黄土山地苹果树树体不同方位液流速率分析

孟秦倩，王 健，张青峰，吴发启

(西北农林科技大学，杨凌 712100)

蒸腾是植物耗水的主要方式，在土壤-植物-大气连续体(SPAC)水热传输过程中占有极为重要的地位。茎流法以植物生理学基础，通过测定树干内示踪物运动速度，计算树液流速，推算树干液流量，并由此推断植株蒸腾量［1-3］。热扩散探针法(TDP)法是当前测算林木蒸腾速率稳定的技术［4-6］，借助插入边材中的探针，通过测定两探针间温度差，计算出液流速率，进而确定树干液流量［7-8］。大量学者应用热扩散探针法测定了各种树木蒸腾耗水规律，孙慧珍等［9］测定了梨树，李广德等［10］实验测定了三倍体毛白杨，孙守家等［11］测定了银杏，Palomo等［12］测定了橄榄树，Lu等［13］测定了 13年生的成熟芒果树，马玲等［14］测定了马占相思树，王华田［15］测定了侧柏，孙鹏森等［16］测定了油松。受试验树木生境异质性的影响，树木不同方位冠幅的大小及疏密程度不同，树木茎干不同方位的液流速率普遍存在差异，但是Cohen和Naor［17］研究了Kibbutz Ortal地区苹果树液流特征，却发现不同方位的液流没有明显差异。因此本实验采用热扩散探针法，针对黄土高原山地苹果树进行液流速率测定，旨在揭示黄土高原山地苹果树树干不同方位液流变化特征，为准确计算山地苹果园蒸腾耗水提供理论依据。

1 研究区概况

试验地位于延安市宝塔区飞马河小流域，宝塔区地理坐标为 E109°00′—109°45′，N36°55′—36°20′。试验地多年平均降水量531 mm，降水年际分布不均，实测多年年最大降水量871.2 mm(1964年)，最小330 mm(1974年)，降水年内分布极其不均，年内主要降水集中在6—9月，占全年降水总量的70.2%。降水较少及降水不均，导致气候干旱，加剧了区域水土流失发生。试验区属春旱为主的中等亏水区，同时伴有伏旱和秋旱，水分条件直接影响农业生产。试验地多年平均日照时数2418 h，太阳总辐射在582.12 KJ/cm2，平均气温9.4℃，最高气温39.7℃，最低气温-25.4℃，≥0℃活动积温3100—3878.1℃，≥10℃活动积温2500—3400℃，无霜期140—165 d，平均湿度62%，9月份最大为76%，4月份最小为52%。

试验地土壤为黄绵土，果园土壤肥力中等，有机质含量1.5%，全氮0.93 g/kg，碱解氮36.0 mg/kg，速效磷5.7 mg/kg，速效钾145 mg/kg，土壤pH值为8.43，呈弱碱性。试验地土层深厚，深度均大于50 m，地下水埋深较深，土壤无接受地下水补给的条件，降水入渗补给和灌溉水为苹果树生长的所有水源。

试验区苹果园主要分布在梁峁坡上。苹果园地表坡度5°—10°，立地条件为梯田，试验期降水未产生地表径流，降水有效补给土壤水分。

2 材料和方法

2.1 试验材料

试验苹果树品种为13龄乔化富士(长富2号，砧木为西府海棠)，株行距为3 m×4 m，栽植密度825株/hm2。搭配品种有秦冠、嘎啦。试验果园苹果树生长健壮，树体长势中庸整齐，树形为细长纺锤形，修剪量适中，平均产量1.8 t/hm2。试验时选择果园中长势整齐、树干基径相近、树体相近的苹果树作为试验株布设试验。试验树平均高3.5 m，平均冠幅3.3 m，平均干径12.2 cm。

2.2 树干液流测定与试验设计

根据试验要求，被选样木2株，树干通直圆满，不偏冠，测定部位上、下30 cm处无节疤或损伤。实测样木生长参数为:树高3.55 m和3.48 m、冠幅3.33 m和3.27 m、40 cm处干径12.4 cm和12.3 cm。液流测定方法见王华田和马履一［18］，数据采集间隔期为10 min。采用生长锥钻取木芯，测定边材面积，计算果树蒸腾耗水。为探求探针布设方位对测定结果的影响，在试验果树树体距地面40 cm处，分别于东、南、西和北四个方向安装TDP探针，测定苹果树液流速率。

2.3 苹果树耗水规律测定

试验地表采用薄膜覆盖，控制裸地蒸发，覆盖面积为12 m×12 m;在试验果树2/3树冠处布设7个水分监测点，定期(每隔5 d)采用中子仪和烘干法相结合，测定土壤含水量，测定深度0—600 cm，其中0—20 cm采用烘干法，20—600 cm每20 cm为一层，采用中子仪测定土壤含水量，试验布设见图1。试验中防护区较大，黄土垂直节理较为发育，侧向渗透可忽略不计。利用水量平衡计算各时段蒸腾量，由于控制时段土壤蒸发，故可得时段果树耗水量，即为时段蒸腾量。

