蓄水坑灌下不同肥液浓度对苹果树干茎流规律的影响

李嗣艺，孙西欢,2，马娟娟，郭向红，程奇云

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024；2.晋中学院，山西 晋中 030619)

苹果作为华北地区重要的经济作物之一，栽培面积逐年扩大，但由于大部分果园存在干旱缺水，施肥技术落后，管理设施不配套等问题，导致苹果产量低，品质差，价格低等现象[1]。因此为满足缺水地区的果园灌水施肥要求，同时为果树正常生长创造良好的生态环境，提升果实产量与品质，采用新型合理的节水灌溉方式是苹果种植产业转型升级的重要手段之一。蓄水坑灌作为一种中深层立体灌溉施肥方式，可通过蓄水坑将果树所需的水分和养分直接输送至果树中深层土壤中，迅速补给果树根系主要集中层所需的水分和养分，及时满足果树的生长需求，适合在我国北方干旱半干旱地区广泛推广[2,3]。近年来，许多学者在蓄水坑灌水肥管理方面开展了诸多研究工作。李京玲等[4]通过室内试验揭示了蓄水坑灌条件下肥液入渗对土壤水氮运移转化的一般规律。刘浩等[5]研究表明同一肥液浓度下，地面灌溉的氨挥发量比蓄水坑灌大14倍左右。张文锦等[6]研究表明蓄水坑灌条件下肥液浓度与果园土壤呼吸速率呈正相关关系。高娟等[7]研究表明同等施氮量条件下，相比于地面撒施蓄水坑灌施氮可显著提高苹果叶片的光合作用。张人天等[8]研究表明蓄水坑灌条件下施氮可以有效促进苹果树根系生长，根长密度和根表面积密度的生长速率随施氮量的增加先增大后减小。

综上所述，目前关于蓄水坑灌水肥管理方面的研究还集中于室内试验和土壤特性方面，针对果树本身的生长生理指标尚涉及较少。研究果树的生长生理特性对水肥的响应规律及其生理指标间的相互作用关系，可为研究果树的最佳水肥管理措施提供理论依据[9]。而蒸腾作用作为果树最重要的耗水方式，了解苹果树的蒸腾耗水特性，对确定果树的需水量具有重要意义。通过精确测算树干上升的液流量，即树干茎流，可基本确定植株蒸腾耗水量[10]。因此，本试验在蓄水坑灌条件下，采用热扩散探针法(TDP)研究不同肥液浓度对苹果树干茎流规律的影响，并结合其日茎流量的累积过程选择合适的数学模型，为计算果树蒸散耗水量提供依据，同时为合理制定蓄水坑灌条件下果园施肥制度提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区基本情况

本试验于2018年4-10月在山西省农科院果树研究所节水灌溉示范园(112°32′E，37°23′N)内进行，海拔高度约为800 m，试验区多年平均气温为9.8 ℃，多年平均降雨量为460 mm，全年无霜期为175 d，属典型的大陆性半干旱气候类型。试验园区呈南北纵向分布，土壤质地主要为壤土，土壤容重为1.47 g/cm3，饱和含水率(体积含水率)为49.21%，田间持水量为24.79%。0～40 cm土壤肥力指标为：土壤有机质11.79 g/kg，全氮1.01 g/kg，全磷0.57 g/kg，全钾19.43 g/kg，有效氮53.92 mg/kg，pH值为8.12。试验区灌溉水源为地下水。

1.2 试验设计

本试验选取4棵生长状况良好，长势基本一致，具有代表性的7a生矮砧密植红富士苹果树进行试验，株、行距为2 m×4 m，试验灌溉方式均采用蓄水坑灌，每棵树设置4个位于树冠半径1/2处(距树干约60 cm)的圆柱形蓄水坑，坑直径30 cm，坑深40 cm。本试验中各处理的氮肥于2018年5月24日(果树萌芽花期)采用尿素施入，磷钾肥采用磷酸二氢钾施入。本试验将施入氮肥的肥液浓度作为控制因子分为4个处理，分别为0，0.602，1.204，2.408 gN/L，标记为D1，D2，D3，D4。磷钾肥各处理施入的肥液浓度相同均为1.024 g/L，各处理灌水量均为249 m3/hm2，氮、磷、钾肥充分融入灌溉水中一次施入。

