不同灌水量條件下蘋果樹莖流變化規(guī)律及其影響因素

張碧云，程 平，李 宏，武勝利，張志剛

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054； 2.新疆林業(yè)科學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000； 3.新疆阿克蘇森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，新疆 阿克蘇 843000； 4.新疆佳木果樹學(xué)國家長期科研基地，新疆 阿克蘇 843000)

位于塔里木盆地北緣的阿克蘇地區(qū)是新疆重要的蘋果特色產(chǎn)區(qū)，長期以來，該區(qū)域的灌溉方式以大水漫灌為主，節(jié)水灌溉為輔，導(dǎo)致水資源利用效率低?！?019年中國水資源公報(bào)》表明，我國農(nóng)業(yè)用水量占總用水總量的61.2%，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.559。因此，研究滴灌條件下蘋果樹蒸騰耗水規(guī)律，對研究區(qū)蘋果樹科學(xué)灌溉、增加農(nóng)民收入和促進(jìn)新疆特色林果業(yè)快速發(fā)展具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，樹干邊材中99%的莖流量用于葉片蒸騰耗水，計(jì)算樹干莖流量能較好地反映植物蒸騰耗水量。熱擴(kuò)散法因具有連續(xù)、穩(wěn)定、誤差小和成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于植物蒸騰耗水規(guī)律研究。眾多學(xué)者用熱擴(kuò)散法在蘋果方面做了大量的研究。石游等利用熱擴(kuò)散法研究得出，環(huán)境因子對阿克蘇富士蘋果樹液流速率的影響排序?yàn)榇髿鉁囟?太陽輻射>相對濕度。張亞雄等發(fā)現(xiàn)，各生育期蘋果樹莖流速率日變化趨勢基本相同，均呈先增加后下降的趨勢。夏桂敏等研究發(fā)現(xiàn)，寒富蘋果樹日莖流速率呈晝高夜低的“幾”字型變化，莖流速率夜間變化平穩(wěn)。孫習(xí)軒研究北方蘋果樹需水量發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)、不同品種、不同樹齡的蘋果樹蒸騰速率不同，新疆阿克蘇地區(qū)、黃土干旱地區(qū)、山東地區(qū)的蘋果樹蒸騰速率也印證了這一觀點(diǎn)。

簡約化栽培模式具有易修剪、全程機(jī)械化操作、節(jié)約勞動(dòng)力成本和提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)。已報(bào)道的關(guān)于蘋果樹莖流的研究大多側(cè)重于不同天氣條件下莖流速率變化規(guī)律和日變化特征，對于滴灌簡約化栽培模式下的蘋果樹蒸騰耗水規(guī)律鮮有報(bào)道?；诖?，本文分析滴灌條件下阿克蘇地區(qū)蘋果樹莖流速率，以及環(huán)境因子對其的響應(yīng)，篩選出蘋果園的科學(xué)灌水量，以期為阿克蘇地區(qū)蘋果樹科學(xué)灌溉提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于塔里木盆地北緣新疆阿克蘇地區(qū)農(nóng)一師五團(tuán)十三連(80°45′35″E，41°20′12″N)，是中國國家地理標(biāo)志產(chǎn)品阿克蘇蘋果的主產(chǎn)區(qū)。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶詺夂颍募痉置?，光熱資源豐富，晝夜溫差大；春季升溫快而不穩(wěn)，秋季短暫而降溫迅速，多晴天少雨天，空氣干燥。年均降水量65.4 mm，年均氣溫10.10 ℃，極端低溫-27.4 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 747.7 h，年積溫(≥10 ℃)2 916.8～3 198.6 ℃，無霜期185 d。試驗(yàn)地海拔1 197 m，地下水埋深3.5 m。果園的土壤質(zhì)地為砂壤土，表1為紅肉蘋果園的土壤理化性質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 蘋果園土壤理化性質(zhì)

試驗(yàn)于2020年6—9月進(jìn)行，試驗(yàn)地面積0.67 hm。蘋果品種為紅色之愛，簡約化栽培模式，樹形為高紡錘形，株行距為1.5 m×4.0 m，2016年定植，平均地徑8.5 cm，平均樹高3.5 m，東西冠幅215 cm，南北冠幅270 cm。采用漫灌與滴灌相結(jié)合的灌溉方式，即春灌(2020-03-25)與冬灌(2020-11-05)采用漫灌，灌溉定額均為2 250 m·hm，其余生長季(2020-04-15至2020-09-25)采用滴灌方式。生育期內(nèi)共9次滴灌灌溉，分別在4月灌溉1次、5月灌溉1次、6月灌溉2次、7月灌溉2次、8月灌溉2次、9月灌溉1次。設(shè)3個(gè)滴灌梯度W1～W3，具體措施見表2。樣地內(nèi)除灌水量不同外，果園管理(除草、施肥、修剪)方式一致。

