阳山洞冠梨水分利用特征及其对气象因子的响应

欧阳余旋,史怀豫,谭宇萍

(茂名市国有厚元林场, 广东 茂名 525000)

洞冠梨(Pyruscommunis)是广东阳山县特有珍果,富含微量元素,且种植面积较大。阳山县林业用地面积2 623.88 km2,占县土地总面积的79.85%,农林牧渔业是阳山县第一产业,2019年林业产值5.28亿元。近年来,阳山县积极推动洞冠梨产业发展,逐步形成了以洞冠梨为主导的水果产业体系,增加了当地农民的收入。

林木蒸腾是将土壤、植物、大气中水分形成“水循环”的关键,准确掌握林木蒸腾特征及其对环境因子的响应规律,对高效利用水资源具有重要意义[1,2]。因对阳山洞冠梨需水和耗水规律缺乏了解或不合理灌溉,在一定程度上限制了阳山洞冠梨生态功能、经济效益的发展。目前,国内对经济林树种林木蒸腾耗水研究较少,对南方果树的研究更少[4,5]。本研究可在一定程度上填补空缺。现研究表明,经济林树种液流日变化多呈“昼高夜低”趋势,启动时间多为日出前后,其液流变化曲线特征多呈“几”字形,有单峰型、双峰型、多峰型等峰型。受太阳辐射影响,晴天液流密度峰值和均值多大于雨天、阴天[6]。晴天正午时,太阳辐射较强,林木蒸腾消耗的水分大于根系吸收的水分,气孔关闭,导致林木液流变化趋势呈现双峰甚至多峰型[7]。党红忠等[8]研究发现,苹果(Maluspumila)液流具有明显日变化特征,2017年不同月份液流总体排名由大到小依次是6、7、5、8、9、10、11月。树干液流易受气象因子(太阳辐射、空气温湿度、风速等)影响,但各气候因子之间并不是独立产生作用,且气象因子与液流之间存在时滞性[8]。

为探明广东省阳山洞冠梨水分利用特征,利用热扩散探针式茎流仪连续测定其液流变化,同时结合气候因子,探究其液流变化与气候因子的相关性和响应规律,可为解决水资源时空分布不均和灌溉管理之间的矛盾提供参考,对提高其水分利用效率,对改善当地生态环境质量、提高经济收益具有重要意义。

1 研究区概况

研究地位于阳山县黎埠镇依锋洞冠犁种植场,地理位置112°25′ E、24°33′ N。阳山县地形复杂,总体地形为南、北高峻,中间低缓,四周较高的船形地貌,山地约占全县总面积的90%。属亚热带季风气候,雨热同季,四季分明,年均气温为21 ℃左右,阳山县各地平均年降水量1 500～2 200 mm,最高温41.0 ℃,最低-8.0 ℃,日照时数平均为1 568.3 h,上半年日照偏少而下半年日照充足。植被类型以亚热带落叶阔叶林为主,县内生态公益林面积达1 626.69 km2,商品林997.18 km2,占全县林业用地的38%,常见种植经济林树种有阳山洞冠梨、水蜜桃(Prunuspersica)、三华李(Prunussalicina)、柑橘(Citrusreticulata)等。

2 材料与方法

2.1 样树选择

本研究在栽植密度为3 m×3 m的洞冠梨林地上进行每木检尺,在3个样地(表1)上分别选择3株标准样树(生长状况良好、胸径差别不大且无病虫害),应用热扩散式液流测定仪进行连续测定,试验时间为2022年3月1日—2022年10月31日。

表1 测量液流样地基本情况

2.2 液流密度测定

利用热扩散探针式茎流仪(Campbell Scientific,美国)测定树干边材液流密度,将20 mm探针刺入茎内的木质边材,并接通恒定的电流以测定边材的导热率[9]。通过测量2个探针间的温度差,用Granier经验公式计算树干液流密度,公式如下:

(1)

式中:Js为液流密度(cm3·cm-2·s-1);Tmax为24 h内上下探针的最大温差值(℃);T为某时刻瞬时温差值(℃),即当时测定的温差值。

2.3 气候因子测定

样地内设置全自动气象站(Davis Instruments,美国),监测大气温度(Ta)、大气相对湿度(RH)、太阳辐射(Rs)、风速(W)、日降雨总量(P)等指标。水汽压亏缺(VPD)由大气相对湿度和大气温度计算可得,公式如下:

VPD=a·eb×Ta/(Ta+c)·(l-RH)