1.3 试验测定项目与方法

(1)树干茎流测定。本试验主要以苹果树干茎流的日变化作为主要监测对象。茎流数据采用TDP插针式植物热扩散茎流计进行监测，每半小时自动采集一次。

(2)树干横截面积测定。树干横截面积由树干直径计算可得，用游标卡尺测定距地面10 cm高度处的树干直径，在垂直的两个方向各测定一次，取其平均值作为该处理此次树干直径的测定值。

1.4 数据处理

根据Granier的热扩散法[11,12]，利用已知的温差值与茎流密度的关系可以测定茎流速率的连续变化，本试验采用与TDP插针式植物热扩散茎流计相配套的设备对数据进行采集与保存，导出数据后利用Excel2007及Origin2018进行处理分析。

计算公式如下：

Ki=(dtmax-dti)/dti

(1)

(2)

Fi=3 600ViA

(3)

式中：Ki为无量纲参数；dtmax为两探针间最大温差值，℃；dti为两探针间瞬时温差值，℃；Vi为实际茎流速率，cm/s；Fi为边材茎流通量，g/h；A为果树树干横截面积，cm2。

2 结果与分析

2.1 不同肥液浓度下苹果树干茎流速率的日变化规律

通过对各处理的苹果树干茎流速率的连续监测，经处理分析，选取各处理施肥后第5、12、18、30 d的苹果树干茎流速率的日变化作为研究对象，选取的试验日均为晴天，天气状况基本一致，其日变化规律见图1。由图1可知：不同肥液浓度处理下，苹果树干茎流速率日变化整体趋势一致，呈现出明显的昼高夜低的规律性变化，且不同的肥液浓度处理的茎流速率峰值存在明显的差异性。从图1中可以看出，苹果树干茎流的启动时间均为早上7∶30左右，之后随着气温逐渐升高，太阳辐射持续增强，茎流速率随之迅速提高，到10∶00左右达到峰值，随之茎流速率有了明显下降，这可能与太阳辐射的持续增强和叶片气孔的关闭有关[13]，茎流速率在10∶30-18∶30左右均维持在较高水平，之后随着气温继续下降和太阳辐射持续减弱，茎流速率开始迅速下降，并于19∶30左右逐渐趋于零点。

不施肥处理(D1)的树干茎流速率的变化曲线峰值并不明显，呈“几”字形曲线，且一定时间内茎流速率维持在同一水平线上下，无大幅度波动变化。肥液浓度为0.602 gN/L(D2)时，其茎流速率日变化总体呈现不对称的双峰曲线，分别于10∶00、13∶00左右两次达到峰值，且第一次峰值大于第二次。肥液浓度为1.204、2.408 gN/L(D3、D4)时，其茎流速率变化总体均呈现不对称的单峰曲线，于10∶30左右达到峰值后持续下降，直至19∶30趋于零点。从图1中可发现各施肥处理(D2、D3、D4)在施肥后第5～18 d，其茎流速率的峰值有了明显的提高，施肥后第30天峰值有一定程度的降低。肥液浓度为2.408 g/L(D4)时，茎流速率的峰值相对平稳，均高于不施肥处理。

图1 不同肥液浓度处理下苹果树干茎流速率日变化规律Fig.1 Diurnal variation of stem flow rate of apple trunk treated under different levels of fertilizer solution concentration

比较各处理茎流速率的峰值大小发现，施肥后第5 d，D2>D3>D4>D1，施肥后第12、18、30 d，D3>D2>D4>D1。施肥后第18 d D3处理的茎流速率峰值最高，为0.006 4 cm/s。进一步比较施肥后第18 d各处理日平均茎流速率可得，D3>D2>D4>D1，D3处理日平均茎流速率为0.001 5 cm/s。说明适当的施肥可以提升苹果树干茎流速率，促进苹果蒸腾作用。但肥液浓度过高时，土壤中的氮素浓度过高，会对果树根系造成伤害，影响果树根系对养分和水分的吸收作用，降低根系的吸水能力，从而进一步影响苹果树干茎流的变化，干预苹果的蒸腾耗水进程[14-16]。

