弥雾灌对枣园冠层环境和光合特性及产量品质的影响

周少梁 孙三民 姚宝林 李发永 何通亮 王伟伟

(塔里木大学水利与建筑工程学院，阿拉尔 843300)

0 引言

新疆环塔里木盆地光热资源十分丰富，其气候条件适宜种植红枣，因此红枣成为该地区大力发展的特色林果之一[1]。红枣是目前新疆地区发展最快的特色林果，种植枣树不仅能起到防风固沙的作用，而且为农民致富提供了新途径[2]。

南疆属于极端干旱地区，在枣树生育期，空气温度高，且湿度低。红枣的花期长、花量大，落花落果严重，自然坐果率低，一般为1%左右[3-4]。红枣花期需要适宜的冠层温湿度，高温、干旱的天气影响花粉发芽和花粉管生长，导致不易授粉，出现“焦花”现象，不利于传粉受精，导致大量落花、落果[5-7]。研究表明，枣树开花受温度、湿度、降水、光照、大风等气象因素的直接影响，这些因素同时满足才能开花，空气过于干燥，导致开花快、花期短、坐果率低，花期空气相对湿度决定坐果率，并影响果实品质[8]。因此，干旱条件下枣园开花期的冠层微气候严重影响枣树的开花、坐果及后期产量和品质。

微环境调控技术是利用某种设施或方法对作物生长环境(光照强度、温度、湿度、CO2浓度等)进行调控，为作物生长提供适宜的生长环境，从而获得高产量、高品质和经济效益的一种高效农业栽培技术，该技术多用于设施农业[9-10]。樊丁宇等[11]通过间作模式改变枣园环境，提高了骏枣坐果率。洪明等[12]在枣树花期通过布设一套微喷灌溉系统来增加空气湿度、降低温度，对提高红枣坐果率和品质效果显著。申晓晶等[13]研究发现，冠层相对湿度是影响枣树光合作用的主要因素。目前，关于适宜新疆枣园的空气温湿度、精确的调控方法，以及不同调控方式对冠层空气温湿度、光合速率、红枣产量及品质的影响等相关研究较少。本研究通过在枣园布设弥雾系统来调控冠层空气温湿度，分析不同冠层环境对枣树生长及产量、品质的影响，为南疆红枣优质高产提供理论支持。

1 试验区概况与研究方法

1.1 试验区概况

试验于2018年4—11月在位于新疆维吾尔自治区阿拉尔市塔里木大学水利与建筑工程学院灌溉试验站(80°30′N,40°22′E)进行。试验枣园的地下水埋深2 m左右，其土壤理化性状如表1所示。红枣种植品种为当地普遍栽培的骏枣，树龄9年，种植方式为矮化密植。

表1 试验小区土壤理化性状

1.2 试验设计

选取呈直线排列、株距为1 m的6棵枣树划分为一个试验小区，设定4个小区，所选的枣树树冠大小相近，形状相似。在枣树的全生育期采用间接地下滴灌的灌水方式，每株每次灌水18 L，根据枣树各个生育期的需水特性确定灌水间隔，见表2。其中3个小区在7月上旬到7月下旬枣树盛花期、坐果期间实施空中弥雾灌，3个试验小区即为3个处理，1个小区不进行弥雾灌，设为对照处理，每个处理3个重复，每个处理除了弥雾灌时间和时长不同，其他田间管理，包括修剪、施肥等均相同。在枣树行间布置高度为180 cm的弥雾装置，弥雾喷洒直径200 cm。用塑料薄膜将试验小区围起来，防止弥雾后制造的低温高湿环境受到外界环境的影响，从7月2—30日期间开启空中弥雾灌，具体方案见表3。

表2 灌水时间

表3 弥雾灌试验处理方案

1.3 试验装置及参数测定方法

弥雾系统所采用的喷头为全铜可调高雾化喷头，出水孔直径为0.9 mm，试验区水头压力为150 kPa，实际测得喷头流速为29.79 L/h。在枣园中40 cm高处安置空气温湿度二合一传感器，监测弥雾条件下的空气温湿度变化情况，传感器于5月开始进行数据监测直至10月红枣成熟，全天24 h工作，每隔0.5 h记录1次数据；在距离树干5 cm、距地表20 cm深处安置中科正奇公司的土壤湿度传感器，监测6、7、8月灌水前后的土壤水分变化状况，全天24 h工作，每隔0.5 h记录1次数据；从枣树开始开花起，在前期每隔3 d观测记录1次枣树落花数量，后期随着落花数的减少适当延长时间间隔，观察落花的变化，最后求得枣树总花数量，用每阶段的落花数除以总花数，得到不同时期的落花率；每20 d进行一次枣树的光合作用测定，选择一个晴天，用LI-6400XT型便携式光合作用测量仪测量枣树的光合作用，每棵树选择4片叶子，东、南、西、北各1片，每隔2 h测1次，保证一天内测的是同一片叶子。

