黃土山地蘋果樹樹體不同方位液流速率分析

孟秦倩，王 健，張青峰，吳發(fā)啟

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌 712100)

蒸騰是植物耗水的主要方式，在土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)水熱傳輸過程中占有極為重要的地位。莖流法以植物生理學(xué)基礎(chǔ)，通過測定樹干內(nèi)示蹤物運動速度，計算樹液流速，推算樹干液流量，并由此推斷植株蒸騰量［1-3］。熱擴散探針法(TDP)法是當(dāng)前測算林木蒸騰速率穩(wěn)定的技術(shù)［4-6］，借助插入邊材中的探針，通過測定兩探針間溫度差，計算出液流速率，進而確定樹干液流量［7-8］。大量學(xué)者應(yīng)用熱擴散探針法測定了各種樹木蒸騰耗水規(guī)律，孫慧珍等［9］測定了梨樹，李廣德等［10］實驗測定了三倍體毛白楊，孫守家等［11］測定了銀杏，Palomo等［12］測定了橄欖樹，Lu等［13］測定了 13年生的成熟芒果樹，馬玲等［14］測定了馬占相思樹，王華田［15］測定了側(cè)柏，孫鵬森等［16］測定了油松。受試驗樹木生境異質(zhì)性的影響，樹木不同方位冠幅的大小及疏密程度不同，樹木莖干不同方位的液流速率普遍存在差異，但是Cohen和Naor［17］研究了Kibbutz Ortal地區(qū)蘋果樹液流特征，卻發(fā)現(xiàn)不同方位的液流沒有明顯差異。因此本實驗采用熱擴散探針法，針對黃土高原山地蘋果樹進行液流速率測定，旨在揭示黃土高原山地蘋果樹樹干不同方位液流變化特征，為準(zhǔn)確計算山地蘋果園蒸騰耗水提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于延安市寶塔區(qū)飛馬河小流域，寶塔區(qū)地理坐標(biāo)為 E109°00′—109°45′，N36°55′—36°20′。試驗地多年平均降水量531 mm，降水年際分布不均，實測多年年最大降水量871.2 mm(1964年)，最小330 mm(1974年)，降水年內(nèi)分布極其不均，年內(nèi)主要降水集中在6—9月，占全年降水總量的70.2%。降水較少及降水不均，導(dǎo)致氣候干旱，加劇了區(qū)域水土流失發(fā)生。試驗區(qū)屬春旱為主的中等虧水區(qū)，同時伴有伏旱和秋旱，水分條件直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。試驗地多年平均日照時數(shù)2418 h，太陽總輻射在582.12 KJ/cm2，平均氣溫9.4℃，最高氣溫39.7℃，最低氣溫-25.4℃，≥0℃活動積溫3100—3878.1℃，≥10℃活動積溫2500—3400℃，無霜期140—165 d，平均濕度62%，9月份最大為76%，4月份最小為52%。

試驗地土壤為黃綿土，果園土壤肥力中等，有機質(zhì)含量1.5%，全氮0.93 g/kg，堿解氮36.0 mg/kg，速效磷5.7 mg/kg，速效鉀145 mg/kg，土壤pH值為8.43，呈弱堿性。試驗地土層深厚，深度均大于50 m，地下水埋深較深，土壤無接受地下水補給的條件，降水入滲補給和灌溉水為蘋果樹生長的所有水源。

試驗區(qū)蘋果園主要分布在梁峁坡上。蘋果園地表坡度5°—10°，立地條件為梯田，試驗期降水未產(chǎn)生地表徑流，降水有效補給土壤水分。

2 材料和方法

2.1 試驗材料

試驗蘋果樹品種為13齡喬化富士(長富2號，砧木為西府海棠)，株行距為3 m×4 m，栽植密度825株/hm2。搭配品種有秦冠、嘎啦。試驗果園蘋果樹生長健壯，樹體長勢中庸整齊，樹形為細(xì)長紡錘形，修剪量適中，平均產(chǎn)量1.8 t/hm2。試驗時選擇果園中長勢整齊、樹干基徑相近、樹體相近的蘋果樹作為試驗株布設(shè)試驗。試驗樹平均高3.5 m，平均冠幅3.3 m，平均干徑12.2 cm。

