張夢麗，岳春芳，李藝珍

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

新疆環(huán)塔里木盆地地區(qū)光熱資源非常豐富，氣候條件適宜紅棗栽培，加之對農(nóng)民增收效果顯著[1]，因此紅棗成為近年來新疆環(huán)塔里木盆地地區(qū)大力發(fā)展的特色林果之一[2]。目前已有許多學(xué)者針對阿克蘇地區(qū)成齡棗樹的水分與生理特性進(jìn)行研究，2013年王霄[3]等在阿克蘇地區(qū)溫宿縣佳木鎮(zhèn)研究棗樹在滴灌形式下蒸騰作用受土壤含水量的影響，發(fā)現(xiàn)在不同灌水周期內(nèi)，棗樹葉片蒸騰速率與土壤含水量呈顯著正相關(guān)。2015年魏光輝[4]等采用偏最小二乘回歸法建立了阿克蘇地區(qū)棗樹耗水量預(yù)測模型，運(yùn)用缺省因子法分析了棗樹耗水量對各因子的敏感性，并采用灰色關(guān)聯(lián)分析法加以驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)棗樹耗水量對太陽輻射、土壤含水率和溫度最為敏感。2019年鄭明[5]等人采用渦度相關(guān)法與水量平衡法對棗園的能量閉合度和騰發(fā)量進(jìn)行測定，確定了充分灌溉下棗樹全生育期騰發(fā)總量為560.78 mm。

前人對棗樹的研究主要集中于土壤水分或棗樹耗水特性等方面，有關(guān)不同時(shí)間尺度上成齡棗樹的氣孔導(dǎo)度變化規(guī)律及其影響因素的研究較少。氣孔是植物進(jìn)行蒸騰作用的門戶，是植物與大氣之間進(jìn)行水汽交換的關(guān)口。氣孔導(dǎo)度表示氣孔張開的程度，影響植物的蒸騰、光合和呼吸作用，通常利用氣孔導(dǎo)度來反映植物和外界的氣孔交換速率[6]。植物對環(huán)境的適應(yīng)與環(huán)境對植物的水分供給關(guān)系密切，植物本身對水分的需要與其所處環(huán)境的水分條件常常產(chǎn)生矛盾，難以平衡[7]。環(huán)境中含水率直接影響植物體的代謝，對其光合作用產(chǎn)生影響，隨著水分脅迫程度加重和時(shí)間延長，葉片的光合速率有著明顯的降低。人們普遍認(rèn)為水分脅迫下樹體葉片光合速率降低的主要原因是：由于氣孔關(guān)閉影響了外界環(huán)境向葉綠體供應(yīng)CO2，使得葉肉細(xì)胞光合活性下降。2005年彭世彰等[8]人對控制灌溉條件下水稻的氣孔導(dǎo)度變化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)葉片氣孔導(dǎo)度隨土壤含水率的降低而降低，水稻氣孔導(dǎo)度的降低是植物對土壤水分虧缺并導(dǎo)致供水不足的一種響應(yīng)。2015年李波等[9]人研究了玉米光合指標(biāo)與土壤水分之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在拔節(jié)期，當(dāng)水分達(dá)到田間持水量(FC)的70%時(shí)，土壤水分與氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)狀態(tài)。2019年牛林飛[10]等人發(fā)現(xiàn)在適宜水分和輕度干旱脅迫條件下，菘藍(lán)凈光合速率降低的主要因素是氣孔限制。光合有效輻射、大氣溫度、濕度、大氣CO2濃度以及植物激素等環(huán)境因子都會(huì)對氣孔產(chǎn)生影響。氣孔通過實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)來適應(yīng)周圍環(huán)境的變化，以控制水分和氣體的獲取與損失且反應(yīng)十分敏感。所以，了解植物氣孔的變化機(jī)理不僅對模擬氣孔運(yùn)動(dòng)有關(guān)鍵意義，還可以此作為判別植物水分狀態(tài)的指標(biāo)，提高棗樹智能灌溉的精度。

