桑玉強(qiáng)， 路曉靜， 王若倫， 施光耀， 何春霞， 張勁松

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 河南 鄭州 450002；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091)

核桃(JuglansregiaL.)為世界四大堅(jiān)果之一，因其具有重要的營養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值在中國廣泛種植[1-2]。核桃根系深、抗旱性強(qiáng)，具有保持水土和涵養(yǎng)水源等生態(tài)效益[3]。隨著全球氣候變暖，水資源日益短缺，節(jié)水灌溉成為當(dāng)前林業(yè)、園藝等領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，大多核桃園仍采用傳統(tǒng)的大水漫灌方式，不僅水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，而且灌水量越大產(chǎn)量并不是最大[4]。有學(xué)者研究了新疆[4-8]、山西[9]、河北[10-13]等地區(qū)不同灌水量下核桃的耗水變化規(guī)律，但因區(qū)域氣候差異導(dǎo)致其耗水差異較大。濟(jì)源位于黃河中游，是黃河流域的重要節(jié)點(diǎn)城市，對黃河流域的生態(tài)安全起著極其重要的作用。同時(shí)，濟(jì)源也是河南省核桃主產(chǎn)區(qū)之一，研究該區(qū)域的核桃耗水規(guī)律對于指導(dǎo)核桃科學(xué)灌溉、幫助當(dāng)?shù)厝罕娒撠氈赂?、改善?dāng)?shù)啬酥咙S河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。目前，關(guān)于核桃耗水研究多集中在新疆、山西、河北等地區(qū)，而對濟(jì)源地區(qū)核桃耗水研究相對較少[14]，尤其是不同水分處理下核桃耗水變化更是未見報(bào)道。因此，本文以7 a生核桃為研究對象，研究了不同水分處理下核桃的耗水變化及其影響機(jī)制，以期指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐暮颂宜挚茖W(xué)管理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河南省濟(jì)源市核桃標(biāo)準(zhǔn)化示范區(qū)基地(35°11′17′′N，112°28′46′′E)，地處太行山南麓，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年均降水量640 mm，其中6—9月份降水量為438.1 mm，占全年的68.3%；基地以褐色棕壤土為主，土層厚80 cm，土壤容重1.4 g·cm-3。核桃品種為‘香玲’，株行距為4 m×5 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2019年3月選取12株長勢良好、無偏冠現(xiàn)象、無病蟲害、胸徑大小相近、冠幅相似的7 a生核桃(表1)。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)水分處理，即土壤含水率占田間持水量的60% (T1)、80%(T2)、100%(T3)及不灌溉(CK)，每個(gè)處理3次重復(fù)。為減少土壤蒸發(fā)的影響，對核桃地表進(jìn)行覆膜處理，同時(shí)，為減少不同水分處理間相互干擾，試驗(yàn)前挖壕溝，埋設(shè)塑料薄膜進(jìn)行隔離。每隔3～5 d進(jìn)行補(bǔ)水灌溉，使土壤含水率維持在試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平。

表1 被測樣株基本特征Table 1 Main characteristics of sample trees

1.3 測定指標(biāo)

液流速率：采用TDP插針式植物液流探頭(探針長度為30 mm)。具體安裝方法見文獻(xiàn)[15]；采集器設(shè)置為每2 min采集1次，每10 min輸出一組平均值。計(jì)算公式[15]如下：

Fs=0.0119K1.231×SA×3.6

(1)

(2)

式中：Fs為樹干液流速率(L·h-1)，SA為邊材面積(cm2)，dTM為24 h內(nèi)最大溫差值，dT為瞬時(shí)溫差值。

氣象因子：在距樣地50 m處采用小氣候自動監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)觀測太陽輻射、空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速、降雨量等。數(shù)據(jù)采集時(shí)間與液流保持同步。

飽和水汽壓虧缺(VPD)的計(jì)算公式如下[15]：

(3)

式中：VPD為飽和水汽壓虧缺(kPa)；Ta為空氣溫度(℃)；RH為相對濕度(%)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010、SPSS 25.0和Origin 8.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分處理典型天氣下核桃液流特征

