史占垚，侯立柱，蘇國龍

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083；2.山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，太原030001）

0 引 言

水資源是不可替代的自然資源，在許多地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水資源短缺已經(jīng)成為限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。能夠?qū)崟r(shí)反映作物生長過程中的水分狀況是實(shí)施節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)，也是實(shí)行農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求［1］。多位學(xué)者利用莖流計(jì)觀測(cè)的方式分析作物體內(nèi)水分狀況，以及開展作物耗水規(guī)律方面的研究，闡釋了華北地區(qū)作物莖流速率和氣象因子的關(guān)系。馮東雪［2］等在噴灌條件下進(jìn)行田間試驗(yàn)，得出太陽輻射是影響莖流速率的最關(guān)鍵因素，風(fēng)速對(duì)其影響較小。冀健紅［3］等人研究結(jié)果表明氣溫和風(fēng)速對(duì)溫室番茄莖稈液流的影響主要是通過太陽輻射和水汽壓差實(shí)現(xiàn)的。王夢(mèng)雪［4］等研究結(jié)果得出不同天氣下葡萄著色成熟期莖流速率與凈輻射、飽和水汽壓差和氣溫呈正相關(guān)，而與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，并且施肥量不同會(huì)改變莖流速率對(duì)氣象因子的響應(yīng)。閆業(yè)慶［5］等分析了3 種典型天氣條件下玉米液流通量密度與環(huán)境因子之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)玉米液流日累積量在晴天條件下最大，雨天條件下最小。前人研究多以漫灌和噴灌為灌溉方式，且研究區(qū)多在華北地區(qū)，針對(duì)大力推行節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)的西北干旱地區(qū)相關(guān)研究較少，故開展西北干旱地區(qū)滴灌條件下，作物莖流速率與氣象因子的關(guān)系的研究尤為重要。

玉米是西北干旱半干旱地區(qū)主要的農(nóng)作物之一，耗水量高，水分供給狀況對(duì)產(chǎn)量影響很大［6］；但西北地區(qū)氣候干燥，降雨量少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水為主要灌溉水源之一，灌溉方式為大田漫灌，水分利用效率很低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重［7］；而滴灌是一種高效節(jié)水的新型精確式灌溉技術(shù)，以滴灌為代表的節(jié)水灌溉在西北干旱半干旱地區(qū)的發(fā)展?jié)摿艽螅?］，本論文以春玉米為研究對(duì)象，以滴灌為灌溉方式，利用包裹式莖流計(jì)對(duì)春玉米莖流進(jìn)行觀測(cè)，分析不同天氣條件下玉米莖流變化規(guī)律以及莖流速率與影響因子之間的關(guān)系，研究結(jié)果可為西北干旱地區(qū)的作物蒸騰量的計(jì)算提供依據(jù)，對(duì)節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)的推廣，有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)在榆林市榆陽區(qū)補(bǔ)浪河鄉(xiāng)那泥灘村進(jìn)行，屬于毛烏素沙地海流兔河流域，該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，年均降雨量約為349.4 mm，多年平均氣溫為7.6 ℃，多年平均水面蒸發(fā)量（200 mm 蒸發(fā)皿）2 035.2 mm。試驗(yàn)區(qū)各土層沙粒量均在90%左右，為質(zhì)地均勻的壤質(zhì)砂土［9，10］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了方便對(duì)春玉米的種植管理，將試驗(yàn)區(qū)劃分為5 m×5 m=25 m2的小塊試驗(yàn)田，小區(qū)與小區(qū)之間設(shè)置寬度為1 m 的隔離帶。

