平欧杂种榛树干茎流对环境因子的响应

2020-05-21凌锦霞史彦江宋锋惠宋子君

新疆农业科学 2020年5期

凌锦霞，史彦江，罗达,宋锋惠，宋子君

(1.新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆林业科学院经济林研究所，乌鲁木齐 830000)

0 引言

【研究意义】榛子为桦木科(Corylaceae)榛属(CorylusL.)落叶灌木，是我国北方地区重要的坚果树种[1]。平欧杂种榛(Corylusheterophylla×Corylusavellanay)目前是全国主要推广的栽培种，具有营养价值高、抗旱抗寒性强的平榛特点和果大、丰产、出仁率高的欧洲榛优点[2]。扩大榛子在新疆推广面积对调整林果产业树种结构效益显著。榛子产业发展取决于提高榛子产量，新疆推广种植平欧杂种榛，在诸多影响榛子产量的因素中，水分是制约平欧杂种榛生长和产量的重要限制因子。研究树干茎流速率的变化规律，对科学实施水肥管理措施、提高产量和品质，具有重要意义。【前人进展研究】目前，关于茎流方面的研究在农业和林业上都有成果。赵付勇[3]、程平[4]、赵自国[5]等分别对核桃、灰枣、叶底研究均发现，晴天和阴天下茎流速率呈单峰曲线，多云下茎流速率呈多峰曲线；孙雨婷等[6]对枣树茎流速率的研究发现，在不同天气下茎流速率与风速、太阳辐射、空气温度呈正相关，与空气相对湿度呈负相关；张华艳[7]对阿克苏枣树茎流的研究发现，在不同天气下枣树的茎流速率变化不尽相同。【本研究切入点】前人有关榛子的研究主要包括良种选育、开花结实物候观测、生理生态学特性、无性繁殖技术、栽培管理技术等。而有关榛子树干茎流对环境因子的响应仍未探及。研究滴灌下不同月份不同天气条件下，平欧杂种榛茎流速率特征及相互关系。【拟解决的关键问题】滴灌条件下，分析不同环境条件对平欧杂种榛茎流速率的影响，研究影响茎流速率的主要气象因子，为干旱区榛树土壤水分管理提供理论实践基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验区位于新疆伊犁哈萨克自治州察布查尔锡伯自治县平欧杂种榛丰产栽培示范园，N43°17′～43°57′，E80°31′～81°43′，距县城8 km。属大陆性北温带温和干旱气候，热量丰富，光照充足，四季分明。年有效光照时数达2 846 h，无霜期177 d，积温3 800℃，年平均降水量222 mm。冬春长，冬季寒冷，夏秋短，夏季炎热，降水较少，年均气温7.9℃。

试验于2019年5～8月进行，供试材料为平欧杂种榛新榛1号(84-254)，2012年定植，东西走向，株行距2.0 m×4.0 m。随机选取长势基本一致、生长健康、无病虫害的榛树3株，株高2.4～2.5 m，地径52～58 mm，东西冠幅1.5～2.1 m，南北冠幅1.5～2.7 m。试验区采用种植行两侧双管布置方式进行灌溉，即分别沿种植行两侧2/3树冠处各布置1根滴灌管，管径16 mm，滴头间距50 cm，流量3.75 L/h。

1.2 方法

1.2.1 茎流速率测定

采用Dynamax公司生产的FLGS-TDP插针式热耗散植物茎流计，对所选3株样树进行测定。传感器由两根探针组成，一根加热探针用来计算树木茎流，另一根探针安装在加热探针正下方且距地面60 cm的树干朝阳面，上下探针间距4 cm，留2～3 mm在外面，便于树皮生长以保证不损坏TDP探针。探针用球状泡沫进行固定，用反光膜包裹起来，包裹上方用胶带和玻璃胶密封以阻止水分沿树干流下并接触传感器影响数据。茎流计传感器采用数据采集器自动监测和数据记录，每30 s扫描1次，记录数据并储存。采用Grainier提出的公式K=(dTm-dT)/dT来计算茎流速率V，再通过茎杆的边材横截面积SA(cm2)，与V组合计算得到树干茎流量SF[8]。

V(cm / s) = 0.011 9 ×K-1.231.

