李 波，鄭思宇，魏新光，王鐵良，孫 君，葛 東

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東北寒區(qū)日光溫室葡萄液流特征及其主要環(huán)境影響因子研究

李 波，鄭思宇，魏新光※，王鐵良，孫 君，葛 東

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽(yáng) 110866）

為了探明東北冷寒區(qū)設(shè)施環(huán)境下，葡萄液流特征及其與溫室內(nèi)環(huán)境因子之間的響應(yīng)特征，對(duì)葡萄液流速率以及環(huán)境因子進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)分析，結(jié)果表明：葡萄日內(nèi)液流和全生育期逐日蒸騰均呈現(xiàn)單峰變化趨勢(shì)，日內(nèi)液流峰值出現(xiàn)在10:30-13:00之間，在液流最為旺盛的8月，其峰值達(dá)406.32 g/h。葡萄全生育期日蒸騰量在8月變化相對(duì)最為劇烈，日均蒸騰量超過(guò)4 mm/d。液流速率與光合有效輻射 (photosynthetically active radiation，PAR)，氣溫、水汽壓虧缺（vapor pressure deficit，VPD）及實(shí)際水汽壓均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)（<0.01），與相對(duì)濕度表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)（<0.01）。瞬時(shí)液流速率與日蒸騰最主要的影響因子是PAR與VPD，月尺度液流最主要影響因子在PAR與蒸騰整合變量（variable of transpiration，VT）之間變化。全生育期液流最主要的影響因子是PAR與VT，但其決定系數(shù)隨研究時(shí)間尺度的增加而降低。不同氣象因子與液流之間存在明顯的時(shí)滯效應(yīng)，PAR的啟動(dòng)時(shí)間及停止時(shí)間均提前于液流，到達(dá)高峰時(shí)間滯后于液流，時(shí)滯時(shí)間最長(zhǎng)為1.5 h。VPD整體滯后于液流。

蒸騰量；氣象因子；日光溫室；葡萄；液流速率；時(shí)滯效應(yīng)

0 引 言

樹(shù)體的蒸騰過(guò)程是土壤-植物-大氣連續(xù)體水分運(yùn)移的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是其不同的器官和其所在的環(huán)境互相作用、反饋影響的結(jié)果[1]。準(zhǔn)確掌握樹(shù)體的蒸騰特征，及其環(huán)境耦合機(jī)制，對(duì)于制定合理的灌溉制度，高效地利用水資源具有重要意義[2]。樹(shù)體蒸騰監(jiān)測(cè)手段眾多，其中液流是反映樹(shù)體蒸騰的重要表征，近年來(lái)，隨著熱技術(shù)的不斷完善，利用其對(duì)樹(shù)體液流與蒸騰進(jìn)行監(jiān)測(cè)的研究成果不斷涌現(xiàn)[3-6]。但前人研究成果主要集中于液流分布特征、變化規(guī)律，液流與蒸騰時(shí)空尺度轉(zhuǎn)化，以及液流與環(huán)境因子耦合機(jī)制方面[5,7]。大量研究結(jié)果表明液流的日內(nèi)大多呈現(xiàn)單峰或多峰變化趨勢(shì)，其變化和輻射、光合有效輻射、氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、飽和水汽壓等微氣象因子密切相關(guān)[2,8]，同時(shí)液流的變化存在明顯的時(shí)滯現(xiàn)象，但是時(shí)滯的程度與特征存在較大的差異[9-11]。此外，Du等[9]發(fā)現(xiàn)影響植物液流量的因素會(huì)隨著樹(shù)種、生長(zhǎng)狀況、生長(zhǎng)地情況、土壤特性等而不同，這就表明了液流與各環(huán)境因子之間關(guān)系較為復(fù)雜多變，不同的植物與不同環(huán)境條件下其響應(yīng)程度差異較大。

