干旱绿洲区微喷灰枣全年液流研究

张洋，马英杰

干旱绿洲区微喷灰枣全年液流研究

张洋，马英杰*

（新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052）

【】探究枣树在生育期和休眠期茎流速率的变化规律及其与气象因子的关系，了解枣树各时期的耗水规律，为枣树的灌溉指导提供科学依据。通过针式茎流计对微喷灌下枣树的茎流速率进行全年连续监测，分析枣树在生育期（4月15日—10月14日）和休眠期（10月15日—翌年4月14日）的耗水量。生育期太阳辐射对灰枣茎流速率影响最为显著，各阶段相关系数D1=0.924、D2=0.939、D3=0.943和D4=0.915；休眠期则是空气湿度对灰枣茎流速率影响最为显著，各阶段相关系数C1=0.699、C2=0.923、C3=0.841、C4=0.918和C5=0.618。生育期和休眠期枣树日间最大茎流活动时长分别为14 h和9 h，且茎流在夜间的变化规律存在明显差异。生育期茎流速率高值区间在12:00—15:30，而休眠期茎流速率随着休眠的各时期发生偏移，C1阶段和C2阶段茎流速率的高值区间在03:00—06:00，C4阶段和C5阶段在07:00—10:00。生育期内各时期的耗水情况D3>D4>D2>D1；休眠期C1>C5>C3>C2>C4。枣树茎流全年的耗水量为3 994.03 L，休眠期为777.30 L，占比全年总耗水量的19.46%，枣树的休眠期长达183 d，休眠期的耗水对枣树的生长发育意义重大。

液流；生育期；休眠期；耗水量；枣树

0 引 言

【研究意义】环塔里木盆地绿洲带北缘的新疆阿克苏地区，林果业已经成为当地的支柱产业[1]。随着乡村振兴战略的稳步实施，枣树已经成为当地特色林果业的核心[2]，可促进农民增收、扩展就业渠道，改善绿洲生态环境。新疆，拥有高效节水灌溉系统的灌溉面积占总灌溉面积的48%，农业的综合灌水定额在9 225 m3/hm2左右[3]，远高于全国西部地区的灌水定额均量7 650 m3/hm2。阿克苏地区是南疆典型的绿洲旱作农耕区，全年降水量少、水资源季节性的差异及时空分布不均导致农业用水和生活用水的矛盾日益加大[4-5]。因此，水资源的高效利用对特色林果业的可持续发展意义重大，探究干旱绿洲区果树的水分运移、蒸腾耗水规律及其影响因子，可为果树科学灌溉提供指导依据。

【研究进展】蒸腾在植物的生长过程中扮演着重要角色，其可以反映需水关系和水分胁迫情况[6-8]。其中通过树干边材的茎流量绝大部分用于叶片蒸腾，土壤含水率决定生育期茎流的整体动态，而外界的气象因子决定茎流的瞬时动态[9]。通过研究枣树全年茎流的变化规律和气象因子对其的响应关系，可以准确地对枣树全年各时期的耗水量进行定量分析。长期的实践证明，对于单株尺度下植物蒸腾量的测定，茎流计测量精度高、适用范围广，可以在苛刻的环境下进行长期连续的定点监测[10-11]，因此在树木蒸腾耗水的研究中被广泛应用。目前，已在不同树龄、不同灌水量及不同灌溉方式下[12-15]，枣树茎流的高值区间和日耗水量都存在明显差异；在生育期内不同时期、不同天气下[16-17]，太阳辐射和空气温度对其茎流速率的影响最为显著；在不同种植模式、不同间作类型下[18-19]，间作的棉花会影响枣树茎流的耗水特征。【切入点】现有研究多侧重不同天气条件下枣树茎流速率在瞬时尺度下与环境因子的相关模型，而对于长时间尺度（生育期和休眠期）枣树茎流的变化特征和水分运移规律鲜有研究。

【拟解决的关键问题】本试验以微喷枣树为研究对象，通过针式茎流计对枣树茎流进行连续监测，探究枣树生育期和休眠期茎流对气象因子的响应机制并结合枣树全年不同时期的耗水情况，建立气象因子与茎流速率的相关模型，确定出枣树在全年的耗水量，为干旱绿洲区特色林果业高效节水提供灌溉依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于新疆阿克苏地区阿克苏市南工业园内，北纬41º08'，东经80º22'，海拔1 133 m，占地约7 hm2，工业园地势较为平坦。地处塔里木盆地北部，属于典型的暖温带大陆性干旱气候特征，光照资源丰富，四季分明。多年平均日照时间达2 911 h，多年平均太阳辐射5 671.36 W/m2，年平均降水量为68.4 mm，多年平均气温为11.2 ℃，日最高温度为40.9 ℃，日极端低温-27.4 ℃，无霜期长达212 d。

