蓄水坑灌下苹果树茎流速率日变化及其影响因子的研究

张亚雄，孙西欢,2，马娟娟，郭向红，安江龙，李 蕊

(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)

植物根系从土壤中吸收的水分通过树干茎流进入叶片，其中99.8%以上通过蒸腾作用进入大气[1]，树干茎流就是植株在进行蒸腾作用的过程中体内一股上升的液流，因此植株蒸腾耗水量的大小受茎流量大小的影响较大[2]。准确地测定植物蒸腾耗水规律及其影响因素，对合理利用现有水资源，提高水分利用效率，对节水灌溉的研究与发展具有非常重要的实践意义[3]。通过测算茎流速率来得出茎流量进而得出植株的蒸腾耗水量，许多学者对茎流速率在不同天气下的周、日变化特征[4]，不同植株在茎流速率特性方面的个体差异[5]，甚至测定不同灌水方式下果树茎流速率的状况[6]和不同湿润模式下果树茎流速率的状况[7]，以及对同一植株上不同部位茎流速率的分布变化特征[8]等进行了大量研究，但有关水势与茎流速率的研究较少。蓄水坑灌关于蒸腾作用的研究主要集中在叶片蒸腾，利用茎流速率表征蒸腾作用的较少，李波等[9]通过水量平衡法来研究苹果树的耗水特性，王颖苗等[10]研究了苹果树叶片的蒸腾特性。本文通过研究茎流速率日变化规律来反映蓄水坑灌条件下苹果树蒸腾耗水特性并阐明土-叶水势与茎流速率的关系。

目前对植物茎流速率的测定大多采用热技术法，主要包括热平衡、热脉冲、热扩散等[11]，这些方法不仅操作方便，还能进行连续测定，而且对植物自然生长状态的干扰也比较小。其中，热扩散法能够精确地测算出树干中上升的液流量从而确定植株的蒸腾损耗，采用该种方法可以在保持树木正常生长的情况下对树干茎流进行连续测定，并且易于野外操作及远程数据下载。因此，本试验采用热扩散(TDP)插针式植物茎流计对苹果树茎流日变化规律及其与水势以及气象因子的关系进行研究，旨在了解当地苹果树水分利用规律，进而指导果园合理灌溉。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年4-10月进行田间数据采集。实验地在山西省农科院果树研究所，位于山西省太谷县西南部，地处东经112°32′，北纬37°23′，年平均气温9.8 ℃，海拔约800 m，平均降雨量大约463 mm，无霜期175 d，2015年降雨量为386.3 mm。属于典型的暖温带季风影响下大陆性半干旱气候。土壤以壤土为主，土壤物理参数见表1。试验区为南北向，苹果树种植规格为4 m×2 m，灌溉水源为地下水，试材为7 a生长富二号矮砧苹果树。

表1 土壤物理参数Tab.1 The soil physical parameters

1.2 试验方案

选取长势基本一致且良好的苹果树，采用蓄水坑灌及地面灌溉2种灌溉方式，蓄水坑灌处理下每棵树周围挖4个蓄水坑，坑深40 cm。蓄水坑灌处理1：灌水上、下限为田间持水量的100%与70%，处理2：灌水上、下限为田间持水量的90%与60%，处理3：灌水上、下限为田间持水量的80%与50%，处理4：地面灌溉。定期监测土壤含水率，当土壤含水率达到其灌水下限时进行灌水至上限。试验方案见表2。

表2 不同处理试验方案 L/株

1.3 测量项目与方法

水势采用露点水势仪进行测量，茎流速率采用TDP插针式植物茎流计进行测量，每半小时自动采集一次；气象因子采用Adcon-Ws无线自动气象监测站进行监测，每15 min自动采集一次，监测的指标包括辐射强度、相对湿度、温度、土壤温度及风速等。

试验数据采用Excel和SPSS进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 蓄水坑灌下苹果树茎流速率日变化

由于在阴天树干茎流更多受根系活力、土壤墒情等气象因子的影响而灌溉对其影响较小，茎流曲线呈多峰无规律变化[12-14]。因此选择不同生育期的典型晴天来分析茎流速率日变化规律，见图1，其中5月20日处于萌芽花期，6月19日与7月4日处于新梢旺长期，8月10日、9月3日处于果实膨大期，10月3日处于成熟期。

