不同生育期成龄灰枣树茎流速率与气象因子的关系

张 洋，马英杰

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】植物体的水分运输途径是根—茎—叶，最后通过叶片的气孔散失掉，而这其中被蒸腾消耗掉的水分有99%来自液流[1]。通过对茎流的观测能间接反映作物的耗水规律及特征值。对于作物耗水量的研究，有些测量方法易影响作物的现实生长环境，且仪器操作起来复杂繁琐[2-3]。热技术[4-5]被广泛的应用，是测量植物蒸腾耗水较为成熟的方法。针式茎流计[6]作为热技术的方法之一，能够在苛刻的野外条件下实时定点连续性监测。分析茎流实时数据，了解到作物蒸腾的耗水规律，以及作物水分供求关系。在水资源匮乏的新疆阿克苏地区，农业用水短缺已成为影响当地农业可持续发展的主要因素。以红枣等[7-8]的果树种植业受到严重影响。研究果树的水分运输机制和耗水特征，对优化枣树的土壤水分管理有重要意义。【前人研究进展】孙慧珍等[9]研究发现，白桦树的茎流量峰值在8月达到最大，不同生育期的气象因子对其影响不同。马建新等[10]对胡杨的研究发现，地下水位埋深对胡杨液流变化有极显著的负相关关系。刘海军等[11]研究表明，对杨树茎流速率影响最显著的是太阳辐射。孙雨婷等[12]研究发现，在不同天气条件的枣树日累计茎流量呈现明显差异。卢桂宾等[13]研究发现，枣树夜间有微弱的茎流活动且日累积蒸散量曲线呈“S”分布。李长城等[14]研究表明，在7月中下旬的持续高温天气中，主导枣树茎流速率波动变化的是温度。李宏等[15]研究发现，空气湿度和其它气象因子不同，与幼龄枣树茎流速率的波动趋势相反。【本研究切入点】目前多侧重于幼龄果树的研究，而对成龄枣树的茎流研究较少。尤其是气象因子对枣树的茎流速率在不同生育期的影响程度及耗水规律还需进一步研究。研究不同生育期成龄灰枣树茎流速率与气象因子的关系。【拟解决的关键问题】基于针式茎流计，对枣树茎流速率进行监测，分析成龄枣树在不同气象因子影响下的茎流速率变化规律，研究枣树各生育期内的耗水规律，建立茎流速率与气象因子的关系模型，精准测定该地区枣树耗水量。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验区位于新疆阿克苏地区阿克苏市南工业园内，E 80°22’，N 41°08’，海拔1 133 m。地处塔里木盆地北部，属于大陆性南温带干旱气候，光照资源丰富，四季分明。多年平均日照时数达2 911 h，多年平均太阳辐射5 671.36 w/m2，年平均降雨量为68.4 mm，多年平均气温11.2℃，日最高温40.9℃，日极端低温-27.4℃，无霜期长达212 d。表1

表1 土壤剖面基本物理性状Table 1 Basic physical properties of soil

试验于2019年4～10月进行，供试果树为17年生灰枣树，树体平均株高约为4 m，株行距2.0 m×4.0 m。试验区采用种植行单管布置方式进行灌溉，管径20 mm，喷头流量47 L/h，喷头间距3 m。每10 d灌水1次，灌水时长为10 h。通过对成龄灰枣树在整个生育期的观察和记录，并结合其枣树自身的生长特征，把生育期划分为4个时期：4月19日～5月15日为萌芽展叶期(D1)；5月16日～6月22日为花期(D2)；6月23日～9月2日为果实膨大期(D3)；9月3日～10月15日为成熟期(D4)。

1.2 方 法

1.2.1 茎流速率测定

随机选取长势基本一致、无病虫害、生长健康的灰枣树3株，采用针式茎流计测定茎流速率。其中加热探针距地面40 cm，另1根探针距加热探针上方12 cm，并用泡沫板进行固定，用反光隔热膜进行包裹，在探针上方用胶布对其包裹密封，防止水流顺着枣树的茎秆流下并接触传感器。每30 min采集并记录1次数据。茎流速率计算公式[16]如下：

(1)

