不同生育期成齡灰棗樹莖流速率與氣象因子的關系

張 洋，馬英杰

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】植物體的水分運輸途徑是根—莖—葉，最后通過葉片的氣孔散失掉，而這其中被蒸騰消耗掉的水分有99%來自液流[1]。通過對莖流的觀測能間接反映作物的耗水規律及特征值。對于作物耗水量的研究，有些測量方法易影響作物的現實生長環境，且儀器操作起來復雜繁瑣[2-3]。熱技術[4-5]被廣泛的應用，是測量植物蒸騰耗水較為成熟的方法。針式莖流計[6]作為熱技術的方法之一，能夠在苛刻的野外條件下實時定點連續性監測。分析莖流實時數據，了解到作物蒸騰的耗水規律，以及作物水分供求關系。在水資源匱乏的新疆阿克蘇地區，農業用水短缺已成為影響當地農業可持續發展的主要因素。以紅棗等[7-8]的果樹種植業受到嚴重影響。研究果樹的水分運輸機制和耗水特征，對優化棗樹的土壤水分管理有重要意義。【前人研究進展】孫慧珍等[9]研究發現，白樺樹的莖流量峰值在8月達到最大，不同生育期的氣象因子對其影響不同。馬建新等[10]對胡楊的研究發現，地下水位埋深對胡楊液流變化有極顯著的負相關關系。劉海軍等[11]研究表明，對楊樹莖流速率影響最顯著的是太陽輻射。孫雨婷等[12]研究發現，在不同天氣條件的棗樹日累計莖流量呈現明顯差異。盧桂賓等[13]研究發現，棗樹夜間有微弱的莖流活動且日累積蒸散量曲線呈“S”分布。李長城等[14]研究表明，在7月中下旬的持續高溫天氣中，主導棗樹莖流速率波動變化的是溫度。李宏等[15]研究發現，空氣濕度和其它氣象因子不同，與幼齡棗樹莖流速率的波動趨勢相反。【本研究切入點】目前多側重于幼齡果樹的研究，而對成齡棗樹的莖流研究較少。尤其是氣象因子對棗樹的莖流速率在不同生育期的影響程度及耗水規律還需進一步研究。研究不同生育期成齡灰棗樹莖流速率與氣象因子的關系。【擬解決的關鍵問題】基于針式莖流計，對棗樹莖流速率進行監測，分析成齡棗樹在不同氣象因子影響下的莖流速率變化規律，研究棗樹各生育期內的耗水規律，建立莖流速率與氣象因子的關系模型，精準測定該地區棗樹耗水量。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗區位于新疆阿克蘇地區阿克蘇市南工業園內，E 80°22’，N 41°08’，海拔1 133 m。地處塔里木盆地北部，屬于大陸性南溫帶干旱氣候，光照資源豐富，四季分明。多年平均日照時數達2 911 h，多年平均太陽輻射5 671.36 w/m2，年平均降雨量為68.4 mm，多年平均氣溫11.2℃，日最高溫40.9℃，日極端低溫-27.4℃，無霜期長達212 d。表1

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

試驗于2019年4～10月進行，供試果樹為17年生灰棗樹，樹體平均株高約為4 m，株行距2.0 m×4.0 m。試驗區采用種植行單管布置方式進行灌溉，管徑20 mm，噴頭流量47 L/h，噴頭間距3 m。每10 d灌水1次，灌水時長為10 h。通過對成齡灰棗樹在整個生育期的觀察和記錄，并結合其棗樹自身的生長特征，把生育期劃分為4個時期：4月19日～5月15日為萌芽展葉期(D1)；5月16日～6月22日為花期(D2)；6月23日～9月2日為果實膨大期(D3)；9月3日～10月15日為成熟期(D4)。

1.2 方 法

1.2.1 莖流速率測定

隨機選取長勢基本一致、無病蟲害、生長健康的灰棗樹3株，采用針式莖流計測定莖流速率。其中加熱探針距地面40 cm，另1根探針距加熱探針上方12 cm，并用泡沫板進行固定，用反光隔熱膜進行包裹，在探針上方用膠布對其包裹密封，防止水流順著棗樹的莖稈流下并接觸傳感器。每30 min采集并記錄1次數據。莖流速率計算公式[16]如下：

(1)