由图1可知，各生育期茎流速率日变化规律基本一致，均为早上7∶30左右液流开始启动，10∶30左右达到峰值，10∶30-13∶30下降速度较快，13∶00以后到18∶00左右保持一个相对平缓的下降趋势，然后下降速度又加快，到23∶00左右降到最低值，可以看出蓄水坑灌条件下苹果树不会出现明显的午休现象，这就使得蒸腾速率处于一个较为稳定的状态。苹果树树干茎流日变化规律大致呈“几”字形，这是由于植物蒸腾水分主要通过气孔散失，而太阳辐射和大气温度对气孔的开闭有较大的影响[15]，上午随着太阳辐射和大气温度的上升，苹果树的蒸腾也逐渐增大；在中午时会出现一段降低稍微平稳的过程，因为在这段时间太阳辐射和气温较高，当其根系吸水无法持续满足蒸腾失水时，部分叶片气孔暂时关闭或缩小，叶片蒸腾速率随之变化，将树干茎流速率稳定地调节在足以维系正常生命活动的水平上，避免过度失水，进而影响到植物蒸腾；到了下午，太阳辐射和气温有所降低，苹果树茎流速率也呈现递减趋势。试验研究发现，在夜间树干液流接近于零但是不为零，这可能是由于白天太阳辐射和大气温度等都较大，导致苹果树白天耗水强度大，使树体内各部分组织的水容储水被释放出来，到了夜晚，根系需要通过吸水来恢复根系、树干及枝叶的水势梯度。

图1 各生育期茎流速率日变化规律Fig.1 Variation of stem flow rate of apple tree of growth period

为了进一步说明不同灌水处理下茎流速率的差异，通过SPSS对茎流速率的日平均值作单因素方差分析，结果见表3。

处理1是蓄水坑灌充分灌溉，处理2和处理3均为非充分灌溉，因此茎流速率在各生育期均表现为处理1最大，处理3最小。由表3得出各生育期内蓄水坑灌处理2与地面灌溉处理4没有显著性差异。通过比较可知新梢旺长期的茎流速率大于其他生育期，新梢旺长期内7月4日的最大，这是由于7月份属于新梢旺长中后期，果树的各项生理指标都处于一个快速生长的状态，需要根系从土壤中吸收更多的水分和养分，这些营养物质通过树干茎流运送到植物的各个部位，还有影响因子太阳辐射、大气温度等的值较大。果实膨大期内茎流速率是逐渐减小的，但整体的日变化趋势是一样的，这期间主要还是气象因子的影响程度的减弱使得茎流速率减小。在10月份所有处理都不灌水，茎流速率整体较9月份再次减小。

表3 不同灌水处理下苹果树日平均茎流速率的差异性分析 cm/s

注：同一列数据后大写和小写字母分别表示达到0.01和0.05的显著性差异。

2.2 茎流速率日变化与叶水势的关系

对蓄水坑灌不同灌水处理与地面灌溉处理下的叶水势与茎流速率进行同步测定，得出两者的变化规律，结果见图2。

图2 茎流速率日变化与叶水势的关系Fig.2 The relationship of stem flow rate change and leaf water potential 注：实线表示茎流速率，虚线表示叶水势。

由图2可以看出，所有灌水处理下，苹果树的茎流速率日变化规律是先增大后减小，而叶水势是先减小后增大，两者呈现出相反的变化趋势。7∶00-9∶00叶水势下降速度较慢，9∶00-11∶00下降速度加快，到了13∶00左右降到一天中的最低值，这是由于7∶00开始苹果树逐渐开始蒸腾耗水，随着太阳辐射以及气温的增高，蒸腾作用逐渐增强，通过叶片耗水量增加，使得叶水势一直在降低。而苹果树为了弥补自身的水分亏缺，就会从土壤中吸收大量的水分，所以茎流速率是增长的趋势。中午过后，果树蒸腾作用逐渐减弱，因此茎流速率逐渐减小，从而耗水量逐渐减小，所以叶水势又逐渐增大。

2.3 茎流速率日变化与土水势的关系

由图3可以看出，各不同灌水处理下一天内土水势基本处于一个相对稳定的范围内，土水势反映的是土壤含水量，变化幅度比较小，在13∶00左右处于一天中的最低值，这是由于果树开始进行蒸腾作用，消耗掉自身大量的水分，这就需要从土壤中吸收水分来弥补，茎流速率会逐渐增大。中午过后，茎流速率开始变小，对土壤中水分的消耗随之变小，所以土水势基本保持一个较小的变化。

图3 茎流速率日变化与土水势的关系Fig.3 The relationship of stem flow rate change and soil water potential 注：实线表示茎流速率，虚线表示土水势。

