滴灌核桃树茎流变化规律与光合作用的研究

赵付勇，赵经华，马英杰，洪 明，付秋萍

(新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

地处我国西北腹地的新疆，有着独特的气候和自然环境[1,2]，在这样的气候和环境下，对于新疆林果种植的发展非常有利。核桃在新疆是最具特色的传统林果种植树种之一，也是新疆林果树种的典型代表，其种质资源非常丰富。随着“大力发展特色林果业”战略在新疆全疆地贯彻落实，据统计截至2015年年底，全疆内核桃种植面积已达到了30 万hm2。随着改革开放政策不断推进，我国社会经济不断发展和人民生活水平不断提高，人们对饮食的要求也不断提高，对各种食品所含的营养价值有了更高的要求，而核桃本身所具有的营养价值就很多高，所以核桃所具有的营养价值越来越受到了大众的重视和认可，由此核桃的需求量在我国以及国外市场不断地增加，核桃坚果及其所衍生出来的产品的价格也在这几年内不断地攀升[3,4]。对于新疆尤其是南疆地区，已经成为新疆核桃产量的主产区，核桃已成为农村经济社会发展、农民持续增收的支柱产业和主导产业，新疆已成为中国核桃生产的重要主产区之一。

影响核桃生长及产量的因素非常多[5,6]，蒸腾速率与光合作用就是其中2个重要因素。过去的学者多数单独研究植物的茎流关系或是植物的光合特性，如王健、李振、解婷婷、赵自国和周翠鸣等研究了不同植物的茎流特征关系，宋彩玲和郭艺鹏研究了落叶松和骏枣的光合变化特性[7-13]。对于核桃树蒸腾速率与光合作用之间的研究鲜见报道，本文将对核桃树蒸腾速率变化中的核桃树树干茎流速率变化规律与试验区自然环境气象因子和叶片光合作用之间的相互关系进行研究，以期为干旱区核桃生产提供一定的理论依据。

1 试验区概况

试验研究区位于新疆阿克苏地区红旗坡农场新疆农业大学林果试验基地内，距离阿克苏市区13 km，地理位置为东经80°14′，北纬41°16′，海拔1 133 m。试验区位于天山中段的托木尔峰南部边缘，塔里木盆地北面，属于极其典型的温带大陆性气候，多年的平均太阳总辐射量达到567.136 kJ/cm2，多年平均年日照时数有2 911 h，无霜期时间达217 d，多年平均降水量68.4 mm，多年平均气温在11.2 ℃。

提供试验的核桃样树是2008年栽种，果树的种植方向为南北方种植，核桃品种为“温185”，种植的株行距2 m×3 m，种植密度为1 667 株/hm2，平均株高在3.8～4.2 m之间，有着明显的两次生长特性，即两次雄花，雌花先性，在南疆地区在4月上、中旬为核桃开花期，到8月底是果实成熟期。试验时间为2014年3-9月。灌溉方式为滴灌管灌溉，布置形式是：每行树下布置2根滴灌管，即沿树行两侧2/3树冠半径处各布置1根滴灌管，管径为16 mm，滴头间距50 cm，滴头流量3.75 L/h，灌水定额45 mm。

2 试验设计与分析方法

2.1 试验设计

(1)标准样树的选取。在试验田内选取树干直径大小接近，树冠冠幅相近，枝条数量相近的核桃树作为样树。核桃树生育期的划分见表1。

表1 核桃树生育期的划分Tab.1 The divided of walnut tree growth period

(2)茎流速率的测定采用德国Ecomatik公司生产的SF-G液流传感器。

(3)光合参数测定。采用英国PP-Systems公司生产的CIRAS-3便携式光合作用仪测定系统对各植株叶片进行活体测定，叶室面积18 cm×25 cm，开放式气流，自然光源。在样树的朝南测分别取3片叶子进行测定，测定时间从早上9∶30开始，每间隔2 h测1次，21∶30结束。

(4)气象因子的测定。采用小型自动气象站(Watchdog)监测，监测到的项目有：大气温度、太阳辐射、风速、相对湿度及降雨量等气象资料，监测时间设定为每30 min记录一次数据。

2.2 分析方法

试验数据采用Excel及Spss19.0分析[14]。

3 结果与分析

3.1 环境因子对茎流速率变化规律的影响

3.1.1 不同天气条件下茎流速率的变化规律

天气因素是影响作物生长最为重要的因素之一，在大田试验中，不同天气下的茎流速率会呈现出不同的变化规律，通过试验研究分析，得出核桃树在晴天(9月4日)、雨天(9月5日)和多云(8月28日)天气的条件下茎流变化规律(见图1)。

图1 不同天气条件下的核桃茎流速率变化规律Fig.1 Walnut stem flow rate variation under different weather conditions

由图1中茎流速率变化曲线可以看出，不同天气条件下，茎流速率都是从早上9∶00左右开始呈缓慢增长的趋势，晚上22∶30左右降至全天中的最小值，最后趋于极低茎流速率状态。由变化的规律分析得出，茎流速率上升与下降是与太阳的照射变化而变化。

