影响桃树茎干日最大收缩量变化因素分析

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节水灌溉#2011年第3期

文章编号:1007-4929(2011)03-0018-05

影响桃树茎干日最大收缩量变化因素分析贺军奇1,汪有科2

(1.长安大学水与发展研究院,陕西西安7100;2.国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心,陕西杨凌712100)

摘 要:试验共设计2个处理和1个对照,分别将土壤水势控制在-10~-20kPa和-40~-60kPa,对照为自然条件。选取土壤水势、日最高温度、日平均温度、日温差几个因素,分析各因素与桃树茎干日最大收缩量(MDS)之间的相关关系。分析表明,3月份各因子与MDS变化之间相关性由高到低的顺序为:日温差>日最高温度>日平均温度>土壤水势;4月份为:日温差>日平均温度>日最高温度>土壤水势;5月份为:日最高温度>日平均温度>日温差>土壤水势。结果表明,在一定条件下,土壤水分不是影响桃树茎干日最大收缩量变化的主要因素,MDS不能准确反映土壤的干旱程度以及土壤水分对植物的有效性。因此,以MDS作为灌溉控制指标具有很大的局限性。 关键词:桃树;土壤水势;空气温度;茎秆日最大收缩量 中图分类号:S275.3 文献标识码:A

AnalysisofAffectingFactoronMaximumDailyShrinkageofPeachTree

HEJun-qi,WANGYou-ke

1

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(1.InstituteofWaterandDevelopment,Chang'anUniversity,Xi'an7100,China;

2.NationalEngineeringTechnologyCentreforWaterSavingIrrigationatYangLing,YangLing712100,ShannxiProvince,China)Abstract:Thistestdesignedtwodisposals,whichkeptthesoilwaterpotentialat-10kPato-20kPaand-40kPato-60kPa,andonecomparisondisposal,whichisundernaturalcondition.Withchoosingthefactorsofthesoilwaterpotential,thedailymax-imumtemperature,thedailyaveragetemperatureandthedailytemperaturedifference,theinterdependencebetweeneachfactorandmaximumdailyshrinkage(MDS)isanalyzed.TheanalysisindicatesthatthesubsequenceofthecorrelationbetweeneachfactorandMDSfromhightolowinMarchisthedailytemperaturedifference,thedailymaximumtemperature,thedailyaveragetemperature,thesoilwaterpotential.InApril,itisthedailytemperaturedifference,thedailyaveragetemperature,thedailymaximumtempera-ture,thesoilwaterpotential.InMay,itisthedailymaximumtemperature,thedailyaveragetemperature,thedailytemperaturedifference,thesoilwaterpotential.Theresultindicatesthatundercertainconditions,soilmoistureisnotthemainfactorofaffectingDMSandDMScannotcorrectlyreflectthedegreeofdroughtofsoilandthevalidityofsoilwatertoplants.Therefore,consideringDMSastheguidepostsofirrigationishighlylimited.

Keywords:peachtree;soilwaterpotential;airtemperature;maximumdailyshrinkage

物自身生理指标,如茎干变化(TDV)、茎干水势(SWP)、茎干日最大收缩量等(MDS);另一方面是通过向植物提供水能的土壤水分指标,如土壤含水量(SWC)、土壤水势(SWP)等。

到目前为止,已经研究出很多种提高灌溉水效率的方法,其中包括利用传感器连续监测土壤水分状况(Hansonetal.