1.2 试验材料与处理方法

1.2.1 试验设计

试验于2020年4月—2021年4月进行，供试灰枣树在2000年栽植，树龄20 a，进入盛果期，平均株高约4 m，株行距2 m×4 m。试验地0～70 cm土壤多为砂土，70～100 cm土壤多为砂壤土。采用1行1管的微喷方式进行灌溉，管径20 mm，喷头流量47 L/h，喷头间距3 m。在枣树花期前每10 d灌水1次，灌水时长约10 h；花期后每5 d灌水1次，灌水时长约5 h。将枣树全年划分为生育期和休眠期2个阶段：通过对枣树生育期的观察，并结合其自身的特征，把生育期划分为4个时期，根据试验地的日照时间和温度变化把休眠期划分为5个时期，见表1。

表1 2020—2021年枣树生育期和休眠期的划分

1.2.2 茎流速率的测定

本试验随机选取长势基本一致、无病虫害、生长健康的灰枣树3株，通过针式茎流计测定茎流速率。针式茎流计测量原理是将探针（带有加热器和热电偶）插入树体边材中，下部探针含有热电偶和加热器，上部探针只有热电偶，恒定加热后，通过测定2个探针单位时间内的温度差值来计算液流速度。3株样树的探针都安在同样高度的位置，并且每棵树上的2根探针间距相同，其中下部探针距地面40 cm，上部探针在下部探针上方12 cm，同时用泡沫板进行固定，用反光膜和隔热膜进行包裹，在探针上方用胶布对其包裹密封，防止水流顺着枣树的茎干流下并接触传感器。为了保持空气的流通性，探针下方不进行密封。每30 min采集并记录1次数据。茎流速率计算式[20]为：

式中：为茎流速率（mL/(cm2·min)）；Δ为2个探针之间的温度差（℃）；Δmax为晚间2个探针之间最大温差（℃）；为边材面积（cm2）；为树体周长（cm）。

1.2.3 气象数据监测

在试验地内安装的小型自动监测气象站Watch Dog，架设高度为4.5 m。气象站在枣树全生育期监测太阳辐射（）、空气温度（）、空气湿度（）、风速（）等气象因子，每30 min记录1次，与茎流速率测定的时间相同。

1.3 数据处理与分析

数据采用Excel 2010和SPSS 25. 0对其处理和分析，并构建枣树茎流速率和气象因子的多元回归模型。

2 结果与分析

2.1 枣树全年各时期茎流昼夜变化特征

为避免枣树各时期茎流速率昼夜变化曲线在不同天气条件下发生重叠现象，尽可能选择各时期的中间时段进行分析，其中生育期：D1（4月30日—5月2日）、D2（6月1—3日）、D3（8月22—24日）、D4（9月21—23日）；休眠期：C1（11月1—3日）、C2（12月19—21日）、C3（1月15—17日）、C4（2月5—7日）、C5（3月19—21日），选取枣树在生育期和休眠期内连续3 d的茎流数据进行对比分析如图1所示。生育期内不同阶段的枣树茎流速率在02:00—08:00仍然有明显的液流活动，且在0～107.02 mL/h的范围波动。在12:00—15:30，茎流速率达到高值区间（815.80～2 746.44 mL/h）；在18:30—21:30，茎流速率大幅下降，并且在23:00后茎流速率在1个趋于0的范围波动，日间枣树的茎流活动最大时长约14 h。休眠期内不同阶段的枣树茎流速率在06:00—10:00处于高值区间（222.85～391.77 mL/h），在太阳辐射开始增强温度缓慢上升时，茎流速率一直下降直至趋于0。当太阳辐射减弱温度开始下降时，茎流速率开始迅速增大，枣树日间茎流活动只有9 h。生育期和休眠期枣树夜间茎流速率的变化范围不同，且1 d内茎流的变化过程也完全不同。

图1 枣树全年各时期茎流速率昼夜变化

2.2 枣树全年各时期茎流日变化特征

从枣树生育期和休眠期各选取1 d，生育期：D1（4月30日）、D2（6月3日）、D3（8月22）、D4（9月22日）；休眠期：C1（11月1日）、C2（12月19日）、C3（1月15日）、C4（2月6日）、C5（3月19日），分析茎流速率的日变化特征如图2所示。生育期内枣树茎流速率的日变化曲线呈较宽的倒U形，其中D2和D4的茎流速率为双峰曲线，而休眠期则呈扁平的“几”字形，且变化趋势相近。

