極端干旱區葡萄SPAC系統水流阻力規律研究

劉洪波，白云崗，張江輝，虎膽·吐馬爾白

（1.新疆農業大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049）

極端干旱區葡萄SPAC系統水流阻力規律研究

劉洪波1，2，白云崗2，張江輝2，虎膽·吐馬爾白1

（1.新疆農業大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049）

在極端干旱條件下，以成齡無核白葡萄為研究材料，采用滴灌技術研究不同水分處理下氣孔阻力連日變化及其與蒸騰速率、土壤水勢、葉水勢的關系，并分析水流阻力的分布及變化規律。結果表明：各水分處理在灌水后均隨著時間的推移，蒸騰速率緩慢下降，其中高水處理的蒸騰速率最大，低水居中，中水最低，氣孔阻力與蒸騰速率的變化趨勢相反，表現為隨灌水時間的延伸而增大；氣孔阻力隨著葉水勢的減小而增大，呈顯著負相關關系，且在高水與中水處理中，氣孔阻力僅與20cm土層以上土壤水勢呈極顯著相關，而低水處理氣孔阻力與20－30cm土層土壤水勢呈極顯著相關；在各水流阻力中，葉－氣系統水流阻力最大，占該連續體中水流總阻力的98.8%～99.0%，植株體內水流傳輸阻力次之，占該連續體中水流總阻力的1.0%～1.2%。不同水分處理SPAC系統中的水流阻力變化規律一致，均為葉－氣系統水流阻力最大，植株體內水流傳輸阻力次之，而土壤阻力最小，占該連續體中水流總阻力的比例小到可忽略不計。

葡萄；土壤－植物－大氣連續體；水流阻力；氣孔阻力

吐哈盆地是著名的葡萄生產基地，也是嚴重缺水的極端干旱區。土壤－植物－大氣連續體（soilplant－atmosphere continuum，簡稱SPAC）中水分的傳輸是從土壤到達植物根系、進入根系、由植物的木質部到達植物葉片，再由氣孔擴散至大氣中去，從而形成了一個統一的動態系統。在SPAC系統中，水流阻力的確定是SPAC系統水分研究中一個很重要的方面，自Phillip在1966年提出了土壤－植物－大氣連續體的概念后，國內外對SPAC的研究無論在理論上還是在實踐上都開展了大量的工作。如康紹忠、冷石林、邵明安等學者［1－5］討論研究了SPAC系統中水流阻力的分布規律以及勢能傳輸變化規律，郭慶榮、張喜英等［6－11］針對小麥、玉米以及油松人工林等水流阻力進行了研究并計算得到所研究作物的水流阻力值，張斌［12］對不同耕作制度下大豆、花生等作物氣孔阻力和水流阻力的分布及其日變化規律進行了研究。本文旨在針對該區的氣候環境，葡萄園SPAC系統中土壤水勢、葉片水勢和大氣水勢等值的測定得到氣孔阻力和水流阻力的變化規律，了解水分運行機制，更好地指導灌溉。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗地點位于新疆吐魯番地區鄯善縣的新疆葡萄瓜果開發研究中心試驗基地，地理坐標北緯42.91°，東經90.30°，海拔419m，年降雨量25.3mm，年蒸發量2 751mm，≥10℃積溫為4 522.6～5 548.9℃，全年日照時數2 900～3 100h，平均日較差為14.3～15.9℃，最大可達17～26.6℃ ，無霜期192～224d。土壤質地主要為礫石沙壤土。葡萄品種為無核白，1981年定植，樹齡28a，大溝定植，東西走向，溝長54m，溝寬1.0～1.2m，溝深0.5m左右；株距1.2～1.5m，行距3.5m；栽培方式為小棚架栽培，棚架前端高1.5 m，后端高0.8m。

1.2 試驗設計

試驗采用地面滴灌方式，設高水X1（14 775m3/hm2）、中水 X2（7 950m3/hm2）和低水 X3（5 850m3/hm2）3個不同的水分處理，每個處理設2個重復，小區面積0.028hm2。

