1 240 mm，試驗(yàn)區(qū)以砂質(zhì)壤土為主，田間持水量為21%(質(zhì)量)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)置與方法

試驗(yàn)區(qū)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(zhǎng)290 m，寬25.3 m，株行距為2.4 m×2.4 m。在果園中部區(qū)域隨機(jī)選擇具有保護(hù)行、無(wú)病蟲害、長(zhǎng)勢(shì)良好且相近的2棵蘋果樹作為試驗(yàn)對(duì)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(zhǎng)季6、7、8、9月各1次，每次灌水定額為69 mm。分別在每個(gè)植株樹干距地面50 cm處正西方安裝一個(gè)熱擴(kuò)散探針(thermal diffusion probe, TDP)式樹干莖流計(jì)DT80 (Datataker，Australia)+TDP30 (Dynamax，USA)，數(shù)據(jù)通道分別記為TC1和TC2，采用錫箔紙包裹以減弱環(huán)境因素對(duì)探針數(shù)據(jù)的影響，并對(duì)其采取一定的防雨和防曬措施，每隔15 min自動(dòng)采集一組數(shù)據(jù)，每月2次導(dǎo)出樹干莖流信息，觀測(cè)時(shí)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(nèi)無(wú)遮擋開闊地帶安放小型氣象站Davis pro2 (Davis, USA)，監(jiān)測(cè)降雨量、輻射、溫濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等氣象信息，數(shù)據(jù)每10 min計(jì)算平均值并存儲(chǔ)。水汽壓虧缺計(jì)算方法如下：

(1)

式中：VPD為水汽壓虧缺，kPa；T為氣溫，℃；RH為相對(duì)濕度，%。

2.2 數(shù)據(jù)處理計(jì)算

樹干液流計(jì)算根據(jù)Grainer定義的量綱為1的常數(shù)K計(jì)算得出，計(jì)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(zhǎng)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(shù)，量綱為1；ΔTm為2熱電藕間最大溫差，℃；ΔT為瞬時(shí)2熱電藕間溫差，℃，由探頭所測(cè)的電壓信號(hào)除以常數(shù)0.04計(jì)算得出；V為實(shí)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(jì)算公式：

Q=Ft。

(5)

式中：Q為液流量，g；t為時(shí)間，h。

標(biāo)準(zhǔn)化液流密度計(jì)算公式：

(6)

式中：V′n為標(biāo)準(zhǔn)化液流密度，量綱為1；F1～Fn為計(jì)算范圍內(nèi)不同時(shí)刻邊材液流通量，g/h。

3 結(jié)果與分析

3.1 蘋果生長(zhǎng)季莖液流變化特征

圖1為TC1和TC2 2通道內(nèi)全生育期每小時(shí)內(nèi)液流速率的變化規(guī)律，最大液流速率值發(fā)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(fā)生在TC1的3月27日。圖2所示為TC1生育期內(nèi)液流月均值在一天內(nèi)的變化規(guī)律，可知，在2、3和4月內(nèi)的液流在午后出現(xiàn)一個(gè)大幅下降的休止期后在太陽(yáng)下山后又開始增加，這種午后液流休止的趨勢(shì)隨時(shí)間的變化而開始減緩，并在5月不在出現(xiàn)，從5月開始，液流速率在中午達(dá)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(nèi)的蒸騰耗水量變化規(guī)律，TC1蘋果樹的蒸騰耗水成明顯的季節(jié)性變化，2至9月內(nèi)的總蒸騰耗水量為685.8 mm，蘋果蒸騰耗水量的高峰期發(fā)生在7、8月及9月。當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅考s為573 mm，低于耗水量，當(dāng)?shù)匾S灌溉制度下，每年可補(bǔ)充灌溉420 mm，降雨量和補(bǔ)充灌溉量總和高于耗水量，表面在該地區(qū)的灌溉制度下，土壤不會(huì)形成干化效應(yīng)，保持著較好的水分條件。

圖2 生長(zhǎng)期內(nèi)月每天均值逐小時(shí)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(nèi)變化規(guī)律