0 引 言

精准灌溉是未来节水农业发展的一个主要方向,其中需要回答的一个关键问题是用什么指标来判定植物缺水。通常判定植物是否缺水的主要指标来源有两个方面,一方面是通过植

收稿日期:2010-05-21

基金项目:国家/十一五0/863计划0项目现代节水农业技术创新平台(2006AA100223)/干旱半干旱地区水文生态与水安全学科创新引智基地0

(B08039)。

作者简介:贺军奇(1978-),男,博士,讲师,主要从事灌区水资源高效利用。E-mail:hjqtzjx@163.com。影响桃树茎干日最大收缩量变化因素分析 贺军奇 汪有科2000年)和植物水分状况(GoldhamerandFereres2001年)[1,2]。有研究表明,用茎干直径变化(TDV)可以作为一种反映植物水分状态的工具,特别是茎干水势(Cohenetal.2001年;MorianaandFereres2002年)[3,4]。在桃树(Marsaletal.2002年)和扁桃树(FereresandGoldhamer2003年)中的研究发现这个关系在整个生育季节中是变化的[5,6]。因此,制定灌溉制度是建立在来自有关TDV信息的基础上。确定树木水分状态的阀值是比较复杂的,实际上树木的水分状态不仅依赖于土壤水分而且依赖于蒸发量。灌溉制度中充分灌溉条件下树木的水分状态的一些参数和阀值需要通过测量植物茎干水势来反映(GoldhamerandFereres2001年)。FereresandGold-hamer(2003年)研究表明,充分灌溉条件下扁桃树最大日收缩量(MDS)与饱和汽压差(VPD)有很好的相关性,并且提出可以通过这个关系来估算出MDS的值。有关学者认为,MDS能够很好的反映植物水分状况(Cohenetal.2001年)[3]。而且MDS测定对于研究树木自动灌溉是很好的控制方法(FereresandGoldhamer2003年;Goldhamerandfereres2004年)

[7]

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树挖根试验,了解到桃树根系生长范围在5~80cm,主根区在20~40cm范围内,在这个范围内土壤水分变化是较为敏感的,所以选择将土壤水势仪埋设在30cm深处。本试验中依靠30cm处的土壤水势变化来控制灌溉。每个小区的中间两棵树上安装上茎干变化仪,安装在地面和第一个分支的中点处。整个过程采用全自动数据采集,数据每隔10min测量一次,30min记录一次,数据采集采用DL2e数据采集器。

2 结果与分析

2007年春季降雨总量为90mm,蒸发量在260mm左右。所以仅仅依靠自然降雨根本无法满足作物的正常生长,需要一定的灌溉水量。最低空气温度为零下3.2e,最高温度为36.57e,平均温度为17.53e。春季平均太阳辐射度为153.45W/m2,平均大气压值为96kPa,平均风速为0.61m/s。

2.1 桃树茎干日变化与土壤水势、温度变化之间的关

系分析

本试验选取每个月15日作为各个月份的典型代表日,来分析在不同水势条件下桃树茎干日变化有什么不同。图1分别是3月15日,4月15日和5月15日不同处理桃树茎干日变化与土壤水势日变化曲线。从图1来看,3月份每个处理的桃树茎干日变化基本呈现阶梯式上升变化,没有明显的收缩时段,而且3个小区茎干生长幅度都在0.03mm左右。茎干出现持续生长的原因不是因为根系吸水补充茎干细胞中的自由水造成,如果是因为根系吸水造成的,那么此时的土壤水势应该下降,但是从图1看3月份各个处理土壤水势均呈上升趋势。出现这种现象的主要原因是,因为3月份正是树体细胞从冬季休眠状态逐渐转入苏醒时段。随着温度不断升高,细胞开始膨胀并增强自身活性,但是由于还没有到发芽期,因此树体的水分消耗非常微弱,不足以引起细胞因失水而收缩,所以树干在一天内总体保持扩胀。土壤水势升高的原因也与温度变化有关,3月份是土壤解冻时期,解冻过程相当于外界温度向土壤水做正功,所以在一天内土壤水势会略有回升。由分析可知,3月份桃树茎干变化与土壤水势没有必然的因果关系。在这个时段内桃树茎干日最大收缩量不能准确反映土壤的干旱程度,因而不宜作为灌溉控制指标。

