設施葡萄莖干液流變化特征及其影響因素研究

湯英 徐利崗 唐瑞

摘要以寧夏干旱區設施鮮食葡萄為研究對象，利用插針式莖干液流量計和設施環境監測儀獲取葡萄全生育期莖干液流和試驗區空氣溫濕度、光照強度及土壤溫濕度等實時數據，開展不同地徑和不同時間尺度葡萄莖干液流的變化特征以及環境因子對莖干液流的影響研究。結果表明：不同地徑設施葡萄各物候期的莖干液流日變化過程相似，液流速率隨著地徑的增加而增大；晴天葡萄莖干液流06：00左右啟動，液流速率16：00達到最大（0.660 kg/h）；陰天次之（0.409 kg/h），雨天峰值最小（0.272 kg/h）。夏季莖干液流速率高于秋季，11：00達到峰值（0.493 kg/h），秋季最高值出現在16：00（0.354 kg/h）；冬季最大值0.061 kg/h，分別為夏季和秋季最大值的12.37%和17.23%。7月份莖干液流量最大（260.34 kg/h），平均莖干液流速率0.360 kg/h；6月次之，累計液流量227.93 kg，11月最小（43.12 kg）；全生育期累計液流量1 347.83 kg，日均液流量1.94～8.38 kg/d，平均日液流量5.94 kg/d。成熟期日液流量最大（8.38 kg/d），其次為變色期（7.65 kg/d），萌芽期最小（1.94 kg/d）。莖干液流速率與空氣溫度、光照強度和土壤溫度均呈極顯著正相關（P<0.01），與空氣濕度呈極顯著負相關（P<0.01）。模擬的莖干液流速率系列綜合誤差為3.57%，日莖干液流量系列綜合誤差為4.24%。

關鍵詞設施葡萄；莖干液流；蒸騰耗水；氣象因子；寧夏干旱區

中圖分類號S 274文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2023）24-0202-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.24.045

Study on the Change Characteristics of Stem Fluid Flow and Its Influencing Factors of Facilities Grape

TANG Ying， XU Ligang，TANG Rui

（Scientific Research Institute of the Water Conservancy of Ningxia，Ningxia，Yinchuan 750021）

AbstractTaking fresh facility grape in the arid area of Ningxia as the research object，needle stem flow meter and facility environment monitor were used to obtain the stem fluid flow of grape in the whole growth period and the air temperature and humidity，light intensity and soil temperature and humidity and other realtime data in the experimental area.The change characteristics of the stem fluid flow of grape with different ground diameter in different time scale and the the effects of environmental factors on the stem fluid flow were studied.The results showed that the daily change process of stem fluid flow of facility grape with different ground diameter was similar，and the fluid flow rate increased with the increase of ground diameter.The stem fluid flow of grape in sunny days started at about 06：00，the fluid flow rate reached the maximum value（0.660 kg/h） at 16：00.In the cloudy days，the maximum value was 0.409 kg/h，the peak value in rainy days was the minimum （0.272 kg/h）.The liquid flow rate in summer was higher than that in autumn，reaching the peak value（0.493 kg/h） at 11：00.The highest value in autumn appeared at 16：00，being 0.354 kg/h.The highest value in winter was 0.061 kg/h，which was 12.37% and 17.23% of the maximum value in summer and autumn.The stem fluid flow in July was the maximum （260.34 kg/h），average daily fluid flow rate was 0.36 kg/h，followed by that in June，the cumulative fluid flow was 227.93 kg and the cumulative fluid flow was the minimum? 43.12 kg in November.The cumulative fluid flow in the whole growth period was 1 347.82 kg，the daily fluid flow was 1.94-8.38 kg/d，the average daily fluid flow was 5.94 kg/d.The daily fluid flow in mature stage was the maximum（8.38 kg/d），followed by that in the discoloration stage （7.65 kg/d），and that in germination stage was the minimum（1.94 kg/d）. The stem flow rate was significantly positively correlated with air temperature，light intensity and soil temperature （P<0.01） ，and it had a significant negative correlation with the air humidity（P<0.01）.The comprehensive error of the simulated stem fluid flow rate was 3.57%，the comprehensive error of the daily stem liquid flow was? 4.24%.

