何令祖，張廷強，吳衛(wèi)熊(.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，南寧 53003；.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 00038)

0 引 言

甘蔗從根系吸收水分，經(jīng)莖流輸送到葉片，99.8%的水分在蒸騰作用下耗散到空氣中?，F(xiàn)有以葉水勢和基于葉面蒸騰的水分虧缺指數(shù)表征甘蔗耗水狀態(tài)已有一些成果，但這兩種方法均需要對甘蔗活體進行連續(xù)監(jiān)測，測量過程比較復(fù)雜，操作難度大，難以在監(jiān)測設(shè)施條件較差的地方使用[1,2]。謝華等則利用莖流計研究了冬小麥蒸騰規(guī)律[3];楊再強等通過研究不同水分脅迫處理對番茄莖流以及葉水勢的影響，證明可以利用莖流來表征作物需水情況[4];張雷等研究表明莖流量可以直接代表甘蔗的蒸騰量[5]。利用莖流代表作物水分蒸發(fā)量在理論上已經(jīng)可行,如何通過甘蔗莖流速率及其影響因素的實時監(jiān)測，建立甘蔗莖流速率與氣象因素相關(guān)關(guān)系，揭示甘蔗水分代謝規(guī)律，實際指導(dǎo)甘蔗灌溉，則是當(dāng)前生產(chǎn)中迫切需要解決的實際問題之一。

考慮到甘蔗莖流變化的主要影響因素是太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度等。本文通過采用插針式莖流計和氣象站對太陽輻射、空氣濕度、空氣溫度等持續(xù)同步監(jiān)測，分析各因素對于甘蔗莖流的影響，建立甘蔗莖流速率預(yù)測模型，為指導(dǎo)甘蔗灌溉，實現(xiàn)高效智能節(jié)水灌溉提供了條件。

1 試驗概況

試驗田位于廣西壯族自治區(qū)崇左市大新縣，北緯22°29′～23°05′，東經(jīng)106°39′～107°29′之間。年平均溫度21.3 ℃，極端最高溫度39.8 ℃，最低氣溫-2.2 ℃。年平均降雨量1 326 mm，降雨多集中在夏秋季，冬春較少。試驗田為旱坡地常規(guī)種植農(nóng)田，田間土壤為磚紅壤，甘蔗品種為新臺糖03287，甘蔗種植行間距1.2 m。

甘蔗為宿根蔗，均勻行種植，試驗期間為種植第二年。試驗田甘蔗常規(guī)耕作、施肥，不對甘蔗進行水分脅迫處理。

試驗甘蔗莖流、葉溫觀測采用北京澳作生態(tài)儀器有限公司ENVIdata莖流葉溫生長測量系統(tǒng)，莖流計采用熱擴散法插針式莖流計，插針為TDP30。插針安裝在甘蔗底部，安裝前先將甘蔗底部老葉剔除干凈，并用蒸餾水擦洗干凈，測量其直徑，插針安裝好后做好防水防輻射保護。莖流計數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為30 min，試驗觀測時間為2014年8月8日至2014年10月21日。太陽輻射、相對空氣濕度、溫度觀測采用北京澳作生態(tài)儀器有限公司2000系列自動氣象站，氣象站安裝在試驗區(qū)附近，無較高建筑物遮擋的田間。氣象站數(shù)據(jù)采集間隔與莖流計同時同步進行。試驗測得甘蔗直徑3.358 cm，株高274 cm，葉片數(shù)9片。

2 結(jié)果與分析

2.1 日莖流速率變化規(guī)律

圖1為甘蔗典型晴天、典型陰天、典型雨天三種天氣狀況典型莖流變化規(guī)律圖，典型晴天為8月10日，典型陰天為8月12日，典型雨天為8月13日。從圖中可以看出甘蔗莖流在各種天氣狀況下都有一定的周期性。晴天莖流基本呈現(xiàn)M型，在9∶00莖流啟動然后大幅上升，在12∶00、15∶00與17∶00分別達到3個峰值，莖流速率最高可達38 g/h。在3個峰值之間有莖流明顯降低的午休現(xiàn)象。晴天莖流在17∶00后開始大幅降低，至20∶00趨于低莖流平衡。陰天莖流呈現(xiàn)倒V型，莖流啟動稍晚于晴天在10∶00左右，之后莖流上升在14∶00達到最大20 g/h，然后莖流下降，在20∶00基本達到低水平莖流平衡。雨天莖流整體較為平緩，莖流啟動時間在10∶00左右，在14∶00達到莖流速率最大值10 g/h，也在20∶00基本達到低水平莖流平衡。3種天氣狀況都是隨著天氣情況白天莖流增加，下午莖流降低，夜間莖流平衡。不同的是天氣狀況不同，莖流啟閉時間以及莖流最大值有差異。

