设施葡萄茎干液流变化特征及其影响因素研究

汤英 徐利岗 唐瑞

摘要以寧夏干旱区设施鲜食葡萄为研究对象，利用插针式茎干液流量计和设施环境监测仪获取葡萄全生育期茎干液流和试验区空气温湿度、光照强度及土壤温湿度等实时数据，开展不同地径和不同时间尺度葡萄茎干液流的变化特征以及环境因子对茎干液流的影响研究。结果表明：不同地径设施葡萄各物候期的茎干液流日变化过程相似，液流速率随着地径的增加而增大；晴天葡萄茎干液流06：00左右启动，液流速率16：00达到最大（0.660 kg/h）；阴天次之（0.409 kg/h），雨天峰值最小（0.272 kg/h）。夏季茎干液流速率高于秋季，11：00达到峰值（0.493 kg/h），秋季最高值出现在16：00（0.354 kg/h）；冬季最大值0.061 kg/h，分别为夏季和秋季最大值的12.37%和17.23%。7月份茎干液流量最大（260.34 kg/h），平均茎干液流速率0.360 kg/h；6月次之，累计液流量227.93 kg，11月最小（43.12 kg）；全生育期累计液流量1 347.83 kg，日均液流量1.94～8.38 kg/d，平均日液流量5.94 kg/d。成熟期日液流量最大（8.38 kg/d），其次为变色期（7.65 kg/d），萌芽期最小（1.94 kg/d）。茎干液流速率与空气温度、光照强度和土壤温度均呈极显著正相关（P<0.01），与空气湿度呈极显著负相关（P<0.01）。模拟的茎干液流速率系列综合误差为3.57%，日茎干液流量系列综合误差为4.24%。

关键词设施葡萄；茎干液流；蒸腾耗水；气象因子；宁夏干旱区

中图分类号S 274文献标识码A

文章编号0517-6611（2023）24-0202-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.24.045

Study on the Change Characteristics of Stem Fluid Flow and Its Influencing Factors of Facilities Grape

TANG Ying， XU Ligang，TANG Rui

（Scientific Research Institute of the Water Conservancy of Ningxia，Ningxia，Yinchuan 750021）

AbstractTaking fresh facility grape in the arid area of Ningxia as the research object，needle stem flow meter and facility environment monitor were used to obtain the stem fluid flow of grape in the whole growth period and the air temperature and humidity，light intensity and soil temperature and humidity and other realtime data in the experimental area.The change characteristics of the stem fluid flow of grape with different ground diameter in different time scale and the the effects of environmental factors on the stem fluid flow were studied.The results showed that the daily change process of stem fluid flow of facility grape with different ground diameter was similar，and the fluid flow rate increased with the increase of ground diameter.The stem fluid flow of grape in sunny days started at about 06：00，the fluid flow rate reached the maximum value（0.660 kg/h） at 16：00.In the cloudy days，the maximum value was 0.409 kg/h，the peak value in rainy days was the minimum （0.272 kg/h）.The liquid flow rate in summer was higher than that in autumn，reaching the peak value（0.493 kg/h） at 11：00.The highest value in autumn appeared at 16：00，being 0.354 kg/h.The highest value in winter was 0.061 kg/h，which was 12.37% and 17.23% of the maximum value in summer and autumn.The stem fluid flow in July was the maximum （260.34 kg/h），average daily fluid flow rate was 0.36 kg/h，followed by that in June，the cumulative fluid flow was 227.93 kg and the cumulative fluid flow was the minimum  43.12 kg in November.The cumulative fluid flow in the whole growth period was 1 347.82 kg，the daily fluid flow was 1.94-8.38 kg/d，the average daily fluid flow was 5.94 kg/d.The daily fluid flow in mature stage was the maximum（8.38 kg/d），followed by that in the discoloration stage （7.65 kg/d），and that in germination stage was the minimum（1.94 kg/d）. The stem flow rate was significantly positively correlated with air temperature，light intensity and soil temperature （P<0.01） ，and it had a significant negative correlation with the air humidity（P<0.01）.The comprehensive error of the simulated stem fluid flow rate was 3.57%，the comprehensive error of the daily stem liquid flow was  4.24%.