Key wordsFacility grape;Stem fluid flow;Transpiration water consumption;Meteorological factors;Arid area of Ningxia

莖干液流是土壤-植物-大氣連續體水流路徑中的重要環節，反映了植物體內的水分傳輸狀況［1-2］，并受太陽輻射、空氣濕度、土壤水分、天氣狀況等影響［3-4］。通過測定莖干液流量有助于分析植物生理作用對環境因子的適應性和響應特征［5］，對于準確估算植被蒸騰量及作物蒸散量有著重要意義［6］。近年來，基于熱擴散原理的莖干液流測定技術被應用于新疆南部矮化紅棗樹［7］及杏樹［8］、獼猴桃［9］、油松樹［10］、沙地人工楊樹林［11］、黃河三角洲檉柳［12］、民勤綠洲荒漠過渡帶［13］及準噶爾盆地南緣［14］原生梭梭樹的蒸騰耗水規律及其影響因素研究。葡萄廣泛分布于世界各地，在我國多個省份均有分布。寧夏賀蘭山東麓產區（105°45′～106°47′E，37°43′～39°23′N）位于葡萄種植的黃金地帶，屬中溫帶干旱區，光照充足，積溫高，晝夜溫差大，土壤透氣性能極佳，有機質含量高。2020年底，寧夏葡萄樹種植面積3.28萬hm2，是寧夏支柱型優勢特色農業產業。目前對葡萄的研究側重于品種選育［15］、抗寒［16］抗凍性［17］、水肥一體化技術［18］及灌溉制度優化［19］、水分脅迫的影響［20］等方面。針對葡萄蒸騰耗水，王尚濤等［21］認為干旱綠洲區無核白葡萄樹冠層日蒸騰量為0.20～8.13 mm/d，平均日蒸騰量為3.32 mm/d。生長季中葡萄樹液流速率日變化呈單峰型曲線，日均耗水量為2.76～10.00 kg，胸徑越大的葡萄樹日均耗水量越大［22］，葡萄樹日均蒸散發量為7.13 mm/d，土壤蒸發量為1.01 mm/d，日均冠層蒸騰量占日均蒸散發量的85.8%［23］。關于葡萄尤其是設施葡萄的蒸騰耗水變化規律及其影響因素方面報道較少。筆者以寧夏銀川地區設施拱棚葡萄為研究對象，采用插針式莖干液流量監測系統連續監測滴灌條件下設施葡萄全生命周期的莖干液流，分析其變化特征及其與環境因子的關系，旨在為設施葡萄的科學灌溉提供有益借鑒。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區地處西北干旱內陸地區（106°42′E，38°27′N，海拔1 115 m），多年平均氣溫8.8 ℃，年降雨量195 mm，平均蒸發量1 864 mm，年日照時數2 800～3 100 h，地下水一般埋藏在1.0～3.0 m，礦化度小于1.0 g/L，土壤為壤質砂土。試驗區位于中國灌溉試驗寧夏中心站試驗基地設施拱棚種植區，棚長110 m，棚寬28 m，棚高9 m，總面積0.2 hm2，拱棚頂部呈弧形，上面覆蓋塑料膜，冬季覆蓋棉被，屬于春秋棚。種植葡萄品種為維多利亞，種植株行距1.0 m×3.5 m，選擇長勢良好、無病蟲害的植株作為葡萄莖干液流試驗典型樣株。

1.2試驗設置及設備安裝

（1）在試驗區內選取3棵典型樣株（編號分別為T1、T2、T3），T1地徑為6.0 cm，株高3.90 m；T2地徑為9.1 cm，株高6.10 m；T3地徑為11.5 cm，株高4.65 m。在距地面10 cm以上樹干順直段安裝澳大利亞插針式莖干液流量計SFM1進行葡萄莖干液流監測，探針長度35 mm，探頭間距15 mm。獲取2021年1月1日—2022年2月28日葡萄全生育期莖干液流數據，數據步長為60 min。

（2）灌溉方式采用內鑲式滴灌管滴灌，一行2管，滴頭間距30 cm，滴頭流量2 L/h。整個生育期灌溉定額2 700 m3/hm2，共灌水13次，灌水定額12～20 m3/次。

（3）安裝國產NBIOT型五合一傳感器，實時監測空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度及光照強度等參數，獲取2021年1月1日—12月31日逐日數據，數據步長為60 min。

