李瑞娟;刘文兆;王培榛
【摘 要】This study aimed at evaluating the transpiration characteristics of potted spring wheat using a sap flow method designed by a heat balance technique under three different water treatments (high 85 % ~ 75 % , middle 65 % ~ 55 % and low 45 % ~ 35 % ) calibrated using a weighing method. The results showed that: (1) the treatment with the perlite cover of 0.11 g/cm2 is better than the others. Under this condition, the spring wheat transpiration accounts for 83.04% of the total evapotranspiration; (2) the single wheat sap flow rate was strongly correlated with the transpiration rate at the daily scale with the correlation coefficient of 0.92, and slope and intercept of 0.4463 and 8 .3391, respectively. Similarly regressive results were also obtained at the hourly scale. (3) Taking Oct. 31st, 2012 as an example, the calibrated single plant transpiration rate were 26.51 g/d, 17.13 g/d and 12.71 g/d, respectively, under three water conditions ranked from high to low. Overall, this study indicates, while determining the transpiration of field crops, it was necessary to calibrate the transpiration rate by sap flow method.%通过人工气候生长室盆栽试验,在对不同珍珠岩覆盖量下的土壤蒸发特征进行分析的基础上,采用由热平衡原理设计的茎流计对三个水分处理(高85％ ～ 75％、中65％～55％、低45％ ～ 35％)下的盆栽春小麦蒸腾特征进行研究并依据称重法结果加以标定,结果表明:(1)珍珠岩覆盖量为0.11 g/cm2时能够达到较好效果,并据此换算出测定时段春小麦实际蒸腾量占总蒸散量的比值为83.04％;(2)单株
小麦茎流速率与蒸腾速率的回归分析得出相关系数r=0.92,方程斜率与截距值分别为0.4463和8.3391,以小时(h)为单位的回归分析结果与以天(d)为单位的类似;(3)以2012年10月31日为例,标定后单株小麦蒸腾速率分别为:高26.51 g/d、中17.13 g/d、低12.71g/d.采用茎流计法测定田间作物蒸腾时对测定结果加以标定是非常必要的.
【期刊名称】《干旱地区农业研究》
【年(卷),期】2012(030)006
【总页数】5页(P79-82,93)
【关键词】茎流计;标定;春小麦;蒸腾;蒸散
【作 者】李瑞娟;刘文兆;王培榛
【作者单位】西北农林科技大学林学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学林学院,陕西杨凌712100;中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100;中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100
