广西甘蔗茎流速率对气象变化的响应规律研究

何令祖，张廷强，吴卫熊(.广西壮族自治区水利科学研究院，南宁 53003；.中国水利水电科学研究院，北京 00038)

0 引 言

甘蔗从根系吸收水分，经茎流输送到叶片，99.8%的水分在蒸腾作用下耗散到空气中。现有以叶水势和基于叶面蒸腾的水分亏缺指数表征甘蔗耗水状态已有一些成果，但这两种方法均需要对甘蔗活体进行连续监测，测量过程比较复杂，操作难度大，难以在监测设施条件较差的地方使用[1,2]。谢华等则利用茎流计研究了冬小麦蒸腾规律[3];杨再强等通过研究不同水分胁迫处理对番茄茎流以及叶水势的影响，证明可以利用茎流来表征作物需水情况[4];张雷等研究表明茎流量可以直接代表甘蔗的蒸腾量[5]。利用茎流代表作物水分蒸发量在理论上已经可行,如何通过甘蔗茎流速率及其影响因素的实时监测，建立甘蔗茎流速率与气象因素相关关系，揭示甘蔗水分代谢规律，实际指导甘蔗灌溉，则是当前生产中迫切需要解决的实际问题之一。

考虑到甘蔗茎流变化的主要影响因素是太阳辐射、空气温度、空气湿度等。本文通过采用插针式茎流计和气象站对太阳辐射、空气湿度、空气温度等持续同步监测，分析各因素对于甘蔗茎流的影响，建立甘蔗茎流速率预测模型，为指导甘蔗灌溉，实现高效智能节水灌溉提供了条件。

1 试验概况

试验田位于广西壮族自治区崇左市大新县，北纬22°29′～23°05′，东经106°39′～107°29′之间。年平均温度21.3 ℃，极端最高温度39.8 ℃，最低气温-2.2 ℃。年平均降雨量1 326 mm，降雨多集中在夏秋季，冬春较少。试验田为旱坡地常规种植农田，田间土壤为砖红壤，甘蔗品种为新台糖03287，甘蔗种植行间距1.2 m。

甘蔗为宿根蔗，均匀行种植，试验期间为种植第二年。试验田甘蔗常规耕作、施肥，不对甘蔗进行水分胁迫处理。

试验甘蔗茎流、叶温观测采用北京澳作生态仪器有限公司ENVIdata茎流叶温生长测量系统，茎流计采用热扩散法插针式茎流计，插针为TDP30。插针安装在甘蔗底部，安装前先将甘蔗底部老叶剔除干净，并用蒸馏水擦洗干净，测量其直径，插针安装好后做好防水防辐射保护。茎流计数据采集间隔设定为30 min，试验观测时间为2014年8月8日至2014年10月21日。太阳辐射、相对空气湿度、温度观测采用北京澳作生态仪器有限公司2000系列自动气象站，气象站安装在试验区附近，无较高建筑物遮挡的田间。气象站数据采集间隔与茎流计同时同步进行。试验测得甘蔗直径3.358 cm，株高274 cm，叶片数9片。

2 结果与分析

2.1 日茎流速率变化规律

图1为甘蔗典型晴天、典型阴天、典型雨天三种天气状况典型茎流变化规律图，典型晴天为8月10日，典型阴天为8月12日，典型雨天为8月13日。从图中可以看出甘蔗茎流在各种天气状况下都有一定的周期性。晴天茎流基本呈现M型，在9∶00茎流启动然后大幅上升，在12∶00、15∶00与17∶00分别达到3个峰值，茎流速率最高可达38 g/h。在3个峰值之间有茎流明显降低的午休现象。晴天茎流在17∶00后开始大幅降低，至20∶00趋于低茎流平衡。阴天茎流呈现倒V型，茎流启动稍晚于晴天在10∶00左右，之后茎流上升在14∶00达到最大20 g/h，然后茎流下降，在20∶00基本达到低水平茎流平衡。雨天茎流整体较为平缓，茎流启动时间在10∶00左右，在14∶00达到茎流速率最大值10 g/h，也在20∶00基本达到低水平茎流平衡。3种天气状况都是随着天气情况白天茎流增加，下午茎流降低，夜间茎流平衡。不同的是天气状况不同，茎流启闭时间以及茎流最大值有差异。

图1 典型晴天、阴天、雨天茎流流速、茎流累计量对比图

整体比较，晴天茎流量最大，阴天茎流量其次，雨天茎流量最小，白天茎流差距显著，夜间茎流相对都比较稳定，都在5 g/h以下，略有S型变化，且晴天在8∶00达到茎流最低值，阴天在5∶00达到茎流最低值，雨天在8∶00达到茎流最低值。