式中：U为茎流速率，mL/(cm2·min)；ΔT为2探针之间的温度差，(℃)；ΔTmax为晚间2个探针之间最大温差(℃)。

1.2.2 气象数据监测

在试验地内安装的小型自动监测气象站Watch Dog，架设高度为4.5 m。气象站在枣树全生育期监测太阳辐射(PAR)、空气温度(Ta)、空气湿度(RH)、风速(W)等气象因子，每30 min记录1次。

1.3 数据处理

数据采用Excel 2010和SPSS 25.0对其处理和分析，并构建成龄枣树茎流速率和气象因子的多元回归模型。

2 结果与分析

2.1 不同天气条件下枣树各生育期茎流速率的变化特征

研究表明，枣树在3种典型天气下D1、D2、D3和D4的茎流速率波动趋势近似。在晴天和阴天下，各时期茎流速率波动趋势大都呈倒“U”型单峰曲线。在晴天条件下，D2和D3的茎流速率都是“M”型双峰曲线。而多云的条件下，D3和D4的茎流速率呈现明显的多峰曲线。

各生育期茎流速率峰值出现的时间因天气条件不同有较大差异。出现峰值时间：萌芽展叶期D1(14:30～17:00)、花期D2(12:30～16:30)、果实膨大期D3(13:30～17:00)、成熟期D4(14:00～17:30)。在晴天，果实膨大期和成熟期茎流速率峰值高于其它生育期，其峰值分别为3 182.85和2 942.36 mL/h。不同天气条件下各生育期峰值排序均为：D3>D4>D2>D1；各生育期内不同天气对应的峰值排序均为：晴天>多云>阴天。多云天气下萌芽展叶期茎流速率峰值最小(953.17 mL/h)，其余生育期在1 815.83～2 380.17 mL/h的浮动。图1

图1 各生育期内典型天的茎流速率特征Fig.1 Characteristics of stem flow rate of typical days in different growth periods

2.2 不同生育期成龄枣树茎流速率的昼夜变化特征

研究表明，D1(5月1～3日)、D2(6月2～4日)、D3(8月1～3日)、D4(9月27～29日)枣树的茎流速率昼夜波动曲线均出现了单、双峰。而只有D1的茎流速率波动曲线是单峰，而其余生育期的曲线都有双峰。D2和D3阶段的2个峰值间，枣树叶片气孔关闭进入“午休”状态，而D4阶段的第2个峰值出现明显的滞后现象。查看当天的气象资料和试验记录显示：太阳辐射从16:00开始大幅下降，但空气温度从中午13:30开始就持续上升，直到下午18:30才到达峰值，枣树的茎流速率出现第2个峰值时滞后于空气温度峰值1 h。

枣树茎流速率在02:00～08:00间较低，但仍有明显的茎流活动，在10～350 mL/h的范围波动。08:00～13:00间枣树的茎流速率大幅度提升，在13:00～15:30间茎流速率达到峰值，在20:00～22:00间茎流速率大幅下降。在23：30后茎流速率值在1个趋于0的范围浮动。枣树的茎流速率在日间整体的变化趋势近似为：开始的稳定上升，达到峰值附近趋于平缓，最后迅速下降。日间枣树的茎流活动时长高达14 h左右。图2

图2 各生育期成龄枣树茎流速率昼夜变化Fig.2 Diurnal Variation of stem flow rate of mature jujube in different growth periods

2.3 不同生育期成龄枣树茎流速率的日变化特征

研究表明，D3与D4的茎流速率曲线均有双峰，但D1和D2的茎流速率曲线呈宽型单峰曲线。在中午14:30时，D3的茎流速率达到峰值，此后茎流速率呈明显下降趋势，但在17:00后再次上升达到第2个峰值。D4的茎流速率在15:30到达顶峰后，过了4 h再次达到第2个峰值，与D3的2个峰值时间间隔近似。

D1、D2、D3和D4的茎流速率在1 d中的各个时间节点也有着不同的变化过程。各生育期枣树茎流在08:00后，最大增幅出现时间：D1在09:30～10:30、D2和D3在09:00～10:30、D4在09:00～10:00间。茎流速率达到顶峰和峰值的时间分别为：D1在16:00出现最大值1 215.98 mL/h、D2在15:30出现最大值1 934.55 mL/h、D3在14:30出现最大值3 302.54 mL/h、D4在15:30出现最大值2 152.70mL/h，茎流速率最大降幅出现时间：D1在18:00～19:00、D2和D3在19:30～21:30、D4在20:30～21:30。图3

