渭北旱塬不同水肥条件下气象因子对苹果树干茎流的影响

梁自强，胡笑涛，冉 辉，唐文政，张兴国，国银银

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

渭北旱塬作为苹果优生区，种植规模不断扩大，在为当地果农带来巨大经济效益[1]的同时，严重消耗着当地有限的土壤水资源，因此准确测定苹果树生长耗水，对于合理分配水资源，提高水分利用效率，保证苹果产业的健康持续发展具有重要意义[2]。苹果树在生长的过程中需要消耗大量水分，其中99.8%是通过果树叶片的蒸腾作用进入到大气中，因此树干茎流很大程度上反映了植株的蒸腾耗水能力[3]。树干茎流既由自身生长特性决定，还与周围环境密切相关[4]，是各种因素综合作用的结果。

国内外大量研究证明，热扩散技术茎流计在测定植株茎流具有较高准确性和实用性[5,6]。龚道枝等[7]发现液流-微型蒸渗仪法和水量平衡法计算苹果树蒸发蒸腾量结果最大偏差在10%以内；刘春伟[8]利用三种模型模拟了基于茎流的果树蒸腾，发现基于冠层变化的蒸腾模型可以准确估算果树蒸腾量；Uddin J[9]研究认为，盆栽幼年果树，茎流量和蒸腾量是一致的，不存在时滞现象；但是因为果树茎干自身的储水能力，使得利用茎流估算蒸腾量时存在不确定性[10]，所以准确测定果树茎流，就需要研究茎流的相关影响因素。近年来，学者们关于茎流的影响因子进行了大量研究。张亚雄等[11]研究了蓄水坑灌条件下苹果树茎流的影响因子，发现叶水势与茎流速率呈负相关，土-叶水势梯度与茎流速率呈正相关；周玉燕等[12]发现山旱塬地区，太阳辐射、相对湿度、气温、饱和水汽压差都与苹果树茎流速率呈极显著相关；石美娟[13]认为太阳辐射是苹果树茎流的最直接影响因素；Chabot R[14]同灌水方式对果树茎流速率的影响；续海红等[15]研究了不同天气条件下苹果树的茎流变化规律，并且在梨树[16]、核桃树[17]、沙柳[18]、油松[19]等不同树种上都有相关研究。气象因子以及不同生育期和不同天气状况对树体茎流的影响已有大量研究，但对果树生长和产量起到决定作用的水肥状况与果树茎流关系的研究较少。

本文主要通过分析不同的水肥管理下苹果树干液流的变化特征，还有水肥措施对气象因子与茎流二者相关性的影响，探究基于茎流计估算蒸发蒸腾量更精准的方法，进而指导果园合理灌溉施肥。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年4月15日-2018年10月20日在西北农林科技大学洛川苹果试验站进行，该试验站位于陕西省渭北区旱塬中部的延安市南部洛川县，地处东经109°25′，北纬35°46′，年均气温为9.2 ℃，平均海拔为1 100 m，日照时数为2 552 h，日照率56%，年总辐射量554.1 kJ/cm2，无霜期165 d，大于10 ℃的积温为3 040 ℃，多年平均降水量为610 mm，6-9月降水量占年总降水量的80%左右，属于暖温带湿润大陆性季风气候，具有典型的季节性干旱特点。土壤质地以壤土为主，主要土壤物理特性见表1。

1.2 试验设计

试验苹果树(乔红富士)为12 a生，果树株行距为3 m×4 m，树高3～4 m。试验处理为两因素3水平不完全设计，分别是3个灌水量水平：高水(M)；中水(80%M)；低水(60%M)和3个施肥水平：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为本试验的5种水肥处理，每个处理设3次重复。

表1 试验地土壤主要物理特性Tab.1 Soil physical parameters

灌水量根据土壤含水率上限和下限确定，上限为田间持水量，灌水下限根据苹果树不同生育期需水量，分别按照苹果树萌芽期到幼果发育期的50%田间持水量，果实膨大期和成熟期的70%田间持水量进行3次灌水，灌水和施肥同时进行，灌水方式为滴灌。高肥处理中施钾肥量为300 g/株，氮肥150 g/株，磷肥150 g/株，中肥、低肥处理中施用的氮磷钾肥量均按20%比例递减。为防止不同处理之间土壤中水分和养分发生空间运移和侧渗，在不同处理的株间距中心位置挖1 m深的垂直剖面，紧贴剖面内壁用0.12 mm的塑料薄膜隔挡。试验果园中除草，喷药等管理措施均与当地果园保持一致。

1.3 数据观测与处理

(1)气象数据：气象数据监测来自距试验地300 m的气象站，每小时记录一次空气温度(T)、相对湿度(RH)、水汽压(VP)、地表温度、风速(V)等，并记录当天日照时数。