Key wordsFacility grape;Stem fluid flow;Transpiration water consumption;Meteorological factors;Arid area of Ningxia

茎干液流是土壤-植物-大气连续体水流路径中的重要环节，反映了植物体内的水分传输状况［1-2］，并受太阳辐射、空气湿度、土壤水分、天气状况等影响［3-4］。通过测定茎干液流量有助于分析植物生理作用对环境因子的适应性和响应特征［5］，对于准确估算植被蒸腾量及作物蒸散量有着重要意义［6］。近年来，基于热扩散原理的茎干液流测定技术被应用于新疆南部矮化红枣树［7］及杏树［8］、猕猴桃［9］、油松树［10］、沙地人工杨树林［11］、黄河三角洲柽柳［12］、民勤绿洲荒漠过渡带［13］及准噶尔盆地南缘［14］原生梭梭树的蒸腾耗水规律及其影响因素研究。葡萄广泛分布于世界各地，在我国多个省份均有分布。宁夏贺兰山东麓产区（105°45′～106°47′E，37°43′～39°23′N）位于葡萄种植的黄金地带，属中温带干旱区，光照充足，积温高，昼夜温差大，土壤透气性能极佳，有机质含量高。2020年底，宁夏葡萄树种植面积3.28万hm2，是宁夏支柱型优势特色农业产业。目前对葡萄的研究侧重于品种选育［15］、抗寒［16］抗冻性［17］、水肥一体化技术［18］及灌溉制度优化［19］、水分胁迫的影响［20］等方面。针对葡萄蒸腾耗水，王尚涛等［21］认为干旱绿洲区无核白葡萄树冠层日蒸腾量为0.20～8.13 mm/d，平均日蒸腾量为3.32 mm/d。生长季中葡萄树液流速率日变化呈单峰型曲线，日均耗水量为2.76～10.00 kg，胸径越大的葡萄树日均耗水量越大［22］，葡萄树日均蒸散发量为7.13 mm/d，土壤蒸发量为1.01 mm/d，日均冠层蒸腾量占日均蒸散发量的85.8%［23］。关于葡萄尤其是设施葡萄的蒸腾耗水变化规律及其影响因素方面报道较少。笔者以宁夏银川地区设施拱棚葡萄为研究对象，采用插针式茎干液流量监测系统连续监测滴灌条件下设施葡萄全生命周期的茎干液流，分析其变化特征及其与环境因子的关系，旨在为设施葡萄的科学灌溉提供有益借鉴。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区地处西北干旱内陆地区（106°42′E，38°27′N，海拔1 115 m），多年平均气温8.8 ℃，年降雨量195 mm，平均蒸发量1 864 mm，年日照时数2 800～3 100 h，地下水一般埋藏在1.0～3.0 m，矿化度小于1.0 g/L，土壤为壤质砂土。试验区位于中国灌溉试验宁夏中心站试验基地设施拱棚种植区，棚长110 m，棚宽28 m，棚高9 m，总面积0.2 hm2，拱棚顶部呈弧形，上面覆盖塑料膜，冬季覆盖棉被，属于春秋棚。种植葡萄品种为维多利亚，种植株行距1.0 m×3.5 m，选择长勢良好、无病虫害的植株作为葡萄茎干液流试验典型样株。

1.2试验设置及设备安装

（1）在试验区内选取3棵典型样株（编号分别为T1、T2、T3），T1地径为6.0 cm，株高3.90 m；T2地径为9.1 cm，株高6.10 m；T3地径为11.5 cm，株高4.65 m。在距地面10 cm以上树干顺直段安装澳大利亚插针式茎干液流量计SFM1进行葡萄茎干液流监测，探针长度35 mm，探头间距15 mm。获取2021年1月1日—2022年2月28日葡萄全生育期茎干液流数据，数据步长为60 min。

（2）灌溉方式采用内镶式滴灌管滴灌，一行2管，滴头间距30 cm，滴头流量2 L/h。整个生育期灌溉定额2 700 m3/hm2，共灌水13次，灌水定额12～20 m3/次。

（3）安装国产NBIOT型五合一传感器，实时监测空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度及光照强度等参数，获取2021年1月1日—12月31日逐日数据，数据步长为60 min。

