引黄灌区苹果树液流规律及与微气象因子响应关系

万 发， 吴文勇， 喻黎明， 廖人宽， 王 勇

(1.长沙理工大学水利工程学院，410114，长沙；2.中国水科院，100048，北京)

我国农业用水量占总用水的比例61.2%，灌溉水利用系数为0.559[1]，灌溉水利用系数与先进国家水平相比还有较大差距。果品的生产是现代都市农业的主要发展形势之一，研究果园耗水规律、建立科学灌溉制度是提高灌溉水利用效率的有效途径，同时也可有效指导果品的丰产、高产。苹果是我国北方广泛种植的果树，其耗水规律的研究对于北方农业用水利用效率的提升意义重大。同时苹果树耗水作用与当地气候相结合作用下，其耗水对于土壤水分的作用需要进行研究，尤其是长年降雨量低于耗水时会造成的土壤干化现象，在当地常规灌溉制度下的耗水与补水关系研究，有利评估当地果园土壤水分利用情况，确保土壤保持较好的水分条件。

苹果园耗水主要由蒸腾耗水与棵间蒸发为主，其中蒸腾耗水规律的研究主要采用茎液流法，果树液流规律与气象因子之间的相关性是国内外研究热点[2]。苹果蒸腾耗水规律的研究成果已多见报道，丁日升[3]指出西北地区苹果树白天液流成多峰型，夜晚液流趋近与恒定值；王力等[4]认为黄土原区苹果液流规律在晴天和阴天条件下均成单峰型，夜间夜流不为0，前半夜液流主要用于树干补水；也有学者研究认为苹果液流在晴天成单峰，阴天主要成多峰[5-7]，陈凯[8]研究表明山东地区苹果蒸腾耗水规律22:00—翌日06:00液流停止。树干液流的研究报道较多，但是关于苹果树干液流与气象因子之间相关性的较少。王艳萍[9]研究认为苹果树干液流与水气压差的相关性最高，Liu等[10]研究认为苹果生长季内2个阶段主要影响因素为水汽压差和参照蒸散量，龚道枝[11]研究认为影响生育期内苹果树干液流速率的主要因子为净辐射。综上所述，不同学者对不同地区苹果液流变化规律及与微气候因子的响应关系研究结论存在差异，因此笔者针对引黄灌区苹果树液流规律开展以下2方面研究：1)阐明生长季苹果树干蒸腾耗水规律；2)揭示苹果树干液流密度与气象因子之间的响应关系。

1 研究区概况

试验区位于山西省运城市尊村引黄灌区五级提水站，属暖温带大陆性季风气候，全市历年平均气温为13.1 ℃，全市多年平均年降水量573.6 mm，多年平均蒸发量为1 240 mm，试验区以砂质壤土为主，田间持水量为21%(质量)。

2 材料与方法

2.1 试验设置与方法

试验区苹果园为6年生红富士苹果(Maluspumila)，面积为11亩(1亩=0.067 hm2)，东西走向，长290 m，宽25.3 m，株行距为2.4 m×2.4 m。在果园中部区域随机选择具有保护行、无病虫害、长势良好且相近的2棵苹果树作为试验对象，灌溉方式为畦灌，灌溉制度为1年6次，分别为冬灌11月、春灌2月、生长季6、7、8、9月各1次，每次灌水定额为69 mm。分别在每个植株树干距地面50 cm处正西方安装一个热扩散探针(thermal diffusion probe, TDP)式树干茎流计DT80 (Datataker，Australia)+TDP30 (Dynamax，USA)，数据通道分别记为TC1和TC2，采用锡箔纸包裹以减弱环境因素对探针数据的影响，并对其采取一定的防雨和防晒措施，每隔15 min自动采集一组数据，每月2次导出树干茎流信息，观测时间为2016年2月20日至2016年9月30日。于果园正南1 700 m提水泵站内无遮挡开阔地带安放小型气象站Davis pro2 (Davis, USA)，监测降雨量、辐射、温湿度、风速和风向等气象信息，数据每10 min计算平均值并存储。水汽压亏缺计算方法如下：

(1)

式中：VPD为水汽压亏缺，kPa；T为气温，℃；RH为相对湿度，%。

2.2 数据处理计算

树干液流计算根据Grainer定义的量纲为1的常数K计算得出，计算公式如下：

K=(ΔTm-ΔT)/ΔT；

(2)

V=0.011 9K1.231；

(3)

F=3 600AsV。

(4)

TC1 represents the trunk circulation of the first apple tree; TC2 represents the trunk circulation of the second apple tree图1 苹果生长季树干液流速率变化情况Fig.1 Variations of sap flow rate in apple trunk during growth period