生育期内枣树茎流速率曲线出现双峰的主要原因是：此时正值中午，太阳辐射强、空气温度高，枣树叶片的气孔暂时关闭以免叶片“灼伤”，同时枣树的蒸腾速率下降，叶片进入“午休”状态[21-22]。当外界气象因子对枣树叶片影响减弱时，此时气孔逐渐打开，茎流速率递增显著。耐旱植物为避免水分严重亏缺，这种在水分逆境中液流的双峰变化的表现变得尤为明显[23]。在某种程度上，枣树的茎流速率与1 d中太阳辐射和空气温度有相同的变化趋势，其之间有着密切的联系[24]。

休眠期内枣树的茎流速率与生育期的日变化趋势基本相反：当太阳辐射和空气温度接近日最大值时（13:00—17:00），茎流速率逐渐趋于0；当夜间太阳辐射为0且空气温度很低时，茎流速率开始增大，树体越冬期间的细胞水分代谢强度会随着外界空气温度和地温的降升而增强减弱[25]。休眠期内枣树地上部分叶片脱落，只剩树干和枝条，而生育期内枣树通过叶片进行蒸腾，二者产生茎流的外在环境和内在机理完全不同。

图2 枣树全年各时期茎流速率日变化

2.3 枣树全年各时期茎流速率与气象因子的关联度分析

试验地全年少雨、少雪且气候干燥，为避免极端天气的影响，选取枣树一年中各时期的中间时段且连续晴天作为典型日，分析枣树连续3 d的茎流速率与气象数据关系，结果如图3所示，在气象因子的作用下，生育期内枣树茎流速率的变化趋势与太阳辐射、空气温度基本相同，而休眠期内枣树茎流速率的变化趋势与空气湿度基本同步，与太阳辐射和空气温度的变化趋势相反。生育期内风速对茎流速率的影响相对其他气象因子较低，休眠期内枣树叶片脱落，因此未将风速纳入茎流速率的相关性分析和多元回归方程中。

枣树生育期内各阶段茎流速率的峰值排序为：D3>D4>D2>D1，枣树果实膨大期的叶片已完全发育成熟，此时外界气象因子对茎流速率的影响也是最为强烈的。枣树休眠期各阶段的茎流速率与气象因子的变化过程为：在整个休眠期内太阳辐射和空气温度的高值区间在14:00—16:00，C1阶段和C2阶段茎流速率的高值区间在03:00—06:00，C3阶段茎流速率的高值区间在05:00—08:00，在C4阶段和C5阶段茎流速率的高值区间在07:00—10:00，茎流速率的高值区间发生明显偏移。休眠期内空气温度呈先减小后增大的变化趋势。在最冷的C3时期和C4时期，日间空气温度也有1.5 ℃左右，空气温度的升降大都与太阳辐射强度的大小有着很紧密的联系，休眠期内空气温度的峰值滞后于太阳辐射约1.5 h，相对于生育期（约2.5 h）较短。

由表2可知，生育期内太阳辐射、空气温度和风速与枣树茎流速率正相关，与空气湿度负相关；休眠期内枣树的茎流速率与空气湿度正相关，与空气温度和太阳辐射负相关。生育期内各阶段茎流速率与太阳辐射的相关系数为：D1=0.924、D2=0.939、D3=0.943和D4=0.915；休眠期内各阶段茎流速率与空气湿度的相关系数为：C1=0.699、C2=0.923、C3=0.841、C4=0.918和C5=0.618。生育期各阶段的气象因子与茎流速率的关联程度：①D1和D3：太阳辐射>空气湿度>空气温度>风速；②D2和D4：太阳辐射>空气温度>空气湿度>风速。休眠期内：①C1、C2、C3和C4：空气湿度>空气温度>太阳辐射；②C5：空气温度>空气湿度>太阳辐射。在生育期内对茎流速率影响最为显著的是太阳辐射，休眠期则是空气湿度。