1.3研究方法

數據統計及分析使用SPSS軟件和Minitab 16.0軟件，采用Excel、Origin 2021軟件繪圖。

2結果與分析

2.1不同地徑葡萄植株的莖干液流變化特征分析

繪制不同地徑典型樣株（TI、T2、T3）的全生育期莖干液流及空氣溫度變化過程線（圖1）。從圖1可以看出，不同地徑葡萄各月莖干液流變化過程基本一致，且與空氣溫度變化基本一致。T3（D=11.5 cm）各生育階段莖干液流均大于T2（D=9.1 cm）、T1（D=6.0 cm），結合樣株生長情況認為這與植株冠幅及地徑有顯著關系。各物候期葡萄莖干液流日變化過程均呈多峰型特征，特別是開花期、膨大期莖干液流速率變幅較大。此外，葡萄在夜間（21：00至次日06：00）仍保持一定的液流蒸散且相對穩定，T3樣株開花期和成熟期夜間液流速率占日液流速率的24.81%和18.05%，變色期和二次膨大期夜間液流速率分別占26.81%和29.15%，說明設施葡萄莖干液流量晝夜差異大。同時，還出現了午間莖干液流驟減現象，其主要原因是由于午間氣溫較高，植物為了保存體內的水分短暫關閉或減小葉片氣孔開度，降低植物體水分蒸騰，以減少水分損耗［1］。夜間仍然有液流的產生，是由于白天氣孔開放，樹冠蒸騰，形成了葉片-冠-根的水勢差，日落后氣孔關閉，但水勢梯度并不立即消失，由于水勢差的存在，仍會有部分水分在一段時間內被動地通過根部進入樹干，形成夜間補償流［4］，恢復植物體內的水分平衡［2］，這與樹種及其周圍環境條件密切相關。

2.2設施葡萄多時間尺度莖干液流變化特征

2.2.1不同天氣及季節葡萄莖干液流日變化特征。

為分析不同天氣狀況對葡萄莖干液流的影響，以T3（D=11.5 cm）為例，分別選擇陰天（6月6日）、雨天（6月16日）以及晴天（6月27日）繪制典型樣株累計液流量及液流速率的日變化圖（圖2）。從圖2可以看出，3種天氣條件下葡萄莖干液流速率及液流日累計量變化較為顯著。晴天莖干液流速率及液流日累計量均最大，陰天次之，雨天最小。晴天莖干液流速率變化過程呈三峰型，06：00左右啟動并迅速升高，10：00達到第1個峰值，12：00出現第2個峰值，16：00達到日最大值（0.660 kg/h），此后開始迅速下降；陰天液流速率變化相對平緩，日變化過程呈寬峰型，峰值時段為12：30—14：30，最大值（0.409 kg/h）啟動時間與晴天基本一致；雨天莖干液流速率變化過程呈單峰型，14：00達到日最大值（0.272 kg/h），日累計液流量最小。晴天液流速率日最大值出現的時刻較陰天和雨天滯后，分析認為是由于晴天光照強烈，蒸騰加劇，因此水分更容易散失掉（蒸發），關閉部分氣孔可以減少水分的散失，蒸騰速率隨之降低，而16：00時氣孔再次張開，從而達到極值，而陰天和雨天14：00左右設施內的光照強度最大，因此蒸騰速率隨之達到極值。

