郭 華，秦 聰，石美娟，竇彥鑫，楊 凱，續(xù)海紅

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)果樹研究所，山西太原030031；2.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西太原030002）

0 引言

我國(guó)作為種植面積和產(chǎn)量均達(dá)到世界一半以上的蘋果生產(chǎn)大國(guó)[1]，蘋果種植面積近年來仍在不斷增加，產(chǎn)區(qū)開始由華東地區(qū)遷往西北地區(qū)[2]。

山西作為全國(guó)水資源貧乏省份之一[3]，人均水資源占有量少，且農(nóng)業(yè)灌水量大，僅為實(shí)際用水量的51.4%。近年來，為了達(dá)到節(jié)水目的，滴灌逐漸在果園推行使用，但由于缺乏理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，節(jié)水效果達(dá)不到預(yù)期要求，果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)也存在一定差異，甚至部分果園放棄滴灌灌溉設(shè)施，仍沿用傳統(tǒng)漫灌方式進(jìn)行灌水，造成了大量的水資源浪費(fèi)[4]。因此，如何通過土壤水分調(diào)控進(jìn)行合理灌溉[5-7]，進(jìn)而設(shè)置合理灌水上下限，成為果園滴灌有力的理論依據(jù)[7-9]。

孫章浩等[10]研究了不同灌水下限條件下，冬小麥的生長(zhǎng)狀況和土壤水分分布，研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥生長(zhǎng)條件最佳的灌水下限為80%。潘俊杰等[11]進(jìn)行了3 個(gè)不同滴灌灌水下限的大田實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而觀察到蕾期和花鈴期棉花的生長(zhǎng)灌溉預(yù)警線是65%和75%的灌水下限。黃倩楠[12]設(shè)置了不同灌水下限條件，結(jié)合室內(nèi)和大田試驗(yàn)，研究了不同灌水條件下的水分利用率，試驗(yàn)表明，灌水下限為60%時(shí)，可提高水分利用效率。李波等[13]通過研究不同滴灌灌水水平對(duì)葡萄耗水及生長(zhǎng)量的影響，發(fā)現(xiàn)灌水下限為75%所對(duì)應(yīng)的水分利用率最高。賈俊杰等[14]研究了不同滴灌灌水上限對(duì)蘋果幼樹的影響，主成分分析發(fā)現(xiàn)，灌水上限為90%時(shí)，蘋果幼樹生理指標(biāo)最佳。

前人針對(duì)小麥、番茄等作物進(jìn)行了大量滴灌灌水研究[15]，對(duì)梨、蘋果等果樹也做了部分研究，但蘋果幼樹的研究甚少。為此，本文以蘋果幼樹為試材，設(shè)置不同滴灌灌水下限，并與地面灌溉做對(duì)比，進(jìn)而分析蘋果幼樹生理指標(biāo)的變化，確定最佳灌水下限。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省太谷縣的果樹研究所，年平均氣溫5～10 ℃，年平均降水量480 mm。果園土壤質(zhì)地為粉砂壤土，容重為1.47 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量和土壤pH 分別為13.6 g/kg 和8.32，土壤中全氮、有效磷、速效鉀含量分別為0.082%、14 mg/kg、120 mg/kg，田間持水率θc為30%[16]。灌溉方式為滴灌，水源為井水。本研究試材是基砧為八角海棠、中間砧為SH6的5 a生晉富1號(hào)，株距為2 m，行距為4 m。

試驗(yàn)于2015年5-10月進(jìn)行，試驗(yàn)期間降雨量主要集中于8月和9月，最大降雨量達(dá)到95.9 mm，氣溫先升高后降低，在七八月份最高（見圖1）。

圖1 試驗(yàn)期間降雨量和氣溫示意圖Fig.1 Schematic diagram of rainfall and temperature during the test period

