張琳琳，汪有科 ，韓立新，劉守陽，李曉彬

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100)

紅棗作為陜北的一種特色經(jīng)濟(jì)林，近年來在國家退耕還林(草)政策的支持下得到了迅速發(fā)展，種植面積達(dá)到近7萬hm2［1］。陜北地處半干旱氣候區(qū)，自然降雨無法充分滿足棗樹耗水要求，水資源短缺成了限制棗林產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益提高的重要因素［2］。汪有科等［3-4］集成創(chuàng)新了山地棗林集雨微灌技術(shù)，極大提高了棗樹的產(chǎn)量和水分利用效率。而對于棗樹水分虧缺指標(biāo)和耗水規(guī)律的研究，有助于制定精確灌溉制度，進(jìn)一步提高水分利用效率。

基于植物自身的水分信息直接與土壤水分狀況和作物產(chǎn)量關(guān)聯(lián)，因此比一些非生物水分信息指標(biāo)更可靠［5］。作物受到水分脅迫時往往是生長指標(biāo)更敏感［6-7］。為此基于植物自身的水分虧缺指標(biāo)已成為指導(dǎo)灌溉指標(biāo)的發(fā)展趨勢，包括莖水勢(ψstem)、葉水勢(ψleaf)、莖直徑變化(TDV)等，對此前人進(jìn)行了一些研究［8-10］。與莖水勢和葉水勢相比，莖直徑微變化具有簡單易行、對植株不具破壞性、可連續(xù)監(jiān)測、自動記錄并準(zhǔn)確獲取植物體內(nèi)水分信息的優(yōu)點(diǎn)，因而被認(rèn)為是最有潛力表示植物水分狀況和指導(dǎo)灌溉制度制定的指標(biāo)［11］。Intrigliolo等［12］得出莖桿水勢(ψstem)和莖直徑日最大收縮量(MDS)都能夠很好的反映植物的水分狀態(tài)，可以作為灌溉控制指標(biāo)。Fernanda等［13］用葉水勢、氣體交換、液流和莖桿直徑變化指標(biāo)來檢測檸檬樹的水分脅迫狀態(tài)，得出MDS是指示成年檸檬樹水分虧缺，制定灌溉制度的良好指標(biāo)。

試驗(yàn)地(米脂)紅棗在生長季節(jié)理論耗水438.8 mm，花果期是指開花坐果期和果實(shí)膨大期，同時花果期也是是紅棗的關(guān)鍵需水期［14］，這兩個時期是生殖生長的主要時期，關(guān)系著果實(shí)的數(shù)量、體積、單果重和產(chǎn)量。本文通過監(jiān)測不同土壤水勢處理?xiàng)l件下，2a中梨棗花果期(2010年7月8日—9月4日，2011年6月26日—8月26日)土壤含水量動態(tài)變化以及莖直徑微變化，通過二者相關(guān)關(guān)系的分析，試圖找到梨棗花果期莖直徑變化對水分條件的響應(yīng)機(jī)制，確定適宜水分虧缺指標(biāo)，為建立灌溉制度提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2010年7月8日—9月4日和2011年6月26日—8月26日在米脂縣銀州鎮(zhèn)孟岔村山地微灌棗樹示范基地進(jìn)行。米脂縣位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，屬于中溫帶半干旱性氣候，晝夜溫差大，日照充足，適宜果樹生長。年平均降雨量451.6 mm，主要集中在7—9月。試驗(yàn)地土質(zhì)為黃綿土，容重1.29 g/cm3，0—100cm計(jì)劃濕潤層的田間持水量(FWC)為23%(質(zhì)量含水量)。

試驗(yàn)小區(qū)規(guī)格為6m×1m×1m，采用水泥砌墻與周圍土壤隔離并用塑料布進(jìn)行防滲，使小區(qū)土壤環(huán)境為封閉系統(tǒng)。小區(qū)上方安裝防雨棚以消除自然降雨對試驗(yàn)的影響。灌溉方式采用地面滴灌，為提高灌溉均勻性，每小區(qū)布設(shè)2條毛管，毛管上等距安裝4個滴頭，滴頭流量為4 L/h。供試材料為2009年4月移栽于子洲縣的3年生梨棗樹，株行距為1m×2m。試驗(yàn)梨棗樹形修剪均一，長勢良好，平均主干莖直徑4.05 cm，平均樹高89.67 cm，平均冠幅半徑45.98 cm。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個土壤水勢水平，如表1所示。其中2010年T4處理水勢設(shè)置是由試驗(yàn)初期的-311kPa開始，一直不灌水直到果實(shí)萎蔫，之后對該區(qū)進(jìn)行灌水至-311kPa。2011年T4處理水勢設(shè)置是由前期的水分脅迫處理分3次灌水至-41 kPa，后期逐步進(jìn)入干旱。每個處理自成一個小區(qū)，每小區(qū)3棵樹，單株視為1次重復(fù)。灌水量用控制灌溉配套數(shù)采(GP1，德國Ecomatik公司生產(chǎn))自動控制，當(dāng)土壤水勢小于設(shè)定的土壤水勢下限時，每30 min自動灌水5 min，直到土壤水勢大于土壤水勢上限停止灌溉。

