柑橘树与枇杷树蒸腾规律比较研究

严东英，董晓华，李 璐，赵 乔，葛 亮，洪江新

(1. 三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2. 水资源安全保障湖北省协同创新中心，武汉 430072；3. 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081；4. 宜昌晟泰水电实业有限责任公司，湖北 宜昌 444200)

0 引 言

蒸腾作用是植物通过叶片将体内的水分以水蒸气的形式蒸散到大气中的过程，是植物耗水的主要方式。据研究发现植被新陈代谢过程中所需水分不足5%，而蒸腾耗水量占整个植株耗水量的90%以上，树木99%以上的液流用于植物的蒸腾[1]，所以通常用液流量直接反映树木的蒸腾耗水能力。蒸腾作用是土壤-植物-大气连续体系统的重要组成部分，直接影响着生态系统的水热平衡[2]，它也是一种复杂的、维持植物生长发育的重要的生理过程。因此长期以来，植物蒸腾问题受到了水文学、气象学、自然地理土壤学、农学、林学等多个学科领域的共同关注。

植物蒸腾作为水文循环中的重要一环，研究植物的蒸腾规律对于认识水文循环过程、了解植物蒸腾与气象环境的关系具有重要的意义。同时植物蒸腾是水资源配置中的重要组成部分，测量植株蒸腾量的大小对于水资源合理配置具有重要的指导作用[3]。在我国，诸多学者对砂岩区[4]、水蚀风蚀复合区[5]、城市森林建设区[6]等不同树种的蒸腾规律进行了研究，发现不同树种蒸腾耗水的变化特征、蒸腾量的大小差异，为该地区树种的栽培管理及水资源合理利用提供支持。蒸腾作用不仅受植物体本身的调节和控制，很大程度上还受外界环境因子的影响[7-9]。张西平等[10]采用相关分析法研究了黄瓜植物蒸腾量与气象因子的关系，发现在日光温室膜下，日最高温度和日平均相对湿度与蒸腾量存在线性关系；赵宏瑾等[11]对榆树蒸腾速率日变化及影响因子进行了分析，结果发现影响榆树蒸腾速率的主要影响因子为大气温度和光合有效辐射。同时气象因子不同，作物生长也存在差异[12]。沈陈华等对气象因子影响水稻[13]、玉米[14]、苹果[15]等植株产量及质量的研究，为植株选择适宜的种植环境提供依据，以此使作物达到高质高产的目的。

本文研究对象柑橘树[16]和枇杷树[17]均是四季常绿小乔木，是湖北省宜昌市的重要经济作物，也是两种广泛种植的绿化植物。对于柑橘树，董晓华等[2]研究了光照强度和二氧化碳浓度对柑橘树蒸腾规律的影响，通过人工气候室控制实验过程中光照强度和二氧化碳浓度，发现了柑橘树蒸腾速率随二氧化碳浓度的升高先增加后降低，随光照强度的增加而升高；李璐等[18]观测了柑橘树的日蒸腾规律，根据气象因子和叶面积指数，对Penman-Monteith模型[19]进行修正，用修正后的模型模拟了柑橘树的蒸腾过程，发现具有较高的准确性。对于枇杷树，仅有为促进果树生长发育，提高果实产量和品质，采取的适宜灌溉方式[20]、合理的灌水量[21]、适时适量施肥等一些技术措施的研究，尚无对其蒸腾规律以及气象因子对其蒸腾规律影响的研究分析。

因此本研究采用包裹式茎流计法[22]，对盆栽单株柑橘树与枇杷树的蒸腾过程进行了测定，利用气象仪对其气象因子进行采集，以研究柑橘树与枇杷树的蒸腾耗水规律，比较两种植株的蒸腾速率差异，分析蒸腾与植株个体、气象因子的关系，以深入理解不同植物的蒸腾规律，并为提高灌溉用水效率提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及试验材料

本试验于2017年8月17日-2017年8月19日在湖北省宜昌市三峡大学水文与水资源实验室室外实验场进行，地理位置111°19′E、30°42′N，海拔高度是79.90 m。试验区属亚热带季风性湿润气候，春秋较长，雨水丰沛且多在夏季，无霜期较长。多年平均降水量1 215.60 mm，平均气温16.90 ℃。

本试验柑橘树取自宜昌市秭归县茅坪镇柑橘园，试验枇杷树取自宜昌本地。两种植株自身具体特征值见表1。

表1 柑橘树与枇杷树形态特征值Tab.1 Morphological characteristic values of citrus trees and loquat trees

1.2 茎流计测茎流的方法

包裹式茎流计是测量茎流的一种技术[23]，通过茎流计测量得知植物蒸腾量。其测量原理是基于能量平衡原理，传感器测量茎秆内液流携带热量的变化，并将之转换为植株实时的蒸腾速率[24]。传感器一般将植物加温1～5 ℃，对植物非侵入，无伤害。

