蓄水坑灌下不同灌水对新梢旺长期苹果园SPAC系统水势影响研究

2016-03-23桑永青马娟娟孙西欢郭向红

节水灌溉 2016年3期

桑永青，马娟娟，孙西欢,2，郭向红，秦聪，李波

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西水利职业技术学院，山西运城 044004)

我国是世界上13个贫水国之一，水资源短缺，人均占有水资源约2 200 m3，约为世界人均的1/4[1]。近年来，由于工、农业污染，城市化进程加快，地下水过度开采等原因，我国的缺水问题日益凸显[2]。而水分是决定树木生存、影响树木根系分布和生长发育的重要条件之一，尤其对于干旱半干旱地区而言，水分因子更是其树木生存和生长最重要的制约因子[3]。我国是苹果生产大国，而山西又是我国的苹果主产区之一，因此发展果园节水灌溉有着巨大的经济价值。

蓄水坑灌法是针对我国北方地区干旱、水资源短缺和水土流失严重的双重问题，于1998年由孙西欢教授提出的一种新型的适合山丘区果林灌溉的新方法。它综合了穴灌、环灌、地下灌及渗池灌等灌溉方法的优点，是一种中深层的新型立体灌溉方法[4]。水分在土壤-植物-大气系统(SPAC)中的运动最为活跃，自Philip于1966年提出SPAC系统的概念后，国内外学者对其进行了许多研究，主要集中在SPAC系统水分运移能力关系、植物根系吸水、蒸发蒸腾计算和SPAC水分运动数值模拟方面。在蓄水坑灌方面，仅马艳荣等对苹果树叶水势及其影响因子进行了研究，而新梢旺长期作为苹果树的一个重要生长期，对促进苹果树果实发育和花芽形成、提高果实品、增加储备营养以及保证果树持续优质丰产有重要作用[5]。本文旨在对苹果园新梢旺长期不同灌水下限及灌溉方式下土壤水势、茎水势、叶水势和大气水势等的变化特征进行研究，为蓄水坑灌的进一步研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省太谷县果树研究所，地理位置为北纬37°23′，东经112°32′。该地土壤类型主要为粉沙壤土，土壤平均容重为1.47 g/cm3，田间体积持水率为31%，年平均气温9.8 ℃，平均海拔781.9 m，年平均降雨量为459.6 mm，无霜期175 d，因其独特的土壤和气候环境，当地种植了大量苹果、梨、桃等果树，是山西优质果品基地之一。

1.2 试验设计

实验苹果树为7年生三段砧木矮化型红富士长富二号，选取无病虫害、树龄及长势基本一致的12棵苹果树作为试验用树，设4个处理，3个重复，采用蓄水坑灌和地面灌溉两种灌溉方式(见表1)。蓄水坑灌的3个处理为：当土壤含水量达到田间持水量的70%开始灌溉，灌至田间持水量的100%(T1)、当土壤含水量达到田间持水量的60%开始灌溉，灌至田间持水量的90%(T2)、当土壤含水量达到田间持水量的50%开始灌溉，灌至田间持水量的80%(T3)；地面灌溉的处理为：当土壤含水量达到田间持水量的70%开始灌溉，灌至田间持水量的100%(D)。每棵树下设4个蓄水坑均匀布置于环状沟中(东北、东南、西南、西北方向各一个)；环状沟内径60 cm，外径90 cm，深度20 cm。定期用TDR对土壤含水率进行监测，当土壤含水率达到其灌水下限时对果树进行灌水，灌水至各个标准的上限值。

表1 试验方案Tab.1 Experiment scheme

1.3 测定项目与方法

1.3.1叶水势、茎水势和土壤水势

叶水势、茎水势和土壤水势均采用美国产HR-33T露点水势仪测定。茎水势、叶水势的测定随机选取果树外围新梢测其茎水势，并从新梢上摘取3片健康的叶子，测其叶水势，取平均值；土壤水势的测定则在距树干正北(南)75 cm、距地表40 cm处取土(该处的土壤水势接近果树根系分布范围内的平均值)。

日变化：在新梢旺长期选择一个晴天(5月13日)，从7∶00-19∶00测土、茎、叶水势日变化，每2 h进行一次；在灌前、灌后要加测。

清晨水势变化：定期监测清晨7∶00土、茎、叶水势变化(每周一次)，同样灌前、灌后要加测。

1.3.2大气水势

根据空气温湿度与大气水势之间的关系，由式(1)(单位： MPa)计算：

(1)

式中：R为气体常数，8.314 5 J/(mol·K)；T为绝对温度(273.15 ℃+t℃)；Vω为水的偏摩尔体积(18.00 cm3/mol)；RH为大气相对湿度，%。

