气象因子对黄土高原间套作豌豆和春小麦叶片水势的影响

王彩斌，王克鹏，王彦武

(1.甘肃省白银市农业技术服务中心， 甘肃 白银 730900； 2.甘肃农业大学资源与环境学院， 甘肃 兰州 730070)



气象因子对黄土高原间套作豌豆和春小麦叶片水势的影响

王彩斌1，王克鹏2，王彦武2

(1.甘肃省白银市农业技术服务中心， 甘肃 白银 730900； 2.甘肃农业大学资源与环境学院， 甘肃 兰州 730070)

在甘肃省农业科学院会宁农业试验站，对春小麦和豌豆间套作模式下，不同气象因子对春小麦和豌豆叶水势的影响进行了田间对比观测。结果表明：在半干旱地区，春小麦和豌豆的叶水势与气象因子的关系在不同生育期的表达式不同，与大气温度呈线性关系，与太阳辐射、大气相对湿度、大气水势均呈二次方程模型，与综合气象因子也呈良好的线性关系。不同气象因子对作物叶水势影响的通径分析表明，影响春小麦叶水势日变化作用最强的气象因子是大气水势，其次是大气相对湿度、大气温度和太阳辐射。大气相对湿度、大气温度和太阳辐射对春小麦叶水势日变化的直接影响小于它们通过大气水势的间接影响。对豌豆叶水势日变化直接影响最大的气象因子是大气温度，其次是大气水势、太阳辐射和大气相对湿度。大气水势、太阳辐射和大气相对湿度的直接通径系数均小于各自通过大气温度的间接通径系数，这三者对豌豆叶水势日变化的直接影响小于它们通过大气温度的间接影响。

半干旱地区；气象因子；叶水势

近年来，国内外学者围绕间套作种植模式，尤其是对豆科作物与禾本科作物的间套作种植模式进行了深入的研究，对间套作种植条件下，作物对光、热资源的竞争补偿，对水分、养分的吸收、利用及转移进行了大量研究，为间套作种植模式的广泛应用奠定了坚实的理论基础[1]。刘素慧和马海燕等人研究发现，长期连作种植会破坏土壤结构，降低土壤酶活性，造成农田土壤的微生态环境严重失衡[2-3]。张凤云等人的研究表明，间套作能够促进植物根系对农田水分的充分利用，有利于增加根层土壤的贮水量,在不增加农田灌溉水的同时大幅度提高单位面积产量，促进作物水分利用效率明显提高[4]。苏本营等人的研究发现，合理的间套作能够充分利用有限资源,提升单位面积物质产出,同时还具有多重其他生态效益,是一种基于生物多样性的可持续农业发展范式[5]。安瞳昕等人的研究表明，甜玉米与不同蔬菜间套作的总产量和总产值均高于蔬菜单作, 有利于提高农作物的经济效益[6]。李隆等人的研究表明，利用间套作农业生态工程种植技术可以充分挖掘土壤累积态磷素，减少农田磷肥投入，对于维持磷素资源和土壤肥力的可持续性，防控农田面源污染，具有重要的现实意义[7]。实行间套作可以充分利用光能、土地面积、作物间的竞争与互补关系，豌豆和春小麦带状套作模式已成为西北干旱地区作物种植的主要方式之一[8]。叶水势是影响作物许多生理过程的重要因素[9]，它的高低随环境因素的变化而变化，并与产量密切相关[10]，是反映作物体内水分亏缺最灵敏的生理指标[11]。干旱地区土壤水分含量少，植物始终处于水分逆境中，因此植物水势的变化可以反映植物适应干旱环境的能力[12]，分析叶水势与环境因素的关系对于建立环境因子与作物生理指标的定量关系，模拟叶水势的动态变化具有重要的作用[13]。目前有关植物叶水势的研究，主要集中在不同灌水措施和施肥处理对植物叶水势的影响方面，干旱地区气象因子对作物叶水势的影响研究较少[14-15]。为此，本试验在田间条件下研究了中国西北半干旱区豌豆和春小麦套作种植条件下，不同气象因子对作物叶水势的影响，旨在为黄土高原半干旱区的农业生产提供理论依据。

