春玉米莖流速率變化規律及其影響因素研究

史占垚，侯立柱，蘇國龍

（1.中國地質大學（北京）水資源與環境學院，北京100083；2.山西省電力勘測設計院有限公司，太原030001）

0 引 言

水資源是不可替代的自然資源，在許多地區的農業生產中，水資源短缺已經成為限制農業發展的重要因素。能夠實時反映作物生長過程中的水分狀況是實施節水農業的重要基礎，也是實行農業可持續發展的迫切需求［1］。多位學者利用莖流計觀測的方式分析作物體內水分狀況，以及開展作物耗水規律方面的研究，闡釋了華北地區作物莖流速率和氣象因子的關系。馮東雪［2］等在噴灌條件下進行田間試驗，得出太陽輻射是影響莖流速率的最關鍵因素，風速對其影響較小。冀健紅［3］等人研究結果表明氣溫和風速對溫室番茄莖稈液流的影響主要是通過太陽輻射和水汽壓差實現的。王夢雪［4］等研究結果得出不同天氣下葡萄著色成熟期莖流速率與凈輻射、飽和水汽壓差和氣溫呈正相關，而與相對濕度呈負相關，并且施肥量不同會改變莖流速率對氣象因子的響應。閆業慶［5］等分析了3 種典型天氣條件下玉米液流通量密度與環境因子之間的關系，發現玉米液流日累積量在晴天條件下最大，雨天條件下最小。前人研究多以漫灌和噴灌為灌溉方式，且研究區多在華北地區，針對大力推行節水灌溉農業的西北干旱地區相關研究較少，故開展西北干旱地區滴灌條件下，作物莖流速率與氣象因子的關系的研究尤為重要。

玉米是西北干旱半干旱地區主要的農作物之一，耗水量高，水分供給狀況對產量影響很大［6］；但西北地區氣候干燥，降雨量少，蒸發強烈，地下水為主要灌溉水源之一，灌溉方式為大田漫灌，水分利用效率很低，水資源浪費嚴重［7］；而滴灌是一種高效節水的新型精確式灌溉技術，以滴灌為代表的節水灌溉在西北干旱半干旱地區的發展潛力很大［8］，本論文以春玉米為研究對象，以滴灌為灌溉方式，利用包裹式莖流計對春玉米莖流進行觀測，分析不同天氣條件下玉米莖流變化規律以及莖流速率與影響因子之間的關系，研究結果可為西北干旱地區的作物蒸騰量的計算提供依據，對節水灌溉農業的推廣，有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗在榆林市榆陽區補浪河鄉那泥灘村進行，屬于毛烏素沙地海流兔河流域，該地區屬于溫帶大陸性氣候，年均降雨量約為349.4 mm，多年平均氣溫為7.6 ℃，多年平均水面蒸發量（200 mm 蒸發皿）2 035.2 mm。試驗區各土層沙粒量均在90%左右，為質地均勻的壤質砂土［9，10］。

1.2 試驗設計

為了方便對春玉米的種植管理，將試驗區劃分為5 m×5 m=25 m2的小塊試驗田，小區與小區之間設置寬度為1 m 的隔離帶。

試驗材料為春玉米，品種為“沃玉3 號”，2018年4月27日播種，9月24日收獲，全生育期共151 d。行距和株距分別設置為0.415 m 和0.4 m，所施化肥為農用碳酸氫銨，化肥含氮量≥17.2%，含水率≤3.0%，春玉米生育期內施純氮總量為200 kg/hm2，本次試驗采取滴灌供水，在小塊試驗田的玉米行間安裝11條出水口間距為30 cm 的滴灌帶，每行布置一條滴灌帶，為保證春玉米生長過程中水分充足，結合參考作物蒸散量，將灌溉量設置為1.2ET0，灌溉后春玉米蒸散量達到灌溉量時進行新一輪灌溉，2018年共進行8 次灌溉，具體灌溉時間和灌溉量如表1所示。

表1 2018年滴灌日期及滴灌量統計Tab.1 Statistics of drip irrigation date and volume in 2018

1.3 試驗觀測及數據采集

（1）氣象條件：試驗期間通過小型自動氣象站監測整個玉米生長季的風速、降雨量、空氣濕度、太陽輻射強度等氣象數據，每小時采集一次數據。

（2）土壤含水率：試驗區土壤含水率通過埋設在0～80 cm 土層中的時域反射儀（Time Domain Reflectometry）采集，采集頻率為每半小時一次，探針埋設深度為10、20、30、40、50、60、70、80 cm。