从图1来看,4月份茎干有明显的日变化规律,日变化呈现出/W0变化规律,从0B00时茎干开始收缩,大约在5B00时左右达到第一次收缩低谷,引起收缩的主要原因不是树体内的水分消耗引起,而是与空气温度有关,空气温度在5B00时左右达到最低。温度降低使得细胞液收缩,从而进一步导致茎干收缩。之后,随着温度的回升茎干开始扩胀,在7B00时左右达到第一次峰值。随着温度的不断升高,叶片蒸腾开始逐渐占据主要地位,成为树体水分消耗的主要途径,当树体内水分支出大于根系吸水时,茎干开始收缩。在18B00时左右茎干收缩到达第二次低谷,随着空气温度的降低,蒸腾耗水逐渐减弱,为了补充树体细胞中的水分亏缺,之后根系吸水大于树体耗水,树干再次膨胀。此时各处理土壤水势平均值分别为-32.97kPa,-15.58kPa和-23.46kPa,茎干日最大收缩量分别为0.088mm,0.079mm和0.072mm。3个处理茎干日变

。对

于充分灌溉(供水大于蒸发量的10%)条件下树木的MDS值可以作为灌溉制定中的基线值来指导灌溉(GoldhamerandFe-reres2001年)。MDS信号(实际MDS/参考MDS)反映的是由于蒸发量变化而不断变化,基本反映土壤水分的有效性。因此,MDS信号阀值表明树木受水分胁迫的程度,并且MDS值在随着灌溉水分的不断胁迫而加大。

基因是决定植物生命发展方向的主要因素,MDS作为一个个体变化规律是否可以代表整体的变化规律值得进一步讨论。MDS是否可以直接反映土壤的干旱程度?在植物生命过程中是否每个生育阶段MDS都可以反映植物自身的水分状况?本文主要研究春季桃树茎干日最大收缩量(MDS)与多个生态因子之间的相关关系,进一步评价以MDS作为灌溉控制指标的适用性。

1 材料与方法

试验地位于陕西省杨凌国家农业高新技术产业开发区国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心节水博览园。该区位于北纬34b14c10d,东经108b2c56d。该地区属于暖温带半湿润季风气候区,年平均降水量637.6mm,年平均蒸发量在840mm左右,年内降雨分配不均,60%集中在7-10月,年际变化大,丰枯比为3.0,变异系数为0.25。年平均温度为12.9e,极端最高气温42e,最低气温-19.4e,全年无霜期221d。

本实验研究对象是成年桃树,树龄4年。试验共设置3个小区,小区规格为8m@3m,第一个处理是将土壤水势控制在-10~-20kPa之间,第二个处理是-40~-60kPa,另一个是自然状况下。每个小区一共有4棵桃树,小区与小区之间采用防水材料隔开,隔深为1m,目的在于防止小区之间的水分横向传输。灌溉方式采用全自动控制微喷灌,每个小区安装4个喷头,能够满足试验灌溉均匀度的要求。

土壤水分采用德国生产的EQ15土壤水势仪监测。每个小区安装2个土壤水势仪,第一个安装在距树干60cm,地面以下30cm处,第二个安装在地面以下60cm处。根据前期的桃

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影响桃树茎干日最大收缩量变化因素分析 贺军奇 汪有科

图1 不同月份各处理间茎干日变化与土壤水势日变化曲线

化与土壤水势日变化之间的相关性分别为0.406,0.481和0.3。两者之间均属于低度相关,也就是在3个水势条件下茎干变化几乎不受土壤水势的影响,所以此时茎干日最大收缩量很难反映土壤的干旱程度。

5月份桃树茎干日变化与4月份相比,存在一定的差异,5月份几乎没有/小勺0出现,只有/大勺0。从0B00时左右茎干逐渐膨胀,直到7B00时左右达到最高点,以后逐渐收缩,在7B00时到11B30时之间收缩较为缓慢,主要由于此时段内桃树蒸腾耗水量较小。从图1中可以看出5月份茎干收缩起始时间较4月份推迟大约4h,茎干收缩速率比4月份明显加快,大约在18B00时左右收缩到最小值。5月15日3个处理土壤水势的平均值为-50.98,-16.59和-49.66kPa,茎干日最大收缩量分别为0.22,0.2和0.17mm,茎干日最大收缩量较4月份分别提高150%,153.2%和136.1%。有研究表明,土壤水势高MDS值小,反之,土壤水势低,MDS变大(GoldhamerandFereres2001b)。本试验结果表明,T2和T3变化规律与上述结论相反。表明当土壤水势在-16.59~-50.98kPa之间时,MDS的变化受土壤水势变化影响较小。