在果实成熟后进行红枣品质检测，包括单果质量、果径、产量、总糖含量、可滴定酸含量、维生素C含量等。

2 结果与分析

2.1 冠层湿度变化

弥雾期间枣园冠层空气湿度日变化如图1所示，此处仅以7月11日的数据为例进行分析。从图中可以看出，各个处理下空气湿度在02:00左右达到最大后开始降低，直至11:30开始弥雾时，弥雾处理下空气湿度变化与CK之间开始出现差异，CK空气湿度持续下降，于17:30左右湿度最低，为18.9%，后开始逐渐升高。M1、M2处理下，11:30进行20 min的弥雾可提升一定的空气湿度，与CK的差异不大，但可以使第2次弥雾之前这段时间冠层湿度下降速度变慢；M1处理较M2处理在19:30—19:50多进行了一次弥雾，但两个处理对空气湿度影响差异不大，从全天看来，这两种处理对增加空气湿度有一定帮助；M3处理增加了弥雾时长，比M2处理每次多弥雾20 min，由图中可看出在早上进行40 min的弥雾后，空气湿度有一个较为明显的上升过程，15:30进行40 min的弥雾空气湿度的增加更加明显，所以在早上和中午各弥雾40 min的增湿效果显著高于20 min弥雾。17:30左右，枣林间的空气湿度开始上升，因此在19:30进行20 min弥雾后发现，空气湿度上升速率有一定的增加，但效果并不显著，到22:00左右，各处理下空气湿度趋于一致，持续上升到第2天02:00。

在弥雾期间选取7月12—18日的7 d时间，在相同时刻比较各处理在1 d内相较于CK的湿度增加幅度，其变化幅度如表4所示，弥雾时间段内对照处理的日冠层湿度变化范围如表5所示。

表4 冠层湿度相较于对照的日增加幅度

从表4可以看出，M1、M2的湿度增加幅度比较接近，说明弥雾次数对湿度增长影响较小；M3的湿度增加幅度较大，进一步说明了弥雾时间是影响空气湿度的重要因素。

2.2 冠层温度变化

弥雾期间空气温度日变化如图2所示，此处仅以7月11日的数据为例进行分析。从图中可以看出，各处理均在02:00左右温度最低，而后开始出现波动式的缓慢增长，09:30开始，温度的增加速度变快，直至11:30开始弥雾时，不同处理之间的冠层温度变化出现差异，CK温度继续快速上升，到17:30左右，温度达到最大值(41.5℃)，而后开始降低。M1与M2每次弥雾20 min，上午处于温度上升阶段，进行20 min的弥雾有减缓空气温度提升速度的作用，并不能使空气温度下降，M1在19:30比M2多喷水一次，这次弥雾20 min对空气温度影响很小，两个处理的日温度变化基本接近。M3每次的弥雾时间为40 min，由图中可以看出，第1次弥雾对空气温度影响很小，与M1、M2接近，延缓温度的升高，而15:30进行40 min的弥雾时空气温度出现了一个明显的下降。到21:30时，不同处理下的空气温度基本一致，一直下降至第2天02:00，温度最低。

同样在弥雾期间选取7月12—18日，比较各处理在1 d内的相同时刻，相较于CK的温度降低幅度，其变化如表6所示，弥雾时间段内对照处理的日冠层温度变化范围如表7所示。

