苹果幼树生理指标对土壤水分调控的响应研究

郭 华，秦 聪，石美娟，窦彦鑫，杨 凯，续海红

（1.山西农业大学果树研究所，山西太原030031；2.山西省水利水电科学研究院，山西太原030002）

0 引言

我国作为种植面积和产量均达到世界一半以上的苹果生产大国[1]，苹果种植面积近年来仍在不断增加，产区开始由华东地区迁往西北地区[2]。

山西作为全国水资源贫乏省份之一[3]，人均水资源占有量少，且农业灌水量大，仅为实际用水量的51.4%。近年来，为了达到节水目的，滴灌逐渐在果园推行使用，但由于缺乏理论依据和技术指导，节水效果达不到预期要求，果实产量和品质也存在一定差异，甚至部分果园放弃滴灌灌溉设施，仍沿用传统漫灌方式进行灌水，造成了大量的水资源浪费[4]。因此，如何通过土壤水分调控进行合理灌溉[5-7]，进而设置合理灌水上下限，成为果园滴灌有力的理论依据[7-9]。

孙章浩等[10]研究了不同灌水下限条件下，冬小麦的生长状况和土壤水分分布，研究发现，冬小麦生长条件最佳的灌水下限为80%。潘俊杰等[11]进行了3 个不同滴灌灌水下限的大田实验，进而观察到蕾期和花铃期棉花的生长灌溉预警线是65%和75%的灌水下限。黄倩楠[12]设置了不同灌水下限条件，结合室内和大田试验，研究了不同灌水条件下的水分利用率，试验表明，灌水下限为60%时，可提高水分利用效率。李波等[13]通过研究不同滴灌灌水水平对葡萄耗水及生长量的影响，发现灌水下限为75%所对应的水分利用率最高。贾俊杰等[14]研究了不同滴灌灌水上限对苹果幼树的影响，主成分分析发现，灌水上限为90%时，苹果幼树生理指标最佳。

前人针对小麦、番茄等作物进行了大量滴灌灌水研究[15]，对梨、苹果等果树也做了部分研究，但苹果幼树的研究甚少。为此，本文以苹果幼树为试材，设置不同滴灌灌水下限，并与地面灌溉做对比，进而分析苹果幼树生理指标的变化，确定最佳灌水下限。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于山西省太谷县的果树研究所，年平均气温5～10 ℃，年平均降水量480 mm。果园土壤质地为粉砂壤土，容重为1.47 g/cm3，有机质含量和土壤pH 分别为13.6 g/kg 和8.32，土壤中全氮、有效磷、速效钾含量分别为0.082%、14 mg/kg、120 mg/kg，田间持水率θc为30%[16]。灌溉方式为滴灌，水源为井水。本研究试材是基砧为八角海棠、中间砧为SH6的5 a生晋富1号，株距为2 m，行距为4 m。

试验于2015年5-10月进行，试验期间降雨量主要集中于8月和9月，最大降雨量达到95.9 mm，气温先升高后降低，在七八月份最高（见图1）。

图1 试验期间降雨量和气温示意图Fig.1 Schematic diagram of rainfall and temperature during the test period

1.2 试验方案

本研究挑选长势基本一致且无明显病虫害的15 棵苹果幼树，于2015年5月至10月进行灌溉。滴灌带采用双行毛管平行布置，滴孔设置在冠幅下距果树主干50 cm 处，滴头流量1.8 L/h。灌水时间及灌水量通过定期监测土壤水分状态确定，当在土壤水分达到灌水下限时进行灌溉。

试验灌水上限为田间持水量，共设置4个滴灌处理和一个对照处理：80%θc（W1）、70%θc（W2）、60%θc（W3）、50%θc（W4）、60%θc（对照CK，地面灌溉），每个处理3个重复。

1.3 测定项目与方法

本研究选取东南西北4 个方向的健康成熟叶片，使用LI-6400XT 便携式光合仪，选择天气晴朗的上午，每7 d 观测一次，测定苹果幼树的气孔导度、光合速率和蒸腾速率，每片记录4 次数据；使用1000 型便携式植物水势压力室在07：00，从树冠外围4个方向各取一片成熟叶片进行叶片水势的测定。土壤体积含水率在土壤水分达到灌水下限时，采用TDR 进行测定。