图2分析了不同处理3、4、5月份气温变化与茎干变化之间的关系。通过相关性分析得出,3个月气温变化与茎干变化的平均相关系数分别为0.5,0.938和0.835,除3月份二者之间属于中度相外关,其他2个月茎干日变化与日气温变化之间都属于高度相关。分析表明,气温变化是造成茎干变化的主要原因。

2.2 土壤水势对桃树茎干日最大收缩量变化的影响

图3(a)是3月份不同处理茎干日最大收缩量与日最高温度、日平均温度和日温差变化曲线。从图3(a)看茎干日最大收缩量在3月6日和7日两天发生突变,从气象资料记录来看,这两天的最低气温也发生突变,降低到-2.3e和-3.2e,前后时间内的最低温度都在2e左右,最低气温降幅在4.3~5.2e,降幅较大。因此,气温土壤降低是造成MDS突变的主要原因。3月份其余时间内MDS在0.042mm左右波动,振幅在0.037~0.052mm之间,波动幅度较小。通过分析各因子与MDS之间的关系,得出对应相关系数如表1。再来分析土壤水势对MDS的影响。图3(b)是3月份桃树不同处理MDS和土壤水势变化过程。3月份不同处理平均土壤水势分别为-23kPa,-12.9kPa和-21.4kPa,通过方差分析可得各处理之间MDS变化无显著差异。也就是说,3月份土壤水势在-12.9~-23kPa之间对MDS变化几乎没有影响。综合评价得出,3月份各因子与桃树MDS变化相关性由高到低的顺序为:日温差>日平均温度>日最高温度>土壤水势。

影响桃树茎干日最大收缩量变化因素分析 贺军奇 汪有科

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图2 茎干变化与空气温度之间的关系

图3 茎干日最大收缩量与日最高温度、日平均温度和日温差变化曲线

表1 各个月份生态因子与MDS变化之间的关系

日最高温度

相关系数

3月

T1T2T3

0.056-0.112-0.120

4月0.40.2810.694

5月0.7020.6650.711

3月-0.047-0.223-0.228

4月0.1530.0490.355

5月0.5620.5530.627

3月0.2980.1930.179

4月0.5140.4480.803

5月0.5630.5080.538

日平均温度

日温差

图3(c)是4月份不同处理茎干日最大收缩量与日最高温

度、日平均温度和日温差变化曲线。4月份MDS在0.095mm左右波动,振幅在0.053~0.116mm之间。平均MDS值较3月份提高0.053mm,振幅提高43.2%~123.1%。分析各温度因子与MDS之间的变化关系,结果如表1。再来分析土壤水势对MDS的影响,图3(d)是4月份桃树不同处理MDS和土壤水势变化过程。4月份不同处理平均土壤水势分别为-33.4,-13.7,-24.8kPa,通过方差分析可得各处理之间

MDS变化无显著差异。同样可以得出,4月份土壤水势在-13.7~-33.4kPa之间时对MDS变化几乎无影响。根据相关性分析可得,4月份日温差与MDS变化之间的平均相关系数可以达到0.588,属于中度相关。综合评价各因子与MDS变化之间的相关性由高到低的顺序为:日温差>日最高温度>日平均温度>土壤水势。分析表明,4月份MDS变化主要与日

