基于经典质量法的栓皮栎幼苗精准灌溉制度的制定1)

毛海颖 冯仲科 巩垠熙 闫 飞

(精准林业北京市重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)

水资源短缺问题是当今社会讨论的热点问题，利用各种实际方法进行节能节水减排也是当今科学界亟需重点解决的问题。而蒸腾是植被及林木耗水的主要方式，在土壤—植物—大气连续体(SPAC)水热传输过程中占有极为重要的地位[1]。随着世界经济日新月异的发展，人们对生存环境的要求也逐渐提高。近年来，森林覆盖率的不断提高，林木对水资源的合理吸收和利用已经成为中国乃至世界林业学界和生物学界研究的热点问题[2]。为了较好的掌握林木的需水限值，需要从林木自身的生理特性着手，进而得知其抗旱特性、需水特性及基本规律，利用GIS遥感手段对苗木需水量进行操作和控制来进行田间推广，从而实现苗木的精准灌溉而达到节水的目的[3]。栓皮栎是我国抗旱造林的主要树种之一，国内外对其抗旱节水的分析主要在利用热扩散式边材液流探针(TDP)对整株树木蒸腾耗水量进行研究，揭示林木蒸腾耗水的日变化以及连日变化规律[4]。谢会存等[5]于2002年利用经典质量法研究了水分胁迫对栓皮栎幼苗的光合生理和生长的影响，但未得出最佳的水分梯度，未能达到了节水的目的。管文轲等[6]曾就沙区主要造林树种的节水灌溉进行过研究，对主要防护林树种，沙枣、胡杨以及新疆杨等在灌溉定额、灌溉周期分别给出了试验性的结论，并采用滴灌的措施。而对利用GIS对最佳水分梯度的苗木在田间的推广并进行定量控制和布设的研究却较少。

本文以栓皮栎1－0苗木为研究对象，测定生长期(每年4—10月)的需水量，并根据生物量等关键因子的采集及比较分析来确定最佳水分梯度，并以此梯度为标准制定灌溉制度进行田间推广，将当地的气象、苗木需水量等数据输入计算机的模块[7]，利用GIS技术对苗木田间种植进行布设，并进行水分供需控制。本试验将地理信息系统技术与造林育苗结合，提高供水精度的同时节约水资源，为田间苗木的培育及节水灌溉提供一定的理论依据。

1 研究区概况

试验地点选在北京市北京林业大学产学研联合培养研究生示范基地，北京林学会试验基地，位于东经 115°50'17″～116°29'49″，北纬 40°02'18″～40°23'13″。气候主要特点是四季分明，春旱少雨，多风沙天;夏季湿热，雨量集中;秋高气爽，暖湿适宜;冬季地冻，干燥多风。气温年较差和日较差都较大。年平均气温9.05℃，无霜期为150 d左右，2000—2010年平均降水量740 mm。本试验为避免降水对苗木需水量的影响，设有遮雨棚。

2 材料与方法

本试验以栓皮栎1－0苗木为研究对象，栓皮栎种子经播种发芽后，将发芽的种子移入黑色合成塑料营养钵，规格为15 cm×10 cm。钵内土质为砂壤土，试验开始时每盆均质量为1.20 kg。试验初期的平均苗高为18.41 cm，平均地径为 2.24 cm，且长势均良好。

2.1 试验设计

试验通过计算土壤饱和含水量，分别设定40%、50%、60%、70%、90%5个水分梯度(含水量不足30%的苗木在试验之初由于水分不能满足其正常生长而被取缔;100%的梯度为土壤的饱和含水量，对苗木的需水供过于求，也在试验中被取消;90%梯度与80%梯度在计算的过程中发现结果比较接近，为了能更有代表性，所以选取了90%的梯度进行试验。每个梯度设100个重复，每盆(即每个重复)一株幼苗，为排除土壤蒸发对苗木耗水的影响，苗木全部覆膜处理，并置于遮雨棚中。因此，本文的苗木需水量即为苗木自身生理需水量。