【正文语种】中 文
【中图分类】S161.4;S512.1+2
农田作物(植物)蒸腾过程是土壤—植物—大气系统中水分运动的重要组成部分,在涉及
农田水量平衡计算中,经常需要测定作物的蒸腾量[1]。作物蒸腾本身是一个复杂的生理过程,一方面受自身形态结构及生理过程的影响,同时也受外界环境的影响,其测定一直是一个难点问题。目前测定作物(植物)耗水量的方法有称重式蒸渗仪法[2]、水量平衡法[3]、能量波文比法[4]等,但它们只能测定蒸散总量,而难以将二者完全分开。另有采用快速称重、地膜覆盖、伤流法等方法测定作物(植株)耗水的报道,但是这些方法或破坏了植物的正常生长发育,或破坏了农田环境,不能真实地反映出农田作物蒸腾规律。随着测定技术的发展,先后出现热脉冲法[5]、热平衡法[6-7]及茎热扩散法[8]等测定蒸腾的方法,其中根据茎热平衡法设计的茎流计以其不伤害植株,并能对单株作物(植物)进行长时间定点测定等优点,受到国内外学者广泛关注[9]。
近年来,国内外学者应用热平衡原理对番茄[10]、人工柠条[11]、黄柳和小叶锦鸡儿[12]、葡萄[13]、沙地花棒[14]等木本植物及蔬菜的茎流规律进行了研究并取得一定成果,但有关农田作物茎流规律的研究却相对较少[15-16]。小麦作为重要的粮食作物之一,其蒸腾规律及水分利用效率的研究对旱区农业节水灌溉有着重要的作用,但由于茎秆空心等特点,其蒸腾过程能否应用茎流计进行研究?茎流会有什么特点?本项研究在盆栽条件下,采用茎流计法对春小麦蒸腾过程进行测定并依称重法结果加以标定,以期回答有关问题,为茎流计在大田条件下小麦蒸腾的测定提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验于2011年8月26日—11月15日在西北农林科技大学水土保持研究所进
行,2011年9月13日起盆栽试验在人工气候生长室进行。水土保持研究所位于 34°14′～ 34°20′N,107°59′～ 108°08′E 之间,海拔高度在500 m,多年平均降水量637.6 mm,平均气温12.9℃。人工气候生长室光照、温度、湿度以及风速分别为 240 μ mol/(m2·s)、25℃、45%和 1.1 m/s,生长室光照开启及关闭时间设定为8∶00和18∶00。
1.2 试验材料与设计
1.2.1 不同量珍珠岩覆盖下土壤蒸发的差别 称重法测定植株蒸腾被认为是较可靠的测定方法,尽管薄膜覆盖能够完全抑制土壤蒸发,但其对植物生长的不利影响也明显,本实验采用有一定透气性的珍珠岩作为抑制土表蒸发的材料。
试验设3个水分处理及5种珍珠岩覆盖量,水分处理分别为高水85%～75%(土壤含水量占田间持水量的百分率,下同)、中水 65%～55%、低水45%～35%;单位面积珍珠岩覆盖量分别为0、0.06、0.08、0.11 g/cm2及0.14 g/cm2,各水平水分处理下均设有五种覆盖量,每种覆盖重复三次。本实验通过不同量珍珠岩覆盖下的土壤蒸发试验找出合适的珍珠岩覆盖量,以期达到抑制蒸发且节约材料的目的。
1.2.2 包裹式茎流计探头差异性检验 将包裹式茎流计探头安装于同一水分处理(中水)下的小麦进行测定,并对其同一时间段的茎流值进行差异性检验。对测定结果进行方差分析:P=0.855＞0.05,表明本试验所使用茎流计探头间无差异,测定结果的差异是探头以外的因素所致。
1.2.3 盆栽春小麦控水试验 供试春小麦品种为宁春4号,种于高40 cm、直径30 cm
塑料盆中。土壤为杨凌土,每桶装土 12 kg,装桶容重为1.3 g/cm3,土壤田间持水量为28%(体积比),装桶前每桶拌过磷酸钙P2O5135 kg/hm2,尿素N 270 kg/hm2。挑选籽粒饱满的小麦种子,每盆种24粒,三叶期定苗至每盆12株且不保留分蘖。
试验设高、中、低3个水分处理,分别为田间持水量的85%～75%、65%～55%、45%～35%,每个处理重复3次。控水处理自测定开始前一周起,控水处理前的供水量为田间持水量85%。
1.3 测定项目及方法
1.3.1 称重法测土壤蒸发及作物蒸腾 采用量程为30 kg、精度为1 g的电子天平每天进行称量并记录,若水分下降至各处理水分下限,则浇水至上限值。