(1)

SF(g / h) =SA×V× 3 600.

(2)

SA= - 0.339 + 0.59ST.

(3)

式中：dTm为无茎流时的最大温差(℃)，dT为任何某一给定时刻的温差(℃)，ST为树木周长(cm)，t为测定时间(s)。

1.2.2 气象因子测定

分别对5月所有晴天(18 d)、阴天(3 d)、多云(10 d)，6月所有晴天(20 d)、阴天(4 d)、多云(6 d)，7月所有晴天(24 d)、阴天(3 d)、多云(4 d)，8月所有晴天(20 d)、阴天(5 d)、多云(6 d)3种天气下的太阳辐射、大气温度、大气相对湿度、风速等环境因子进行统计。

在试验样地附近安装HOBO小气候仪，自动观测太阳辐射(PAR)、大气温度(Ta)、大气相对湿度(RH)、风速(W)。设置数据采集器每30 s扫描1次，30 min记录1次均值并储存，与测定茎流仪数据相匹配。

试验区灌水时间分别为4月24日、6月14日、8月21日和10月3日。在灌水处理相同的条件下，分别对5～8月所有晴天、阴天、多云3种天气下的茎流速率、大气温度、太阳辐射、大气相对湿度、风速等进行平均，分析茎流速率日变化及其日茎流速率与气象因子的相关性。

1.3 数据处理

利用Excel 2010，SPSS19.0对数据进行分析处理并作图。

2 结果与分析

2.1 环境因子的变化

研究表明,相同月份不同天气下大气相对湿度是阴天>多云>晴天，而其它环境因子最大值是晴天>多云>阴天。在5～8月，8月的最高温最大，达到39.18℃，5月温度最低，6月3种天气下的最高温变化范围为30.571～38.50℃，7月最高温变化范围为34.05～38.449℃。太阳辐射和大气相对湿度在6月最高，分别达到1 028.1 W/m2、50.6%，风速在7月晴天下最大，达到7.55 m/s，其它时间相差很小。表1

表1 5～8月不同类型天气气象因子Table 1 Weather factors for different types of weather in May-August

2.2 平欧杂种榛茎流速率与气象因子的关系

2.2.1 不同月份平欧杂种榛不同天气条件下茎流速率的变化特征

研究表明,5～8月在不同天气下茎流速率昼夜差异较大，白天茎流速率变化曲线均呈倒“U”型，夜间有极小茎流。晴天和阴天下5～8月的茎流速率变化趋势都为单峰曲线，多云天气下为多峰曲线。晴天下6月的峰值最大，为0.010 8 cm/s，而在阴天和多云下7月茎流速率的峰值最大，分别为0.009 6 、0.010 1 cm/s。各月茎流速率峰值出现的时间分别为5月(12:00～13:00)、6月(13:00～14:30)、7月(13:30～16:00)、8月(14:00～16:00)。5月茎流速率变化浮动最小，原因是5月大气温度和太阳辐射较低，大气相对湿度较高。图1～3

图1 晴天天气下5～8月茎流速率
Fig.1 Stem flow rate from May to August in sunny weather

图2 阴天天气下5～8月茎流速率
Fig.2 Stem flow rate from May to August in dark Weather

图3 多云天气下5～8月茎流速率
Fig.3 Stem flow rate from May to August in cloudy Weather

2.2.2 大气温度对不同天气条件下茎流速率的影响

研究表明,3种天气条件下5～8月大气温度的变化幅度都呈降-升-降的趋势，17:00～17:30出现峰值，和茎流速率的变化趋势基本一致。晴天和多云下5～8月大气温度在17:30前后达到峰值，阴天下15:00～19:30达到峰值，而茎流速率晴天下12:30～14:30出现峰值，阴天下12:30～16:00出现峰值，多云下13:00～16:00出现峰值。5～8月3种天气下茎流速率都出现了“午休”现象，这是由于植物为了在高温条件下保持水分、减少水分流失，关闭了部分气孔[9-10]，茎流速率与大气温度具有显著的相关性。图4～6