基于此，本研究中使用CIRAS-3便攜式光合儀、小型自動(dòng)氣象站等設(shè)備對阿克蘇地區(qū)紅旗坡農(nóng)場新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林果實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)的成齡棗樹葉片氣孔導(dǎo)度、土壤水分、氣象因子進(jìn)行監(jiān)測，分析棗樹氣孔導(dǎo)度變化規(guī)律及其在不同水分條件下對氣象因子的響應(yīng)。探究阿克蘇地區(qū)成齡棗樹氣孔導(dǎo)度變化機(jī)理，發(fā)掘氣孔導(dǎo)度與土壤水分之間的密切聯(lián)系，旨在為構(gòu)建南疆棗園智能灌溉決策系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，為智能灌溉的深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地處于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林果實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)(見圖1)。該試驗(yàn)地多年平均太陽總輻射量544.115～590.156 kJ/cm2，多年平均日照時(shí)數(shù)2 855～2 967 h，無霜期達(dá)205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm，年有效積溫為3 950 ℃。試驗(yàn)區(qū)面積為0.106 hm2，地下水位距離地表6 m以下，水質(zhì)符合灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 試驗(yàn)區(qū)概況圖

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料為6年生紅棗樹，品種為灰棗，行株距為4 m×1 m，計(jì)劃濕潤層深度為80 cm。試驗(yàn)田灌水方式采用南北雙向進(jìn)行滴灌帶鋪設(shè)，距樹體30 cm。試驗(yàn)采用新疆坎兒井公司生產(chǎn)的滴灌帶，采用一行兩管式鋪設(shè)(位于距樹體40 cm處)，置于地表。生育期內(nèi)對果樹進(jìn)行常規(guī)施肥(隨水施肥與溝施)，并定期進(jìn)行除草與修枝剪枝等農(nóng)藝措施。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)研究為大田試驗(yàn)，本研究設(shè)3個(gè)灌水處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，分別是C1處理灌溉定額為300 m3/hm2、C2處理灌溉定額為375 m3/hm2、C3處理灌溉定額為450 m3/hm2，灌溉周期均設(shè)為7 d一灌。Trime管分別布設(shè)于株間40 cm處，行間40、80 cm處。監(jiān)測時(shí)間選定在5月15日-5月20日，此時(shí)為該地區(qū)成齡棗樹的展葉期末期，即將進(jìn)入花期，根據(jù)該時(shí)段氣象信息顯示，此時(shí)段未降雨，天氣晴朗，水分補(bǔ)給皆來自灌溉水量，日平均氣溫17 ℃以上。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

1.4.1 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)根據(jù)微型氣象站(Watch dog 2900ET)同步測定。數(shù)據(jù)30 min記錄1次，利用自帶軟件(HOBO)下載數(shù)據(jù)。測定項(xiàng)目包括太陽輻射、大氣溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速及降雨量等。

其中飽和水汽壓差的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：RH為相對濕度，%；Ta為空氣溫度，℃。

1.4.2 土壤含水率

試驗(yàn)采用土壤水分傳感器測定土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。從地表開始每10 cm作為一層，直至地下一米處共10層，對土壤體積含水率進(jìn)行測量。

1.4.3 氣孔導(dǎo)度的測定

本試驗(yàn)采用CIRAS-3便攜式光合儀對樣本樹的氣孔導(dǎo)度進(jìn)行測定。在2019年5月15日于12∶00點(diǎn)開始測定，該日天氣晴朗伴有微風(fēng)。每個(gè)處理中選取3片受光方向一致且健壯成熟的葉片，重復(fù)測定3次后取均值。

1.4.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖處理。

2 結(jié)果分析

2.1 日尺度棗樹氣孔導(dǎo)度變化規(guī)律及其對氣象因子的響應(yīng)

(1)日尺度棗樹氣孔導(dǎo)度變化規(guī)律。選取2019年5月15日為典型日，繪制不同水分處理?xiàng)l件下成齡棗樹日尺度的氣孔導(dǎo)度變化曲線，結(jié)果如圖2所示。