1.3 試驗內容與方法

1.3.1 葡萄葉片水勢 采用PMS壓力室水勢儀測定葉水勢，于2010年葡萄成熟初期選擇一個灌水周期（7月20－26日）晴朗天氣連續觀測，從8：00－20：00每4h測一次，測定部位為主葡萄枝從下往上數第3葉，每處理測6片葉片，取其平均值。

1.3.2 土壤水勢 土壤水勢利用DLS－II負壓計測定20，30，50cm土層負壓。

1.3.3 土壤含水率 土壤含水率采用TRIM－IPH中子儀測定，在2010年7月20－26日上午8：00觀測不同處理0－20，20－40，40－60，60－80，80－100 cm土層含水率。

1.3.4 大氣水勢 監測儀器選用的美國COMPBELL公司生產的氣象監測系統，主要觀測項目包括大氣溫度、大氣相對濕度等，系統全天候自動觀測，20 min觀測1次。

1.3.5 氣孔阻力 采用CIRAS－2型光合儀在8：00測定葉片氣孔導度，每個處理選取9片長勢均勻、無病蟲害且角度一致的新成熟葉片，取其平均值。

2 理論計算公式

2.1 大氣水勢

大氣水勢（ψa）采用熱力學中化學熱的概念來計算，其計算公式［13］為：

式中：R——普適氣體常數，其值為8.31［（Pa·m3）/（mol·K）］；T——絕對氣溫（K）；Vw——水的摩爾體積，其值為1.8×10－5m3/mol；RH——大氣的相對濕度。將Vw、R的值代入式（1）即得ψa＝4.6248×105TlnRH

2.2 土壤阻力

土壤阻力（Rs）采用 Gardner－Gowan公式［14］計算，僅需土壤基質勢資料，即：

式中：ψm——土壤基質勢（MPa）；Rsi——第i層土壤阻力［Pa/（W·m2）］；i取50cm 以上土層；ψmo——土壤水分特征曲線上飽和點的進氣值（W/m2）；Rs——土壤阻力［Pa/（W·m2）］。

2.3 植物體的阻力

植物體的阻力（Rp）也就是植物體的傳導阻力，包括植物根系阻力、莖和葉肉阻力，可表示為：

式中：Rp——植物體的阻力［Pa/（W·m2）］；ψm——土壤基質勢（MPa），在忽略重力勢的作用時，土壤水勢主要由土壤基質勢構成；ψL——植物葉水勢（MPa）；T——植物葉片的蒸騰速率［mmol/（m2·s）］。

2.4 葉－氣系統的水流阻力

葉－氣系統的水流阻力（Rla）主要包括葉肉阻力、角質層阻力、氣孔阻力、葉片周圍寧靜空氣層阻力和冠層上方邊界層阻力。角質層阻力相對于氣孔阻力來說要大得多，葉片水分散失的主要路徑是氣孔，葉肉阻力較小，可以忽略不計，在葉氣孔水分散失路徑中的水流阻力主要是氣孔阻力和葉片層流邊界層及冠層上方湍流邊界層的阻力。葉－氣系統的總水流阻力Rla可根據葉－氣系統水勢差和蒸騰速率求得：

3 結果與分析

3.1 葡萄蒸騰速率與氣孔阻力連日變化

由不同水分處理下蒸騰速率連日變化（表1）可看出，3個不同的水分處理高、中、低的連日變化均呈下降趨勢。各水分處理均在灌水后第一天取得最大值，隨著時間的推移而逐漸下降，然后在下次灌水前達到最低點，且3個水分處理中，高水處理蒸騰速率每天均為最大，低水處理居中，中水處理的蒸騰速率最低。

表1 不同水分處理下蒸騰速率連日變化 mmol/（m2·s）

表2中各水分處理的變化規律明顯，均隨著灌水后時間的延伸而呈增大趨，其中中水處理氣孔阻力最大，低水次之，高水最低，可見葡萄氣孔阻力的連日變化趨勢與蒸騰速率的連日變化趨勢相反。

