張夢麗，岳春芳，李藝珍

(新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

新疆環(huán)塔里木盆地地區(qū)光熱資源非常豐富，氣候條件適宜紅棗栽培，加之對農(nóng)民增收效果顯著[1]，因此紅棗成為近年來新疆環(huán)塔里木盆地地區(qū)大力發(fā)展的特色林果之一[2]。目前已有許多學者針對阿克蘇地區(qū)成齡棗樹的水分與生理特性進行研究，2013年王霄[3]等在阿克蘇地區(qū)溫宿縣佳木鎮(zhèn)研究棗樹在滴灌形式下蒸騰作用受土壤含水量的影響，發(fā)現(xiàn)在不同灌水周期內(nèi)，棗樹葉片蒸騰速率與土壤含水量呈顯著正相關(guān)。2015年魏光輝[4]等采用偏最小二乘回歸法建立了阿克蘇地區(qū)棗樹耗水量預測模型，運用缺省因子法分析了棗樹耗水量對各因子的敏感性，并采用灰色關(guān)聯(lián)分析法加以驗證。發(fā)現(xiàn)棗樹耗水量對太陽輻射、土壤含水率和溫度最為敏感。2019年鄭明[5]等人采用渦度相關(guān)法與水量平衡法對棗園的能量閉合度和騰發(fā)量進行測定，確定了充分灌溉下棗樹全生育期騰發(fā)總量為560.78 mm。

前人對棗樹的研究主要集中于土壤水分或棗樹耗水特性等方面，有關(guān)不同時間尺度上成齡棗樹的氣孔導度變化規(guī)律及其影響因素的研究較少。氣孔是植物進行蒸騰作用的門戶，是植物與大氣之間進行水汽交換的關(guān)口。氣孔導度表示氣孔張開的程度，影響植物的蒸騰、光合和呼吸作用，通常利用氣孔導度來反映植物和外界的氣孔交換速率[6]。植物對環(huán)境的適應與環(huán)境對植物的水分供給關(guān)系密切，植物本身對水分的需要與其所處環(huán)境的水分條件常常產(chǎn)生矛盾，難以平衡[7]。環(huán)境中含水率直接影響植物體的代謝，對其光合作用產(chǎn)生影響，隨著水分脅迫程度加重和時間延長，葉片的光合速率有著明顯的降低。人們普遍認為水分脅迫下樹體葉片光合速率降低的主要原因是：由于氣孔關(guān)閉影響了外界環(huán)境向葉綠體供應CO2，使得葉肉細胞光合活性下降。2005年彭世彰等[8]人對控制灌溉條件下水稻的氣孔導度變化規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)葉片氣孔導度隨土壤含水率的降低而降低，水稻氣孔導度的降低是植物對土壤水分虧缺并導致供水不足的一種響應。2015年李波等[9]人研究了玉米光合指標與土壤水分之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在拔節(jié)期，當水分達到田間持水量(FC)的70%時，土壤水分與氣孔導度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)狀態(tài)。2019年牛林飛[10]等人發(fā)現(xiàn)在適宜水分和輕度干旱脅迫條件下，菘藍凈光合速率降低的主要因素是氣孔限制。光合有效輻射、大氣溫度、濕度、大氣CO2濃度以及植物激素等環(huán)境因子都會對氣孔產(chǎn)生影響。氣孔通過實時的調(diào)節(jié)來適應周圍環(huán)境的變化，以控制水分和氣體的獲取與損失且反應十分敏感。所以，了解植物氣孔的變化機理不僅對模擬氣孔運動有關(guān)鍵意義，還可以此作為判別植物水分狀態(tài)的指標，提高棗樹智能灌溉的精度。

基于此，本研究中使用CIRAS-3便攜式光合儀、小型自動氣象站等設備對阿克蘇地區(qū)紅旗坡農(nóng)場新疆農(nóng)業(yè)大學林果實驗基地內(nèi)的成齡棗樹葉片氣孔導度、土壤水分、氣象因子進行監(jiān)測，分析棗樹氣孔導度變化規(guī)律及其在不同水分條件下對氣象因子的響應。探究阿克蘇地區(qū)成齡棗樹氣孔導度變化機理，發(fā)掘氣孔導度與土壤水分之間的密切聯(lián)系，旨在為構(gòu)建南疆棗園智能灌溉決策系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，為智能灌溉的深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地處于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣新疆農(nóng)業(yè)大學林果實驗基地內(nèi)(見圖1)。該試驗地多年平均太陽總輻射量544.115～590.156 kJ/cm2，多年平均日照時數(shù)2 855～2 967 h，無霜期達205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm，年有效積溫為3 950 ℃。試驗區(qū)面積為0.106 hm2，地下水位距離地表6 m以下，水質(zhì)符合灌溉水質(zhì)標準。