1.3研究方法

数据统计及分析使用SPSS软件和Minitab 16.0软件，采用Excel、Origin 2021软件绘图。

2结果与分析

2.1不同地径葡萄植株的茎干液流变化特征分析

绘制不同地径典型样株（TI、T2、T3）的全生育期茎干液流及空气温度变化过程线（图1）。从图1可以看出，不同地径葡萄各月茎干液流变化过程基本一致，且与空气温度变化基本一致。T3（D=11.5 cm）各生育阶段茎干液流均大于T2（D=9.1 cm）、T1（D=6.0 cm），结合样株生长情况认为这与植株冠幅及地径有显著关系。各物候期葡萄茎干液流日变化过程均呈多峰型特征，特别是开花期、膨大期茎干液流速率变幅较大。此外，葡萄在夜间（21：00至次日06：00）仍保持一定的液流蒸散且相对稳定，T3样株开花期和成熟期夜间液流速率占日液流速率的24.81%和18.05%，变色期和二次膨大期夜间液流速率分别占26.81%和29.15%，说明设施葡萄茎干液流量昼夜差异大。同时，还出现了午间茎干液流骤减现象，其主要原因是由于午间气温较高，植物为了保存体内的水分短暂关闭或减小叶片气孔开度，降低植物体水分蒸腾，以减少水分损耗［1］。夜间仍然有液流的产生，是由于白天气孔开放，树冠蒸腾，形成了叶片-冠-根的水势差，日落后气孔关闭，但水势梯度并不立即消失，由于水势差的存在，仍会有部分水分在一段时间内被动地通过根部进入树干，形成夜间补偿流［4］，恢复植物体内的水分平衡［2］，这与树种及其周围环境条件密切相关。

2.2设施葡萄多时间尺度茎干液流变化特征

2.2.1不同天气及季节葡萄茎干液流日变化特征。

为分析不同天气状况对葡萄茎干液流的影响，以T3（D=11.5 cm）为例，分别选择阴天（6月6日）、雨天（6月16日）以及晴天（6月27日）绘制典型样株累计液流量及液流速率的日变化图（图2）。从图2可以看出，3种天气条件下葡萄茎干液流速率及液流日累计量变化较为显著。晴天茎干液流速率及液流日累计量均最大，阴天次之，雨天最小。晴天茎干液流速率变化过程呈三峰型，06：00左右启动并迅速升高，10：00达到第1个峰值，12：00出现第2个峰值，16：00达到日最大值（0.660 kg/h），此后开始迅速下降；阴天液流速率变化相对平缓，日变化过程呈宽峰型，峰值时段为12：30—14：30，最大值（0.409 kg/h）启动时间与晴天基本一致；雨天茎干液流速率变化过程呈单峰型，14：00达到日最大值（0.272 kg/h），日累计液流量最小。晴天液流速率日最大值出现的时刻较阴天和雨天滞后，分析认为是由于晴天光照强烈，蒸腾加剧，因此水分更容易散失掉（蒸发），关闭部分气孔可以减少水分的散失，蒸腾速率随之降低，而16：00时气孔再次张开，从而达到极值，而阴天和雨天14：00左右设施内的光照强度最大，因此蒸腾速率随之达到极值。

统计设施葡萄在春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—10月）及冬季（11月—次年2月）茎干液流速率日动态的平均值，绘制变化曲线。从图3可以看出，春季、夏季及秋季葡萄茎干液流的日变化趋势较为相似，区别在于液流速率峰值不同；冬季葡萄叶片全部脱落，处于休眠期，主要从茎秆蒸腾失水，液流速率较小且基本维持不变。从启动时间来看，春季07：00左右啟动，夏季和秋季06：00左右启动：从全天各时段的液流速率整体来看，夏季各时段均大于秋季，秋季大于春季，冬季最小。从峰值来看，夏季茎干液流速率高于秋季，且高峰值持续时间较长（09：00—19：00），呈不显著的双峰型，11：00到达第1个峰值（0.493 kg/h），15：00小幅度降低（0.446 kg/h），之后达到第2次峰值（0.475 kg/h），19：00后迅速下降；秋季茎干液流日变化特征与夏季基本一致，高峰段持续时间（10：00—18：00）较夏季短，最高值出现在16：00（0.354 kg/h），此后开始缓慢降低；春季茎干液流日变化与夏季相似，也呈宽峰型，峰值持续时间为11：00—18：00，最高值出现在16：00（0.260 kg/h）；冬季液流速率较小且维持稳定，最大值为0.061 kg/h，仅为夏季最大值的12.37%、秋季最大值的17.23%、春季最大值的23.46%。因此，设施葡萄茎干液流速率峰值持续时间长，与设施拱棚的小气候条件有关，拱棚内温度及湿度相对稳定，光照强度则随着太阳的起落发生变化，这与陆地栽植的葡萄液流速率曲线呈单峰型变化［21-22］有所不同。

