蘋果幼樹生理指標對土壤水分調控的響應研究

郭 華，秦 聰，石美娟，竇彥鑫，楊 凱，續(xù)海紅

（1.山西農業(yè)大學果樹研究所，山西太原030031；2.山西省水利水電科學研究院，山西太原030002）

0 引言

我國作為種植面積和產量均達到世界一半以上的蘋果生產大國[1]，蘋果種植面積近年來仍在不斷增加，產區(qū)開始由華東地區(qū)遷往西北地區(qū)[2]。

山西作為全國水資源貧乏省份之一[3]，人均水資源占有量少，且農業(yè)灌水量大，僅為實際用水量的51.4%。近年來，為了達到節(jié)水目的，滴灌逐漸在果園推行使用，但由于缺乏理論依據和技術指導，節(jié)水效果達不到預期要求，果實產量和品質也存在一定差異，甚至部分果園放棄滴灌灌溉設施，仍沿用傳統(tǒng)漫灌方式進行灌水，造成了大量的水資源浪費[4]。因此，如何通過土壤水分調控進行合理灌溉[5-7]，進而設置合理灌水上下限，成為果園滴灌有力的理論依據[7-9]。

孫章浩等[10]研究了不同灌水下限條件下，冬小麥的生長狀況和土壤水分分布，研究發(fā)現，冬小麥生長條件最佳的灌水下限為80%。潘俊杰等[11]進行了3 個不同滴灌灌水下限的大田實驗，進而觀察到蕾期和花鈴期棉花的生長灌溉預警線是65%和75%的灌水下限。黃倩楠[12]設置了不同灌水下限條件，結合室內和大田試驗，研究了不同灌水條件下的水分利用率，試驗表明，灌水下限為60%時，可提高水分利用效率。李波等[13]通過研究不同滴灌灌水水平對葡萄耗水及生長量的影響，發(fā)現灌水下限為75%所對應的水分利用率最高。賈俊杰等[14]研究了不同滴灌灌水上限對蘋果幼樹的影響，主成分分析發(fā)現，灌水上限為90%時，蘋果幼樹生理指標最佳。

前人針對小麥、番茄等作物進行了大量滴灌灌水研究[15]，對梨、蘋果等果樹也做了部分研究，但蘋果幼樹的研究甚少。為此，本文以蘋果幼樹為試材，設置不同滴灌灌水下限，并與地面灌溉做對比，進而分析蘋果幼樹生理指標的變化，確定最佳灌水下限。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于山西省太谷縣的果樹研究所，年平均氣溫5～10 ℃，年平均降水量480 mm。果園土壤質地為粉砂壤土，容重為1.47 g/cm3，有機質含量和土壤pH 分別為13.6 g/kg 和8.32，土壤中全氮、有效磷、速效鉀含量分別為0.082%、14 mg/kg、120 mg/kg，田間持水率θc為30%[16]。灌溉方式為滴灌，水源為井水。本研究試材是基砧為八角海棠、中間砧為SH6的5 a生晉富1號，株距為2 m，行距為4 m。

試驗于2015年5-10月進行，試驗期間降雨量主要集中于8月和9月，最大降雨量達到95.9 mm，氣溫先升高后降低，在七八月份最高（見圖1）。

圖1 試驗期間降雨量和氣溫示意圖Fig.1 Schematic diagram of rainfall and temperature during the test period

1.2 試驗方案

本研究挑選長勢基本一致且無明顯病蟲害的15 棵蘋果幼樹，于2015年5月至10月進行灌溉。滴灌帶采用雙行毛管平行布置，滴孔設置在冠幅下距果樹主干50 cm 處，滴頭流量1.8 L/h。灌水時間及灌水量通過定期監(jiān)測土壤水分狀態(tài)確定，當在土壤水分達到灌水下限時進行灌溉。

試驗灌水上限為田間持水量，共設置4個滴灌處理和一個對照處理：80%θc（W1）、70%θc（W2）、60%θc（W3）、50%θc（W4）、60%θc（對照CK，地面灌溉），每個處理3個重復。

1.3 測定項目與方法

本研究選取東南西北4 個方向的健康成熟葉片，使用LI-6400XT 便攜式光合儀，選擇天氣晴朗的上午，每7 d 觀測一次，測定蘋果幼樹的氣孔導度、光合速率和蒸騰速率，每片記錄4 次數據；使用1000 型便攜式植物水勢壓力室在07：00，從樹冠外圍4個方向各取一片成熟葉片進行葉片水勢的測定。土壤體積含水率在土壤水分達到灌水下限時，采用TDR 進行測定。