本试验从2008年5月初开始，10月底结束，为研究苗木需水规律，根据土壤含水量计算出的不同梯度的需水范围，自苗木展叶开始，定期利用SR6400精密天平进行抽样称其质量，试验结束后计算各梯度苗木需水量。另外，每月利用卷尺和电子游标卡尺对苗高(H)、地径(D)进行测量，生物量(W)的取样为每月底各梯度破坏性抽取3整株苗木进行烘干后称其质量。叶绿素的测定为在每月月中抽取不同水分梯度下固定株的叶片，利用丙酮浸泡法在分光光度计上进行测定，每个水分梯度设3个重复，每个叶片质量为0.2 g左右。利用便携式HOBO气象站实时观测试验地温度、空气湿度、降雨量及平均风速等气象数据，为苗木田间灌溉所需数据及苗木需水量输入GIS模块做准备[8]。从设定的5个梯度中选取出既适合苗木生长又同时节水的水分梯度，以此作为灌溉制度制定的依据，并将栓皮栎1－0苗木的月灌溉定额、灌溉强度、灌溉时间等一系列数值进行制定具体的灌溉方法。利用GIS建立管理模块进行田间推广，按照最佳水分梯度对苗木的需水量进行实时监控，进而实现苗木的精准灌溉。

2.2 测定指标

2.2.1 需水量

栓皮栎1－0苗木需水规律的研究主要采用经典质量法—即利用SR6400精密天平称质量法来定时测定苗木需水量，在试验初期用环刀取土称质量测定土壤含水量，后利用公式计算预设水分梯度下，各梯度的上下限，所以每次称质量补水都要在这个限制范围内，并计算两个苗龄苗木不同的需水日变化、月需水量和年需水量。利用Li－6400便携式光合测定系统分析仪来测定苗木净光合速率和其变化曲线，在不同水分梯度控水的情况下来观测苗木的生长状况。每次抽取20盆，5、6月份每5 d称质量1次，7、8月份每3 d称质量1次，9、10月份每4 d称质量1次。

2.2.2 气象资料

从试验区内的HOBO气象站采集相关气象数据，主要包括大气日最高温度、最低温度、相对湿度、平均风速和降雨量等，如表1。

表1 气候因子的变化

2.2.3 生长指标

生长指标主要指苗高(H)、地径(D)和生物量(W)，这3个指标是衡量苗木生长的关键指标。利用标尺测定H和D，用称质量法测定W。本试验采用电子游标卡尺测量苗木的地径，利用普通卡尺测量苗高，利用抽样的方法测定苗木生物量。

苗高:自幼苗展叶开始每月月中，各梯度随机抽样20株进行测定。

地径:利用电子游标卡尺，每月月中，各梯度随机抽取20株进行测定。

生物量:生物量是苗木生长的重要标志，不同的水分梯度下的苗木生物量不同。按照苗木的生长周期，自苗木第一片叶子展开后开始，按月进行不同水分梯度下生物量的抽样采集。生物量的测定时间选在每月月末，各水分梯度破坏性取样抽取3株，并按照叶、茎、根进行具体分类，测定鲜质量，再将其放入烘箱中，在80～100℃的条件下烘干3 d，利用公式(1)称质量测其干质量[9]。

式中:N为全树的枝数量;n为标准枝数量;Wi为标准枝的枝鲜质量或叶鲜质量。计算出根、茎和叶的生物量。

2.2.4 叶绿素质量分数

叶绿素是光合作用的基础，是反映苗木光合能力的重要标志。本试验生理指标的测定主要是叶片中叶绿素质量分数的测定，叶绿素的质量分数是苗木生长状况的重要评价指标之一，也是评定苗木受水分胁迫程度大小的指标之一。有研究者指出，叶绿素质量分数与光合作用之间一般呈正相关性。叶绿素质量分数的高低直接影响叶片的光合速率、呼吸速率，而土壤水分胁迫对叶绿素质量分数和光合速率都有一定的影响[10]。正常生长的栓皮栎苗木叶片叶绿素的质量分数较高，但受到水分胁迫后，其质量分数明显下降，苗木受到的胁迫程度越大其叶片中叶绿素的质量分数越低。

将新鲜叶片剪成0.2 cm左右的细丝或小块混合均匀后，称取0.2 g，放入25 mL具塞刻度试管中，加入80%丙酮定容至刻度，并仔细将粘附在瓶壁边缘的叶片碎末洗到丙酮溶液中，盖上瓶盖，室温下置暗处浸提过夜，其间摇动3～4次，次日观察叶片全部变白时，表示叶绿素浸提完全。过滤后，在波长663、645和470 nm测定吸光值，并根据下列公式计算叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素t的质量分数[11]。