1　研究地区与研究方法

1.1自然概况

试验于2014年在甘肃省农业科学院会宁农业试验站进行。该区属于黄土高原半干旱区，平均海拔2 025 m，日照时数2 476.6 h，年均气温9.71℃，≥0℃积温3 018.6℃，≥10℃积温2 639.1℃，无霜期161 d。年平均降水量340.0 mm，年蒸发量1 800 mm，干燥度2.68，为西北半干旱雨养农业区。该区土壤类型为黄绵土，土层深厚，质地均匀，贮水性能良好。0～200 cm土壤平均容重为1.28 g·cm-3，有机质11.56 g·kg-1，全氮0.71 g·kg-1，全磷1.58 g·kg-1。

1.2试验设计

试验采用当地的传统耕作模式，设3次重复，小区面积10 m×20 m，随机排列。供试作物为春小麦和豌豆，其中春小麦品种为“甘春24号”，播种量270 kg·hm-2，豌豆品种为“陇豌1号”，该品种属早熟半无叶型豌豆，生育期85～90 d。株高55～65 cm，半矮茎，直立生长，株蔓粗壮；有限结荚习性，双荚率达75%以上，荚长7.0 cm，荚宽1.2 cm，不易裂荚；每荚5～7粒，播种量260 kg·hm-2。小麦各试验区每年播前基施农家肥45 000 kg·hm-2，施N 100 kg·hm-2，P2O5100 kg·hm-2(尿素+二铵)；豌豆各试验区每年播前基施农家肥35 000 kg·hm-2，N15 kg·hm-2，P2O5100 kg·hm-2(二铵+过磷酸钙)，所有肥料都作为基肥在播种时同时施入。春小麦于2014年3月15日播种，8月10日收获；豌豆于2014年4月1日播种，8月1日收获。

1.3测定项目与方法

采用PMS压力室水势仪(Plant Moisture Stress, Corvallis, Oregon, USA)测定作物叶水势。在作物各生育期选择一个晴朗天气进行观测，从6:00～18:00每隔2 h测定1次，其中小麦抽穗前测定部位为从上往下第二片叶子，抽穗后(包括抽穗期)为旗叶[16]；豌豆取上部完全展开叶片，每次在各小区随机抽取3～4个叶片，取均值代表该小区的叶水势[17]。在测定春小麦和豌豆开花期叶水势的同时，对相应时刻的气象因子进行测定，用Decagon Devices， Inc(Pullman，Washington，USA)生产的Millivolt Input Data Logger TGPR-1001测定太阳辐射。

大气相对湿度采用干湿温度计在作物群体中上部(群体高度2/3处)测定；大气温度采用干湿温度计在作物群体以上50 cm处测定[18]；大气水势可由水势的定义式用大气相对湿度计算[19]：

ψa=(RT/VW)ln(RH)=4.6248×105Tln(RH)式中:ψa为大气水势(Pa)；R为气体常数；T为空气绝对温度；VW为水的偏摩尔体积；RH为大气相对湿度。

1.4数据分析

采用Microsoft Excel绘制图表，采用spss软件对数据进行差异显著性检验、相关分析、回归分析以及通径分析。

2　结果与分析

2.1不同生育期春小麦和豌豆叶水势日变化

春小麦和豌豆的叶水势在不同生育期的日变化趋势大致相同(图1，图2)，均为清晨6∶00最高，然后随着时间的推移而下降，大约在12∶00—14∶00左右降到最低，持续一段低谷期后逐渐回升，但是18∶00时的叶水势值均未恢复到早晨的水平。因为清晨光照弱，气温低，空气湿度大，蒸腾耗水少，因而作物的叶水势较高。随着光照增强，气温升高，蒸腾作用增强，空气湿度下降，光合能力不断加强，生理耗水增加造成植物体含水量下降，但植物需水量在增加，叶水势呈下降趋势。在正午过后随光照强度的减弱，气温降低，蒸腾速率减小，叶水势开始回升。