本研究采用MATLAB 2017a 和SPSS 23 進行數據分析，采用Origin 2018繪圖。

2 TOPSIS模型

優(yōu)劣解距離法（TOPSIS）是根據有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序的方法，是在現有的對象中進行相對優(yōu)劣的評價。

設原始評價矩陣X=(xij)m×n，xij為第i個試驗中的第j個指標。

（1）數據標準化。各指標標準化后的值為Y1，Y2，…，Yk.，其中：

（2）加權決策矩陣。

式中：μ為各指標權重，采用熵權法確定。

（3）正理想解與負理想解。

式中：*代表“+”或“-”，下同。

（5）距離貼近度C。

式中：C值越大，綜合評價結果越優(yōu)。

3 結果與分析

3.1 土壤水分調控對蘋果幼樹生理指標的影響

本研究進行土壤水分調控，影響的蘋果幼樹生理指標包括氣孔導度、葉片水勢、光合速率、蒸騰速率和葉片水分利用率，各生理指標的月變化趨勢如圖2所示。

圖2 蘋果幼樹生理指標的月變化趨勢Fig.2 Monthly variation trend of pHysiological indexes of young apple trees

氣孔導度表示氣孔張開的程度，影響著作物的光合和蒸騰，其影響因素包括光照、溫度等[17]。由圖2 可看出，各試驗的氣孔導度月變化趨勢均為先增后減。隨著氣溫的升高，植物通過蒸發(fā)水分把熱量從體內散發(fā)出去，以保持一定的恒溫，氣孔導度逐漸增大，W1 的氣孔導度最大值在9月2日，其余處理在8月5日-8月26日達到最大值；之后氣溫降低，果樹進入成熟期，葉片開始衰老，各試驗處理的氣孔導度大幅度下降。

葉片水勢代表植物從土壤中獲得水分的能力，不僅能描述植物體內水分，而且可表征植物耐旱能力[18-20]，是評價植物水分脅迫的重要指標[21]。由圖2 可看出，各試驗的葉片水勢月變化趨勢均為：明顯下降-逐步升高-小幅下降。隨著氣溫的升高，植株蒸騰加快，地面蒸發(fā)加大，土壤水分減少，且果樹處于幼果期，植株葉片和枝條需水量大，因而6月份相對5月份的葉片水勢下降；之后葉片水勢逐漸升高，在8月份達到最大，究其原因是七八月份氣溫最高、降雨量最大，使得土壤水分充足，果樹雖然進入膨大期，蒸騰較快，但可以滿足植株生長需求；九十月份處于果實膨大期，葉片和枝條幾乎停止生長，果樹自身耗水減少，但由于降雨減少，土壤含水量隨之降低，導致葉片水勢下降。

光合速率是光合作用固定二氧化碳（或產生氧）的速度，其影響因素包括光、溫度、水分、氣孔導度等[22]。由圖2 可看出，各處理的葉片光合速率月變化趨勢均為先增后減。隨著氣溫和太陽輻射的增大，光合速率逐漸升高，W1 的光合速率在9月份達到最大，其余處理在8月份達到最大；9月份的氣孔導度有所下降，太陽輻射亦有所下降，作物的呼吸速率大于光合速率；10月份的太陽輻射下降，光合速率降低。經過對比，W3 在9月份的光合速率低于W1，W3 的5月、6月、7月、8月和10月的光合速率在W1～W4 滴灌處理中均為最高。W3和CK的5-7月光合速率接近，8-10月相差較大。

蒸騰速率是指單位葉面積單位時間蒸騰的水量，受光、溫度、氣孔大小等的影響。由圖2可看出，各試驗的葉片蒸騰速率月變化趨勢均為先增后減。溫度升高，葉片溫度隨之升高，為了降溫散熱，葉片氣孔導度增大，蒸騰速率增大，在8月份達到最大值。九十月份，氣溫逐漸降低，太陽輻射減少，氣孔逐漸關閉，并且果樹進入成熟期，葉片開始衰老，因而蒸騰速率大幅下降。W3 和CK 的月變化趨勢一致，且相差不大。