前人在樹(shù)體液流特征及其與環(huán)境因子的相互作用機(jī)制上進(jìn)行了大量研究，但這些研究成果大多在大田或林地觀測(cè)條件下獲得，而在設(shè)施條件下，特別是東北寒區(qū)日光溫室栽培條件下，果樹(shù)液流特征及其與環(huán)境因子的相互作用關(guān)系研究還較為少見(jiàn)，在設(shè)施環(huán)境下由于人為地改變了能量的傳輸途徑，使得設(shè)施環(huán)境因子的變化更為復(fù)雜，因此研究日光溫室條件下果樹(shù)的液流特征及其環(huán)境響應(yīng)機(jī)制，具有重要意義。中國(guó)日光溫室農(nóng)業(yè)于20世紀(jì)70年代起源東北地區(qū)，目前東北地區(qū)日光溫室面積占設(shè)施農(nóng)業(yè)面積的50%以上，是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)主要存在形式。同時(shí)東北地區(qū)也是中國(guó)設(shè)施果樹(shù)栽培的核心分布區(qū)域之一，設(shè)施果樹(shù)面積達(dá)2.4×104hm2，約占全國(guó)面積的37.5%[12]，本文以東北地區(qū)第一大設(shè)施果樹(shù)葡萄為研究對(duì)象，研究在日光溫室種植條件下葡萄的液流特征及其與環(huán)境因子之間相關(guān)關(guān)系，以期揭示冷寒區(qū)日光溫室葡萄的蒸騰耗水特性及其環(huán)境耦合機(jī)制，為設(shè)施果樹(shù)節(jié)水與設(shè)施環(huán)境精準(zhǔn)控制提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年5月1日－2017年10月31日在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)北山科研試驗(yàn)基地44號(hào)日光溫室大棚內(nèi)展開(kāi)。試驗(yàn)區(qū)位于N41.82°，E123.57°。溫室類(lèi)型為遼沈III型日光節(jié)能溫室[13]。溫室設(shè)計(jì)為單面采光拋物面式，長(zhǎng)60 m，寬8 m，磚土墻高4 m，棚膜采用PVC防老化塑料無(wú)滴膜，保溫措施采用防雨棉被覆蓋。供試土壤0～60 cm層容重為1.44 g/cm3，田間持水率為0.223 cm3/cm3。在每個(gè)小區(qū)（面積為9 m2）鋪設(shè)厚度為2 mm的PVC板，垂直埋深為80 cm來(lái)進(jìn)行水分隔離，防止各小區(qū)之間土壤水橫向擴(kuò)散。所有試驗(yàn)小區(qū)耕作、施肥、病蟲(chóng)害防治處理均相同。

1.2 供試材料

供試材料為歐亞種葡萄玫瑰香（Midknight Beauty）2015年3月25日完成定植，葡萄于每年4月28日左右施基肥（雞糞干含有機(jī)質(zhì)62%，粗蛋白素30%，氮磷鉀8%左右）1次，施用量為3.3×104kg/hm2，生育前期施尿素（288 kg/hm2），生育后期選用德國(guó)康樸特種肥，施用量為450 kg/hm2（N含量14%、K含量24.9%，P含量3.5%），每個(gè)生育期施1次肥，在漿果膨大期及果實(shí)著色期加施特種肥。每小區(qū)種植葡萄樹(shù)為6棵，均采用Y型葡萄棚架，每年4月初期進(jìn)行修剪，葡萄的藤長(zhǎng)控制在3.5～4.5 m，新稍長(zhǎng)度控制在50～80 cm，其他田間管理措施參考當(dāng)?shù)卦O(shè)施葡萄生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)處理及方法

在實(shí)驗(yàn)小區(qū)中選取5棵生長(zhǎng)狀況相似且良好，樹(shù)干較為通直的葡萄樹(shù)來(lái)進(jìn)行研究，表1為觀測(cè)樣樹(shù)參數(shù)。葡萄灌溉采用設(shè)施自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)，葡萄全生育期土壤水勢(shì)控制在田持的60%～80%，當(dāng)葡萄水勢(shì)低于下限閾值時(shí)開(kāi)始灌溉當(dāng)達(dá)到上限閾值時(shí)停止灌溉。

表1 觀測(cè)樣樹(shù)參數(shù)Table 1 Parameter of sample-tree used for sap flow measurement

1.3.1 液流測(cè)定

采用樹(shù)體包裹式液流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Flower32-1K，SGB-9）對(duì)全生育期葡萄液流動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳感器安裝在葡萄樹(shù)主干灌溉水位以上，垂直距地面約為20 cm。用錫箔紙對(duì)傳感器進(jìn)行包裹以防其與外界環(huán)境發(fā)生熱效應(yīng)。用CR1000型數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，采集頻率為15 min/次。包裹式莖流計(jì)（Flower32-1K）利用熱平衡原理，其液流計(jì)算公式為

式中F為t時(shí)刻瞬時(shí)莖流，g/h；in為輸入的熱量，W；Q為徑向散熱，W；Q為豎向?qū)幔琖；為水的比熱，4.186 J/(g·℃)；為豎向2個(gè)熱電偶電壓和的平均值，℃；

1.3.2 氣象數(shù)據(jù)

在溫室中心位置布設(shè)小型氣象站，測(cè)量要素包括：太陽(yáng)總輻射（R，W/m2）光合有效輻射（photosynthetically active radiation，PAR，mol/(m2·s)）、氣溫（T，℃）、相對(duì)濕度（RH，%）以及實(shí)際水汽壓（，kPa）。測(cè)定頻率為0.5 h/次。水汽壓虧缺（vapor pressure deficit，VPD）由空氣溫度與相對(duì)濕度計(jì)算可得。為便利分析樹(shù)干液流對(duì)氣象因子響應(yīng)，引入蒸騰整合變量（variable of transpiration，VT，kPa (W/m2)1/2)），VT由VPD及R計(jì)算可得[9,14-15]，計(jì)算公式如下