從圖2能夠看出，不同水分處理?xiàng)l件下，成齡棗樹葉片氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)先降低、后升高、再降低的變化。12∶00-14∶00呈下降趨勢，低水處理的氣孔導(dǎo)度較高，中水和高水處理幾乎重合。14∶00-18∶00呈上升趨勢，低水處理和高水處理的氣孔導(dǎo)度均比中水處理的小，3個(gè)處理均在18∶00附近達(dá)到峰值，由于水分供應(yīng)充足，有利于氣孔的開放，中水處理的氣孔導(dǎo)度變化較大。通過查看5月15日的氣象資料發(fā)現(xiàn)，從12∶00到14∶00，空氣溫度從24.243 ℃上升至27.087 ℃，上升了2.84 ℃，相對濕度從27.3%迅速降到24.2%，下降了3.1%。因?yàn)闇囟鹊目焖偕?，空氣濕度減小，葉片胞間CO2濃度增加[11]，受到水分脅迫的作物，其根系吸水無法滿足作物蒸騰的需求，從而通過關(guān)閉氣孔來減少體內(nèi)水分蒸發(fā)，氣孔導(dǎo)度則隨之減小。3個(gè)水分處理的棗樹氣孔導(dǎo)度峰值顯示：中水>低水>高水，且中水處理?xiàng)棙涞臍饪讓?dǎo)度在16∶00點(diǎn)以后仍保持較高值，說明土壤含水率的持續(xù)增加并不能持續(xù)提高棗樹葉片的氣孔導(dǎo)度，適量的土壤水分含量更有利于棗樹葉片氣孔導(dǎo)度的增長。

圖2 不同水分處理?xiàng)l件下成齡棗樹氣孔導(dǎo)度日變化曲線

(2)日尺度棗樹氣孔導(dǎo)度對氣象因子的響應(yīng)。經(jīng)過前期資料收集分析發(fā)現(xiàn)，日尺度條件下植物的氣孔導(dǎo)度對土壤水分含量響應(yīng)并不顯著，故在此僅展示中水處理?xiàng)l件下棗樹氣孔導(dǎo)度對氣象因子的響應(yīng)。采用SPSS 22.0軟件對日尺度棗樹的氣孔導(dǎo)度及氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，得到了氣孔導(dǎo)度與氣象因子的相關(guān)系數(shù)及其顯著性，結(jié)果如表1所示。

表1 5月15日阿克蘇地區(qū)成齡棗樹氣孔導(dǎo)度與氣象因子及土壤含水率的相關(guān)系數(shù)

注：“**”表示相關(guān)性極顯著；“*”表示相關(guān)性顯著。

由表1可知，日尺度條件下氣孔導(dǎo)度對氣象因子響應(yīng)相關(guān)程度與方向?yàn)椋猴L(fēng)向(0.648)>飽和水汽壓差(0.567)呈極顯著正相關(guān)；溫度(0.487)>土壤含水率(0.096)成正相關(guān)，其中溫度呈顯著正相關(guān)；相對濕度(-0.613)>大氣壓力(-0.562)>陣風(fēng)速度(-0.440)呈極顯著負(fù)相關(guān)，風(fēng)速(-0.286)>太陽輻射(-0.271)呈負(fù)相關(guān)。飽和水汽壓差(VPD)表示實(shí)際空氣距離水汽壓飽和狀態(tài)的程度，與空氣相對濕度密切相關(guān)。通過簡單相關(guān)分析可以看出，各氣象因子對氣孔導(dǎo)度存在相關(guān)甚至極顯著相關(guān)水平，風(fēng)向、溫度、飽和水汽壓差是影響阿克蘇地區(qū)成齡棗樹葉片氣孔導(dǎo)度調(diào)節(jié)的主導(dǎo)因素；植株在較小的時(shí)間尺度上，氣孔導(dǎo)度對環(huán)境因子的響應(yīng)主要受大氣條件的影響，這一結(jié)論與趙平、曹慶平等[12,13]研究結(jié)果一致。

2.2 灌水周期內(nèi)不同水分處理?xiàng)棙錃饪讓?dǎo)度變化規(guī)律及其對氣象因子的響應(yīng)