表6 冠层温度相较于对照的日降低幅度

表7 对照处理的日冠层温度变化范围

从表6可以看出，M1、M2的温度降低幅度比较接近，说明弥雾次数对温度降低幅度影响较小；M3的温度降低幅度较大，进一步说明了弥雾时间是影响空气温度的重要因素。

2.3 土壤含水率变化

枣园弥雾影响着冠层温湿度，抑制了土壤蒸发，进而影响着土壤含水率，此外，弥雾过程中落在地表的水也会对土壤含水率产生影响。图3为7月11日、7月19日、7月28日灌水结束24 h后，距离枣树主干5 cm、地表下20 cm深处的土壤含水率，由图可以看出，弥雾处理下的20 cm深处的土壤含水率普遍高于CK，弥雾处理之间比较发现M1、M2的土壤含水率较为接近，明显低于M3，整体呈现出弥雾总时间越长，土壤含水率越大的趋势。M3的土壤含水率最高，相较于CK，土壤含水率大约提升8.44%。

2.4 叶片光合速率日变化

温度影响着植物光合作用酶的活性以及叶片气孔的张开闭合，过低或过高的空气温度都不利于光合作用的进行。

图4(图中m1、m2、m3对应为M1、M2、M3弥雾处理前的试验处理号)为枣林间未进行弥雾时，各处理下的叶片光合速率日变化，通过比较未弥雾时枣树的日光合速率变化曲线可以发现，不同处理下的枣树日光合速率以及变化趋势基本相同，日光合速率变化为一个单峰曲线，从10:30开始上升，到12:30光合速率达到最大后持续下降。且在相同时刻下不同枣树的光合速率接近，说明树体之间的差异较小。

以时间为自变量，以单位叶面积光合速率为因变量，以一元四次多项式为模型，将各处理下的光合速率日变化曲线拟合出一元四次方程[14]，该曲线方程是下文推导枣树叶片日CO2固定曲线的基础，一元四次方程分别为

y1=-0.001 4t4+0.084 3t3-1.209 3t2+4.964 6t+

4.661 8 (R2=0.990 7，m1)

y2=-0.007 5t4+0.209 6t3-2.030 6t2+6.570 1t+

6.222 8 (R2=0.999 8，m2)

y3=-0.019 1t4+0.425 1t3-3.189 1t2+7.843 4t+

7.247 1 (R2=0.995 2，m3)

y4=-0.011 9t4+0.279 2t3-2.268 8t2+5.716 7t+

9.715 3 (R2=0.999 8，CK)

式中t——从10:30开始的时长

y1、y2、y3、y4——某一时刻的单位叶面积光合速率

式中R2均大于0.99，说明方程的拟合度较好。

为了探讨不同处理下叶片在1 d内固定的CO2总量，用光合叶面积乘以光合速率变化量，即可得到CO2固定曲线，对该一元四次方程求积分后，可得到单位面积的日固定CO2总量P。数学式[15]为

(1)

式中S——单位叶面积

y(t)——光合速率变化量

其中Sy(t)为CO2固定曲线，Sy(t)dt为日某一时刻单位叶面积的CO2固定量。

通过式(1)即可得到日CO2固定量，未弥雾处理下的叶片日CO2固定量如表8所示。

表8 未弥雾处理下的叶片日CO2固定量

表8中均是由单位叶面积(1 m2)所求得的CO2固定量。其中m1处理下的CO2固定量最小，比CK小了14.13%，但总体来说各处理在未弥雾时，彼此之间的光合速率差异较小且CO2固定量比较接近。

图5为弥雾处理时枣树叶片光合速率日变化曲线。弥雾处理后相比较于CK的枣树叶片光合速率的峰值更高，且向后推迟2 h。从图中可以看出，CK依然是一个单峰曲线，于12:30光合速率达到最大值，而后出现持续降低，弥雾条件下3个处理光合速率峰值出现在14:30，且都比CK的峰值大，M3叶片光合速率最强，M3在16:30时的光合速率依然很高，所以弥雾处理60 min，其对环境改变所保持的时间更长。

以时间为自变量，以单位叶面积光合速率为因变量，以一元四次多项式为模型，将各弥雾处理下的光合速率日变化曲线拟合出一元四次方程，分别为

Y1=0.025 9t4-0.477 1t3+2.163 7t2-0.036 6t+

8.430 1 (R2=0.945 6，M1)

Y2=0.002 3t4-0.026 9t3-0.389 3t2+3.990 7t+

7.565 3 (R2=0.979 5，M2)

Y3=0.032 7t4-0.635 9t3+3.125 9t2-1.318 2t+

10.006 (R2=0.995 5，M3)

Y4=-0.019 6t4+0.421 5t3-2.930 6t2+5.743t+

11.802 (R2=0.999 5，CK)