1.2 試驗(yàn)方案

本研究挑選長(zhǎng)勢(shì)基本一致且無明顯病蟲害的15 棵蘋果幼樹，于2015年5月至10月進(jìn)行灌溉。滴灌帶采用雙行毛管平行布置，滴孔設(shè)置在冠幅下距果樹主干50 cm 處，滴頭流量1.8 L/h。灌水時(shí)間及灌水量通過定期監(jiān)測(cè)土壤水分狀態(tài)確定，當(dāng)在土壤水分達(dá)到灌水下限時(shí)進(jìn)行灌溉。

試驗(yàn)灌水上限為田間持水量，共設(shè)置4個(gè)滴灌處理和一個(gè)對(duì)照處理：80%θc（W1）、70%θc（W2）、60%θc（W3）、50%θc（W4）、60%θc（對(duì)照CK，地面灌溉），每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

本研究選取東南西北4 個(gè)方向的健康成熟葉片，使用LI-6400XT 便攜式光合儀，選擇天氣晴朗的上午，每7 d 觀測(cè)一次，測(cè)定蘋果幼樹的氣孔導(dǎo)度、光合速率和蒸騰速率，每片記錄4 次數(shù)據(jù)；使用1000 型便攜式植物水勢(shì)壓力室在07：00，從樹冠外圍4個(gè)方向各取一片成熟葉片進(jìn)行葉片水勢(shì)的測(cè)定。土壤體積含水率在土壤水分達(dá)到灌水下限時(shí)，采用TDR 進(jìn)行測(cè)定。

本研究采用MATLAB 2017a 和SPSS 23 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Origin 2018繪圖。

2 TOPSIS模型

優(yōu)劣解距離法（TOPSIS）是根據(jù)有限個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想化目標(biāo)的接近程度進(jìn)行排序的方法，是在現(xiàn)有的對(duì)象中進(jìn)行相對(duì)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)。

設(shè)原始評(píng)價(jià)矩陣X=(xij)m×n，xij為第i個(gè)試驗(yàn)中的第j個(gè)指標(biāo)。

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值為Y1，Y2，…，Yk.，其中：

（2）加權(quán)決策矩陣。

式中：μ為各指標(biāo)權(quán)重，采用熵權(quán)法確定。

（3）正理想解與負(fù)理想解。

式中：*代表“+”或“-”，下同。

（5）距離貼近度C。

式中：C值越大，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果越優(yōu)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分調(diào)控對(duì)蘋果幼樹生理指標(biāo)的影響

本研究進(jìn)行土壤水分調(diào)控，影響的蘋果幼樹生理指標(biāo)包括氣孔導(dǎo)度、葉片水勢(shì)、光合速率、蒸騰速率和葉片水分利用率，各生理指標(biāo)的月變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 蘋果幼樹生理指標(biāo)的月變化趨勢(shì)Fig.2 Monthly variation trend of pHysiological indexes of young apple trees

氣孔導(dǎo)度表示氣孔張開的程度，影響著作物的光合和蒸騰，其影響因素包括光照、溫度等[17]。由圖2 可看出，各試驗(yàn)的氣孔導(dǎo)度月變化趨勢(shì)均為先增后減。隨著氣溫的升高，植物通過蒸發(fā)水分把熱量從體內(nèi)散發(fā)出去，以保持一定的恒溫，氣孔導(dǎo)度逐漸增大，W1 的氣孔導(dǎo)度最大值在9月2日，其余處理在8月5日-8月26日達(dá)到最大值；之后氣溫降低，果樹進(jìn)入成熟期，葉片開始衰老，各試驗(yàn)處理的氣孔導(dǎo)度大幅度下降。