表1 各處理土壤水勢設(shè)置Table 1 The set of soil water potential in different treatments

1.3 觀測指標(biāo)與方法

土壤水勢 用平衡式土壤水分張力計(jì)(EQ15:Equilibrium Tensiometer)監(jiān)測土壤水勢，測量范圍為0—-1500 kPa。每小區(qū)安裝3個土壤水勢儀探頭，埋設(shè)深度均為30 cm，一個水勢儀探頭與GP1相連，用來控制灌溉。其他探頭與DL2e型數(shù)據(jù)采集器(英國劍橋，Delta Device)相連，每30 min自動記錄1次數(shù)據(jù)。本文中土壤含水量為測得的土壤水勢值通過土壤水分特征曲線轉(zhuǎn)換而來，轉(zhuǎn)換公式如下:

式中，B1為土壤水勢值(kPa);θ為土壤體積含水量(cm3/cm3)。

梨棗耗水量為當(dāng)日土壤含水量平均值與次日土壤含水量平均值之差，是基于水量平衡條件下的棗林地總耗水量，包括土壤蒸發(fā)量和棗樹蒸騰量，也稱為梨棗蒸散量。

莖稈直徑微變化:莖稈直徑微變化采用DD型線性差分徑向變化儀(簡稱LVDT，德國Ecomatik公司生產(chǎn))連續(xù)測定。在每棵樹安裝一個探頭，探頭通過不脹鋼框架安裝在樣樹主干距地面15 cm處的北向，安裝前用木銼輕刮樹干的死皮，以確保LVDT框架牢固和探頭與主干接觸良好，用隔熱銀箔紙包裹探頭，以防風(fēng)、氣溫和降雨等對探頭測量精度的影響。所有探頭與DL2e型數(shù)據(jù)采集器相連，每30 min自動記錄1次數(shù)據(jù)。

莖直徑的日變化呈“U”型，通常莖直徑日最大值(MXTD)出現(xiàn)時間為8:00左右，莖直徑日最小值(MNTD)出現(xiàn)時間為16:00［8，15］。莖桿收縮大多發(fā)生在木質(zhì)部外圍的活組織中，其細(xì)胞具有彈性較強(qiáng)的細(xì)胞壁，因而當(dāng)水分從中抽出時細(xì)胞體積就將減?。?6］。夜間蒸騰停止后，若土壤水分充足，根系吸收的水分補(bǔ)充莖損失的水分使莖桿膨脹，莖桿復(fù)原或伴有生長;反之，莖桿不能復(fù)原(圖1)。莖直徑日最大收縮量(MDS)為MXTD與MNTD之差，連續(xù)兩天的MXTD或者M(jìn)NTD之差為莖直徑日生長量(DG)，本試驗(yàn)采用兩天的MXTD之差作為DG，日莖稈變化平均值為莖直徑日變化平均值(MTD)，RT為日復(fù)原時間，取兩天MXTD出現(xiàn)的時間段，若大于24h，則以24h為準(zhǔn)，不能完全復(fù)原則以24h計(jì)算(圖1)。

本文各處理所選數(shù)據(jù)均為3個重復(fù)的平均值，采用SPSS和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Origin Pro 8.0繪圖。

圖1 莖稈直徑生長日變化Fig.1 Daily fluctuations of trunk diameter

2 結(jié)果與分析

2.1 梨棗花果期土壤含水量動態(tài)

圖2是2010年4個處理在梨棗花果期土壤含水量動態(tài)變化(豎直箭頭指示各處理灌水日期)。試驗(yàn)初期4個處理的土壤含水量明顯不同，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，各小區(qū)進(jìn)入預(yù)設(shè)的土壤含水量范圍。在控制灌溉期間，T1處理土壤含水量在0.190—0.304 cm3/cm3范圍波動，于7月30日、8月24日進(jìn)行灌溉，灌水量為121.45 mm，土壤含水量平均為0.238 cm3/cm3;T2處理在0.122—0.278 cm3/cm3范圍波動，8月7日和8月24日各灌水1次，灌水量138.99m m，土壤含水量平均值為0.192 cm3/cm3;T3處理在0.082—0.244 cm3/cm3范圍波動，試驗(yàn)于8月24日灌水1次，灌水量125.13 mm，其土壤含水量平均值為0.146 cm3/cm3;T4處理在0.058—0.163 cm3/cm3范圍波動，期間于8月13日果實(shí)萎蔫時灌水，灌水量0.033mm，其土壤含水量平均值為0.078 cm3/cm3。

