干旱綠洲區微噴灰棗全年液流研究

張洋，馬英杰

干旱綠洲區微噴灰棗全年液流研究

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）

【】探究棗樹在生育期和休眠期莖流速率的變化規律及其與氣象因子的關系，了解棗樹各時期的耗水規律，為棗樹的灌溉指導提供科學依據。通過針式莖流計對微噴灌下棗樹的莖流速率進行全年連續監測，分析棗樹在生育期（4月15日—10月14日）和休眠期（10月15日—翌年4月14日）的耗水量。生育期太陽輻射對灰棗莖流速率影響最為顯著，各階段相關系數D1=0.924、D2=0.939、D3=0.943和D4=0.915；休眠期則是空氣濕度對灰棗莖流速率影響最為顯著，各階段相關系數C1=0.699、C2=0.923、C3=0.841、C4=0.918和C5=0.618。生育期和休眠期棗樹日間最大莖流活動時長分別為14 h和9 h，且莖流在夜間的變化規律存在明顯差異。生育期莖流速率高值區間在12:00—15:30，而休眠期莖流速率隨著休眠的各時期發生偏移，C1階段和C2階段莖流速率的高值區間在03:00—06:00，C4階段和C5階段在07:00—10:00。生育期內各時期的耗水情況D3>D4>D2>D1；休眠期C1>C5>C3>C2>C4。棗樹莖流全年的耗水量為3 994.03 L，休眠期為777.30 L，占比全年總耗水量的19.46%，棗樹的休眠期長達183 d，休眠期的耗水對棗樹的生長發育意義重大。

液流；生育期；休眠期；耗水量；棗樹

0 引 言

【研究意義】環塔里木盆地綠洲帶北緣的新疆阿克蘇地區，林果業已經成為當地的支柱產業[1]。隨著鄉村振興戰略的穩步實施，棗樹已經成為當地特色林果業的核心[2]，可促進農民增收、擴展就業渠道，改善綠洲生態環境。新疆，擁有高效節水灌溉系統的灌溉面積占總灌溉面積的48%，農業的綜合灌水定額在9 225 m3/hm2左右[3]，遠高于全國西部地區的灌水定額均量7 650 m3/hm2。阿克蘇地區是南疆典型的綠洲旱作農耕區，全年降水量少、水資源季節性的差異及時空分布不均導致農業用水和生活用水的矛盾日益加大[4-5]。因此，水資源的高效利用對特色林果業的可持續發展意義重大，探究干旱綠洲區果樹的水分運移、蒸騰耗水規律及其影響因子，可為果樹科學灌溉提供指導依據。

【研究進展】蒸騰在植物的生長過程中扮演著重要角色，其可以反映需水關系和水分脅迫情況[6-8]。其中通過樹干邊材的莖流量絕大部分用于葉片蒸騰，土壤含水率決定生育期莖流的整體動態，而外界的氣象因子決定莖流的瞬時動態[9]。通過研究棗樹全年莖流的變化規律和氣象因子對其的響應關系，可以準確地對棗樹全年各時期的耗水量進行定量分析。長期的實踐證明，對于單株尺度下植物蒸騰量的測定，莖流計測量精度高、適用范圍廣，可以在苛刻的環境下進行長期連續的定點監測[10-11]，因此在樹木蒸騰耗水的研究中被廣泛應用。目前，已在不同樹齡、不同灌水量及不同灌溉方式下[12-15]，棗樹莖流的高值區間和日耗水量都存在明顯差異；在生育期內不同時期、不同天氣下[16-17]，太陽輻射和空氣溫度對其莖流速率的影響最為顯著；在不同種植模式、不同間作類型下[18-19]，間作的棉花會影響棗樹莖流的耗水特征?！厩腥朦c】現有研究多側重不同天氣條件下棗樹莖流速率在瞬時尺度下與環境因子的相關模型，而對于長時間尺度（生育期和休眠期）棗樹莖流的變化特征和水分運移規律鮮有研究。

【擬解決的關鍵問題】本試驗以微噴棗樹為研究對象，通過針式莖流計對棗樹莖流進行連續監測，探究棗樹生育期和休眠期莖流對氣象因子的響應機制并結合棗樹全年不同時期的耗水情況，建立氣象因子與莖流速率的相關模型，確定出棗樹在全年的耗水量，為干旱綠洲區特色林果業高效節水提供灌溉依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區位于新疆阿克蘇地區阿克蘇市南工業園內，北緯41o08'，東經80o22'，海拔1 133 m，占地約7 hm2，工業園地勢較為平坦。地處塔里木盆地北部，屬于典型的暖溫帶大陸性干旱氣候特征，光照資源豐富，四季分明。多年平均日照時間達2 911 h，多年平均太陽輻射5 671.36 W/m2，年平均降水量為68.4 mm，多年平均氣溫為11.2 ℃，日最高溫度為40.9 ℃，日極端低溫-27.4 ℃，無霜期長達212 d。