图3 各生育期成龄枣树茎流速率日变化Fig.3 Daily variation of stem flow rate of mature jujube in different growth periods

2.4 不同生育期成龄枣树茎流耗水量

研究表明，1 d中枣树的茎流累积趋势呈“S”变化，日累积茎流量在10:00～18:30间开始出现明显的累积递增趋势，D3最快，D2次之，D4较慢，D1最慢。果实成熟期(D4)相对花期(D2)、果实膨大期(D3)的太阳辐射较弱、空气温度较低且空气湿度较高。各生育期典型日累积耗水量分别为D1=7.31 L、D2=13.29 L、D3=21.16 L、D4=17.33 L。因此，枣树在全生育期每日耗水量变化规律为：从萌芽展叶期开始逐步增加，到果实膨大期达到最大后减弱。图4

图4 各生育期成龄枣树茎流的日累积过程Fig.4 Daily accumulation process of stem flow of mature jujube in different growth periods

在全生育期中，D3耗水量最大(1 502.36 L)；D1最小(190.06 L)。由于枣树在果实膨大期，在适应外界强烈的气象条件的同时，果实发育长大的过程需水量增加。但在萌芽展叶期空气温度和太阳辐射相对其它生育期较低，枣树叶面积较小，耗水量偏低。表2

表2 各生育期枣树耗水情况Table 2 Water consumption of jujube in different growth periods

2.5 不同生育期成龄枣树茎流速率与气象因子的关联度

研究表明，各时期茎流速率的波动过程在气象因子的影响下呈现相近的变化趋势。从早上开始，受太阳辐射强度增加和空气温度上升的影响，枣树的茎流活动加剧，茎流速率提升。茎流速率与太阳辐射、空气温度呈正相关；与风速也呈正相关，但相对于前2个气象因子相关程度较低。但到13:30～16:00间太阳辐射达到1 d中最大值，茎流速率也达到了峰值，此时空气温度仍在缓慢上升，相对于太阳辐射峰值滞后2～4 h。在这个时间段内空气湿度很低，茎流速率相对于其它3个气象因子与空气湿度呈负相关。图5

图5 成龄枣树的茎流速率与气象因子的特征变化Fig.5 Characteristic changes of stem flow rate and meteorological factors of mature jujube

空气温度和空气湿度在很大程度上随着太阳辐射的起伏而波动，所以太阳辐射与枣树茎流速率相关性最为显著。

各生育期的茎流速率与太阳辐射相关系数RD1=0.964**、RD2=0.969**、RD3=0.957**和RD4=0.886**。各生育期茎流速率与气象因子的关联程度表现为：(1)萌芽展叶期(D1)太阳辐射>空气湿度>空气温度>风速；(2)花期(D2)和果实膨大期(D3)太阳辐射>空气温度>空气湿度>风速；(3)成熟期(D4)空气温度>空气湿度>太阳辐射>风速。表3

表3 成龄枣树各生育期内茎流速率与气象因子的相关关系Table 3 Correlation between stem flow rate and meteorological factors in different growth periods of mature jujube

将太阳辐射、空气温度、空气湿度和风速与各生育期茎流速率构建回归模型，R2D1=0.937、R2D2=0.943、R2D3=0.917、R2D4=0.889，模型模拟效果较好。表4

表4 成龄枣树各生育期内茎流速率与气象因子的多元回归模型Table 4 Multiple regression model of stem flow rate and meteorological factors in different growth periods of mature jujube

3 讨 论

双峰的波动变化情况原因是：正值中午，在气象因子(太阳辐射、空气温度)的强烈作用下，枣树在酷热干燥的条件下，暂时关闭叶片的气孔，降低枣树的蒸腾速率，叶片进入“午休”[17-18]。当外界气象因子对枣树叶片影响相对减弱时，这时叶片中的气孔也随之开启，茎流速率又出现明显的递增趋势。在3种典型天气条件下各生育期枣树茎流速率的峰值有很大不同。在晴天，果实膨大期和成熟期茎流速率峰值明显高于其它生育期，晴天相对于多云和阴天峰值最大。不同天气条件的本质上就是气象因子发生了变化[17-18]。其原因是太阳辐射是枣树茎流速率最直接的驱动力。[19]

