南疆滴灌枣树不同覆盖条件下地温与叶片光合特性研究

郭丹丹 ，马英杰，马 亮

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

【研究意义】枣树滴灌是一种新型的节水灌溉措施，在南疆地区发展迅速，已经成为当地解决枣树缺水，发展优质高效农业的重要技术之一[1]。【前人研究进展】地表覆盖是一项有效的土壤管理调控技术，具有控温、储水保墒、抑制杂草生长、减轻土壤盐碱化、改善微生物活性等生态功能[2-3]，以影响作物耗水、产量、品质[4]。覆盖作为干旱半干旱区一项有效保墒抗旱栽培方式，尤其地膜覆盖已在大田作物上广泛应用，这主要是地膜价格低，能有效的改善土壤水热状况、提高水分利用效率和光合产物[5-6]，增产效果十分明显[7-9]。多数研究认为秸秆覆盖能够降低土壤温度[10-11]，对提高土壤孔隙度、减缓土壤有机质和速效钾含量下降速率、促进作物生长和提高产量具有很好的效果[2]。大田覆盖对光辐射吸收转化和热量传导均有显著影响。土壤温度是土壤热状况的综合表征指标，是决定作物生育进程的重要因素，对土壤生物活性、储水能力起决定作用[12]。光合作用是植物重要的生理过程，直接影响果实发育与最终产量[13]。【本研究切入点】目前覆盖方式多用于棉花、玉米、番茄等一年生作物[14]，对于果树研究较少，且国内对土壤温度的研究多采用直插式曲管地温计[15]，人为选定时间测定，缺少连续性和系统性[16]。【拟解决的关键问题】本文以探讨不同材料的覆盖条件的地温与光合特征，其中光合着重研究净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)，为干旱区枣树高效栽培管理提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在新疆阿克苏地区红旗坡农场新疆农业大学林果实验基地(80°14′E，41°16′N)，该地区属于典型的大陆性温带干旱沙漠气候，海拔1133 m。根据实验站内气象站测得2014-2017年5-10月间平均降雨量为80.25 mm，平均地表太阳辐射量为197.96 MJ/(m2·d)，平均温度达19.41 ℃。土壤为砂壤土，0～100 cm土层平均土壤容重为1.39 g/cm3，平均田间持水率为28 %(体积含水率)，凋萎含水率为6 %(体积含水率)。试验时间为2017年枣树全生育期(4月17日-10月27日)。供试枣树品种为灰枣，2013年嫁接。树体平均株高为153.5 cm，距地面10 cm处平均径粗为43.6 mm。

1.2 实验设计

试验共设有3个处理，分别为地膜覆盖(PM)，地膜选取幅宽120 cm、厚度0.008 mm的高强度地膜；秸秆覆盖(SM)，铺设宽度为120 cm，捆绑紧实，厚度约为3 cm：以及不作覆盖的无覆盖(CK)对照处理。每个处理3个重复。根据试验地气象站测得数据计算参考作物蒸发蒸腾量(ET0)与红枣作物系数[17]确定枣树腾发量(ET)指导灌溉，采用定周期滴灌方式(每隔7 d，可调节)，灌溉方式为滴灌，采取一行双管布设在枣树两侧30 cm处，其余农田管理方式与当地枣树管理相符。

1.3 测定项目及方法

气象测定：试验站内设有小型自动气象站，自动监测大气温度、相对湿度、地表太阳辐射、2m处风速、降雨量等气象数据，测定时间间隔为30 min。

地温测定：选取地膜覆盖(PM)、秸秆覆盖(SM)、无覆盖(CK)3个处理中树形较为相似的树体为代表，在枣树的南面滴灌带下布设地埋式地温计，布设深度为5、10、20、30 cm，设置测定时间间隔为30 min。

光合特性测定：采用便携式光合仪(CIRAS-III)对各植株叶片进行活体测定。叶室面积为18 mm×25 mm，开放式气流，每次根据测定时间段内的自然光源辐射值设定LED值提供光源.在作物两次灌水之间选择晴天进行光合日变化观测，每次测定前，选取各处理生长位置相对一致(枣树树冠外围中上部枝条上从顶端数第6～8片)、生长状况良好的3片健康成熟叶片，用标签纸进行标记，作为连续定点监测对象，每片叶片测定3次，取平均值作为最终测定结果。测定时间为上午10:00至下午20:00，每隔两小时测定一次，每个生育期测定一次光合日变化。本文选取的测定的主要参数包括净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖条件下5 cm处地温日动态变化

