基于莖干直徑微變化制定蘋果灌溉制度

劉春偉, 康紹忠

1 南京信息工程大學應用氣象學院, 江蘇省農業氣象重點實驗室, 南京 210044 2 中國農業大學中國農業水問題研究中心, 北京 100083

基于莖干直徑微變化制定蘋果灌溉制度

劉春偉1, 2, 康紹忠2,*

1 南京信息工程大學應用氣象學院, 江蘇省農業氣象重點實驗室, 南京 210044 2 中國農業大學中國農業水問題研究中心, 北京 100083

莖干直徑的動態微變化是研究植物體水分和生長狀況的重要指標。利用測樹器監測西北旱區盛果期蘋果樹莖干直徑微變化規律，根據監測記錄獲得莖干直徑日最大值(MXTD)、莖干直徑日最大收縮量(MDS)數據，并探討莖干直徑微變化規律及其對環境因素的響應，為莖干直徑微變化用于指導精確灌溉提供科學依據。實驗結果表明，晴天或多云天氣下，蘋果樹莖干直徑在每天的7：00或8：00時刻達到一天最大值，在16：00左右達到一天的最小值，莖干直徑年增長量與果實產量成反比例關系。整個生育期MXTD呈先快速增加后平穩的變化特征。2010年MDS與莖干水勢(φstem)呈顯著負相關關系(r2=0.76***,n=14)，這表明MDS可以反映蘋果樹的水勢狀況。生育后期的MDS對環境因素響應比生育前期敏感，全生育期MDS與氣象因素的決定系數大小順序為日最大水汽壓差(VPDmax)>日最高溫度(Tmax)>凈輻射(Rn)。莖干直徑微變化規律可以反映西北旱區盛果期果樹的水分狀況，可以為果園灌溉制度的確定提供科學依據。

莖干直徑微變化; 莖干直徑日最大收縮量; 蘋果樹; 環境因子; 灌溉制度

果樹莖干直徑微變化是指莖干直徑每日膨脹和收縮的循環過程，是表征果樹生長狀況的重要指標，它與土壤含水量、植物水分狀況和氣象因素關系密切[1-2]。植物水分參數如莖干水勢、葉水勢和土壤水分等測定耗時耗力，而莖干直徑微變化監測簡單易行，因此莖干直徑微變化監測有望被用作診斷植物水分狀況的手段[3-4]。測樹器是目前測量莖干直徑微變化的主要儀器之一[5]，其基本原理是利用滑動電阻將莖干變化產生的位移轉換為電阻值的變化，通過對電阻值變化的自動記錄實現對莖干直徑微變化的連續監測。莖干直徑微變化可以表征果樹生長及其體內水分狀況[6-7]。

從果樹莖干直徑微變化資料中可以得到多個參數，它們與植物體的生長和水分狀況的關系是當前研究的熱點。日最大莖干直徑(MXTD)在生育后期可以很好的反映果樹水分狀況，且與土壤含水量關系密切[8]；莖干生長速率(TGR)是果樹營養生長發育的體現，成熟期果樹的根系深，植物體調節水分虧缺能力較強，在果樹坐果量較大時，TGR與環境因子的相關性較弱，不能用于指導灌溉[9]。莖干直徑日最大收縮量(MDS)與莖干水勢呈穩定的負相關關系，MDS受水勢控制，不受隨年際變化的產量影響[10-11]，其大小可反映果樹的水分虧缺狀況[12]。TGR和MDS可作為梨棗水分虧缺的診斷指標[13]，而在不同生長階段的棉花宜采用不同參數作為水分診斷指標[14]。西北旱區果樹莖干直徑變化規律如何，由莖干直徑微變化監測數據得到的相關參數是否與蘋果樹水分狀況密切相關，有待進一步驗證。

本研究采用測樹器監測2007—2010西北干旱區盛果期蘋果樹的莖干直徑微變化，在分析莖干直徑微變化規律的基礎上得到莖干直徑微變化與作物水分狀況的關系。本文的目的是：(1)研究西北旱區特殊生長條件下盛果期蘋果樹的莖干直徑微變化規律及其影響因素；(2)探討莖干直徑微變化過程中相關參數指導盛果期蘋果樹灌溉的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2007—2010年在中國農業大學石羊河流域農業與生態節水試驗站(甘肅武威)進行。試驗站位于北緯37°52′，東徑102°51′，海拔高程1581 m，屬武威市平川灌區。年平均氣溫8 ℃，年積溫(>0 ℃)3550 ℃，年平均降雨量164.4 mm，年平均水面蒸發量2000 mm，干旱系數在15—25之間，年平均日照時數3000 h，無霜期150 d左右，為典型溫帶干旱大陸性氣候。地下水位為40—50 m。土壤質地為沙壤土，平均土壤干容重為1.46 g/cm3，平均土壤田間持水量為0.30 cm3/cm3。

