孟秦倩，王 健，張青峰，吳發(fā)啟

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌 712100)

蒸騰是植物耗水的主要方式，在土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)水熱傳輸過(guò)程中占有極為重要的地位。莖流法以植物生理學(xué)基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)定樹(shù)干內(nèi)示蹤物運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算樹(shù)液流速，推算樹(shù)干液流量，并由此推斷植株蒸騰量［1-3］。熱擴(kuò)散探針?lè)?TDP)法是當(dāng)前測(cè)算林木蒸騰速率穩(wěn)定的技術(shù)［4-6］，借助插入邊材中的探針，通過(guò)測(cè)定兩探針間溫度差，計(jì)算出液流速率，進(jìn)而確定樹(shù)干液流量［7-8］。大量學(xué)者應(yīng)用熱擴(kuò)散探針?lè)y(cè)定了各種樹(shù)木蒸騰耗水規(guī)律，孫慧珍等［9］測(cè)定了梨樹(shù)，李廣德等［10］實(shí)驗(yàn)測(cè)定了三倍體毛白楊，孫守家等［11］測(cè)定了銀杏，Palomo等［12］測(cè)定了橄欖樹(shù)，Lu等［13］測(cè)定了 13年生的成熟芒果樹(shù)，馬玲等［14］測(cè)定了馬占相思樹(shù)，王華田［15］測(cè)定了側(cè)柏，孫鵬森等［16］測(cè)定了油松。受試驗(yàn)樹(shù)木生境異質(zhì)性的影響，樹(shù)木不同方位冠幅的大小及疏密程度不同，樹(shù)木莖干不同方位的液流速率普遍存在差異，但是Cohen和Naor［17］研究了Kibbutz Ortal地區(qū)蘋(píng)果樹(shù)液流特征，卻發(fā)現(xiàn)不同方位的液流沒(méi)有明顯差異。因此本實(shí)驗(yàn)采用熱擴(kuò)散探針?lè)?，針?duì)黃土高原山地蘋(píng)果樹(shù)進(jìn)行液流速率測(cè)定，旨在揭示黃土高原山地蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)干不同方位液流變化特征，為準(zhǔn)確計(jì)算山地蘋(píng)果園蒸騰耗水提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于延安市寶塔區(qū)飛馬河小流域，寶塔區(qū)地理坐標(biāo)為 E109°00′—109°45′，N36°55′—36°20′。試驗(yàn)地多年平均降水量531 mm，降水年際分布不均，實(shí)測(cè)多年年最大降水量871.2 mm(1964年)，最小330 mm(1974年)，降水年內(nèi)分布極其不均，年內(nèi)主要降水集中在6—9月，占全年降水總量的70.2%。降水較少及降水不均，導(dǎo)致氣候干旱，加劇了區(qū)域水土流失發(fā)生。試驗(yàn)區(qū)屬春旱為主的中等虧水區(qū)，同時(shí)伴有伏旱和秋旱，水分條件直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。試驗(yàn)地多年平均日照時(shí)數(shù)2418 h，太陽(yáng)總輻射在582.12 KJ/cm2，平均氣溫9.4℃，最高氣溫39.7℃，最低氣溫-25.4℃，≥0℃活動(dòng)積溫3100—3878.1℃，≥10℃活動(dòng)積溫2500—3400℃，無(wú)霜期140—165 d，平均濕度62%，9月份最大為76%，4月份最小為52%。

試驗(yàn)地土壤為黃綿土，果園土壤肥力中等，有機(jī)質(zhì)含量1.5%，全氮0.93 g/kg，堿解氮36.0 mg/kg，速效磷5.7 mg/kg，速效鉀145 mg/kg，土壤pH值為8.43，呈弱堿性。試驗(yàn)地土層深厚，深度均大于50 m，地下水埋深較深，土壤無(wú)接受地下水補(bǔ)給的條件，降水入滲補(bǔ)給和灌溉水為蘋(píng)果樹(shù)生長(zhǎng)的所有水源。