蘋果生長(zhǎng)期內(nèi)的樹干液流日變化，表現(xiàn)出明顯晝夜變化規(guī)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(zhǎng)狀況、氣象條件、土壤水分等因素的不同，樹干液流的啟動(dòng)、結(jié)束、最大值及其出現(xiàn)時(shí)間各不相同，最大值為7月份15 g/(cm2·h)。蘋果生長(zhǎng)季的夜晚液流均不為0，本結(jié)論與續(xù)海紅等[7]和孟秦倩等[12]的結(jié)論一致，雖然在夜間光照輻射強(qiáng)度變?yōu)?，但是由于氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度等環(huán)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(shí)間有所區(qū)別，液流密度在6、7月白天啟動(dòng)時(shí)間最早，于08:00開始，增長(zhǎng)速度也最快，最大值分別為每小時(shí)12、15 g/cm2，主要原因?yàn)?、7月份的葉片發(fā)育成熟，外界氣溫較高，白天光照輻射強(qiáng)。早晨太陽(yáng)輻射弱，氣溫低，液流量上升緩慢；隨著太陽(yáng)輻射的逐漸增強(qiáng)，氣溫逐漸升高，空氣相對(duì)濕度逐漸降低，液流量逐漸增大，10:00—14:00 達(dá)到最高值。隨后太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸減弱，溫度逐漸降低，空氣相對(duì)濕度逐漸升高，液流在20：00左右減弱到最小值，此時(shí)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(guī)律相似[14]，這種情況有2個(gè)原因：1)蘋果夜間仍然存在蒸騰活動(dòng)；2)由于白天樹冠的強(qiáng)烈蒸騰活動(dòng)而導(dǎo)致樹體內(nèi)儲(chǔ)水減少，在樹體內(nèi)產(chǎn)生葉片-冠-根的水勢(shì)差，從而導(dǎo)致在無(wú)光照條件下根系繼續(xù)吸水以補(bǔ)充白天蒸騰消耗的水分，形成夜間的補(bǔ)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(zhǎng)季3—10月中選取7月作為典型進(jìn)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(guī)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(guī)律同上分析，在陰雨天天氣條件下，全天太陽(yáng)輻射較弱，氣溫相對(duì)較低，空氣濕度相對(duì)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(shí)達(dá)到峰值和降低到最低值時(shí)的時(shí)間比晴天晚1 h，且從08:00啟動(dòng)后的液流增長(zhǎng)較晴天緩慢，午后的下降趨勢(shì)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(yīng)關(guān)系

液流與氣象因子雙變量相關(guān)性分析結(jié)果如表1所示，蘋果樹干液流密度與環(huán)境氣象各因子之間均存在不同程度相關(guān)性。液流密度與各因子相關(guān)性高低排序?yàn)樗麎禾澣?氣溫>光照>相對(duì)濕度>風(fēng)速，液流密度與降雨之間無(wú)相關(guān)性。液流密度與水氣壓虧缺之間為負(fù)相關(guān)，即水氣壓虧缺越大，液流速率越小，光照、氣溫、相對(duì)濕度與液流密度均為正相關(guān)，光照強(qiáng)烈、氣溫高、相對(duì)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(jiān)測(cè)密度的環(huán)境變量和液流密度相關(guān)性分析

分別對(duì)白天和夜晚的標(biāo)準(zhǔn)化液流密度和主要?dú)庀笠蜃又g相關(guān)性進(jìn)行分析(表2)。標(biāo)準(zhǔn)化液流密度白天對(duì)4個(gè)因子相關(guān)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(duì)濕度和水氣壓虧缺影響。參照徐世琴等[17-19]對(duì)梭梭、白刺、沙拐棗3種植物的夜間環(huán)境因素VPD和風(fēng)速對(duì)于樹干液流的特征的解釋率較低而推出蒸騰和補(bǔ)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(shí)對(duì)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(bǔ)水作用而非蒸騰作用。

