黃土塬區(qū)小麥莖流速率變化及其與環(huán)境的關(guān)系

張蓓蓓，甘卓亭，周 旗，劉文兆

（1.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院 陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點實驗室，陜西 寶雞721016；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌712100）

水是植物生長和發(fā)育的必要條件之一，近年來隨著水資源的日益匾乏，水越來越成為限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要因素，全世界由于干旱造成農(nóng)作物的損失要大于其他原因所致?lián)p失的總和［1］。在地處半干旱半濕潤地區(qū)的黃土高原，農(nóng)業(yè)水資源虧缺嚴(yán)重［2］。水分脅迫使得作物的氣孔行為及蒸騰速率等均發(fā)生了不同程度的變化，進(jìn)而影響到光合產(chǎn)物的積累、轉(zhuǎn)運及分配，最終影響到產(chǎn)量水平［3］。作物的蒸騰是一個復(fù)雜的生理過程，它既受作物本身形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理狀況的制約，又受各種外界條件的影響，要準(zhǔn)確地測定是非常困難的。而莖流計可在作物自然生長狀況下適時監(jiān)測單莖植物的蒸騰速率，其中以熱平衡為原理的包裹式莖流探頭在研究直徑較小的植物莖流時具有明顯優(yōu)越性［4－5］。

許多對莖流的研究大都集中在樹木森林方面，而對一般農(nóng)作物的測量較少［6－9］。岳廣陽等［4］對黃柳和小葉錦雞兒的莖流進(jìn)行了測量分析。Xia等［10］分析了中國西北半沙漠地區(qū)檸條錦雞兒晝夜及季節(jié)性莖流變化等。本文以黃土旱塬小麥品種陜麥150為研究對象，采用Dynamax莖流測量系統(tǒng)直接測定小麥莖干液流速率，并根據(jù)同步獲取的環(huán)境因子測值對小麥的蒸騰耗水特性和影響因子關(guān)系進(jìn)行了分析。研究結(jié)果對于黃土塬區(qū)小麥水分的有效利用和管理具有重要的參考價值，為研究旱作小麥對氣候條件的響應(yīng)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗品種及設(shè)計

選取小麥品種陜麥150進(jìn)行種植，屬半冬性，分蘗力強(qiáng)且快，早熟，長芒、白殼、白粒［11］。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)。小區(qū)內(nèi)土壤深耕25cm，旋耕12—15cm。手工點播，基本苗2.25×106hm2。播深3cm，行距20cm，小區(qū)面積10m2。

1.2 研究區(qū)概況

試驗于2007年9月至2008年6月在黃土高原中部的陜西省長武縣洪家鄉(xiāng)王東村中國科學(xué)院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站進(jìn)行，地理坐標(biāo)為107°40′30″E，35°14′30″N，海拔1 200m，該區(qū)屬暖溫帶半濕潤偏旱氣候，年均降水584mm，年均氣溫9.1℃，≥10℃的積溫3 029℃，無霜期171d。試驗布置在未進(jìn)行灌溉的旱作農(nóng)耕地上，耕層0—20cm，土壤含有機(jī)質(zhì) 14.3g／kg，全氮 0.97g／kg，堿解氮68.26mg／kg，速 效 磷 22.1mg／kg，速 效 鉀156.7mg／kg，pH 值8.6。試驗地平坦寬闊，黃土堆積深厚，土壤為黃黏黑壚土。

1.3 試驗數(shù)據(jù)采集及處理

（1）莖流速率。于拔節(jié)期和開花期間（4月23日，4月24日，4月25日，5月18日和5月19日為晴朗天氣；5月20日為陰天）用美國Dynamax公司生產(chǎn)的Flow32包裹式莖流計測定小麥的莖流速率日變化，F(xiàn)low32主要利用能量平衡原理，測量莖流流動時產(chǎn)生熱量變化，從而確定植物莖流和植物水分消耗（蒸騰）。該試驗中，探頭選用的是SGA 5，電壓為4 V，于測定日期前一天傍晚選擇莖稈粗壯的小麥，測其莖稈面積后進(jìn)行包裹，2d后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，莖流計每1h記錄1次數(shù)據(jù)，莖流速率（g／h）。日莖流量（g）。

（2）氣象數(shù)據(jù)。包括光合有效輻射〔PAR，mol／（m2·s）〕、相對濕度（%）、風(fēng)速（m／s）和空氣溫度（℃）等。

（3）數(shù)據(jù)處理。試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2003和SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計處理。運用Pearson相關(guān)進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 拔節(jié)期和開花期小麥莖流速率日變化分析

從圖1和表1中看出，拔節(jié)期間晴朗天氣（4月）小麥莖流速率日變化趨勢相似，整體上呈現(xiàn)單峰型。7：00以后莖流大幅度上升，并迅速到達(dá)液流活動的高峰狀態(tài)，這個液流高峰可持續(xù)6～8h。另外，由圖1看出，莖流速率在中午峰值附近會出現(xiàn)波動，這是由于大氣蒸發(fā)能力過高時會出現(xiàn)莖流速率高于根系吸水速率，導(dǎo)致導(dǎo)管內(nèi)的水柱出現(xiàn)空穴而時斷時續(xù)［12］。連續(xù)3d的莖流峰值分別為1.61，1.90和2.66g／h，峰值之后莖流呈現(xiàn)下降趨勢，夜晚莖流速率為0。

開花期間晴朗天氣（5月18日和5月19日）12：00—14：00出現(xiàn)峰值，2d莖流的峰值分別為3.39，2.96g／h。兩個時期莖流日變化規(guī)律進(jìn)行比較，趨勢基本一致，只是在出現(xiàn)及持續(xù)時間上有所差異；對于晴朗天氣來說，開花期的峰值高于拔節(jié)期。