VT=VPD·(R)1/2（2）

1.3.3 葡萄日蒸騰量確定

葡萄日蒸騰量由全天瞬時(shí)莖流積分得到，計(jì)算公式如下

式中T為單株葡萄日蒸騰量，mm；為試驗(yàn)區(qū)內(nèi)葡萄平均日蒸騰量，mm；為試驗(yàn)區(qū)面積；為葡萄樹(shù)編號(hào)；為小區(qū)內(nèi)葡萄株數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究采用Microsoft Excel軟件對(duì)葡萄樹(shù)液流數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算，使用SPSS19.0（SPSS Inc. Chicago，USA）對(duì)試驗(yàn)期內(nèi)所獲得的液流及氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、回歸分析和相關(guān)分析，并用Origin9.0（OriginLab，USA）軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄液流與蒸騰特征

2.1.1 葡萄液流日內(nèi)變化規(guī)律

本文在葡萄全生育期各（5－10月）月內(nèi)分別選取典型日5～10 d，對(duì)其日內(nèi)液流變化特征及其季節(jié)性變化過(guò)程進(jìn)行分析。所選各典型日氣象環(huán)境條件相似，均為晴天，結(jié)果如圖1可知，葡萄各個(gè)生育期液流速率日變化均呈現(xiàn)明顯的晝夜節(jié)律，總體上表現(xiàn)為單峰變化趨勢(shì)。白天液流強(qiáng)度較大，夜間存在微弱液流，液流的波動(dòng)隨著輻射的增大而增強(qiáng)。隨著太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng)，設(shè)施內(nèi)氣溫逐漸升高，液流量在10:30－13:00達(dá)到最大值，并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的高峰值波動(dòng)現(xiàn)象；隨著太陽(yáng)輻射的減弱，溫度的降低，液流量逐漸減少，在17:30左右開(kāi)始下降，在20:30之后基本停止。各個(gè)時(shí)期葡萄樹(shù)的液流量在夜間差異不大，但在白天表現(xiàn)出明顯的差異。7月、8月液流啟動(dòng)時(shí)間早且增加速度快，在11:00左右液流量達(dá)到峰值，7月最大液流速率達(dá)到315.37 g/h，8月最大液流速率達(dá)到406.32 g/h。這是由于葡萄樹(shù)葉的增多、設(shè)施內(nèi)溫度的增高，與此同時(shí)，葡萄也正處于果實(shí)膨大著色及成熟期，樹(shù)體需不斷的吸收水分來(lái)維持自身生長(zhǎng)，導(dǎo)致樹(shù)體液流速率較大。生長(zhǎng)季后期（9－10月）液流速率明顯減弱，10月份最大液流速率為8月份的62.9%，這是因?yàn)槠咸言?0月下旬開(kāi)始出現(xiàn)落葉現(xiàn)象，逐漸進(jìn)入了休眠期，對(duì)水分需求不敏感，導(dǎo)致液流速率較其他月份相比有明顯的下降。整個(gè)生育期來(lái)看，其日均液流速率大小依此為8月>7月>9月>6月>5月>10月。

注：圖中數(shù)據(jù)為每月內(nèi)分別選取的典型日5～10 d的平均值。下同。

2.1.2 不同天氣條件下葡萄液流差異

液流的瞬時(shí)變化特征與天氣狀況密切相關(guān)，為此選取晴天，多云和陰雨天3種典型天氣狀況下液流特征進(jìn)行比較，為了避免不同生育階段對(duì)液流狀況的影響，在葡萄生長(zhǎng)最為旺盛的7月，選取3～5個(gè)典型晴天（296.896 W/m2）、陰雨天（185.342 W/m2）及多云天（211.982 W/m2）對(duì)其液流狀況進(jìn)行比較分析。其日變化如圖2所示。3種典型天氣的液流速率均呈現(xiàn)明顯的晝夜節(jié)律，白天的液流速率變化呈多峰曲線，峰值會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象且晴天、多云的波動(dòng)較雨天劇烈，夜晚均存在微弱的液流。在晴天條件下，液流速率快速達(dá)到最大值（最大值為354.52 g/h），且峰值持續(xù)時(shí)間（晴天條件下液流速率在最大值的80%～100%范圍內(nèi)波動(dòng)所持續(xù)的時(shí)間）較長(zhǎng)（約6 h），其最大值到達(dá)時(shí)間比陰雨天早2.5 h左右。陰雨天葡萄的液流速率變化較緩慢且峰值較低，其最大值較晴天降低50.32%，兩者之間差異明顯；多云與陰雨天的液流啟動(dòng)時(shí)間差異不大，多云天的峰值較陰雨天提前0.5 h左右，其液流峰值為晴天的60.98%。統(tǒng)計(jì)表明，晴天、多云與陰雨天的平均液流速率分別為127.00、67.42、64.81 g/h，晴天約是陰雨天的1.96倍。3者的液流峰值、持續(xù)時(shí)間及波動(dòng)范圍存在差異性，但不同天氣條件下，液流啟動(dòng)時(shí)間及基本停止時(shí)間基本一致，這是因?yàn)?者觀測(cè)時(shí)間相近，所處生育階段和土壤水分狀況基本相同所致?？傮w而言，不同天氣狀況會(huì)對(duì)液流峰值、峰值持續(xù)時(shí)間和液流的波動(dòng)范圍產(chǎn)生較大的影響，但是對(duì)液流啟動(dòng)與停止時(shí)間影響不大。

