毛海穎 馮仲科 鞏垠熙 閆 飛

(精準林業(yè)北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學)，北京，100083)

水資源短缺問題是當今社會討論的熱點問題，利用各種實際方法進行節(jié)能節(jié)水減排也是當今科學界亟需重點解決的問題。而蒸騰是植被及林木耗水的主要方式，在土壤—植物—大氣連續(xù)體(SPAC)水熱傳輸過程中占有極為重要的地位[1]。隨著世界經濟日新月異的發(fā)展，人們對生存環(huán)境的要求也逐漸提高。近年來，森林覆蓋率的不斷提高，林木對水資源的合理吸收和利用已經成為中國乃至世界林業(yè)學界和生物學界研究的熱點問題[2]。為了較好的掌握林木的需水限值，需要從林木自身的生理特性著手，進而得知其抗旱特性、需水特性及基本規(guī)律，利用GIS遙感手段對苗木需水量進行操作和控制來進行田間推廣，從而實現苗木的精準灌溉而達到節(jié)水的目的[3]。栓皮櫟是我國抗旱造林的主要樹種之一，國內外對其抗旱節(jié)水的分析主要在利用熱擴散式邊材液流探針(TDP)對整株樹木蒸騰耗水量進行研究，揭示林木蒸騰耗水的日變化以及連日變化規(guī)律[4]。謝會存等[5]于2002年利用經典質量法研究了水分脅迫對栓皮櫟幼苗的光合生理和生長的影響，但未得出最佳的水分梯度，未能達到了節(jié)水的目的。管文軻等[6]曾就沙區(qū)主要造林樹種的節(jié)水灌溉進行過研究，對主要防護林樹種，沙棗、胡楊以及新疆楊等在灌溉定額、灌溉周期分別給出了試驗性的結論，并采用滴灌的措施。而對利用GIS對最佳水分梯度的苗木在田間的推廣并進行定量控制和布設的研究卻較少。

本文以栓皮櫟1－0苗木為研究對象，測定生長期(每年4—10月)的需水量，并根據生物量等關鍵因子的采集及比較分析來確定最佳水分梯度，并以此梯度為標準制定灌溉制度進行田間推廣，將當地的氣象、苗木需水量等數據輸入計算機的模塊[7]，利用GIS技術對苗木田間種植進行布設，并進行水分供需控制。本試驗將地理信息系統(tǒng)技術與造林育苗結合，提高供水精度的同時節(jié)約水資源，為田間苗木的培育及節(jié)水灌溉提供一定的理論依據。

1 研究區(qū)概況

試驗地點選在北京市北京林業(yè)大學產學研聯(lián)合培養(yǎng)研究生示范基地，北京林學會試驗基地，位于東經 115°50'17″～116°29'49″，北緯 40°02'18″～40°23'13″。氣候主要特點是四季分明，春旱少雨，多風沙天;夏季濕熱，雨量集中;秋高氣爽，暖濕適宜;冬季地凍，干燥多風。氣溫年較差和日較差都較大。年平均氣溫9.05℃，無霜期為150 d左右，2000—2010年平均降水量740 mm。本試驗為避免降水對苗木需水量的影響，設有遮雨棚。

2 材料與方法

本試驗以栓皮櫟1－0苗木為研究對象，栓皮櫟種子經播種發(fā)芽后，將發(fā)芽的種子移入黑色合成塑料營養(yǎng)缽，規(guī)格為15 cm×10 cm。缽內土質為砂壤土，試驗開始時每盆均質量為1.20 kg。試驗初期的平均苗高為18.41 cm，平均地徑為 2.24 cm，且長勢均良好。

2.1 試驗設計

試驗通過計算土壤飽和含水量，分別設定40%、50%、60%、70%、90%5個水分梯度(含水量不足30%的苗木在試驗之初由于水分不能滿足其正常生長而被取締;100%的梯度為土壤的飽和含水量，對苗木的需水供過于求，也在試驗中被取消;90%梯度與80%梯度在計算的過程中發(fā)現結果比較接近，為了能更有代表性，所以選取了90%的梯度進行試驗。每個梯度設100個重復，每盆(即每個重復)一株幼苗，為排除土壤蒸發(fā)對苗木耗水的影響，苗木全部覆膜處理，并置于遮雨棚中。因此，本文的苗木需水量即為苗木自身生理需水量。

