渭北旱塬不同水肥條件下氣象因子對蘋果樹干莖流的影響

梁自強(qiáng)，胡笑濤，冉 輝，唐文政，張興國，國銀銀

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

渭北旱塬作為蘋果優(yōu)生區(qū)，種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，在為當(dāng)?shù)毓r(nóng)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益[1]的同時，嚴(yán)重消耗著當(dāng)?shù)赜邢薜耐寥浪Y源，因此準(zhǔn)確測定蘋果樹生長耗水，對于合理分配水資源，提高水分利用效率，保證蘋果產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。蘋果樹在生長的過程中需要消耗大量水分，其中99.8%是通過果樹葉片的蒸騰作用進(jìn)入到大氣中，因此樹干莖流很大程度上反映了植株的蒸騰耗水能力[3]。樹干莖流既由自身生長特性決定，還與周圍環(huán)境密切相關(guān)[4]，是各種因素綜合作用的結(jié)果。

國內(nèi)外大量研究證明，熱擴(kuò)散技術(shù)莖流計在測定植株莖流具有較高準(zhǔn)確性和實用性[5,6]。龔道枝等[7]發(fā)現(xiàn)液流-微型蒸滲儀法和水量平衡法計算蘋果樹蒸發(fā)蒸騰量結(jié)果最大偏差在10%以內(nèi)；劉春偉[8]利用三種模型模擬了基于莖流的果樹蒸騰，發(fā)現(xiàn)基于冠層變化的蒸騰模型可以準(zhǔn)確估算果樹蒸騰量；Uddin J[9]研究認(rèn)為，盆栽幼年果樹，莖流量和蒸騰量是一致的，不存在時滯現(xiàn)象；但是因為果樹莖干自身的儲水能力，使得利用莖流估算蒸騰量時存在不確定性[10]，所以準(zhǔn)確測定果樹莖流，就需要研究莖流的相關(guān)影響因素。近年來，學(xué)者們關(guān)于莖流的影響因子進(jìn)行了大量研究。張亞雄等[11]研究了蓄水坑灌條件下蘋果樹莖流的影響因子，發(fā)現(xiàn)葉水勢與莖流速率呈負(fù)相關(guān)，土-葉水勢梯度與莖流速率呈正相關(guān)；周玉燕等[12]發(fā)現(xiàn)山旱塬地區(qū)，太陽輻射、相對濕度、氣溫、飽和水汽壓差都與蘋果樹莖流速率呈極顯著相關(guān)；石美娟[13]認(rèn)為太陽輻射是蘋果樹莖流的最直接影響因素；Chabot R[14]同灌水方式對果樹莖流速率的影響；續(xù)海紅等[15]研究了不同天氣條件下蘋果樹的莖流變化規(guī)律，并且在梨樹[16]、核桃樹[17]、沙柳[18]、油松[19]等不同樹種上都有相關(guān)研究。氣象因子以及不同生育期和不同天氣狀況對樹體莖流的影響已有大量研究，但對果樹生長和產(chǎn)量起到?jīng)Q定作用的水肥狀況與果樹莖流關(guān)系的研究較少。

本文主要通過分析不同的水肥管理下蘋果樹干液流的變化特征，還有水肥措施對氣象因子與莖流二者相關(guān)性的影響，探究基于莖流計估算蒸發(fā)蒸騰量更精準(zhǔn)的方法，進(jìn)而指導(dǎo)果園合理灌溉施肥。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018年4月15日-2018年10月20日在西北農(nóng)林科技大學(xué)洛川蘋果試驗站進(jìn)行，該試驗站位于陜西省渭北區(qū)旱塬中部的延安市南部洛川縣，地處東經(jīng)109°25′，北緯35°46′，年均氣溫為9.2 ℃，平均海拔為1 100 m，日照時數(shù)為2 552 h，日照率56%，年總輻射量554.1 kJ/cm2，無霜期165 d，大于10 ℃的積溫為3 040 ℃，多年平均降水量為610 mm，6-9月降水量占年總降水量的80%左右，屬于暖溫帶濕潤大陸性季風(fēng)氣候，具有典型的季節(jié)性干旱特點。土壤質(zhì)地以壤土為主，主要土壤物理特性見表1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗蘋果樹(喬紅富士)為12 a生，果樹株行距為3 m×4 m，樹高3～4 m。試驗處理為兩因素3水平不完全設(shè)計，分別是3個灌水量水平：高水(M)；中水(80%M)；低水(60%M)和3個施肥水平：高肥(F)；中肥(80%F)；低肥(60%F),取其中，低肥中水，中肥中水,高肥中水，中肥高水和中肥低水作為本試驗的5種水肥處理，每個處理設(shè)3次重復(fù)。