表2 不同水分處理下氣孔阻力連日變化 mmol/（m2·s）

3.2 氣孔阻力與葉片水勢、土壤水勢的關系

氣孔是植物與外界進行氣體交換的通道和控制蒸騰的結構，氣孔的開閉調控著植物的氣體交換和水分蒸散，而氣孔阻力是SPAC系統中葉－氣系統水分運移氣孔路徑上的主要阻力［11］。因此，對不同水分處理下氣孔阻力與土壤、葉片水勢進行相關分析。結果顯示（表3）：各水分處理在灌水后雖然都表現出隨著葉水勢減小而氣孔阻力增大的趨勢，但只有高水處理氣孔阻力與葉水勢極顯著相關。葉水勢和氣孔阻力受多種因素影響，如氣象因素，同時也會受到作物本身生理過程調節的影響，如在葡萄成熟時期，該地區氣溫較高，可能導致由于氣孔調節形成的氣孔阻力變化與葉水勢變化的不同步。

表3 氣孔阻力與葉片水勢的關系

在一個灌水周期內，由氣孔阻力與土壤水勢的相關分析（表4）結果表明：氣孔阻力隨土壤水勢減小而增大，高水與中水處理中氣孔阻力僅與20cm土層以上與土壤水勢極顯著相關，而低水處理氣孔阻力與20－30cm土層土壤水勢極顯著相關，各水分處理在50 cm土層深度上氣孔阻力對土壤水勢的影響小于50 cm土層以上氣孔阻力對土壤水勢的影響，且由相關系數可看出氣孔阻力在30cm土層以上對土壤水勢作用關系明顯，說明氣孔阻力同樣適宜于作為土壤干旱脅迫指標。

表4 氣孔阻力與土壤水勢的關系

3.3 連續體中能量變化及分布規律

吐哈盆地鄯善縣試驗區葡萄園一個灌水周期的土壤基質勢ψm、葉水勢ψL及大氣水勢ψa的變化狀況見表5。從表5可知，試驗區土壤基質勢呈明顯的規律性，各處理不同深度上的土壤水勢表現為隨著灌水后時間的延長而逐漸減小。葡萄葉片水勢總體上反映出從大到小的趨勢，葉水勢除與土壤的含水量有關外，還與大氣濕度，相對濕度以及輻射等有關。

極端干旱區葡萄園土壤－葉片－大氣連續體中能量分布規律為：水分從土壤到達植物根表皮、進人植物根系通過莖到達葉片，其能量在各處理及不同深度上差異不大，降低約為0.316～0.925MPa；水分從葉片汽化擴散到大氣中，其能量降低達39.072～86.062MPa。說明水流在該地區土壤－葉片－大氣連續體中運移時，其能量主要消耗在由葉片到大氣這個環節上。

表5 灌水周期內SPAC中各部分能量值 MPa

3.4 葡萄園SPAC系統水流阻力分布規律

由表6可知，各水分處理剛灌水后，土壤水分含量較大，土壤水勢高，因此土壤阻力值相對很小；隨著灌水時間的延長，土壤水勢迅速降低，而土壤阻力迅速增大，土壤阻力的最大值是最小值的1 425.7倍。葡萄植株體內的水流阻力既受土壤水勢、葉片水勢的影響，同時還受到葉片蒸騰速率和土壤阻力的影響，從葡萄成熟初期一個灌水周期看，葡萄植株體內水流阻力最大值是最小值的3.1倍，而葡萄葉－氣系統水流阻力的最大值是最小值的3.5倍。由此可看出：在極端干旱區砂壤土質地下土壤－葡萄－大氣連續體中各水流阻力的變化中，土壤阻力的變化最大，植株體內水流阻力的變化最小。