图4 晴天天气下5～8月大气温度变化
Fig.4 The Variation of the Atmospheric Temperature in the May-August of the Weather of the sunny day weather

图5 阴天天气下5～8月大气温度变化
Fig.5 Variation of the atmospheric temperature in the May-August of the dark day

图6 多云天气下5～8月大气温度变化
Fig.6 The change of atmospheric temperature in May - August in cloudy weather

2.2.3 太阳辐射对不同天气条件下茎流速率的影响

研究表明,3种天气下5～8月太阳辐射变化曲线呈先增后减的多峰型，和茎流速率变化曲线基本一致。晴天下5～8月太阳辐射在14:30前后出现峰值；阴天下出现峰值的时间分别为5、6月13:30，7月15:30，8月15:00；多云下出现峰值的时间分别为5月13:00，6月14:00，7月16:00，8月16:30。5～8月是新榛1号果实的生长发育期，此时期叶片完全展开，蒸腾作用和光合作用都高于其它时期，而太阳辐射是光合作用产生的必要条件，太阳辐射对平欧杂种榛产生茎流的驱动作用较大。图7～9

图7 晴天天气下5～8月太阳辐射变化
Fig.7 Variation of solar radiation from May to August under sunny weather

图8 阴天天气下5～8月太阳辐射变化
Fig.8 Variation of solar radiation from May to August under cloudy weather

2.2.4 大气相对湿度对不同天气条件下茎流速率的影响

研究表明，3种天气下5～8月的大气相对湿度变化幅度均呈不规律性的多峰曲线，整体都随茎流速率的降低而升高。8月大气相对湿度在夜间保持稳定，一段时间内始终保持1%，因为8月天气进入秋季，空气中含水量较低，植物的光合作用和蒸腾作用随之减小，导致叶片从根部吸收的水分也减小。大气相对湿度和茎流速率具有一定的相关性。图10～12

图9 多云天气下新榛1号5～8月太阳辐射变化
Fig.9 Variation of solar radiation in 'New hazel 1' in cloudy weather from May to August

图10 晴天天气下5～8月大气相对湿度变化
Fig.10 Variation of the relative humidity of the atmosphere in the May-August of the sunny day

图11 阴天天气下5～8月大气相对湿度变化
Fig.11 Variation of the relative humidity of the atmosphere in the May-August of the cloudy day

图12 多云天气下5～8月大气相对湿度变化
Fig.12 Variation of the relative humidity in the atmosphere from May to August in cloudy weather

2.2.5 风速对不同天气条件下茎流速率的影响

研究表明,3种天气下5月风速的峰值和变化幅度最大，但茎流速率却不是最大的，总体看来5～8月风速的变化趋势并不是呈有规律性的变化曲线，而茎流速率总体的变化曲线呈稳定-增高-降低的多峰曲线，当风速为零时，茎流速率并不为零。除此之外，风速主要受气压梯度的影响，风速越大，空气的流动速率越大，从而加快叶片的蒸腾作用，但风速过大就会导致树木气孔的关闭，茎流速率降低。风速对平欧杂种榛茎流速率的影响较小。图13～15

对各月3种天气下的日茎流速率与气象因子的变化关系进行相关分析表明，5月晴天和阴天下影响茎流速率的主要驱动力为风速和太阳辐射，相关系数分别为0.905、0.904，多云天气下为大气温度，相关系数为0.859，而6～8月影响茎流速率的主要驱动力为大气温度，均与茎流速率呈显著正相关。风速对茎流速率的影响差异也很大，6月晴天天气下风速与茎流速率呈负相关，其余月份与茎流速率呈正相关，相关性差异较明显，但都高于0.212。5月3种天气下和6月阴天下大气相对湿度与茎流速率呈负相关，而在7、8月3种天气下与茎流速率均呈正相关。表2

图13 晴天天气下5～8月风速变化
Fig.13 Variation of Wind Speed from May to August on sunny days

图14 阴天天气下5～8月风速变化
Fig.14 Variation of wind speed from May to August under dark weather