圖1 試驗區(qū)概況圖

1.2 試驗材料

供試材料為6年生紅棗樹，品種為灰棗，行株距為4 m×1 m，計劃濕潤層深度為80 cm。試驗田灌水方式采用南北雙向進行滴灌帶鋪設，距樹體30 cm。試驗采用新疆坎兒井公司生產(chǎn)的滴灌帶，采用一行兩管式鋪設(位于距樹體40 cm處)，置于地表。生育期內(nèi)對果樹進行常規(guī)施肥(隨水施肥與溝施)，并定期進行除草與修枝剪枝等農(nóng)藝措施。

1.3 試驗方法

試驗研究為大田試驗，本研究設3個灌水處理，每個處理設置3個重復，分別是C1處理灌溉定額為300 m3/hm2、C2處理灌溉定額為375 m3/hm2、C3處理灌溉定額為450 m3/hm2，灌溉周期均設為7 d一灌。Trime管分別布設于株間40 cm處，行間40、80 cm處。監(jiān)測時間選定在5月15日-5月20日，此時為該地區(qū)成齡棗樹的展葉期末期，即將進入花期，根據(jù)該時段氣象信息顯示，此時段未降雨，天氣晴朗，水分補給皆來自灌溉水量，日平均氣溫17 ℃以上。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)根據(jù)微型氣象站(Watch dog 2900ET)同步測定。數(shù)據(jù)30 min記錄1次，利用自帶軟件(HOBO)下載數(shù)據(jù)。測定項目包括太陽輻射、大氣溫度、相對濕度、風向、風速及降雨量等。

其中飽和水汽壓差的計算公式如下：

(1)

(2)

式中：RH為相對濕度，%；Ta為空氣溫度，℃。

1.4.2 土壤含水率

試驗采用土壤水分傳感器測定土壤水分數(shù)據(jù)。從地表開始每10 cm作為一層，直至地下一米處共10層，對土壤體積含水率進行測量。

1.4.3 氣孔導度的測定

本試驗采用CIRAS-3便攜式光合儀對樣本樹的氣孔導度進行測定。在2019年5月15日于12∶00點開始測定，該日天氣晴朗伴有微風。每個處理中選取3片受光方向一致且健壯成熟的葉片，重復測定3次后取均值。

1.4.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007和SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)分析和繪圖處理。

2 結(jié)果分析

2.1 日尺度棗樹氣孔導度變化規(guī)律及其對氣象因子的響應

(1)日尺度棗樹氣孔導度變化規(guī)律。選取2019年5月15日為典型日，繪制不同水分處理條件下成齡棗樹日尺度的氣孔導度變化曲線，結(jié)果如圖2所示。

從圖2能夠看出，不同水分處理條件下，成齡棗樹葉片氣孔導度呈現(xiàn)先降低、后升高、再降低的變化。12∶00-14∶00呈下降趨勢，低水處理的氣孔導度較高，中水和高水處理幾乎重合。14∶00-18∶00呈上升趨勢，低水處理和高水處理的氣孔導度均比中水處理的小，3個處理均在18∶00附近達到峰值，由于水分供應充足，有利于氣孔的開放，中水處理的氣孔導度變化較大。通過查看5月15日的氣象資料發(fā)現(xiàn)，從12∶00到14∶00，空氣溫度從24.243 ℃上升至27.087 ℃，上升了2.84 ℃，相對濕度從27.3%迅速降到24.2%，下降了3.1%。因為溫度的快速升高，空氣濕度減小，葉片胞間CO2濃度增加[11]，受到水分脅迫的作物，其根系吸水無法滿足作物蒸騰的需求，從而通過關(guān)閉氣孔來減少體內(nèi)水分蒸發(fā)，氣孔導度則隨之減小。3個水分處理的棗樹氣孔導度峰值顯示：中水>低水>高水，且中水處理棗樹的氣孔導度在16∶00點以后仍保持較高值，說明土壤含水率的持續(xù)增加并不能持續(xù)提高棗樹葉片的氣孔導度，適量的土壤水分含量更有利于棗樹葉片氣孔導度的增長。