图1春小麦叶水势在不同生育期的日变化

Fig.1Daily dynamics in leaf water potential of spring wheat at different growth stages

图2豌豆叶水势在不同生育期的日变化

Fig.2Daily dynamics in leaf water potential of field pea at different growth stages under tillage practices

2.2叶水势与大气温度的关系

2.2.1不同生育期大气温度变化由图3可以看出，春小麦和豌豆在不同生育期，大气温度的日变化趋势相似，整个生育期内白天的最高气温出现在14∶00—16∶00。春小麦拔节和抽穗期的气温在14∶00达到最大值，开花和灌浆期气温在16∶00达到最大值，并且开花和灌浆期的气温明显高于拔节和抽穗期。豌豆气温日变化大小排序为结荚鼓粒期>开花期>现蕾期，最高气温出现在14∶00—16∶00。

2.2.2大气温度对春小麦和豌豆叶水势的影响根据春小麦和豌豆不同生育期内各试验区作物叶水势(ΨL，MPa)日变化与对应时间测定的气温(Ta，℃)日变化数据进行回归分析(表1)，结果表明，各试验区春小麦和豌豆不同生育期的叶水势与大气温度呈线性关系，并且极显著的负相关。

2.3叶水势与太阳辐射的关系

太阳辐射既是一个重要的气象因子，同时又对其它气象因子的变化产生较大的影响[20]。

2.3.1不同生育期大气温度变化从图4可以看出，春小麦和豌豆在不同生育期，晴天太阳辐射日变化趋势呈现抛物状分布，在整个生育期内最大值出现在12∶00—14∶00，除春小麦拔节期外，在春小麦抽穗期、开花期和灌浆期，豌豆现蕾期、开花期和结荚鼓粒期的太阳辐射在绝大部分时刻都较为相近。春小麦拔节期太阳辐射明显比其它生育期低。

图3　春小麦和豌豆不同生育期大气温度的日变化

图4春小麦和豌豆不同生育期太阳辐射的日变化

Fig.4Daily dynamics of solar radiation of spring wheat and field pea

2.3.2太阳辐射对春小麦和豌豆叶水势的影响对各试验区，春小麦和豌豆不同生育期的作物叶水势(ΨL，MPa)日变化与对应时间测定的太阳辐射(R，W·m-2)数据进行回归分析(表2)，结果表明，春小麦和豌豆叶水势与太阳辐射形成一定程度的二次方程关系，叶水势的变化相对于太阳辐射的变化有滞后作用。在各试验区，春小麦拔节期和开花期，叶水势与太阳辐射极显著相关；豌豆现蕾期和开花期，叶水势与太阳辐射显著相关，结荚鼓粒期的叶水势与太阳辐射极显著相关。

2.4叶水势与大气相对湿度的关系

2.4.1不同生育期大气相对湿度变化从图5可以看出，春小麦不同生育期大气相对湿度的日变化与气温的变化正好相反。在春小麦整个生育期内大气相对湿度的最低值出现在14∶00—16∶00；拔节期和抽穗期相对湿度在14∶00达到最低值；开花和灌浆期在16∶00达到最低值。各试验区不同生育期，大气相对湿度的最低值大小依次为：抽穗期大气相对湿度最高，其次是拔节和开花期，灌浆期最低。