式中：K为参数，量纲为1；ΔTm为2热电藕间最大温差，℃；ΔT为瞬时2热电藕间温差，℃，由探头所测的电压信号除以常数0.04计算得出；V为实际液流速率，cm/s；F为边材液流通量，g/h；As为边材面积，cm2。

蒸腾计算公式：

Q=Ft。

(5)

式中：Q为液流量，g；t为时间，h。

标准化液流密度计算公式：

(6)

式中：V′n为标准化液流密度，量纲为1；F1～Fn为计算范围内不同时刻边材液流通量，g/h。

3 结果与分析

3.1 苹果生长季茎液流变化特征

图1为TC1和TC2 2通道内全生育期每小时内液流速率的变化规律，最大液流速率值发生在TC1的5月18日，最大值为2 458.77 g/h，最小值为2.07 g/h，发生在TC1的3月27日。图2所示为TC1生育期内液流月均值在一天内的变化规律，可知，在2、3和4月内的液流在午后出现一个大幅下降的休止期后在太阳下山后又开始增加，这种午后液流休止的趋势随时间的变化而开始减缓，并在5月不在出现，从5月开始，液流速率在中午达到最大值后保持较高的液流速率缓慢下降。图3为TC1在全生育期内的蒸腾耗水量变化规律，TC1苹果树的蒸腾耗水成明显的季节性变化，2至9月内的总蒸腾耗水量为685.8 mm，苹果蒸腾耗水量的高峰期发生在7、8月及9月。当地多年平均降雨量约为573 mm，低于耗水量，当地引黄灌溉制度下，每年可补充灌溉420 mm，降雨量和补充灌溉量总和高于耗水量，表面在该地区的灌溉制度下，土壤不会形成干化效应，保持着较好的水分条件。

图2 生长期内月每天均值逐小时液流速率变化Fig.2 Daily mean hourly sap flow rate changes in different month during the growing period

图3 TC1各月蒸腾总量变化Fig.3 Total transpiration of TC1 varies in different months

3.2 苹果晴天和阴雨天液流密度日内变化规律

苹果生长期内的树干液流日变化，表现出明显昼夜变化规律，如图4液流密度在日变化过程中呈单峰变化。由于果树自身生长状况、气象条件、土壤水分等因素的不同，树干液流的启动、结束、最大值及其出现时间各不相同，最大值为7月份15 g/(cm2·h)。苹果生长季的夜晚液流均不为0，本结论与续海红等[7]和孟秦倩等[12]的结论一致，虽然在夜间光照辐射强度变为0，但是由于气温、风速、相对湿度等环境因素的影响，树干的液流速率在夜间仍然保持着微弱的液流[13]。

苹果液流密度各月的典型晴天条件下的最大值和最大值的时间有所区别，液流密度在6、7月白天启动时间最早，于08:00开始，增长速度也最快，最大值分别为每小时12、15 g/cm2，主要原因为6、7月份的叶片发育成熟，外界气温较高，白天光照辐射强。早晨太阳辐射弱，气温低，液流量上升缓慢；随着太阳辐射的逐渐增强，气温逐渐升高，空气相对湿度逐渐降低，液流量逐渐增大，10:00—14:00 达到最高值。随后太阳辐射强度逐渐减弱，温度逐渐降低，空气相对湿度逐渐升高，液流在20：00左右减弱到最小值，此时光照辐射为0，但液流并未停止。夜间液流速率峰值为白头峰值的30%，这与胡杨树夜间液流规律相似[14]，这种情况有2个原因：1)苹果夜间仍然存在蒸腾活动；2)由于白天树冠的强烈蒸腾活动而导致树体内储水减少，在树体内产生叶片-冠-根的水势差，从而导致在无光照条件下根系继续吸水以补充白天蒸腾消耗的水分，形成夜间的补偿流[15-16]。

图4 2016年各月中典型晴天苹果树干液流 密度日变化特征Fig.4 Characteristics of diurnal variation of apple trunk sap flow density in typical sunny days in each month of 2016

从苹果生长季3—10月中选取7月作为典型进行分析，7月晴天和阴雨天气条件下的苹果树树干液流密度如图5。晴天和阴雨天气条件下苹果树干液流密度均呈明显昼夜变化规律，白天高，夜晚低。液流曲线夜间不为0，保持微弱液流。晴天条件下的液流变化规律同上分析，在阴雨天天气条件下，全天太阳辐射较弱，气温相对较低，空气湿度相对较大，使苹果树干液流明显低于晴天。阴雨天液流在白天日出时达到峰值和降低到最低值时的时间比晴天晚1 h，且从08:00启动后的液流增长较晴天缓慢，午后的下降趋势也较为缓慢，液流峰值和均值均较低。