2.2.2葡萄茎干液流量各月及不同生育阶段的变化特征。

绘制设施葡萄各月累计茎流量及月平均茎流速率的变化过程，见图4。从图4可以看出，7月份累计月茎流量最大（260.34 kg），月平均茎流速率为0.360 kg/h；6月次之，累计月茎流量为227.93 kg，月平均茎流速率为0.325 kg/h；5月份累计月茎流量为218.46 kg，月平均茎流速率为0.300 kg/h。11月份累计月茎流量最小（43.12 kg），月平均茎流速率为0.059 kg/h。统计葡萄各生育阶段累计液流量和日均液流量，见表1。从表1可以看出，设施葡萄全生育期累计液流量为1 347.83 kg，日均液流量为1.94～8.38 kg/d，全生育期平均5.94 kg/d。其中，成熟期的日均液流量最大（8.38 kg/d），其次为变色期（7.65 kg/d），萌芽期最小（1.94 kg/d）。秋季生长期累计液流量最大（266.96 kg）;膨大期持续34 d，累计液流量252.92 kg；成熟期持续11 d，累计液流量为92.22 kg。

2.2.3设施葡萄茎干液流年内变化过程。

绘制葡萄全年日累计茎干液流量变化过程线，见图5。设施葡萄生育期较露地葡萄提前，6—7月为其旺盛生长季，也是日累计茎干液流量及蒸腾耗水最大的时期。日累计茎干液流量最高值出现在7月28日（9.364 kg/d），8月份开始下降，并在8月6日有1个峰值（8.399 kg/d）。全生育期日均耗水量为5.94 kg/d，5—8月葡萄茎干液流量维持在较高水平，4月和10月相对较低；11月由于叶片的脱落，茎干液流量急剧减小并基本维持不变（0.59～0.61 kg/d）。

2.3设施葡萄茎干液流速率与其影响因子的关系分析

2.3.1葡萄茎干液流速率与各影响因子间的相关性分析。

分析茎干液流速率与空气湿度、空气温度、土壤含水率、土壤温度和光照强度之间的相关性（表2）。以7月1日为典型日，分别绘制设施葡萄典型茎干液流速率与气象要素及土壤温度的相关关系图（图6）。从表2可以看出，茎干液流速率与空气温度、土壤温度、土壤含水率、光照强度均呈极显著的正相关（P<0.01），相关系数分别为0.565、0.321、0.162和0.458；液流速率与空气湿度呈极显著负相关（P<0.01），相关系数为-0.541。这说明茎干液流与气象要素与土壤墒情呈极显著相关，环境要素对茎干液流的影响显著。从图6可以看出，光照强度、空气温度与茎干液流速率的变化过程基本相似，但存在一定的滞后效应，且当空气温度过高时葡萄出现关闭气孔现象，液流量瞬间降低；茎干液流与空气湿度呈负相关。

2.3.2设施葡萄茎干液流与其影响因素的回归分析。

依据茎

3结论与讨论

以设施葡萄为研究对象，利用插针式茎干液流监测技术获取葡萄全生育期茎干液流实时数据，利用设施微环境监测仪获取相应时间的气象数据以及土壤温湿度，对不同地径和不同时间尺度的葡萄茎干液流变化特征以及各因素对茎干液流的影响进行研究，得出以下主要结论：