圖2 不同天氣條件下葡萄液流速率日變化

2.2 葡萄日蒸騰變化

根據(jù)公式（3）、（4）得到了葡萄全生育期日蒸騰量變化，如圖3所示。5月15日至5月28日這期間因觀測(cè)設(shè)備原因?qū)е聰?shù)據(jù)缺失。總體而言，葡萄全生育期日蒸騰呈現(xiàn)單峰變化趨勢(shì)，生育初期（5月）較少，此階段為葡萄的新梢生長(zhǎng)期，日均蒸騰量為1.76 mm/d。而到了葡萄果實(shí)成熟期及著色期日（7、8月）均蒸騰量達(dá)到了2.41、2.91 mm/d，在8月葡萄日蒸騰量均維持在相對(duì)較高水平，最高日蒸騰量為4.10 mm/d，而后逐漸降落至2.85 mm/d，這是由于此階段果實(shí)被采摘，果樹(shù)耗水有明顯下降，在10月份的日均蒸騰量?jī)H為0.79 mm/d。葡萄全生育期的日蒸騰量變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征，5－10月蒸騰量呈現(xiàn)低-高-低變化趨勢(shì)，隨著葡萄葉的生長(zhǎng)以及葉面積指數(shù)的增大，日蒸騰量也表現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)。這說(shuō)明葡萄全生育期的日蒸騰變化主要是受樹(shù)體本身發(fā)育階段的控制，但相鄰日蒸騰值會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，這種日液流變化的波動(dòng)主要受氣象因子影響。為了進(jìn)一步闡明溫室葡萄日蒸騰的變化規(guī)律，有必要對(duì)不同生育階段葡萄日內(nèi)液流變化及其與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究。

圖3 葡萄全生育期日蒸騰變化

2.3 葡萄液流與溫室內(nèi)氣象因子的響應(yīng)

為了系統(tǒng)的研究液流與溫室內(nèi)氣象因子的響應(yīng)關(guān)系。本文對(duì)生長(zhǎng)季6－10月內(nèi)測(cè)定的液流、日蒸騰與主要?dú)庀笠蜃樱篜AR、T、RH、VPD以及進(jìn)行相關(guān)分析，如表2所示。由于5月設(shè)備故障，數(shù)據(jù)缺測(cè)較多，不進(jìn)行分析。結(jié)果表明，不論是全天液流速率還是白晝（05:00－19:00）液流速率其與PAR、T、VPD及均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.01），與RH表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（<0.01）。液流速率對(duì)各氣象因子的響應(yīng)程度均依次為：PAR＞VPD＞＞RH＞，且白晝時(shí)間段內(nèi)對(duì)諸因子的響應(yīng)程度要高于全天（00:00－24:00）。同時(shí)日蒸騰（日液流的累積量）與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系也與液流速率基本相似，但瞬時(shí)蒸騰（液流速率）與氣象因子的關(guān)系略好于日蒸騰，即隨著研究時(shí)間尺度的加大，液流和氣象因子的關(guān)系在減弱。由此可見(jiàn)不同的時(shí)間尺度會(huì)影響到其響應(yīng)程度，在相同的時(shí)間（研究）尺度上，不同的數(shù)據(jù)步長(zhǎng)對(duì)結(jié)果也有一定影響。但不論是白晝液流、全天液流還是日蒸騰，PAR和VPD始終是其最主要的影響因子。

表2 生長(zhǎng)季不同時(shí)期葡萄樹(shù)液流速率與環(huán)境因子相關(guān)分析Table 2 Correlation between grape sap flow rate and environmental factors at different stages of growing season

注：表中*表示顯著（<0.05），**表示極顯著（<0.01）

Note: *indicate significant, significant at<0.05. **indicate extremely significant effect at<0.01.

為進(jìn)一步分析液流瞬時(shí)速率與其主要影響因子（PAR、VPD）之間的關(guān)系，選取不同生育期內(nèi)代表月份液流與PAR、VPD數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖4可知，液流與PAR呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系，總體上來(lái)說(shuō)，隨著PAR的增加，液流先快速增加，然后增速變緩，趨于穩(wěn)定并有下降趨勢(shì)，同時(shí)隨著PAR的增加，液流的波動(dòng)范圍變大，總體變化呈“喇叭”形狀，研究月份的不同，“喇叭”的大小也不相同。當(dāng)PAR較低時(shí)，它是液流最主要控制因子，但是隨著PAR數(shù)值的加大，其對(duì)液流的控制逐漸減弱，不再是液流的主要限制因子，此時(shí)液流的波動(dòng)主要受到其他環(huán)境因子的制約。同時(shí)，PAR對(duì)液流的影響存在明顯的時(shí)間變異性，不同月份決定系數(shù)存在差異，逐月液流與PAR的決定系數(shù)在0.60～0.77范圍內(nèi)波動(dòng)。8月份的決定系數(shù)（2=0.61）低于其他月份，且喇叭口呈現(xiàn)為最大，點(diǎn)最為離散，這可能是葡萄此時(shí)正處于果實(shí)著色及成熟關(guān)鍵時(shí)期，需水最為旺盛，灌水頻繁，土壤水分波動(dòng)較為劇烈的緣故。8月較比其他月份來(lái)說(shuō)，雖然相關(guān)關(guān)系有所下降，但PAR依然控制著液流的波動(dòng)范圍。PAR與液流的相關(guān)性大小依次為：6月>10月>8月。

