不同灌水量条件下苹果树茎流变化规律及其影响因素

张碧云，程 平，李 宏，武胜利，张志刚

(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054； 2.新疆林业科学院，新疆 乌鲁木齐 830000； 3.新疆阿克苏森林生态系统国家定位观测研究站，新疆 阿克苏 843000； 4.新疆佳木果树学国家长期科研基地，新疆 阿克苏 843000)

位于塔里木盆地北缘的阿克苏地区是新疆重要的苹果特色产区，长期以来，该区域的灌溉方式以大水漫灌为主，节水灌溉为辅，导致水资源利用效率低。《2019年中国水资源公报》表明，我国农业用水量占总用水总量的61.2%，农田灌溉水有效利用系数为0.559。因此，研究滴灌条件下苹果树蒸腾耗水规律，对研究区苹果树科学灌溉、增加农民收入和促进新疆特色林果业快速发展具有重要意义。

研究发现，树干边材中99%的茎流量用于叶片蒸腾耗水，计算树干茎流量能较好地反映植物蒸腾耗水量。热扩散法因具有连续、稳定、误差小和成本低等优点，广泛应用于植物蒸腾耗水规律研究。众多学者用热扩散法在苹果方面做了大量的研究。石游等利用热扩散法研究得出，环境因子对阿克苏富士苹果树液流速率的影响排序为大气温度>太阳辐射>相对湿度。张亚雄等发现，各生育期苹果树茎流速率日变化趋势基本相同，均呈先增加后下降的趋势。夏桂敏等研究发现，寒富苹果树日茎流速率呈昼高夜低的“几”字型变化，茎流速率夜间变化平稳。孙习轩研究北方苹果树需水量发现，不同地区、不同品种、不同树龄的苹果树蒸腾速率不同，新疆阿克苏地区、黄土干旱地区、山东地区的苹果树蒸腾速率也印证了这一观点。

简约化栽培模式具有易修剪、全程机械化操作、节约劳动力成本和提高生产效率等优点。已报道的关于苹果树茎流的研究大多侧重于不同天气条件下茎流速率变化规律和日变化特征，对于滴灌简约化栽培模式下的苹果树蒸腾耗水规律鲜有报道。基于此，本文分析滴灌条件下阿克苏地区苹果树茎流速率，以及环境因子对其的响应，筛选出苹果园的科学灌水量，以期为阿克苏地区苹果树科学灌溉提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于塔里木盆地北缘新疆阿克苏地区农一师五团十三连(80°45′35″E，41°20′12″N)，是中国国家地理标志产品阿克苏苹果的主产区。该区域属于典型的温带大陆性气候，四季分明，光热资源丰富，昼夜温差大；春季升温快而不稳，秋季短暂而降温迅速，多晴天少雨天，空气干燥。年均降水量65.4 mm，年均气温10.10 ℃，极端低温-27.4 ℃，年均日照时数2 747.7 h，年积温(≥10 ℃)2 916.8～3 198.6 ℃，无霜期185 d。试验地海拔1 197 m，地下水埋深3.5 m。果园的土壤质地为砂壤土，表1为红肉苹果园的土壤理化性质。

1.2 试验设计

表1 苹果园土壤理化性质

试验于2020年6—9月进行，试验地面积0.67 hm。苹果品种为红色之爱，简约化栽培模式，树形为高纺锤形，株行距为1.5 m×4.0 m，2016年定植，平均地径8.5 cm，平均树高3.5 m，东西冠幅215 cm，南北冠幅270 cm。采用漫灌与滴灌相结合的灌溉方式，即春灌(2020-03-25)与冬灌(2020-11-05)采用漫灌，灌溉定额均为2 250 m·hm，其余生长季(2020-04-15至2020-09-25)采用滴灌方式。生育期内共9次滴灌灌溉，分别在4月灌溉1次、5月灌溉1次、6月灌溉2次、7月灌溉2次、8月灌溉2次、9月灌溉1次。设3个滴灌梯度W1～W3，具体措施见表2。样地内除灌水量不同外，果园管理(除草、施肥、修剪)方式一致。