茎流计测量植物蒸腾速率的基本原理是，当茎流计的热源以恒定的功率Pin(单位：W)作用于茎秆后，在不考虑茎秆本身热容量的情况下，液流所携带的能量被分解为4个部分：①随水流上升向上传输的能量Qf(单位：W)；②与垂直方向向上部分及下部分的水流发生热交换的能量(单位：W)；③以辐射形式向四周散热的能量Qr(单位：W)；④茎秆内存储的能量W(单位：W)。根据茎流中热源传输的速率以及与径向、横向的热交换程度，运用热平衡原理进行计算求得茎秆的水流通量，即植株的蒸腾速率。上述能量平衡方程[25,26]如公式(1)所示：

Pin=Qf+Qv+Qr+Qs

(1)

测定植物蒸腾量的方法主要有称重式蒸渗仪法、水量平衡法、能量波文比法等，但它们只是计算植物的总蒸散量，无法将植物蒸腾与土壤的蒸发分开。而茎流计则是可以通过加热植物茎秆来测量液流速率，进而计算植物蒸腾量的一种仪器，该方法的2个显著的特点是不需要标定、不需要将温度传感器插入茎秆中便可直接测量。

1.3 试验预处理

试验前选择健康、枝叶茂盛的植株进行维护。试验前18 h，将两种盆栽植株充分灌溉，保证试验开始时盆栽土壤已达到充分供水的状态。同时在盆栽土壤表面及其盆底用一层保鲜膜全部覆盖，防止水分从盆地和土壤表面散发。

检查包裹传感器与茎秆包裹处是否贴合，去除小的枝叶和萌芽后，对茎秆打磨处理，清理茎秆后涂抹植物油，预防不定根生成。安装茎流计传感器时，包裹内部尤其是加热片和热电偶丝上，均匀涂抹G4 复合物，以防止传感器热电金属丝遇水腐蚀。

1.4 试验仪器安装

选择合适内径的传感器，将传感器小心地安装在被测区，包裹好绝缘、防辐射铝箔材料，最后用塑料薄膜密封以防止雨水进入。安装好后将数据馈线与数据采集器连接，接通电源并设置数据采集时间间隔。同时接通气象仪数据采集器，用于记录太阳净辐射、大气温度、环境湿度等各项指标参数，其测定时间与茎流计同步。

1.5 数据采集与处理

将数据采集器与笔记本电脑相连，当仪器监测的各项参数达到稳定后用笔记本电脑采集数据。将测得的茎流数据和各项气象因子数据处理为小时数据，然后进行分析计算。

2 结果与分析

2.1 柑橘树与枇杷树蒸腾规律

为避免气象变化带来的影响，本次试验数据选用气象条件相近下测得的蒸腾数据，即选取了2017年8月17日-2017年8月19日的数据。柑橘树与枇杷树蒸腾速率数据对比如图 1(a)所示，试验期间同期气象数据如图 1(b)所示。

图1 柑橘树与枇杷树蒸腾速率和同期气象因子测量结果(2017年8月17日-8月19日)Fig.1 Transpiration rate and contemporaneous meteorological factors of citrus trees and loquat trees (August 2017)

由图1可知柑橘树与枇杷树蒸腾速率均为多峰曲线，并且均出现了明显的昼夜变化规律，夜晚由于植物光合作停止、温度低、湿度大等原因，几乎没有液流量。柑橘树日均蒸腾量为850.41 g，枇杷树日均蒸腾量为1227.36 g，两种植株蒸腾量相比较，枇杷树日均蒸腾量要比柑橘树多44.33%(376.95 g)。两株植物蒸腾启动时间大致均为上午8∶00，上午开始蒸腾速率较小，随时间变化，蒸腾速率迅速增加。中午由于高辐射、高温，植物叶面部分气孔关闭或者缩小，蒸腾速率下降，导致两种植株均出现不同程度的午休现象，相比柑橘树，枇杷树午休现象更明显。午休过后蒸腾速率均呈现先上升后下降的趋势，枇杷树蒸腾速率变化曲线较陡且峰值范围较宽，柑橘树蒸腾速率变化曲线较平缓且峰值范围较窄，具体变化情况如表2所示。

表2 柑橘树与枇杷树蒸腾速率变化特征值Tab.2 Characteristic values of transpiration rate changes in citrus trees and loquat trees

试验期间气象数据，包括土壤温度、大气温度、环境湿度、太阳净辐射、露点温度，采用FSR-4便携式气象仪连续测定。从图1中可以看出，3 d试验期间各个气象要素变化不大，尤其是对蒸腾影响较大的几个因素，如太阳净辐射、大气温度、环境湿度。试验期间大气温度、土壤温度均高于露点温度，因此不会发生凝结作用，不会对蒸腾试验造成影响。