（3）莖流速率［11］：春玉米生長過程中莖流速率的采集則通過Flow32A-1K 包裹式莖流計進行，每半小時監測一組數據。在玉米莖粗達到適宜于安裝莖流儀的范圍內時，剝去玉米莖稈葉鞘在裸露的玉米莖稈上，距離地面15～25 cm 的高度安裝傳感器并密封做好防水處理。為防止傳感器部位因聚集過多冷凝水而使傳感器腐蝕，同時防止累積過多熱量而使植株莖稈被過度加熱受損，每隔10 d 左右將傳感器拆卸清洗晾曬，然后重新安裝在原植株上。莖流數據監測從春玉米拔節后期（7月5日）開始，一直持續監測至蠟熟期（9月13日）結束。

（4）棵間蒸發：春玉米棵間蒸發通過在玉米行間埋設微型蒸發皿進行監測，每組蒸發皿均由內筒和外筒組成，設置大（有機玻璃，內徑102 mm，外徑200 mm）、中（PVC，內徑80 mm，外徑150 mm）、小（PVC，內徑80 mm，外徑150 mm）3種。內筒中裝入試驗區原狀土樣，并用濾紙包裹內筒底部放置于外筒內，于每日早上8 點進行稱量，若無灌溉和降雨發生，則每5 d 更換一次筒中土樣，若發生灌溉和降雨則立即更換土樣。

（5）飽和水汽壓VPD［12］（vapor pressure deficit）：利用空氣的實際水汽壓與同溫度的飽和空氣的壓差來表示，計算公式如下：

式中：VPD為飽和水汽壓差；T為空氣溫度，℃；RH為空氣相對濕度，%。

1.4 數據處理及分析方法

本次研究所得數據使用Microsoft Excel 2010 進行數據處理、分析和繪制圖表，使用SPSS 20.0對數據進行分析，對莖流速率、太陽輻射、飽和水汽壓差、溫度及風速4 種氣象因子進行相關性分析和回歸性分析。

2 結果與分析

2.1 不同天氣條件下春玉米莖流速率的日變化特征

在春玉米生長過程中，基于Sap Flow田間實測莖流數據，分別選取晴天、多云和陰雨3種不同典型天氣，繪制春玉米莖流速率日變化過程，結果如圖1所示。由圖2（a）可以看出玉米莖流速率晝夜波動幅度很大，典型晴天條件下，莖流速率曲線呈現明顯先增大后減小的“幾”字型單峰曲線，最大單株莖流速率為118.8 g/h，從早上4∶00 至6∶00 開始，莖流速率隨著氣象因子的變化開始逐漸增加，早上8∶00 之后，隨著太陽升起后光照等環境因素趨于好轉，玉米自身的生長進入活躍狀態，莖流速率開始急速增大，在12：00 之后達到峰值，并且在12∶00 至14∶30 之間在峰值附近波動；16∶00 之后，隨著太陽逐漸落下，莖流速率開始迅速減弱，在夜間20∶00 左右玉米莖流逐漸趨于靜止狀態。

圖1 不同天氣條件下春玉米莖流速率日變化Fig.1 Diurnal variation of spring maize sap flow rate under different weather conditions

圖2（b）顯示，多云條件下，由于太陽輻射強度、溫度等指標明顯低于晴天，作物莖流速率開始迅速增加的時間段要晚于晴天條件下，且作物莖流達到峰值的時間也較晴天滯后，最大單株莖流速率為71.7 g/h，在16∶00 達到峰值后開始下降，同樣在20∶00左右歸于靜止，在夜間依然出現莖流，主要是由于前一天是晴天，作物因蒸騰作用消耗大量水分，需在夜間進行補充［13］。

圖2（c）表明，陰雨條件下，受輻射強度、風速等多種因素影響，莖流速率呈現不規則變化曲線，會出現多個峰值，且莖流速率的開始時間也產生延后，17∶00之后作物莖流速率開始下降，20∶00之后歸于靜止。