生育期各代表月VPD與液流的影響關(guān)系如圖5所示。由圖可知，VPD對(duì)液流的影響與PAR類(lèi)似，2者也存在良好的正相關(guān)關(guān)系和明顯時(shí)間變異性。各月回歸方程的決定系數(shù)在0.39～0.55內(nèi)波動(dòng)，數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)明顯的“喇叭”形狀，且各月影響程度均小于PAR，各月VPD對(duì)液流影響大小依次為：10月>8月>6月。由此可見(jiàn)，生育期內(nèi)各月液流對(duì)PAR的響應(yīng)程度均高于VPD。換言之，就逐月數(shù)據(jù)而言，PAR始終是液流最主要的控制因子。

圖4 生育期氣象因子（PAR）與蒸騰的關(guān)系

圖5 生育期氣象因子（VPD）與蒸騰的關(guān)系

對(duì)葡萄全生育期（6－10月）PAR、VPD和液流進(jìn)行相關(guān)分析（圖4d、圖5d），發(fā)現(xiàn)2因子和液流關(guān)系與逐月數(shù)據(jù)類(lèi)似，但決定系數(shù)有所降低。PAR、VPD與液流回歸方程的決定系數(shù)分別為0.60和0.40（表3），可見(jiàn)，液流速率與PAR、VPD之間的關(guān)系不僅存在時(shí)間變異性，還存在明顯的時(shí)間尺度效應(yīng)，逐月液流速率對(duì)PAR及VPD的響應(yīng)要優(yōu)于全生育期尺度。換言之，隨著研究時(shí)間尺度的增加，液流和PAR、VPD兩氣象因子的相關(guān)性變?nèi)?。這主要是因?yàn)?，在全生育期尺度上的液流不僅受到氣象因子的影響，還受生育階段的調(diào)控所致。

表3 葡萄樹(shù)生育期內(nèi)各月樹(shù)干瞬時(shí)液流與氣象因子回歸模型

根據(jù)圖4、圖5和表2的研究結(jié)果，PAR和VPD均為葡萄液流最主要的影響因子，前者主要反映了液流的能量來(lái)源與光量驅(qū)動(dòng)力，后者代表了區(qū)域水汽梯度與蒸騰拉力，而蒸騰整合變量VT是考慮PAR與VPD的綜合指標(biāo)[14]，既可以表征太陽(yáng)輻射狀況，又可以表征空氣水汽虧缺狀況。為了綜合考慮太陽(yáng)輻射和水汽梯度對(duì)液流的影響，基于全生育期液流數(shù)據(jù)，建立了基于PAR和VPD，兩個(gè)單氣象因子的一元與二元回歸模型，以及復(fù)合因子VT回歸模型，并與單因子模型擬合精度進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。就全生育期數(shù)據(jù)而言，單因子PAR與復(fù)合因子VT對(duì)液流均具有較好的回歸關(guān)系，其決定系數(shù)分別為0.60與0.58，優(yōu)于多因子回歸方程（2=0.53），以及單因子VPD回歸方程的結(jié)果（2=0.40）。由于復(fù)合因子VT與液流在全生育期尺度上也具有良好的回歸關(guān)系，為了深入探求VT與液流的相關(guān)關(guān)系，有必要對(duì)其生育期內(nèi)逐月數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖6可知，VT與液流的關(guān)系，與PAR、VPD相似，生育期各代表月以及全生育期（6－10月）內(nèi)，液流與VT之間均具較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，但全生育期的決定系數(shù)要低于逐月數(shù)據(jù)。逐月VT與液流的關(guān)系在10月份最好（2=0.83），各月份相關(guān)性排序?yàn)椋?0月>6月>8月。本文研究發(fā)現(xiàn)生育期各月及全生育期液流與VT、PAR之間相關(guān)性均明顯高于VPD。但液流與VT之間的相關(guān)性只有在8月（2=0.64）、10月（2=0.83）大于PAR，而其他月份PAR則表現(xiàn)出最高的相關(guān)性，即單因子PAR與復(fù)合因子VT對(duì)液流的控制呈現(xiàn)明顯的時(shí)間變異性，部分月份PAR是液流最主要的控制因子，部分月份VT是液流最主要的控制因子，Du[9]研究表明液流與VT之間的相關(guān)性要高于任意單一氣象因子，這與本研究結(jié)果并不一致，這可能與研究對(duì)象及研究環(huán)境的差異有關(guān)。