1.2 試驗材料與處理方法

1.2.1 試驗設計

試驗于2020年4月—2021年4月進行，供試灰棗樹在2000年栽植，樹齡20 a，進入盛果期，平均株高約4 m，株行距2 m×4 m。試驗地0～70 cm土壤多為砂土，70～100 cm土壤多為砂壤土。采用1行1管的微噴方式進行灌溉，管徑20 mm，噴頭流量47 L/h，噴頭間距3 m。在棗樹花期前每10 d灌水1次，灌水時長約10 h；花期后每5 d灌水1次，灌水時長約5 h。將棗樹全年劃分為生育期和休眠期2個階段：通過對棗樹生育期的觀察，并結合其自身的特征，把生育期劃分為4個時期，根據試驗地的日照時間和溫度變化把休眠期劃分為5個時期，見表1。

表1 2020—2021年棗樹生育期和休眠期的劃分

1.2.2 莖流速率的測定

本試驗隨機選取長勢基本一致、無病蟲害、生長健康的灰棗樹3株，通過針式莖流計測定莖流速率。針式莖流計測量原理是將探針（帶有加熱器和熱電偶）插入樹體邊材中，下部探針含有熱電偶和加熱器，上部探針只有熱電偶，恒定加熱后，通過測定2個探針單位時間內的溫度差值來計算液流速度。3株樣樹的探針都安在同樣高度的位置，并且每棵樹上的2根探針間距相同，其中下部探針距地面40 cm，上部探針在下部探針上方12 cm，同時用泡沫板進行固定，用反光膜和隔熱膜進行包裹，在探針上方用膠布對其包裹密封，防止水流順著棗樹的莖干流下并接觸傳感器。為了保持空氣的流通性，探針下方不進行密封。每30 min采集并記錄1次數據。莖流速率計算式[20]為：

式中：為莖流速率（mL/(cm2·min)）；Δ為2個探針之間的溫度差（℃）；Δmax為晚間2個探針之間最大溫差（℃）；為邊材面積（cm2）；為樹體周長（cm）。

1.2.3 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（）、空氣溫度（）、空氣濕度（）、風速（）等氣象因子，每30 min記錄1次，與莖流速率測定的時間相同。

1.3 數據處理與分析

數據采用Excel 2010和SPSS 25. 0對其處理和分析，并構建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 棗樹全年各時期莖流晝夜變化特征

為避免棗樹各時期莖流速率晝夜變化曲線在不同天氣條件下發生重疊現象，盡可能選擇各時期的中間時段進行分析，其中生育期：D1（4月30日—5月2日）、D2（6月1—3日）、D3（8月22—24日）、D4（9月21—23日）；休眠期：C1（11月1—3日）、C2（12月19—21日）、C3（1月15—17日）、C4（2月5—7日）、C5（3月19—21日），選取棗樹在生育期和休眠期內連續3 d的莖流數據進行對比分析如圖1所示。生育期內不同階段的棗樹莖流速率在02:00—08:00仍然有明顯的液流活動，且在0～107.02 mL/h的范圍波動。在12:00—15:30，莖流速率達到高值區間（815.80～2 746.44 mL/h）；在18:30—21:30，莖流速率大幅下降，并且在23:00后莖流速率在1個趨于0的范圍波動，日間棗樹的莖流活動最大時長約14 h。休眠期內不同階段的棗樹莖流速率在06:00—10:00處于高值區間（222.85～391.77 mL/h），在太陽輻射開始增強溫度緩慢上升時，莖流速率一直下降直至趨于0。當太陽輻射減弱溫度開始下降時，莖流速率開始迅速增大，棗樹日間莖流活動只有9 h。生育期和休眠期棗樹夜間莖流速率的變化范圍不同，且1 d內莖流的變化過程也完全不同。

圖1 棗樹全年各時期莖流速率晝夜變化

2.2 棗樹全年各時期莖流日變化特征

從棗樹生育期和休眠期各選取1 d，生育期：D1（4月30日）、D2（6月3日）、D3（8月22）、D4（9月22日）；休眠期：C1（11月1日）、C2（12月19日）、C3（1月15日）、C4（2月6日）、C5（3月19日），分析莖流速率的日變化特征如圖2所示。生育期內棗樹莖流速率的日變化曲線呈較寬的倒U形，其中D2和D4的莖流速率為雙峰曲線，而休眠期則呈扁平的“幾”字形，且變化趨勢相近。