使用腹腔镜检查,有47例子宫浆膜下肌瘤,10例盆腔粘连,18例输卵管堵塞,17例卵巢囊肿,14例子宫穿孔和肿块。有46例轻度疼痛,49例中度疼痛,11例有迷走神经刺激症状。患者平均手术花费24.5 min,平均出血31.5 m L。对患者患者了半年的随访,有2例失联,共有40例子宫浆膜下肌瘤患者月经正常,7例改善。10例盆腔粘连患者接受分离手术后,子宫形态恢复,内膜生长良好。有17例卵巢囊肿患者症状改善。有12例输卵管堵塞的患者均成功妊娠,有3例疏通。

2.2 不同肥液浓度处理下苹果树干茎流速率与蒸腾速率的关系

研究表明，蓄水坑灌条件下施氮可以明显促进果树的根系生长[8]，随着施氮量的增加，叶片的气孔导度等特性也有一定的提升[7]。果树的根系生长提升了果树的根系吸水能力，促进形成树干茎流。同时，果树通过叶片的气孔进行水分气体交换，控制叶片气孔的开度可以维持根系吸水速率与蒸腾速率之间的平衡。探讨果树叶片的蒸腾速率与果树树干茎流速率的关系，可为测定果树蒸腾耗水提供理论基础[10]。

本试验选取施肥后第5、12、18、30 d的茎流速率日峰值和蒸腾速率绘制不同肥液浓度处理下苹果树干茎流速率与蒸腾速率的关系曲线，见图2。从图2中可以看出，施肥后茎流速率日峰值的变化规律与蒸腾速率的变化曲线是基本一致的，均呈现先增大后减小的单峰曲线，并于施肥后第18 d茎流速率日峰值和蒸腾速率达到最大值，比较各处理蒸腾速率的峰值大小，可发现D4>D2>D3>D1，但处理间差异不显著。

可以发现，不同肥液浓度下茎流速率的差异较为明显，但蒸腾速率差异不显著。这是由于虽然蒸腾速率的大小与叶片气孔的开度息息相关，而影响叶片气孔导度的因素很多，包括土壤水分，光合有效辐射及外界环境因子等。当根系吸收的水分足以保持体内水分的平衡时，气孔导度不再受根系吸水速率与蒸腾速率平衡的反馈制约[17-19]。因此，气孔导度受到测量时的环境因素等相关因素的影响，从而使得不同肥液浓度条件下蒸腾速率差异并不显著。

2.3 不同肥液浓度下苹果树干茎流日累积量的变化规律

由于苹果树树干茎流速率与其叶片的蒸腾速率存在一定的相关关系，因此研究苹果树干茎流日累积量的大小可计算苹果树的日蒸散量。图3为施肥后第18 d不同肥液浓度下苹果树干茎流日累积量的变化过程曲线。由图3可知，不同肥液浓度条件下，苹果树干茎流日累积量变化过程均明显呈现为“S”曲线，由于清晨的茎流速率较低，苹果树干的茎流累积量也较低，各处理呈现斜率较小的直线缓慢上升，在7∶30左右茎流启动后，茎流速率随着气温的不断升高和太阳辐射的不断增强得到了较大的提高，其曲线的增幅也随之迅速提高，并于18∶30左右随着茎流速率逐渐趋于零，而茎流日累积量也趋于平缓。比较各处理茎流日累积量的大小可以发现，D3>D2>D4>D1。

图2 各处理下茎流速率与蒸腾速率的关系Fig.2 Relationship between stem flow rate and transpiration rate in each treatment

图3 不同肥液浓度下苹果树干茎流累积量日变化过程Fig.3 Diurnal variation process of apple trunk stem flow cumulative amount under different levels of fertilizer solution concentration

进一步对比施肥前后苹果树干茎流日累积量的变化，表1为施肥后第18 d不同肥液浓度下苹果树干茎流日累积量的增长情况。由表可知，除D4处理外，施肥后，茎流累积量和日平均茎流速率随着肥液浓度的增加而增大，这是由于施肥促进了苹果树的根系吸水作用，增强了苹果树的蒸腾作用，使得茎流日累积量得到明显增加，但当肥液浓度过高时，由于对根系活性的影响导致根系吸水能力降低，使得茎流日累积量也随之降低。比较各处理间施肥后日累积茎流增长量关系可得：D3>D2>D4>D1。其中，肥液浓度为1.204 gN/L(D3处理)时，施肥后茎流日累积量较不施肥处理(D1)的增幅最大，为不施肥处理(D1)的3.383倍。