表2　不同耕作措施下作物叶水势(MPa)与太阳辐射(W·m-2)的关系

图5春小麦不同生育期大气相对湿度的日变化

Fig.5Daily dynamics of air relative humidity of spring wheat

图6为豌豆不同生育期大气相对湿度的日变化。在所有试验区，豌豆不同生育期大气相对湿度的最低值出现在14∶00—16∶00，现蕾和结荚鼓粒期相对湿度在14∶00达到最低值，而开花期在16∶00达到最低值。不同生育期各试验区相对湿度的最低值大小排序为结荚鼓粒期>开花期>现蕾期。

图6豌豆不同生育期大气相对湿度的日变化

Fig.6Daily dynamics of air relative humidity of field pea

2.4.2大气相对湿度对春小麦和豌豆叶水势的影响对试验区，春小麦和豌豆不同生育期的作物叶水势(ΨL，MPa)和相应时间测定的作物群体内大气相对湿度(RHa，%)进行回归分析(表3)，结果表明，在黄土高原传统耕作方式下，豌豆现蕾期的叶水势与大气相对湿度相关，但未达到显著水平。在其他生育时期，春小麦和豌豆的叶水势与大气相对湿度均显著相关，并且在春小麦开花、灌浆期和豌豆开花期，作物叶水势与大气相对湿度极显著相关。

2.5叶水势与大气水势的关系

2.5.1不同生育期大气水势变化从图7可见，在春小麦整个生育期内大气水势的最低值出现在14∶00—16∶00，拔节和抽穗期相对湿度在14∶00达到最低值，而开花和灌浆期在16∶00达到最低值。不同生育期各试验区大气水势的最低值大小排序为：抽穗期>拔节期>开花期>灌浆期。

从图8可以看出，豌豆不同生育期内大气水势的最低值同样出现在14∶00—16∶00，现蕾和结荚鼓粒期大气水势在14∶00达到最低值，开花期在16∶00达到最低值，不同生育期各试验区的大气水势最低值在结荚鼓粒期最高，开花期次之，现蕾期最低。另外，因豌豆生长前期降雨量少，豌豆长势差，有较多的裸露地面，群体大气水势较低，而在结荚鼓粒期之前降雨较多，使得豌豆长势较好，密度增大，群体大气水势较高。

表3　不同耕作措施下作物叶水势(MPa)与相对湿度(%)的关系

图7　春小麦不同生育期大气水势的日变化

图8豌豆不同生育期大气水势的日变化

Fig.8Daily dynamics of air water potential of field pea

2.5.2大气水势对春小麦和豌豆叶水势的影响表4结果表明，春小麦和豌豆各试验区的叶水势与大气水势之间呈二次方程关系，在春小麦开花、灌浆期和豌豆开花结荚鼓粒期，各试验区的叶水势均与大气水势显著相关，大气水势也是影响作物叶水势的主要因素之一。

2.6叶水势与不同气象因子之间的综合关系及通径分析

气象因子是影响植物叶水势日变化规律的重要因素。植物叶水势在一天的变化中呈现先减小后增大的总体趋势，这种变化规律与大气温度、太阳辐射、大气相对湿度和大气水势的日变化密切相关。运用多元线性逐步回归分析方法，重点分析不同生育期，春小麦和豌豆叶水势与大气温度(Ta)、太阳辐射(R)、大气相对湿度(RHa)和大气水势(Ψa)4个气象因子之间的回归关系，回归关系见表5所示。

从表5，春小麦与大气温度(Ta)、太阳辐射(R)、大气相对湿度(RHa)和大气水势(Ψa)4个气象因子之间的回归关系可以看出，春小麦拔节期太阳辐射对叶水势没有显著效应；开花期大气相对湿度对试验区的叶水势没有显著效应。在春小麦其他各个生长时期，叶水势均与4个气象因子显著相关。豌豆叶水势与大气温度(Ta)、太阳辐射(R)、大气相对湿度(RHa)和大气水势(Ψa)4个气象因子之间的回归关系可以看出，除豌豆现蕾期，大气水势对试验区的豌豆叶水势没有显著影响外，其余生长时期，豌豆叶水势与4个气象因子均显著相关。表明大气温度、太阳辐射、大气相对湿度和大气水势是该地区作物叶水势日变化的主要影响因子。