2.4 茎流速率日变化与土-叶水势梯度的关系

由图4可以看出，水势梯度和茎流速率的变化规律都呈现先增大后减小的趋势。11∶00左右茎流速率达到最大值，此后开始减小，但到13∶00左右仍然保持一个较大的速率。由于这一时段叶水势仍然在不断减小，而土水势基本保持一个相对稳定的状态，在土壤和叶片间会产生一个水势梯度，因此11∶00-13∶00这一时间段水势梯度仍然在增大，直到13∶00左右达到最大值。由于在茎流速率达到峰值后，苹果树为了补偿自身的水分亏缺，通过降低叶水势以增大土水势与叶水势之间的水势差，进而从土壤中吸收大量的水分，所以13∶00左右叶水势达到最小值，水势梯度达到最大。然后叶水势逐渐增大，水势梯度逐渐减小。

图4 茎流速率日变化与土-叶水势梯度的关系Fig.4 The relationship of stem flow rate change and soil-leaf water potential gradient 注：实线表示茎流速率，虚线表示水势梯度。

从表4中可以得出，4种灌水处理下，两者呈现出正相关的关系。但处理2水势梯度与茎流速率是显著相关的，处理4也表现出一定的相关性，而处理1与处理3这2种情况下两者的相关性不明显。通过回归分析得出处理2条件下苹果树茎流速率与土-叶水势梯度的回归方程如下：

F=0.000 411 Δψ-0.000 19 (R=0.933 8，p<0.01)

式中：Δψ为水势梯度，MPa；F为茎流速率，cm/s。

表4 不同灌水处理条件下茎流速率和水势梯度的相关性分析Tab.4 Analysis the correlation of the stem flow rate and water potential gradient under different irrigation treatments

注：**在置信度(双测)为 0.01 时，相关性是显著的；* 在置信度(双测)为 0.05 时，相关性是显著的。

2.5 苹果树茎流速率与气象因子的关系

苹果树茎流速率日变化受多方面因素的影响，除与自身的生理指标有关以外，还会受到外界气象因子的影响。为了研究气象因子对茎流速率日变化影响的综合效应，以灌水处理2为例进行分析，对茎流速率及气象因子进行同步连续观测。图5～图7分别为处理2条件下苹果树日茎流速率(F)与太阳总辐射(Rs)、大气温度(Tm)以及大气相对湿度(RTh)的关系。从图5、图6中可以看出，苹果树日茎流速率分别随着太阳辐射和大气温度的增大而增大，从图7中可以看出日茎流速率随大气相对湿度的增大而减小。

图5 茎流速率与太阳辐射的关系Fig.5 The relationship of stem flow rate change and solar radiation

图6 茎流速率与大气温度的关系Fig.6 The relationship of stem flow rate change and atmospheric temperature

图7 茎流速率与大气相对湿度的关系Fig.7 The relationship of stem flow rate change and air relative humidity

经回归分析得出茎流速率与3个气象因子的回归方程如下：

F=-0.006+1.56×10-6Rs+1.2×10-7Tm+

3.94×10-5RTh(R=0.961，p<0.01)

3 结 论

本文通过对蓄水坑灌和地面灌溉2个方式下苹果树茎流速率日变化规律及茎流速率与其影响因子之间的相互关系的分析，得出以下结论。

(1)蓄水坑灌不同灌水处理条件下苹果树的茎流速率日变化呈“几”字形，其中处理1灌水量最大，在各个生育期的茎流速率均高于其他处理。处理2和处理4未达到显著性差异，但处理2的灌水量比处理4少560 L/株，表明相对于地面灌溉而言，蓄水坑灌具有节水保水的作用，同时得出处理2是相对合理的灌水处理。该结论基于一种水文年型蓄水坑灌下7 a生苹果树得出，还应进行不同水文年型、质地、品种下茎流速率的研究，进而丰富蓄水坑灌适用于不同条件下的灌水方案。

(2)不同处理的叶水势日变化与茎流速率日变化呈负相关，水势梯度与茎流速率日变化呈正相关，总体上看茎流速率对水势梯度的响应较好，其中处理2条件下两者是显著相关的，通过线性回归分析得出了茎流速率与水势梯度之间的回归方程，两者呈正的线性相关。

(3) 不同气象因子对茎流速率的影响程度不同，茎流速率与太阳辐射是二次多项式关系，与大气温度和大气相对湿度均为指数关系。通过回归分析得出蓄水坑灌条件下茎流速率与太阳辐射、大气温度及大气相对湿度之间的回归方程，从而更精确地表征它们之间的数量关系。

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