表1 試驗地土壤主要物理特性Tab.1 Soil physical parameters

灌水量根據(jù)土壤含水率上限和下限確定，上限為田間持水量，灌水下限根據(jù)蘋果樹不同生育期需水量，分別按照蘋果樹萌芽期到幼果發(fā)育期的50%田間持水量，果實膨大期和成熟期的70%田間持水量進(jìn)行3次灌水，灌水和施肥同時進(jìn)行，灌水方式為滴灌。高肥處理中施鉀肥量為300 g/株，氮肥150 g/株，磷肥150 g/株，中肥、低肥處理中施用的氮磷鉀肥量均按20%比例遞減。為防止不同處理之間土壤中水分和養(yǎng)分發(fā)生空間運移和側(cè)滲，在不同處理的株間距中心位置挖1 m深的垂直剖面，緊貼剖面內(nèi)壁用0.12 mm的塑料薄膜隔擋。試驗果園中除草，噴藥等管理措施均與當(dāng)?shù)毓麍@保持一致。

1.3 數(shù)據(jù)觀測與處理

(1)氣象數(shù)據(jù)：氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測來自距試驗地300 m的氣象站，每小時記錄一次空氣溫度(T)、相對濕度(RH)、水汽壓(VP)、地表溫度、風(fēng)速(V)等，并記錄當(dāng)天日照時數(shù)。

(2)樹干莖流：采用TDP插針式莖流計監(jiān)測果樹莖流。莖流計探針安裝高度距地面1 m，偏北方向，每15 min記錄一次莖流速率。每隔兩周把探針取出重新安裝。

(3)土壤含水率：利用Trime監(jiān)測(AZS-100手持式)土壤體積含水率，測定深度為160 cm。同時每15 d用土鉆取土，采用烘干法進(jìn)行校驗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Granier得出的補(bǔ)償式莖流計算公式[11]計算蘋果樹干莖流。

計算無量綱變量Ki：

Ki=(dtmax-dti)/dti

(1)

式中：dt為雙熱電偶間溫差；dtmax一般在黎明前無莖流時測得。

計算流速Vi，g/(cm2·s)：

(2)

計算邊材橫截面積A并與Vi相乘得到體積流量Vsapflow，g/h。

Vsapflow=A×Vi×3 600

(3)

邊材面積A(cm2)利用生長錐測得。

計算日莖流量Q(g)需將當(dāng)天每個小時內(nèi)測得的莖流速率相加：

Q=∑Vsapflow

(4)

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行初步整理，并用SPSS 19.0進(jìn)一步處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果樹不同時期及不同天氣狀況下莖流速率日變化

影響蘋果蒸騰作用的因素很多，在蘋果樹主要生育期，氣象因子(包括：輻射、風(fēng)速，溫度，相對濕度等)對莖流產(chǎn)生重要影響。氣象因子直接決定著果樹生長條件中的天氣狀況，通過對不同天氣狀況下蘋果莖流速率的分析，能直接看出氣象因子對果樹莖流的影響。幼果發(fā)育期和果實膨大期是蘋果成熟過程中決定蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵時期，所以選取幼果發(fā)育期到果實膨大期6、7、8三個月份來說明不同天氣狀況下，晴天、陰天和雨天與蘋果樹莖流流速之間的響應(yīng)的關(guān)系。圖1為蘋果樹不同天氣狀況下莖流流速(以中肥中水為例)變化情況。

圖1 不同天氣狀況下蘋果莖流速率變化Fig.1 Stem flow rate changes under different weather conditions

由圖1可以看出，晴天天氣，果樹樹干莖流流速總體上呈明顯“幾”字型變化，莖流速率峰值大于陰天和雨天。陰天和雨天，由于太陽輻射較弱，空氣相對濕度較大，它們的莖流速率峰值明顯低于晴天，6月晴天時莖流速率峰值達(dá)到17.77 g/h，而陰天只有晴天莖流速率峰值的61.8%，雨天甚至只有18.6%，7、8月份的陰、雨天峰值也跟晴天有較大差距，但總體上仍表現(xiàn)出與晴天相似的“晝升夜降，晝增夜減”的變化趨勢，陰雨天莖流速率為多峰曲線。受降雨時間和瞬時降雨量大小的影響，果樹樹干液流速率變化更加不穩(wěn)定，8月份雨天，由于太陽輻射減弱，氣溫增幅遲滯，莖流速率啟動時間滯后于晴天；6月份雨天莖流速率也更早降到谷值?？梢姡鞖鉅顩r的變化對蘋果樹莖流速率在時間上的變異性具有直接影響。