图1 田间试验布设示意图Fig.1 Distribution of measure tree

2.4 气象因子监测

气象因子采用固定气象站(Delta-T，Cambridge，England)实时监测，自动气象站安装在距试验果园附近的空旷地。观测的气象因子包括空气温度(Ta，℃)、空气相对湿度(RH，%)、风向(WV，°)、风速(WS，m/s)、降雨量(RG，mm)、土壤温度(Ts，℃)等。

3 结果分析

3.1 苹果树树干液流变化规律

苹果树蒸腾耗水受气象因子制约，在不同天气条件下呈现不同变化规律。分别选取苹果树在休眠期、初始生长期、快速发育期、生育中期和成熟期的晴天测定果树蒸腾速率。以2008年为例，图2为苹果不同生育期典型日果树液流速率变化规律，典型日的气象条件见表1。

表1 典型日气象特征Table 1 Meteorological characteristics of typical day

从图2可以看出，各时期的苹果树蒸腾速率均有明显的昼夜变化，6:00—8:00左右开始，蒸腾速率逐渐增高，最高值出现在12:00左右，16:00以后，蒸腾速率开始下降，20:00以后至凌晨变化幅度较小。夜间树干液流量较低，在根压作用下，根系缓慢吸收水分，恢复植物体内的水分平衡。

按苹果树蒸腾速率变化可把果树日耗水大致分为:黎明前的初始耗水阶段、日出时的耗水迅速增加阶段、白天的高耗水阶段、傍晚的耗水递减阶段和夜晚的低耗水阶段。

苹果树不同生育阶段日耗水变化规律基本相似，但不同生育阶段差异较大。果树休眠期和果树成熟期，蒸腾速率较低，最大仅为1.2 l/h左右，初始生长期、快速发育期和生育中期果树蒸腾速率较大，最大值分别为2.1、4.1、4.9 l/h。

表2为苹果树生长典型日果树蒸腾速率变化统计表。不同生育期，白天蒸腾速率较大，蒸腾量占全天蒸腾量均在86.29%以上。蒸腾量随苹果树生长季节的变化而变化。液流速率日变化规律与李焕波等［8］在凤翔红富士苹果园测定规律相类似。

表2 典型日苹果树蒸腾速率变化统计表Table 2 Transpiration rate of apple trees changes in typical day

3.2 不同测定方位树干液流速率变化

热扩散探针法测定树干日间液流变化过程类似，不同方位探针测定结果差异明显，以2008年6月9日不同方位探针测定结果为例进行分析。图3为6月9日测定的不同方位液流速率日变化过程。可以看到，4个方位探针测定树干液流整体变化趋势较为一致，东向、南向和西向探针测定结果均呈现双峰变化趋势，而北向探针双峰趋势不明显。东南西北4个方向上测定的树干液流流速差距较大。4个方向探针中，南向探针测定值最大，北向最小，东向和西向较为接近，介于南向和北向探针测定结果之间。

图2 典型日苹果树蒸腾速率变化规律Fig.2 Transpiration rate of apple tree changes in typical day

图3 苹果树液流变化的空间变异Fig.3 Sap flow velocity diurnal variation of different direction

表3为6月9日树干不同方位液流量对比表。可以看出，四个方位测定树干液流量最小值较为接近，为0.03 l/h，而平均值与最大值差异较大，南面测针，测定结果最大，平均值达1.19 l/h，北面最小，平均值仅为0.51 l/h，东西两侧较为接近，测定平均液流量分别为0.90 l/h和0.88 l/h。

表3 不同方位树干液流量统计表Table 3 Character of sap flow velocity at different direction

3.3 不同测定方位树干液流代表性分析

3.3.1 与参考作物蒸腾量的关系

果树蒸散发受控于气象、土壤质地、土壤含水量和果树生长状况等因素，在土壤质地、含水量和生长情况相同条件下，果树蒸散发受控于气象条件，即区域蒸发能力大小，参考作物蒸发蒸腾量反映着一个区域蒸散发能力。参考作物蒸发蒸腾量计算方法很多，联合国粮食及农业组织(简称FAO)推荐采用FAO Penman-Monteith公式计算参考作物蒸发蒸腾量［19］。应用Penman-Monteith公式，根据气象资料，计算出试验期参考作物蒸发蒸腾量。图4为试验期(6月8日至7月7日)参考作物蒸发蒸腾量与不同方位测定树干液流量间的关系。