式中：U為莖流速率，mL/(cm2·min)；ΔT為2探針之間的溫度差，(℃)；ΔTmax為晚間2個探針之間最大溫差(℃)。

1.2.2 氣象數據監測

在試驗地內安裝的小型自動監測氣象站Watch Dog，架設高度為4.5 m。氣象站在棗樹全生育期監測太陽輻射(PAR)、空氣溫度(Ta)、空氣濕度(RH)、風速(W)等氣象因子，每30 min記錄1次。

1.3 數據處理

數據采用Excel 2010和SPSS 25.0對其處理和分析，并構建成齡棗樹莖流速率和氣象因子的多元回歸模型。

2 結果與分析

2.1 不同天氣條件下棗樹各生育期莖流速率的變化特征

研究表明，棗樹在3種典型天氣下D1、D2、D3和D4的莖流速率波動趨勢近似。在晴天和陰天下，各時期莖流速率波動趨勢大都呈倒“U”型單峰曲線。在晴天條件下，D2和D3的莖流速率都是“M”型雙峰曲線。而多云的條件下，D3和D4的莖流速率呈現明顯的多峰曲線。

各生育期莖流速率峰值出現的時間因天氣條件不同有較大差異。出現峰值時間：萌芽展葉期D1(14:30～17:00)、花期D2(12:30～16:30)、果實膨大期D3(13:30～17:00)、成熟期D4(14:00～17:30)。在晴天，果實膨大期和成熟期莖流速率峰值高于其它生育期，其峰值分別為3 182.85和2 942.36 mL/h。不同天氣條件下各生育期峰值排序均為：D3>D4>D2>D1；各生育期內不同天氣對應的峰值排序均為：晴天>多云>陰天。多云天氣下萌芽展葉期莖流速率峰值最小(953.17 mL/h)，其余生育期在1 815.83～2 380.17 mL/h的浮動。圖1

圖1 各生育期內典型天的莖流速率特征Fig.1 Characteristics of stem flow rate of typical days in different growth periods

2.2 不同生育期成齡棗樹莖流速率的晝夜變化特征

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)棗樹的莖流速率晝夜波動曲線均出現了單、雙峰。而只有D1的莖流速率波動曲線是單峰，而其余生育期的曲線都有雙峰。D2和D3階段的2個峰值間，棗樹葉片氣孔關閉進入“午休”狀態，而D4階段的第2個峰值出現明顯的滯后現象。查看當天的氣象資料和試驗記錄顯示：太陽輻射從16:00開始大幅下降，但空氣溫度從中午13:30開始就持續上升，直到下午18:30才到達峰值，棗樹的莖流速率出現第2個峰值時滯后于空氣溫度峰值1 h。

棗樹莖流速率在02:00～08:00間較低，但仍有明顯的莖流活動，在10～350 mL/h的范圍波動。08:00～13:00間棗樹的莖流速率大幅度提升，在13:00～15:30間莖流速率達到峰值，在20:00～22:00間莖流速率大幅下降。在23：30后莖流速率值在1個趨于0的范圍浮動。棗樹的莖流速率在日間整體的變化趨勢近似為：開始的穩定上升，達到峰值附近趨于平緩，最后迅速下降。日間棗樹的莖流活動時長高達14 h左右。圖2

圖2 各生育期成齡棗樹莖流速率晝夜變化Fig.2 Diurnal Variation of stem flow rate of mature jujube in different growth periods

2.3 不同生育期成齡棗樹莖流速率的日變化特征

研究表明，D3與D4的莖流速率曲線均有雙峰，但D1和D2的莖流速率曲線呈寬型單峰曲線。在中午14:30時，D3的莖流速率達到峰值，此后莖流速率呈明顯下降趨勢，但在17:00后再次上升達到第2個峰值。D4的莖流速率在15:30到達頂峰后，過了4 h再次達到第2個峰值，與D3的2個峰值時間間隔近似。

D1、D2、D3和D4的莖流速率在1 d中的各個時間節點也有著不同的變化過程。各生育期棗樹莖流在08:00后，最大增幅出現時間：D1在09:30～10:30、D2和D3在09:00～10:30、D4在09:00～10:00間。莖流速率達到頂峰和峰值的時間分別為：D1在16:00出現最大值1 215.98 mL/h、D2在15:30出現最大值1 934.55 mL/h、D3在14:30出現最大值3 302.54 mL/h、D4在15:30出現最大值2 152.70mL/h，莖流速率最大降幅出現時間：D1在18:00～19:00、D2和D3在19:30～21:30、D4在20:30～21:30。圖3