式中:Ca为叶绿素a;Cb为叶绿素b;CT为叶绿素总量;Ct为类胡萝卜素;A470为波长在470 nm的吸光值;A645为波长在645 nm的吸光值;A663为波长在663 nm的吸光值。

3 结果与分析

3.1 最佳水分梯度的选取

在设定的40%、50%、60%、70%、90%的水分胁迫下，根据栓皮栎幼苗的苗高、地径、生物量(生长指标)和叶绿素(生理指标)在不同水分梯度间的相互比较和方差分析，选取长势良好苗木的水分梯度作为灌溉制度制定的依据。

此时测定的耗水量并非苗木自身生理需水量，如灌溉量超过苗木生理需水量则并不会加快苗木生长，反而会导致苗木根系因水分供过于求，产生烂根等现象影响苗木正常生长[12]。在苗木生长期水分测定过程中，90%梯度出现了明显的水分供过于求的状况(表2)，因此该梯度不能作为节水灌溉梯度，而其他梯度将结合苗木生长、生理指标的测定后再进一步筛选。

表2 栓皮栎1－0苗木生长期需水量 mL

苗高:5—10月苗高的生长呈先上升后下降的单峰曲线规律。5月份各梯度苗高接近相同，约为18.5 cm，7、8月份为生长速生期，7月份的苗高各梯度由大到小分变为:25.46、24.87、25.55、23.81、23.79 cm。分别比 5、6 月份增长了 13.21%、12.77%、12.98%、11.32%和 10.33%。9、10 月份生长增量相对比7、8月份低，9月份各梯度平均苗高增长为8月份10.01%，10月份各梯度苗高增长为9月份的8.75%，生长接近于停止(见表3)。苗高和地径的变化对于增长比较缓慢的栓皮栎来说变化不是很明显，一个生长季内苗高增量在(18～33 cm)范围内，90%、70%和60%水分梯度下的苗木苗高(H)差异性不显著(P＞0.05)，50%与40%水分梯度间的苗木苗高(H)差异性显著(P＜0.05)，见表4。因此考虑苗木生理需求和节水的因素，60%水分梯度相比其他梯度已经适合苗木生长，但还需根据地径、生物量等因素综合考虑。

表3 不同水分梯度1－0苗木苗高变化 cm

表4 不同水分梯度1－0苗木苗高方差分析

地径:苗木地径的生长在整个生长期内呈现递增趋势(如表5)。

表5 不同水分梯度1－0苗木地径变化 cm

根据表6可知，50%与40%水分梯度下的苗木地径的增长与90%、70%、60%水分梯度的苗木存在显著性差异(P＜0.05)。而 90%、70%、60%水分梯度下的苗木地径的增长却没有差异(P＞0.05)。可见60%水分梯度下的苗木就可以完全达到与90%水分梯度完全等同的生长效果，水分梯度大到超过一定的范围，反而抑制了苗木根系的生长，从而抑制苗木地径的生长，这与苗高的生长相符，但最佳水分梯度的选择还应结合苗木生物量的生长进行具体分析和筛选。

表6 不同水分梯度1－0苗木地径方差分析

生物量:生物量的增长从5月初苗木开始展叶开始，各水分梯度苗木生物量的各部分干质量接近相等，叶部约为 1.0886 g/株、根部约为 3.8492 g/株、干部约为2.475 g/株(见表7)。而根部的增长尤为明显，90%、70%、60%水分梯度下的苗木根部生物量差异不显著(P＞0.05)。50%、40%水分梯度下的苗木增长与90%、70%、60%水分梯度苗木生物量增长有显著性差异(P＜0.05)(表8)。7月份各水分梯度下苗木生物量对比试验初的增量根部平均为1.681 g/株，叶为 1.183 g/株，干为 0.65 g/株。

表7 不同水分梯度1－0苗木生物量的积累 g

10月底各水分梯度下苗木生物量增量对比5月份，根部平均为 5.9262 g/株，叶为 3.0382 g/株，干为1.301 g/株，苗木叶子脱落，生物量增长缓慢，标志着苗木整个生长期的结束。