将生育期和休眠期内枣树各时期茎流速率与太阳辐射、空气温度、空气湿度和风速建立回归模型，结果如表3所示，模型的模拟效果较好。

2.4 枣树全年各时期茎流耗水量分析

通过对枣树全年茎流的监测，分析出枣树全年各时期茎流的耗水情况，1 d内每30 min茎流量的总和为茎流的日耗水量。结果如图4和表4所示，枣树在生育期各阶段的耗水情况：从萌芽展叶期（D1）逐步增加，到果实膨大期（D3）达到最大后开始减弱；休眠期：从休眠前期（C1）缓慢减少，到深度休眠期（C4）达到最低，又从打破休眠期（C5）开始逐渐增加。1年中枣树日耗水量最大（23.17 L）的是果实膨大期，最小（3.60 L）的是深度休眠期。

表2 枣树全年各时期茎流速率与气象因子的相关关系

注 **表示在0. 01水平（双侧）上显著相关；“+”表示正相关；“-”表示负相关。

表3 枣树全年各时期茎流速率与气象因子的多元回归模型

注为茎流速率；为太阳辐射；为空气温度；为空气湿度。

图4 枣树全年各时期茎流日累计变化

各时期总的茎流累计量大小是由划分的各时期天数和枣树日累计耗水量共同决定的，生育期内各时期的耗水情况D3>D4>D2>D1；休眠期C1>C5>C3>C2>C4。

枣树全年茎流耗水量为3 994.03 L，生育期内总的耗水量为3 216.73 L，休眠期为777.30 L，占全年总耗水量的19.46%，长达183 d休眠期的这部分耗水量不能被忽略。树木的休眠期是为了维护树体自身的生存和繁衍[26]，通过获得水量补给以维持自身基本的生理代谢，这部分水量是极其重要的。

表4 枣树全年各时期耗水变化规律

3 讨论

通过对枣树全年茎流的监测发现，枣树茎流在生育期和休眠期的启动时间、停止时间、最大增幅降幅区间及高值区间内存在明显差异。生育期内枣树茎流速率的启动和停止时间基本与1 d中的太阳辐射强度紧密相关，当早晨太阳辐射强度开始缓慢增强，枣树叶片开始进行光合作用，茎流速率缓慢上升，到中午太阳辐射强度达到高值区间（13:00—16:00），而此时茎流速率先于太阳辐射达到峰值。当茎流速率达到峰值后太阳辐射强度和空气温度进一步增大，对枣树叶片蒸腾有抑制作用，叶片气孔关闭出现“午休”状态。

木本植物在休眠期有一个特性，从生育期转换到休眠期的过程中，树体内的自由水和束缚水的比重发生动态转换，休眠期树体内自由水减少束缚水增多[27-28]，体内形成一种较为稳定的水玻璃溶液，它有较高的黏性并能在寒冷的环境中保持稳定且不受低温的影响[29-30]，这是枣树在休眠期内也有茎流的原因。休眠期茎流的启停时间与太阳辐射和空气温度负相关，当太阳辐射强度和空气温度达到峰值的过程中枣树茎流速率趋于0后缓慢上升，此时太阳辐射强度和空气温度开始降低，树体通过自身代谢供能用以抵御外界的寒冷，代谢过程中糖分的分解需要水分的参与[31]，体内水分加快输送，茎流活动增强，这是枣树休眠期夜间存在茎流的主要原因。当第2天太阳辐射强度和空气温度缓慢增加前，茎流活动已经开始慢慢减弱，树体内的细胞通过自身代谢供给的能量开始减少，茎流活动也开始减弱。树体在休眠期内也需要达到一定的需冷量[32-33]，休眠期内过强的太阳辐射在一定程度上对树的抗冻机制有一定的抑制作用[34]，且不利于树体需冷量的累积和自身生长，这诠释了休眠期枣树的茎流速率与太阳辐射和空气温度呈负相关的原因。与休眠期不同的是，枣树在生育期内夜间有茎流活动主要是白天剧烈蒸腾导致树体内暂时性缺水，形成的根压差促使枣树夜间吸水，补充的缺失水分维持体内水分的动态平衡[35]。

对于多年生的果树，休眠期内的耗水情况很少被关注，尤其在极其干旱缺水的南疆，灌溉方式大多以漫灌为主，高效节水灌溉系统的普及还有待提升。到了秋末冬初往往需要冬灌，冬灌不仅对1 a内土壤中累积的盐分进行冲洗、防治病虫害以及给第2年春季果树生长发育提供适墒的土壤含水率，同时也为果树在休眠期越冬的生理用水提供了保障。本试验研究揭示了枣树生育期和休眠期连续的耗水变化特征及规律，休眠期耗水占比全年总耗水的19.46%。进一步说明，树体在越冬期间参与细胞代谢的那部分水量是休眠期内维持树体自身生长发育和繁衍的重要部分。