水分利用率是蒸騰系數的倒數，其影響因素包括光照、溫度、氣孔導度和水勢等。由圖2 可看出，各試驗的葉片WUE月變化趨勢均為先減后增。蒸騰速率和光合速率增幅在試驗前期均較緩慢，8月份光合速率增幅大于蒸騰速率增幅，之后光合速率和蒸騰速率均開始下降，其中光合速率下降緩慢，蒸騰速率降幅較大。因此，5-7月的葉片WUE變化不大，8-10月的葉片WUE逐漸增大。

3.2 蘋果幼樹生理指標的顯著性分析

本研究采用SPSS 軟件對蘋果幼樹各生理指標進行了顯著性分析，結果如表1所示。

表1 蘋果幼樹生理指標的顯著性分析Tab.1 Significance analysis of pHysiological indexes of young apple trees

顯著性結果表明，滴灌條件下，W1 和W4 的葉片氣孔導度、葉片水勢、蒸騰速率差異顯著，W3 和W4 的光合速率差異顯著，各處理的葉片水分利用率無顯著性差異。

灌水下限相同時，W3 和CK 的葉片光合速率差異顯著，二者的其他生理指標無顯著性差異。

3.3 蘋果幼樹生理指標的相關性分析

本研究采用SPSS 軟件對蘋果幼樹各生理指標進行了Pearson分析，結果如表2所示。

表2 蘋果幼樹生理指標的相關性Tab.2 Correlation of pHysiological indexes of apple young trees

相關性結果分析顯示，葉片水分利用率與氣孔導度和葉片水勢均呈負相關，其余指標相互之間呈正相關，其中蒸騰速率與氣孔導度和葉片水勢之間相關性顯著。

3.4 蘋果幼樹生理指標的TOPSIS模型分析

3.4.1 權 重

本文采用熵權法，確定蘋果幼樹各生理指標的權重，如表3所示。

表3 蘋果幼樹生理指標權重值Tab.3 Weight value of pHysiological indexes of young apple trees

由表3可看出，葉片水分利用率的權重最大，其次是葉片氣孔導度、葉片光合速率、葉片水勢、葉片蒸騰速率。

3.4.2 綜合評價結果

本研究通過公式（1）～（6），建立TOPSIS 模型，分析出蘋果幼樹最佳灌水方案，如表4所示。

表4 綜合分析結果Tab.4 Comprehensive analysis results

貼進度C值越大，表明試驗方案越優(yōu)，從表4 排序可看出，蘋果幼樹最佳灌水方案為W3，接下來是W1、CK、W2、W4。主要原因是W3 的光合速率在七八月份顯著高于其他處理，并且其氣孔導度和WUE均很高。

4 結論

通過對不同土壤水分調控下的蘋果幼樹生理指標進行顯著性和月變化趨勢分析，發(fā)現各生理指標的變化規(guī)律如下。

（1）各處理的葉片氣孔導度、葉片光合速率和葉片蒸騰速率月變化趨勢均為先增后減，葉片水勢月變化趨勢均為明顯下降-逐步升高-小幅下降，葉片水分利用率月變化趨勢均為先減后增。

（2）滴灌條件下，灌水下限越高，氣孔導度、葉片水勢和蒸騰速率均隨之增大，越不利于節(jié)水；滴灌葉片光合速率最大的試驗處理為W3，說明輕度干旱脅迫有助于光合速率的提高；滴灌葉片水分利用率最大的試驗處理為W3，即滴灌灌水下限低的葉片水分利用率相對更高。通過顯著性分析發(fā)現，W1 和W4 的葉片氣孔導度、葉片水勢、蒸騰速率差異顯著，W3 和W4 的光合速率差異顯著，各處理的葉片水分利用率無顯著性差異。

（3）灌水下限相同時，滴灌和地面灌溉的氣孔導度和蒸騰速率幾乎相同；地面灌溉較滴灌的葉片水勢總體略高、葉片水分利用率總體略低；幼果期地面灌溉的光合速率略高于滴灌，進入果實膨大期以后，滴灌葉片光合速率顯著高于地面灌溉。顯著性分析發(fā)現，滴灌和地面灌溉的葉片光合速率差異顯著，二者的其他生理指標無顯著性差異。

在對蘋果幼樹進行不同灌水下限土壤水分調控的基礎上，進行TOPSIS 分析，結果表明W3 的貼進度最大，即滴灌條件下，灌水下限為60%θc的試驗處理最有利于蘋果幼樹的生長。