生育期內棗樹莖流速率曲線出現雙峰的主要原因是：此時正值中午，太陽輻射強、空氣溫度高，棗樹葉片的氣孔暫時關閉以免葉片“灼傷”，同時棗樹的蒸騰速率下降，葉片進入“午休”狀態[21-22]。當外界氣象因子對棗樹葉片影響減弱時，此時氣孔逐漸打開，莖流速率遞增顯著。耐旱植物為避免水分嚴重虧缺，這種在水分逆境中液流的雙峰變化的表現變得尤為明顯[23]。在某種程度上，棗樹的莖流速率與1 d中太陽輻射和空氣溫度有相同的變化趨勢，其之間有著密切的聯系[24]。

休眠期內棗樹的莖流速率與生育期的日變化趨勢基本相反：當太陽輻射和空氣溫度接近日最大值時（13:00—17:00），莖流速率逐漸趨于0；當夜間太陽輻射為0且空氣溫度很低時，莖流速率開始增大，樹體越冬期間的細胞水分代謝強度會隨著外界空氣溫度和地溫的降升而增強減弱[25]。休眠期內棗樹地上部分葉片脫落，只剩樹干和枝條，而生育期內棗樹通過葉片進行蒸騰，二者產生莖流的外在環境和內在機理完全不同。

圖2 棗樹全年各時期莖流速率日變化

2.3 棗樹全年各時期莖流速率與氣象因子的關聯度分析

試驗地全年少雨、少雪且氣候干燥，為避免極端天氣的影響，選取棗樹一年中各時期的中間時段且連續晴天作為典型日，分析棗樹連續3 d的莖流速率與氣象數據關系，結果如圖3所示，在氣象因子的作用下，生育期內棗樹莖流速率的變化趨勢與太陽輻射、空氣溫度基本相同，而休眠期內棗樹莖流速率的變化趨勢與空氣濕度基本同步，與太陽輻射和空氣溫度的變化趨勢相反。生育期內風速對莖流速率的影響相對其他氣象因子較低，休眠期內棗樹葉片脫落，因此未將風速納入莖流速率的相關性分析和多元回歸方程中。

棗樹生育期內各階段莖流速率的峰值排序為：D3>D4>D2>D1，棗樹果實膨大期的葉片已完全發育成熟，此時外界氣象因子對莖流速率的影響也是最為強烈的。棗樹休眠期各階段的莖流速率與氣象因子的變化過程為：在整個休眠期內太陽輻射和空氣溫度的高值區間在14:00—16:00，C1階段和C2階段莖流速率的高值區間在03:00—06:00，C3階段莖流速率的高值區間在05:00—08:00，在C4階段和C5階段莖流速率的高值區間在07:00—10:00，莖流速率的高值區間發生明顯偏移。休眠期內空氣溫度呈先減小后增大的變化趨勢。在最冷的C3時期和C4時期，日間空氣溫度也有1.5 ℃左右，空氣溫度的升降大都與太陽輻射強度的大小有著很緊密的聯系，休眠期內空氣溫度的峰值滯后于太陽輻射約1.5 h，相對于生育期（約2.5 h）較短。

由表2可知，生育期內太陽輻射、空氣溫度和風速與棗樹莖流速率正相關，與空氣濕度負相關；休眠期內棗樹的莖流速率與空氣濕度正相關，與空氣溫度和太陽輻射負相關。生育期內各階段莖流速率與太陽輻射的相關系數為：D1=0.924、D2=0.939、D3=0.943和D4=0.915；休眠期內各階段莖流速率與空氣濕度的相關系數為：C1=0.699、C2=0.923、C3=0.841、C4=0.918和C5=0.618。生育期各階段的氣象因子與莖流速率的關聯程度：①D1和D3：太陽輻射>空氣濕度>空氣溫度>風速；②D2和D4：太陽輻射>空氣溫度>空氣濕度>風速。休眠期內：①C1、C2、C3和C4：空氣濕度>空氣溫度>太陽輻射；②C5：空氣溫度>空氣濕度>太陽輻射。在生育期內對莖流速率影響最為顯著的是太陽輻射，休眠期則是空氣濕度。

將生育期和休眠期內棗樹各時期莖流速率與太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度和風速建立回歸模型，結果如表3所示，模型的模擬效果較好。