选取5 cm处土壤温度作为表层土壤温度，观测不同覆盖条件下枣树各生育阶段晴天表层土壤温度日动态变化过程与大气温度响应特征。由于幼果期生育阶段间隔时间短，且此阶段日动态变化过程与果实膨大期相近，将不再赘述。由图1可看出，在枣树各生育阶段，不同覆盖条件下农田5 cm处土壤温度随大气温度的日变化均近似呈正弦函数变化，且随着生育期的推进，地温日变幅逐渐降低，各生育期下5 cm处土壤日变幅顺序基本为： PM>CK>SM。

Ⅰ为枣树萌芽展叶期，Ⅱ为枣树花期，Ⅳ为枣树果实膨大期，Ⅴ阶段为枣树成熟期；PM为地膜覆盖处理，SM为秸秆覆盖处理，CK为无覆盖对照，Ta为大气温度，下同图1 枣树不同覆盖条件下各土层地温日动态变化Fig.1 The daily dynamic change of the temperature of soil planted jujube under different mulching conditions

相对大气温度(Ta)，土壤温度变化曲线较平滑。

在枣树Ⅰ阶段萌芽展叶期(晴天5月10日),不同覆盖条件下，地温差异明显。PM处理的土壤温度日动态变化起伏最大且温度最高，主要是由于地膜的不透气、不透水性，抑制了土壤与外界潜热交换和显热交换[18]；SM处理土壤温度日动态变化起伏最小且温度最低。大气温度最低温与最高温分别出现在6:30与16:30，PM、SM、CK覆盖下5 cm处土壤温度最低温分别出现在9:00、10:00、8:30，较大气最低温度分别高5.26、5.56、3.41 ℃；而土壤最高温度出现在19:00、20:00、18:30，其中地膜处理比大气最高温度高8.37 ℃，SM处理、CK比大气最高温度低9.39、3.52 ℃，整体来看仅有PM处理有增温作用，表明不同覆盖条件下土壤最高温度的差异大于最低温度的差异。

Ⅱ阶段花期(晴天6月12日)土壤最高温与最低温均是PM处理最高，变化幅度排序仍为PM> CK> SM。相对于枣树萌芽展叶期，PM处理日动态变化幅度减小，最高温与最低温相差13.73 ℃，相比5月10日减小8.24 ℃。此时期，SM处理与CK日均温度差异性较小且都小于大气温度，白天SM处理的最高温低于CK，具有降温作用，主要原因一是SM处理对太阳辐射的反射率比CK农田高，主要是SM使得一部分太阳辐射被反射到大气中：二是秸秆吸收太阳辐射后，由于其导热率较小，使得热量不易向地表传递。夜间SM处理的温度高于CK，其主要原因是秸秆覆盖层阻挡了地面的长波辐射，减少了土壤热量的散失，土壤热能的释放缓慢，有效地阻碍了地温的降低。秸秆覆盖的农田，因其辐射能力和导热能力的变化，发生近地气层的潜热交换和先热交换均减少，导致土壤温差较CK的小，而在白天高温时，可有效降低温度，从零点到次日12点左右起到了较好的保温作用。

Ⅳ阶段果实膨大期(晴天8月6日)各处理的变化规律与花期相近，PM处理依旧升温作用明显，SM处理在此生育期也有升温作用。Ⅴ阶段枣树成熟期(晴天10月2日)，PM处理与CK、SM处理的温度差异最小，PM处理条件下5 cm处土壤温度最高温度大幅下降，与CK、SM处理差值为2.54、7.04 ℃，最低温差值为2.74、-0.85 ℃。SM处理最高温度与枣树萌芽展叶期相近，均在近20 ℃。此生育阶段，仅有SM处理5 cm处土壤最高温度低于大气最高温度，降温2.4 ℃。各处理的土壤最低温度均高于大气温度，SM处理的最低温度是各处理中最高，为15.39 ℃，高于PM处理、CK处理0.85、3.59 ℃。