圖1 陜麥150拔節(jié)期和開花期莖流速率連日變化

與晴天莖流相比，陰天莖流啟動推遲，峰值變小。如圖1和表1開花期5月20日所示，液流出現(xiàn)時間為7：00，且峰值僅為1.48g／h，明顯低于晴天水平，二者可相差2倍以上。從氣象因子連日變化曲線看（圖2—4），多云陰天天氣由于太陽輻射強(qiáng)度小，空氣溫度低、空氣相對濕度大，相應(yīng)的莖流速率曲線峰值低，而晴朗干燥天氣的峰值高，說明不同生育期每日液流的最大值與當(dāng)日的氣象因子變化關(guān)系密切。同時還可能與土壤水分狀況及小麥自身蒸騰耗水的生理學(xué)特性有關(guān)［13］。

表1 陜麥150拔節(jié)期和開花期莖流速率連日變化

2.2 拔節(jié)期和開花期小麥莖流變化與環(huán)境因子關(guān)系

把與莖流同步測量的光合有效輻射、大氣溫度、濕度和風(fēng)速等變化結(jié)果列于圖2—4。同時把兩個時期莖流速率與環(huán)境因子的相關(guān)分析列于表2。結(jié)果表明小麥莖流速率日變化趨勢與各環(huán)境因子表觀特征波動規(guī)律相似，這說明小麥莖稈的液流速率受環(huán)境因子影響明顯。

圖2 拔節(jié)期和開花期溫度和濕度變化趨勢

圖3 拔節(jié)期和開花期光合有效輻射變化趨勢

太陽輻射既能誘導(dǎo)氣孔啟閉，又決定空氣溫度和相對濕度的變化，是影響植物莖流變化的最主要因子，液流啟動和峰值出現(xiàn)的時間與光照緊密相關(guān)。由圖3看出，太陽輻射強(qiáng)度最強(qiáng)出現(xiàn)在中午13：00，莖流峰值一般也出現(xiàn)在13：00左右（圖1），說明太陽輻射強(qiáng)度變化與莖流變化有著很好的對應(yīng)關(guān)系。晴朗天氣下，太陽輻射強(qiáng)度大，莖流速率高；多云陰天情況下（5月20日），太陽輻射強(qiáng)度小，莖流速率隨之減小。

除太陽輻射外，莖流速率還受到其他環(huán)境因子的影響。隨著氣溫升高，飽和水氣壓提高，會增大細(xì)胞間隙與外界的水氣壓差，加速蒸騰水分的擴(kuò)散?？諝鉂穸冉档?，葉片細(xì)胞間的水氣壓差與空氣的水氣壓差會增大，導(dǎo)致水分的擴(kuò)散速率增大，從而增加了莖流的速率。由圖2可見，空氣溫度與大氣濕度的變化呈現(xiàn)相反的規(guī)律，在高氣溫和低濕度的共同作用下，小麥葉片內(nèi)外的蒸氣壓差加大，有利于水分從植物體向外逸出，蒸騰作用加強(qiáng)，從而使得莖流速率增加；反之，莖流速率降低［14］。

風(fēng)能將葉片外的水蒸汽吹走，減少葉片邊界層阻力，影響小麥莖稈的莖流速率，從而使得莖流速率增大。另外，如果風(fēng)速過大可能會引起氣孔關(guān)閉，使得蒸騰速率變慢，莖流速率變小。

圖4 拔節(jié)期和開花期風(fēng)速變化趨勢

相關(guān)分析表明（表2），影響小麥莖流變化的環(huán)境因子依次是太陽輻射強(qiáng)度、大氣溫度、相對濕度和風(fēng)速。莖流速率的變化實際是受到環(huán)境因子綜合影響的結(jié)果。

表2 拔節(jié)期和開花期莖流速率與環(huán)境因子相關(guān)分析

3 結(jié)論

利用莖流計可實時監(jiān)測植物莖流速率的變化，操作簡單，易于維護(hù)，測量精度也比較高。

本研究利用該實驗儀器，結(jié)果表明：（1）小麥莖流速率日變化在晴朗天氣下呈單峰曲線，早晨啟動，中午達(dá)到峰值，晚上為零。兩個時期小麥的莖流速率都存在明顯的晝夜節(jié)律性。不同時期的莖流速率各不相同，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是不同時期土壤水分差異，以及各時期測量時日照強(qiáng)度的差異。多云陰天時，莖流速率明顯降低。（2）小麥莖流速率日變化與環(huán)境因子日變化有很好的對應(yīng)關(guān)系，其表觀特征波動規(guī)律完全與同步檢測的氣象因子相吻合，這說明小麥莖稈的液流速率受環(huán)境因子影響明顯。影響小麥莖流變化的環(huán)境因子依次是太陽輻射強(qiáng)度、大氣溫度、相對濕度和風(fēng)速等。莖流速率的變化實際是受到環(huán)境因子綜合影響的結(jié)果。

莖流速率是反映作物體內(nèi)水分狀況很好的生理指標(biāo)，通過該生理指標(biāo)預(yù)測作物水分需求、監(jiān)測作物水分狀況等具有良好的應(yīng)用前景。受實驗儀器及莖稈粗細(xì)的限制，只分析了小麥拔節(jié)期和開花期兩個時期的莖流速率變化，以后應(yīng)該增大樣本數(shù)量進(jìn)行研究，并且對其他作物及多個生育期進(jìn)行測定。

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