圖6 蒸騰整合變量（VT）與蒸騰的關(guān)系

總體而言，PAR、VT與液流的相關(guān)性，呈現(xiàn)明顯的時(shí)間變異性和時(shí)間尺度效應(yīng)，生育期內(nèi)各月液流最主要的控制因子在PAR和VT間波動(dòng)。雖然逐月液流與兩因子的2存在波動(dòng)，但其值均大于全生育期。換言之，隨著研究時(shí)間尺度大增大，氣象因子對(duì)液流的控制力在減弱。

2.4 葡萄液流與氣象因子間的時(shí)滯效應(yīng)

液流的時(shí)滯現(xiàn)象是指其變化規(guī)律與氣象因子不同步的現(xiàn)象[10]。液流的時(shí)滯現(xiàn)象受不同植物種類(lèi)、不同立地條件與環(huán)境、不同階段多重影響[16-17]。根據(jù)圖4、圖5可知，在較小時(shí)間尺度上，PAR、VPD是液流最主要的氣象影響因子，為此選取生育期不同月份多個(gè)典型日(圖1)，對(duì)其3者（液流、PAR、VPD）日內(nèi)變化過(guò)程重點(diǎn)分析，其變化關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)及其與液流的時(shí)滯特征，結(jié)果如表4所示。從表中可以看出，VPD的啟動(dòng)時(shí)間，到達(dá)高峰時(shí)間以及下降時(shí)間均為正值，VPD的變化整體滯后于液流速率，其中到達(dá)最高峰時(shí)間的時(shí)滯現(xiàn)象最為明顯，最大時(shí)滯時(shí)間為2.5 h。而液流與PAR之間時(shí)滯關(guān)系較VPD來(lái)說(shuō)更為復(fù)雜，太陽(yáng)輻射的啟動(dòng)時(shí)間提前于液流或基本同步，時(shí)滯時(shí)間在0~1.5 h之間變化，且隨著生育期的延長(zhǎng)，其時(shí)滯時(shí)間呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在生育初期的5、6月份和生育末期的10月份，時(shí)滯時(shí)間均較大。而在生育中期的7、8月份，時(shí)滯時(shí)間為0.5 h，2者變化幾乎同步，這主要是因?yàn)橄募据椛鋸?qiáng)度增加較快，能迅速達(dá)到激發(fā)樹(shù)體液流啟動(dòng)時(shí)所需的光照強(qiáng)度。PAR在到達(dá)最高峰時(shí)間上滯后于液流達(dá)到最高峰的時(shí)間在0.5～1.5 h之間波動(dòng)，而在基本停止時(shí)間上均為負(fù)值，這表明當(dāng)太陽(yáng)輻射未達(dá)到峰值時(shí)，液流已經(jīng)停止上升，當(dāng)太陽(yáng)輻射停止時(shí)，液流會(huì)減少直到基本停止。換言之，太陽(yáng)輻射的峰值時(shí)間總是滯后于液流，而下降及停止時(shí)間均提前于液流，這種現(xiàn)象是由于作物本身的水分調(diào)節(jié)導(dǎo)致的，是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄葉的保護(hù)，防止葉片被灼傷形成的一種生理保護(hù)機(jī)制[18-19]?？傮w而言，液流的啟動(dòng)會(huì)滯后于PAR，達(dá)到峰值的時(shí)間提前于PAR或基本同步，而停止總體滯后于PAR，而VPD的啟動(dòng)則幾乎與液流同步或略微滯后。

表4 液流速率與光合有效輻射、飽和水汽壓差的時(shí)滯時(shí)間比較

注：表中時(shí)間差以液流為參考，正數(shù)表示滯后于液流的時(shí)間，負(fù)數(shù)表示提前與液流的時(shí)間[18]。

Note: The time difference was based on the flow, a positive number indicated the time lags behind sap flow, and a negative number indicated the time before the sap flow[18].

3 討 論

葡萄不同的立地條件、生長(zhǎng)環(huán)境、以及水肥與園藝管理措施，均會(huì)對(duì)其液流過(guò)程造成顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn)，在日光溫室種植條件下，葡萄瞬時(shí)液流最主要的氣象影響因子為PAR和VPD，這與Tie等[14]研究結(jié)果一致，但與杜太生等[20]、張小由等[21]、程平等[22]學(xué)者的研究結(jié)果不一致，3位學(xué)者研究均表明影響植株瞬時(shí)液流的主要?dú)庀笠蜃訛镻AR和氣溫。造成這種試驗(yàn)結(jié)果的差異，可能主要是由日光溫室特殊環(huán)境條件以及樹(shù)種不同所導(dǎo)致的。在日光溫室種植條件下，溫室內(nèi)保溫、增溫效果顯著，不僅夜間溫度較室外偏高，而且升溫迅速，降溫緩慢，溫度不再成為制約液流的一個(gè)主要因素。同時(shí)溫室種植條件下，空氣對(duì)流較差，形不成明顯風(fēng)速。這與西北沙漠綠洲區(qū)氣溫較低、風(fēng)沙較大形成鮮明的對(duì)比，這就導(dǎo)致以上結(jié)論與本文有所不同。