2.2 不同覆盖条件下5～30 cm地温动态变化

2.2.1 不同覆盖条件下5～30 cm地温全生育期动态变化 图2表示田间枣树不同覆盖条件下土壤深度5、10、20、30 cm处温度以及大气温度在各生育阶段变化特征。各土层土壤温度与大气温度均表现为先增大后减小的变化趋势；在枣树的整个生育阶段，PM处理均有升温作用，且各土层土壤温度均为各处理最高，在萌芽展叶期、花期、幼果期、果实膨大期、成熟期5 cm处地温较CK分别提高4.87、5.79、6.55、5.03、2.84 ℃；各土层土壤温度基本表现为随土壤深度增加依次降低，5～20 cm处土层地温较CK地温提高4 ℃以上；在成熟期各土层土壤温度差异最小，5～20 cm处土层地温较CK地温提高2.6 ℃；SM处理与CK的地温整体较为接近，5 cm处土壤温度各生育期差值依次为-1.39、-0.85、-1.07、-0.10、0.50 ℃，SM处理仅在成熟期有升温作用，在萌芽展叶期、花期、幼果期均有降温作用；在萌芽展叶期、花期的土壤温度随着深度增加依次降低，在幼果期、果实膨大期各土层土壤日均温度较为接近；成熟期20、30 cm处土壤温度高于10、20 cm；CK各土层土壤温度在成熟期随土壤深度增加而增加，其余生育阶段各土层土壤温度基本表现为随深度递减的趋势，这主要是由于枣树成熟期在9、10月份，此时大气温度急剧下降，表层土壤温度及时响应，温度下降最大。

2.2.2 不同覆盖条件下5～30 cm地温日变幅及对气温响应 土壤温度变化是土壤随着太阳辐射和大气温度的变化而吸收或释放能量的过程。由表1可明显看出各处理土壤温度日变幅依次表现为PM>CK>SM，各土层温度日变幅依次表现为5 cm>10 cm>20 cm>30 cm。枣树PM处理、SM处理条件下地温在萌芽展叶期日变幅最大，5 cm处地温日变幅为10.48～24.65、2.34～14.89 ℃。PM处理、SM处理在花期、幼果期、果实膨大期、成熟期的地温日变幅相近，PM处理最低温在4.89～5.67 ℃，最高温在17.39～22.45 ℃变化，SM处理的最低温在1.46～2.37 ℃，最高温在5.06～5.99 ℃变化。在枣树生育末期成熟期各处理30 cm处土壤温度变化幅度均较小，PM处理比CK的日变幅小，枣树不同覆盖条件下各处理对大气温度变化响应的相关性依次表现为：CK>PM>SM，各层土壤温度对大气温度变化响应的相关性依次表现为5 cm>10 cm>20 cm>30 cm，20 cm处土壤温度对大气温的相应系数已降低至0.3以下。随着土壤深度的增加，土壤温度存在时滞效应，最高温依次推后，其波动受太阳辐射的影响逐渐减小，变化幅度逐渐减小。可见在枣树生育前期，各处理的地温日变幅均较大，后期变幅逐渐减小，SM处理能够降低昼夜温差，缩小土壤温度日变化幅度。

图2 枣树全生育期不同覆盖条件下各土层土壤温度与大气温度动态变化Fig.2 The daily dynamic change of the temperature of air and soil planted jujube in whole growth period under different mulching conditions

2.3 不同覆盖条件下枣树光合特性

净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)是评价光合作用最重要的3个指标，是衡量枣树潜在生产力的重要因素，体现了植物有机物的积累量[20]。由于幼果期间隔时间较短，将幼果期与果实膨大期合并分析，而成熟期叶片萎缩发黄，无监测光合数据。本文仅选取枣树Ⅰ阶段(萌芽展叶期)、Ⅱ阶段(花期)、Ⅳ阶段(果实膨大期)进行光合特性测定，测定时间均为各生育阶段末期。