表4　不同耕作措施下作物叶水势(MPa)与大气水势(MPa)的关系

表5　不同耕作措施下作物叶水势(MPa)与气象因子的回归关系

为了探讨气象因子对作物叶水势影响的综合效应，对春小麦和豌豆不同生育期各试验区，各时间点测定的平均叶水势与对应时间测定的气象因子进行多元线性回归分析。

春小麦不同生育期内叶水势与气象因子的回归方程为：

ΨL=-0.08156Ta-0.0004R+0.04138RHa-0.0167Ψa-2.9865，F检验表明，此回归模型可信度达到97.01%(R2=94.06，P<0.01)，说明春小麦叶水势日变化的变异平方和有94.06%是由气象因子的日变化造成的。变量与自变量的相关性达到极显著水平，说明它们与叶水势之间的回归关系真实可靠，是影响春小麦叶水势的主要影响因子。

豌豆不同生育期内叶水势与气象因子的回归方程为：

ΨL=-0.0653Ta-0.0003R+0.0019RHa-0.0065Ψa-0.0081，F检验表明，此回归模型可信度达到98.15%(R2=95.85，P<0.01)，说明豌豆叶水势日变化的变异平方和有95.85%是由气象因子的日变化造成的。变量与自变量的相关性达到极显著水平，说明它们与叶水势之间的回归关系真实可靠，是影响豌豆叶水势的主要影响因子。

采用通径分析能有效而直观地表示相关变量对结果的直接效应和间接效应[21]。4个气象因子对作物叶水势影响的通径分析表明(表6)，大气水势是影响春小麦叶水势日变化作用最大的气象因子，其直接通径系数(-1.3021)最大，其次是大气相对湿度、大气温度和太阳辐射。大气相对湿度、大气温度和太阳辐射的直接通径系数均小于各自通过大气水势的间接通径系数，表明这三者对春小麦叶水势日变化的直接影响小于它们通过大气水势的间接影响。由此可见，大气水势在春小麦叶水势日变化中起主要作用，虽然大气温度与春小麦叶水势极显著相关，但通径分析结果表明，大气温度的直接通径系数(-0.8395)较小，说明其对叶水势影响的直接作用较小，不是叶水势日变化的主要原因，而是引起大气水势变化的主要因素。

表6　不同耕作措施下作物叶水势与气象因子的通径系数

同样由表6可以看出，对豌豆叶水势日变化直接影响最大的气象因子是大气温度，其直接通径系数(-1.1570)最大，其次是大气水势、太阳辐射和大气相对湿度。大气水势、太阳辐射和大气相对湿度的直接通径系数均小于各自通过大气温度的间接通径系数，表明这三者对豌豆叶水势日变化的直接影响小于它们通过大气温度的间接影响，由此可见，大气温度在豌豆叶水势日变化中起主要作用。