(2)树干茎流：采用TDP插针式茎流计监测果树茎流。茎流计探针安装高度距地面1 m，偏北方向，每15 min记录一次茎流速率。每隔两周把探针取出重新安装。

(3)土壤含水率：利用Trime监测(AZS-100手持式)土壤体积含水率，测定深度为160 cm。同时每15 d用土钻取土，采用烘干法进行校验。

1.4 数据处理

采用Granier得出的补偿式茎流计算公式[11]计算苹果树干茎流。

计算无量纲变量Ki：

Ki=(dtmax-dti)/dti

(1)

式中：dt为双热电偶间温差；dtmax一般在黎明前无茎流时测得。

计算流速Vi，g/(cm2·s)：

(2)

计算边材横截面积A并与Vi相乘得到体积流量Vsapflow，g/h。

Vsapflow=A×Vi×3 600

(3)

边材面积A(cm2)利用生长锥测得。

计算日茎流量Q(g)需将当天每个小时内测得的茎流速率相加：

Q=∑Vsapflow

(4)

试验数据采用Excel 2010进行初步整理，并用SPSS 19.0进一步处理和分析。

2 结果与分析

2.1 苹果树不同时期及不同天气状况下茎流速率日变化

影响苹果蒸腾作用的因素很多，在苹果树主要生育期，气象因子(包括：辐射、风速，温度，相对湿度等)对茎流产生重要影响。气象因子直接决定着果树生长条件中的天气状况，通过对不同天气状况下苹果茎流速率的分析，能直接看出气象因子对果树茎流的影响。幼果发育期和果实膨大期是苹果成熟过程中决定苹果产量和品质的关键时期，所以选取幼果发育期到果实膨大期6、7、8三个月份来说明不同天气状况下，晴天、阴天和雨天与苹果树茎流流速之间的响应的关系。图1为苹果树不同天气状况下茎流流速(以中肥中水为例)变化情况。

图1 不同天气状况下苹果茎流速率变化Fig.1 Stem flow rate changes under different weather conditions

由图1可以看出，晴天天气，果树树干茎流流速总体上呈明显“几”字型变化，茎流速率峰值大于阴天和雨天。阴天和雨天，由于太阳辐射较弱，空气相对湿度较大，它们的茎流速率峰值明显低于晴天，6月晴天时茎流速率峰值达到17.77 g/h，而阴天只有晴天茎流速率峰值的61.8%，雨天甚至只有18.6%，7、8月份的阴、雨天峰值也跟晴天有较大差距，但总体上仍表现出与晴天相似的“昼升夜降，昼增夜减”的变化趋势，阴雨天茎流速率为多峰曲线。受降雨时间和瞬时降雨量大小的影响，果树树干液流速率变化更加不稳定，8月份雨天，由于太阳辐射减弱，气温增幅迟滞，茎流速率启动时间滞后于晴天；6月份雨天茎流速率也更早降到谷值。可见，天气状况的变化对苹果树茎流速率在时间上的变异性具有直接影响。

在不同天气状况下，苹果树茎流速率表现出明显差异，而天气状况变化又是气象因子影响的反映，可见，气象因子与茎流速率之间关系密切。为进一步揭示苹果树茎流速率对不同气象因子的响应关系，对试验期间苹果主要生长月份的瞬时茎流速率与实时监测的主要气象因子进行相关性分析，结果见表2。

通过对瞬时茎流速率和主要气象因子的相关性分析表明，气温、地表温度、风速与树干茎流速率呈正相关关系，且都达到了显著水平，其中地表温度与果树茎流速率的相关性最强，主要生育期内达到了0.845，而相对湿度与茎流速率呈显著负相关。在苹果树的主要生长月份，地表温度、气温、相对湿度和风速与茎流速率都在0.01水平上呈显著相关。不同月份内，气象因子与苹果树茎流速率之间也呈现出不同强度的相关性，其中，气温、相对湿度和风速对果树茎流速率影响最大的月份是7、8月(果实膨大期)，其他月份略低，RH和V与果树茎流相关性顺序为：8月>7月>9月>5月>6月。地表温度与果树茎流速率之间的相关性在5月(R2=0.914)和6月(R2=0.910)达到最大，而7月、8月份却略微降低，这与气温、相对湿度和风速等气象因子与茎流速率的相关性规律相反，究其原因，可能是由于7、8月份正值夏季，太阳辐射强烈，但是由于此时期苹果树叶面积指数最大，太阳辐射很难穿透冠层到达地表，地表温度不能实时准确反映当时的气象状况，导致其相关性减弱。

表2 苹果树主要生育期内瞬时茎流速率与气象因子的相关性分析Tab.2 Relationship between stem flow rate and meteorological factors during growing period