在不同天氣狀況下，蘋果樹莖流速率表現(xiàn)出明顯差異，而天氣狀況變化又是氣象因子影響的反映，可見，氣象因子與莖流速率之間關(guān)系密切。為進(jìn)一步揭示蘋果樹莖流速率對不同氣象因子的響應(yīng)關(guān)系，對試驗期間蘋果主要生長月份的瞬時莖流速率與實時監(jiān)測的主要氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。

通過對瞬時莖流速率和主要氣象因子的相關(guān)性分析表明，氣溫、地表溫度、風(fēng)速與樹干莖流速率呈正相關(guān)關(guān)系，且都達(dá)到了顯著水平，其中地表溫度與果樹莖流速率的相關(guān)性最強(qiáng)，主要生育期內(nèi)達(dá)到了0.845，而相對濕度與莖流速率呈顯著負(fù)相關(guān)。在蘋果樹的主要生長月份，地表溫度、氣溫、相對濕度和風(fēng)速與莖流速率都在0.01水平上呈顯著相關(guān)。不同月份內(nèi)，氣象因子與蘋果樹莖流速率之間也呈現(xiàn)出不同強(qiáng)度的相關(guān)性，其中，氣溫、相對濕度和風(fēng)速對果樹莖流速率影響最大的月份是7、8月(果實膨大期)，其他月份略低，RH和V與果樹莖流相關(guān)性順序為：8月>7月>9月>5月>6月。地表溫度與果樹莖流速率之間的相關(guān)性在5月(R2=0.914)和6月(R2=0.910)達(dá)到最大，而7月、8月份卻略微降低，這與氣溫、相對濕度和風(fēng)速等氣象因子與莖流速率的相關(guān)性規(guī)律相反，究其原因，可能是由于7、8月份正值夏季，太陽輻射強(qiáng)烈，但是由于此時期蘋果樹葉面積指數(shù)最大，太陽輻射很難穿透冠層到達(dá)地表，地表溫度不能實時準(zhǔn)確反映當(dāng)時的氣象狀況，導(dǎo)致其相關(guān)性減弱。

表2 蘋果樹主要生育期內(nèi)瞬時莖流速率與氣象因子的相關(guān)性分析Tab.2 Relationship between stem flow rate and meteorological factors during growing period

注：**表示在 0.01 水平上顯著相關(guān)。

2.2 不同水肥條件下氣象因子對果樹莖流的影響

蘋果樹莖流是一個持續(xù)不斷的過程，而氣象因子也在時刻發(fā)生變化，瞬時莖流速率與氣象因子的相關(guān)性僅能反映兩者之間在較小時間尺度(每小時時間尺度)上的響應(yīng)關(guān)系，而蘋果樹的主要生長期是一個大時間尺度的過程，在較小時間尺度上分析兩者之間的相關(guān)關(guān)系偶然性和誤差較大。

為了研究水肥條件對氣象因子與莖流速率二者相關(guān)關(guān)系的影響，在日時間尺度上進(jìn)行了不同水肥條件下蘋果樹莖流速率與氣象因子之間的相關(guān)性分析(表3)。由表3可以看出，不同處理條件下，蘋果樹日莖流量與各氣象因素的相關(guān)顯著性各有差異，日輻射量與日莖流量之間的相關(guān)關(guān)系最為顯著(相關(guān)系數(shù)在0.686～0.810之間)，其次為相對濕度(相關(guān)系數(shù)在-0.378～-0.818之間)，均在0.01水平上顯著相關(guān)。整體相關(guān)性順序為：日輻射量>相對濕度>地表溫度>日均氣溫>日均風(fēng)速。在日莖流量與日輻射量的關(guān)系中，各處理的相關(guān)性都較高，相關(guān)性最低的處理為中肥低水(R2=0.686)，可能因為缺水影響到了果樹從土壤中獲取水分的能力。在日莖流量與日均氣溫的關(guān)系中，低肥中水處理下相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)到了0.447，其次為中肥中水處理(R2=0.395)和高肥中水處理(R2=0.351)，這3個處理下的相關(guān)系數(shù)均高于中肥高水處理(R2=0.189)和中肥低水(R2=0.324)，這說明在灌水量一致的情況下，隨著施肥量的增多，蘋果樹日莖流量與日均氣溫的相關(guān)性強(qiáng)度呈逐漸降低，同時，過高或過低的灌水量均能顯著降低日均氣溫對日莖流量的影響。不同處理下，地表溫度與莖流量的關(guān)系規(guī)律同日均氣溫一致。在5種試驗處理中，高肥中水處理下，日均風(fēng)速與日莖流量的相關(guān)關(guān)系最低(R2=0.162)，沒有顯著性，其他處理下的相關(guān)性也遠(yuǎn)低于日均氣溫、日相對濕度和日輻射量等其他氣象因子，說明水肥處理對于日均風(fēng)速與日莖流量的相關(guān)性影響較小。