本研究采用MATLAB 2017a 和SPSS 23 进行数据分析，采用Origin 2018绘图。

2 TOPSIS模型

优劣解距离法（TOPSIS）是根据有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序的方法，是在现有的对象中进行相对优劣的评价。

设原始评价矩阵X=(xij)m×n，xij为第i个试验中的第j个指标。

（1）数据标准化。各指标标准化后的值为Y1，Y2，…，Yk.，其中：

（2）加权决策矩阵。

式中：μ为各指标权重，采用熵权法确定。

（3）正理想解与负理想解。

式中：*代表“+”或“-”，下同。

（5）距离贴近度C。

式中：C值越大，综合评价结果越优。

3 结果与分析

3.1 土壤水分调控对苹果幼树生理指标的影响

本研究进行土壤水分调控，影响的苹果幼树生理指标包括气孔导度、叶片水势、光合速率、蒸腾速率和叶片水分利用率，各生理指标的月变化趋势如图2所示。

图2 苹果幼树生理指标的月变化趋势Fig.2 Monthly variation trend of pHysiological indexes of young apple trees

气孔导度表示气孔张开的程度，影响着作物的光合和蒸腾，其影响因素包括光照、温度等[17]。由图2 可看出，各试验的气孔导度月变化趋势均为先增后减。随着气温的升高，植物通过蒸发水分把热量从体内散发出去，以保持一定的恒温，气孔导度逐渐增大，W1 的气孔导度最大值在9月2日，其余处理在8月5日-8月26日达到最大值；之后气温降低，果树进入成熟期，叶片开始衰老，各试验处理的气孔导度大幅度下降。

叶片水势代表植物从土壤中获得水分的能力，不仅能描述植物体内水分，而且可表征植物耐旱能力[18-20]，是评价植物水分胁迫的重要指标[21]。由图2 可看出，各试验的叶片水势月变化趋势均为：明显下降-逐步升高-小幅下降。随着气温的升高，植株蒸腾加快，地面蒸发加大，土壤水分减少，且果树处于幼果期，植株叶片和枝条需水量大，因而6月份相对5月份的叶片水势下降；之后叶片水势逐渐升高，在8月份达到最大，究其原因是七八月份气温最高、降雨量最大，使得土壤水分充足，果树虽然进入膨大期，蒸腾较快，但可以满足植株生长需求；九十月份处于果实膨大期，叶片和枝条几乎停止生长，果树自身耗水减少，但由于降雨减少，土壤含水量随之降低，导致叶片水势下降。

光合速率是光合作用固定二氧化碳（或产生氧）的速度，其影响因素包括光、温度、水分、气孔导度等[22]。由图2 可看出，各处理的叶片光合速率月变化趋势均为先增后减。随着气温和太阳辐射的增大，光合速率逐渐升高，W1 的光合速率在9月份达到最大，其余处理在8月份达到最大；9月份的气孔导度有所下降，太阳辐射亦有所下降，作物的呼吸速率大于光合速率；10月份的太阳辐射下降，光合速率降低。经过对比，W3 在9月份的光合速率低于W1，W3 的5月、6月、7月、8月和10月的光合速率在W1～W4 滴灌处理中均为最高。W3和CK的5-7月光合速率接近，8-10月相差较大。

蒸腾速率是指单位叶面积单位时间蒸腾的水量，受光、温度、气孔大小等的影响。由图2可看出，各试验的叶片蒸腾速率月变化趋势均为先增后减。温度升高，叶片温度随之升高，为了降温散热，叶片气孔导度增大，蒸腾速率增大，在8月份达到最大值。九十月份，气温逐渐降低，太阳辐射减少，气孔逐渐关闭，并且果树进入成熟期，叶片开始衰老，因而蒸腾速率大幅下降。W3 和CK 的月变化趋势一致，且相差不大。