2.4 棗樹全年各時期莖流耗水量分析

通過對棗樹全年莖流的監測，分析出棗樹全年各時期莖流的耗水情況，1 d內每30 min莖流量的總和為莖流的日耗水量。結果如圖4和表4所示，棗樹在生育期各階段的耗水情況：從萌芽展葉期（D1）逐步增加，到果實膨大期（D3）達到最大后開始減弱；休眠期：從休眠前期（C1）緩慢減少，到深度休眠期（C4）達到最低，又從打破休眠期（C5）開始逐漸增加。1年中棗樹日耗水量最大（23.17 L）的是果實膨大期，最?。?.60 L）的是深度休眠期。

表2 棗樹全年各時期莖流速率與氣象因子的相關關系

注 **表示在0. 01水平（雙側）上顯著相關；“+”表示正相關；“-”表示負相關。

表3 棗樹全年各時期莖流速率與氣象因子的多元回歸模型

注為莖流速率；為太陽輻射；為空氣溫度；為空氣濕度。

圖4 棗樹全年各時期莖流日累計變化

各時期總的莖流累計量大小是由劃分的各時期天數和棗樹日累計耗水量共同決定的，生育期內各時期的耗水情況D3>D4>D2>D1；休眠期C1>C5>C3>C2>C4。

棗樹全年莖流耗水量為3 994.03 L，生育期內總的耗水量為3 216.73 L，休眠期為777.30 L，占全年總耗水量的19.46%，長達183 d休眠期的這部分耗水量不能被忽略。樹木的休眠期是為了維護樹體自身的生存和繁衍[26]，通過獲得水量補給以維持自身基本的生理代謝，這部分水量是極其重要的。

表4 棗樹全年各時期耗水變化規律

3 討論

通過對棗樹全年莖流的監測發現，棗樹莖流在生育期和休眠期的啟動時間、停止時間、最大增幅降幅區間及高值區間內存在明顯差異。生育期內棗樹莖流速率的啟動和停止時間基本與1 d中的太陽輻射強度緊密相關，當早晨太陽輻射強度開始緩慢增強，棗樹葉片開始進行光合作用，莖流速率緩慢上升，到中午太陽輻射強度達到高值區間（13:00—16:00），而此時莖流速率先于太陽輻射達到峰值。當莖流速率達到峰值后太陽輻射強度和空氣溫度進一步增大，對棗樹葉片蒸騰有抑制作用，葉片氣孔關閉出現“午休”狀態。

木本植物在休眠期有一個特性，從生育期轉換到休眠期的過程中，樹體內的自由水和束縛水的比重發生動態轉換，休眠期樹體內自由水減少束縛水增多[27-28]，體內形成一種較為穩定的水玻璃溶液，它有較高的黏性并能在寒冷的環境中保持穩定且不受低溫的影響[29-30]，這是棗樹在休眠期內也有莖流的原因。休眠期莖流的啟停時間與太陽輻射和空氣溫度負相關，當太陽輻射強度和空氣溫度達到峰值的過程中棗樹莖流速率趨于0后緩慢上升，此時太陽輻射強度和空氣溫度開始降低，樹體通過自身代謝供能用以抵御外界的寒冷，代謝過程中糖分的分解需要水分的參與[31]，體內水分加快輸送，莖流活動增強，這是棗樹休眠期夜間存在莖流的主要原因。當第2天太陽輻射強度和空氣溫度緩慢增加前，莖流活動已經開始慢慢減弱，樹體內的細胞通過自身代謝供給的能量開始減少，莖流活動也開始減弱。樹體在休眠期內也需要達到一定的需冷量[32-33]，休眠期內過強的太陽輻射在一定程度上對樹的抗凍機制有一定的抑制作用[34]，且不利于樹體需冷量的累積和自身生長，這詮釋了休眠期棗樹的莖流速率與太陽輻射和空氣溫度呈負相關的原因。與休眠期不同的是，棗樹在生育期內夜間有莖流活動主要是白天劇烈蒸騰導致樹體內暫時性缺水，形成的根壓差促使棗樹夜間吸水，補充的缺失水分維持體內水分的動態平衡[35]。

對于多年生的果樹，休眠期內的耗水情況很少被關注，尤其在極其干旱缺水的南疆，灌溉方式大多以漫灌為主，高效節水灌溉系統的普及還有待提升。到了秋末冬初往往需要冬灌，冬灌不僅對1 a內土壤中累積的鹽分進行沖洗、防治病蟲害以及給第2年春季果樹生長發育提供適墑的土壤含水率，同時也為果樹在休眠期越冬的生理用水提供了保障。本試驗研究揭示了棗樹生育期和休眠期連續的耗水變化特征及規律，休眠期耗水占比全年總耗水的19.46%。進一步說明，樹體在越冬期間參與細胞代謝的那部分水量是休眠期內維持樹體自身生長發育和繁衍的重要部分。