本試驗從2008年5月初開始，10月底結束，為研究苗木需水規(guī)律，根據土壤含水量計算出的不同梯度的需水范圍，自苗木展葉開始，定期利用SR6400精密天平進行抽樣稱其質量，試驗結束后計算各梯度苗木需水量。另外，每月利用卷尺和電子游標卡尺對苗高(H)、地徑(D)進行測量，生物量(W)的取樣為每月底各梯度破壞性抽取3整株苗木進行烘干后稱其質量。葉綠素的測定為在每月月中抽取不同水分梯度下固定株的葉片，利用丙酮浸泡法在分光光度計上進行測定，每個水分梯度設3個重復，每個葉片質量為0.2 g左右。利用便攜式HOBO氣象站實時觀測試驗地溫度、空氣濕度、降雨量及平均風速等氣象數據，為苗木田間灌溉所需數據及苗木需水量輸入GIS模塊做準備[8]。從設定的5個梯度中選取出既適合苗木生長又同時節(jié)水的水分梯度，以此作為灌溉制度制定的依據，并將栓皮櫟1－0苗木的月灌溉定額、灌溉強度、灌溉時間等一系列數值進行制定具體的灌溉方法。利用GIS建立管理模塊進行田間推廣，按照最佳水分梯度對苗木的需水量進行實時監(jiān)控，進而實現苗木的精準灌溉。

2.2 測定指標

2.2.1 需水量

栓皮櫟1－0苗木需水規(guī)律的研究主要采用經典質量法—即利用SR6400精密天平稱質量法來定時測定苗木需水量，在試驗初期用環(huán)刀取土稱質量測定土壤含水量，后利用公式計算預設水分梯度下，各梯度的上下限，所以每次稱質量補水都要在這個限制范圍內，并計算兩個苗齡苗木不同的需水日變化、月需水量和年需水量。利用Li－6400便攜式光合測定系統(tǒng)分析儀來測定苗木凈光合速率和其變化曲線，在不同水分梯度控水的情況下來觀測苗木的生長狀況。每次抽取20盆，5、6月份每5 d稱質量1次，7、8月份每3 d稱質量1次，9、10月份每4 d稱質量1次。

2.2.2 氣象資料

從試驗區(qū)內的HOBO氣象站采集相關氣象數據，主要包括大氣日最高溫度、最低溫度、相對濕度、平均風速和降雨量等，如表1。

表1 氣候因子的變化

2.2.3 生長指標

生長指標主要指苗高(H)、地徑(D)和生物量(W)，這3個指標是衡量苗木生長的關鍵指標。利用標尺測定H和D，用稱質量法測定W。本試驗采用電子游標卡尺測量苗木的地徑，利用普通卡尺測量苗高，利用抽樣的方法測定苗木生物量。

苗高:自幼苗展葉開始每月月中，各梯度隨機抽樣20株進行測定。

地徑:利用電子游標卡尺，每月月中，各梯度隨機抽取20株進行測定。

生物量:生物量是苗木生長的重要標志，不同的水分梯度下的苗木生物量不同。按照苗木的生長周期，自苗木第一片葉子展開后開始，按月進行不同水分梯度下生物量的抽樣采集。生物量的測定時間選在每月月末，各水分梯度破壞性取樣抽取3株，并按照葉、莖、根進行具體分類，測定鮮質量，再將其放入烘箱中，在80～100℃的條件下烘干3 d，利用公式(1)稱質量測其干質量[9]。

式中:N為全樹的枝數量;n為標準枝數量;Wi為標準枝的枝鮮質量或葉鮮質量。計算出根、莖和葉的生物量。

2.2.4 葉綠素質量分數

葉綠素是光合作用的基礎，是反映苗木光合能力的重要標志。本試驗生理指標的測定主要是葉片中葉綠素質量分數的測定，葉綠素的質量分數是苗木生長狀況的重要評價指標之一，也是評定苗木受水分脅迫程度大小的指標之一。有研究者指出，葉綠素質量分數與光合作用之間一般呈正相關性。葉綠素質量分數的高低直接影響葉片的光合速率、呼吸速率，而土壤水分脅迫對葉綠素質量分數和光合速率都有一定的影響[10]。正常生長的栓皮櫟苗木葉片葉綠素的質量分數較高，但受到水分脅迫后，其質量分數明顯下降，苗木受到的脅迫程度越大其葉片中葉綠素的質量分數越低。

將新鮮葉片剪成0.2 cm左右的細絲或小塊混合均勻后，稱取0.2 g，放入25 mL具塞刻度試管中，加入80%丙酮定容至刻度，并仔細將粘附在瓶壁邊緣的葉片碎末洗到丙酮溶液中，蓋上瓶蓋，室溫下置暗處浸提過夜，其間搖動3～4次，次日觀察葉片全部變白時，表示葉綠素浸提完全。過濾后，在波長663、645和470 nm測定吸光值，并根據下列公式計算葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素t的質量分數[11]。