红肉苹果树各生育期划分：4月15日—5月10日为萌芽开花期，5月11日—6月15日为幼果期，6月16日—9月10日为果实膨大期，9月11日—9月30日为果实成熟期，9月30日—次年4月14日为落叶休眠期。

1.3 试验方法

1.3.1 茎流速率测定

采用TDP插针式茎流仪测定不同灌水量条件下苹果树茎流速率，探针型号TDP-30，探针长度30 mm。每处理选定2株苹果树，在距离地面1 m处树干的北面安装TDP茎流计，茎流数据每30 min自动记录一次，通过CR100数据采集器和笔记本电脑中的PC400软件连接，下载茎流数据。每月拆除TDP传感器、进行晾晒和重新安装，避免探针与树干粘在一起。在距离地面30 cm处用生长锥钻取样树的生长芯，边材和心材的颜色区分明显，用游标卡尺3次测量边材和心材的长度，取平均值，计算边材面积。参照文献[17]的方法计算苹果树茎流速率。

1.3.2 气象因子测定

在试验地中央位置安装HOBO小型气象站，自动观测苹果园内的太阳辐射、大气温度、风速和空气相对湿度，每30 min自动采集一次数据，饱和水气压差(VPD)参照文献[12]计算。

1.3.3 土壤体积含水量测定

每个处理在距离苹果样树50 cm处挖一个长50 cm、宽30 cm、高80 cm的土壤剖面，土壤水分传感器分别安装在10、30、50、70 cm土层处，用EM50数据采集器和电脑中的ECHO Utility软件连接，每天18：00测定不同土层深度的土壤体积含水量。

1.3.4 果实产量和品质测定

果实产量：2020年10月1日，每个处理选取3株苹果树采摘全部果实并称其质量，3株苹果树产量的平均值即为该处理单株产量。每个处理随机选取20个苹果测量单果重、纵径和横径。果形指数为纵径与横径的比值。

果实品质：各处理随机选取树干中部4个方向(东、南、西、北)共20个果实，测定果实的可溶性固形物、总酸、总糖、维生素C(V)、纤维素含量。

1.3.5 灌溉水分生产率

灌溉水分生产率(iWUE)(kg·m)计算公式为

灌溉水分生产率=产量/灌水量。

1.4 数据处理

采用Excel 2019和SPSS 23.0软件分析数据，用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 红肉苹果树茎流速率变化规律

2.1.1 日均茎流速率

从图1看出，不同灌水量条件下苹果树主要生育期日均茎流速率变化趋势基本一致。6月，各处理的苹果树日均茎流速率均较小；7月初，各处理的苹果树日均茎流速率均快速上升；7—8月，日均茎流速率均在较高水平；9月，日均茎流速率开始迅速下降。为进一步了解苹果树各生育期茎流速率变化规律，选取幼果期(6月6日—6月15日)、果实膨大期(7月26日—8月4日)、成熟期(9月16日—9月25日)的日均茎流速率数据进行单因素方差分析，结果见图2。从幼果期到成熟期，日均茎流速率先增大后减小，W2和W3处理的日均茎流速率显著(<0.05)大于W1。幼果期和成熟期W2和W3处理的苹果树茎流速率未达到显著差异(>0.05)，果实膨大期W3处理的苹果树茎流速率显著(<0.05)大于W2处理。

表2 滴灌水平设置

图1 不同灌水量条件下红肉苹果树日均茎流速率Fig.1 Daily average sap flow rate of red apple trees under different irrigation amounts

无相同小写字母表示相同生育期不同处理在0.05水平上差异显著。Data marked without the same lowercase letter at the same growth period indicated significant differences at P<0.05.图2 主要生育期红肉苹果树日均茎流速率Fig.2 Daily average sap flow rate in main growth period of red apple trees