葉片水勢(shì)代表植物從土壤中獲得水分的能力，不僅能描述植物體內(nèi)水分，而且可表征植物耐旱能力[18-20]，是評(píng)價(jià)植物水分脅迫的重要指標(biāo)[21]。由圖2 可看出，各試驗(yàn)的葉片水勢(shì)月變化趨勢(shì)均為：明顯下降-逐步升高-小幅下降。隨著氣溫的升高，植株蒸騰加快，地面蒸發(fā)加大，土壤水分減少，且果樹處于幼果期，植株葉片和枝條需水量大，因而6月份相對(duì)5月份的葉片水勢(shì)下降；之后葉片水勢(shì)逐漸升高，在8月份達(dá)到最大，究其原因是七八月份氣溫最高、降雨量最大，使得土壤水分充足，果樹雖然進(jìn)入膨大期，蒸騰較快，但可以滿足植株生長(zhǎng)需求；九十月份處于果實(shí)膨大期，葉片和枝條幾乎停止生長(zhǎng)，果樹自身耗水減少，但由于降雨減少，土壤含水量隨之降低，導(dǎo)致葉片水勢(shì)下降。

光合速率是光合作用固定二氧化碳（或產(chǎn)生氧）的速度，其影響因素包括光、溫度、水分、氣孔導(dǎo)度等[22]。由圖2 可看出，各處理的葉片光合速率月變化趨勢(shì)均為先增后減。隨著氣溫和太陽(yáng)輻射的增大，光合速率逐漸升高，W1 的光合速率在9月份達(dá)到最大，其余處理在8月份達(dá)到最大；9月份的氣孔導(dǎo)度有所下降，太陽(yáng)輻射亦有所下降，作物的呼吸速率大于光合速率；10月份的太陽(yáng)輻射下降，光合速率降低。經(jīng)過對(duì)比，W3 在9月份的光合速率低于W1，W3 的5月、6月、7月、8月和10月的光合速率在W1～W4 滴灌處理中均為最高。W3和CK的5-7月光合速率接近，8-10月相差較大。

蒸騰速率是指單位葉面積單位時(shí)間蒸騰的水量，受光、溫度、氣孔大小等的影響。由圖2可看出，各試驗(yàn)的葉片蒸騰速率月變化趨勢(shì)均為先增后減。溫度升高，葉片溫度隨之升高，為了降溫散熱，葉片氣孔導(dǎo)度增大，蒸騰速率增大，在8月份達(dá)到最大值。九十月份，氣溫逐漸降低，太陽(yáng)輻射減少，氣孔逐漸關(guān)閉，并且果樹進(jìn)入成熟期，葉片開始衰老，因而蒸騰速率大幅下降。W3 和CK 的月變化趨勢(shì)一致，且相差不大。

水分利用率是蒸騰系數(shù)的倒數(shù)，其影響因素包括光照、溫度、氣孔導(dǎo)度和水勢(shì)等。由圖2 可看出，各試驗(yàn)的葉片WUE月變化趨勢(shì)均為先減后增。蒸騰速率和光合速率增幅在試驗(yàn)前期均較緩慢，8月份光合速率增幅大于蒸騰速率增幅，之后光合速率和蒸騰速率均開始下降，其中光合速率下降緩慢，蒸騰速率降幅較大。因此，5-7月的葉片WUE變化不大，8-10月的葉片WUE逐漸增大。

3.2 蘋果幼樹生理指標(biāo)的顯著性分析

本研究采用SPSS 軟件對(duì)蘋果幼樹各生理指標(biāo)進(jìn)行了顯著性分析，結(jié)果如表1所示。

表1 蘋果幼樹生理指標(biāo)的顯著性分析Tab.1 Significance analysis of pHysiological indexes of young apple trees

顯著性結(jié)果表明，滴灌條件下，W1 和W4 的葉片氣孔導(dǎo)度、葉片水勢(shì)、蒸騰速率差異顯著，W3 和W4 的光合速率差異顯著，各處理的葉片水分利用率無顯著性差異。