分別選取6月2日、7月5日、7月30日、8月15日和8月16日5個(gè)典型晴天(典型晴天太陽輻射日均值為21.5 MJ·m-2)和6月5日、6月20日、7月26日、8月4日和8月24日5個(gè)陰雨天氣(陰雨天氣的降雨量均值為13.8 mm)，將對應(yīng)各時(shí)刻的液流數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，分析不同水分處理下核桃液流速率的變化。不同天氣條件下，不同水分處理間核桃樹干液流有著相似的變化曲線，但晴天條件下核桃液流速率明顯高于陰雨天(圖1)。在晴天時(shí)，T1處理下核桃液流速率呈“幾”字型單峰曲線，液流于6:30啟動，波峰出現(xiàn)在9:00—10:00，峰值為0.85 L·h-1，24:00左右為最小值；其他處理下核桃液流速率均表現(xiàn)為雙峰曲線，在9:00—10:00達(dá)到第1個(gè)波峰，CK、T2和T3處理下峰值分別為0.66、0.80和0.71 L·h-1，在18:30—19:30之間又出現(xiàn)液流高峰；陰雨天液流速率基本呈現(xiàn)“單峰”曲線，液流于7:30啟動，與晴天相比推遲了1 h，最大值出現(xiàn)在12:00左右，不同處理下峰值分別為0.31、0.43、0.34和0.31 L·h-1，22:00降低至最小值，比晴天提前了2 h。

圖1 不同水分處理典型天氣下的液流速率

不同天氣條件下，T1水平時(shí)核桃液流速率最大，日均值范圍為0.25～0.40 L·h-1，而T2和T3與T1相比液流速率偏低，日均值范圍分別為0.19～0.25 L·h-1、0.17～0.23 L·h-1，CK的液流速率最低，日均值范圍為0.16～0.20 L·h-1，方差分析表明，T1的液流速率與CK、T2和T3差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，CK、T2與T3之間差異不顯著(P>0.05)。這說明在一定范圍內(nèi),隨土壤含水率升高，核桃液流速率逐漸增加，當(dāng)土壤含水率達(dá)到T1水平時(shí)，核桃液流速率達(dá)到最大。當(dāng)土壤含水率達(dá)到T2水平時(shí)，核桃液流速率反而呈下降趨勢。由此表明，T1水平時(shí)土壤水分可以得到充分利用。

不同水分處理下核桃日耗水量呈現(xiàn)相似的變化趨勢，但日際耗水波動較大(圖2)。具體表現(xiàn)為膨大期不同處理下核桃日耗水量波動不明顯，其余物候期耗水量波動較大，除了與核桃不同物候期生理生長有關(guān)外，與同期降雨也有關(guān)系。根據(jù)樣地氣象站觀測數(shù)據(jù)可知，膨大期降雨日較少且降雨量較小(降雨日4 d，總降雨16.2 mm)，而硬核期、油脂轉(zhuǎn)化期和成熟期為降雨集中季節(jié)，尤其是硬核期和油脂轉(zhuǎn)化期降雨量分別為45.8和214.1 mm。觀測其不同水分處理下核桃日均耗水量從大到小為：T1(11.39 L)>T2(8.33 L)>T3(8.02 L)>CK(7.83 L)。

圖2 不同水分處理下核桃日耗水動態(tài)變化

不同水分處理下各生育期核桃耗水量表現(xiàn)為膨大期耗水量最大，成熟期最小(表2)，其主要原因是膨大期經(jīng)歷時(shí)間較長(39 d)，此時(shí)氣溫逐漸回暖(24.8 ℃)，太陽輻射增強(qiáng)(太陽總輻射為617.19 MJ·m-2)，使得核桃耗水量增大。CK、T1、T2和T3處理下耗水量分別為336.87、430.63、379.28和321.58 L，分別占各耗水總量的38.41%、33.14%、40.64%和35.78%；其次為硬核期，雖然該階段氣溫較膨大期有所升高(26.2 ℃)，但因降雨增多，導(dǎo)致太陽輻射減少(太陽總輻射為483.52 MJ·m-2)，加上該生育期比膨大期少了9 d，因此耗水量有所減少。油脂轉(zhuǎn)化期與硬核期相似，但降雨更為集中，該階段降雨量達(dá)214.1 mm，占生長季節(jié)的72.5%，連續(xù)的強(qiáng)降雨使得大氣相對濕度增大，核桃蒸騰減弱，導(dǎo)致耗水量降低。成熟期核桃果實(shí)趨于成熟，部分葉片開始變黃枯萎，各種生理活動基本停止，使得該階段耗水量最少，僅占10.66%。不同處理下生育期核桃總耗水量從大到小為T1(1 299.53 L)>T2(933.31 L)>T3(898.65 L)>CK(877.08 L)，T1與其余各處理間差異顯著(P<0.05)。

表2 不同水分處理各生育期核桃耗水量Table 2 Water consumption of walnuts in different moisture treatments at different growth stages