2011年4 個處理的土壤含水量波動范圍不同(圖2)。T1處理在0.194—0.239 cm3/cm3之間波動，試驗(yàn)期間分別于6月27日、7月13日、7月27日和8月10日灌水，灌水量總計(jì)118.6 mm，土壤含水量平均為0.216 cm3/cm3;T2處理在0.121—0.234 cm3/cm3范圍波動，分別于6月29日和7月28日各灌水1次，灌水量112.8 mm，其土壤含水量平均為0.177 cm3/cm3;T3處理的土壤含水量波動范圍為0.082—0.178 cm3/cm3，于6月27日、7月14日和8月1日灌水，灌水量總計(jì)106.8mm，土壤含水量平均為0.135 cm3/cm3;T4處理由最初的土壤含水量0.059 cm3/cm3，于6月26日、7月2日和7月11日各灌水1次，在7月14日土壤含水量達(dá)最大值0.24 cm3/cm3，總灌水量148.4 mm，隨后土壤含水量隨時間的推移逐漸變小，其土壤含水量平均為0.142 cm3/cm3。

圖2 梨棗花果期土壤含水量動態(tài)變化Fig.2 Dynamic trend of soil water content of pear jujube trees on flowering and fruit development periods in different treatments

灌水后，所有處理的土壤水分消耗速率均明顯表現(xiàn)出前期大于后期，一方面因?yàn)楣嗨跗诒韺油寥篮勘群笃诟?，土壤水分狀況較好，蒸發(fā)劇烈，土壤水分消耗速率快［17］;另一方面經(jīng)過一定程度干旱處理，梨棗樹復(fù)水后根系生長活性增強(qiáng)，吸水速率增大。各處理2010年灌水頻率低于2011年，說明隨著樹齡的增長，棗樹根系活動加快，土壤水分變化加大，灌水頻數(shù)增多。

2.2 梨棗花果期莖直徑動態(tài)

在梨棗花果期，各處理莖直徑日變化平均值(MTD)符合Logistic函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2在0.96以上且均達(dá)到顯著性水平(P＜0.05)(圖3)，說明土壤含水量對MTD的變化趨勢沒有影響，各年內(nèi)的MTD曲線變化規(guī)律一致，均呈不同程度的遞增趨勢，這說明各處理下梨棗樹的莖直徑均能復(fù)原并伴隨著生長。2a內(nèi)各處理MTD增長率因土壤含水量以及樹齡的不同而存在差異。2010年4個處理增長率T1＞T2＞T3＞T4，分別為2.28、1.71、1.18、0.74，高水分處理(T1)MTD增長率最大，低水分處理(T4)MTD遞增幅度最小，說明該時期為該樹齡棗樹提供充足的水分有助于莖稈直徑的增粗。2011年各處理增長率為T2＞T3=T4＞T1，控制灌溉的T2處理增長率最大(2.30)，其次是T3和T4處理(1.25)，高水分的T1處理增長率最低(1.08)，說明低水分處理有助于梨棗莖稈直徑的生長，同時隨著樹齡的變化，梨棗生命活動不同，對水分的需求也不同，這與2011年李曉彬的結(jié)論一致［18］。在試驗(yàn)前期(開花坐果期)MTD增長較快，這是由于開花坐果期果實(shí)較小，對水分和營養(yǎng)的需要量較小，營養(yǎng)生長占有一定優(yōu)勢，在果實(shí)膨大期后期MTD變化平緩，此時生殖生長占優(yōu)勢，水分在果實(shí)品質(zhì)形成過程中起著關(guān)鍵作用［16，19］。

圖3 梨棗花果期莖直徑微變化指標(biāo)動態(tài)變化Fig.3 The daily change of trunk diameter variation derived indexes during flowering and fruit development periods

莖直徑日最大值(MXTD)曲線變化規(guī)律總體趨勢與MTD一致，同樣符合Logistic函數(shù)關(guān)系，變化規(guī)律與結(jié)論均與MTD一致，說明MXTD與MTD在表征梨棗莖稈生長規(guī)律方面效果一致(圖3)。

2.3 梨棗花果期耗水量動態(tài)