图4 液流量与参考作物蒸发蒸腾量关系Fig.4 Relationship between sap flow and reference crop evapotranspiration

为了进一步验证不同方位边材液流速率与参考作物蒸散量之间的相关性，在0.01的水平上对数据进行了统计回归分析，见表4。

表4 不同方位边材液流速率与参考作物蒸散量方差分析表Table 4 Variance analysis between reference crop evapotranspiration and sap flow velocity of different orientation

不同方位边材液流速率作为自变量，以参考作物蒸散量为因变量，经过逐步回归，在不同方位均达到显著相关(表4)。不同测定方位树干液流量与参考作物蒸腾量之间呈现线性关系(图4)，随参考作物蒸发蒸腾量增大，液流量也随之增大。东、南、西、北四方位测定树干液流量与参考作物蒸发蒸腾量间线性关系斜率分别为3.34、3.64、5.40和3.03。东面和西面探针测定液流量与参考作物蒸发蒸腾量间相关性较好，R2分别为0.74和0.83，方差分析均方比F分别达到78.21和137.85;而南面和北面探针测定结果偏差较大，点距较为散乱，两者R2均仅为0.39，方差分析均方比F分别达到18.12和17.94。

3.3.2 不同测定方位树干液流量分析

TDP探针不同安装方位，测定结果差异较大，为了能够合理的、准确的测量苹果蒸腾规律，试验通过实测土壤含水量，借助于水量平衡法，确定苹果树蒸腾耗水规律，作为对照蒸腾量，进行对比分析。

采用水量平衡法计算的时段蒸腾量作为对照蒸腾量，利用不同方位测定树干液流量求得果树蒸腾量，二者间对比关系见表5。2008年6月8日至7月7日1个月时间内，根据水量平衡，在充分灌水条件下，通过水量平衡计算得到果树在该时段蒸腾水量为102.17 mm。通过TDP测定树干液流，换算得到果树蒸腾量，东面、南面、西面和北面测定蒸腾量分别为97.97 mm、115.12 mm、98.00 mm和63.97 mm。北面探针测定蒸腾量较其余三方向要小，与对照蒸腾量相比，也明显偏小，各时段值均低于对照值，各时段相对偏差均大于21.99%，可见北面安装TDP探针测定果树蒸腾量所得结果偏低;树干南侧测定结果与对照蒸发蒸腾量相比整体偏大，除6月28日至7月2日测定值较参照值小外，其余时段均较参照值大，相对误差总体达12.67%，各时段偏差最大达36.49%，相关分析表明，其均方比分别达到4.49和5.14，显著性水平不显著;树干东面和西面测定结果与参照值较为接近，总体偏差分别为-4.11%和-4.08%，时段相对误差最大分别为-12.46%和-13.70%，均在容许范围之内，相关分析表明，其均方比分别达到14.11和14.57，显著性水平分别达到0.020和0.019，明显高于南北方向探针测定结果。王华田等［15］对侧柏的测定表明南面测定液流速率误差较大，与试验结果较为接近。由此可以看出，安装TDP探针时，应选择树体西面或东面，测定结果误差较小。

表5 不同方位测定果树蒸腾量对比分析Table 5 Determination of transpiration in different direction

4 结论

(1)各个生长阶段，苹果树蒸腾耗水变化规律较为相似，不同生育阶段差异较大。果树休眠期和成熟期蒸腾速率较低，白天蒸腾量占全天总蒸腾量的比例分别为89.90%和90.90%;初始生长期、快速发育期和生育中期果树蒸腾速率较大，白天蒸腾量占全天总蒸腾量的比例分别为91.48%、96.12%和86.29%。

(2)探针安装方位直接影响测定结果。南面和北面安装探针的测定结果偏差较大，典型日平均值分别为1.19 l/h和0.51 l/h，东面和西面安装探针的测定结果较为相近，典型日平均值分别为0.90 l/h和0.88 l/h。

(3)不同方位探针实测树干日液流量与参考作物蒸散量间均达到显著相关，东、西方向的测定树干日液流量与参考作物蒸散量间相关性较好，决定系数R2分别为0.74和0.83，方差分析均方比F分别为78.21和137.85，明显优于南北方向探针测定结果。

(4)时段累计液流量与实测果树蒸散量间对比分析表明，东面和西面两探针测定结果与对照蒸腾量间相关性较好，相对误差仅为-4.11%和-4.08%，且东、西方向均方比分别为14.11和14.57，明显大于南、北方向均方比;东、西方向果树蒸腾量数据相关性较为显著(Sig.＜0.05)，而南北方向相关性较差(Sig.＞0.05)。由此可见在测定果树液流量时，选择东面或西面安装液流计探针，可有效减小试验误差。

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