（1）设施葡萄各物候期的茎干液流日变化过程均呈多峰型特征，在夜间（21：00至次日06：00）仍保持一定的液流蒸散且相对稳定，T3（D=11.5 cm）样株开花期和成熟期夜间液流速率占日液流速率的24.81%和18.05%，变色期和二次膨大期夜间液流速率分别占日液流速率的26.81%和29.15%，茎干液流量的昼夜差异大。

（2）不同天气条件下葡萄茎干液流速率及日累计量变化较为显著，晴天茎干液流速率及液流日累计量均最大，阴天次之，雨天最小。晴天液流速率06：00左右启动并迅速升高，10：00达到第1个峰值，12：00出现第2个峰值，16：00达到日最大值（0.660 kg/h）；阴天日变化曲线呈宽峰型，峰值时段为12：30—14：30，最大值为0.409 kg/h；雨天日变化曲线呈单峰型，14：00达到日最大值（0.272 kg/h）。晴天液流速率日最大值出现的时刻较阴天和雨天滞后，认为是由于晴天光照强烈，蒸腾加剧，叶片气孔关闭所致。

（3）春季、夏季及秋季葡萄茎干液流的日变化过程及趋势相似，均呈现宽峰型特征，区别在于液流启动时间和液流速率峰值不同；冬季叶片全部脱落，液流速率较小且基本维持不变。夏季茎干液流速率高于秋季，11：00到达第1个峰值（0.493 kg/h），15：00小幅降低，之后达到第2个峰值（0.475 kg/h）；秋季最高值出现在16：00（0.354 kg/h）；春季最高值出现在16：00（0.260 kg/h）；冬季液流速率最大值为0.061 kg/h，是夏季最大值的12.37%、为秋季最大值的17.23%、为春季最大值的23.46%。

（4）7月份累计月茎流量最大（260.34 kg），月平均茎流速率为0.360 kg/h；6月次之，累计月茎流量227.93 kg，月平均茎流速率为0.325 kg/h；11月累计月茎流量最小（43.12 kg），月平均茎流速率为0.059 kg/h。设施葡萄全生育期累计液流量为1 347.83 kg，日均液流量为1.94～8.38 kg/d，平均值5.94 kg/d。成熟期的日均液流量最大（8.38 kg/d），其次為变色期（7.65 kg/d），而萌芽期最小（1.94 kg/d）。秋季生长期累计液流量最大（266.96 kg），膨大期累计液流量为252.92 kg；成熟期持续11 d，累计液流量92.22 kg。

（5）设施葡萄生育期较露地葡萄提前，6—7月为其旺盛生长季，也是日累计茎干液流量及蒸腾耗水最大的时期，最高值出现在7月28日（9.364 kg/d），8月份开始下降。5—8月葡萄茎干液流量维持在较高水平，4月和10月相对较低；11月由于叶片的脱落，茎干液流急剧减小并基本维持不变（0.59～0.61 kg/d）。

模拟方程的模拟精度较好，液流速率系列综合误差为3.57%，日液流量系列综合误差为4.24%。

茎干液流是植物体内由于蒸腾作用引起木质部内向上的液流，其测定已经成为研究不同环境条件下植物水分关系的一种有效手段，其变化特征很大程度决定了植株的蒸腾特征。叶片蒸腾也是水分在SPAC系统中不断循环迁移的动力。冠层蒸腾耗水是作物实际耗水的主要组成，约占蒸散耗水总量的66.4%［21］～85.8%［23］，直接影响植物的生理生化过程和形态结构，从而影响植物的生长、产量和品质［4］。摸清各类作物在不同条件下的茎干液流变化特征及其与环境因子的响应关系，并将其应用于大尺度下作物冠层蒸腾耗水量计算和实际耗水量的模拟都十分有意义。因此，探明茎干液流与土壤水分、土壤温度、气象要素和作物生理生态参量之间的关系，构建多参数系统模拟模型，推求近似区域或缺资料情况下同类作物蒸腾耗水，明确蒸腾耗水与蒸散发量的比值，并反向推求相关作物各生育阶段的作物参数，同时为开展作物的缺水诊断、优化灌溉制度并进行精确灌溉提供基础依据，这些或将成为国内外学者的研究热点。

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