如圖4所示梨棗花果期耗水量呈不同的波動趨勢。2010年T1、T2、T3、T4處理梨棗耗水量分別在1.07—3.54 mm、1.08—3.88 mm、0.96—3.25mm、1—2.4 mm 范圍波動，花果期耗水量 T1＞T2＞T3＞T4，分別為147.82、136.17、110.4、97.668mm，日均耗水強(qiáng)度 T1 ＞T2 ＞T3 ＞ T4，分別為 2.55、2.35、1.90、1.68mm/d，T1、T2、T3、T4日耗水量最大值分別出現(xiàn)在8月29日、8月16日、8月27日、8月18日，均為灌水后，且灌水后1周內(nèi)梨棗耗水量持續(xù)增大，之后逐漸減少，耗水曲線呈拋物線狀，說明梨棗耗水量隨土壤含水量的增加而增大。2a內(nèi)各處理耗水量曲線均表現(xiàn)為遞增趨勢，開花坐果期是棗樹營養(yǎng)生長、生殖生長的并進(jìn)時期，棗樹各項(xiàng)生理活動機(jī)能增加，樹體冠層等屬于快速生長期，并且隨氣溫的升高，作物蒸騰加強(qiáng)，棗樹對水分的需求日益增加，耗水量增大，此階段的日耗水強(qiáng)度分別為2.26、1.91、1.64、1.46 mm/d，可以看出此階段不同水分處理間耗水量差異較大。果實(shí)膨大期日耗水量達(dá)最大，此階段樹體各方面生長均達(dá)最大狀態(tài)(包過新梢生長、葉面積等)，新陳代謝旺盛，氣溫在此時也較高，棗樹對水分的需求達(dá)到最大，日耗水強(qiáng)度分別為2.93、2.97、2.24、1.98 mm/d，分別是開花坐果期耗水強(qiáng)度的1.30、1.56、1.36、1.35倍。果實(shí)膨大后期耗水量明顯減少，日變化平緩，此時棗樹已逐漸進(jìn)入成熟前期，耗水量隨之減少，另一方面此時棗樹的各項(xiàng)生長指標(biāo)(包括新稍生長、葉面積等)均已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，所以日變化平緩。

圖4 梨棗花果期耗水量的動態(tài)變化Fig.4 Dynamic trend of water consumption of pear jujube trees during flowering and fruit development periods under different treatments

2011年各處理梨棗耗水量分別在1.39—4.22、1.19—4.15、1.07—4、0.96—3.79mm范圍波動，花果期耗水量 T1＞T2＞T3＞T4，分別為171.66、155.45、151.87、138.23mm，日耗水強(qiáng)度 T1＞T2＞T3＞T4，分別為2.81、2.55、2.50、2.27mm/d，各處理日耗水量最大值均出現(xiàn)在灌水后一周內(nèi)，與2010年規(guī)律一致?？梢钥闯?011年各處理花果期耗水總量與日耗水強(qiáng)度均高于2010年，說明一方面隨著樹齡的增大，植株體形增大，各項(xiàng)生命活動增強(qiáng)，對水分等的需求增多，耗水量增加，另一方面年際間氣候因子的不同，也是影響梨棗耗水量不同的主要因子［20-21］。

2.4 梨棗花果期日耗水量與莖直徑變化指標(biāo)的相關(guān)分析

在莖直徑變化指標(biāo)(MTD、MXTD、MDS、DG)中，2010年T1處理的日耗水量僅與MDS呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.448，而2011年的T1處理的日耗水量與各莖直徑變化指標(biāo)相關(guān)性均不顯著，可見高水分條件下莖直徑變化指標(biāo)在表征棗樹耗水狀況方面不敏感。T2、T3作為調(diào)虧灌溉的水分處理，其日耗水量與莖直徑變化指標(biāo)(除DG外)呈極顯著相關(guān)關(guān)系，說明梨棗莖直徑變化指標(biāo)(MTD、MXTD、MDS)可以作為適當(dāng)調(diào)虧灌溉處理的棗樹敏感性指標(biāo)。2a中T4作為低水分處理，其日耗水量與莖直徑動態(tài)指標(biāo)(除DG)呈極顯著相關(guān)，這說明棗樹莖直徑變化指標(biāo)(MTD、MXTD、MDS)能夠很好的表征低水分處理的棗樹耗水狀況，其中MDS能夠更好的表征這一耗水狀況，其相關(guān)系數(shù)最大達(dá)0.858。2a試驗(yàn)中DG只與2010年T4處理以及2011年T2處理?xiàng)棙淙蘸乃肯嚓P(guān)性顯著，其他處理均不顯著，這可能是由于影響DG的因素較為復(fù)雜，與單因素間的線性相關(guān)性不顯著。2a中不同水分處理的MTD、MXTD與耗水量相關(guān)性一致，這說明這兩個指標(biāo)在表征棗樹日耗水量方面效果相同。