2017年8月17日，从上午8点起，随时间变化，两种植株枇杷树和柑橘树蒸腾速率逐渐加快。到上午10∶00枇杷树蒸腾速率达到第一个峰值189.27 g/h，在午后14∶00出现明显的午休现象，此时蒸腾速率达到低谷值115.15 g/h，其降幅为74.12 g/h。午休过后蒸腾速率随时间又开始加快，到15∶00时出现第二个峰值148.47 g/h，其升幅为33.32 g/h，枇杷树平均蒸腾速率为108.30 g/h。到中午11∶00柑橘树蒸腾速率达到第一个峰值77.16 g/h，在中午12∶00出现午休现象，此时蒸腾速率达到低谷值60.04 g/h，其降幅为15.12 g/h。午休过后蒸腾速率随时间又开始加快，到15∶00时出现第二个峰值93.32 g/h，其升幅为33.28 g/h，柑橘树平均蒸腾速率为57.56 g/h。其余两天变化规律与2017年8月17号基本一致。

本次试验选取的枇杷树和柑橘树自身的一些特征值如表 1所示。其株高基本相近，分别为118、114 cm。胸径分别为1.53、1.87 cm；冠层宽度分别为79、90 cm；冠层高度分别为50、68 cm，这3个特征值均存在着一定的差异。枇杷树叶革质，披针形、页面褶皱，叶下面灰棕色绒毛，柑橘树叶子坚硬，叶面光滑且有蜡质薄膜，这些不同特点可能是导致这两种植株蒸腾规律的不同的原因。

2.2 柑橘树和枇杷树的蒸腾速率与气象因子的关系

为研究柑橘树和枇杷树蒸腾速率与气象因子日变化规律，选用了2017年8月17日的数据，并且选取了蒸腾速率较为明显时对应的同期气象数据，即从早上6∶00到晚上20∶00的数据为研究对象(如图2所示)。由图可知：太阳净辐射、大气温度和土壤温度的变化规律与柑橘树和枇杷树的蒸腾速率变化规律大致成正相关关系，而环境湿度与柑橘树和枇杷树的蒸腾速率则具有较好的负相关关系。从早上6∶00到上午10∶00，两种植株的蒸腾速率随着时间在迅速的增加，而环境湿度则随着时间变化在不断减少，在10∶00时枇杷树的蒸腾速率出现了第一个峰值189.27 g/h，环境湿度也出现了一个低谷值。15∶00以后蒸腾速率随时间不断减少，而环境湿度则随时间不断增加。太阳净辐射与柑橘树和枇杷树的蒸腾速率变化规律基本一致，在上午11∶00时太阳净辐射出现一天中最大值316 W/m2，此时柑橘树的蒸腾速率也出现第一个峰值77.16 g/h。

为进一步研究枇杷树和柑橘树的蒸腾速率与气象因子的相关性关系，本文选用了2017年8月17日两种植株的蒸腾速率与各气象因子数据进行了回归分析。结果如表3。

图2 柑橘树和枇杷树蒸腾速率与各气象因子对比图Fig.2 Comparison of transpiration rate and meteorological factors in citrus trees and loquat trees

表3 柑橘树和枇杷树蒸腾速率与各气象因子的相关关系Tab.3 Correlation between transpiration rate of citrus trees and loquat trees and meteorological factors

注：其中ET为植株蒸腾速率，g/h；Rn为太阳净辐射，W/m2；RH为环境湿度，%；Ta为大气温度，℃；Ts为土壤温度，℃。

由回归分析结果表3可知：柑橘树和枇杷树蒸腾速率均与太阳净辐射、大气温度、土壤温度成正比，而与环境湿度成反比。对于柑橘树，各主要气象因子相关关系为：环境湿度(0.79)>土壤温度(0.76)>太阳净辐射(0.75)>大气温度(0.65)；对于枇杷树，各主要气象因子相关关系为：太阳净辐射(0.77)>环境湿度(0.75)>大气温度(0.70)>土壤温度(0.46)。

3 结论与讨论

本研究通过对柑橘树和枇杷树蒸腾规律的比较分析，以及对影响两种植株蒸腾速率的气象因子进行观测，得出了以下主要结论：①柑橘树和枇杷树蒸腾速率均为多峰曲线，白天蒸腾变化比较明显，夜间几乎没有液流；枇杷树日均蒸腾量要大于柑橘树44.33%(376.95 g)；柑橘树蒸腾速率变化曲线则较平缓，枇杷树蒸腾速率变化曲线较陡。②上午8∶00以后随着太阳净辐射增强、温度升高，液流速率急剧增加；中午出现不同程度的午休现象，相比柑橘树，枇杷树午休现象更明显；午休过后蒸腾速率均呈现先上升后下降的趋势。③柑橘树和枇杷树蒸腾速率均与太阳净辐射、大气温度、土壤温度成正比，而与环境湿度成反比。其中土壤温度对柑橘树蒸腾速率的影响相较枇杷树要大，土壤温度与枇杷树的相关系数为0.46，而柑橘树的达到了0.76，其他气象因子对两种植株蒸腾速率的影响大小基本一致。本研究对柑橘树和枇杷树的蒸腾速率及其气象因子进行了分析，需要指出的是，植株的蒸腾速率除受气象因子的影响外，还受树种的生理状况、季节、极端气候等的影响，因此在对植株蒸腾速率进行研究时，也需要综合考虑这些因素。