紅肉蘋果樹各生育期劃分：4月15日—5月10日為萌芽開花期，5月11日—6月15日為幼果期，6月16日—9月10日為果實(shí)膨大期，9月11日—9月30日為果實(shí)成熟期，9月30日—次年4月14日為落葉休眠期。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 莖流速率測定

采用TDP插針式莖流儀測定不同灌水量條件下蘋果樹莖流速率，探針型號(hào)TDP-30，探針長度30 mm。每處理選定2株蘋果樹，在距離地面1 m處樹干的北面安裝TDP莖流計(jì)，莖流數(shù)據(jù)每30 min自動(dòng)記錄一次，通過CR100數(shù)據(jù)采集器和筆記本電腦中的PC400軟件連接，下載莖流數(shù)據(jù)。每月拆除TDP傳感器、進(jìn)行晾曬和重新安裝，避免探針與樹干粘在一起。在距離地面30 cm處用生長錐鉆取樣樹的生長芯，邊材和心材的顏色區(qū)分明顯，用游標(biāo)卡尺3次測量邊材和心材的長度，取平均值，計(jì)算邊材面積。參照文獻(xiàn)[17]的方法計(jì)算蘋果樹莖流速率。

1.3.2 氣象因子測定

在試驗(yàn)地中央位置安裝HOBO小型氣象站，自動(dòng)觀測蘋果園內(nèi)的太陽輻射、大氣溫度、風(fēng)速和空氣相對濕度，每30 min自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù)，飽和水氣壓差(VPD)參照文獻(xiàn)[12]計(jì)算。

1.3.3 土壤體積含水量測定

每個(gè)處理在距離蘋果樣樹50 cm處挖一個(gè)長50 cm、寬30 cm、高80 cm的土壤剖面，土壤水分傳感器分別安裝在10、30、50、70 cm土層處，用EM50數(shù)據(jù)采集器和電腦中的ECHO Utility軟件連接，每天18：00測定不同土層深度的土壤體積含水量。

1.3.4 果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)測定

果實(shí)產(chǎn)量：2020年10月1日，每個(gè)處理選取3株蘋果樹采摘全部果實(shí)并稱其質(zhì)量，3株蘋果樹產(chǎn)量的平均值即為該處理單株產(chǎn)量。每個(gè)處理隨機(jī)選取20個(gè)蘋果測量單果重、縱徑和橫徑。果形指數(shù)為縱徑與橫徑的比值。

果實(shí)品質(zhì)：各處理隨機(jī)選取樹干中部4個(gè)方向(東、南、西、北)共20個(gè)果實(shí)，測定果實(shí)的可溶性固形物、總酸、總糖、維生素C(V)、纖維素含量。

1.3.5 灌溉水分生產(chǎn)率

灌溉水分生產(chǎn)率(iWUE)(kg·m)計(jì)算公式為

灌溉水分生產(chǎn)率=產(chǎn)量/灌水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019和SPSS 23.0軟件分析數(shù)據(jù)，用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅肉蘋果樹莖流速率變化規(guī)律

2.1.1 日均莖流速率

從圖1看出，不同灌水量條件下蘋果樹主要生育期日均莖流速率變化趨勢基本一致。6月，各處理的蘋果樹日均莖流速率均較?。?月初，各處理的蘋果樹日均莖流速率均快速上升；7—8月，日均莖流速率均在較高水平；9月，日均莖流速率開始迅速下降。為進(jìn)一步了解蘋果樹各生育期莖流速率變化規(guī)律，選取幼果期(6月6日—6月15日)、果實(shí)膨大期(7月26日—8月4日)、成熟期(9月16日—9月25日)的日均莖流速率數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果見圖2。從幼果期到成熟期，日均莖流速率先增大后減小，W2和W3處理的日均莖流速率顯著(<0.05)大于W1。幼果期和成熟期W2和W3處理的蘋果樹莖流速率未達(dá)到顯著差異(>0.05)，果實(shí)膨大期W3處理的蘋果樹莖流速率顯著(<0.05)大于W2處理。

表2 滴灌水平設(shè)置

圖1 不同灌水量條件下紅肉蘋果樹日均莖流速率Fig.1 Daily average sap flow rate of red apple trees under different irrigation amounts

無相同小寫字母表示相同生育期不同處理在0.05水平上差異顯著。Data marked without the same lowercase letter at the same growth period indicated significant differences at P<0.05.圖2 主要生育期紅肉蘋果樹日均莖流速率Fig.2 Daily average sap flow rate in main growth period of red apple trees