2.2 樹干液流測定與試驗設(shè)計

根據(jù)試驗要求，被選樣木2株，樹干通直圓滿，不偏冠，測定部位上、下30 cm處無節(jié)疤或損傷。實測樣木生長參數(shù)為:樹高3.55 m和3.48 m、冠幅3.33 m和3.27 m、40 cm處干徑12.4 cm和12.3 cm。液流測定方法見王華田和馬履一［18］，數(shù)據(jù)采集間隔期為10 min。采用生長錐鉆取木芯，測定邊材面積，計算果樹蒸騰耗水。為探求探針布設(shè)方位對測定結(jié)果的影響，在試驗果樹樹體距地面40 cm處，分別于東、南、西和北四個方向安裝TDP探針，測定蘋果樹液流速率。

2.3 蘋果樹耗水規(guī)律測定

試驗地表采用薄膜覆蓋，控制裸地蒸發(fā)，覆蓋面積為12 m×12 m;在試驗果樹2/3樹冠處布設(shè)7個水分監(jiān)測點，定期(每隔5 d)采用中子儀和烘干法相結(jié)合，測定土壤含水量，測定深度0—600 cm，其中0—20 cm采用烘干法，20—600 cm每20 cm為一層，采用中子儀測定土壤含水量，試驗布設(shè)見圖1。試驗中防護區(qū)較大，黃土垂直節(jié)理較為發(fā)育，側(cè)向滲透可忽略不計。利用水量平衡計算各時段蒸騰量，由于控制時段土壤蒸發(fā)，故可得時段果樹耗水量，即為時段蒸騰量。

圖1 田間試驗布設(shè)示意圖Fig.1 Distribution of measure tree

2.4 氣象因子監(jiān)測

氣象因子采用固定氣象站(Delta-T，Cambridge，England)實時監(jiān)測，自動氣象站安裝在距試驗果園附近的空曠地。觀測的氣象因子包括空氣溫度(Ta，℃)、空氣相對濕度(RH，%)、風(fēng)向(WV，°)、風(fēng)速(WS，m/s)、降雨量(RG，mm)、土壤溫度(Ts，℃)等。

3 結(jié)果分析

3.1 蘋果樹樹干液流變化規(guī)律

蘋果樹蒸騰耗水受氣象因子制約，在不同天氣條件下呈現(xiàn)不同變化規(guī)律。分別選取蘋果樹在休眠期、初始生長期、快速發(fā)育期、生育中期和成熟期的晴天測定果樹蒸騰速率。以2008年為例，圖2為蘋果不同生育期典型日果樹液流速率變化規(guī)律，典型日的氣象條件見表1。

表1 典型日氣象特征Table 1 Meteorological characteristics of typical day

從圖2可以看出，各時期的蘋果樹蒸騰速率均有明顯的晝夜變化，6:00—8:00左右開始，蒸騰速率逐漸增高，最高值出現(xiàn)在12:00左右，16:00以后，蒸騰速率開始下降，20:00以后至凌晨變化幅度較小。夜間樹干液流量較低，在根壓作用下，根系緩慢吸收水分，恢復(fù)植物體內(nèi)的水分平衡。

按蘋果樹蒸騰速率變化可把果樹日耗水大致分為:黎明前的初始耗水階段、日出時的耗水迅速增加階段、白天的高耗水階段、傍晚的耗水遞減階段和夜晚的低耗水階段。

蘋果樹不同生育階段日耗水變化規(guī)律基本相似，但不同生育階段差異較大。果樹休眠期和果樹成熟期，蒸騰速率較低，最大僅為1.2 l/h左右，初始生長期、快速發(fā)育期和生育中期果樹蒸騰速率較大，最大值分別為2.1、4.1、4.9 l/h。