1.2 不同年份的灌溉制度

試驗對象蘋果樹為元帥系列紅香蕉品種，砧木為山丁子(MalusdomesticaBorkh. cv Golden Delicious)，樹齡為29a(2010)。蘋果樹分布呈東西走向，行距為6 m，株距為4 m。試驗蘋果樹生育期有發芽開花、展葉幼果、果實膨大、果實成熟四個生育期。依據多年平均耗水量計算灌水定額；采用小區畦灌的灌溉方式，用水表控制水量，依據果園實際管理情況和環境條件確定灌水時間。灌溉水源為地下水。每年施肥量相同。2007—2010年的灌溉制度及降雨量見表1。

表1 不同年份灌溉制度

1.3 測定指標

本試驗采用植物生長測量儀(Diameter Dendrometer, Ecomatik GmbH, Germany)連續自動監測果樹莖干直徑變化。兩個生長測量儀DD1、DD2分別安裝在地面以上50 cm處的東西方向和100 cm處的南北方向樹干上，用錫箔紙進行防曬處理。生長測量儀與植物生理監測系統(Meteorological monitoring system; Jauntering, Taiwan)的數據自動采集器(HL20 Data Logger)相連接，每隔1 h自動記錄生長測量儀滑動電阻的電阻值。植物生理監測系統監測數據還包括凈輻射、溫濕度、風速和土壤熱通量等氣象因素。水汽壓差由空氣溫度和相對濕度計算。

相對莖干直徑(D):

D=k×ohm

(1)

式中,ohm為生長測量儀監測的滑動電阻值(KΩ)，k為電阻、位移轉換系數。生長測量儀DD1和DD2的k值分別為0.204和0.223。i時刻莖干直徑的變化量Δi由兩個相鄰時刻的相對莖干直徑計算得到：

Δi=Di-Di-1

(2)

若以監測起始時間作為莖干直徑相對零點，則可以求得監測時段內莖干直徑的微變化量。MDS為莖干直徑早晨某時刻日最大值和傍晚某時刻日最小值的差[1]。當受大風、降雨等影響時，樹干直徑可能并非在以上兩個特定時刻出現最大和最小值，此時MDS不能反映植物體內的水分狀況，應將此時的MDS數據剔除。

根區土壤體積含水率采用管式時域反射儀(Tube-TDR; IMKO Micromodultechink, Germany)監測。試驗選取3株果樹，每株樹布置4根測管，測管深度180 cm，每5 d測定1次，測點垂向間距為10 cm。每隔30 d用烘干稱重法對TDR進行校正。

莖干水勢的測定方法如下：選取3株樣樹，測定前3 h，在接近果樹樹干處選取2片葉柄粗壯的成熟葉片，用錫箔紙覆蓋的不透光密封塑料袋將葉片包裹好，在中午將葉片離體后立即測定。采用壓力室(SKPM 1400, Skye, United Kingdom)測定中午遮蓋葉片水勢，并認為中午遮蓋葉片水勢與莖干水勢相等[15]。

采用FAO-56中的Penman-Monteith公式計算參考作物蒸發蒸騰量[16]：

(3)

式中,Rn為冠層表面的凈輻射(MJ m-2h-1)，G為土壤熱通量(MJ m-2h-1)，T為2 m高度處的平均溫度(℃)，es和ea分別為平均溫度對應的飽和水汽壓和平均實際水汽壓(kPa)，u2為2 m處平均風速(m/s)，Δ為溫度水汽壓斜率(kPa/℃)，γ為濕度計常數(kPa/℃)。

2 結果分析

2.1 莖干直徑日變化規律

2008年不同生育期莖干直徑和參考作物蒸發蒸騰量的變化如圖1所示。每個生育期選取3 d進行莖干直徑微變化分析，以所選日期初始的0：00時刻為莖干直徑相對0點，記錄莖干直徑的波動狀況。從圖中可以發現，晴天或多云天氣條件下，7：00—8：00的平均ET0接近0 mm/h，這一時刻果樹莖干直徑達到最大值；在8：00—16：00范圍內，樹干直徑不斷減小；在16：00到次日8：00時段內樹干直徑不斷增大。