圖3 各生育期成齡棗樹莖流速率日變化Fig.3 Daily variation of stem flow rate of mature jujube in different growth periods

2.4 不同生育期成齡棗樹莖流耗水量

研究表明，1 d中棗樹的莖流累積趨勢呈“S”變化，日累積莖流量在10:00～18:30間開始出現明顯的累積遞增趨勢，D3最快，D2次之，D4較慢，D1最慢。果實成熟期(D4)相對花期(D2)、果實膨大期(D3)的太陽輻射較弱、空氣溫度較低且空氣濕度較高。各生育期典型日累積耗水量分別為D1=7.31 L、D2=13.29 L、D3=21.16 L、D4=17.33 L。因此，棗樹在全生育期每日耗水量變化規律為：從萌芽展葉期開始逐步增加，到果實膨大期達到最大后減弱。圖4

圖4 各生育期成齡棗樹莖流的日累積過程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)。由于棗樹在果實膨大期，在適應外界強烈的氣象條件的同時，果實發育長大的過程需水量增加。但在萌芽展葉期空氣溫度和太陽輻射相對其它生育期較低，棗樹葉面積較小，耗水量偏低。表2

表2 各生育期棗樹耗水情況Table 2 Water consumption of jujube in different growth periods

2.5 不同生育期成齡棗樹莖流速率與氣象因子的關聯度

研究表明，各時期莖流速率的波動過程在氣象因子的影響下呈現相近的變化趨勢。從早上開始，受太陽輻射強度增加和空氣溫度上升的影響，棗樹的莖流活動加劇，莖流速率提升。莖流速率與太陽輻射、空氣溫度呈正相關；與風速也呈正相關，但相對于前2個氣象因子相關程度較低。但到13:30～16:00間太陽輻射達到1 d中最大值，莖流速率也達到了峰值，此時空氣溫度仍在緩慢上升，相對于太陽輻射峰值滯后2～4 h。在這個時間段內空氣濕度很低，莖流速率相對于其它3個氣象因子與空氣濕度呈負相關。圖5

圖5 成齡棗樹的莖流速率與氣象因子的特征變化Fig.5 Characteristic changes of stem flow rate and meteorological factors of mature jujube

空氣溫度和空氣濕度在很大程度上隨著太陽輻射的起伏而波動，所以太陽輻射與棗樹莖流速率相關性最為顯著。

各生育期的莖流速率與太陽輻射相關系數RD1=0.964**、RD2=0.969**、RD3=0.957**和RD4=0.886**。各生育期莖流速率與氣象因子的關聯程度表現為：(1)萌芽展葉期(D1)太陽輻射>空氣濕度>空氣溫度>風速；(2)花期(D2)和果實膨大期(D3)太陽輻射>空氣溫度>空氣濕度>風速；(3)成熟期(D4)空氣溫度>空氣濕度>太陽輻射>風速。表3

表3 成齡棗樹各生育期內莖流速率與氣象因子的相關關系Table 3 Correlation between stem flow rate and meteorological factors in different growth periods of mature jujube

將太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度和風速與各生育期莖流速率構建回歸模型，R2D1=0.937、R2D2=0.943、R2D3=0.917、R2D4=0.889，模型模擬效果較好。表4

表4 成齡棗樹各生育期內莖流速率與氣象因子的多元回歸模型Table 4 Multiple regression model of stem flow rate and meteorological factors in different growth periods of mature jujube

3 討 論

雙峰的波動變化情況原因是：正值中午，在氣象因子(太陽輻射、空氣溫度)的強烈作用下，棗樹在酷熱干燥的條件下，暫時關閉葉片的氣孔，降低棗樹的蒸騰速率，葉片進入“午休”[17-18]。當外界氣象因子對棗樹葉片影響相對減弱時，這時葉片中的氣孔也隨之開啟，莖流速率又出現明顯的遞增趨勢。在3種典型天氣條件下各生育期棗樹莖流速率的峰值有很大不同。在晴天，果實膨大期和成熟期莖流速率峰值明顯高于其它生育期，晴天相對于多云和陰天峰值最大。不同天氣條件的本質上就是氣象因子發生了變化[17-18]。其原因是太陽輻射是棗樹莖流速率最直接的驅動力。[19]