試驗(yàn)區(qū)蘋(píng)果園主要分布在梁峁坡上。蘋(píng)果園地表坡度5°—10°，立地條件為梯田，試驗(yàn)期降水未產(chǎn)生地表徑流，降水有效補(bǔ)給土壤水分。

2 材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)蘋(píng)果樹(shù)品種為13齡喬化富士(長(zhǎng)富2號(hào)，砧木為西府海棠)，株行距為3 m×4 m，栽植密度825株/hm2。搭配品種有秦冠、嘎啦。試驗(yàn)果園蘋(píng)果樹(shù)生長(zhǎng)健壯，樹(shù)體長(zhǎng)勢(shì)中庸整齊，樹(shù)形為細(xì)長(zhǎng)紡錘形，修剪量適中，平均產(chǎn)量1.8 t/hm2。試驗(yàn)時(shí)選擇果園中長(zhǎng)勢(shì)整齊、樹(shù)干基徑相近、樹(shù)體相近的蘋(píng)果樹(shù)作為試驗(yàn)株布設(shè)試驗(yàn)。試驗(yàn)樹(shù)平均高3.5 m，平均冠幅3.3 m，平均干徑12.2 cm。

2.2 樹(shù)干液流測(cè)定與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)要求，被選樣木2株，樹(shù)干通直圓滿，不偏冠，測(cè)定部位上、下30 cm處無(wú)節(jié)疤或損傷。實(shí)測(cè)樣木生長(zhǎng)參數(shù)為:樹(shù)高3.55 m和3.48 m、冠幅3.33 m和3.27 m、40 cm處干徑12.4 cm和12.3 cm。液流測(cè)定方法見(jiàn)王華田和馬履一［18］，數(shù)據(jù)采集間隔期為10 min。采用生長(zhǎng)錐鉆取木芯，測(cè)定邊材面積，計(jì)算果樹(shù)蒸騰耗水。為探求探針布設(shè)方位對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，在試驗(yàn)果樹(shù)樹(shù)體距地面40 cm處，分別于東、南、西和北四個(gè)方向安裝TDP探針，測(cè)定蘋(píng)果樹(shù)液流速率。

2.3 蘋(píng)果樹(shù)耗水規(guī)律測(cè)定

試驗(yàn)地表采用薄膜覆蓋，控制裸地蒸發(fā)，覆蓋面積為12 m×12 m;在試驗(yàn)果樹(shù)2/3樹(shù)冠處布設(shè)7個(gè)水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)，定期(每隔5 d)采用中子儀和烘干法相結(jié)合，測(cè)定土壤含水量，測(cè)定深度0—600 cm，其中0—20 cm采用烘干法，20—600 cm每20 cm為一層，采用中子儀測(cè)定土壤含水量，試驗(yàn)布設(shè)見(jiàn)圖1。試驗(yàn)中防護(hù)區(qū)較大，黃土垂直節(jié)理較為發(fā)育，側(cè)向滲透可忽略不計(jì)。利用水量平衡計(jì)算各時(shí)段蒸騰量，由于控制時(shí)段土壤蒸發(fā)，故可得時(shí)段果樹(shù)耗水量，即為時(shí)段蒸騰量。

圖1 田間試驗(yàn)布設(shè)示意圖Fig.1 Distribution of measure tree

2.4 氣象因子監(jiān)測(cè)

氣象因子采用固定氣象站(Delta-T，Cambridge，England)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)氣象站安裝在距試驗(yàn)果園附近的空曠地。觀測(cè)的氣象因子包括空氣溫度(Ta，℃)、空氣相對(duì)濕度(RH，%)、風(fēng)向(WV，°)、風(fēng)速(WS，m/s)、降雨量(RG，mm)、土壤溫度(Ts，℃)等。

