春玉米茎流速率变化规律及其影响因素研究

2021-05-31史占垚侯立柱苏国龙

中国农村水利水电 2021年5期

史占垚，侯立柱，苏国龙

（1.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京100083；2.山西省电力勘测设计院有限公司，太原030001）

0 引言

水资源是不可替代的自然资源，在许多地区的农业生产中，水资源短缺已经成为限制农业发展的重要因素。能够实时反映作物生长过程中的水分状况是实施节水农业的重要基础，也是实行农业可持续发展的迫切需求［1］。多位学者利用茎流计观测的方式分析作物体内水分状况，以及开展作物耗水规律方面的研究，阐释了华北地区作物茎流速率和气象因子的关系。冯东雪［2］等在喷灌条件下进行田间试验，得出太阳辐射是影响茎流速率的最关键因素，风速对其影响较小。冀健红［3］等人研究结果表明气温和风速对温室番茄茎秆液流的影响主要是通过太阳辐射和水汽压差实现的。王梦雪［4］等研究结果得出不同天气下葡萄着色成熟期茎流速率与净辐射、饱和水汽压差和气温呈正相关，而与相对湿度呈负相关，并且施肥量不同会改变茎流速率对气象因子的响应。闫业庆［5］等分析了3 种典型天气条件下玉米液流通量密度与环境因子之间的关系，发现玉米液流日累积量在晴天条件下最大，雨天条件下最小。前人研究多以漫灌和喷灌为灌溉方式，且研究区多在华北地区，针对大力推行节水灌溉农业的西北干旱地区相关研究较少，故开展西北干旱地区滴灌条件下，作物茎流速率与气象因子的关系的研究尤为重要。

玉米是西北干旱半干旱地区主要的农作物之一，耗水量高，水分供给状况对产量影响很大［6］；但西北地区气候干燥，降雨量少，蒸发强烈，地下水为主要灌溉水源之一，灌溉方式为大田漫灌，水分利用效率很低，水资源浪费严重［7］；而滴灌是一种高效节水的新型精确式灌溉技术，以滴灌为代表的节水灌溉在西北干旱半干旱地区的发展潜力很大［8］，本论文以春玉米为研究对象，以滴灌为灌溉方式，利用包裹式茎流计对春玉米茎流进行观测，分析不同天气条件下玉米茎流变化规律以及茎流速率与影响因子之间的关系，研究结果可为西北干旱地区的作物蒸腾量的计算提供依据，对节水灌溉农业的推广，有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验在榆林市榆阳区补浪河乡那泥滩村进行，属于毛乌素沙地海流兔河流域，该地区属于温带大陆性气候，年均降雨量约为349.4 mm，多年平均气温为7.6 ℃，多年平均水面蒸发量（200 mm 蒸发皿）2 035.2 mm。试验区各土层沙粒量均在90%左右，为质地均匀的壤质砂土［9，10］。

1.2 试验设计

为了方便对春玉米的种植管理，将试验区划分为5 m×5 m=25 m2的小块试验田，小区与小区之间设置宽度为1 m 的隔离带。

试验材料为春玉米，品种为“沃玉3 号”，2018年4月27日播种，9月24日收获，全生育期共151 d。行距和株距分别设置为0.415 m 和0.4 m，所施化肥为农用碳酸氢铵，化肥含氮量≥17.2%，含水率≤3.0%，春玉米生育期内施纯氮总量为200 kg/hm2，本次试验采取滴灌供水，在小块试验田的玉米行间安装11条出水口间距为30 cm 的滴灌带，每行布置一条滴灌带，为保证春玉米生长过程中水分充足，结合参考作物蒸散量，将灌溉量设置为1.2ET0，灌溉后春玉米蒸散量达到灌溉量时进行新一轮灌溉，2018年共进行8 次灌溉，具体灌溉时间和灌溉量如表1所示。