(2)

式中:a=0.611、b=17.502 、c= 240.97,VPD为水汽压亏缺(kPa),Ta为气温(℃);RH为空气相对湿度(%)。

2.4 数据处理

将所有测得数据通过Excel 2019进行整理,通过SPSS 23.0进行数据分析,使用Sigmaplot 12.0绘图。

3 结果与分析

3.1 洞冠梨液流变化特征

3.1.1 不同季节日变化 选取生长季内,每个月不连续8 d晴天下洞冠梨液流数据平均(图1)。洞冠梨液流昼夜变化差异较大,白天液流密度(2.28～19.91 cm3·cm-2·min-1)较大,夜间液流密度(0～5.36 cm3·cm-2·min-1)较小。液流增强时间段为春季5:00—8:00、夏季5:00—7:00、秋季5:30—9:00;液流减弱时间段则为春季18:00—21:00、夏季19:00—22:00、秋季17:00—20:00。洞冠梨液流密度变化在春、夏、秋三个季节内皆呈双峰型,且伴有晨间冲高回落的趋势,春季,在08:00、12:00左右达到峰值,分别为16.38、17.78 cm3·cm-2·min-1;夏季,在07:00、12:00出现峰值,分别为14.74、19.91 cm3·cm-2·min-1。秋季,峰值在9:00、13:00左右出现,分别为10.85、13.54 cm3·cm-2·min-1。生长季内夜间洞冠梨液流密度均为前半夜(1.86 cm3·cm-2·min-1)强于后半夜(1.25 cm3·cm-2·min-1)。

图1 各季节晴天洞冠梨液流日变化

3.1.2 不同月份液流日变化 将洞冠梨生长季内每日液流数据平均,结合同步监测气候因子数据,其结果见图2。随着生长季内洞冠梨的物候变化,其液流密度整体呈先增加后减少趋势,且液流变化明显受树木生长状况影响。洞冠梨日均两大液流峰值分别出现在4月和6月,为10.03、9.49 cm3·cm-2·min-1。洞冠梨各月液流密度整体由大到小依次为:4月(8.36 cm3·cm-2·min-1)、6月(7.38 cm3·cm-2·min-1)、7月(6.53 cm3·cm-2·min-1)、8月(6.04 cm3·cm-2·min-1)、5月(5.96 cm3·cm-2·min-1)、9月(5.13 cm3·cm-2·min-1)、3月(4.91 cm3·cm-2·min-1)、10月(4.25 cm3·cm-2·min-1)。整个生长季内液流波动幅度为2.16 ～ 10.03 cm3·cm-2·min-1,最大量是最小量的约5倍,不同月份内日均液流密度波动幅度前3分别为3月(0 ～ 430.56%)、5月(0 ～ 243.98%)和6月(0 ～ 236.66%)。每年梨树根系生长可有2个生长高峰期,其中第2次高峰多出现在9—10月。基于此生理特性,9、10月洞冠梨液流密度出现了2次连续递增现象,2次递增现象之间的液流降低现象是受强降雨的影响。

图2 洞冠梨液流及气候因子月变化

3.2 气象因子对洞冠梨液流的影响

3.2.1 气象因子变化与洞冠梨液流相关性 由图2可知,生长季内试验区内气温Ta(10.31～27.47 ℃)、大气相对湿度RH(66.79～99.28%)、水气压亏缺VPD(49～335 kPa)波动较小,太阳辐射Rs波动区间(49～335 W·m-2)稳定;太阳辐射W、风速Rs在3—10月间整体波动较小,但8月时日降雨总量P曾出现最大值(56.7 mm),各气象因子皆在10月出现了较大波动,原因是出现了台风。当某一气象因子出现剧烈变化时,其余气象因子和洞冠梨液流也出现了相对应的变化。

将生长季内洞冠梨树干液流数据与气象数据进行相关性分析,结果见表2。洞冠梨液流与VPD、Rs、Ta呈极显著正相关(r=0.677、0.525、0.295,P<0.01),与RH、P呈极显著负相关(r=-0.635、-0.302,P<0.01),与W呈显著正相关(r=0.179,P<0.05)。各气象因子间也具有较强的自相关性,如RH与VPD间存在极显著负相关(r=0.912),Rs与Ta间存在极显著正相关(r=0.734)。结合图2可知,在整个生长季内,洞冠梨液流均受到VPD、Rs、Ta、RH、P等气象因子不同程度的影响。