2.3.1 小時(shí)尺度上耗水量與氣象因子的相關(guān)性分析 表3為小時(shí)尺度上不同處理核桃耗水量與氣象因子的相關(guān)性。由表3可知，小時(shí)尺度上，核桃耗水量與各氣象因子存在較好的相關(guān)性。耗水量與太陽輻射、氣溫以及飽和水汽壓虧缺呈正相關(guān)關(guān)系，與相對濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。不同水分處理下氣溫偏相關(guān)系數(shù)最大，說明小時(shí)尺度上影響核桃耗水量的主要因素是氣溫，不同水分處理下耗水與各氣象因子的相關(guān)性均表現(xiàn)為T1>T2>CK>T3。

表3 核桃耗水量與氣象因子在小時(shí)尺度上的相關(guān)性Table 3 Correlation of walnut water consumption with meteorological factors on hourly scales

2.3.2 日尺度上耗水量與氣象因子的相關(guān)性分析 表4為日尺度下核桃耗水量與氣象因子的相關(guān)性。從表中可以看出，日尺度上，除空氣溫度外，不同水分處理下核桃耗水量與其余各氣象因子相關(guān)性較好。核桃耗水量與太陽輻射、氣溫以及飽和水汽壓虧缺呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且太陽輻射和飽和水汽壓虧缺均達(dá)到極顯著水平，與相對濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。各氣象因子對不同處理核桃耗水的影響程度依次為：氣溫<相對濕度<飽和水汽壓虧缺<太陽輻射，說明日尺度上影響不同處理耗水量的主要因素是太陽輻射。不同水分處理下核桃耗水與太陽輻射的相關(guān)性表現(xiàn)為T1>T2>CK>T3。

表4 核桃耗水量與氣象因子在日尺度上的相關(guān)性Table 4 Correlation of walnut water consumption with meteorological factors on a daily scale

2.3.3 生育期尺度上耗水量與氣象因子的相關(guān)性分析 表5顯示了在各物候期不同水分處理核桃耗水與氣象因子的相關(guān)性。結(jié)果表明，各物候期不同處理下核桃耗水量與氣象因子的相關(guān)性表現(xiàn)為：成熟期>硬核期>油脂轉(zhuǎn)化期>膨大期。成熟期核桃耗水量與氣象因子相關(guān)性最好，膨大期最差。其原因在于進(jìn)入成熟期核桃生長趨于結(jié)束，且降雨日所占比例大(降雨日5 d，總降雨19.2 mm)，土壤水分比較充足，氣孔主要受氣象因子調(diào)控；而在膨大期，該物候期內(nèi)降雨稀少，晴天多，相對濕度小，飽和水汽壓虧缺變大，導(dǎo)致部分氣孔關(guān)閉，通過生理調(diào)控主動適應(yīng)環(huán)境。在膨大期，各氣象因子對不同處理核桃耗水的影響程度依次為：飽和水汽壓虧缺>太陽輻射>氣溫>相對濕度，可能由于膨大期降雨量少(16.2 mm)、氣溫升高(24.8 ℃)，相對濕度低(日均44.43%)，會增加外界與葉片氣孔間的水汽壓梯度和水氣壓虧缺值，增加水汽化過程，在硬核期和油脂轉(zhuǎn)化期，各氣象因子對不同處理耗水量影響程度依次為：太陽輻射>氣溫>飽和水汽壓虧缺>相對濕度，在成熟期，各氣象因子對不同處理耗水量影響程度依次為:太陽輻射>飽和水汽壓虧缺>氣溫>相對濕度。即硬核期到成熟期不同處理耗水量與太陽輻射相關(guān)性最高，進(jìn)一步說明太陽輻射是影響蒸騰作用和光合作用的主要?dú)庀笠蜃?，其可以直接或間接影響溫度和濕度的變化。

表5 各生育期核桃耗水量與各氣象因子的相關(guān)性Table 5 Correlation between water consumption of walnuts and meteorological factors at each growth stage