式中Y1、Y2、Y3、Y4——不同弥雾处理某一时刻的单位叶面积光合速率

通过式(1)计算即可得到CO2固定量，表9为弥雾处理后叶片日CO2固定量。

经检查，对照组与观察组干酪样病变率及空洞形成率存在差异显著，两组数据比较差异有统计学意义（P＜0.05），并且其浸润性病变发生率及纤维增生病变发生率不存在显著差异，两组数据比较差异无统计学意义（P＞0.05），说明糖尿病并发肺结核患者的CT征象表现不够典型，普遍呈现孔洞或干酪样病变。见表2。

表9 不同弥雾处理下叶片日CO2固定量

表9中均是由单位叶面积(1 m2)所求得的CO2固定量。弥雾处理下的CO2固定量普遍大于CK，其中M3处理下CO2固定量最大，比CK高55.89%。总体来说，弥雾处理的枣树叶片光合速率相较于CK有显著提升，弥雾处理间的CO2固定量比较接近，且显著高于CK，说明弥雾能提高枣树的光合速率。再结合表8和表9来看，弥雾前后CK的CO2固定量变化量较小，而M1、M2、M3与m1、m2、m3之间比较发现，弥雾后叶片CO2固定量明显增大，进一步说明了弥雾有利于叶片光合作用的进行。

综合比较弥雾前后光合速率变化发现，弥雾后，叶片光合速率明显提升，各处理下的CO2固定质量也明显高于CK，CO2固定量直接反映了作物有机物的积累以及自身能量的储存状况，因此弥雾后更有利于作物自身发育和促进果实生长。

2.5 枣树落花率、坐果率变化

枣树落花率如图6所示，由图中可以看出，在未弥雾之前，不同处理之间的枣树落花率变化无明显规律，除M2在6月18日落花率剧烈增加之外，其余时间各处理之间无明显差异。自7月1日开始弥雾处理后，弥雾处理的枣树落花率低于不处理的枣树落花率，在7月4日，CK落花率明显大于其他处理，在7月19日，CK的落花率也处在一个较高水平，说明冠层环境的改变可以延长花期，更加有利于坐果。M1显示了最好的保花效果。

不同处理在弥雾期间所测得的4次落花率变化如表10所示，从表中可以看出，M1、M2处理在弥雾期间落花率明显比CK低，M1比CK相对降低了18.39%，M2比CK相对降低了15.09%，而M3的落花率高于CK，说明每次弥雾20 min有利于防止“焦花”造成落花，弥雾时间为40 min时，反而不利于枣花的保持。

表10 不同处理下弥雾期间的落花率

不同处理下的枣树坐果率如图7(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05))所示，坐果率为枣树结果数量占总的开花数量百分比，从图中可以看出M1和M2的坐果率比较接近，M3和CK的坐果率比较接近，M1、M2的坐果率明显大于M3、CK，差异显著。因此可以得出，单次弥雾20 min可大大提高坐果率，弥雾3次和2次对其影响比较小。当弥雾时间为40 min时，其坐果率接近CK，故该处理对提高枣树坐果基本没有影响，落花率较小的处理其坐果率相应比较高。

2.6 灌水量与红枣产量

不同处理下枣树果实的单果质量、产量及灌水量如表11所示。9月摘下鲜红枣后称量，根据单棵树产量和种植密度推测产量。从表中可以看出弥雾处理下灌水量均高于对照灌水量；在单果质量中，M1、M2、M3显著提高，与CK存在显著差异，但在产量上，M3比CK低且差异显著，可能是弥雾时间过长能促进果实增大，但增加了落花率和落果率，导致最后产量降低。M1、M2的产量显著高于M3、CK，说明每次弥雾20 min对于促进果实增大、降低落花落果有一定帮助。综合灌水量和产量分析发现，M2每天需进行2次弥雾，只比CK灌水量多705.45 m3/hm2，但获得了最大产量和单果质量，而M1和M3 处理灌水量比M2大，产量反而有所降低且单果质量较小，说明适量灌溉对冠层温湿度的改变有助于促进枣树生长，提升产量，过量灌溉调控下的冠层环境对枣树生长不利，产量降低，因此，M2是提高产量的最佳灌溉方式。