枣树第Ⅰ生育阶段萌芽展叶期选取日期为晴天5月15日，灌水后第3天。由图3可以看出。Pn、Tr均基本呈现先增大后减小的单峰变化趋势，整体表现为PM>SM>CK，SM与CK对照的Pn差异较小，日均Pn较CK仅高1.27 μmol·m-2·s-1。PM处理的Pn在中午14：00达到峰值，为23.07 μmol·m-2·s-1，SM与CK的Pn在12:00达到峰值，分别为15.27、13.13 μmol·m-2·s-1。3个处理Pn的最小值均为20:00所测量数据。各处理枣树Tr均在14:00达到峰值，PM、SM、CK处理的Tr分别为11.05、8.21、6.32 mmol·m-2·s-1。PM的Tr在各处理中最高，14：00与CK处理的差距最大，为2.84 mmol·m-2·s-1，16：00与CK的差距最大，为4.93 mmol·m-2·s-1。各处理枣树叶片瞬时WUE均在早上10:00最大，随着光强、温度等环境因子的提升，叶片WUE在10：00-12:00急剧下降，随后逐渐缓慢下降，PM与SM处理在16:00-18:00又出现了上升，但并没有持续上升，随后又缓慢下降。3个处理的日均WUE差异较小，PM、SM、CK处理的日均WUE分别为2.07、1.93、2.07 μmol·mmol-1，SM处理在萌芽期相比CK对照组降低了WUE。

表1 枣树各生育期土壤温度日变幅及对气温变化响应的相关系数

注：Ⅰ为枣树萌芽展叶期，Ⅱ为枣树花期，Ⅲ为枣树幼果期，Ⅳ为枣树果实膨大期，Ⅴ为枣树成熟期；PM为地膜覆盖处理，SM为敢覆盖处理，CK为无覆盖对照，Ta为大气温度。

图3 枣树不同覆盖条件下光和特性日变化特征Fig.3 The daily change of the photosynthetic characteristics of jujube under different mulching conditions

枣树第Ⅱ生育阶段花期选取日期为晴天7月9日，灌水后第3天。各处理Pn变化规律基本一致，均呈双峰曲线变化，第1个峰值出现在12:00，在10:00-12:00各处理枣树Pn差异较小，第2个峰值在16:00，各处理枣树均有明显的光合午休现象。Pn日均值大小依次为PM>CK>SM。Tr第1个峰值在12:00，PM、SM、CK分别达到9.63、9.36、8.81 mmol·m-2·s-1，在10:00-12:00各处理枣树Tr值急剧上升，14：00前各处理Tr差异均较小，PM条件下Tr略大，16:00-20:00各处理Tr差异增大，但整体变化趋势保持一致。各处理枣树花期的WUE在10:00-12:00急剧下降，最高值在早上10:00，在14:00-16:00有所上升，WUE日均值最高的是PM处理，为1.65 μmol·mmol-1，WUE日均值最低的是SM处理，为1.39 μmol·mmol-1。SM处理在萌芽期相比CK对照组WUE降低了15.5 %。

枣树第Ⅳ生育阶段果实膨大期选取日期为晴天9月13日，降雨后第2天。由图可以看出各处理Pn依旧呈双峰曲线变化，PM、SM处理各时刻Pn值均高于对照处理CK，PM处理明显高于其他2个处理。各处理均在14：00达第1个峰值，PM、SM处理在18:00达第2个峰值。各处理的Tr值均呈现先加速上升后缓慢下降的趋势，各处理均在14:00达到峰值，分别为8.22、6.25、5.01 mmol·m-2·s-1。PM处理各时刻WUE值明显高于其他2个处理，PM处理在10:00-16:00下降速率较一致，而SM与CK处理WUE在12:00-14:00有所上升。PM、SM、CK处理的WUE日均值分别为1.83、1.22、1.21 μmol·mmol-1，SM与CK相差0.01 μmol·mmol-1，PM处理较CK对照WUE提高了50.7 %。