圖2 不同水分處理條件下成齡棗樹氣孔導度日變化曲線

(2)日尺度棗樹氣孔導度對氣象因子的響應。經(jīng)過前期資料收集分析發(fā)現(xiàn)，日尺度條件下植物的氣孔導度對土壤水分含量響應并不顯著，故在此僅展示中水處理條件下棗樹氣孔導度對氣象因子的響應。采用SPSS 22.0軟件對日尺度棗樹的氣孔導度及氣象因子進行相關(guān)性分析，得到了氣孔導度與氣象因子的相關(guān)系數(shù)及其顯著性，結(jié)果如表1所示。

表1 5月15日阿克蘇地區(qū)成齡棗樹氣孔導度與氣象因子及土壤含水率的相關(guān)系數(shù)

注：“**”表示相關(guān)性極顯著；“*”表示相關(guān)性顯著。

由表1可知，日尺度條件下氣孔導度對氣象因子響應相關(guān)程度與方向為：風向(0.648)>飽和水汽壓差(0.567)呈極顯著正相關(guān)；溫度(0.487)>土壤含水率(0.096)成正相關(guān)，其中溫度呈顯著正相關(guān)；相對濕度(-0.613)>大氣壓力(-0.562)>陣風速度(-0.440)呈極顯著負相關(guān)，風速(-0.286)>太陽輻射(-0.271)呈負相關(guān)。飽和水汽壓差(VPD)表示實際空氣距離水汽壓飽和狀態(tài)的程度，與空氣相對濕度密切相關(guān)。通過簡單相關(guān)分析可以看出，各氣象因子對氣孔導度存在相關(guān)甚至極顯著相關(guān)水平，風向、溫度、飽和水汽壓差是影響阿克蘇地區(qū)成齡棗樹葉片氣孔導度調(diào)節(jié)的主導因素；植株在較小的時間尺度上，氣孔導度對環(huán)境因子的響應主要受大氣條件的影響，這一結(jié)論與趙平、曹慶平等[12,13]研究結(jié)果一致。

2.2 灌水周期內(nèi)不同水分處理棗樹氣孔導度變化規(guī)律及其對氣象因子的響應

(1)灌水周期內(nèi)不同水分處理棗樹氣孔導度變化規(guī)律。土壤水分是影響成齡棗樹生長及產(chǎn)量的關(guān)鍵要素，在不同水分處理條件下，棗樹葉片氣孔導度對氣象因子響應程度不同。選取2019年5月15日-5月20日這一灌溉周期，繪制不同水分處理條件下成齡棗樹灌溉周期尺度的氣孔導度變化曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 周期尺度下不同水分處理條件成齡棗樹氣孔導度變化

由圖3(a)可知，不同水分處理條件下，土壤含水率均隨著時間的推移整體呈下降趨勢。5月15日進行灌水，灌溉結(jié)束后測定各處理土壤含水率和氣孔導度，灌水初始各處理葉片氣孔導度的值均較低。灌水第二天，高、中水處理的氣孔導度升高，其中中水處理下的氣孔導度升高幅度最大；但低水處理氣孔導度有緩慢的降低，第二天后開始不規(guī)則的下降。在灌水周期第三天至第五天內(nèi)，葉片氣孔導度的變化與土壤含水率的變化呈正相關(guān)，但變化幅度不同。灌水周期第五天后土壤含水率持續(xù)下降而氣孔導度卻發(fā)生回升，通過查詢5月20日氣象資料發(fā)現(xiàn)，這可能與當日相對濕度大幅度提升有關(guān)。

(2)灌水周期內(nèi)不同水分處理棗樹氣孔導度對氣象因子的響應。將不同水分處理條件下周期尺度內(nèi)氣孔導度變化平均值與氣象數(shù)據(jù)導入SPSS22.0進行相關(guān)性分析，分別得到了不同水分處理條件下氣孔導度對氣象因子的相關(guān)系數(shù)，如表2～表4所示。