統計設施葡萄在春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—10月）及冬季（11月—次年2月）莖干液流速率日動態的平均值，繪制變化曲線。從圖3可以看出，春季、夏季及秋季葡萄莖干液流的日變化趨勢較為相似，區別在于液流速率峰值不同；冬季葡萄葉片全部脫落，處于休眠期，主要從莖稈蒸騰失水，液流速率較小且基本維持不變。從啟動時間來看，春季07：00左右啟動，夏季和秋季06：00左右啟動：從全天各時段的液流速率整體來看，夏季各時段均大于秋季，秋季大于春季，冬季最小。從峰值來看，夏季莖干液流速率高于秋季，且高峰值持續時間較長（09：00—19：00），呈不顯著的雙峰型，11：00到達第1個峰值（0.493 kg/h），15：00小幅度降低（0.446 kg/h），之后達到第2次峰值（0.475 kg/h），19：00后迅速下降；秋季莖干液流日變化特征與夏季基本一致，高峰段持續時間（10：00—18：00）較夏季短，最高值出現在16：00（0.354 kg/h），此后開始緩慢降低；春季莖干液流日變化與夏季相似，也呈寬峰型，峰值持續時間為11：00—18：00，最高值出現在16：00（0.260 kg/h）；冬季液流速率較小且維持穩定，最大值為0.061 kg/h，僅為夏季最大值的12.37%、秋季最大值的17.23%、春季最大值的23.46%。因此，設施葡萄莖干液流速率峰值持續時間長，與設施拱棚的小氣候條件有關，拱棚內溫度及濕度相對穩定，光照強度則隨著太陽的起落發生變化，這與陸地栽植的葡萄液流速率曲線呈單峰型變化［21-22］有所不同。

2.2.2葡萄莖干液流量各月及不同生育階段的變化特征。

繪制設施葡萄各月累計莖流量及月平均莖流速率的變化過程，見圖4。從圖4可以看出，7月份累計月莖流量最大（260.34 kg），月平均莖流速率為0.360 kg/h；6月次之，累計月莖流量為227.93 kg，月平均莖流速率為0.325 kg/h；5月份累計月莖流量為218.46 kg，月平均莖流速率為0.300 kg/h。11月份累計月莖流量最小（43.12 kg），月平均莖流速率為0.059 kg/h。統計葡萄各生育階段累計液流量和日均液流量，見表1。從表1可以看出，設施葡萄全生育期累計液流量為1 347.83 kg，日均液流量為1.94～8.38 kg/d，全生育期平均5.94 kg/d。其中，成熟期的日均液流量最大（8.38 kg/d），其次為變色期（7.65 kg/d），萌芽期最小（1.94 kg/d）。秋季生長期累計液流量最大（266.96 kg）;膨大期持續34 d，累計液流量252.92 kg；成熟期持續11 d，累計液流量為92.22 kg。

2.2.3設施葡萄莖干液流年內變化過程。

繪制葡萄全年日累計莖干液流量變化過程線，見圖5。設施葡萄生育期較露地葡萄提前，6—7月為其旺盛生長季，也是日累計莖干液流量及蒸騰耗水最大的時期。日累計莖干液流量最高值出現在7月28日（9.364 kg/d），8月份開始下降，并在8月6日有1個峰值（8.399 kg/d）。全生育期日均耗水量為5.94 kg/d，5—8月葡萄莖干液流量維持在較高水平，4月和10月相對較低；11月由于葉片的脫落，莖干液流量急劇減小并基本維持不變（0.59～0.61 kg/d）。

2.3設施葡萄莖干液流速率與其影響因子的關系分析

2.3.1葡萄莖干液流速率與各影響因子間的相關性分析。

分析莖干液流速率與空氣濕度、空氣溫度、土壤含水率、土壤溫度和光照強度之間的相關性（表2）。以7月1日為典型日，分別繪制設施葡萄典型莖干液流速率與氣象要素及土壤溫度的相關關系圖（圖6）。從表2可以看出，莖干液流速率與空氣溫度、土壤溫度、土壤含水率、光照強度均呈極顯著的正相關（P<0.01），相關系數分別為0.565、0.321、0.162和0.458；液流速率與空氣濕度呈極顯著負相關（P<0.01），相關系數為-0.541。這說明莖干液流與氣象要素與土壤墑情呈極顯著相關，環境要素對莖干液流的影響顯著。從圖6可以看出，光照強度、空氣溫度與莖干液流速率的變化過程基本相似，但存在一定的滯后效應，且當空氣溫度過高時葡萄出現關閉氣孔現象，液流量瞬間降低；莖干液流與空氣濕度呈負相關。

2.3.2設施葡萄莖干液流與其影響因素的回歸分析。

依據莖

3結論與討論

以設施葡萄為研究對象，利用插針式莖干液流監測技術獲取葡萄全生育期莖干液流實時數據，利用設施微環境監測儀獲取相應時間的氣象數據以及土壤溫濕度，對不同地徑和不同時間尺度的葡萄莖干液流變化特征以及各因素對莖干液流的影響進行研究，得出以下主要結論：