本试验中设置的珍珠岩差别覆盖的土壤蒸发测定与盆栽小麦控水试验均采用相同规格的塑料盆且两试验中的水分及养分处理一致,与大田条件下的棵间蒸发器[17-18]相比增加了测定数据的准确度;其次,土壤蒸发试验与盆栽小麦蒸腾试验环境(即人工气候室)一致,而棵间蒸发器在测定土壤蒸发时受其摆放位置、气象要素以及土壤含水率的影响;第三,由于本试验中小麦仅保留主分蘖,且植株横截面积与盆栽土壤表面积之比为:高水 0.0025,中水0.0016,低水0.0013,平均值为0.0018,非常小,因此植株本身的密度对土壤蒸发的影响也可忽略不计,而大田小麦种植密度大且叶面积指数变化较大,因此棵间蒸发器的测定值也随之发生相应变化。综合上述三点,认为本研究采用称重法得到的蒸腾值是可靠的。
1.3.2 单株作物茎流
(1)传感器原理
植物茎秆能量平衡可表示为:式中,Pin为热量输入;Qv为轴向茎秆导热;Qr为径向散热;Qf为茎流携带热量;S为茎热存储变化率,以上单位均为W。
茎流过程中对流能量可表示为:
式中,c为水比热〔J/(kg·K)〕;F为茎秆水流速率(kg/s);Ts0-Tsi为进出热传感器前后的水流温差。若假定系统保持恒定状态,则S通常忽略不计。将(2)式代入(1)式中,得出(3)式:
(2)测定方法
采用美国Dynamax公司生产的Flow32-1K包裹式茎流计测定各水分处理下单株小麦茎流日变化,每个处理选择有代表性的3株进行测定。茎流计探头型号为SGA2,安装部位为倒二茎,数据每小时自动记录1次,整株茎流速率单位为g/h;由茎流速率计算出日茎流量,其单位为g/d,测定时间为2011-10-31—2011-11-13。
1.4 数据处理
试验数据采用Microsoft Office Excel 2003和SPSS13.0进行统计处理,同时运用Curve Estimation进行回归分析。
2 结果与分析
2.1 不同量珍珠岩覆盖下土壤蒸发特征
图1为9月20日—23日,高水处理下持续1 d、2 d及3 d的土壤蒸发情况,图2表示在9月20日—23日这一时段下高、中、低3个水分处理下的土壤蒸发情况。从图1看出同一水分处理下不同时间间隔的土壤蒸发情况均为,覆盖量(g/cm2)小于0.11时比值快速下降,当土表珍珠岩覆盖量大于0.11时比值下降平缓,即覆盖量在0.11时出现拐点,另外由图2看出,同一时间段不同水分处理下的土壤蒸发情况与图1相同,因此珍珠岩覆盖量为0.11 g/cm2时既可以达到抑制效果又能节省材料,所以本实验所采用的珍珠岩覆盖量即0.11 g/cm2。
图1表明该覆盖量下仍有近40%左右的土壤蒸发量未被抑制,比较3种水分处理下0.11 g/cm2珍珠岩覆盖量时盆栽春小麦日蒸散量与无小麦生长条件下的土壤日蒸发量,结果见表1。数据显示不同水分处理下未被抑制的土壤日蒸发量占春小麦日蒸散量的比值非常接近,平均为16.96%,因此本试验中测定时段的春小麦实际蒸腾量采用称重值(蒸散量)的83.04%进行计算。
图1 不同时段高水处理下的土壤蒸发情况Fig.1 Represents soil evaporation during different time period under high water treatment
图2 三个水分处理下土壤蒸发情况(09-20—09-23)Fig.2 Represents soil evaporation under three water treatments(Sep.20th to 23st)
表1 不同水分处理下土壤蒸发量与春小麦蒸散量比值Table 1 Ratio of soil
evaporation and spring-wheat evapotranspiration under differentwater
treatments水分处理Water treatment高中低High Middle Low比值Ratio/% 16.91 17.18 16.78
2.2 不同水分处理下春小麦茎流特征