(1)灌水周期內(nèi)不同水分處理?xiàng)棙錃饪讓?dǎo)度變化規(guī)律。土壤水分是影響成齡棗樹生長及產(chǎn)量的關(guān)鍵要素，在不同水分處理?xiàng)l件下，棗樹葉片氣孔導(dǎo)度對氣象因子響應(yīng)程度不同。選取2019年5月15日-5月20日這一灌溉周期，繪制不同水分處理?xiàng)l件下成齡棗樹灌溉周期尺度的氣孔導(dǎo)度變化曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 周期尺度下不同水分處理?xiàng)l件成齡棗樹氣孔導(dǎo)度變化

由圖3(a)可知，不同水分處理?xiàng)l件下，土壤含水率均隨著時(shí)間的推移整體呈下降趨勢。5月15日進(jìn)行灌水，灌溉結(jié)束后測定各處理土壤含水率和氣孔導(dǎo)度，灌水初始各處理葉片氣孔導(dǎo)度的值均較低。灌水第二天，高、中水處理的氣孔導(dǎo)度升高，其中中水處理下的氣孔導(dǎo)度升高幅度最大；但低水處理氣孔導(dǎo)度有緩慢的降低，第二天后開始不規(guī)則的下降。在灌水周期第三天至第五天內(nèi)，葉片氣孔導(dǎo)度的變化與土壤含水率的變化呈正相關(guān)，但變化幅度不同。灌水周期第五天后土壤含水率持續(xù)下降而氣孔導(dǎo)度卻發(fā)生回升，通過查詢5月20日氣象資料發(fā)現(xiàn)，這可能與當(dāng)日相對濕度大幅度提升有關(guān)。

(2)灌水周期內(nèi)不同水分處理?xiàng)棙錃饪讓?dǎo)度對氣象因子的響應(yīng)。將不同水分處理?xiàng)l件下周期尺度內(nèi)氣孔導(dǎo)度變化平均值與氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS22.0進(jìn)行相關(guān)性分析，分別得到了不同水分處理?xiàng)l件下氣孔導(dǎo)度對氣象因子的相關(guān)系數(shù)，如表2～表4所示。

由表2可知，低水處理下，氣孔導(dǎo)度與氣象因子的相關(guān)程度和方向?yàn)椋猴柡退麎翰?0.753)>溫度(0.738)，呈極顯著正相關(guān)；土壤含水率(0.666)>太陽輻射(0.630)>風(fēng)向(0.617)，呈顯著正相關(guān)；大氣壓力(-0.642)>相對濕度(-0.395)>風(fēng)速(-0.065)，呈負(fù)相關(guān)，其中大氣壓力達(dá)到顯著負(fù)相關(guān)水平。由表3可知，中水處理?xiàng)l件下氣孔導(dǎo)度對氣象因子響應(yīng)的相關(guān)程度和方向?yàn)椋禾栞椛?0.565)>飽和水汽壓差(0.497)>溫度(0.472)>土壤含水率(0.408)>陣風(fēng)速度(0.270)>風(fēng)速(0.171)>風(fēng)向(0.070)，呈正相關(guān)；大氣壓力(-0.481)>相對濕度(-0.309)，呈負(fù)相關(guān)。由表4可知，高水處理?xiàng)l件下土壤含水率(0.972)>溫度(0.782)>飽和水汽壓差(0.763)>太陽輻射(0.703)>風(fēng)向(0.555)>陣風(fēng)速度(0.118)，呈正相關(guān)，其中土壤含水率呈極顯著正相關(guān)；大氣壓力(-0.601)>相對濕度(-0.362)>風(fēng)速(-0.148)，呈負(fù)相關(guān)。