3 結(jié)果分析

3.1 蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)干液流變化規(guī)律

蘋(píng)果樹(shù)蒸騰耗水受氣象因子制約，在不同天氣條件下呈現(xiàn)不同變化規(guī)律。分別選取蘋(píng)果樹(shù)在休眠期、初始生長(zhǎng)期、快速發(fā)育期、生育中期和成熟期的晴天測(cè)定果樹(shù)蒸騰速率。以2008年為例，圖2為蘋(píng)果不同生育期典型日果樹(shù)液流速率變化規(guī)律，典型日的氣象條件見(jiàn)表1。

表1 典型日氣象特征Table 1 Meteorological characteristics of typical day

從圖2可以看出，各時(shí)期的蘋(píng)果樹(shù)蒸騰速率均有明顯的晝夜變化，6:00—8:00左右開(kāi)始，蒸騰速率逐漸增高，最高值出現(xiàn)在12:00左右，16:00以后，蒸騰速率開(kāi)始下降，20:00以后至凌晨變化幅度較小。夜間樹(shù)干液流量較低，在根壓作用下，根系緩慢吸收水分，恢復(fù)植物體內(nèi)的水分平衡。

按蘋(píng)果樹(shù)蒸騰速率變化可把果樹(shù)日耗水大致分為:黎明前的初始耗水階段、日出時(shí)的耗水迅速增加階段、白天的高耗水階段、傍晚的耗水遞減階段和夜晚的低耗水階段。

蘋(píng)果樹(shù)不同生育階段日耗水變化規(guī)律基本相似，但不同生育階段差異較大。果樹(shù)休眠期和果樹(shù)成熟期，蒸騰速率較低，最大僅為1.2 l/h左右，初始生長(zhǎng)期、快速發(fā)育期和生育中期果樹(shù)蒸騰速率較大，最大值分別為2.1、4.1、4.9 l/h。

表2為蘋(píng)果樹(shù)生長(zhǎng)典型日果樹(shù)蒸騰速率變化統(tǒng)計(jì)表。不同生育期，白天蒸騰速率較大，蒸騰量占全天蒸騰量均在86.29%以上。蒸騰量隨蘋(píng)果樹(shù)生長(zhǎng)季節(jié)的變化而變化。液流速率日變化規(guī)律與李煥波等［8］在鳳翔紅富士蘋(píng)果園測(cè)定規(guī)律相類似。

表2 典型日蘋(píng)果樹(shù)蒸騰速率變化統(tǒng)計(jì)表Table 2 Transpiration rate of apple trees changes in typical day

3.2 不同測(cè)定方位樹(shù)干液流速率變化

熱擴(kuò)散探針?lè)y(cè)定樹(shù)干日間液流變化過(guò)程類似，不同方位探針測(cè)定結(jié)果差異明顯，以2008年6月9日不同方位探針測(cè)定結(jié)果為例進(jìn)行分析。圖3為6月9日測(cè)定的不同方位液流速率日變化過(guò)程。可以看到，4個(gè)方位探針測(cè)定樹(shù)干液流整體變化趨勢(shì)較為一致，東向、南向和西向探針測(cè)定結(jié)果均呈現(xiàn)雙峰變化趨勢(shì)，而北向探針雙峰趨勢(shì)不明顯。東南西北4個(gè)方向上測(cè)定的樹(shù)干液流流速差距較大。4個(gè)方向探針中，南向探針測(cè)定值最大，北向最小，東向和西向較為接近，介于南向和北向探針測(cè)定結(jié)果之間。

圖2 典型日蘋(píng)果樹(shù)蒸騰速率變化規(guī)律Fig.2 Transpiration rate of apple tree changes in typical day

圖3 蘋(píng)果樹(shù)液流變化的空間變異Fig.3 Sap flow velocity diurnal variation of different direction

表3為6月9日樹(shù)干不同方位液流量對(duì)比表。可以看出，四個(gè)方位測(cè)定樹(shù)干液流量最小值較為接近，為0.03 l/h，而平均值與最大值差異較大，南面測(cè)針，測(cè)定結(jié)果最大，平均值達(dá)1.19 l/h，北面最小，平均值僅為0.51 l/h，東西兩側(cè)較為接近，測(cè)定平均液流量分別為0.90 l/h和0.88 l/h。