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温差变化有关。

图3(e)是5月份不同处理茎干日最大收缩量与日最高温度、日平均温度和日温差变化曲线。5月份MDS在0.237mm左右波动,比3月份平均值升高0.195mm,增长率为4.3%,与4月份平均MDS值相比升高0.184mm,增长率为347.2%。5月份MDS振幅在0.194~0.322mm之间,振幅相对3月份提高424.3%~519.2%,与4月份相比提高177.6%~266%。由分析看,5月份MDS平均值较3月和4月份都有较大提高,而且振幅相对变化也较大。分析表明,如果要用MDS作为灌溉控制指标,必须确定出各个月份适宜的MDS阈值,这是非常复杂的,而且随机性非常大。通过相关性分析,得出各因素变化与MDS变化之间相关性如表1。再来分析土壤水势对MDS的影响,图3(f)是5月份桃树不同处理MDS和土壤水势变化过程。5月份不同处理平均土壤水势分别为-58.2,-10.7kPa和-47.4kPa,通过方差分析可得各处理之间MDS变化无显著差异。表明5月份土壤水势在-10.7~-58.2kPa范围内几乎不会影响MDS的变化。综合评价5月份各因子与MDS变化之间的相关关系由高到低的顺序为:日最高温度>日平均温度>日温差>土壤水势。MDS与日最高温度之间的平均相关系数达到0.693,结果表明,5月份日最高温度是影响MDS变化的主要因素。

从上述分析来看,桃树在整个生命过程中MDS的变化各个月份之间差异很大,而且随着环境因子的变化不同时段内影响MDS变化的因素不同。这就使MDS变化具有很大的随机性,从而给MDS阈值的确定带来不便。更重要的是MDS的变化对土壤水势变化的敏感性较差,这样就很难反映土壤的干旱程度。因为,在生产实践中通常灌溉的直接对象是土壤而不是植物,所以必须确定一种能够直接而又准确地反映土壤干旱程度的指标来控制灌溉。

影响桃树茎干日最大收缩量变化因素分析 贺军奇 汪有科明,3月份各因子与MDS变化之间相关性由高到低的顺序为:日温差>日最高温度>日平均温度>土壤水势;4月份为:日温差>日平均温度>日最高温度>土壤水势;5月份为:日最高温度>日平均温度>日温差>土壤水势。说明影响MDS变化的主要因素随生态环境的变化而变化。从分析结果来看,MDS变化对土壤水分变化的反映较为迟钝,从而很难借助MDS来判断土壤的干旱程度,从而无法指导灌溉。MDS作为灌溉指标还存在一个缺陷,就是代表性差。通常灌溉对象是一个果园,而不是一棵树。由于MDS是一个植物水分指标,因为受基因影响植物个体之间的差异很大,那么用一个甚至多个树的MDS值也很难准确反映整个果园的水分状况。综合分析表明,在大面积自动控制灌溉中MDS不宜作为灌溉控制指标。

要达到精准灌溉的目的,就必须寻求一种能够直接反映土壤干旱程度的指标来控制灌溉。土壤水势就是用来描述土壤干旱程度以及土壤水分对植物的有效性。下一步将深入研究土壤水势与植物生长之间的关系,最终确定出不同生育阶段适宜植物生长的土壤水势阈值,为生产实践中精准灌溉提供技术参数与理论依据。参考文献:

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3 结 语

本研究表明,在一定水势范围内土壤水势日变化与茎干日变化之间没有必然的因果关系。春季茎干日变化与日空气温度变化有很大关系,除3月份二者为中度相关外,4月份和5月份均属于高度相关。说明在一定条件下温度变化是影响茎干变化的主要原因。同时分析了各个月份MDS变化与日最高温度、日平均温度、日温差和土壤水势变化之间的关系。分析表(上接第17页) 灌水次数最多,在降雨分布不均或降雨量小的地区推广实行的难度较大。

(6)在降雨量较少的地区或干旱年份进行水稻的节水灌溉时,应综合考虑水分消耗和推广应用成本的问题,结合当地的实际环境和水稻生理特点,选择最适宜的灌溉模式。参考文献:

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