周維金[20]研究表明，尤其是在果實膨大期，太陽輻射與空氣溫度均和棗樹莖流速率呈正相關。試驗結果表明，在成熟期棗樹莖流速率與空氣溫度相關程度最高，其余生育期均為太陽輻射。劉鑫等[21]研究發現，在棗樹的整個生育期內，花期莖流速率最大、耗水最多，萌芽展葉期最小。試驗研究表明，在果實膨大期棗樹的莖流速率和莖流累積量均最大。棗樹為了能夠調節自身的水平衡并維持正常的生長狀態，果實發育長大的過程需水量增加，在干燥炎熱的環境下迫使根系吸收更多的水分，從而加快了樹體內液流的水分運輸，莖流速率提升[22]。

在研究中，各生育期內4個氣象因子均與棗樹的莖流速率有很強的關聯程度。這些氣象因子的波動會直接制約莖流速率，影響莖流速率峰值的變化。

蒸騰拉力對植物體內莖流速率的影響有著至關重要的作用[23]。王文明等[24]研究表明，除了對日間蒸騰的補充外，由于夜間的空氣仍然處于干燥的狀態并且存在空氣流動的影響，夜間繼續保持莖流的活動也是對蒸騰散失掉水分的補給。研究結果表明，成齡灰棗樹的夜間莖流速率在10～350 mL/h的范圍波動，正是因為日間棗樹劇烈的蒸騰作用，在一定程度上導致棗樹體內水分虧缺，棗樹為了維持自身水分平衡和日間水分的過度消耗，需在夜間進行水分的補充。因此，夜間仍存在明顯的液流活動。

在微噴灌的灌溉方式下，各生育期的耗水量呈先增加后減少的變化趨勢，花期的太陽輻射和空氣溫度都高于成熟期，但棗樹在成熟期的耗水量卻高于花期。試驗發現，花期棗樹莖流速率隨著太陽輻射的增強而提升，兩者的變化趨勢基本同步。在成熟期棗樹的莖流速率在08:30～09:00間加快時，太陽輻射滯后1 h開始增強，太陽輻射開始在16:00～17:00間減弱時，莖流速率又滯后于太陽輻射1 h。莖流速率的變化過程曲線明顯寬于太陽輻射的變化曲線，而花期棗樹莖流速率的峰值又小于成熟期，棗樹的莖流速率能間接反映棗樹的蒸騰速率，所以成熟期的耗水量大于花期。通過對整個生育期的莖流速率分析發現，并不是太陽輻射越大、空氣溫度越高棗樹的莖流速率越快[25]。在李宏等[26]研究中發現，不同生育期幼齡棗樹的耗水規律為果實膨大期>成熟區>花期>萌芽展葉期，與研究對比，成齡棗樹在各生育期的耗水規律與幼齡棗樹基本一致。

4 結 論

4.1棗樹在3種典型天氣下各生育期棗樹的莖流速率有顯著差異。各生育期內不同天氣對應的峰值排序都為：晴天>多云>陰天。晴天和陰天莖流速率的波動過程呈倒“U”型單峰曲線，而多云天氣下呈“M”型的雙峰或多峰曲線。

4.2除萌芽展葉期(D1)外，各生育期棗樹莖流速率曲線都呈現出雙峰的變化趨勢。花期(D2)出現雙峰的時間段分別是13:30～15:30和16:30～17:30；果實膨大期(D3)出現雙峰的時間分別是13:30～15:00和16:30～17:30；成熟期(D4)出現雙峰的時間段分別是13:30～16:00和18:30～19:30。

4.3在各生育期內成齡灰棗樹的日累積變化趨勢整體呈“S”型曲線分布，日間棗樹的莖流活動時長高達14 h左右。日累積莖流量在10:00～18:30內有明顯的累積遞增趨勢，增幅D3>D2>D4>D1日累積量具有顯著差異，日均耗水量和總耗水量的變化呈現先上升后下降的趨勢，D3>D4>D2>D1。日均耗水量最大值和最小值分別是21.16和7.31 L，對應該生育期總的耗水量是1 502.36 L和190.06 L。

4.4在整個生育期內，空氣溫度和空氣濕度在很大程度上隨著太陽輻射的起伏而波動，所以，太陽輻射與棗樹的莖流速率的相關度最密切。各生育期太陽輻射與棗樹莖流速率的相關系數RD1=0.964**、RD2=0.969**、RD3=0.957**和RD4=0.886**。在成齡灰棗樹的各生育期內建立莖流速率與氣象因子的回歸模型。各生育期的多元線性回歸方程均達到顯著水平。