表3 不同方位樹(shù)干液流量統(tǒng)計(jì)表Table 3 Character of sap flow velocity at different direction

3.3 不同測(cè)定方位樹(shù)干液流代表性分析

3.3.1 與參考作物蒸騰量的關(guān)系

果樹(shù)蒸散發(fā)受控于氣象、土壤質(zhì)地、土壤含水量和果樹(shù)生長(zhǎng)狀況等因素，在土壤質(zhì)地、含水量和生長(zhǎng)情況相同條件下，果樹(shù)蒸散發(fā)受控于氣象條件，即區(qū)域蒸發(fā)能力大小，參考作物蒸發(fā)蒸騰量反映著一個(gè)區(qū)域蒸散發(fā)能力。參考作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算方法很多，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(簡(jiǎn)稱FAO)推薦采用FAO Penman-Monteith公式計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量［19］。應(yīng)用Penman-Monteith公式，根據(jù)氣象資料，計(jì)算出試驗(yàn)期參考作物蒸發(fā)蒸騰量。圖4為試驗(yàn)期(6月8日至7月7日)參考作物蒸發(fā)蒸騰量與不同方位測(cè)定樹(shù)干液流量間的關(guān)系。

圖4 液流量與參考作物蒸發(fā)蒸騰量關(guān)系Fig.4 Relationship between sap flow and reference crop evapotranspiration

為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同方位邊材液流速率與參考作物蒸散量之間的相關(guān)性，在0.01的水平上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)回歸分析，見(jiàn)表4。

表4 不同方位邊材液流速率與參考作物蒸散量方差分析表Table 4 Variance analysis between reference crop evapotranspiration and sap flow velocity of different orientation

不同方位邊材液流速率作為自變量，以參考作物蒸散量為因變量，經(jīng)過(guò)逐步回歸，在不同方位均達(dá)到顯著相關(guān)(表4)。不同測(cè)定方位樹(shù)干液流量與參考作物蒸騰量之間呈現(xiàn)線性關(guān)系(圖4)，隨參考作物蒸發(fā)蒸騰量增大，液流量也隨之增大。東、南、西、北四方位測(cè)定樹(shù)干液流量與參考作物蒸發(fā)蒸騰量間線性關(guān)系斜率分別為3.34、3.64、5.40和3.03。東面和西面探針測(cè)定液流量與參考作物蒸發(fā)蒸騰量間相關(guān)性較好，R2分別為0.74和0.83，方差分析均方比F分別達(dá)到78.21和137.85;而南面和北面探針測(cè)定結(jié)果偏差較大，點(diǎn)距較為散亂，兩者R2均僅為0.39，方差分析均方比F分別達(dá)到18.12和17.94。

3.3.2 不同測(cè)定方位樹(shù)干液流量分析

TDP探針不同安裝方位，測(cè)定結(jié)果差異較大，為了能夠合理的、準(zhǔn)確的測(cè)量蘋(píng)果蒸騰規(guī)律，試驗(yàn)通過(guò)實(shí)測(cè)土壤含水量，借助于水量平衡法，確定蘋(píng)果樹(shù)蒸騰耗水規(guī)律，作為對(duì)照蒸騰量，進(jìn)行對(duì)比分析。