大量研究結(jié)果表明，環(huán)境因子對(duì)液流的影響存在明顯的時(shí)間變異性和時(shí)間尺度效應(yīng)[23-25]。本研究結(jié)果顯示，日光溫室葡萄瞬時(shí)液流和日蒸騰最主要的影響因子均為PAR、VPD，但月液流的影響因子在PAR和VT之間變化，這和Tie等[14]的研究結(jié)果不一致，Tie等在對(duì)華北半濕潤(rùn)丘陵區(qū)楊樹(shù)液流的研究結(jié)果表明，不同時(shí)間尺度上，液流最主要影響因子均為PAR，且PAR對(duì)液流的影響程度大于任何單一因子或復(fù)合因子。此研究結(jié)果與Du等[9]研究結(jié)果不同，Du等認(rèn)為VT對(duì)液流的影響要大于PAR。本研究結(jié)果表明；在全年尺度上，復(fù)合因子VT對(duì)液流的影響（2=0.60）比PAR略?。?=0.58），但二者差異不大。在月尺度上，液流最主要的影響因子在VT和PAR之間變化。這與Chen[26]和Liu[27]等研究結(jié)果不同，Chen和Liu等的研究結(jié)果表明液流與復(fù)合因子的相關(guān)性要大于任何單一影響因子。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，PAR與葡萄瞬時(shí)液流的相關(guān)性最好，與日、月以及全生育期液流的相關(guān)性逐漸降低，即隨著觀測(cè)時(shí)間尺度的增加，氣象因子對(duì)液流的控制力在減弱，這與魏新光[18]的研究結(jié)果一致，魏新光等通過(guò)對(duì)不同時(shí)間尺度棗樹(shù)液流主要影響因子對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在全生育期尺度上，液流的變化趨勢(shì)主要受樹(shù)體生長(zhǎng)發(fā)育階段的控制。Chen等[26]對(duì)棗樹(shù)、以及Ayyoub等[28]對(duì)橄欖樹(shù)和核桃的研究中也得到類(lèi)似結(jié)果。

樹(shù)體液流的時(shí)滯現(xiàn)象普遍存在，但不同樹(shù)種、不同氣象，不同立地條件，其時(shí)滯程度、時(shí)滯持續(xù)時(shí)間等差異較大。本研究發(fā)現(xiàn)，液流達(dá)到峰值時(shí)間比PAR會(huì)提前0.5～1.5 h。這與魏新光等[29]對(duì)西北旱區(qū)棗樹(shù)研究結(jié)果不一致，魏新光等研究發(fā)現(xiàn)，棗樹(shù)的液流最大可比PAR提前3 h達(dá)到峰值，這主要是因?yàn)樵诤祬^(qū)種植條件下，土壤水分成為植物液流主要的限制因素，當(dāng)土壤水分較高時(shí)，時(shí)滯現(xiàn)象不顯著，當(dāng)土壤水分較低時(shí)，時(shí)滯現(xiàn)象明顯。液流與氣象因子之間的時(shí)滯程度隨生育期變化而變化，葡萄生育旺盛的7－8月時(shí)滯時(shí)間較短。這與王慧梅等[30]的研究結(jié)果趨勢(shì)相近，但與魏新光[18]研究結(jié)果存在差異。王慧梅等通過(guò)對(duì)東北興安地區(qū)落葉松液流的研究發(fā)現(xiàn)，液流時(shí)滯現(xiàn)象冬春季最顯著，夏季不顯著，這主要因?yàn)闁|北興安地區(qū)降水較為充沛，土壤水分對(duì)液流不造成有效制約。但魏新光[18]，Chen等[26]基于西北旱區(qū)條件下開(kāi)展試驗(yàn)，土壤水分虧缺嚴(yán)重，因而時(shí)滯更為明顯。此外，樹(shù)干液流與受環(huán)境因子的綜合作用，僅研究單一因子與液流的時(shí)滯現(xiàn)象，研究結(jié)果可能存在不合理，不科學(xué)。探討多因子對(duì)液流時(shí)滯的綜合作用也是今后的一個(gè)研究方向。

4 結(jié) 論

植物蒸騰是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，除了受自身特性影響以外，還受周?chē)h(huán)境因子的綜合影響。本文以日光溫室葡萄為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析來(lái)闡明液流特征及其與氣象因子的關(guān)系。結(jié)論如下：

1）晴天條件下，各月液流呈明顯的日內(nèi)單峰變化趨勢(shì)。陰雨天、多云天及晴天的平均液流率分別為64.81、67.42、127.0 g/h。由于太陽(yáng)輻射的不同，三者液流量及波動(dòng)范圍表現(xiàn)出不同程度的差異，但均具有明顯的晝夜節(jié)律變化。