表6 土壤－葉片－大氣連續體中的水流阻力 Pa/（W·m2）

在砂壤地葡萄土壤－葉片－大氣連續體各水流阻力中，葉－氣系統水流阻力最大。占該連續體中水流總阻力的98.8%～99.0%；植株體內水流傳輸阻力次之，占該連續體中水流總阻力的1.0%～1.2%；土壤阻力最小，占該連續體中水流總阻力的比例小到可忽略不計。則決定葡萄SPAC系統中水流速率的決定因素是葉－氣系統的水流阻力。

4 結論

通過對葡萄園不同水分處理土壤水勢、土壤含水量、葉水勢等指標的測定與對該連續體水分運移過程中氣孔阻力和水流阻力各主要分量的大小與變化規律的分析，發現葡萄園SPAC系統水流阻力分布規律與氣孔阻力變化規律明顯。

（1）各水分處理在灌水后均隨著時間的推移，蒸騰速率緩慢下降，其中高水處理的蒸騰速率最大，低水居中，中水最低，氣孔阻力與蒸騰速率的變化趨勢相反，表現為隨灌水時間的延伸而增大。

（2）各水分處理氣孔阻力隨著葉水勢的減小而增大，呈顯著負相關關系，且在高水與中水處理中氣孔阻力僅與20cm土層以上與土壤水勢極顯著相關，而低水處理氣孔阻力與20－30cm土層土壤水勢極顯著相關，氣孔阻力因不同的水分處理其影響深度不同。

（3）葡萄園土壤－葉片－大氣連續體中水分勢能分布規律明顯。在連續體中，土壤阻力的最大值約為最小值的1 425.66倍，植株體內水流阻力最大值是最小值的3.08倍，而葡萄葉－氣系統水流阻力的最大值是最小值的3.51倍。在各水流阻力中，葉－氣系統水流阻力最大，占該連續體中水流總阻力的98.8%～99.0%，植株體內水流傳輸阻力次之，占該連續體中水流總阻力的1.0%～1.2%，土壤阻力最小，占該連續體中水流總阻力的比例可忽略不計。

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Study on the Rule of Hydraulic Resistance of Grape in SPAC System in Extreme Arid Region

LIU Hong－bo1，2，BAI Yun－gang2，ZHANG Jiang－hui2，Hudan·Tumaerbai1
（1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agriculture University，Urumqi830052，China；2.Xinjiang Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi830049，China）

The water distribution and variation of resistance，the stomatal resistance under different water treatments for a few days，and the relationship between stomatal resistance，soil water potential and leaf water potential were studied with the mature Thompson Seedless grapes as research material，with the drip irrigation technology in the extreme drought condition.The results showed that：the transpiration rate in each of the water treatments is getting slower over time after the irrigation.The transpiration rate of the high water treatment is the highest，the transpiration rate of low water treatment is in the middle，and lowest treatment has the lowest rate.The stomatal resistance performed the opposite trend compared with the transpiration rate，increasing as the irrigation time extends.The stomatal resistance is getting larger as the leaf water potential is getting smaller，showing the negative correlation.The stomatal resistance is only significantly related to soil water potential of 0－20cm layer in high and middle water treatments，and related to soil water potential between 20cm and 30cm significantly in low water treatment.The flow resistance of leaf－air system is the largest in every flow resistances，taking up 98.8%～99.0%of the total flow resistances in this continuum，whereas the flow resistance in the plants ranks the second position，taking up 1.02% ～1.21%.The soil resistance is the smallest，takes the negligible proportion.

grape；soil－plant－atmosphere continuum；hydraulic resistance；stomatal resistance

S152.7

B

1005－3409（2011）06－0185－05

2011－05－05

2011－06－12

國家科技支撐計劃（2011BAD29B05）；新疆自治區科技攻關項目（200931105）；水利部公益性行業科研專項（201001066）

劉洪波（1982－），男，湖北天門人，碩士生，主要從事水分高效利用研究。E－mail：lhb090＠163.com

白云崗（1974－），男，新疆奇臺人，高級工程師，主要從事農業水土工程方面的研究及技術推廣工作。E－mail：xjbaiyg＠yahoo.com.cn