表2為蘋果樹生長典型日果樹蒸騰速率變化統(tǒng)計表。不同生育期，白天蒸騰速率較大，蒸騰量占全天蒸騰量均在86.29%以上。蒸騰量隨蘋果樹生長季節(jié)的變化而變化。液流速率日變化規(guī)律與李煥波等［8］在鳳翔紅富士蘋果園測定規(guī)律相類似。

表2 典型日蘋果樹蒸騰速率變化統(tǒng)計表Table 2 Transpiration rate of apple trees changes in typical day

3.2 不同測定方位樹干液流速率變化

熱擴散探針法測定樹干日間液流變化過程類似，不同方位探針測定結(jié)果差異明顯，以2008年6月9日不同方位探針測定結(jié)果為例進行分析。圖3為6月9日測定的不同方位液流速率日變化過程。可以看到，4個方位探針測定樹干液流整體變化趨勢較為一致，東向、南向和西向探針測定結(jié)果均呈現(xiàn)雙峰變化趨勢，而北向探針雙峰趨勢不明顯。東南西北4個方向上測定的樹干液流流速差距較大。4個方向探針中，南向探針測定值最大，北向最小，東向和西向較為接近，介于南向和北向探針測定結(jié)果之間。

圖2 典型日蘋果樹蒸騰速率變化規(guī)律Fig.2 Transpiration rate of apple tree changes in typical day

圖3 蘋果樹液流變化的空間變異Fig.3 Sap flow velocity diurnal variation of different direction

表3為6月9日樹干不同方位液流量對比表?？梢钥闯觯膫€方位測定樹干液流量最小值較為接近，為0.03 l/h，而平均值與最大值差異較大，南面測針，測定結(jié)果最大，平均值達1.19 l/h，北面最小，平均值僅為0.51 l/h，東西兩側(cè)較為接近，測定平均液流量分別為0.90 l/h和0.88 l/h。

表3 不同方位樹干液流量統(tǒng)計表Table 3 Character of sap flow velocity at different direction

3.3 不同測定方位樹干液流代表性分析

3.3.1 與參考作物蒸騰量的關(guān)系

果樹蒸散發(fā)受控于氣象、土壤質(zhì)地、土壤含水量和果樹生長狀況等因素，在土壤質(zhì)地、含水量和生長情況相同條件下，果樹蒸散發(fā)受控于氣象條件，即區(qū)域蒸發(fā)能力大小，參考作物蒸發(fā)蒸騰量反映著一個區(qū)域蒸散發(fā)能力。參考作物蒸發(fā)蒸騰量計算方法很多，聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(簡稱FAO)推薦采用FAO Penman-Monteith公式計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量［19］。應(yīng)用Penman-Monteith公式，根據(jù)氣象資料，計算出試驗期參考作物蒸發(fā)蒸騰量。圖4為試驗期(6月8日至7月7日)參考作物蒸發(fā)蒸騰量與不同方位測定樹干液流量間的關(guān)系。

圖4 液流量與參考作物蒸發(fā)蒸騰量關(guān)系Fig.4 Relationship between sap flow and reference crop evapotranspiration

為了進一步驗證不同方位邊材液流速率與參考作物蒸散量之間的相關(guān)性，在0.01的水平上對數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計回歸分析，見表4。

表4 不同方位邊材液流速率與參考作物蒸散量方差分析表Table 4 Variance analysis between reference crop evapotranspiration and sap flow velocity of different orientation

不同方位邊材液流速率作為自變量，以參考作物蒸散量為因變量，經(jīng)過逐步回歸，在不同方位均達到顯著相關(guān)(表4)。不同測定方位樹干液流量與參考作物蒸騰量之間呈現(xiàn)線性關(guān)系(圖4)，隨參考作物蒸發(fā)蒸騰量增大，液流量也隨之增大。東、南、西、北四方位測定樹干液流量與參考作物蒸發(fā)蒸騰量間線性關(guān)系斜率分別為3.34、3.64、5.40和3.03。東面和西面探針測定液流量與參考作物蒸發(fā)蒸騰量間相關(guān)性較好，R2分別為0.74和0.83，方差分析均方比F分別達到78.21和137.85;而南面和北面探針測定結(jié)果偏差較大，點距較為散亂，兩者R2均僅為0.39，方差分析均方比F分別達到18.12和17.94。