注：**表示在 0.01 水平上显著相关。

2.2 不同水肥条件下气象因子对果树茎流的影响

苹果树茎流是一个持续不断的过程，而气象因子也在时刻发生变化，瞬时茎流速率与气象因子的相关性仅能反映两者之间在较小时间尺度(每小时时间尺度)上的响应关系，而苹果树的主要生长期是一个大时间尺度的过程，在较小时间尺度上分析两者之间的相关关系偶然性和误差较大。

为了研究水肥条件对气象因子与茎流速率二者相关关系的影响，在日时间尺度上进行了不同水肥条件下苹果树茎流速率与气象因子之间的相关性分析(表3)。由表3可以看出，不同处理条件下，苹果树日茎流量与各气象因素的相关显著性各有差异，日辐射量与日茎流量之间的相关关系最为显著(相关系数在0.686～0.810之间)，其次为相对湿度(相关系数在-0.378～-0.818之间)，均在0.01水平上显著相关。整体相关性顺序为：日辐射量>相对湿度>地表温度>日均气温>日均风速。在日茎流量与日辐射量的关系中，各处理的相关性都较高，相关性最低的处理为中肥低水(R2=0.686)，可能因为缺水影响到了果树从土壤中获取水分的能力。在日茎流量与日均气温的关系中，低肥中水处理下相关系数最高，达到了0.447，其次为中肥中水处理(R2=0.395)和高肥中水处理(R2=0.351)，这3个处理下的相关系数均高于中肥高水处理(R2=0.189)和中肥低水(R2=0.324)，这说明在灌水量一致的情况下，随着施肥量的增多，苹果树日茎流量与日均气温的相关性强度呈逐渐降低，同时，过高或过低的灌水量均能显著降低日均气温对日茎流量的影响。不同处理下，地表温度与茎流量的关系规律同日均气温一致。在5种试验处理中，高肥中水处理下，日均风速与日茎流量的相关关系最低(R2=0.162)，没有显著性，其他处理下的相关性也远低于日均气温、日相对湿度和日辐射量等其他气象因子，说明水肥处理对于日均风速与日茎流量的相关性影响较小。

表3 不同处理下日茎流量与气象因子的相关性分析Tab.3 Relationship between daily stem flow and meteorological factors under different treatments

注：**表示在0.01水平上显著相关；*表示在0.05水平上显著相关。

灌水量一致，施肥量不同的情况下，随着施肥量的增加，果树日茎流量与日均气温、日辐射量和日相对湿度等气象因子的相关性逐渐减小，这说明在低肥料投入的情况下，果树日茎流量受到气象因子的调控较为明显，随着施肥量的加大，减弱了果树日茎流量与气象因子之间的相关性。分析其原因，可能是由于肥料过量投入改变了果树的生长环境，成为影响果树茎流的主要因素，所以茎流对气象因子的反应不敏感。

施肥量一致，灌水量不同的情况下，日辐射量、日均气温和地表温度与茎流量的相关性在中肥中水时取得最高值(R2=0.8；R2=0.395；R2=0.577)，反而在高水和低水处理相关性减弱，说明中肥中水处理的水肥交互作用更好，使果树获得更适宜的土壤条件，所以外界气象因子就成了影响果树茎流量的变化的主要因素，所以相关性更高。而相对湿度与日茎流量的相关性随着灌水量的增加，相关系数从低水处理的-0.575增加到高水处理的-0.818，说明灌水量越高，相对湿度对果树茎流的影响作用更越大，果树茎流与相对湿度的相关性越好；灌水量的变化并没有使得风速与日茎流量的关系有明显变化，二者的相互关系受灌水量的影响较小，3个处理的相关系数虽然较低，但是也都达到了显著水平。

2.3 不同水肥处理对苹果树茎流速率的直接影响

土壤水分的动态变化直接影响苹果树茎流速率。从2018年6月下旬至9月底，定时监测不同水分处理下土壤水分(1米平均)的变化情况，中水为试验处理中3个中水处理的平均土壤体积含水率，结果如图2所示。

图2 生育期土壤水分动态变化Fig.2 Dynamic change of soil moisture during growth period

图2可以看出，生育期内各处理土壤含水率随降雨量和灌水量的变化而变化。高水、中水和低水3种处理下土壤含水率在苹果主要生育期内差异明显。在相同施肥量，不同水分处理下果树茎流速率(灌水施肥在果实膨大期前，故选取果实膨大期间连续三天： 8月18-20日的茎流速率)日变化情况如图3所示。