2.2 環境因子對玉米植株莖流速率變化的影響

作物在土壤水分供給充足的情況下，植物蒸騰作用受多種氣象因子的影響。圖2顯示了3 種典型天氣條件下，即典型晴天（7月26日）、典型多云（7月22日）、典型陰雨（7月15日），莖流速率和太陽輻射、飽和水汽壓差VPD、溫度及風速的日變化特征。由圖2（a）中可以看出，作物莖流速率和輻射強度變化趨勢基本一致，呈現正相關關系，隨著太陽輻射的增大，莖流速率也逐漸增大，晴天太陽輻射最大可達823 W/m2，莖流速率在典型晴天和陰雨均在12∶00 至14∶00 之間達到峰值，典型多云天氣則在14∶00 至16∶00 之間隨著太陽輻射達到最大值莖流速率也達到峰值。如圖2（b）所示飽和水汽壓差和莖流速率變化并不同步，飽和水汽壓差的變化基本上較莖流速率的變化滯后1 h 左右，但總體變化趨勢一致。圖2（c）表明莖流速率隨著溫度升高而增大，與溫度變化趨勢基本一致，但莖流速率的峰值則早于溫度的峰值1 h出現。圖2（d）顯示了多云天氣條件下的夜間和典型陰雨天氣條件下，風速明顯大于晴天和多云日間。陰雨天氣條件下，由于輻射強度和飽和水汽壓差較低，風速較大而引起莖流速率降低［14］。

圖2 春玉米莖流速率與氣象因子的響應關系Fig.2 Relationship between spring maize sap flow rate and meteorological factors

本研究利用SPSS 20.0 軟件對春玉米拔節期和抽雄期的莖流數據進行回歸分析，共計統計37 d的莖流數據，每個變量821個數據，5 個變量共4 105 個數據。分別進行太陽輻射、飽和水汽壓差、溫度和風速4個氣象因子與莖流速率的相關性分析，結果如表2所示。輻射強度、飽和水汽壓差VPD、溫度和風速與莖流速率的Pearson 相關性分別為0.828、0.728、0.693、0.367。可以看出輻射強度與春玉米莖流速率相關性最為顯著，飽和水汽壓差VPD和溫度次之，風速與莖流速率的相關性較弱。表3顯示了各氣象因子與莖流速率進行的多元逐步回歸分析，逐步回歸分析結果表明，輻射強度、VPD、溫度和風速與莖流速率擬合程度較好，相關系數R為0.856，F檢驗達到顯著水平，由此說明，太陽輻射、VPD、溫度和風速均為影響作物莖流速率的主要氣象因子，該結果與于文穎［15］等人研究結果相符。

表2 玉米植株莖流速率與氣象因子相關性分析Tab.2 The correlation analysis between maize sap flow rate and meteorological factors

表3 玉米莖流速率與氣象因子回歸性分析Tab.3 The regression analysis between maize sap flow rate and meteorological factors

上述研究結果表明，太陽輻射對玉米莖流速率影響最大，而加入溫度和風速后對提高回歸曲線的相關性幾乎沒有益處，因此考慮分生育期預測莖流速率，受實測資料限制，本研究以玉米生長抽雄期為例預測莖流速率。利用7月5日至8月5日的玉米莖流速率和氣象數據，在SPSS 軟件中對玉米莖流速率（SF）以及影響其變化的因子輻射強度（Rs）、飽和水汽壓差（VPD）、進行多元回歸分析，得到回歸方程SF=0.072Rs+15.694VPD+2.915，相關系數R為0.883。并且利用所得多元回歸方程對晴天多云天（8月7日、8月8日）以及雨天（8月6日）的莖流速率進行驗證，如圖3所示，方程預估莖流速率的值與實測值較為吻合，R2達到0.886。由此說明，采用該多元回歸方程估算春玉米抽雄期的莖流速率是可行的，該結果與李會［16］等人的研究結論相符。

圖3 春玉米莖流速率實測值與預測值的關系Fig.3 Relationship between measured and predicted stem flow rate of Spring Maize

3 結 論

（1）春玉米莖流速率與太陽輻射、VPD、溫度和風速表現為正相關，Pearson 相關系數分別為0.828，0.728，0.693，0.367，其中太陽輻射與莖流速率的相關性最強，VPD則呈現一定的滯后性。

（2）玉米莖流速率呈現出明顯的晝夜特征，白天高，夜晚低，莖流曲線近似呈“幾”字型，晴天時莖流速率表現為單峰曲線，陰雨天氣條件下則呈現低矮的多峰曲線。峰值多出現在中午前后，前一天為晴天、騰發量過大，玉米植株內會形成液流補充植株體內缺失的水分。

（3）基于玉米生產抽雄期實測數據，結合氣象因子回歸性分析結果，建立了春玉米莖流速率與輻射強度和飽和水汽壓差的多元回歸方程，并用晴天、多云天和陰雨天的實測數據對方程進行驗證，方程預測效果較為良好，為分生育期預測玉米莖流速率提供了依據。 □