圖1 2008年西北旱區蘋果園莖干直徑微變化

2.2 莖干直徑日最大值變化規律

莖干直徑日最大值(MXTD)的生育期變化反映果樹不同生育階段的生長速率[2]。從圖2中可以看出，灌水及降雨之后1—2 d，MXTD值會增大200 μm—300 μm，降雨后3—4 d，MXTD值減小50 μm—100 μm，果樹莖干變化恢復到降雨前的增長趨勢。當降雨或灌溉發生時，莖干生長速率增大，之后1—3 d莖干生長速率為負值。

DOY 94—120 d屬于發芽開花期，此時蘋果樹葉面積指數小，葉片未伸展，果樹莖干直徑生長不明顯；DOY 120—186 d屬于展葉幼果期，此時生長速率較大，莖干直徑不斷增加，MXTD與DOY關系圖的斜率為30—50；DOY 200 d后，進入果實膨大和成熟期，枝條和葉片生長顯著減慢，果實迅速膨大，此期間MXTD比較穩定。

圖2 2007—2010年莖干直徑日最大值MXTD(以果樹發芽為0點)

2.3 莖干直徑日最大收縮量的變化規律

眾多學者認為莖干直徑日最大收縮量(MDS)與植物莖干水勢關系密切，最能反映植物體內水分狀況，并認為MDS主要受氣象因素、土壤含水量影響[17-19]。圖3為MDS與參考作物蒸發蒸騰量的季節變化規律。圖3表明，各年份整個生育期MDS均呈現先增大后減小的季節變化趨勢，且變化幅度較大，這可能與果園畦灌灌溉方式有關。4—5月MDS開始增加，6—7月達到最大(400—500 μm)。2007年MDS從7月的500 μm逐漸減小至9月底的300 μm；2008年MDS在6月初達到400 μm逐漸減小到9月底300 μm；2009和2010年MDS從4月的50 μm逐步增加至5月底的300 μm，6月分別達到最大值400 μm和500 μm，然后逐步減小。圖3還表明，除發芽開花期外，ET0增加時，蘋果樹MDS增大。

圖3 莖干直徑日最大收縮量MDS (μm)

蘋果樹MDS與莖干水勢(φstem)呈顯著負相關關系(r2=0.76***,n=14)，隨著φstem減小，MDS增大(圖4)。以往研究也表明，MDS與φstem呈線性關系[7, 18, 20-21]。蘋果樹MDS與莖干水勢關系密切，表明MDS可以反映成年蘋果樹體內水分狀況[11]。

圖4 晴天天氣條件下旱區蘋果園莖干直徑日最大收縮量(MDS)與莖干水勢(φstem)的關系

通過多年試驗資料，分析得到MDS與氣象因子間的關系(表2)。從表2中可以發現，除2007年外，果實膨大和成熟期MDS對凈輻射、日最高空氣溫度(Tmax)、日最大水汽壓差響應明顯高于發芽開花和展葉幼果期。果實膨大和成熟期MDS與日平均凈輻射(Rn)、日最大水汽壓飽和差(VPDmax)的相關系數均超過0.5；2009年果實膨大和成熟期MDS與VPDmax相關系數最高達到0.948。全生育期MDS與氣象因素的決定系數大小順序為VPDmax>Tmax>Rn。

3 討論

3.1 莖干直徑微變化規律

連續降雨天氣條件下，果樹莖干直徑變化不再呈正弦曲線波動，莖干直徑日最小值或最大值出現在一天起始或結束時刻，而不是出現在16：00和8：00。這可能是由于樹干吸水，直徑膨大，此時得到的莖干直徑微變化參數不能反映植物體吸水失水過程，應進行校正。晴天和多云天氣條件下莖干直徑微變化規律無明顯差別，說明莖干直徑微變化受熱脹冷縮影響較小。分析降雨或灌溉導致的莖干直徑波動有以下原因：(1)降雨和灌溉使得植物體內水分狀況良好，果樹莖干直徑顯著增大；(2)降雨后果樹莖干樹皮受水分影響發生膨脹，隨著樹皮水分減少，果樹莖干直徑也減小，而且這種減小可以抵消莖干直徑生長。這會引起莖干直徑變化監測結果誤差，需要進行合理校正以得到正確的莖干直徑變化監測結果。

雨天天氣下，莖干直徑微變化峰值不明顯。除了陰雨天氣，日最大莖干直徑(MXTD)在發芽后逐日增大；成熟采收期MXTD不再增加，甚至是逐日降低。2007和2008年，果樹莖干直徑在DOY 194—200 d期間停止增長，2009—2010年，在DOY 186—194 d之間莖干直徑不再增長。DOY 120—186 d為果樹展葉幼果期和果實膨大期前半段，這期間果樹枝條葉片快速生長。