3 討論與結(jié)論

研究植物耗水規(guī)律是進(jìn)行科學(xué)灌溉、提高水分利用效率、產(chǎn)量預(yù)測的重要依據(jù)[16]。有學(xué)者從不同的灌溉定額、樹齡、地區(qū)以及灌溉模式等研究核桃的耗水規(guī)律。結(jié)果表明，不同地區(qū)不同處理核桃耗水量不同，西北地區(qū)生育期耗水量為247.6～843.38 mm[4-6]，華北地區(qū)生育期耗水量為43.85～375.64 mm[9,12]，西北地區(qū)的耗水量明顯大于華北地區(qū)，這是由于西北地區(qū)降雨量少，太陽輻射強(qiáng)，日照時(shí)間長，蒸騰需求旺盛。多數(shù)研究表明，灌水量越大，核桃耗水量越大[5-6,9]，而本研究發(fā)現(xiàn)，T1處理下(田間持水量60%)耗水量最大，趙付勇[4]也發(fā)現(xiàn)，30 mm滴灌條件下核桃耗水量最大。二者研究結(jié)果較為一致，這可能是由于過多的灌水導(dǎo)致根系周圍土壤空隙被水填充，造成根系缺氧抑制水分吸收所致[11]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，新疆地區(qū)不同處理核桃耗水量在油脂轉(zhuǎn)化期最大[4,6]，趙瑞芬等[9]則發(fā)現(xiàn)，在山西呂梁地區(qū)核桃硬核期耗水量最大，而本研究表明，核桃最大耗水量出現(xiàn)在膨大期。馬長明等[12]研究發(fā)現(xiàn)，最大耗水量出現(xiàn)在5月，按物候期劃分屬于膨大期，二者結(jié)果較為一致，其主要原因在于膨大期為核桃快速生長期，水分需求大，加上該物候期時(shí)間長，使得該階段耗水量最大。此外，不同地區(qū)氣候差異和物候期劃分標(biāo)準(zhǔn)也是導(dǎo)致物候期耗水量差異的原因之一。

影響植物液流的因素可以分為生物學(xué)結(jié)構(gòu)、土壤水分狀況和氣象因素。生物學(xué)結(jié)構(gòu)決定植物液流的潛在流量，土壤水分決定液流的總體水平，而氣象因素則決定液流的瞬間變動[17]。此外，影響植物液流的環(huán)境因素隨著區(qū)域氣候、樹種及樹齡大小而發(fā)生變化[18-19]。本研究發(fā)現(xiàn)，小時(shí)尺度上影響核桃液流的主要?dú)庀笠蜃邮菤鉁?，與張清林等[7]研究結(jié)果一致。黃雅茹等[15]也發(fā)現(xiàn)，小時(shí)尺度上檉柳液流與氣溫密切相關(guān)。其原因在于，由于氣溫升高，相對濕度降低，葉片外水蒸氣濃度降低，葉片氣孔內(nèi)外水汽壓差增大，氣孔張大，葉片蒸騰變大[20]。日尺度下，影響核桃液流的主要?dú)庀笠蜃觿t為太陽輻射[4,8,13]。本研究也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果。李雙等[21]也發(fā)現(xiàn)，檉柳生長季節(jié)，太陽輻射始終是影響液流速率的主導(dǎo)因子。氣溫和相對濕度的變化通常滯后于太陽輻射[22]，太陽輻射通過影響氣溫、相對濕度，進(jìn)而影響氣孔內(nèi)外蒸氣壓差及氣孔運(yùn)動，因此太陽輻射是影響樹干液流的重要?dú)庀笠蜃樱绕湓诎滋旄钦紦?jù)主導(dǎo)地位[23]。馬長明等[12]發(fā)現(xiàn)，受到土壤水分條件的制約，不同物候期影響核桃液流的氣象因子有所變化。毛行元等[24]則發(fā)現(xiàn)，土壤水分飽和條件下，影響無患子液流的氣象因子為太陽輻射。郝少榮等[25]則發(fā)現(xiàn)，月尺度下土壤溫度和水分是影響沙柳液流大小的主要影響因子，進(jìn)一步揭示了土壤水分不僅決定了植物液流的整體大小，同時(shí)也影響了液流對氣象因子的響應(yīng)。此外，桑玉強(qiáng)等[14]發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間尺度的擴(kuò)大，核桃液流與太陽輻射的相關(guān)性增強(qiáng)。本研究也發(fā)現(xiàn)在不同生育期，太陽輻射與核桃液流的相關(guān)性最大，進(jìn)一步揭示了時(shí)間尺度不同，影響核桃液流大小的氣象因素不同。在小時(shí)等小尺度范圍內(nèi)，氣溫對核桃液流大小起主導(dǎo)作用，月尺度大尺度范圍內(nèi)，影響核桃液流大小的關(guān)鍵氣象因素為太陽輻射。

綜合分析，T1處理下(田間持水量60%)時(shí)核桃液流速率與耗水量均表現(xiàn)為最大，從節(jié)水角度而言，該處理為最適狀態(tài)，土壤水分可以得到充分利用。