图3 水分状况对果树茎流的影响Fig.3 Effect of water condition on stem flow of fruit trees

随时间进程，不同水分处理下，果树能从土壤中汲取的水分不同，使得不同处理的果树茎流速率产生差异。由图5可以看出， 3种水分处理，苹果树茎流速率在10∶00-18∶00之间均产生较大波动，其余时间内处于谷值且趋于稳定状态，峰值均出现在正午12∶00附近。中水条件下，果树茎流速率最大，峰值稳定在13～14 g/h，其次为高水处理，相比于中水处理，茎流速率偏低，速率峰值范围为10～11 g/h，而且茎流速率在峰值不稳定，变化比较剧烈，低水处理的果树茎流明显低于高水和中水处理，峰值只有4～5 g/h。说明低水处理严重制约了果树的正常蒸腾作用，引起果树茎流地大幅度降低，但是中水处理却比高水处理的茎流速率更高，可能是因为中水处理的水肥耦合效应对果树茎流有较大的促进作用，故茎流速率具有更高的峰值。

果树施肥是一个短暂的过程，但养分在果树上产生效应和影响是一个持续性的漫长过程。施肥并不会直接影响果树茎流的变化，但施肥通过影响果树生长指标(如叶面积指数、冠层覆盖度、气孔导度等)间接影响果树茎流速率，在施肥(7月21日)一个月后观测相同灌水量下，不同施肥处理连续三天(8月18-20日)果树茎流速率的变化，如图4所示。

图4 养分水平对苹果树茎流的影响Fig.4 Effect of nutrient level on stem flow rate of apple trees

图4所示3种处理灌水量相同，但施肥量不同，中肥处理的果树茎流速率最大，综合三日果树茎流量分别比低肥、高肥处理高33.11%和17.63%，这可能是由于中肥处理下果树水肥耦合效果最好，提高了果树对土壤水肥的利用效率，使得蒸发蒸腾量最大。低肥处理条件下，茎流速率明显低于其他处理，说明低肥处理抑制了苹果树的蒸腾作用，造成茎流速率偏低。

3 讨论与结论

果树茎流直接反映了果树蒸腾作用的强弱，准确计算茎流并明确分析其相关影响因子，对于估算果园蒸腾，为进一步指导灌水有重要意义。关于影响果树茎流的因素，之前很多学者都做过大量相关的研究。本试验发现：苹果树茎流速率在生育期内不同月份，昼升夜降，昼增夜减的日变化特征明显；阴天和雨天，茎流速率峰值明显低于晴天，并且启动和回落时间不稳定。于金凤等[20]的研究表明，晴天果树蒸腾速率的日变化为单峰曲线；逐日变化为昼高夜低，骤升骤降的特征；孟平等[21]人的研究发现，由于气象条件的不同，土壤水分及果树自身的生理状况不同，蒸腾的大小，启动时间，结束时间，最大值及出现的时间各有不同，这都与本试验中结论一致，并且在杏树[22]和核桃树[23]上都有相似的规律。

本研究证明气象因子与茎流的相关性顺序为：日辐射量>相对湿度>地表温度>日均气温>日均风速。宋凯[24]研究发现太阳辐射与茎流量的关联度最好，但是二者相关性有时滞效应；空气中相对湿度与茎流量呈显著负相关关系；地温与茎流量的关系较为复杂，刘鑫[25]等认为地表温度和茎流呈显著正相关关系，这与本试验结论一致，石游[26]的研究证明土壤温度的变动有明显节律性，二者的变化趋势并不一致，所以很难准确评判二者的关系。丁日升[27]的研究表明，茎流与风速的相关关系并不明显，郭映[28]认为风速持续时间较短且不连续，所以茎流与风速的关系比较模糊，这也都与本研究一致。气温、相对湿度和风速对果树茎流速率影响最大的月份是7、8月(果实膨大期)，其他月份略低，RH和V与果树茎流相关性顺序为：8月>7月>9月>5月>6月。

有关于不同水肥处理对果树茎流与气象因子二者相关性的影响的研究还较少，本研究发现：灌水量一致，随着施肥量的增加，果树日茎流量与日均气温、日辐射量和日相对湿度等气象因子的相关性逐渐减小；施肥量一致时，日辐射量、日均气温和地表温度与茎流量的相关性在中水时取得最高值，相对湿度与日茎流量的相关性随着灌水量的增加而增大，灌水量的变化对风速与日茎流量的关系没有明显影响。

水肥对于茎流速率的影响来看，茎流速率顺序为：中水>高水>低水；中肥>高肥>低肥，低水和低肥处理都明显低于其他处理，这与周珊珊[29]的研究结论一致，基于茎流计算的苹果树蒸腾量在95 kg有机肥最大，其次为150 kg，再次时40 kg，不施肥最小。综合水肥处理，水肥耦合效应对果树茎流的影响有较大的促进作用，比单养分水平处理和单水分处理更显著。