試驗(yàn)材料為春玉米，品種為“沃玉3 號(hào)”，2018年4月27日播種，9月24日收獲，全生育期共151 d。行距和株距分別設(shè)置為0.415 m 和0.4 m，所施化肥為農(nóng)用碳酸氫銨，化肥含氮量≥17.2%，含水率≤3.0%，春玉米生育期內(nèi)施純氮總量為200 kg/hm2，本次試驗(yàn)采取滴灌供水，在小塊試驗(yàn)田的玉米行間安裝11條出水口間距為30 cm 的滴灌帶，每行布置一條滴灌帶，為保證春玉米生長過程中水分充足，結(jié)合參考作物蒸散量，將灌溉量設(shè)置為1.2ET0，灌溉后春玉米蒸散量達(dá)到灌溉量時(shí)進(jìn)行新一輪灌溉，2018年共進(jìn)行8 次灌溉，具體灌溉時(shí)間和灌溉量如表1所示。

表1 2018年滴灌日期及滴灌量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of drip irrigation date and volume in 2018

1.3 試驗(yàn)觀測(cè)及數(shù)據(jù)采集

（1）氣象條件：試驗(yàn)期間通過小型自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)整個(gè)玉米生長季的風(fēng)速、降雨量、空氣濕度、太陽輻射強(qiáng)度等氣象數(shù)據(jù)，每小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)。

（2）土壤含水率：試驗(yàn)區(qū)土壤含水率通過埋設(shè)在0～80 cm 土層中的時(shí)域反射儀（Time Domain Reflectometry）采集，采集頻率為每半小時(shí)一次，探針埋設(shè)深度為10、20、30、40、50、60、70、80 cm。

（3）莖流速率［11］：春玉米生長過程中莖流速率的采集則通過Flow32A-1K 包裹式莖流計(jì)進(jìn)行，每半小時(shí)監(jiān)測(cè)一組數(shù)據(jù)。在玉米莖粗達(dá)到適宜于安裝莖流儀的范圍內(nèi)時(shí)，剝?nèi)ビ衩浊o稈葉鞘在裸露的玉米莖稈上，距離地面15～25 cm 的高度安裝傳感器并密封做好防水處理。為防止傳感器部位因聚集過多冷凝水而使傳感器腐蝕，同時(shí)防止累積過多熱量而使植株莖稈被過度加熱受損，每隔10 d 左右將傳感器拆卸清洗晾曬，然后重新安裝在原植株上。莖流數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)從春玉米拔節(jié)后期（7月5日）開始，一直持續(xù)監(jiān)測(cè)至蠟熟期（9月13日）結(jié)束。

（4）棵間蒸發(fā)：春玉米棵間蒸發(fā)通過在玉米行間埋設(shè)微型蒸發(fā)皿進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每組蒸發(fā)皿均由內(nèi)筒和外筒組成，設(shè)置大（有機(jī)玻璃，內(nèi)徑102 mm，外徑200 mm）、中（PVC，內(nèi)徑80 mm，外徑150 mm）、?。≒VC，內(nèi)徑80 mm，外徑150 mm）3種。內(nèi)筒中裝入試驗(yàn)區(qū)原狀土樣，并用濾紙包裹內(nèi)筒底部放置于外筒內(nèi)，于每日早上8 點(diǎn)進(jìn)行稱量，若無灌溉和降雨發(fā)生，則每5 d 更換一次筒中土樣，若發(fā)生灌溉和降雨則立即更換土樣。

（5）飽和水汽壓VPD［12］（vapor pressure deficit）：利用空氣的實(shí)際水汽壓與同溫度的飽和空氣的壓差來表示，計(jì)算公式如下：

式中：VPD為飽和水汽壓差；T為空氣溫度，℃；RH為空氣相對(duì)濕度，%。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析方法

本次研究所得數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和繪制圖表，使用SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)莖流速率、太陽輻射、飽和水汽壓差、溫度及風(fēng)速4 種氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同天氣條件下春玉米莖流速率的日變化特征