用Adcon_Ws无线自动气象监测站观测大气温度和相对湿度，根据公式计算出大气水势。

1.4 数据分析与处理

用Microsoft Excel制表和作图，数据处理与分析通过SPSS19.0进行。

2 结果与分析

2.1 苹果园SPAC系统水势日变化特征

2.1.1土壤水势的日变化特征

如图1所示，实验于5月13日7∶00-17∶00对土壤水势进行了日变化的测定。从图中可以看出蓄水坑灌的土壤水势日变化不明显，几乎维持在一固定值；地面灌溉的土壤水势则呈现出先减小，后增大的趋势。T1处理的土壤水势近乎定值，日均土壤水势为-0.09 MPa；T2、T3处理的土壤水势变化与T1相似，T2处理的日均土壤水势为-0.10 MPa，略低于T1，T3处理的均值为-0.25 MPa；D处理的土壤水势从早晨7∶00到11∶00几乎不变，其水势维持在-0.30 MPa左右，从11∶00开始逐渐降低，到13：00降到最低值-0.39 MPa，之后开始回升，至15∶00回到早晨的水平，其日均值为-0.33 MPa。其原因是蓄水坑灌进行的是中深层立体灌溉，可诱导树木根系逐渐向深处生长，进而改善中深层土壤的通透性，有效减小地表蒸发[6]，而地面灌是传统的畦灌，蒸发量大，故相同灌水处理下的T1和D，T1处理的土壤水势日变化值均高于D处理，即便是灌水量低于D处理的T2、T3，它们的土壤水势也高于D处理，可见蓄水坑灌的保水优越性；蓄水坑灌的3个处理中，T1、T2处理的水势相近，均高于T3，但T1处理的用水量高于T2，故T2可视为最适灌水上下限，即当土壤含水量达到田间持水量的60%开始灌溉，灌至田间持水量的90%。

图1 不同处理土壤水势日变化Fig.1Daily variation of soil water potential in different processing

2.1.2茎、叶水势日变化特征

试验选取蓄水坑灌3个不同灌水下限T1、T2、T3的苹果树三株，在新梢旺长期对其叶、茎水势进行了日变化测定。结果表明，蓄水坑灌下不同灌水下限的叶、茎水势在新梢旺长期的日变化特征大致相同，如图2所示。T1、T2、T3三个处理的苹果树叶、茎水势日变化均表现为先减小后增大。叶水势和茎水势均是清晨7∶00左右出现最高值，之后叶水势开始下降，而茎水势在7∶00-9∶00之间下降不明显，9∶00之后开始明显下降，茎水势出现了滞后现象；叶、茎水势均是中午13∶00-15∶00左右降到最低值，而后逐渐回升，且都没达到清晨时的水平。其主要原因是清晨气温低，空气湿度大，光照强度弱，故其水势最高，之后温度渐升，光照变强，而空气湿度则变小，水势变低，中午前后达到最低值；午后随着光照的减弱，气温的降低，蒸腾速率减小，大气相对湿度开始回升，叶、茎水势开始回升。T1、T2、T3的叶、茎水势均值分别为-1.78和-1.39 MPa、-1.76和-1.36 MPa、-1.89和-1.86 MPa，茎、叶水势差分别为0.39、0.40、0.03 MPa，可以看出T1、T2处理的叶、茎水势和茎叶水势差均相近，且均高于T3处理，T2处理比T1处理省水，同样，T2可视为最适灌水上下限。

图2 蓄水坑灌下叶、茎水势日变化Fig.2 Daily variation of leaf and stem water potential in water storage pit irrigation

对比不同灌溉方式下叶、茎水势日变化可以发现蓄水坑灌的叶、茎水势明显高于地面灌，蓄水坑灌的叶、茎水势值分别为-1.78、-1.39 MPa，地面灌的则为-1.92、-1.90 MPa，且蓄水坑灌的茎、叶水势差高于地面灌；蓄水坑灌的叶、茎水势日变化形似“V”形，有一个最低点，而地面灌的则为“W”形，有两个最低点，如图3所示。研究表明，蓄水坑灌下的土壤含水量增量主要集中在40～160 cm的深度范围内[7]，地面灌则主要集中在0～80 cm的深度范围内，而果树主要根系活动层为20～120 cm[8]，蓄水坑灌方式下的灌水更利于苹果树吸收，所以蓄水坑灌的叶、茎水势均高于地面灌；地面灌水分相对亏缺，中午前后果树为了减小蒸腾耗水，通过自身的生理调节使叶片的气孔部分关闭，水势短暂升高[9]，使其水势变化呈现“W”形。

图3 不同灌溉方式下叶、茎水势日变化Fig.3Daily variation of leaf and stem water potential with different irrigation methods

2.1.3大气水势日变化特征

利用自动气象站连续观测得到的数据，经计算求出大气水势，其存在明显的日变化特征，如图4所示。大气水势的日变化最高点出现在7∶00左右，其值为-88.32 MPa，之后开始缓慢降低，到17∶00左右降至一天中的最低点，约为-215.24 MPa，19∶00-21∶00迅速升高到-112.06 MPa，之后缓慢升到一天中的最高值。主要原因是大气水势与空气温度负相关，与空气湿度正相关。6∶00-7∶00日出，以后空气温度开始从最低点逐渐升高，于15∶00前后达到最大值，之后下降；空气相对湿度的日变化特征与温度相反。