采用水量平衡法計(jì)算的時(shí)段蒸騰量作為對(duì)照蒸騰量，利用不同方位測(cè)定樹(shù)干液流量求得果樹(shù)蒸騰量，二者間對(duì)比關(guān)系見(jiàn)表5。2008年6月8日至7月7日1個(gè)月時(shí)間內(nèi)，根據(jù)水量平衡，在充分灌水條件下，通過(guò)水量平衡計(jì)算得到果樹(shù)在該時(shí)段蒸騰水量為102.17 mm。通過(guò)TDP測(cè)定樹(shù)干液流，換算得到果樹(shù)蒸騰量，東面、南面、西面和北面測(cè)定蒸騰量分別為97.97 mm、115.12 mm、98.00 mm和63.97 mm。北面探針測(cè)定蒸騰量較其余三方向要小，與對(duì)照蒸騰量相比，也明顯偏小，各時(shí)段值均低于對(duì)照值，各時(shí)段相對(duì)偏差均大于21.99%，可見(jiàn)北面安裝TDP探針測(cè)定果樹(shù)蒸騰量所得結(jié)果偏低;樹(shù)干南側(cè)測(cè)定結(jié)果與對(duì)照蒸發(fā)蒸騰量相比整體偏大，除6月28日至7月2日測(cè)定值較參照值小外，其余時(shí)段均較參照值大，相對(duì)誤差總體達(dá)12.67%，各時(shí)段偏差最大達(dá)36.49%，相關(guān)分析表明，其均方比分別達(dá)到4.49和5.14，顯著性水平不顯著;樹(shù)干東面和西面測(cè)定結(jié)果與參照值較為接近，總體偏差分別為-4.11%和-4.08%，時(shí)段相對(duì)誤差最大分別為-12.46%和-13.70%，均在容許范圍之內(nèi)，相關(guān)分析表明，其均方比分別達(dá)到14.11和14.57，顯著性水平分別達(dá)到0.020和0.019，明顯高于南北方向探針測(cè)定結(jié)果。王華田等［15］對(duì)側(cè)柏的測(cè)定表明南面測(cè)定液流速率誤差較大，與試驗(yàn)結(jié)果較為接近。由此可以看出，安裝TDP探針時(shí)，應(yīng)選擇樹(shù)體西面或東面，測(cè)定結(jié)果誤差較小。

表5 不同方位測(cè)定果樹(shù)蒸騰量對(duì)比分析Table 5 Determination of transpiration in different direction

4 結(jié)論

(1)各個(gè)生長(zhǎng)階段，蘋(píng)果樹(shù)蒸騰耗水變化規(guī)律較為相似，不同生育階段差異較大。果樹(shù)休眠期和成熟期蒸騰速率較低，白天蒸騰量占全天總蒸騰量的比例分別為89.90%和90.90%;初始生長(zhǎng)期、快速發(fā)育期和生育中期果樹(shù)蒸騰速率較大，白天蒸騰量占全天總蒸騰量的比例分別為91.48%、96.12%和86.29%。

(2)探針安裝方位直接影響測(cè)定結(jié)果。南面和北面安裝探針的測(cè)定結(jié)果偏差較大，典型日平均值分別為1.19 l/h和0.51 l/h，東面和西面安裝探針的測(cè)定結(jié)果較為相近，典型日平均值分別為0.90 l/h和0.88 l/h。

(3)不同方位探針實(shí)測(cè)樹(shù)干日液流量與參考作物蒸散量間均達(dá)到顯著相關(guān)，東、西方向的測(cè)定樹(shù)干日液流量與參考作物蒸散量間相關(guān)性較好，決定系數(shù)R2分別為0.74和0.83，方差分析均方比F分別為78.21和137.85，明顯優(yōu)于南北方向探針測(cè)定結(jié)果。

(4)時(shí)段累計(jì)液流量與實(shí)測(cè)果樹(shù)蒸散量間對(duì)比分析表明，東面和西面兩探針測(cè)定結(jié)果與對(duì)照蒸騰量間相關(guān)性較好，相對(duì)誤差僅為-4.11%和-4.08%，且東、西方向均方比分別為14.11和14.57，明顯大于南、北方向均方比;東、西方向果樹(shù)蒸騰量數(shù)據(jù)相關(guān)性較為顯著(Sig.＜0.05)，而南北方向相關(guān)性較差(Sig.＞0.05)。由此可見(jiàn)在測(cè)定果樹(shù)液流量時(shí)，選擇東面或西面安裝液流計(jì)探針，可有效減小試驗(yàn)誤差。

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