3　讨　论

叶水势的日变化是植物蒸腾作用消耗水分的速率和根系的水分供应能力之间的差异造成的，气象因子会通过影响植物的蒸腾作用而影响植物水势的变化[22]。一般来说，当植物受到干旱胁迫时，它们首先通过保持水分吸收和减少水丧失来维持体内的水分平衡[22-23]。在土壤-植物-大气连续体中,作为中间环节的植物,其水势无疑受土壤和大气的双重影响,因此从土壤和大气两方面着手,分析环境因素对植物水势的影响,可以了解植物适应环境的生理变化特征。本试验的研究结果表明,植物叶水势与大气温度、太阳辐射、大气相对湿度及大气水势具有显著的相关关系,这与胡守忠等[24]的研究结果一致，叶水势日变化的主要气象因子因作物不同而有所差异。一般来说，当植物受到干旱胁迫时，它们首先通过保持水分吸收和减少水丧失来维持体内的水分平衡[22]，通过渗透调节和细胞壁的弹性变化来保持一定的膨压，以提供植物在干旱条件下继续生长的物质力量[25]。由于植物的生态生理学特性不仅受到植物本身遗传因素的控制[26]，也受到外界自然环境条件的影响[27]，而且在植物的发育阶段或生长季节里，其表现出来的水分生理特性也不尽相同[28]。本文虽然建立了春小麦和豌豆叶水势与气象因子的关系，但是在旱作情况下，叶水势与测定时的土壤水分条件关系很大，所得结果只能是反映实验年份特定条件下的一个变化规律，又由于作物叶片水势的变化受包括作物本身调节作用在内的多种因素的影响，因此，要全面、正确地认识植物的水分生理、生态生理学特性及机理还需要做大量的工作。

4　结　论

1) 在半干旱地区，春小麦和豌豆的叶水势与大气温度呈线性关系，与太阳辐射、大气相对湿度、大气水势均呈二次方程模型，与综合气象因子也呈良好的线性关系。

2) 春小麦和豌豆的叶水势与大气温度、太阳辐射、大气相对湿度、大气水势均有显著的相关关系。影响春小麦和豌豆叶水势日变化最强的气象因子分别是大气水势和大气温度。

3) 大气水势、太阳辐射和大气相对湿度对豌豆叶水势日变化的直接影响小于它们通过大气温度的间接影响。

4) 春小麦和豌豆在不同生育期叶水势的日变化趋势大致相同，均为清晨6∶00最高，大约在12∶00—14∶00之间达到最低，随后逐渐回升，在18∶00左右，叶水势值约恢复到早晨9∶00的水平。

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Effects of meteorological factors on leaf water potential of spring wheat and field pea in Loess Plateau

WANG Cai-bin1, WANG Keng-peng2, WANG Yan-wu2

(1.Gansu Baiyin Center of Agricultural Technology Extension, Baiyin, Gansu 730900, China;2.CollegeofResourcesandEnvironment,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

A field experiment was conducted to investigate the effects of meteorological factors on the leaf water potential (ΨL) of spring wheat and field pea in Loess Plateau. The results showed that the relationship between leaf water potential and four meteorological factors changed with the growth stages of spring wheat and field pea. Leaf water potential exhibited a linear relationship with air temperature (Ta) and a quadratic relationship with solar radiation (R), air relative humidity (RHa) and air water potential (Ψa). A good linear relationship was observed between leaf water potential and the integrated meteorological factors. Among the four meteorological factors, air water potential had the strongest effect on the leaf water potential of spring wheat, followed by air relative humidity, air temperature and then solar radiation. The direct path coefficients of air relative humidity, air temperature andRwere smaller than their respective indirect path coefficients via air water potential, indicating that the direct effects of these three factors on diurnal variations in the leaf water potential of spring wheat were less than their respective indirect effects via air water potential. A highly significant correlation between air temperature and spring wheat leaf water potential was found, indicating a minor direct effect on leaf water potential. Airtemperature was not the primary cause for diurnal variations in the leaf water potential of spring wheat but acted as the primary factor for variations in air water potential. Air temperature had the strongest direct effect on diurnal variations in the leaf water potential of field pea, followed by air water potential, solar radiation and then air relative humidity. Solar radiation and air relative humidity were both smaller than their respective indirect path coefficients via air temperature, indicating that the direct effects of these three factors on diurnal variations in pea leaf water potential were less than their indirect effects via air temperature.

semi-arid region; meteorological factors; leaf water potential

1000-7601(2016)05-0120-09

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.19

2015-06-04

国家自然科学基金项目(31360148)

王彩斌(1964—)，男，甘肃白银人，高级农艺师，研究方向为节水灌溉理论与技术。 E-mail： wlf8769216@163.com。

S344.3

A