图15 多云天气下5～8月风速变化
Fig.15 Variation of wind speed in May-August in cloudy weather

2.3 平欧杂种榛茎流速率日变化与气象因子的相关性

研究表明,5月晴天和阴天下影响茎流速率的主要驱动力为风速和太阳辐射，相关系数分别为0.905、0.904，多云天气下为大气温度，相关系数为0.859，而6～8月影响茎流速率的主要驱动力为大气温度，均与茎流速率呈显著正相关。风速对茎流速率的影响差异也很大，6月晴天天气下风速与茎流速率呈负相关，其余月份与茎流速率呈正相关，相关性差异较明显，但都高于0.212。5月3种天气下和6月阴天下大气相对湿度与茎流速率呈负相关，而在7、8月3种天气下与茎流速率均呈正相关。表2

3 讨论

不同植物在相同月份不同天气下茎流速率的峰值不同。不同月份平欧杂种榛茎流速率的峰值是晴天>多云>阴天，由于晴天下太阳辐射明显高于阴天，促进了植物的蒸腾作用，植物为了满足正常生长，其根系在迫于压力的环境下吸收更多的水分，使茎流变大，这也证明了太阳辐射是茎流变化最直接的驱动力[11]，这与刘鑫等[12-14]的研究结果一致。晴天下6月茎流速率的峰值较高，阴天和多云天气下7月的茎流速率较高，由于6、7月是该试验区的夏季，大气温度和太阳辐射都较高。环境因子可能会影响植物茎流速率的峰值，在一段时间内风速和太阳辐射等环境因子的变化也会引起茎流速率峰值的变化[15]。

表2 5～8月不同天气下茎流速率与气象因子相关性Table 2 Correlation between stem flow rate and meteorological factors in different weather from May to August

注：*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关；**表示在 0.01 水平(双侧)上显著相关；“+”表示正相关,“-”代表负相关
Notes:*IsP<0.05 and**IsP<0.01;“+”indicates positive correltaion, and“-” indicates negative correltaion

植物茎流速率的大小主要受蒸腾拉力的影响，植物在蒸腾过程中土壤中的水分由根系通过蒸腾拉力运输到叶片，保证叶片进行正常的生理活动，而叶片中的水分又会扩散到大气中[16]。和其它植物一样，榛树的生理过程也具有明显的变化规律，即整个生育期不同天气下的茎流速率昼夜差异较明显，白天茎流速率变化曲线呈倒“U”型，夜间存在极小茎流，原因是夜间大气温度和太阳辐射都较低，而大气相对湿度较高。而白天大气温度会随着太阳辐射的升高而升高，茎流速率也会随之升高，因此,白天的茎流速率比晚上的要大，这与吴喆滢等[17]的结果一致。而孙鹏森等[18]认为油松、元宝枫夜晚茎流为零，而栓皮栎等夜晚茎流较大。植物种类不同，夜间存在的茎流速率大小也有很大差异。

植物茎流速率的大小不仅与植物自身的生物学特性有关，而且还受不同环境因子的影响，各因子之间存在相互制约与协调作用，太阳辐射作为各环境因子变化的驱动力，决定了大气温度和大气相对湿度的高低[19]。分析环境因子对茎流速率的影响，可以更好的揭示微气候对平欧杂种榛生理活动的影响。研究发现，5月晴天和阴天下风速、太阳辐射是最主要决定因素，与茎流速率呈显著正相关，而多云天气下大气温度是最主要决定因素；在6～8月3种天气下大气温度对榛树茎流的影响大于太阳辐射，其次为其它环境因子。这是由于6月天气缓慢进入夏季，大气温度和太阳辐射升高，树木的蒸腾作用和光合作用也随之加强。这与郭映等[20-21]的研究结果一致。刘春鹏等[22]研究荆条树干茎流特征时发现在晴天和阴天条件下茎流速率与太阳辐射、大气温度呈正相关，在雨天天气下，茎流速率与太阳辐射、大气温度呈负相关，大气温度对茎流速率发挥主导作用。在栽培种植植物时应考虑各环境因子的影响大小。