（1）設施葡萄各物候期的莖干液流日變化過程均呈多峰型特征，在夜間（21：00至次日06：00）仍保持一定的液流蒸散且相對穩定，T3（D=11.5 cm）樣株開花期和成熟期夜間液流速率占日液流速率的24.81%和18.05%，變色期和二次膨大期夜間液流速率分別占日液流速率的26.81%和29.15%，莖干液流量的晝夜差異大。

（2）不同天氣條件下葡萄莖干液流速率及日累計量變化較為顯著，晴天莖干液流速率及液流日累計量均最大，陰天次之，雨天最小。晴天液流速率06：00左右啟動并迅速升高，10：00達到第1個峰值，12：00出現第2個峰值，16：00達到日最大值（0.660 kg/h）；陰天日變化曲線呈寬峰型，峰值時段為12：30—14：30，最大值為0.409 kg/h；雨天日變化曲線呈單峰型，14：00達到日最大值（0.272 kg/h）。晴天液流速率日最大值出現的時刻較陰天和雨天滯后，認為是由于晴天光照強烈，蒸騰加劇，葉片氣孔關閉所致。

（3）春季、夏季及秋季葡萄莖干液流的日變化過程及趨勢相似，均呈現寬峰型特征，區別在于液流啟動時間和液流速率峰值不同；冬季葉片全部脫落，液流速率較小且基本維持不變。夏季莖干液流速率高于秋季，11：00到達第1個峰值（0.493 kg/h），15：00小幅降低，之后達到第2個峰值（0.475 kg/h）；秋季最高值出現在16：00（0.354 kg/h）；春季最高值出現在16：00（0.260 kg/h）；冬季液流速率最大值為0.061 kg/h，是夏季最大值的12.37%、為秋季最大值的17.23%、為春季最大值的23.46%。

（4）7月份累計月莖流量最大（260.34 kg），月平均莖流速率為0.360 kg/h；6月次之，累計月莖流量227.93 kg，月平均莖流速率為0.325 kg/h；11月累計月莖流量最小（43.12 kg），月平均莖流速率為0.059 kg/h。設施葡萄全生育期累計液流量為1 347.83 kg，日均液流量為1.94～8.38 kg/d，平均值5.94 kg/d。成熟期的日均液流量最大（8.38 kg/d），其次為變色期（7.65 kg/d），而萌芽期最小（1.94 kg/d）。秋季生長期累計液流量最大（266.96 kg），膨大期累計液流量為252.92 kg；成熟期持續11 d，累計液流量92.22 kg。

（5）設施葡萄生育期較露地葡萄提前，6—7月為其旺盛生長季，也是日累計莖干液流量及蒸騰耗水最大的時期，最高值出現在7月28日（9.364 kg/d），8月份開始下降。5—8月葡萄莖干液流量維持在較高水平，4月和10月相對較低；11月由于葉片的脫落，莖干液流急劇減小并基本維持不變（0.59～0.61 kg/d）。

模擬方程的模擬精度較好，液流速率系列綜合誤差為3.57%，日液流量系列綜合誤差為4.24%。

莖干液流是植物體內由于蒸騰作用引起木質部內向上的液流，其測定已經成為研究不同環境條件下植物水分關系的一種有效手段，其變化特征很大程度決定了植株的蒸騰特征。葉片蒸騰也是水分在SPAC系統中不斷循環遷移的動力。冠層蒸騰耗水是作物實際耗水的主要組成，約占蒸散耗水總量的66.4%［21］～85.8%［23］，直接影響植物的生理生化過程和形態結構，從而影響植物的生長、產量和品質［4］。摸清各類作物在不同條件下的莖干液流變化特征及其與環境因子的響應關系，并將其應用于大尺度下作物冠層蒸騰耗水量計算和實際耗水量的模擬都十分有意義。因此，探明莖干液流與土壤水分、土壤溫度、氣象要素和作物生理生態參量之間的關系，構建多參數系統模擬模型，推求近似區域或缺資料情況下同類作物蒸騰耗水，明確蒸騰耗水與蒸散發量的比值，并反向推求相關作物各生育階段的作物參數，同時為開展作物的缺水診斷、優化灌溉制度并進行精確灌溉提供基礎依據，這些或將成為國內外學者的研究熱點。

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