表2 气象因子与洞冠梨液流密度相关性分析

2021年阳山4、5、6、8、10月降雨较大,导致种植林区内排水不畅,造成田间持水量饱和,故此洞冠梨液流密度整体在4月达到顶峰后一直处于缓慢降低趋势。还有部分原因是洞冠梨在3月发芽,4月属于生长高峰期,此时期洞冠梨需要大量水分,故树干液流密度增加。雨季降雨增加,P值过大,由于各气象因子间的自相关性,严重影响了VPD、Rs、RH、Ta,从而打破洞冠梨液流变化的原有趋势。这说明影响洞冠梨树干液流变化的不是单一气象因子作用,而是多因子共同作用。

3.2.2 洞冠梨液流变化对气候因子的时滞性 为探索洞冠梨树干液流对气候因子响应的时滞效应,通过错位分析法,将液流数据以0.5 h为间隔,与提前或延后2小时气候因子数据进行相关性分析,结果见图3。洞冠梨液流密度与0.5 h前Ta的响应程度最高,r=0.368(P<0.01);与0.5 h前RH的响应程度最高,r=-0.724(P<0.01);与1 h前VPD的相关性最强,r=0.783(P<0.01);与1.5 h后P的响应程度最高,r=-0.423(P<0.01);对0.5 h后W响应程度最高,r=0.206(P<0.01);对1 h后Rs的响应程度最高,r=0.612(P<0.01)。试验中生长季内洞冠梨树干液流密度变化对Ta、RH、VPD、Rs等气候因子有不同程度的时滞效应,且可能由于树龄、季节、物候期的不同,洞冠梨液流可能在不同时期对同一气象因子的时滞效应也不同。

图3 气候因子与洞冠梨液流错位相关性分析

3.2.3 多元回归模型 将生长季内洞冠梨树干液流(y)与各气象因子进行回归分析,拟合多元回归模型。在拟合过程中采用步进的方式,发现最优拟合模型为y=4.475×10-6×VPD+3.15×10-6×RH+0.11×Rs-0.006。结合表2发现,洞冠梨树干液流对各气象因子中主要响应因子为VPD、RH、Rs。

4 结论与讨论

洞冠梨树干液流变化具有明显昼夜差异,生长季内晴天液流变化趋势大体呈双峰型,白天液流密度(2.28 ～ 19.91 cm3·cm-2·min-1)较大,夜间液流密度(0～5.36 cm3·cm-2·min-1)较小,不同季节其液流变化趋势、峰值、启动时间有所差异。该结果与他人研究结果相似,周玉燕等[10]发现,苹果树干液流时间变化明显,晴天峰值出现在15:00,阴天出现在12:00、17:00。生长季内洞冠梨液流密度逐渐增加,在4月(8.36 cm3·cm-2·min-1)达到峰值后缓慢减少,其液流变化明显受到树木生长状况影响。树木由于其物候变化,春季生长发育迅速,液流速率整体呈现增加,夏季叶片发育成熟,树木自身为维持蒸腾和繁殖,液流活动强烈,秋季果实被采摘,叶片衰老和脱落,液流减弱[11]。对果树不同阶段生育期的水分利用研究对提高其经济、生态效益具有重要作用。未来还需加强对洞冠梨不同生育期液流变化特征的研究。

洞冠梨液流受气象影响存在较大复杂性,可能不同研究区域、土壤条件、管理方式对其液流变化的影响均不相同。本试验中,洞冠梨液流受VPD、Rs、P、RH等气象因子的显著影响,且液流变化与气象因子之间存在时滞效应。该结果与他人研究结果相似,万发等[12]发现,苹果树液流变化与环境因子间存在时滞性。有研究表明,土壤因子也会影响林木树干液流,但气象因子和土壤因子通过影响树木水分运输的不同部位,而影响液流变化,前者主要通过影响叶片气孔开闭程度改变个体水分蒸发,后者使根系和根际土壤界面间的水分导度发生变化从而影响水分吸收。Cochard等[13]发现,较高的土壤温度更有利于植物的蒸腾耗水。还有研究表明,树木体内的空穴化和栓塞会导致降低导管的输水能力,严重影响树木液流的活动,阻碍树木生长。下一步应加强对土壤因子和洞冠梨自身因子对其液流变化影响的研究。目前,南方经济林树种液流研究还处于探索阶段,需要进一步加强各种方法的比较和改进,以提高树木液流速度和方向的准确性和精细度,并为果树的栽培管理和品种改良提供科学依据。