用曲線按時(shí)間連接液流密度時(shí)均值和對(duì)應(yīng)各氣象因子的散點(diǎn)圖，形成的遲滯圈如圖6所示，液流密度對(duì)于氣溫和水汽壓虧缺的響應(yīng)關(guān)系為順時(shí)針環(huán)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(qiáng)烈的蒸騰需求導(dǎo)致葉片氣孔在下午開始關(guān)閉而導(dǎo)致蒸騰作用的減弱。液流密度對(duì)于相對(duì)濕度的響應(yīng)關(guān)系則為逆時(shí)針，相同的相對(duì)濕度條件下，隨著光照增強(qiáng)，氣溫逐漸升高，相對(duì)濕度降低蒸騰作用卻越來越強(qiáng)，在下午氣孔開始關(guān)閉是相對(duì)濕度達(dá)到最低值，隨后慢慢升高。液流密度對(duì)于光照的順時(shí)針環(huán)狀，對(duì)稱性較差，在夜間保持微弱液流，并在上午光照持續(xù)增強(qiáng)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)較小回落，主要由于影響夜間蒸騰拉力的主要因素在此時(shí)變換為日間主要的影響因素。

表2 白天和夜晚標(biāo)準(zhǔn)液流密度與主氣象因子相關(guān)性

圖6 蘋果樹干液流密度日變化對(duì)各氣象因子的響應(yīng)關(guān)系Fig.6 Response of diurnal variation of apple trunk sap flow density to various meteorological factors

蘋果液流與環(huán)境因子之間的非對(duì)稱響應(yīng)現(xiàn)象本質(zhì)是液流現(xiàn)象是樹干內(nèi)水分傳輸?shù)姆从?，果樹體內(nèi)有一定的儲(chǔ)水能力[20]，瞬時(shí)液流密度與實(shí)際蒸騰速率并不能完全對(duì)應(yīng)，即液流量存在一定的時(shí)滯效應(yīng)[21]。光合輻射和水汽壓虧缺是影響樹干液流的主要環(huán)境因素，光輻射與葉片氣孔導(dǎo)度之間存在正相關(guān)關(guān)系，光輻射的增強(qiáng)導(dǎo)致蒸騰作用的增加，水汽壓虧缺對(duì)于液流也存在負(fù)效應(yīng)[22]，氣孔導(dǎo)度隨著水汽壓虧缺的明顯上升而呈自然對(duì)數(shù)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(huán)境驅(qū)動(dòng)因子對(duì)于蒸騰作用是同時(shí)產(chǎn)生效應(yīng)，單個(gè)因子對(duì)于液流變化的分析難以準(zhǔn)確表征它們之間的真實(shí)關(guān)系，要真正區(qū)分各環(huán)境因子對(duì)于蒸騰影響的作用和貢獻(xiàn)是比較困難[25]。總而言之，各氣象因子之間相互影響、相互制約、相互作用從而對(duì)樹干液流產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

1)引黃灌區(qū)蘋果樹生育期內(nèi)液流蒸騰耗水總量為685.8 mm，液流蒸騰耗水量總體趨勢(shì)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(yīng)當(dāng)及時(shí)根據(jù)氣象變化監(jiān)測(cè)土壤水分情況，及時(shí)補(bǔ)充灌溉。在當(dāng)?shù)毓喔戎贫认?，蘋果園的種植不會(huì)造成當(dāng)?shù)赝寥栏苫F(xiàn)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(guī)律存在一定的差異。晴天液流啟動(dòng)早，液流速率大；陰雨天液流啟動(dòng)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(qū)動(dòng)因子并不相同，白天的驅(qū)動(dòng)因子主要為溫度、光照等導(dǎo)致的蒸騰活動(dòng)，而夜晚的主要驅(qū)動(dòng)因子為夜間的補(bǔ)水作用，在主要驅(qū)動(dòng)因子的交替變化中液流密度會(huì)有小幅度降低。

3)水氣壓虧缺是光合作用的驅(qū)動(dòng)力，影響氣孔的開放程度，進(jìn)而影響到蒸騰作用的強(qiáng)弱，太陽(yáng)輻射對(duì)蒸騰作用起著決定的作用。而晴天太陽(yáng)輻射強(qiáng)，光照充足，葉片生理活性強(qiáng)，光合速率和蒸騰速率高，蒸騰拉力大?？諝鉁囟扔绊懭~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(duì)稱響應(yīng)較大，水汽壓虧缺和氣溫達(dá)到最大值時(shí)液流密度則開始降低。