在春玉米生長過程中，基于Sap Flow田間實(shí)測(cè)莖流數(shù)據(jù)，分別選取晴天、多云和陰雨3種不同典型天氣，繪制春玉米莖流速率日變化過程，結(jié)果如圖1所示。由圖2（a）可以看出玉米莖流速率晝夜波動(dòng)幅度很大，典型晴天條件下，莖流速率曲線呈現(xiàn)明顯先增大后減小的“幾”字型單峰曲線，最大單株莖流速率為118.8 g/h，從早上4∶00 至6∶00 開始，莖流速率隨著氣象因子的變化開始逐漸增加，早上8∶00 之后，隨著太陽升起后光照等環(huán)境因素趨于好轉(zhuǎn)，玉米自身的生長進(jìn)入活躍狀態(tài)，莖流速率開始急速增大，在12：00 之后達(dá)到峰值，并且在12∶00 至14∶30 之間在峰值附近波動(dòng)；16∶00 之后，隨著太陽逐漸落下，莖流速率開始迅速減弱，在夜間20∶00 左右玉米莖流逐漸趨于靜止?fàn)顟B(tài)。

圖1 不同天氣條件下春玉米莖流速率日變化Fig.1 Diurnal variation of spring maize sap flow rate under different weather conditions

圖2（b）顯示，多云條件下，由于太陽輻射強(qiáng)度、溫度等指標(biāo)明顯低于晴天，作物莖流速率開始迅速增加的時(shí)間段要晚于晴天條件下，且作物莖流達(dá)到峰值的時(shí)間也較晴天滯后，最大單株莖流速率為71.7 g/h，在16∶00 達(dá)到峰值后開始下降，同樣在20∶00左右歸于靜止，在夜間依然出現(xiàn)莖流，主要是由于前一天是晴天，作物因蒸騰作用消耗大量水分，需在夜間進(jìn)行補(bǔ)充［13］。

圖2（c）表明，陰雨條件下，受輻射強(qiáng)度、風(fēng)速等多種因素影響，莖流速率呈現(xiàn)不規(guī)則變化曲線，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值，且莖流速率的開始時(shí)間也產(chǎn)生延后，17∶00之后作物莖流速率開始下降，20∶00之后歸于靜止。

2.2 環(huán)境因子對(duì)玉米植株莖流速率變化的影響

作物在土壤水分供給充足的情況下，植物蒸騰作用受多種氣象因子的影響。圖2顯示了3 種典型天氣條件下，即典型晴天（7月26日）、典型多云（7月22日）、典型陰雨（7月15日），莖流速率和太陽輻射、飽和水汽壓差VPD、溫度及風(fēng)速的日變化特征。由圖2（a）中可以看出，作物莖流速率和輻射強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，隨著太陽輻射的增大，莖流速率也逐漸增大，晴天太陽輻射最大可達(dá)823 W/m2，莖流速率在典型晴天和陰雨均在12∶00 至14∶00 之間達(dá)到峰值，典型多云天氣則在14∶00 至16∶00 之間隨著太陽輻射達(dá)到最大值莖流速率也達(dá)到峰值。如圖2（b）所示飽和水汽壓差和莖流速率變化并不同步，飽和水汽壓差的變化基本上較莖流速率的變化滯后1 h 左右，但總體變化趨勢(shì)一致。圖2（c）表明莖流速率隨著溫度升高而增大，與溫度變化趨勢(shì)基本一致，但莖流速率的峰值則早于溫度的峰值1 h出現(xiàn)。圖2（d）顯示了多云天氣條件下的夜間和典型陰雨天氣條件下，風(fēng)速明顯大于晴天和多云日間。陰雨天氣條件下，由于輻射強(qiáng)度和飽和水汽壓差較低，風(fēng)速較大而引起莖流速率降低［14］。

圖2 春玉米莖流速率與氣象因子的響應(yīng)關(guān)系Fig.2 Relationship between spring maize sap flow rate and meteorological factors