水分利用率是蒸腾系数的倒数，其影响因素包括光照、温度、气孔导度和水势等。由图2 可看出，各试验的叶片WUE月变化趋势均为先减后增。蒸腾速率和光合速率增幅在试验前期均较缓慢，8月份光合速率增幅大于蒸腾速率增幅，之后光合速率和蒸腾速率均开始下降，其中光合速率下降缓慢，蒸腾速率降幅较大。因此，5-7月的叶片WUE变化不大，8-10月的叶片WUE逐渐增大。

3.2 苹果幼树生理指标的显著性分析

本研究采用SPSS 软件对苹果幼树各生理指标进行了显著性分析，结果如表1所示。

表1 苹果幼树生理指标的显著性分析Tab.1 Significance analysis of pHysiological indexes of young apple trees

显著性结果表明，滴灌条件下，W1 和W4 的叶片气孔导度、叶片水势、蒸腾速率差异显著，W3 和W4 的光合速率差异显著，各处理的叶片水分利用率无显著性差异。

灌水下限相同时，W3 和CK 的叶片光合速率差异显著，二者的其他生理指标无显著性差异。

3.3 苹果幼树生理指标的相关性分析

本研究采用SPSS 软件对苹果幼树各生理指标进行了Pearson分析，结果如表2所示。

表2 苹果幼树生理指标的相关性Tab.2 Correlation of pHysiological indexes of apple young trees

相关性结果分析显示，叶片水分利用率与气孔导度和叶片水势均呈负相关，其余指标相互之间呈正相关，其中蒸腾速率与气孔导度和叶片水势之间相关性显著。

3.4 苹果幼树生理指标的TOPSIS模型分析

3.4.1 权 重

本文采用熵权法，确定苹果幼树各生理指标的权重，如表3所示。

表3 苹果幼树生理指标权重值Tab.3 Weight value of pHysiological indexes of young apple trees

由表3可看出，叶片水分利用率的权重最大，其次是叶片气孔导度、叶片光合速率、叶片水势、叶片蒸腾速率。

3.4.2 综合评价结果

本研究通过公式（1）～（6），建立TOPSIS 模型，分析出苹果幼树最佳灌水方案，如表4所示。

表4 综合分析结果Tab.4 Comprehensive analysis results

贴进度C值越大，表明试验方案越优，从表4 排序可看出，苹果幼树最佳灌水方案为W3，接下来是W1、CK、W2、W4。主要原因是W3 的光合速率在七八月份显著高于其他处理，并且其气孔导度和WUE均很高。

4 结论

通过对不同土壤水分调控下的苹果幼树生理指标进行显著性和月变化趋势分析，发现各生理指标的变化规律如下。

（1）各处理的叶片气孔导度、叶片光合速率和叶片蒸腾速率月变化趋势均为先增后减，叶片水势月变化趋势均为明显下降-逐步升高-小幅下降，叶片水分利用率月变化趋势均为先减后增。

（2）滴灌条件下，灌水下限越高，气孔导度、叶片水势和蒸腾速率均随之增大，越不利于节水；滴灌叶片光合速率最大的试验处理为W3，说明轻度干旱胁迫有助于光合速率的提高；滴灌叶片水分利用率最大的试验处理为W3，即滴灌灌水下限低的叶片水分利用率相对更高。通过显著性分析发现，W1 和W4 的叶片气孔导度、叶片水势、蒸腾速率差异显著，W3 和W4 的光合速率差异显著，各处理的叶片水分利用率无显著性差异。

（3）灌水下限相同时，滴灌和地面灌溉的气孔导度和蒸腾速率几乎相同；地面灌溉较滴灌的叶片水势总体略高、叶片水分利用率总体略低；幼果期地面灌溉的光合速率略高于滴灌，进入果实膨大期以后，滴灌叶片光合速率显著高于地面灌溉。显著性分析发现，滴灌和地面灌溉的叶片光合速率差异显著，二者的其他生理指标无显著性差异。

在对苹果幼树进行不同灌水下限土壤水分调控的基础上，进行TOPSIS 分析，结果表明W3 的贴进度最大，即滴灌条件下，灌水下限为60%θc的试验处理最有利于苹果幼树的生长。