2）從葡萄生育期（5－10月）液流日變化特征來(lái)看，液流月速率變化強(qiáng)度由大到小排列順序?yàn)椋?月>7月>9月>6月>5月>10月。葡萄全生育期日蒸騰量呈現(xiàn)出較為明顯的季節(jié)變化特征，從各生育期日蒸騰量均值來(lái)看，果實(shí)成熟期及著色期達(dá)到2.41～2.91 mm/d，而到了葡萄生育后期日均蒸騰量減少為0.79 mm/d，生育期內(nèi)最大日蒸騰量為4.10 mm/d。

3）葡萄瞬時(shí)液流速率，日蒸騰最主要影響因子是PAR與VPD，逐月液流最主要影響因子在PAR與蒸騰整合變量（VT）之間變化，全生育期液流最主要影響因子是PAR與VT，構(gòu)建了全生育期液流與PAR、VT、VPD以及PAR和VPD的經(jīng)驗(yàn)回歸方程，決定系數(shù)分別達(dá)到0.6，0.58，0.40與0.53。

4）液流速率與PAR、VPD之間存在明顯的時(shí)滯效應(yīng)，VPD整體滯后于液流速率，最大時(shí)滯時(shí)間為2.5 h。PAR的啟動(dòng)時(shí)間與基本停止時(shí)間均提前于液流的（最早提前1.5 h），在到達(dá)峰值時(shí)間上，PAR會(huì)滯后于液流，最長(zhǎng)時(shí)滯時(shí)間為1.5 h。

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Study on sap flow characteristics of grape and its environment influencing factors in cold regions of northeastern China

Li Bo, Zheng Siyu, Wei Xinguang※, Wang Tieliang, Sun Jun, Ge Dong

(,,110866,)

Transpiration of plants is a complex process, it not only affected by its own characteristics, but also affected by the surrounding environmental factors. In order to explore the characteristics of grape sap flow and its relationships with environment factors in the cold areas in northeastern China, grape sap flow rate and meteorological factors were monitored and analyzed systematically. Results showed that the daily transpiration of grape sap flow and daily transpiration in the whole growing period showed a trend of single peak changes, intraday peak values occurred between 10:30-13:00, the peak values reached 406.32 g/h at the most vigorous August. Under the clear weather condition, the flow in each month showed a clear trend of single peak change. The sap flow rates in rainy, cloudy and sunny days were 64.81, 67.42 and 127.00 g/h, respectively. Due to the difference in solar radiation, the fluid flow and fluctuation ranges of three weather conditions showed differences. The daily transpiration of grape was the most severe at August during the whole growth period, and the daily average transpiration exceeded 4 mm/d. From the mean value of transpiration for each growth period, the value reached 2.41-2.91 mm/d during the fruit ripening period and the coloring period, while the average daily transpiration decreased to 0.79 mm/d during the late growth period of grape, and the maximum daily transpiration during the growth period was 4.10 mm/d. The changes of daily grape transpiration in the whole growth period showed obvious seasonality, and overall presented a high-low-high trend. From the daily changes of the sap flow during the growth period (May-October), the monthly variation of the sap flow rate from the largest to the smallest was: August>July>September>June>May>October. The positive correlation between grape sap flow rate and PAR, VPD, VT (variable of transpiration) were significant (<0.01), and the negative correlation between sap flow rate and RH (relative humidity) (<0.01). The main influencing factors of instantaneous flow rate and daily transpiration were PAR and VPD. At month scale, the most important influence factor changed between PAR and VT. The main influencing factors of sap flow during the whole growth period were PAR and VT, however, the coefficient of determination would decrease as the study time scale increases. Constructing regression equations of sap flow and PAR, VT, VPD, PAR and VPD during the whole growth period, and the coefficient of determination were 0.60, 0.58, 0.40 and 0.53. The results showed that in different meteorological factors and sap flow, the time lag varied obviously, there is a significant time lag between the sap flow rate and PAR, VPD. PAR start-up time and stop time were ahead of the sap flow, the peak time was behind sap flow, the longest time lag of PAR was 1.5 hour. VPD lags behind the flow fully.

transpiration; meteorology; solar greenhouse; grape; sap flow rate; time lag

李 波，鄭思宇，魏新光，王鐵良，孫 君，葛 東. 東北寒區(qū)日光溫室葡萄液流特征及其主要環(huán)境影響因子研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(4)：185－193. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.023 http://www.tcsae.org

Li Bo, Zheng Siyu, Wei Xinguang, Wang Tieliang, Sun Jun, Ge Dong. Study on sap flow characteristics of grape and its environment influencing factors in cold regions of northeastern China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 185－193. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.023 http://www.tcsae.org

2018-06-06

2019-02-05

國(guó)家自然基金（51709174）；遼寧省博士科研啟動(dòng)基金（20170520169）；中國(guó)農(nóng)科院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（FIRI2017-07-01）

李 波，教授，主要從事日光溫室節(jié)水灌溉理論和技術(shù)研究。 Email：250077704@qq.com

魏新光，博士，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水與水資源高效利用領(lǐng)域的研究。Email：weixg_wi@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.023

S663.1

A

1002-6819(2019)-04-0185-09