3.3 树干液流密度与气象因子之间的相应关系

液流与气象因子双变量相关性分析结果如表1所示，苹果树干液流密度与环境气象各因子之间均存在不同程度相关性。液流密度与各因子相关性高低排序为水汽压亏缺>气温>光照>相对湿度>风速，液流密度与降雨之间无相关性。液流密度与水气压亏缺之间为负相关，即水气压亏缺越大，液流速率越小，光照、气温、相对湿度与液流密度均为正相关，光照强烈、气温高、相对湿度越大液流密度越大。

图5 不同天气条件下苹果日液流密度变化特征Fig.5 Characteristics of sap flow density variation of apple on different weather conditions

表1 基于15 min间隔监测密度的环境变量和液流密度相关性分析

分别对白天和夜晚的标准化液流密度和主要气象因子之间相关性进行分析(表2)。标准化液流密度白天对4个因子相关性比全期和晚上高，白天主要受水气压亏缺、气温、光照影响，在晚上主要由相对湿度和水气压亏缺影响。参照徐世琴等[17-19]对梭梭、白刺、沙拐枣3种植物的夜间环境因素VPD和风速对于树干液流的特征的解释率较低而推出蒸腾和补水作用，此处苹果白天主要影响蒸腾的因素VPD和气温在夜晚时对苹果液流速率的解释率都较低，表明夜晚树干液流主要是由于补水作用而非蒸腾作用。

用曲线按时间连接液流密度时均值和对应各气象因子的散点图，形成的迟滞圈如图6所示，液流密度对于气温和水汽压亏缺的响应关系为顺时针环状，相同气温和水汽压亏缺下，上午液流密度比下午大，主要原因是中午的高温和强烈的蒸腾需求导致叶片气孔在下午开始关闭而导致蒸腾作用的减弱。液流密度对于相对湿度的响应关系则为逆时针，相同的相对湿度条件下，随着光照增强，气温逐渐升高，相对湿度降低蒸腾作用却越来越强，在下午气孔开始关闭是相对湿度达到最低值，随后慢慢升高。液流密度对于光照的顺时针环状，对称性较差，在夜间保持微弱液流，并在上午光照持续增强时出现一个较小回落，主要由于影响夜间蒸腾拉力的主要因素在此时变换为日间主要的影响因素。

表2 白天和夜晚标准液流密度与主气象因子相关性

图6 苹果树干液流密度日变化对各气象因子的响应关系Fig.6 Response of diurnal variation of apple trunk sap flow density to various meteorological factors

苹果液流与环境因子之间的非对称响应现象本质是液流现象是树干内水分传输的反映，果树体内有一定的储水能力[20]，瞬时液流密度与实际蒸腾速率并不能完全对应，即液流量存在一定的时滞效应[21]。光合辐射和水汽压亏缺是影响树干液流的主要环境因素，光辐射与叶片气孔导度之间存在正相关关系，光辐射的增强导致蒸腾作用的增加，水汽压亏缺对于液流也存在负效应[22]，气孔导度随着水汽压亏缺的明显上升而呈自然对数形式降低，逐渐降低蒸腾作用[23-24]。光合辐射，水汽压亏缺和气温等环境驱动因子对于蒸腾作用是同时产生效应，单个因子对于液流变化的分析难以准确表征它们之间的真实关系，要真正区分各环境因子对于蒸腾影响的作用和贡献是比较困难[25]。总而言之，各气象因子之间相互影响、相互制约、相互作用从而对树干液流产生影响。

4 结论

1)引黄灌区苹果树生育期内液流蒸腾耗水总量为685.8 mm，液流蒸腾耗水量总体趋势随着生育期的增加而增加，在7、8、9月蒸腾耗水量均较大，应当及时根据气象变化监测土壤水分情况，及时补充灌溉。在当地灌溉制度下，苹果园的种植不会造成当地土壤干化现象，可以较好保持土壤水分特性。

2)苹果树干液流速率日变化在晴天和阴雨天气条件下均呈明显的昼夜变化的单峰曲线。但由于受天气的影响，不同天气条件下苹果树干液流速率的日变化规律存在一定的差异。晴天液流启动早，液流速率大；阴雨天液流启动晚1 h，液流速率为晴天的60%～70%。苹果树在夜间保持一定的液流速率，苹果夜间液流和日间液流的主要驱动因子并不相同，白天的驱动因子主要为温度、光照等导致的蒸腾活动，而夜晚的主要驱动因子为夜间的补水作用，在主要驱动因子的交替变化中液流密度会有小幅度降低。

3)水气压亏缺是光合作用的驱动力，影响气孔的开放程度，进而影响到蒸腾作用的强弱，太阳辐射对蒸腾作用起着决定的作用。而晴天太阳辐射强，光照充足，叶片生理活性强，光合速率和蒸腾速率高，蒸腾拉力大。空气温度影响叶片气孔开放程度。液流密度与水汽压亏缺和气温因素的非对称响应较大，水汽压亏缺和气温达到最大值时液流密度则开始降低。