3.3.2 不同測定方位樹干液流量分析

TDP探針不同安裝方位，測定結(jié)果差異較大，為了能夠合理的、準(zhǔn)確的測量蘋果蒸騰規(guī)律，試驗通過實測土壤含水量，借助于水量平衡法，確定蘋果樹蒸騰耗水規(guī)律，作為對照蒸騰量，進行對比分析。

采用水量平衡法計算的時段蒸騰量作為對照蒸騰量，利用不同方位測定樹干液流量求得果樹蒸騰量，二者間對比關(guān)系見表5。2008年6月8日至7月7日1個月時間內(nèi)，根據(jù)水量平衡，在充分灌水條件下，通過水量平衡計算得到果樹在該時段蒸騰水量為102.17 mm。通過TDP測定樹干液流，換算得到果樹蒸騰量，東面、南面、西面和北面測定蒸騰量分別為97.97 mm、115.12 mm、98.00 mm和63.97 mm。北面探針測定蒸騰量較其余三方向要小，與對照蒸騰量相比，也明顯偏小，各時段值均低于對照值，各時段相對偏差均大于21.99%，可見北面安裝TDP探針測定果樹蒸騰量所得結(jié)果偏低;樹干南側(cè)測定結(jié)果與對照蒸發(fā)蒸騰量相比整體偏大，除6月28日至7月2日測定值較參照值小外，其余時段均較參照值大，相對誤差總體達12.67%，各時段偏差最大達36.49%，相關(guān)分析表明，其均方比分別達到4.49和5.14，顯著性水平不顯著;樹干東面和西面測定結(jié)果與參照值較為接近，總體偏差分別為-4.11%和-4.08%，時段相對誤差最大分別為-12.46%和-13.70%，均在容許范圍之內(nèi)，相關(guān)分析表明，其均方比分別達到14.11和14.57，顯著性水平分別達到0.020和0.019，明顯高于南北方向探針測定結(jié)果。王華田等［15］對側(cè)柏的測定表明南面測定液流速率誤差較大，與試驗結(jié)果較為接近。由此可以看出，安裝TDP探針時，應(yīng)選擇樹體西面或東面，測定結(jié)果誤差較小。

表5 不同方位測定果樹蒸騰量對比分析Table 5 Determination of transpiration in different direction

4 結(jié)論

(1)各個生長階段，蘋果樹蒸騰耗水變化規(guī)律較為相似，不同生育階段差異較大。果樹休眠期和成熟期蒸騰速率較低，白天蒸騰量占全天總蒸騰量的比例分別為89.90%和90.90%;初始生長期、快速發(fā)育期和生育中期果樹蒸騰速率較大，白天蒸騰量占全天總蒸騰量的比例分別為91.48%、96.12%和86.29%。

(2)探針安裝方位直接影響測定結(jié)果。南面和北面安裝探針的測定結(jié)果偏差較大，典型日平均值分別為1.19 l/h和0.51 l/h，東面和西面安裝探針的測定結(jié)果較為相近，典型日平均值分別為0.90 l/h和0.88 l/h。

(3)不同方位探針實測樹干日液流量與參考作物蒸散量間均達到顯著相關(guān)，東、西方向的測定樹干日液流量與參考作物蒸散量間相關(guān)性較好，決定系數(shù)R2分別為0.74和0.83，方差分析均方比F分別為78.21和137.85，明顯優(yōu)于南北方向探針測定結(jié)果。

(4)時段累計液流量與實測果樹蒸散量間對比分析表明，東面和西面兩探針測定結(jié)果與對照蒸騰量間相關(guān)性較好，相對誤差僅為-4.11%和-4.08%，且東、西方向均方比分別為14.11和14.57，明顯大于南、北方向均方比;東、西方向果樹蒸騰量數(shù)據(jù)相關(guān)性較為顯著(Sig.＜0.05)，而南北方向相關(guān)性較差(Sig.＞0.05)。由此可見在測定果樹液流量時，選擇東面或西面安裝液流計探針，可有效減小試驗誤差。

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