表3 不同處理下日莖流量與氣象因子的相關(guān)性分析Tab.3 Relationship between daily stem flow and meteorological factors under different treatments

注：**表示在0.01水平上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平上顯著相關(guān)。

灌水量一致，施肥量不同的情況下，隨著施肥量的增加，果樹日莖流量與日均氣溫、日輻射量和日相對濕度等氣象因子的相關(guān)性逐漸減小，這說明在低肥料投入的情況下，果樹日莖流量受到氣象因子的調(diào)控較為明顯，隨著施肥量的加大，減弱了果樹日莖流量與氣象因子之間的相關(guān)性。分析其原因，可能是由于肥料過量投入改變了果樹的生長環(huán)境，成為影響果樹莖流的主要因素，所以莖流對氣象因子的反應(yīng)不敏感。

施肥量一致，灌水量不同的情況下，日輻射量、日均氣溫和地表溫度與莖流量的相關(guān)性在中肥中水時取得最高值(R2=0.8；R2=0.395；R2=0.577)，反而在高水和低水處理相關(guān)性減弱，說明中肥中水處理的水肥交互作用更好，使果樹獲得更適宜的土壤條件，所以外界氣象因子就成了影響果樹莖流量的變化的主要因素，所以相關(guān)性更高。而相對濕度與日莖流量的相關(guān)性隨著灌水量的增加，相關(guān)系數(shù)從低水處理的-0.575增加到高水處理的-0.818，說明灌水量越高，相對濕度對果樹莖流的影響作用更越大，果樹莖流與相對濕度的相關(guān)性越好；灌水量的變化并沒有使得風(fēng)速與日莖流量的關(guān)系有明顯變化，二者的相互關(guān)系受灌水量的影響較小，3個處理的相關(guān)系數(shù)雖然較低，但是也都達(dá)到了顯著水平。

2.3 不同水肥處理對蘋果樹莖流速率的直接影響

土壤水分的動態(tài)變化直接影響蘋果樹莖流速率。從2018年6月下旬至9月底，定時監(jiān)測不同水分處理下土壤水分(1米平均)的變化情況，中水為試驗處理中3個中水處理的平均土壤體積含水率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 生育期土壤水分動態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of soil moisture during growth period

圖2可以看出，生育期內(nèi)各處理土壤含水率隨降雨量和灌水量的變化而變化。高水、中水和低水3種處理下土壤含水率在蘋果主要生育期內(nèi)差異明顯。在相同施肥量，不同水分處理下果樹莖流速率(灌水施肥在果實膨大期前，故選取果實膨大期間連續(xù)三天： 8月18-20日的莖流速率)日變化情況如圖3所示。

圖3 水分狀況對果樹莖流的影響Fig.3 Effect of water condition on stem flow of fruit trees

隨時間進(jìn)程，不同水分處理下，果樹能從土壤中汲取的水分不同，使得不同處理的果樹莖流速率產(chǎn)生差異。由圖5可以看出， 3種水分處理，蘋果樹莖流速率在10∶00-18∶00之間均產(chǎn)生較大波動，其余時間內(nèi)處于谷值且趨于穩(wěn)定狀態(tài)，峰值均出現(xiàn)在正午12∶00附近。中水條件下，果樹莖流速率最大，峰值穩(wěn)定在13～14 g/h，其次為高水處理，相比于中水處理，莖流速率偏低，速率峰值范圍為10～11 g/h，而且莖流速率在峰值不穩(wěn)定，變化比較劇烈，低水處理的果樹莖流明顯低于高水和中水處理，峰值只有4～5 g/h。說明低水處理嚴(yán)重制約了果樹的正常蒸騰作用，引起果樹莖流地大幅度降低，但是中水處理卻比高水處理的莖流速率更高，可能是因為中水處理的水肥耦合效應(yīng)對果樹莖流有較大的促進(jìn)作用，故莖流速率具有更高的峰值。