在晴天(9月4日)条件下，茎流速率日变化呈双峰曲线。由早晨9∶00前后茎流速率开始变大，至13∶30前后达到日变化中第一个峰值0.287 mL/(cm2·min)。由于大气温度达到一定值时，叶片气孔部分关闭[15,16]，所以第一峰值后茎流速率有降低的趋势。16∶00以后，气温降低，部分叶片气孔打开，茎流速率回升达到第二个峰值。之后，太阳辐射量降低，气温下降，茎流速率快速减小。而在降雨的条件下，茎流速率日变化平均值[0.078 mL/(cm2·min)]则远小于晴朗天气条件下的茎流速率平均值[0.123 mL/(cm2·min)]和多云天气条件下茎流速率平均值[0.101 mL/(cm2·min)]，分析出产生这种规律的原因是：降雨条件下大气温度和太阳辐射低和叶面湿度大，影响光合作用，导致树干吸收水分速度降低；而在多云的条件时，茎流速率日变化图呈现的是多峰曲线，分析出产生这种规律的原因是：由于阳光间断性的照射核桃树叶片，使叶片接收到的阳光的辐射处于间断性的。

3.1.2 气象因子对核桃树茎流速率日变化的影响

植物茎流速率日变化规律的重要影响因素之一就包括气象因子[17,18]。分析气象因子对茎流速率变化的影响，要考虑到气象因子本身就包括多方面多角度，所以要从多项气象因子来分析对茎流速率变化的影响，分析气象因子影响茎流速率变化的综合效应。在相同的灌水处理条件下，分析了茎流速率日变化与气象因子(包括大气相对湿度、大气温度、太阳辐射等)的关系，具体见图2。

图2 9月4日茎流速率与太阳辐射、大气温度、大气相对湿度关系Fig.2 Day sap flow velocity and solar radiation, air temperature, atmosphericrelative humidity relations

由图2可以看出，茎流速率日变化曲线与太阳辐射日变化曲线变化趋势一致，呈正相关关系，与大气温度有较好的相关性。在13∶00-17∶00这段时间中，太阳辐射量和大气温度在上升反而茎流速率在下降，这是由于作物为了在高温条件下保持水分、减少水分流失，关闭了部分气孔[16,19,20]。之后随着大气温度的下降，叶片气孔打开，并于17∶00左右茎流速率上升到日变化中第二个峰值，随着太阳辐射量变小和大气温度值下降，茎流速率也随着在降低。从茎流速率与大气相对湿度的关系图中分析得到，早上和晚间时间段内气温较低时，太阳辐射量为零，大气相对湿度相对最高时，而此时的茎流速率是一天中的最小值，14∶00～16∶00时间段内大气相对湿度处于一天中的最低值，茎流速率日变化是一天中的最高值，从规律的变化分析得到茎流速率的变化规律与大气相对湿度呈负相关。

3.1.3 气象因子对核桃树茎流速率日变化的相关性分析

较多学者研究茎流速率与气象因子之间的关系，得出影响茎流速率变化最大的气象因子是太阳辐射、大气温度和大气相对湿度[21-22]。本研究通过分析对比出对茎流速率影响最大的气象因子也是太阳辐射(X1)、大气温度(X2)、大气相对湿度(X3)，通过核桃树茎流速率分别与气象因子(太阳辐射、大气温度、大气相对湿度)的日间变化进行了回归分析，结果见表2。

表2 核桃树茎流速率与气象因子的回归分析Tab.2 Walnut tree sap flow velocity andmeteorological factors regression analysis

注：P<0.01 水平(双侧)上显著相关。

由表2表明，3种气象因子分别都对核桃树茎流速率有较高的相关性，太阳辐射在这3种气象因子中对核桃树茎流速率影响是最大，其次是大气相对湿度和大气温度。在0.01水平(双侧)的界限上3种气象因子都是显著相关，分析表明其相关性较好。大气相对湿度系数为负数(-0.003 7)，得到是大气相对湿度对茎流速率是负相关。

由于自然气象因子不是单独影响核桃树茎流速率的，为了更贴近实际，分析茎流速率与气象因子之间的关系，通过对同一时间测定到的太阳辐射、大气温度和大气相对湿度与核桃茎流速率进行综合回归线性模拟分析，得出太阳辐射(X1)、大气温度(X2)和与大气相对湿度(X3)与核桃茎流速率之间的回归方程：

f=0.062 7+0.000 2X1+0.003 2X2-0.000 6X3

(R=0.94，F=223.68，P<0.01)

(1)

相关系数R=0.94，说明方程具有显著性意义，表明了太阳辐射(X1)、大气温度(X2)和大气相对湿度(X3)对该地区的核桃树的茎流速率影响较大，是该地区核桃茎流速率日变化的主要影响因子，鉴于其具有极其高的相关性，由此可以用气象因子对试验作物茎流速率的日变化值进行预测。

3.2 核桃树茎流速率日变化与光合参数的关系

3.2.1 核桃树茎流速率日变化与光合参数变化规律

对滴灌下的核桃树茎流速率日变化与实时测到的太阳辐射(PAR)、大气相对湿度(RH)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、叶片温度(Tleaf)等参数进行对比分析(见图2、3)。