2.1.2 茎流速率日变化

从图3可知，6—9月不同灌水量条件下苹果树茎流速率日变化均呈单峰型曲线和昼高夜低的变化趋势。以7月为例(图3-B)，苹果树茎流速率在09：30左右开始启动，之后茎流速率随温度和太阳辐射的升高迅速增加，13：00左右达到峰值，茎流速率月平均峰值排序为W3(7.570 cm·h)>W2(6.613 cm·h)>W1(4.650 cm·h)；12：00—19：00茎流速率变化平稳，之后茎流速率快速下降，23：00左右达到最低值，夜间茎流速率处在一个较低的水平。从表3可知，随灌水量的增加，苹果树茎流速率峰值逐渐增加，到达峰值的时间也逐渐延迟；与6—8月相比，9月茎流速率的启动时间延迟、持续时间缩短、峰值降低。

2.2 影响红肉苹果树茎流速率的环境因子

2.2.1 气象因子

选取瞬时间尺度下8月6日—15日的茎流速率和主要气象因子进行相关性分析。从表4可知，太阳辐射与苹果树茎流速率的相关性最强，大气温度次之，风速对苹果树茎流速率的影响最小。茎流速率与太阳辐射、大气温度、风速和饱和水汽压差均呈极显著(<0.01)正相关，与空气相对湿度呈极显著(<0.01)负相关。

采用通径分析方法，进一步研究各气象因子对苹果树茎流速率的直接作用和间接作用。由表5可知，大气温度对苹果树茎流速率的直接作用最大，太阳辐射对茎流速率的直接作用次之，饱和水汽压差对茎流速率产生直接负作用。大气温度的直接作用和太阳辐射、饱和水汽压差的间接作用共同影响苹果树茎流速率。

为进一步探究气象因子对不同灌水量条件下苹果树茎流速率的综合作用，采用逐步多元回归分析方法，建立不同灌水量条件下苹果树茎流速率和气象因子的回归方程(表6)。W1、W2和W3处理回归方程的因变量为瞬时间尺度下8月6日—15日茎流速率，自变量为同时期气象因子。

图3 6—9月红肉苹果树茎流速率日变化规律Fig.3 Diurnal variation of sap flow rate of red apple trees from June to September

表3 红肉苹果树茎流速率月际动态变化

表4 红肉苹果树茎流速率与气象因子的相关系数

表5 红肉苹果树茎流速率与气象因子的通径分析

表6 红肉苹果树茎流速率与气象因子的回归方程

在建立的3个回归方程中，大气温度、太阳辐射和饱和水气压差均为输入变量，3个回归方程均通过了显著性检验(<0.01)，决定系数均在0.83以上，说明建立的3个方程拟合性较好，影响茎流速率的主要环境因子均已考虑在内，可以较好地说明各气象因子对茎流速率的影响。

2.2.2 土壤体积含水量

除气象因子外，土壤含水量也是影响茎流速率变化的重要因素。选取8月6日—15日苹果树日均茎流速和不同土层土壤体积含水量数据进行相关性分析。从表7可知，各处理50 cm土层土壤体积含水量与茎流速率的相关系数最大，均达到极显著水平(<0.01)。

表7 红肉苹果树茎流速率与土壤体积含水量的相关系数

采用通径分析方法分析不同土层土壤体积含水量对茎流速率的直接影响和间接影响，根据输入变量<0.05、输出变量>0.01的原则进行通径分析。从表8看出，输入变量均为50 cm土层土壤体积含水量，其余变量均为输出变量。综合分析得出50 cm土层土壤体积含水量是影响茎流速率的关键因子。

2.3 不同灌水量对红肉苹果产量、品质的影响

从表9可知，果形指数、单果重和产量随灌水量的增加而增加，W2和W3处理差异不显著(>0.05)，但均显著(<0.05)大于W1处理。W2处理的灌溉水分生产率最大，W3处理次之。