灌水下限相同時(shí)，W3 和CK 的葉片光合速率差異顯著，二者的其他生理指標(biāo)無顯著性差異。

3.3 蘋果幼樹生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

本研究采用SPSS 軟件對(duì)蘋果幼樹各生理指標(biāo)進(jìn)行了Pearson分析，結(jié)果如表2所示。

表2 蘋果幼樹生理指標(biāo)的相關(guān)性Tab.2 Correlation of pHysiological indexes of apple young trees

相關(guān)性結(jié)果分析顯示，葉片水分利用率與氣孔導(dǎo)度和葉片水勢(shì)均呈負(fù)相關(guān)，其余指標(biāo)相互之間呈正相關(guān)，其中蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度和葉片水勢(shì)之間相關(guān)性顯著。

3.4 蘋果幼樹生理指標(biāo)的TOPSIS模型分析

3.4.1 權(quán) 重

本文采用熵權(quán)法，確定蘋果幼樹各生理指標(biāo)的權(quán)重，如表3所示。

表3 蘋果幼樹生理指標(biāo)權(quán)重值Tab.3 Weight value of pHysiological indexes of young apple trees

由表3可看出，葉片水分利用率的權(quán)重最大，其次是葉片氣孔導(dǎo)度、葉片光合速率、葉片水勢(shì)、葉片蒸騰速率。

3.4.2 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

本研究通過公式（1）～（6），建立TOPSIS 模型，分析出蘋果幼樹最佳灌水方案，如表4所示。

表4 綜合分析結(jié)果Tab.4 Comprehensive analysis results

貼進(jìn)度C值越大，表明試驗(yàn)方案越優(yōu)，從表4 排序可看出，蘋果幼樹最佳灌水方案為W3，接下來是W1、CK、W2、W4。主要原因是W3 的光合速率在七八月份顯著高于其他處理，并且其氣孔導(dǎo)度和WUE均很高。

4 結(jié)論

通過對(duì)不同土壤水分調(diào)控下的蘋果幼樹生理指標(biāo)進(jìn)行顯著性和月變化趨勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)各生理指標(biāo)的變化規(guī)律如下。

（1）各處理的葉片氣孔導(dǎo)度、葉片光合速率和葉片蒸騰速率月變化趨勢(shì)均為先增后減，葉片水勢(shì)月變化趨勢(shì)均為明顯下降-逐步升高-小幅下降，葉片水分利用率月變化趨勢(shì)均為先減后增。

（2）滴灌條件下，灌水下限越高，氣孔導(dǎo)度、葉片水勢(shì)和蒸騰速率均隨之增大，越不利于節(jié)水；滴灌葉片光合速率最大的試驗(yàn)處理為W3，說明輕度干旱脅迫有助于光合速率的提高；滴灌葉片水分利用率最大的試驗(yàn)處理為W3，即滴灌灌水下限低的葉片水分利用率相對(duì)更高。通過顯著性分析發(fā)現(xiàn)，W1 和W4 的葉片氣孔導(dǎo)度、葉片水勢(shì)、蒸騰速率差異顯著，W3 和W4 的光合速率差異顯著，各處理的葉片水分利用率無顯著性差異。

（3）灌水下限相同時(shí)，滴灌和地面灌溉的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率幾乎相同；地面灌溉較滴灌的葉片水勢(shì)總體略高、葉片水分利用率總體略低；幼果期地面灌溉的光合速率略高于滴灌，進(jìn)入果實(shí)膨大期以后，滴灌葉片光合速率顯著高于地面灌溉。顯著性分析發(fā)現(xiàn)，滴灌和地面灌溉的葉片光合速率差異顯著，二者的其他生理指標(biāo)無顯著性差異。

在對(duì)蘋果幼樹進(jìn)行不同灌水下限土壤水分調(diào)控的基礎(chǔ)上，進(jìn)行TOPSIS 分析，結(jié)果表明W3 的貼進(jìn)度最大，即滴灌條件下，灌水下限為60%θc的試驗(yàn)處理最有利于蘋果幼樹的生長(zhǎng)。