由表3可以建立線性回歸模型為yi=axj，式中y為耗水量;a為回歸系數(shù);x為莖直徑變化指標(biāo);i=T1，T2，T3，T4;j=MTD，MXTD，MDS，DG。由表2、表3可以看出，耗水量與莖直徑變化指標(biāo)間相關(guān)性越顯著且相關(guān)系數(shù)越大，線性回歸時決定系數(shù)則越大，顯著水平越高。如2010年T1處理MDS對耗水量作用極顯著，且決定系數(shù)最大，其他莖直徑指標(biāo)作用不顯著。2a中低水分T4處理中MTD、MXTD、MDS均對耗水量作用極顯著，且決定系數(shù)大于其他水分處理。說明該回歸模型可為低水分處理下梨棗耗水狀況提供依據(jù)。

表2 梨棗花果期日耗水量與莖稈直徑指標(biāo)值的相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis between pear jujube daily water consumption and trunk diameter variation derived indexes during flowering and fruit development periods

3 結(jié)論及討論

(1)通過連續(xù)2a對梨棗花果期耗水狀況的研究表明，梨棗耗水量隨著土壤供水量的增加而增大，各個處理日耗水量最大值均出現(xiàn)在灌水后1周內(nèi)，在2a中高水分處理(T1)耗水量最大，花果期梨棗日耗水強(qiáng)度均為T1＞T2＞T3＞T4，足以證明梨棗耗水量隨著土壤供水量的增加而增大，這與汪耀富［22］研究的烤煙蒸騰耗水量的結(jié)論一致。

(2)梨棗樹日耗水量受生育期、樹齡以及氣候的影響。2a內(nèi)各處理耗水量曲線均表現(xiàn)為遞增趨勢，棗樹在開花坐果期各項(xiàng)生理機(jī)能趨于活躍，耗水量遞增，在果實(shí)膨大期耗水達(dá)到最大值。果實(shí)膨大期樹體各項(xiàng)生理機(jī)能均達(dá)到最活躍狀態(tài)，耗水量最大，各處理耗水強(qiáng)度也均高于同處理的開花坐果期，這與2010年胡永翔［23］的研究結(jié)果一致。2011年各處理花果期耗水總量與日均耗水強(qiáng)度均高于2010年，說明一方面隨著樹齡的增加，棗樹樹體增大，生命活動加強(qiáng)，耗水量增加，另一方面年際間氣候差異，也是影響梨棗耗水量關(guān)鍵因素［20-21］。

表3 梨棗花果期日耗水量與莖稈直徑指標(biāo)值的線性回歸Table 3 Linear regression between pear jujube daily water consumption and trunk diameter variation derived indexes during flowering and fruit development periods

(3)通過連續(xù)2a對梨棗花果期莖直徑動態(tài)變化有關(guān)指標(biāo)的研究表明，各處理MTD、MXTD的變化規(guī)律一致，均符合Logistic函數(shù)關(guān)系，各指標(biāo)(MTD、MXTD)增長率因水分處理不同而存在差異，說明MTD、MXTD可以作為樹體生長狀況的監(jiān)測指標(biāo)。

(4)莖直徑微變化各指標(biāo)均受土壤水分的影響，但影響程度不同。2a不同水分處理MTD、MXTD與耗水量的相關(guān)性一致，二者表征植物與土壤水分關(guān)系的作用相同。以T1處理為例，2a間與耗水量顯著相關(guān)的指標(biāo)并不相同，這與Morales［24］和Moreno［15］研究認(rèn)為莖直徑變化與樹齡有關(guān)的結(jié)論一致。2a中T4為低水分處理，其日耗水量與MDS相關(guān)系數(shù)較其他3個處理高且達(dá)到極顯著水平，說明MDS在一定水分虧缺條件下能夠很好的表征棗樹耗水規(guī)律，與 Moreno［15］對橄欖樹以及Ruiz-Sánchez［11］對檸檬樹得出MDS可以作為植物水分虧缺敏感性指標(biāo)的研究結(jié)果相一致。Moriana［24］等研究認(rèn)為莖直徑微變化與物候期和生育期有關(guān)，果實(shí)的生長、成熟和采摘直接影響到莖直徑微變化，所以分生育期分析MTD、MXTD、MDS與不同處理?xiàng)棙淙蘸乃肯嚓P(guān)性意義重大，有待進(jìn)一步探討。

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