4 结 论

1）生育期内枣树的茎流速率在12:00—15:30时茎流速率达到高值区间（815.80～2 746.44 mL/h），枣树日间茎流活动的最大时长高达14 h左右。休眠期内枣树的茎流速率在06:00—10:00时达到高值区间（222.85～391.77 mL/h），枣树日间茎流活动最长仅9 h。生育期各阶段枣树的茎流速率日变化曲线大都呈倒U形，而休眠期各阶段枣树的茎流速率日变化曲线均呈扁平的“几”字形。枣树茎流速率在休眠期高值区间的变化规律与生育期的变化趋势相反，且茎流速率的高值区间随着枣树休眠的各时期发生偏移。

2）太阳辐射和空气湿度对茎流速率的影响分别在生育期和休眠期最为显著，生育期内各阶段茎流速率与太阳辐射的相关系数为：D1=0.924、D2=0.939、D3=0.943和D4=0.915；休眠期内各阶段茎流速率与空气湿度的相关系数为：C1=0.699、C2=0.923、C3=0.841、C4=0.918和C5=0.618。用多元线性回归，在枣树全年各时期建立气象因子与茎流速率的回归模型。通过相关系数和回归系数检验，多元线性回归方程均达到显著水平，2的变化范围：0.735～0.969。

3）全年各时期的日均耗水量：D1=6.65 L、D2=15.64 L、D3=23.17 L、D4=17.81 L；C1=4.87 L、C2=4.03 L、C3=4.08 L、C4=3.60 L、C5=4.28 L。生育期内各时期的耗水情况D3>D4>D2>D1；休眠期C1>C5>C3>C2>C4。枣树茎流全年的耗水量为

3 994.03 L，休眠期为777.30 L，占比全年总耗水量的19.46%。

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Change in Intra-annual Sap Flow in Ziziphus Jujube in Arid Oasis under Micro-sprinkler Irrigation

ZHANG Yang, MA Yingjie*

(Xinjiang Agricultural University College of Water Conservancy and Civil Engineering, Urumqi 830052, China)

【】Sap flow in stems is an approximation of transpiration. It changes with the environment and can be used to help irrigation management. The purpose of this paper is to investigate the intra-annual change in sap flow in the stems of jujube grown in an arid oasis in Xinjiang province, China.【】The jujube was irrigated by micro sprinkler irrigation; the sap flow was measured continuously using a needle-type stem flow meter for one year, from which we analyzed the change in water consumption of the jujube during its active growth and dormant periods.【】①Solar radiation affected the sap flow most and their correlation in the four active growth periods wasD1=0.924,D2=0.939,D3=0.943 andD4=0.915, respectively. In winter when the crop stopped growing, air humidity affected the sap flow more and their correlation coefficient in the five growth periods wasC1=0.699,C2=0.923, RC3=0.841,C4=0.918 andC5=0.618, respectively. ②During the active growing and dormant periods, the durations in which the sap flow was detectable using the meter was 14 h and 9 h, respectively. ③During the active growth seasons, the sap flow peaked from 12:00 to 15:30 pm, while during dormancy it maximized from 03:00 am to 06:00 am in the first two seasons and from 07:00 am to 10:00am in the last two seasons. ④The water consumption during the active growth seasons was ranked in the order of D3>D4>D2>D1, while in dormancy the rank was C1> C5>C3>C2>C4. 【】The annual water consumption of the jujube was approximately 3 994.03 L, in which the consumption during the dormancy, which lasted for 183 days, was 777.30 L, accounting for 19.46% of the total water consumption of the tree.

sap flow; active growth period; dormancy period; water consumption; jujube

1672 - 3317（2022）03 - 0017 - 09

S665.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021250

张洋, 马英杰. 干旱绿洲区微喷灰枣全年液流研究[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(3): 17-25.

ZHANG Yang, MA Yingjie. Change in Intra-annual Sap Flow in Ziziphus Jujube in Arid Oasis under Micro-sprinkler Irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 17-25.

2021-06-15

国家自然科学基金项目（52069027）；邓铭江院士工作站基金项目（2020.D-003）；高校科研计划项目（XJEDU2017T004）

张洋（1997-），男。硕士研究生，主要从事节水灌溉技术研究。E-mail: 1214598316@qq.com

马英杰（1969-），男。教授，博士生导师，主要从事干旱区灌溉排水理论与技术研究。E-mail: 342834436@qq.com

责任编辑：韩 洋