由图2和图3看出光合参数中净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、叶片温度(Tleaf)变化曲线与茎流速率的日变化曲线趋势相同。在图3中，净光合速率、蒸腾速率度与茎流速率都是同增同减，在中午13∶00左右茎流速率达到全天第一次峰值时，净光合速率[14.12 μmol/(m·s)]、蒸腾速率[2.91 mmol/(m2·s)]也达到了日变化峰值。对比图3(a、b)看出净光合速率与蒸腾速率曲线图，发现两者的曲线变化规律是一致的，表明两者有极高的相关关系；由图3(c)中看出13∶30之后，叶片温度还在持续上涨，而茎流速率已开始下降。图2是大气相对湿度变化图，变化曲线属于“U”型，与茎流速率呈负相关的关系，早晚的大气相对湿度大，到了中午时段变小，由图2看出大气相对湿度在13∶30时处于最低值，茎流速率则处于一天当中的最大值，当大气相对湿度增大时，茎流速率反而减小，两者就是处于逆向走势。

3.2.2 核桃树茎流速率日变化与光合参数回归分析

核桃树茎流速率的变化规律与植物光合参数有非常密切的关系，同时植物光合参数也受外界环境因子和自身内在生理因子的影响[23-25]。为阐明核桃树茎流速率与光合参数的紧密关系，本文通过分析各光合参数与茎流速率以及参数之间的相关性，得出茎流速率与光合参数之间的相关程度(见表4)。

图3 9月4日茎流速率与光和参数Pn、Tr、Tleaf的关系图Fig.3 Sept. 4 stem flow rate and light parameters Pn, Tr, Tleaf relationship diagram

光合参数茎流速率f净光合速率Pn蒸腾速率Tr气孔导度Gs叶面温度Tleaf水分利用效率WUE大气相对湿度RH细胞间CO2浓度Cif1**0.76*0.80*0.98**0.97**0.85**-0.89**-0.95**Pn1**0.560.750.610.89**-0.53-0.82*Tr1**0.750.82*0.45-0.61-0.66Gs1**0.97**0.86*-0.90**-0.95**Tleaf1**0.76*-0.94**-0.91**WUE1**-0.79*-0.95**RH1**0.92**Ci1**

注：*. 在 0.05 水平(双侧)上显著相关，**. 在 0.01 水平(双侧)上显著相关。

在表4中，茎流速率与光和参数Pn、Tr、Gs、Tleaf、WUE、RH、Ci的相关性较高，茎流速率与Gs、Tleaf、WUE呈极显著正相关，相关系数分别为0.98、0.97、0.85，与RH、Ci相关性为极显著负相关，相关系数为-0.89、-0.95，与Pn、Tr则是显著性相关，相关系数是0.76、0.80。在光和参数之间，Pn与WUE之间具有极显著性正相关，相关系数达0.89，Pn与Ci则呈显著性负相关，显著性则是-0.82，Tr与Tleaf则是显著性相关，相关系数为0.82，Gs与Tleaf、RH、Ci有极显著相关性，显著性都高于了0.90，WUE与Ci则呈现的是极显著负相关，两者之间的相关性为0.95。

4 结 论

(1)滴灌核桃树茎流速率日变化在晴天的条件下呈双峰曲线，峰值出现在13∶30与17∶30左右，多云天条件下核桃茎流速率日变化表现为多峰曲线，雨天条件下的茎流速率都较低。通过比较日均茎流速率变化规律得出降雨条件下茎流速率日变化平均值[0.078 mL/(cm2·min)]远低于晴天条件的茎流速率平均值[0.123 mL/(cm2·min)]和多云天气条件的茎流速率平均值[0.101 mL/(cm2·min)]。

(2)滴灌核桃树茎流速率与太阳辐射、大气温度呈显著性正相关关系，与大气相对湿度呈负相关关系。结果表明，对核桃树茎流速率影响最大气象因子是太阳辐射，其次是大气温度和大气相对湿度。

(3)滴灌核桃树茎流速率与光合参数Pn、Tr、Gs、Tleaf、WUE、RH、Ci关系密切，其中Pn、Tr、Tleaf、变化曲线为抛物线型，RH变化曲线呈“U”型；通过茎流速率与与光和参数的相关分析，得出了茎流速率与Gs、Tleaf、WUE呈极显著性正相关，与RH、Ci呈极显著性负相关，与Pn、Tr显著性相关，并且看得到的是光和参数之间也有着较大的相关性。

通过研究核桃茎流速率对其相关的气象因子和光合参数的分析。由于晴天温度较高，阴天、雨天温度相对较低，从而对核桃蒸腾量的影响程度不同，我们可以通过观测近一段天气的气象数据变化来推算下一次滴灌核桃的灌水日期以及灌水量。将对下一步地研究提供一定理论依据。

□

致谢：在试验过程中得到了新疆自治区科技重大专项、国家科技支撑计划项目的资金支持，试验过程中，阿克苏地区农业局的技术人员及当地农户提供了技术指导，在此表示感谢。

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