图4 大气水势日变化Fig.4 Daily variation of atmosphere water potential

2.2 苹果园SPAC系统清晨水势变化特征

2.2.1土壤水势清晨变化特征

从图5中可以看出T1和T2处理的土壤水势最高，其新梢旺长期的均值分别为-0.10和-0.11 MPa；T3处理的水势低一些，其均值为-0.20 MPa。但所有蓄水坑灌的土壤水势均高于对照处理的地面灌溉D(D为-0.27 MPa)。其主要原因是土壤水势所测点在距地面40 cm处，蓄水坑灌进行的中深层的立体灌溉，地面40 cm处的土壤水分较多；而地面灌溉进行的是传统的畦灌，同样的灌水量下距地面40 cm处的土壤含水量没有蓄水坑灌的多。可见，蓄水坑灌具有保水和抗旱的优点，减小地面蒸发。在整个新梢旺长期内，各处理的土壤水势有高有低，变化不大，总体上略微有所降低，主要原因是这一时期的降雨量少，不足40 mm(该地区的降雨主要集中在7、8、9月份)，且温度高，蒸发量大，再加上随着新梢旺长期的完成，果树树叶变大，蒸腾也变大，耗水量增加。T1处理的土壤水势跟T2处理的相当，但T1处理的灌水量明显比T2大，同样表明T2处理可视为最适灌水上下限。

图5 土壤水势清晨水势变化Fig.5 Variation of soil water potential in the early morning

2.2.2茎、叶水势清晨变化特征

从图6可以看出，茎水势清晨变化与叶水势清晨变化趋势基本一致，均表现为随着新梢旺长期的进行，茎、叶水势清晨逐渐升高，主要原因是随着新梢旺长期的进行，茎、叶逐渐趋于成熟，它们的吸水能力逐渐增强，故其水势逐渐升高；其中5月10日有一次降雨，所以5月13日的茎、叶水势升高值略大，5月18日对T3进行了一次灌水，故5月20日T3处理高于T1、T2。总体上茎水势、叶水势均呈现T1>T2>T3>D，且T1、T2差异不大。同样表明蓄水坑灌要优于地面灌溉，T2处理为最适灌水上下限。

图6 不同处理下叶、茎水势清晨变化Fig.6Variation of leaf and stem water potential in different processing

2.2.3大气水势清晨变化特征

从图7可看出大气水势清晨变化无明显特征性。这一现象表明：大气水势的变化受多种气象因素的综合影响，呈现出较大的不稳定性，这与徐军亮[10]的“油松人工林SPAC水势梯度的时空变异”一文中关于大气水势清晨的结论一致。

图7 大气水势清晨变化Fig.7Variation of atmosphere water potential in the early morning

2.3 苹果园SPAC系统水势梯度及其特征

土壤-植物-大气系统水势梯度决定了SPAC系统水流运移方向和速率，在SPAC系统内部，水流在传输的每个环节均有明显的水势梯度。从表2中可以看出，SPAC系统水势梯度土壤-叶片的日变化呈现早晚低、中午前后高的明显趋势，与大气水势、茎叶水势变化特征相反，主要原因是中午蒸腾作用强，需水量大，植物通过增高水势梯度来提高水分传输；而土壤-大气、叶片-大气的水势梯度日变化则呈增加趋势，主要是由于该时段内大气水势一直在下降。各水势梯度变化为从叶片到大气的水势梯度远大于从土壤到叶片的水势梯度，一般高1～2个数量级，说明水分从叶片到大气需克服的阻力远大于从土壤到植物的阻力。各处理土壤-大气与叶片-大气的水势梯度主要由大气水势决定，数值较大，差异不明显。土壤-叶片的水势梯度早晨和傍晚差异不明显；而在13∶00时，T2处理的水势梯度为2.22 MPa，高于T1、T3以及D处理的2.09、2.08、1.72 MPa，且T2处理的日均值与T1处理相近，高于T3和D处理。

表2 SPAC系统水势梯度日变化 MPa

从表3中同样可以看出在SPAC系统清晨水势梯度中，叶片到大气的水势梯度远大于土壤到叶片的水势梯度，其中5月27日的各梯度突然变小，主要是因为当天早晨的空气相对湿度大，大气水势高所致。可以看出土壤-叶片的新梢旺长期水势梯度均值各处理分别为1.03、1.10、0.38、1.01 MPa，呈现出T2>T1>D>T3；随着新梢旺长期的进行，各处理土壤-叶片的水势梯度逐渐变小，主要原因是随着新梢生长的完成，苹果树生长变慢，需水量逐渐减小，所以水势梯度变小。