圖1 典型晴天、陰天、雨天莖流流速、莖流累計量對比圖

整體比較，晴天莖流量最大，陰天莖流量其次，雨天莖流量最小，白天莖流差距顯著，夜間莖流相對都比較穩(wěn)定，都在5 g/h以下，略有S型變化，且晴天在8∶00達到莖流最低值，陰天在5∶00達到莖流最低值，雨天在8∶00達到莖流最低值。

2.2 莖流速率與太陽輻射關(guān)系

圖中典型晴天為8月10日，典型陰天為8月12日。由圖可知，在一天范圍內(nèi)甘蔗莖流隨著太陽輻射強度增強而增加，隨輻射強度減弱而降低，莖流與太陽輻射強度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。在整個觀測期內(nèi)，日莖流也隨著日輻射同步變化。此外從晴天、陰天莖流與輻射關(guān)系圖中可以發(fā)現(xiàn)，莖流變化總是在輻射強度變化之后，兩者相差約有半個小時，莖流變化相對太陽輻射變化具有一定的滯后性。

圖2 甘蔗典型晴天太陽輻射與莖流關(guān)系圖

圖3 甘蔗典型陰天太陽輻射與莖流關(guān)系圖

圖4 甘蔗日太陽輻射與日莖流量關(guān)系圖

晴天輻射強大，波動也大，在白天輻射強度在600 W/m2至900 W/m2區(qū)間波動，并在12∶00、13∶00以及16∶00出現(xiàn)3個峰值；陰天輻射強度小，變化波動相對較小，輻射強度波動上升在14∶00達到最大值，兩種天氣狀況夜間輻射值都為0。白天莖流曲線跟著輻射強度同形狀波動，晴天最大莖流速率可達38 g/h，陰天最大莖流速率約20 g/h，兩者莖流量差距顯著。夜間甘蔗莖流速率在0～5 g/h內(nèi)S型波動，并且在夜間都會有兩次莖流降低到零附近的情況。

在白天太陽輻射將促使葉面氣孔張開，促進蒸騰作用，甘蔗莖流主要由太陽輻射影響；在夜間太陽輻射強度為0，甘蔗騰發(fā)作用只能通過葉面呼吸作用以及葉面蒸發(fā)帶動莖流，因此夜間莖流仍然維持在一個較小的范圍內(nèi)，溫度、相對空氣濕度等成為影響莖流的主要因素。

晴天12∶00到14∶00太陽輻射強度很大的時候，甘蔗莖流并沒有像上午或者下午那樣維持在一個較高的水平而是略有下降，這是因為過高的輻射和溫度也帶走了過多的水分，根系吸水不足以滿足蒸騰失水，甘蔗啟動自我保護機制，關(guān)閉部分氣孔從而出現(xiàn)了甘蔗為了維持體內(nèi)水分平衡出現(xiàn)的午休現(xiàn)象[9]。

從日太陽輻射與日莖流關(guān)系圖中可以看出8月到9月伸長期范圍內(nèi)，日莖流量始終維持在400 g附近，太陽輻射強度與莖流變化節(jié)奏幾乎一致。而9-10月成熟期莖流量與太陽輻射強度變化趨勢雖然類似，但莖流量隨著輻射變化的影響越來越小。隨著甘蔗生長期推移，甘蔗越來越成熟，新陳代謝越來越慢，輻射強度對莖流的影響也就越來越小。

2.3 莖流速率與空氣溫度關(guān)系

圖5中典型晴天為8月10日，典型陰天為8月12日。由圖5可知，莖流與空氣溫度的波動大致方向一致，兩者有一定的正相關(guān)關(guān)系。晴天的白天由于太陽輻射變化大帶動莖流變化也大，莖流與空氣溫度波動相關(guān)性不是很明顯；而陰天太陽輻射較小，太陽輻射對莖流的影響減弱，甘蔗莖流與空氣溫度的波動趨于一致，在太陽輻射強度高時太陽輻射是主要影響因素，太陽輻射強度低時空氣溫度對莖流影響很大。