2.1.2 莖流速率日變化

從圖3可知，6—9月不同灌水量條件下蘋果樹莖流速率日變化均呈單峰型曲線和晝高夜低的變化趨勢。以7月為例(圖3-B)，蘋果樹莖流速率在09：30左右開始啟動(dòng)，之后莖流速率隨溫度和太陽輻射的升高迅速增加，13：00左右達(dá)到峰值，莖流速率月平均峰值排序?yàn)閃3(7.570 cm·h)>W2(6.613 cm·h)>W1(4.650 cm·h)；12：00—19：00莖流速率變化平穩(wěn)，之后莖流速率快速下降，23：00左右達(dá)到最低值，夜間莖流速率處在一個(gè)較低的水平。從表3可知，隨灌水量的增加，蘋果樹莖流速率峰值逐漸增加，到達(dá)峰值的時(shí)間也逐漸延遲；與6—8月相比，9月莖流速率的啟動(dòng)時(shí)間延遲、持續(xù)時(shí)間縮短、峰值降低。

2.2 影響紅肉蘋果樹莖流速率的環(huán)境因子

2.2.1 氣象因子

選取瞬時(shí)間尺度下8月6日—15日的莖流速率和主要?dú)庀笠蜃舆M(jìn)行相關(guān)性分析。從表4可知，太陽輻射與蘋果樹莖流速率的相關(guān)性最強(qiáng)，大氣溫度次之，風(fēng)速對蘋果樹莖流速率的影響最小。莖流速率與太陽輻射、大氣溫度、風(fēng)速和飽和水汽壓差均呈極顯著(<0.01)正相關(guān)，與空氣相對濕度呈極顯著(<0.01)負(fù)相關(guān)。

采用通徑分析方法，進(jìn)一步研究各氣象因子對蘋果樹莖流速率的直接作用和間接作用。由表5可知，大氣溫度對蘋果樹莖流速率的直接作用最大，太陽輻射對莖流速率的直接作用次之，飽和水汽壓差對莖流速率產(chǎn)生直接負(fù)作用。大氣溫度的直接作用和太陽輻射、飽和水汽壓差的間接作用共同影響蘋果樹莖流速率。

為進(jìn)一步探究氣象因子對不同灌水量條件下蘋果樹莖流速率的綜合作用，采用逐步多元回歸分析方法，建立不同灌水量條件下蘋果樹莖流速率和氣象因子的回歸方程(表6)。W1、W2和W3處理回歸方程的因變量為瞬時(shí)間尺度下8月6日—15日莖流速率，自變量為同時(shí)期氣象因子。

圖3 6—9月紅肉蘋果樹莖流速率日變化規(guī)律Fig.3 Diurnal variation of sap flow rate of red apple trees from June to September

表3 紅肉蘋果樹莖流速率月際動(dòng)態(tài)變化

表4 紅肉蘋果樹莖流速率與氣象因子的相關(guān)系數(shù)

表5 紅肉蘋果樹莖流速率與氣象因子的通徑分析

表6 紅肉蘋果樹莖流速率與氣象因子的回歸方程

在建立的3個(gè)回歸方程中，大氣溫度、太陽輻射和飽和水氣壓差均為輸入變量，3個(gè)回歸方程均通過了顯著性檢驗(yàn)(<0.01)，決定系數(shù)均在0.83以上，說明建立的3個(gè)方程擬合性較好，影響莖流速率的主要環(huán)境因子均已考慮在內(nèi)，可以較好地說明各氣象因子對莖流速率的影響。

2.2.2 土壤體積含水量

除氣象因子外，土壤含水量也是影響莖流速率變化的重要因素。選取8月6日—15日蘋果樹日均莖流速和不同土層土壤體積含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。從表7可知，各處理50 cm土層土壤體積含水量與莖流速率的相關(guān)系數(shù)最大，均達(dá)到極顯著水平(<0.01)。

表7 紅肉蘋果樹莖流速率與土壤體積含水量的相關(guān)系數(shù)

采用通徑分析方法分析不同土層土壤體積含水量對莖流速率的直接影響和間接影響，根據(jù)輸入變量<0.05、輸出變量>0.01的原則進(jìn)行通徑分析。從表8看出，輸入變量均為50 cm土層土壤體積含水量，其余變量均為輸出變量。綜合分析得出50 cm土層土壤體積含水量是影響莖流速率的關(guān)鍵因子。

2.3 不同灌水量對紅肉蘋果產(chǎn)量、品質(zhì)的影響

從表9可知，果形指數(shù)、單果重和產(chǎn)量隨灌水量的增加而增加，W2和W3處理差異不顯著(>0.05)，但均顯著(<0.05)大于W1處理。W2處理的灌溉水分生產(chǎn)率最大，W3處理次之。