3.2 莖干直徑日最大收縮量(MDS)與各環境因素關系

MDS可以反映成年蘋果樹體內水分狀況，因此采用MDS探討莖干直徑微變化對環境因素的響應。全生育期MDS與氣象因素的決定系數大小順序為VPDmax>Tmax>Rn，這表明VPDmax是影響蘋果樹的MDS的主要因素。有研究表明其他氣象因素，如太陽輻射[23]和空氣溫度[7]是與MDS最相關的因素。MDS與VPDmax和Tmax相關性高表明MDS受最大需水時段內的氣象條件影響大[24]，Egea等認為MDS與各氣象因素相關程度差異主要是果樹種類不同造成的[24]。從多元線性回歸模型看(表2)，果實膨大和成熟期MDS與氣象因子綜合相關系數高于發芽開花和展葉幼果期，這可能是果樹體內儲水量大，MDS的變化受氣象因素的影響大[11]。

表2 不同生育階段MDS對環境因子的響應

以DOY 186—200將生育期劃分為兩個階段; 表達式MDS=aX+b，式中X表示不同的環境因子，a，b為系數，r2為相關系數平方；Rn表示凈輻射，Ta、Tmax、Tmid13、T8—16分別為日平均、日最大、中午13：00、和8：00—16：00的空氣溫度，VPD和VPDmax分別為日平均和日最大水汽壓差(KPa)，ET0表示參考作物蒸發蒸騰量(mm/d)；r2沒有標記表示顯著性因子高于0.05，不顯著，*、**、***分別表示顯著性水平P<0.05，P<0.01，P<0.001

當ET0增加時，蘋果樹莖干失水增加，這會導致莖干水勢下降和植物與土壤間水勢梯度上升，從而MDS增大[11]。由于發芽開花期葉片較小，ET0增大未導致果樹莖干過量失水，莖干收縮不明顯，故MDS與ET0之間的關系不明顯。不同生育階段MDS與ET0之間的決定系數差別較大，發芽開花和展葉幼果期較小，果實膨大和成熟期較高為0.50—0.85(表2)。研究表明，成年檸檬樹(30年生)、櫻桃樹(2年生)、石榴樹(10年生)和油桃樹(7年生)的MDS與ET0之間的決定系數分別為0.68[7]、0.5—0.6[26]、0.76[26]和0.37[27]，不同果樹MDS與ET0的關系不僅與果樹種類有關，還與土壤含水量[28]和樹干液流量[29]有關。

3.3 莖干直徑微變化與產量的關系

2007年DOY 150—280之間，莖干直徑增大1994 μm。2008、2009和2010年莖干直徑增大總量分別為4796、2152 μm和3063 μm，2007—2010年蘋果產量分別為81200、37715、82067、32597 kg/hm2，果實產量越高，莖干直徑年增長總量較小，果實負載量對莖干直徑的增大總量有影響。從年際變化看，直徑年增長量有下降趨勢。Berman和DeJong的研究認為果實產量越高，莖干直徑年增長量越低，單株果樹產量與樹干直徑年增長量呈反比關系[30]。Conejero也認為果實產量與莖干直徑微變化的關系密切[20]。

3.4 莖干直徑日最大收縮量指導灌溉方法探討

由于莖干直徑微變化受氣象因素、土壤水分、樹齡、耕作措施等影響較大，目前很少采用其絕對值作為灌溉標準，而是根據不同水分狀況下的莖干直徑微變化規律來進行精確灌溉[31]。其基本原理是以充分供水下各參數的變化為標準，根據實際的參數與充分供水下規律對比，得到實際生產中的灌溉制度。

充分供水條件下MDS主要受氣象因素影響，充分灌溉下MDS的值可作為灌溉參考值，當蘋果樹莖干MDS持續高于水分充足條件下的MDS時，就需要進行灌溉來保證果樹體內水分狀況良好[17]。MDS可以充分反映植物細胞吸水膨脹、失水收縮的過程，故通過充分供水下的MDS的來指導灌溉是目前研究的熱點。根據本研究結論，MDS可以由以下幾種途徑確定：第一，精確測定其特定時段樹干直徑(早晨和傍晚的最大和最小值)可以得到近似的MDS數據；第二，采用測樹器實際測定MDS結果；第三，采用經驗公式，根據單一因素或多因素回歸模型近似計算MDS。假定充分供水下的MDS為MDSr，實際生長條件下的MDS為MDSt，則可以得到MDS的信號強度SIMDS的變化過程[1]：