式中:Ca為葉綠素a;Cb為葉綠素b;CT為葉綠素總量;Ct為類胡蘿卜素;A470為波長在470 nm的吸光值;A645為波長在645 nm的吸光值;A663為波長在663 nm的吸光值。

3 結果與分析

3.1 最佳水分梯度的選取

在設定的40%、50%、60%、70%、90%的水分脅迫下，根據栓皮櫟幼苗的苗高、地徑、生物量(生長指標)和葉綠素(生理指標)在不同水分梯度間的相互比較和方差分析，選取長勢良好苗木的水分梯度作為灌溉制度制定的依據。

此時測定的耗水量并非苗木自身生理需水量，如灌溉量超過苗木生理需水量則并不會加快苗木生長，反而會導致苗木根系因水分供過于求，產生爛根等現象影響苗木正常生長[12]。在苗木生長期水分測定過程中，90%梯度出現了明顯的水分供過于求的狀況(表2)，因此該梯度不能作為節(jié)水灌溉梯度，而其他梯度將結合苗木生長、生理指標的測定后再進一步篩選。

表2 栓皮櫟1－0苗木生長期需水量 mL

苗高:5—10月苗高的生長呈先上升后下降的單峰曲線規(guī)律。5月份各梯度苗高接近相同，約為18.5 cm，7、8月份為生長速生期，7月份的苗高各梯度由大到小分變?yōu)?25.46、24.87、25.55、23.81、23.79 cm。分別比 5、6 月份增長了 13.21%、12.77%、12.98%、11.32%和 10.33%。9、10 月份生長增量相對比7、8月份低，9月份各梯度平均苗高增長為8月份10.01%，10月份各梯度苗高增長為9月份的8.75%，生長接近于停止(見表3)。苗高和地徑的變化對于增長比較緩慢的栓皮櫟來說變化不是很明顯，一個生長季內苗高增量在(18～33 cm)范圍內，90%、70%和60%水分梯度下的苗木苗高(H)差異性不顯著(P＞0.05)，50%與40%水分梯度間的苗木苗高(H)差異性顯著(P＜0.05)，見表4。因此考慮苗木生理需求和節(jié)水的因素，60%水分梯度相比其他梯度已經適合苗木生長，但還需根據地徑、生物量等因素綜合考慮。

表3 不同水分梯度1－0苗木苗高變化 cm

表4 不同水分梯度1－0苗木苗高方差分析

地徑:苗木地徑的生長在整個生長期內呈現遞增趨勢(如表5)。

表5 不同水分梯度1－0苗木地徑變化 cm

根據表6可知，50%與40%水分梯度下的苗木地徑的增長與90%、70%、60%水分梯度的苗木存在顯著性差異(P＜0.05)。而 90%、70%、60%水分梯度下的苗木地徑的增長卻沒有差異(P＞0.05)。可見60%水分梯度下的苗木就可以完全達到與90%水分梯度完全等同的生長效果，水分梯度大到超過一定的范圍，反而抑制了苗木根系的生長，從而抑制苗木地徑的生長，這與苗高的生長相符，但最佳水分梯度的選擇還應結合苗木生物量的生長進行具體分析和篩選。

表6 不同水分梯度1－0苗木地徑方差分析

生物量:生物量的增長從5月初苗木開始展葉開始，各水分梯度苗木生物量的各部分干質量接近相等，葉部約為 1.0886 g/株、根部約為 3.8492 g/株、干部約為2.475 g/株(見表7)。而根部的增長尤為明顯，90%、70%、60%水分梯度下的苗木根部生物量差異不顯著(P＞0.05)。50%、40%水分梯度下的苗木增長與90%、70%、60%水分梯度苗木生物量增長有顯著性差異(P＜0.05)(表8)。7月份各水分梯度下苗木生物量對比試驗初的增量根部平均為1.681 g/株，葉為 1.183 g/株，干為 0.65 g/株。

表7 不同水分梯度1－0苗木生物量的積累 g

10月底各水分梯度下苗木生物量增量對比5月份，根部平均為 5.9262 g/株，葉為 3.0382 g/株，干為1.301 g/株，苗木葉子脫落，生物量增長緩慢，標志著苗木整個生長期的結束。