3 讨论与结论

3.1 不同覆盖条件对枣树地温的影响

众多研究表明，地膜覆盖可以改善土壤水热条件，马树庆[20]等研究表明地膜覆盖显著提高了玉米土壤温度，与无覆盖相比，有效将玉米生育期提前；前人[21]研究表明，地膜覆盖在作物生长前期的低温季节增温作用较明显，20 cm土层以上土壤温度较无覆盖高3～5 ℃，而在作物生长后期的高温季节，地膜覆盖对土壤温度的影响不大，这与本文研究结果有所不同，这主要是由于本实验作物为果树类。本文枣树地膜覆盖(PM)处理萌芽开花期、花期、幼果期、果实膨大期、成熟期阶段5 cm处日均地温较无覆盖对照分别提高28.8 %、26.0 %、29.3 %、23.5 %、18.9 %，随着土壤深度增加，地膜覆盖(PM)与无覆盖(CK)对照日均地温温差越来越小，结合5、10、20 cm处土壤温度，地膜覆盖(PM)与无覆盖(CK)在各生育期的温差分别为4.07、5.26、6.31、4.65、2.6 ℃，表明地膜覆盖(PM)在枣树全生育期增温效果均较明显，尤其萌芽展叶期、花期、幼果期、果实膨大期较无覆盖地温提高4 ℃以上。秸秆覆盖在协调地温、提高土壤含水量方面作用显著，但也有因地温降低造成减产的报道[22]。但从日均温度分析，秸秆覆盖(SM)处理5～20 cm土层地温与无覆盖在各生育期的温差分别为-1.40、-1.01、-0.73、-0.25、0.29 ℃，秸秆覆盖(SM)与无覆盖(CK)相差较小，除成熟期有升温作用，其他生育期均表现为降温作用，相比之下，秸秆覆盖(SM)在生育前期降温较明显，随着生育期推移逐渐减弱，而枣树生育前期外界温度较低，这不利于枣树前期生育发展，这与卢星航研究结果类似[23]，生育期滞后，在果实发育期与成熟期秸秆覆盖与无覆盖对照地温差异较小，秸秆覆盖调节地温效果不明显。

5 cm处表层土壤温度日变幅依次表现为地膜覆盖(PM)>无覆盖(CK)>秸秆覆盖(SM)，地膜覆盖(PM)有明显升温作用，而秸秆覆盖(SM)较其他处理降低了昼夜温差，各处理土层温度日变幅依次表现为5 cm>10 cm>20 cm>30 cm，这与程宏波[24]研究春小麦不同覆盖措施的温度效应结果类似。枣树地膜覆盖(PM)、秸秆覆盖(SM)、无覆盖(CK)5 cm处土壤温度对大气温度变化响应的相关系数分别为0.718**、0.548**、0.789**，从调节枣树地温日变幅角度来看，秸秆覆盖土壤温度日动态变化起伏最小且温度最低，这主要是由于秸秆覆盖可吸收太阳辐射，抑制了太阳辐射直接照射到地表，且秸秆导热率较小，向地表传递热量的速度变慢，造成秸秆覆盖条件地温总体较低[25]。需在来年的中考虑土壤根系、果实产量、土壤微生物量等指标，以求不同覆盖条件对枣树的经济和生态效益。

3.2 不同覆盖条件对枣树光合特性的影响

本研究选取枣树萌芽展叶期、花期、果实膨大期测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)，具体表现为萌芽展叶期的Pn、Tr均基本呈现先增大后减小的单峰变化趋势，且Pn、Tr、WUE均为地膜覆盖(PM)>无覆盖(CK)>秸秆覆盖(SM)，秸秆覆盖(SM)处理在萌芽期相比无覆盖(CK)对照降低了日均WUE，仅为1.39 μmol·mmol-1。在枣树花期与果实膨大期Pn、Tr均出现明显的光午休现象，这与王真真[26]与王文明[27]等研究结果相同，花期光午休时间为14:00，果实膨大期为16:00，这主要受温度光强影响，气孔导度、CO2浓度迅速降低导致部分气孔关闭，WUE均表现为逐渐下降的趋势，这与魏瑞峰[28]的研究结果相同。地膜覆盖(PM)的花期日均WUE相对无覆盖(CK)有略微提高，果实膨大期日均WUE提高0.61 μmol·mmol-1。秸秆覆盖(SM)处理在花期相比无覆盖(CK)对照日均WUE降低了15.5 %，仅为1.93 μmol·mmol-1，果实膨大期无明显差异。仅从光合参数分析无疑地膜覆盖是最具有光合能力优势的处理，显著提高了WUE、Tr，为积累更多干物质量提供基础。应在来年中结合实际作物产量、生长量进一步比较各处理间的差异。