果樹施肥是一個短暫的過程，但養(yǎng)分在果樹上產(chǎn)生效應(yīng)和影響是一個持續(xù)性的漫長過程。施肥并不會直接影響果樹莖流的變化，但施肥通過影響果樹生長指標(biāo)(如葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度、氣孔導(dǎo)度等)間接影響果樹莖流速率，在施肥(7月21日)一個月后觀測相同灌水量下，不同施肥處理連續(xù)三天(8月18-20日)果樹莖流速率的變化，如圖4所示。

圖4 養(yǎng)分水平對蘋果樹莖流的影響Fig.4 Effect of nutrient level on stem flow rate of apple trees

圖4所示3種處理灌水量相同，但施肥量不同，中肥處理的果樹莖流速率最大，綜合三日果樹莖流量分別比低肥、高肥處理高33.11%和17.63%，這可能是由于中肥處理下果樹水肥耦合效果最好，提高了果樹對土壤水肥的利用效率，使得蒸發(fā)蒸騰量最大。低肥處理條件下，莖流速率明顯低于其他處理，說明低肥處理抑制了蘋果樹的蒸騰作用，造成莖流速率偏低。

3 討論與結(jié)論

果樹莖流直接反映了果樹蒸騰作用的強(qiáng)弱，準(zhǔn)確計算莖流并明確分析其相關(guān)影響因子，對于估算果園蒸騰，為進(jìn)一步指導(dǎo)灌水有重要意義。關(guān)于影響果樹莖流的因素，之前很多學(xué)者都做過大量相關(guān)的研究。本試驗發(fā)現(xiàn)：蘋果樹莖流速率在生育期內(nèi)不同月份，晝升夜降，晝增夜減的日變化特征明顯；陰天和雨天，莖流速率峰值明顯低于晴天，并且啟動和回落時間不穩(wěn)定。于金鳳等[20]的研究表明，晴天果樹蒸騰速率的日變化為單峰曲線；逐日變化為晝高夜低，驟升驟降的特征；孟平等[21]人的研究發(fā)現(xiàn)，由于氣象條件的不同，土壤水分及果樹自身的生理狀況不同，蒸騰的大小，啟動時間，結(jié)束時間，最大值及出現(xiàn)的時間各有不同，這都與本試驗中結(jié)論一致，并且在杏樹[22]和核桃樹[23]上都有相似的規(guī)律。

本研究證明氣象因子與莖流的相關(guān)性順序為：日輻射量>相對濕度>地表溫度>日均氣溫>日均風(fēng)速。宋凱[24]研究發(fā)現(xiàn)太陽輻射與莖流量的關(guān)聯(lián)度最好，但是二者相關(guān)性有時滯效應(yīng)；空氣中相對濕度與莖流量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；地溫與莖流量的關(guān)系較為復(fù)雜，劉鑫[25]等認(rèn)為地表溫度和莖流呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這與本試驗結(jié)論一致，石游[26]的研究證明土壤溫度的變動有明顯節(jié)律性，二者的變化趨勢并不一致，所以很難準(zhǔn)確評判二者的關(guān)系。丁日升[27]的研究表明，莖流與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系并不明顯，郭映[28]認(rèn)為風(fēng)速持續(xù)時間較短且不連續(xù)，所以莖流與風(fēng)速的關(guān)系比較模糊，這也都與本研究一致。氣溫、相對濕度和風(fēng)速對果樹莖流速率影響最大的月份是7、8月(果實膨大期)，其他月份略低，RH和V與果樹莖流相關(guān)性順序為：8月>7月>9月>5月>6月。

有關(guān)于不同水肥處理對果樹莖流與氣象因子二者相關(guān)性的影響的研究還較少，本研究發(fā)現(xiàn)：灌水量一致，隨著施肥量的增加，果樹日莖流量與日均氣溫、日輻射量和日相對濕度等氣象因子的相關(guān)性逐漸減??；施肥量一致時，日輻射量、日均氣溫和地表溫度與莖流量的相關(guān)性在中水時取得最高值，相對濕度與日莖流量的相關(guān)性隨著灌水量的增加而增大，灌水量的變化對風(fēng)速與日莖流量的關(guān)系沒有明顯影響。

水肥對于莖流速率的影響來看，莖流速率順序為：中水>高水>低水；中肥>高肥>低肥，低水和低肥處理都明顯低于其他處理，這與周珊珊[29]的研究結(jié)論一致，基于莖流計算的蘋果樹蒸騰量在95 kg有機(jī)肥最大，其次為150 kg，再次時40 kg，不施肥最小。綜合水肥處理，水肥耦合效應(yīng)對果樹莖流的影響有較大的促進(jìn)作用，比單養(yǎng)分水平處理和單水分處理更顯著。