本研究利用SPSS 20.0 軟件對(duì)春玉米拔節(jié)期和抽雄期的莖流數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，共計(jì)統(tǒng)計(jì)37 d的莖流數(shù)據(jù)，每個(gè)變量821個(gè)數(shù)據(jù)，5 個(gè)變量共4 105 個(gè)數(shù)據(jù)。分別進(jìn)行太陽輻射、飽和水汽壓差、溫度和風(fēng)速4個(gè)氣象因子與莖流速率的相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。輻射強(qiáng)度、飽和水汽壓差VPD、溫度和風(fēng)速與莖流速率的Pearson 相關(guān)性分別為0.828、0.728、0.693、0.367?？梢钥闯鲚椛鋸?qiáng)度與春玉米莖流速率相關(guān)性最為顯著，飽和水汽壓差VPD和溫度次之，風(fēng)速與莖流速率的相關(guān)性較弱。表3顯示了各氣象因子與莖流速率進(jìn)行的多元逐步回歸分析，逐步回歸分析結(jié)果表明，輻射強(qiáng)度、VPD、溫度和風(fēng)速與莖流速率擬合程度較好，相關(guān)系數(shù)R為0.856，F(xiàn)檢驗(yàn)達(dá)到顯著水平，由此說明，太陽輻射、VPD、溫度和風(fēng)速均為影響作物莖流速率的主要?dú)庀笠蜃?，該結(jié)果與于文穎［15］等人研究結(jié)果相符。

表2 玉米植株莖流速率與氣象因子相關(guān)性分析Tab.2 The correlation analysis between maize sap flow rate and meteorological factors

表3 玉米莖流速率與氣象因子回歸性分析Tab.3 The regression analysis between maize sap flow rate and meteorological factors

上述研究結(jié)果表明，太陽輻射對(duì)玉米莖流速率影響最大，而加入溫度和風(fēng)速后對(duì)提高回歸曲線的相關(guān)性幾乎沒有益處，因此考慮分生育期預(yù)測(cè)莖流速率，受實(shí)測(cè)資料限制，本研究以玉米生長抽雄期為例預(yù)測(cè)莖流速率。利用7月5日至8月5日的玉米莖流速率和氣象數(shù)據(jù)，在SPSS 軟件中對(duì)玉米莖流速率（SF）以及影響其變化的因子輻射強(qiáng)度（Rs）、飽和水汽壓差（VPD）、進(jìn)行多元回歸分析，得到回歸方程SF=0.072Rs+15.694VPD+2.915，相關(guān)系數(shù)R為0.883。并且利用所得多元回歸方程對(duì)晴天多云天（8月7日、8月8日）以及雨天（8月6日）的莖流速率進(jìn)行驗(yàn)證，如圖3所示，方程預(yù)估莖流速率的值與實(shí)測(cè)值較為吻合，R2達(dá)到0.886。由此說明，采用該多元回歸方程估算春玉米抽雄期的莖流速率是可行的，該結(jié)果與李會(huì)［16］等人的研究結(jié)論相符。

圖3 春玉米莖流速率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的關(guān)系Fig.3 Relationship between measured and predicted stem flow rate of Spring Maize

3 結(jié) 論

（1）春玉米莖流速率與太陽輻射、VPD、溫度和風(fēng)速表現(xiàn)為正相關(guān)，Pearson 相關(guān)系數(shù)分別為0.828，0.728，0.693，0.367，其中太陽輻射與莖流速率的相關(guān)性最強(qiáng)，VPD則呈現(xiàn)一定的滯后性。

（2）玉米莖流速率呈現(xiàn)出明顯的晝夜特征，白天高，夜晚低，莖流曲線近似呈“幾”字型，晴天時(shí)莖流速率表現(xiàn)為單峰曲線，陰雨天氣條件下則呈現(xiàn)低矮的多峰曲線。峰值多出現(xiàn)在中午前后，前一天為晴天、騰發(fā)量過大，玉米植株內(nèi)會(huì)形成液流補(bǔ)充植株體內(nèi)缺失的水分。

（3）基于玉米生產(chǎn)抽雄期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象因子回歸性分析結(jié)果，建立了春玉米莖流速率與輻射強(qiáng)度和飽和水汽壓差的多元回歸方程，并用晴天、多云天和陰雨天的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)方程進(jìn)行驗(yàn)證，方程預(yù)測(cè)效果較為良好，為分生育期預(yù)測(cè)玉米莖流速率提供了依據(jù)。 □