表1 2018年滴灌日期及滴灌量统计Tab.1 Statistics of drip irrigation date and volume in 2018

1.3 试验观测及数据采集

（1）气象条件：试验期间通过小型自动气象站监测整个玉米生长季的风速、降雨量、空气湿度、太阳辐射强度等气象数据，每小时采集一次数据。

（2）土壤含水率：试验区土壤含水率通过埋设在0～80 cm 土层中的时域反射仪（Time Domain Reflectometry）采集，采集频率为每半小时一次，探针埋设深度为10、20、30、40、50、60、70、80 cm。

（3）茎流速率［11］：春玉米生长过程中茎流速率的采集则通过Flow32A-1K 包裹式茎流计进行，每半小时监测一组数据。在玉米茎粗达到适宜于安装茎流仪的范围内时，剥去玉米茎秆叶鞘在裸露的玉米茎秆上，距离地面15～25 cm 的高度安装传感器并密封做好防水处理。为防止传感器部位因聚集过多冷凝水而使传感器腐蚀，同时防止累积过多热量而使植株茎秆被过度加热受损，每隔10 d 左右将传感器拆卸清洗晾晒，然后重新安装在原植株上。茎流数据监测从春玉米拔节后期（7月5日）开始，一直持续监测至蜡熟期（9月13日）结束。

（4）棵间蒸发：春玉米棵间蒸发通过在玉米行间埋设微型蒸发皿进行监测，每组蒸发皿均由内筒和外筒组成，设置大（有机玻璃，内径102 mm，外径200 mm）、中（PVC，内径80 mm，外径150 mm）、小（PVC，内径80 mm，外径150 mm）3种。内筒中装入试验区原状土样，并用滤纸包裹内筒底部放置于外筒内，于每日早上8 点进行称量，若无灌溉和降雨发生，则每5 d 更换一次筒中土样，若发生灌溉和降雨则立即更换土样。

（5）饱和水汽压VPD［12］（vapor pressure deficit）：利用空气的实际水汽压与同温度的饱和空气的压差来表示，计算公式如下：

式中：VPD为饱和水汽压差；T为空气温度，℃；RH为空气相对湿度，%。

1.4 数据处理及分析方法

本次研究所得数据使用Microsoft Excel 2010 进行数据处理、分析和绘制图表，使用SPSS 20.0对数据进行分析，对茎流速率、太阳辐射、饱和水汽压差、温度及风速4 种气象因子进行相关性分析和回归性分析。

2 结果与分析

2.1 不同天气条件下春玉米茎流速率的日变化特征

在春玉米生长过程中，基于Sap Flow田间实测茎流数据，分别选取晴天、多云和阴雨3种不同典型天气，绘制春玉米茎流速率日变化过程，结果如图1所示。由图2（a）可以看出玉米茎流速率昼夜波动幅度很大，典型晴天条件下，茎流速率曲线呈现明显先增大后减小的“几”字型单峰曲线，最大单株茎流速率为118.8 g/h，从早上4∶00 至6∶00 开始，茎流速率随着气象因子的变化开始逐渐增加，早上8∶00 之后，随着太阳升起后光照等环境因素趋于好转，玉米自身的生长进入活跃状态，茎流速率开始急速增大，在12：00 之后达到峰值，并且在12∶00 至14∶30 之间在峰值附近波动；16∶00 之后，随着太阳逐渐落下，茎流速率开始迅速减弱，在夜间20∶00 左右玉米茎流逐渐趋于静止状态。

图1 不同天气条件下春玉米茎流速率日变化Fig.1 Diurnal variation of spring maize sap flow rate under different weather conditions

图2（b）显示，多云条件下，由于太阳辐射强度、温度等指标明显低于晴天，作物茎流速率开始迅速增加的时间段要晚于晴天条件下，且作物茎流达到峰值的时间也较晴天滞后，最大单株茎流速率为71.7 g/h，在16∶00 达到峰值后开始下降，同样在20∶00左右归于静止，在夜间依然出现茎流，主要是由于前一天是晴天，作物因蒸腾作用消耗大量水分，需在夜间进行补充［13］。