表8 紅肉蘋果樹莖流速率與土壤體積含水量的通徑分析

表9 不同灌水量對紅肉蘋果產(chǎn)量的影響

如表10所示，W2處理的總糖和維生素C含量最高，說明適當(dāng)減少灌水量有利于果實(shí)糖分的積累和維生素C含量的提高。可溶性固形物、總酸、纖維素含量隨灌水量的增加逐漸增大，W2和W3處理的可溶性固形物、纖維素含量差異不顯著(>0.05)，說明適當(dāng)減少灌水量可以降低果實(shí)可溶性固形物、總酸、纖維素含量。

幼果期和果實(shí)膨大期W2和W3處理的日均莖流速率和產(chǎn)量差異均未達(dá)到顯著性水平(>0.05)，鑒于適當(dāng)減少灌水量有利于果實(shí)積累糖分和提高灌溉水分生產(chǎn)率；因此，W2處理設(shè)置的灌水量更適合研究區(qū)紅肉蘋果樹灌溉。

表10 不同灌水量對紅肉蘋果品質(zhì)的影響

3 討論

研究不同灌水量條件下蘋果樹莖流速率變化規(guī)律，可以確定蘋果樹實(shí)際蒸騰耗水量。本研究發(fā)現(xiàn)，蘋果樹生育期莖流速率排序?yàn)楣麑?shí)膨大期>成熟期>幼果期，與黨宏忠等對黃土高原蘋果樹莖流速率的研究結(jié)果相似。6—7月蘋果樹莖流速率最高，該時(shí)期是蘋果樹需水量和耗水量最大的時(shí)段。不同灌水量條件下蘋果樹莖流率均呈晝高夜低的變化趨勢，夜間莖流速率變化平穩(wěn)，根壓會(huì)使水分主動(dòng)被吸入樹體，補(bǔ)充白天蒸騰消耗大量的水分，保持水分平衡。植物樹干莖流受植物自身生物學(xué)特性、土壤水分條件和氣象因子等多種環(huán)境因子的綜合作用，其中，氣象因子是影響莖流速率變化的關(guān)鍵因素。本研究發(fā)現(xiàn)，大氣溫度是影響蘋果樹莖流速率最關(guān)鍵的氣象因子，與石游等對阿克蘇地區(qū)富士蘋果的研究結(jié)果一致；但也有研究表明，太陽輻射是影響蘋果樹干莖流速率最直接的氣象因素，可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)地理位置不同，氣候條件存在差異，影響莖流速率的關(guān)鍵因素也不同。丁日升等研究表明，風(fēng)速對莖流速率的影響較小，本研究結(jié)果與此一致；另外，莖流速率與太陽輻射、大氣溫度呈極顯著正相關(guān)，與空氣相對濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)。

土壤水分條件是影響植物莖流速率變化的另一重要因素。王卓等研究表明，沙棘液流速率隨灌水量增加而增大；趙付勇等研究發(fā)現(xiàn)，滴灌條件下核桃樹日均莖流速率隨著灌水量的增加而增大。本研究中，不同程度的土壤水分虧缺是影響蘋果樹莖流速率差異的主要原因，在低土壤含水量下蘋果樹莖流速率與氣象因子的相關(guān)性和敏感性低于高土壤含水量下，與李思靜等的研究結(jié)果一致。趙平等研究表明，當(dāng)土壤水分含量較低時(shí)，土壤含水量對植物液流速率起主導(dǎo)控制作用，主要是因?yàn)楫?dāng)植物根系吸水不能滿足蒸騰失水時(shí)，部分氣孔關(guān)閉或開度下降導(dǎo)致植物蒸騰作用受到抑制。50 cm土層土壤體積含水量是影響蘋果樹莖流速率變化的關(guān)鍵因子，與趙明玉等對阿克蘇地區(qū)富士蘋果的研究結(jié)果一致，主要是因?yàn)樵囼?yàn)果園一直采用滴灌施肥，蘋果根系分布較淺，滲透深度在50 cm左右。

4 結(jié)論

不同灌水量條件下蘋果樹莖流速率變化趨勢基本一致，均呈單蜂型曲線和“幾”字型變化趨勢，日均莖流速率隨灌水量的增加而增加。瞬時(shí)間尺度下影響蘋果樹莖流速率的關(guān)鍵氣象因子是大氣溫度、太陽輻射和飽和水氣壓差；日尺度下50 cm土壤體積含水量對蘋果樹莖流速率影響顯著，適當(dāng)減少灌水量有利于提高灌溉水分生產(chǎn)率，利于果實(shí)糖分的積累和維生素C含量的增加。從果實(shí)品質(zhì)、產(chǎn)量和節(jié)水灌溉的角度綜合考慮，認(rèn)為W2處理設(shè)置的灌水量更適合阿克蘇地區(qū)蘋果樹灌溉。