表11 不同处理下的红枣单果质量、产量和灌水量

2.7 果实品质分析

表12为不同处理下的红枣果实品质，从表中可以看出，M2处理纵径最大，其余3个处理下果实纵径相近，与M2处理达到显著性差异水平。M2处理横径最大，CK处理横径最小，两者之间具有显著性差异，而与M1、M3无显著差异。总体看来，弥雾处理可以提高红枣纵横径，M2处理果实纵径提升最明显，是促进果实变大的最佳处理。

表12 不同处理下的果实品质

从表12可以看出，试验各弥雾处理红枣的维生素C含量均高于CK，其中M1和M3的红枣维生素C含量比较接近，显著高于CK，M2的维生素C含量略高于CK，无显著性差异，说明弥雾有增加果实维生素C含量的效果，且随着弥雾时间和弥雾次数的增加，都会促进果实维生素C含量增加。其中M1的可溶性糖含量最高，与其他处理之间达到显著差异水平(P<0.05)，可溶性糖是影响果实甜度的重要因素，因此M1果实最甜。而M2、M3处理的可溶性糖含量低于CK，但彼此之间无显著差异，说明弥雾次数过少或者弥雾时间过长反而有可能使果实中的可溶性糖含量降低。M3还原糖含量最高，与其他处理达到显著差异水平(P<0.05)，M1、M2还原糖含量也显著高于CK，可见弥雾处理对提升果实还原糖含量效果明显，不同弥雾次数之间对还原糖影响较小，弥雾时间越长，对还原糖含量的增加越好。M2可滴定酸含量最低，与M3处理的结果相近，M1和CK结果相近，M2、M3显著低于M1、CK，说明在早上和中午进行两次弥雾可以降低果实中的可滴定酸含量，而弥雾时长对其影响比较小。

3 讨论

已有研究表明调节空气湿度可以提高植物的光合作用速率[16-17]。本研究发现，通过枣树间弥雾会促进叶片的光合速率，未处理的叶片净光合速率日变化呈单峰曲线，这与前人研究结果不一致。SU等[18]试验发现，净光合速率日变化呈双峰型，这可能是不同试验地区的气候条件不同，以及红枣种类差异导致光合速率变化趋势不同。在本试验中对比M1、M2发现，弥雾次数对光合速率的影响不大；对比M2、M3得出结论，弥雾时间与光合速率之间有直接关系，M3处理下增湿降温效果更好，更有利于植物在中午时进行光合作用，故弥雾时间长光合速率高，但该结论是由两个处理对比得出，后续还需增加处理，详细分析弥雾时间对空气温湿度的影响而引起叶片光合速率改变的根本规律。

目前，通过调控空气温度和湿度，促进作物优质高产的应用较为广泛，文献[19-20]发现，降低葡萄树冠层空气温度、湿度，可以提升葡萄的品质。本试验通过弥雾发现不同的空气温湿度对改善红枣品质有一定的帮助，仅仅通过3种不同的弥雾方式来调控冠层温湿度，各处理之间红枣品质的差距不够显著，而如何精确地调控空气温湿度，探求最优的调控方式，改进红枣品质，以适用红枣在加工、食用等不同方面的需求，还需进一步研究。

4 结论

(1)在枣园中进行弥雾处理可以增加空气湿度、降低空气温度，与CK相比19:30弥雾20 min影响较小，弥雾时间越长，对空气温湿度的改变越大，与弥雾20 min相比，弥雾40 min在中午的增湿降温效果十分显著。M3处理的环境调控能力最强，相较于CK，在同一天内，枣园空气温度最少降低2.5%、最多降低38.9%，空气湿度最少增加1.0%、最多增加158.7%。

(2)枣园弥雾影响冠层温湿度，抑制了土壤蒸发，进而影响土壤含水率，M3处理的土壤含水率最高，相较于CK，土壤含水率提升8.44%。

(3)空气温湿度的改变影响叶片光合作用的进行，适宜的温度促进叶片的光合作用，有助于枣树生长，在11:30和15:30弥雾40 min，枣树叶片的光合速率最高，CO2固定量最大，其CO2固定量比CK高55.89%。

(4)在枣树盛花期每天弥雾2次或3次，每次弥雾20 min，是防止焦花落花的最佳处理，在弥雾期间M1、M2处理的落花率分别比CK低18.39%、15.09%。

(5)弥雾处理有利于提升红枣品质，弥雾处理红枣的纵横径、单果质量、维生素C含量等指标均有所提高。每天3次、每次弥雾20 min处理下红枣糖酸含量最高，且其他品质指标也处在较高水平，所以该处理为最佳处理。