图2（c）表明，阴雨条件下，受辐射强度、风速等多种因素影响，茎流速率呈现不规则变化曲线，会出现多个峰值，且茎流速率的开始时间也产生延后，17∶00之后作物茎流速率开始下降，20∶00之后归于静止。

2.2 环境因子对玉米植株茎流速率变化的影响

作物在土壤水分供给充足的情况下，植物蒸腾作用受多种气象因子的影响。图2显示了3 种典型天气条件下，即典型晴天（7月26日）、典型多云（7月22日）、典型阴雨（7月15日），茎流速率和太阳辐射、饱和水汽压差VPD、温度及风速的日变化特征。由图2（a）中可以看出，作物茎流速率和辐射强度变化趋势基本一致，呈现正相关关系，随着太阳辐射的增大，茎流速率也逐渐增大，晴天太阳辐射最大可达823 W/m2，茎流速率在典型晴天和阴雨均在12∶00 至14∶00 之间达到峰值，典型多云天气则在14∶00 至16∶00 之间随着太阳辐射达到最大值茎流速率也达到峰值。如图2（b）所示饱和水汽压差和茎流速率变化并不同步，饱和水汽压差的变化基本上较茎流速率的变化滞后1 h 左右，但总体变化趋势一致。图2（c）表明茎流速率随着温度升高而增大，与温度变化趋势基本一致，但茎流速率的峰值则早于温度的峰值1 h出现。图2（d）显示了多云天气条件下的夜间和典型阴雨天气条件下，风速明显大于晴天和多云日间。阴雨天气条件下，由于辐射强度和饱和水汽压差较低，风速较大而引起茎流速率降低［14］。

图2 春玉米茎流速率与气象因子的响应关系Fig.2 Relationship between spring maize sap flow rate and meteorological factors

本研究利用SPSS 20.0 软件对春玉米拔节期和抽雄期的茎流数据进行回归分析，共计统计37 d的茎流数据，每个变量821个数据，5 个变量共4 105 个数据。分别进行太阳辐射、饱和水汽压差、温度和风速4个气象因子与茎流速率的相关性分析，结果如表2所示。辐射强度、饱和水汽压差VPD、温度和风速与茎流速率的Pearson 相关性分别为0.828、0.728、0.693、0.367。可以看出辐射强度与春玉米茎流速率相关性最为显著，饱和水汽压差VPD和温度次之，风速与茎流速率的相关性较弱。表3显示了各气象因子与茎流速率进行的多元逐步回归分析，逐步回归分析结果表明，辐射强度、VPD、温度和风速与茎流速率拟合程度较好，相关系数R为0.856，F检验达到显著水平，由此说明，太阳辐射、VPD、温度和风速均为影响作物茎流速率的主要气象因子，该结果与于文颖［15］等人研究结果相符。

表2 玉米植株茎流速率与气象因子相关性分析Tab.2 The correlation analysis between maize sap flow rate and meteorological factors

表3 玉米茎流速率与气象因子回归性分析Tab.3 The regression analysis between maize sap flow rate and meteorological factors

上述研究结果表明，太阳辐射对玉米茎流速率影响最大，而加入温度和风速后对提高回归曲线的相关性几乎没有益处，因此考虑分生育期预测茎流速率，受实测资料限制，本研究以玉米生长抽雄期为例预测茎流速率。利用7月5日至8月5日的玉米茎流速率和气象数据，在SPSS 软件中对玉米茎流速率（SF）以及影响其变化的因子辐射强度（Rs）、饱和水汽压差（VPD）、进行多元回归分析，得到回归方程SF=0.072Rs+15.694VPD+2.915，相关系数R为0.883。并且利用所得多元回归方程对晴天多云天（8月7日、8月8日）以及雨天（8月6日）的茎流速率进行验证，如图3所示，方程预估茎流速率的值与实测值较为吻合，R2达到0.886。由此说明，采用该多元回归方程估算春玉米抽雄期的茎流速率是可行的，该结果与李会［16］等人的研究结论相符。