圖5 甘蔗典型晴天、典型陰天溫度與莖流關(guān)系圖

晴天空氣溫度總體明顯高于陰天空氣溫度，晴天莖流也都大于陰天莖流；當(dāng)夜間太陽輻射強度為零時，晴天夜間空氣溫度高于陰天夜間空氣溫度，晴天莖流完全在陰天莖流之上，這也表明空氣溫度對莖流的明顯正相關(guān)影響。

圖6 甘蔗日積溫與日莖流量關(guān)系圖

分析整個觀測期內(nèi)日積溫與日莖流的關(guān)系，莖流隨積溫波動變化，空氣溫度升高莖流增加，空氣溫度降低莖流也減少，日莖流量與日積溫呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。并且8-9月伸長期范圍內(nèi)，莖流隨著空氣溫度變化波動大，而9-10月成熟期莖流隨著空氣溫度變化波動相對較小，這表明空氣溫度在伸長期對莖流影響大于成熟期。甘蔗各個階段對環(huán)境影響因素的敏感性不一樣，新陳代謝越旺盛受氣象因素影響越大，因此伸長期空氣溫度與莖流的相關(guān)性大于成熟期。

2.4 莖流速率與空氣濕度關(guān)系

圖7中典型晴天是8月10日，典型陰天為8月12日。由圖可知無論是白天還是夜間空氣濕度與莖流存在一定的負相關(guān)關(guān)系，空氣濕度增加莖流減小，空氣濕度降低莖流增加。

圖7 甘蔗典型晴天、典型陰天空氣溫度與莖流關(guān)系圖

晴天水分蒸發(fā)快，空氣濕度變化大；陰天水分蒸發(fā)慢，空氣濕度變化小；因此晴天莖流的變化幅度遠大于陰天莖流的變化幅度。陰天太陽輻射強度低，太陽輻射對莖流影響較弱，更能體現(xiàn)空氣濕度、溫度對莖流的影響，從陰天莖流與空氣濕度關(guān)系不難發(fā)現(xiàn)兩者之間負相關(guān)關(guān)系密切，空氣濕度對莖流影響顯著。除此之外陰天夜間空氣濕度接近100%時，為了維持正常生理代謝，甘蔗莖流仍然可以維持在較小的范圍內(nèi)，這也表明莖流在夜間受溫度影響很大。

2.5 莖流速率預(yù)測模型

由莖流變化與氣象因素的相關(guān)性分析表可知，甘蔗莖流速率與太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度都有顯著的相關(guān)性。莖流速率與太陽輻射、空氣溫度呈正相關(guān)關(guān)系，莖流速率與空氣濕度呈負相關(guān)關(guān)系。聯(lián)合太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度對甘蔗莖流進行非線性回歸分析，得到以下回歸分析參數(shù)表。

模型線性回歸R2為0.703，模型擬合度好，模型方程如下：

F=0.006 SR-0.07 RH+1.667 T-34.615

注：**為0.01的顯著水平(雙尾)。

表2 甘蔗莖流速率與氣象因素聯(lián)合分析模型參數(shù)表

式中：F為莖流速率，g/h；SR為太陽輻射強度，W/m2；T為空氣溫度，℃；RH空氣濕度，%。

3 結(jié)論與討論

(1)影響甘蔗蒸騰作用的主要因素是太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度。太陽輻射強度高，甘蔗光合作用強，葉片開啟的氣孔數(shù)量增多，蒸騰作用也就增強，白天太陽輻射強度是影響莖流的最主要因素。其次，空氣溫度對甘蔗莖流有顯著的影響，溫度增加帶動莖流增加。

(2)甘蔗莖流速率在一天內(nèi)隨著太陽輻射、空氣溫度以及空氣濕度呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律。白天的莖流速率明顯大于夜間，晴天的莖流速率最大。

(3)不同生育期各氣象因素對甘蔗莖流的影響也有差異，伸長期甘蔗新陳代謝旺盛，莖流隨著氣象因素的變化波動大；成熟期甘蔗新陳代謝慢，氣象因素對莖流變化影響較小。

(4)建立的莖流速率與太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度的相關(guān)關(guān)系模型，擬合度高，顯著性好，方便在灌溉生產(chǎn)管理中應(yīng)用。

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