以11月4日为例,不同水分处理下春小麦茎流日变化如图3所示。由于茎流测定在条件恒定的人工气候生长室中进行,因此各水分处理下8∶00—18∶00间小麦茎流速率时间变化不大。另外,不同水分处理下小麦在凌晨有一定茎流存在。当生长室光照于8∶00开启后小麦茎流速率明显增加,但18∶00点光照关闭后,茎流速率迅速下降并于21∶00左右降至0。
2.3 不同水分处理下春小麦茎流与蒸腾回归分析
2.3.1 茎流速率日变化与蒸腾速率日变化回归分析 就2011年11月11日称重法测定的蒸腾速率(y)与茎流计法测定的茎流速率(x)进行回归分析得(图 4):y=0.5348x+0.2407 R2=0.77 R=0.88。
图3 不同水分处理下茎流速率日变化Fig.3 Daily variation of sap flow rate under differentwater treatments
图4 以时(h)为单位下1∶1趋势线与回归线对比Fig.4 The comparative analysis of the regression line and 1∶1 line(h)
2.3.2 日茎流量与日蒸腾量回归分析 就2011年10月31日—11月13日,不同水分处理下称重法测定的单株小麦日蒸腾量(y)与茎流计法测定的单株小麦日茎流量(x)间进行回归分析(图5),得出回归方程:y=0.4463x+8.3391 R2=0.84 R=0.92。
图5 以日(d)为单位的1∶1趋势线与回归线对比Fig.5 The comparative analysis of the regression line and 1∶1 line(d)
2.4 标定后春小麦蒸腾特征
分别将蒸腾速率与茎流速率的回归线与 y=x线进行对比分析。图4和图5两幅图中回归线与 y=x线的交点左侧均表示低茎流值时实际蒸腾量高,而其右侧说明高茎流值时实际蒸腾量低,以交点作为转化点。例如:以时(h)为单位,当茎流速率等于0.40 g/h(＜交点0.52)时,实际蒸腾速率为0.46 g/h;若茎流速率等于0.60 g/h(＞交点0.52),则实际蒸腾速率为0.56 g/h。以日(d)为单位,当小麦茎流速率为10.00 g/d(＜交点15.06)时,实际蒸腾速率为12.80 g/d;若茎流速率等于20.00 g/d(＞交点15.06),则实际蒸腾速率为17.27 g/d。
在10月31日,以日(d)为单位,由标定方程标定后的各水分处理的蒸腾速率分别为:高水26.51 g/d、中水 17.13 g/d、低水 12.71 g/d;以时(h)为单位,在茎流速率较稳定时段(10∶00-16∶00),平均标定蒸腾速率分别为:高水1.34 g/h、中水0.79 g/h、低水0.47 g/h。
3 结 语
本实验通过茎流计法对盆栽春小麦蒸腾进行测定并以称重法结果加以标定,得出以下几点结论:
1)尽管称重法测定的作物(植物)蒸腾量被认为是可靠的,但土壤表面覆盖物类型及覆盖量却没有统一标准。通过不同珍珠岩覆盖量下土壤蒸发试验认为,珍珠岩覆盖量在0.11 g/cm2时既能达到较好的抑制效果,又能够节约材料。在测定时段,由称重法测定的小麦蒸腾速率为蒸散量的83.04%。
2)对称重法测定的单株小麦实际蒸腾值与茎流计法测定的单株小麦茎流值进行回归分析得出,时间单位为小时(h),不同水分处理下小麦实际蒸腾速率与茎流速率的相关系数R为0.88,方程斜率与截距值分别为0.5348、0.2407;时间单位为日(d),实际蒸腾速率与茎流速率间相关系数R为0.92,方程斜率与截距值分别为0.4463、8.3391。由此看出茎流计法测定的作物(植物)茎流速率并不完全等同于作物(植物)实际蒸腾速率,需要进行标定。
3)将以时(h)和日(d)为单位的回归线分别与y=x线进行对比分析得出,两线交点左侧均表示低茎流值时实际蒸腾量高,而右侧则相反,并以交点作为转化点。以10月31日为例,以日(d)为单位,应用标定方程标定后的各水分处理的蒸腾速率分别为:高水 26.51 g/d 、中水 17.13 g/d、低水 12.71 g/d;以时(h)为单位的标定蒸腾速率分别为:高水1.34 g/h、中水0.79 g/h、低水0.47 g/h。
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