周维金[20]研究表明，尤其是在果实膨大期，太阳辐射与空气温度均和枣树茎流速率呈正相关。试验结果表明，在成熟期枣树茎流速率与空气温度相关程度最高，其余生育期均为太阳辐射。刘鑫等[21]研究发现，在枣树的整个生育期内，花期茎流速率最大、耗水最多，萌芽展叶期最小。试验研究表明，在果实膨大期枣树的茎流速率和茎流累积量均最大。枣树为了能够调节自身的水平衡并维持正常的生长状态，果实发育长大的过程需水量增加，在干燥炎热的环境下迫使根系吸收更多的水分，从而加快了树体内液流的水分运输，茎流速率提升[22]。

在研究中，各生育期内4个气象因子均与枣树的茎流速率有很强的关联程度。这些气象因子的波动会直接制约茎流速率，影响茎流速率峰值的变化。

蒸腾拉力对植物体内茎流速率的影响有着至关重要的作用[23]。王文明等[24]研究表明，除了对日间蒸腾的补充外，由于夜间的空气仍然处于干燥的状态并且存在空气流动的影响，夜间继续保持茎流的活动也是对蒸腾散失掉水分的补给。研究结果表明，成龄灰枣树的夜间茎流速率在10～350 mL/h的范围波动，正是因为日间枣树剧烈的蒸腾作用，在一定程度上导致枣树体内水分亏缺，枣树为了维持自身水分平衡和日间水分的过度消耗，需在夜间进行水分的补充。因此，夜间仍存在明显的液流活动。

在微喷灌的灌溉方式下，各生育期的耗水量呈先增加后减少的变化趋势，花期的太阳辐射和空气温度都高于成熟期，但枣树在成熟期的耗水量却高于花期。试验发现，花期枣树茎流速率随着太阳辐射的增强而提升，两者的变化趋势基本同步。在成熟期枣树的茎流速率在08:30～09:00间加快时，太阳辐射滞后1 h开始增强，太阳辐射开始在16:00～17:00间减弱时，茎流速率又滞后于太阳辐射1 h。茎流速率的变化过程曲线明显宽于太阳辐射的变化曲线，而花期枣树茎流速率的峰值又小于成熟期，枣树的茎流速率能间接反映枣树的蒸腾速率，所以成熟期的耗水量大于花期。通过对整个生育期的茎流速率分析发现，并不是太阳辐射越大、空气温度越高枣树的茎流速率越快[25]。在李宏等[26]研究中发现，不同生育期幼龄枣树的耗水规律为果实膨大期>成熟区>花期>萌芽展叶期，与研究对比，成龄枣树在各生育期的耗水规律与幼龄枣树基本一致。

4 结 论

4.1枣树在3种典型天气下各生育期枣树的茎流速率有显著差异。各生育期内不同天气对应的峰值排序都为：晴天>多云>阴天。晴天和阴天茎流速率的波动过程呈倒“U”型单峰曲线，而多云天气下呈“M”型的双峰或多峰曲线。

4.2除萌芽展叶期(D1)外，各生育期枣树茎流速率曲线都呈现出双峰的变化趋势。花期(D2)出现双峰的时间段分别是13:30～15:30和16:30～17:30；果实膨大期(D3)出现双峰的时间分别是13:30～15:00和16:30～17:30；成熟期(D4)出现双峰的时间段分别是13:30～16:00和18:30～19:30。

4.3在各生育期内成龄灰枣树的日累积变化趋势整体呈“S”型曲线分布，日间枣树的茎流活动时长高达14 h左右。日累积茎流量在10:00～18:30内有明显的累积递增趋势，增幅D3>D2>D4>D1日累积量具有显著差异，日均耗水量和总耗水量的变化呈现先上升后下降的趋势，D3>D4>D2>D1。日均耗水量最大值和最小值分别是21.16和7.31 L，对应该生育期总的耗水量是1 502.36 L和190.06 L。

4.4在整个生育期内，空气温度和空气湿度在很大程度上随着太阳辐射的起伏而波动，所以，太阳辐射与枣树的茎流速率的相关度最密切。各生育期太阳辐射与枣树茎流速率的相关系数RD1=0.964**、RD2=0.969**、RD3=0.957**和RD4=0.886**。在成龄灰枣树的各生育期内建立茎流速率与气象因子的回归模型。各生育期的多元线性回归方程均达到显著水平。