2.4 苹果树干茎流日累积量的模型构建及分析

由图3可知，蓄水坑灌条件下不同肥液浓度的苹果树干茎流日累积量变化过程均呈现为“S”曲线，可采用数学模型模拟此变化曲线，构建苹果树干茎流日累积过程的变化模型，并结合其数学参数的变化进一步探究苹果树干茎流速率的变化规律。因此以时间作为自变量，以相应时间所对应的树干茎流日累积量为因变量，选择6种常用数学模型[20,21]来模拟苹果树干茎流日累积过程。选取D1处理进行拟合，结果见表2。由表2可知，苹果树干茎流的6种数学模型的相关系数最低值为0.661，可见6种模型拟合效果均显著。苹果树干茎流的日累积过程与Richards方程相关系数最高，为0.998。因此，选取Richards模型对其他各处理进行拟合分析。

表1 不同肥液浓度下苹果树干茎流日累积量的增长情况Tab.1 The increase of daily accumulation of apple stem flow under different concentration of fertilizer

各处理的苹果树干茎流Richards模型拟合参数见表3。

表2 苹果树干茎流日累积过程估算的回归拟合方程和评价指标Tab.2 Regression fitting equation and evaluation index of apple trunk stem flow daily accumulation process estimation

注：t为时间，h；y为各处理在t时间内的苹果树干茎流累积量，g；**表示在0.01水平上显著相关。

表3 各处理苹果树干茎流Richards模型参数表Tab.3 Richards model parameter table of apple trunk stem flow in each treatment

Richards模型是一个关于时间t的单调递增函数，其特点为零起点、带拐点并且有上限，随着时间的延续，生长持续增加，存在一条渐近线[22]。而这些特点恰好与苹果树干茎流日累积过程规律相吻合。模型中参数A为累积生长的饱和值或称为生物学上限。由表3可知，各处理的茎流日累积量的上限表现为D3>D2>D4>D1，与实测情况一致。

Richards模型曲线呈S形曲线，曲线中存在一个最大生长速度及一个拐点[22]，其坐标为：

(4)

在该拐点上瞬时生长速率达到最大值：

(5)

对应的各处理苹果树干茎流Richards模型参数见表3。由表可知，比较各处理拐点情况可知，D2处理于9∶34最早达到最大茎流通量，此时的茎流通量为808.640 g/h，D3处理于14∶48最晚达到最大茎流通量。比较各处理可达到的最大茎流通量可知：D3>D2>D4>D1，D3处理最大，为1 207.586 g/h。

结合Richards模型的参数特征可发现，不同肥液浓度对苹果树干茎流达到最大茎流通量与时间的相关关系，越晚达到最大茎流通量，说明茎流速率维持在较高水平的时间更长，最后所达到的峰值也更大，最终的茎流累积量也越大。这与实测结果相一致，因此Richards模型可有效预测苹果树干茎流的累积过程。

3 结 语

本试验通过对蓄水坑灌下不同肥液浓度对苹果树干茎流规律的影响进行研究分析可得出以下结论。

(1)施肥后，各处理的树干茎流速率均得到明显提升，在施肥后第18 d达到峰值，施肥后第30 d开始下降，同时，过高的肥液浓度会抑制茎流速率的提高。肥液浓度为1.204 gN/L(D3处理)时，茎流速率可维持在较高水平。

(2)施肥后苹果树干的茎流速率日平均值与其叶片的蒸腾速率的变化曲线是相一致的，呈现先上升后下降的变化规律，并于施肥后第18 d达到最大值。茎流日累积量和日平均茎流速率随着肥液浓度的增加而增大，且肥液浓度为1.204 gN/L(D3处理)时，施肥后茎流日累积量较不施肥处理(D1)的增幅最大，为不施肥处理(D1)的3.383倍。

(3)采用6种数学模型对苹果树干茎流日累积量的过程曲线进行拟合，拟合效果均显著，其中Richards模型拟合效果最佳，精度较高。不同肥液浓度下，D3处理(1.204 gN/L)于14∶48最晚达到模型拐点，其茎流速率维持在较高水平的时间也更长，对应的最大茎流通量为1 207.586 g/h。

(4)本试验条件下D3处理(1.204 gN/L)更利于提升苹果树干茎流速率，促进果树的蒸腾作用。