由表2可知，低水處理下，氣孔導度與氣象因子的相關(guān)程度和方向為：飽和水汽壓差(0.753)>溫度(0.738)，呈極顯著正相關(guān)；土壤含水率(0.666)>太陽輻射(0.630)>風向(0.617)，呈顯著正相關(guān)；大氣壓力(-0.642)>相對濕度(-0.395)>風速(-0.065)，呈負相關(guān)，其中大氣壓力達到顯著負相關(guān)水平。由表3可知，中水處理條件下氣孔導度對氣象因子響應的相關(guān)程度和方向為：太陽輻射(0.565)>飽和水汽壓差(0.497)>溫度(0.472)>土壤含水率(0.408)>陣風速度(0.270)>風速(0.171)>風向(0.070)，呈正相關(guān)；大氣壓力(-0.481)>相對濕度(-0.309)，呈負相關(guān)。由表4可知，高水處理條件下土壤含水率(0.972)>溫度(0.782)>飽和水汽壓差(0.763)>太陽輻射(0.703)>風向(0.555)>陣風速度(0.118)，呈正相關(guān)，其中土壤含水率呈極顯著正相關(guān)；大氣壓力(-0.601)>相對濕度(-0.362)>風速(-0.148)，呈負相關(guān)。

表2 5月15日-5月20日低水分條件處理氣孔導度對氣象因子響應相關(guān)系數(shù)分析

表3 5月15日-5月20日中水條件處理氣孔導度對氣象因子響應相關(guān)系數(shù)分析

表4 5月15日-5月20日高水條件處理氣孔導度對氣象因子響應相關(guān)系數(shù)分析

注：“**”表示相關(guān)性極顯著；“*”表示相關(guān)性顯著。

由此可見，低水分處理條件下，影響棗樹葉片氣孔導度的主要氣象因子為飽和水汽壓差、溫度、土壤含水率；中水處理條件下影響棗樹葉片氣孔導度的主要氣象因子為太陽輻射、飽和水汽壓差、大氣壓力；反映出土壤含水量在水分比較充足的條件下，對其蒸騰作用的影響不大，但是在土壤干旱階段，增加土壤含水量可以加快蒸騰速率，這結(jié)果與趙雨森[14]等人研究結(jié)論一致。在土壤水分過多時，作物氣孔會很快做出反應，高水處理條件下影響棗樹葉片氣孔導度的主要氣象因子為土壤含水率、溫度、飽和水汽壓差。

當處于輕微干旱脅迫條件時，阿克蘇地區(qū)成齡棗樹葉片氣孔導度對氣象因子響應最為敏感的是飽和水汽壓差，其次是溫度；水分適宜條件下阿克蘇地區(qū)成齡棗樹葉片氣孔導度對氣象因子響應最為敏感的是太陽輻射，其次是飽和水汽壓差；當水分過高時，阿克蘇地區(qū)成齡棗樹葉片氣孔導度對氣象因子響應最為敏感的是土壤含水率、其次是溫度。由于氣孔導度側(cè)面反映植株蒸散量及光合特性，則可以推斷綜合影響棗樹進行光合作用及耗水特性的主要因素是土壤含水率、太陽輻射、飽和水汽壓差及溫度，這與魏光輝[4]等研究所得結(jié)論一致。

3 討 論

(1)在同一灌水周期內(nèi)，不同水分處理條件下葉片氣孔導度整體呈下降的趨勢，但是沒有明顯隨土壤含水量的變化而變化。除了測量儀器帶來的數(shù)據(jù)誤差，考慮土壤含水率對植株生理生態(tài)特性的影響存在滯后效果。

(2)本試驗研究僅針對阿克蘇地區(qū)成齡棗樹展葉期，未跟蹤收集全生育期的氣孔導度變化是否一致，在后期的實驗中應加以驗證分析。

(3)光合儀可以直接準確地測得植株葉片的氣孔導度，但其只能測得某時刻的值，無法在日時間尺度和生長季時間尺度上擴展。后期實驗應采取光合儀法和模型法相結(jié)合的方法，用以研究連續(xù)時間尺度上植物氣孔導度的變化規(guī)律研究。

4 結(jié) 論

(1)日尺度下，阿克蘇地區(qū)成齡棗樹展葉期的氣孔導度隨時間呈波動變化，在下午兩點左右出現(xiàn)光“午休”；氣孔導度的主要影響因素是風向、溫度、飽和水汽壓差，土壤含水率不是棗樹氣孔導度變化的主要影響因素。

(2)灌溉周期尺度下，阿克蘇地區(qū)成齡棗樹展葉期的氣孔導度隨時間推移而不斷減小。當水分不在適宜范圍內(nèi)時，阿克蘇地區(qū)成齡棗樹的土壤含水率與氣孔導度存在極顯著相關(guān)；當其處于水分適宜條件下，太陽輻射及飽和水汽壓差與氣孔導度存在極顯著相關(guān)。