4 結 論

1）生育期內棗樹的莖流速率在12:00—15:30時莖流速率達到高值區間（815.80～2 746.44 mL/h），棗樹日間莖流活動的最大時長高達14 h左右。休眠期內棗樹的莖流速率在06:00—10:00時達到高值區間（222.85～391.77 mL/h），棗樹日間莖流活動最長僅9 h。生育期各階段棗樹的莖流速率日變化曲線大都呈倒U形，而休眠期各階段棗樹的莖流速率日變化曲線均呈扁平的“幾”字形。棗樹莖流速率在休眠期高值區間的變化規律與生育期的變化趨勢相反，且莖流速率的高值區間隨著棗樹休眠的各時期發生偏移。

2）太陽輻射和空氣濕度對莖流速率的影響分別在生育期和休眠期最為顯著，生育期內各階段莖流速率與太陽輻射的相關系數為：D1=0.924、D2=0.939、D3=0.943和D4=0.915；休眠期內各階段莖流速率與空氣濕度的相關系數為：C1=0.699、C2=0.923、C3=0.841、C4=0.918和C5=0.618。用多元線性回歸，在棗樹全年各時期建立氣象因子與莖流速率的回歸模型。通過相關系數和回歸系數檢驗，多元線性回歸方程均達到顯著水平，2的變化范圍：0.735～0.969。

3）全年各時期的日均耗水量：D1=6.65 L、D2=15.64 L、D3=23.17 L、D4=17.81 L；C1=4.87 L、C2=4.03 L、C3=4.08 L、C4=3.60 L、C5=4.28 L。生育期內各時期的耗水情況D3>D4>D2>D1；休眠期C1>C5>C3>C2>C4。棗樹莖流全年的耗水量為

3 994.03 L，休眠期為777.30 L，占比全年總耗水量的19.46%。

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Change in Intra-annual Sap Flow in Ziziphus Jujube in Arid Oasis under Micro-sprinkler Irrigation

ZHANG Yang, MA Yingjie*

(Xinjiang Agricultural University College of Water Conservancy and Civil Engineering, Urumqi 830052, China)

【】Sap flow in stems is an approximation of transpiration. It changes with the environment and can be used to help irrigation management. The purpose of this paper is to investigate the intra-annual change in sap flow in the stems of jujube grown in an arid oasis in Xinjiang province, China.【】The jujube was irrigated by micro sprinkler irrigation; the sap flow was measured continuously using a needle-type stem flow meter for one year, from which we analyzed the change in water consumption of the jujube during its active growth and dormant periods.【】①Solar radiation affected the sap flow most and their correlation in the four active growth periods wasD1=0.924,D2=0.939,D3=0.943 andD4=0.915, respectively. In winter when the crop stopped growing, air humidity affected the sap flow more and their correlation coefficient in the five growth periods wasC1=0.699,C2=0.923, RC3=0.841,C4=0.918 andC5=0.618, respectively. ②During the active growing and dormant periods, the durations in which the sap flow was detectable using the meter was 14 h and 9 h, respectively. ③During the active growth seasons, the sap flow peaked from 12:00 to 15:30 pm, while during dormancy it maximized from 03:00 am to 06:00 am in the first two seasons and from 07:00 am to 10:00am in the last two seasons. ④The water consumption during the active growth seasons was ranked in the order of D3>D4>D2>D1, while in dormancy the rank was C1> C5>C3>C2>C4. 【】The annual water consumption of the jujube was approximately 3 994.03 L, in which the consumption during the dormancy, which lasted for 183 days, was 777.30 L, accounting for 19.46% of the total water consumption of the tree.

sap flow; active growth period; dormancy period; water consumption; jujube

1672 - 3317（2022）03 - 0017 - 09

S665.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021250

張洋, 馬英杰. 干旱綠洲區微噴灰棗全年液流研究[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(3): 17-25.

ZHANG Yang, MA Yingjie. Change in Intra-annual Sap Flow in Ziziphus Jujube in Arid Oasis under Micro-sprinkler Irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 17-25.

2021-06-15

國家自然科學基金項目（52069027）；鄧銘江院士工作站基金項目（2020.D-003）；高校科研計劃項目（XJEDU2017T004）

張洋（1997-），男。碩士研究生，主要從事節水灌溉技術研究。E-mail: 1214598316@qq.com

馬英杰（1969-），男。教授，博士生導師，主要從事干旱區灌溉排水理論與技術研究。E-mail: 342834436@qq.com

責任編輯：韓 洋