表8 红肉苹果树茎流速率与土壤体积含水量的通径分析

表9 不同灌水量对红肉苹果产量的影响

如表10所示，W2处理的总糖和维生素C含量最高，说明适当减少灌水量有利于果实糖分的积累和维生素C含量的提高。可溶性固形物、总酸、纤维素含量随灌水量的增加逐渐增大，W2和W3处理的可溶性固形物、纤维素含量差异不显著(>0.05)，说明适当减少灌水量可以降低果实可溶性固形物、总酸、纤维素含量。

幼果期和果实膨大期W2和W3处理的日均茎流速率和产量差异均未达到显著性水平(>0.05)，鉴于适当减少灌水量有利于果实积累糖分和提高灌溉水分生产率；因此，W2处理设置的灌水量更适合研究区红肉苹果树灌溉。

表10 不同灌水量对红肉苹果品质的影响

3 讨论

研究不同灌水量条件下苹果树茎流速率变化规律，可以确定苹果树实际蒸腾耗水量。本研究发现，苹果树生育期茎流速率排序为果实膨大期>成熟期>幼果期，与党宏忠等对黄土高原苹果树茎流速率的研究结果相似。6—7月苹果树茎流速率最高，该时期是苹果树需水量和耗水量最大的时段。不同灌水量条件下苹果树茎流率均呈昼高夜低的变化趋势，夜间茎流速率变化平稳，根压会使水分主动被吸入树体，补充白天蒸腾消耗大量的水分，保持水分平衡。植物树干茎流受植物自身生物学特性、土壤水分条件和气象因子等多种环境因子的综合作用，其中，气象因子是影响茎流速率变化的关键因素。本研究发现，大气温度是影响苹果树茎流速率最关键的气象因子，与石游等对阿克苏地区富士苹果的研究结果一致；但也有研究表明，太阳辐射是影响苹果树干茎流速率最直接的气象因素，可能是因为研究区地理位置不同，气候条件存在差异，影响茎流速率的关键因素也不同。丁日升等研究表明，风速对茎流速率的影响较小，本研究结果与此一致；另外，茎流速率与太阳辐射、大气温度呈极显著正相关，与空气相对湿度呈极显著负相关。

土壤水分条件是影响植物茎流速率变化的另一重要因素。王卓等研究表明，沙棘液流速率随灌水量增加而增大；赵付勇等研究发现，滴灌条件下核桃树日均茎流速率随着灌水量的增加而增大。本研究中，不同程度的土壤水分亏缺是影响苹果树茎流速率差异的主要原因，在低土壤含水量下苹果树茎流速率与气象因子的相关性和敏感性低于高土壤含水量下，与李思静等的研究结果一致。赵平等研究表明，当土壤水分含量较低时，土壤含水量对植物液流速率起主导控制作用，主要是因为当植物根系吸水不能满足蒸腾失水时，部分气孔关闭或开度下降导致植物蒸腾作用受到抑制。50 cm土层土壤体积含水量是影响苹果树茎流速率变化的关键因子，与赵明玉等对阿克苏地区富士苹果的研究结果一致，主要是因为试验果园一直采用滴灌施肥，苹果根系分布较浅，渗透深度在50 cm左右。

4 结论

不同灌水量条件下苹果树茎流速率变化趋势基本一致，均呈单蜂型曲线和“几”字型变化趋势，日均茎流速率随灌水量的增加而增加。瞬时间尺度下影响苹果树茎流速率的关键气象因子是大气温度、太阳辐射和饱和水气压差；日尺度下50 cm土壤体积含水量对苹果树茎流速率影响显著，适当减少灌水量有利于提高灌溉水分生产率，利于果实糖分的积累和维生素C含量的增加。从果实品质、产量和节水灌溉的角度综合考虑，认为W2处理设置的灌水量更适合阿克苏地区苹果树灌溉。