表8 不同水分梯度1－0苗木生物量生长方差分析

叶绿素:叶绿素质量分数在一定程度上说明苗木在整个生长季内的生长变化情况，含量高则苗木生长迅速，反之则缓慢[13]。

栓皮栎1－0苗木整个生长季内叶片叶绿素质量分数的变化，从图1可以看出，从6月份到9月份叶绿素a和叶绿素都呈现先上升后下降的整体趋势。5、6月份各水分梯度还没有拉开，对于叶片叶绿素含量的影响不大，各水分梯度苗木在该月叶绿素质量分数接近，都在很小的范围内变化。6月份叶绿素a比叶绿素b变化幅度稍大水分梯度渐渐拉开，但叶绿素a/叶绿素b的值没有明显的变化。

图1 不同水分处理下1－0苗木叶片叶绿素质量分数的变化

7月份各水分梯度苗木叶片叶绿素a的质量分数开始有显著增加，最高水分梯度苗木叶绿素a的质量分数为 11.4881 mg·g－1，而此时 60%水分梯度的苗木叶绿素a的质量分数却高于90%水分梯度的苗木，为 12.1717 mg·g－1。8 月份这种现象更加明显，90%、70%、60%、50%以及40%水分梯度下苗木叶绿素质量分数分别为:15.7799、12.6894、15.1477、13.3713、10.5042 mg·g－1。可见，60%水分梯度下叶绿素质量分数已经接近于90%梯度下苗木叶绿素的量，说明60%水分梯度已经可以满足苗木生理需求。结合以上测定数据及相关分析，栓皮栎1－0苗木在60%水分梯度下能够正常生长且各指标也已达到和接近最优，因此选择60%水分梯度作为栓皮栎1－0苗木灌溉制度制定的标准和大田推广的最佳水分梯度，60%梯度下苗木需水规律。

对于栓皮栎1－0苗木各月份需水量与生长指标间的相关关系，经回归分析可用以下模型来表示，见表9。以60%水分梯度为例:

其中，Y60%表示60%水分梯度的苗木单株月需水量(mL·株－1·月－1);X1为苗高(H)月生长量(cm);X2为地径(D)月生长量(cm);X3为生物量(W)月生长量(g·株－1)。

苗木单株月需水量将按照模型来进行具体计算，而60%水分梯度作为苗木节水的最佳梯度，它的选取将会作为灌溉制度指定的标准。

表9 1－0苗木生长指标与需水量的模型

3.2 灌溉制度的制定

根据苗木最佳水分梯度的选取和单株月需水量模型的建立，可以计算出苗木的具体灌溉定额、灌溉时间、年季灌溉量等。以栓皮栎1－0苗木60%水分梯度为最佳水分梯度的灌溉制度见表10。其中，年灌溉量是指在整个生长季苗木的灌溉总量。

表10 栓皮栎1－0苗木最佳水分梯度(60%)下的灌溉制度

日后可在本研究的基础上，可利用灌溉区信息管理模块将田间气象、土壤、苗木需水量等相关信息进行综合分类，并存储于数据库中[14]。数据库采用Microsoft Access开发，待田间灌溉时，利用GIS从中调用相关属性数据。在过去的农田灌溉系统中，要达到经济节水的目的，还需在此基础上建立作物配水模拟模块及根据遗传算法进行的优化模块，以期达到对作物需水量的预测及制定灌溉方案[15－16]。但却不能克服预测需水量带来的灌溉误差及模块建立带来的系统误差[17－18]。本试验解决了这一难点，已经根据经典称重法测定了不同梯度下苗木需水量，并利用方差分析及相关模型的建立筛选出了最佳水分梯度，依据该梯度进行计算确定灌溉量，制定灌溉制度，该灌溉制度则更加精确，为日后栓皮栎1－0苗木的田间灌溉提供实践基础和理论依据。

4 结论

影响水分蒸腾的因素有很多，如光照、温度、湿度、风力、降雨等气候因素以及植物自身的生长消耗[19]。影响植物自身生长需水的主导因素，要根据植物所处的环境条件以及人为的外力来决定[20]。本文以栓皮栎1－0苗木的大田精准灌溉为目的，对其水分需求量进行了具体的测定，包括水分梯度的设定和筛选，利用栓皮栎1－0苗木生长指标(苗高、地径、生物量)及生理指标(叶绿素a、叶绿素b)与苗木需水量之间的相关模型筛选出最佳水分梯度为60%梯度，作为苗木田间推广的最优水分梯度，并利用GIS建立灌溉区信息管理模块，将气象及土壤类型等因素与苗木需水量结合起来，使田间灌溉更加准确，本试验将为耐旱苗木的灌溉提供理论基础和依据。

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