表8 不同水分梯度1－0苗木生物量生長方差分析

葉綠素:葉綠素質量分數在一定程度上說明苗木在整個生長季內的生長變化情況，含量高則苗木生長迅速，反之則緩慢[13]。

栓皮櫟1－0苗木整個生長季內葉片葉綠素質量分數的變化，從圖1可以看出，從6月份到9月份葉綠素a和葉綠素都呈現先上升后下降的整體趨勢。5、6月份各水分梯度還沒有拉開，對于葉片葉綠素含量的影響不大，各水分梯度苗木在該月葉綠素質量分數接近，都在很小的范圍內變化。6月份葉綠素a比葉綠素b變化幅度稍大水分梯度漸漸拉開，但葉綠素a/葉綠素b的值沒有明顯的變化。

圖1 不同水分處理下1－0苗木葉片葉綠素質量分數的變化

7月份各水分梯度苗木葉片葉綠素a的質量分數開始有顯著增加，最高水分梯度苗木葉綠素a的質量分數為 11.4881 mg·g－1，而此時 60%水分梯度的苗木葉綠素a的質量分數卻高于90%水分梯度的苗木，為 12.1717 mg·g－1。8 月份這種現象更加明顯，90%、70%、60%、50%以及40%水分梯度下苗木葉綠素質量分數分別為:15.7799、12.6894、15.1477、13.3713、10.5042 mg·g－1?？梢?，60%水分梯度下葉綠素質量分數已經接近于90%梯度下苗木葉綠素的量，說明60%水分梯度已經可以滿足苗木生理需求。結合以上測定數據及相關分析，栓皮櫟1－0苗木在60%水分梯度下能夠正常生長且各指標也已達到和接近最優(yōu)，因此選擇60%水分梯度作為栓皮櫟1－0苗木灌溉制度制定的標準和大田推廣的最佳水分梯度，60%梯度下苗木需水規(guī)律。

對于栓皮櫟1－0苗木各月份需水量與生長指標間的相關關系，經回歸分析可用以下模型來表示，見表9。以60%水分梯度為例:

其中，Y60%表示60%水分梯度的苗木單株月需水量(mL·株－1·月－1);X1為苗高(H)月生長量(cm);X2為地徑(D)月生長量(cm);X3為生物量(W)月生長量(g·株－1)。

苗木單株月需水量將按照模型來進行具體計算，而60%水分梯度作為苗木節(jié)水的最佳梯度，它的選取將會作為灌溉制度指定的標準。

表9 1－0苗木生長指標與需水量的模型

3.2 灌溉制度的制定

根據苗木最佳水分梯度的選取和單株月需水量模型的建立，可以計算出苗木的具體灌溉定額、灌溉時間、年季灌溉量等。以栓皮櫟1－0苗木60%水分梯度為最佳水分梯度的灌溉制度見表10。其中，年灌溉量是指在整個生長季苗木的灌溉總量。

表10 栓皮櫟1－0苗木最佳水分梯度(60%)下的灌溉制度

日后可在本研究的基礎上，可利用灌溉區(qū)信息管理模塊將田間氣象、土壤、苗木需水量等相關信息進行綜合分類，并存儲于數據庫中[14]。數據庫采用Microsoft Access開發(fā)，待田間灌溉時，利用GIS從中調用相關屬性數據。在過去的農田灌溉系統(tǒng)中，要達到經濟節(jié)水的目的，還需在此基礎上建立作物配水模擬模塊及根據遺傳算法進行的優(yōu)化模塊，以期達到對作物需水量的預測及制定灌溉方案[15－16]。但卻不能克服預測需水量帶來的灌溉誤差及模塊建立帶來的系統(tǒng)誤差[17－18]。本試驗解決了這一難點，已經根據經典稱重法測定了不同梯度下苗木需水量，并利用方差分析及相關模型的建立篩選出了最佳水分梯度，依據該梯度進行計算確定灌溉量，制定灌溉制度，該灌溉制度則更加精確，為日后栓皮櫟1－0苗木的田間灌溉提供實踐基礎和理論依據。

4 結論

影響水分蒸騰的因素有很多，如光照、溫度、濕度、風力、降雨等氣候因素以及植物自身的生長消耗[19]。影響植物自身生長需水的主導因素，要根據植物所處的環(huán)境條件以及人為的外力來決定[20]。本文以栓皮櫟1－0苗木的大田精準灌溉為目的，對其水分需求量進行了具體的測定，包括水分梯度的設定和篩選，利用栓皮櫟1－0苗木生長指標(苗高、地徑、生物量)及生理指標(葉綠素a、葉綠素b)與苗木需水量之間的相關模型篩選出最佳水分梯度為60%梯度，作為苗木田間推廣的最優(yōu)水分梯度，并利用GIS建立灌溉區(qū)信息管理模塊，將氣象及土壤類型等因素與苗木需水量結合起來，使田間灌溉更加準確，本試驗將為耐旱苗木的灌溉提供理論基礎和依據。

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