SIMDS=MDSt/MDSr

(4)

充分供水灌溉標準SIMDS可取為1或者小于1；依據灌溉可利用水資源狀況，可取SIMDS為1.15、1.25等作為非充分灌溉的標準。一般當MDSt值連續3d超過所選閾值時進行灌溉。若需要在某階段進行非充分灌溉，則調高這一階段的信號強度[2]。

4 結論

果樹莖干直徑在8：00左右達到最大值，在16：00左右達到最小值，精確測定這兩個時刻莖干直徑可近似得到其日最大收縮量(MDS)。MXTD呈先增長后保持穩定的季節變化規律；MDS與莖干水勢關系密切，表明莖干直徑微變化可以反映蘋果樹水分狀況；MDS對VPDmax和ET0響應最為明顯，果實膨大和成熟期的MDS對凈輻射、空氣溫度、水汽壓差、參考作物蒸發蒸騰量響應明顯高于發芽開花和展葉幼果期。綜上所述，蘋果樹莖干直徑微變化規律可以為制定蘋果園的灌溉制度提供科學依據。

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Assessment of trunk diameter fluctuation for irrigation schedule in apple trees

LIU Chunwei1,2, KANG Shaozhong2,*

1JiangsuProvincialKeyLaboratoryofAgriculturalMeteorology,CollegeofAppliedMeteorology,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China2CenterforAgriculturalWaterResearchinChina,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China

Research on agricultural water consumption in northwest China is crucial to relieve problems associated with the water crisis. Apples are a typical crop in China that have been used in agriculture for centuries. As production increases for economic growth, it is essential to analyze water transport mechanisms and water accessibility to mature apple orchards in arid regions. Trunk diameter fluctuation is an effective indicator of the water condition of plants. Its role as an indicator of plant water conditions thus emphasizes that it is crucial to design an irrigation schedule. The changes in the trunk diameter of mature apple trees (MalusdomesticaBorkh. cv Golden Delicious) was monitored using dendrometers at the Shiyanghe Experimental Station for Water-saving in Agriculture and Ecology of China Agricultural University (37°52′N, 102°51′E, altitude 1581 m). Stem water potential was measured using a pressure chamber. Wind speed, net radiation, relative humidity, and air temperature were monitored by an automatic meteorological station, and soil moisture was measured every 5 days using Time-Domain Reflectometry (TDR) methods based on the previously described data analysis. Change in the maximum daily trunk diameter (MXTD) and maximum daily diameter shrinkage (MDS), as well as their response to environmental factors were also monitored. The results showed that MXTD occurred at 7:00 to 8:00 in the morning and minimum of daily trunk diameter (MNTD) occurred at approximately 16:00 during sunny or cloudy days in 2008 on a daily scale. The trunk diameter increased at night and decreased during the day, which was meanly depended on reference evapotranspiration. MXTD increased during bud development, flowering, and leaf expansion periods (stage I) and remained constant during the fruit expanding and maturing periods (stage II), which was closely related to the MDS of the apple tree. Higher fruit yields were associated with smaller fruit stem diameter growth. MDS increased at the beginning and then gradually decreased during the entire growing stage. The relationship between MDS and stem water potential was linear and the determination coefficient was 0.76***. Consequently, MDS indicated the water status of the mature apple trees. However, MDS was more responsive to net radiation, reference evapotranspiration, vapor pressure deficit, and air temperature at stage II than at stage I because the canopy structure was not developed, and the water stored in the apple trees less frequently fluctuated during stage I. The order of determination coefficient over the whole growing stage was as follows: maximum vapor pressure deficit > maximum air temperature > net radiation. Multiple regression relationships among MDS and environmental factors can be used to calculate the MDS for well water supplied to apple trees, which could be considered as a reference value when the tree requires irrigation. Thus, the fluctuation regularities of tree trunk diameter could reflect the water status of the entire fruit period of fruit trees situated in arid areas of Northwest China and help improve orchard water management, as well as ensure the normal growth of fruit trees.

trunk diameter fluctuation; maximum daily diameter shrinkage; apple tree; environmental factor; irrigation schedule.

國家自然科學基金資助項目(51321001, 91425302，51309132); 江蘇省農業氣象重點實驗室開放基金(S5312041001); 江蘇省高校自然科學研究面上項目(13KJB170015); 江蘇省基礎研究計劃青年基金項目(BK20130995)

2013-11-13;

2014-09-09

10.5846/stxb201311132724

*通訊作者Corresponding author.E-mail: kangshaozhong@tom.com

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