表2 5月15日-5月20日低水分條件處理氣孔導(dǎo)度對氣象因子響應(yīng)相關(guān)系數(shù)分析

表3 5月15日-5月20日中水條件處理氣孔導(dǎo)度對氣象因子響應(yīng)相關(guān)系數(shù)分析

表4 5月15日-5月20日高水條件處理氣孔導(dǎo)度對氣象因子響應(yīng)相關(guān)系數(shù)分析

注：“**”表示相關(guān)性極顯著；“*”表示相關(guān)性顯著。

由此可見，低水分處理?xiàng)l件下，影響棗樹葉片氣孔導(dǎo)度的主要?dú)庀笠蜃訛轱柡退麎翰?、溫度、土壤含水率；中水處理?xiàng)l件下影響棗樹葉片氣孔導(dǎo)度的主要?dú)庀笠蜃訛樘栞椛洹柡退麎翰?、大氣壓力；反映出土壤含水量在水分比較充足的條件下，對其蒸騰作用的影響不大，但是在土壤干旱階段，增加土壤含水量可以加快蒸騰速率，這結(jié)果與趙雨森[14]等人研究結(jié)論一致。在土壤水分過多時(shí)，作物氣孔會(huì)很快做出反應(yīng)，高水處理?xiàng)l件下影響棗樹葉片氣孔導(dǎo)度的主要?dú)庀笠蜃訛橥寥篮省囟?、飽和水汽壓差?/p>

當(dāng)處于輕微干旱脅迫條件時(shí)，阿克蘇地區(qū)成齡棗樹葉片氣孔導(dǎo)度對氣象因子響應(yīng)最為敏感的是飽和水汽壓差，其次是溫度；水分適宜條件下阿克蘇地區(qū)成齡棗樹葉片氣孔導(dǎo)度對氣象因子響應(yīng)最為敏感的是太陽輻射，其次是飽和水汽壓差；當(dāng)水分過高時(shí)，阿克蘇地區(qū)成齡棗樹葉片氣孔導(dǎo)度對氣象因子響應(yīng)最為敏感的是土壤含水率、其次是溫度。由于氣孔導(dǎo)度側(cè)面反映植株蒸散量及光合特性，則可以推斷綜合影響棗樹進(jìn)行光合作用及耗水特性的主要因素是土壤含水率、太陽輻射、飽和水汽壓差及溫度，這與魏光輝[4]等研究所得結(jié)論一致。

3 討 論

(1)在同一灌水周期內(nèi)，不同水分處理?xiàng)l件下葉片氣孔導(dǎo)度整體呈下降的趨勢，但是沒有明顯隨土壤含水量的變化而變化。除了測量儀器帶來的數(shù)據(jù)誤差，考慮土壤含水率對植株生理生態(tài)特性的影響存在滯后效果。

(2)本試驗(yàn)研究僅針對阿克蘇地區(qū)成齡棗樹展葉期，未跟蹤收集全生育期的氣孔導(dǎo)度變化是否一致，在后期的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)加以驗(yàn)證分析。

(3)光合儀可以直接準(zhǔn)確地測得植株葉片的氣孔導(dǎo)度，但其只能測得某時(shí)刻的值，無法在日時(shí)間尺度和生長季時(shí)間尺度上擴(kuò)展。后期實(shí)驗(yàn)應(yīng)采取光合儀法和模型法相結(jié)合的方法，用以研究連續(xù)時(shí)間尺度上植物氣孔導(dǎo)度的變化規(guī)律研究。

4 結(jié) 論

(1)日尺度下，阿克蘇地區(qū)成齡棗樹展葉期的氣孔導(dǎo)度隨時(shí)間呈波動(dòng)變化，在下午兩點(diǎn)左右出現(xiàn)光“午休”；氣孔導(dǎo)度的主要影響因素是風(fēng)向、溫度、飽和水汽壓差，土壤含水率不是棗樹氣孔導(dǎo)度變化的主要影響因素。

(2)灌溉周期尺度下，阿克蘇地區(qū)成齡棗樹展葉期的氣孔導(dǎo)度隨時(shí)間推移而不斷減小。當(dāng)水分不在適宜范圍內(nèi)時(shí)，阿克蘇地區(qū)成齡棗樹的土壤含水率與氣孔導(dǎo)度存在極顯著相關(guān)；當(dāng)其處于水分適宜條件下，太陽輻射及飽和水汽壓差與氣孔導(dǎo)度存在極顯著相關(guān)。