2.2 茎流速率与太阳辐射关系

图中典型晴天为8月10日，典型阴天为8月12日。由图可知，在一天范围内甘蔗茎流随着太阳辐射强度增强而增加，随辐射强度减弱而降低，茎流与太阳辐射强度呈现明显的正相关关系。在整个观测期内，日茎流也随着日辐射同步变化。此外从晴天、阴天茎流与辐射关系图中可以发现，茎流变化总是在辐射强度变化之后，两者相差约有半个小时，茎流变化相对太阳辐射变化具有一定的滞后性。

图2 甘蔗典型晴天太阳辐射与茎流关系图

图3 甘蔗典型阴天太阳辐射与茎流关系图

图4 甘蔗日太阳辐射与日茎流量关系图

晴天辐射强大，波动也大，在白天辐射强度在600 W/m2至900 W/m2区间波动，并在12∶00、13∶00以及16∶00出现3个峰值；阴天辐射强度小，变化波动相对较小，辐射强度波动上升在14∶00达到最大值，两种天气状况夜间辐射值都为0。白天茎流曲线跟着辐射强度同形状波动，晴天最大茎流速率可达38 g/h，阴天最大茎流速率约20 g/h，两者茎流量差距显著。夜间甘蔗茎流速率在0～5 g/h内S型波动，并且在夜间都会有两次茎流降低到零附近的情况。

在白天太阳辐射将促使叶面气孔张开，促进蒸腾作用，甘蔗茎流主要由太阳辐射影响；在夜间太阳辐射强度为0，甘蔗腾发作用只能通过叶面呼吸作用以及叶面蒸发带动茎流，因此夜间茎流仍然维持在一个较小的范围内，温度、相对空气湿度等成为影响茎流的主要因素。

晴天12∶00到14∶00太阳辐射强度很大的时候，甘蔗茎流并没有像上午或者下午那样维持在一个较高的水平而是略有下降，这是因为过高的辐射和温度也带走了过多的水分，根系吸水不足以满足蒸腾失水，甘蔗启动自我保护机制，关闭部分气孔从而出现了甘蔗为了维持体内水分平衡出现的午休现象[9]。

从日太阳辐射与日茎流关系图中可以看出8月到9月伸长期范围内，日茎流量始终维持在400 g附近，太阳辐射强度与茎流变化节奏几乎一致。而9-10月成熟期茎流量与太阳辐射强度变化趋势虽然类似，但茎流量随着辐射变化的影响越来越小。随着甘蔗生长期推移，甘蔗越来越成熟，新陈代谢越来越慢，辐射强度对茎流的影响也就越来越小。

2.3 茎流速率与空气温度关系

图5中典型晴天为8月10日，典型阴天为8月12日。由图5可知，茎流与空气温度的波动大致方向一致，两者有一定的正相关关系。晴天的白天由于太阳辐射变化大带动茎流变化也大，茎流与空气温度波动相关性不是很明显；而阴天太阳辐射较小，太阳辐射对茎流的影响减弱，甘蔗茎流与空气温度的波动趋于一致，在太阳辐射强度高时太阳辐射是主要影响因素，太阳辐射强度低时空气温度对茎流影响很大。

图5 甘蔗典型晴天、典型阴天温度与茎流关系图

晴天空气温度总体明显高于阴天空气温度，晴天茎流也都大于阴天茎流；当夜间太阳辐射强度为零时，晴天夜间空气温度高于阴天夜间空气温度，晴天茎流完全在阴天茎流之上，这也表明空气温度对茎流的明显正相关影响。

图6 甘蔗日积温与日茎流量关系图

分析整个观测期内日积温与日茎流的关系，茎流随积温波动变化，空气温度升高茎流增加，空气温度降低茎流也减少，日茎流量与日积温呈明显的正相关关系。并且8-9月伸长期范围内，茎流随着空气温度变化波动大，而9-10月成熟期茎流随着空气温度变化波动相对较小，这表明空气温度在伸长期对茎流影响大于成熟期。甘蔗各个阶段对环境影响因素的敏感性不一样，新陈代谢越旺盛受气象因素影响越大，因此伸长期空气温度与茎流的相关性大于成熟期。

2.4 茎流速率与空气湿度关系

图7中典型晴天是8月10日，典型阴天为8月12日。由图可知无论是白天还是夜间空气湿度与茎流存在一定的负相关关系，空气湿度增加茎流减小，空气湿度降低茎流增加。

图7 甘蔗典型晴天、典型阴天空气温度与茎流关系图

晴天水分蒸发快，空气湿度变化大；阴天水分蒸发慢，空气湿度变化小；因此晴天茎流的变化幅度远大于阴天茎流的变化幅度。阴天太阳辐射强度低，太阳辐射对茎流影响较弱，更能体现空气湿度、温度对茎流的影响，从阴天茎流与空气湿度关系不难发现两者之间负相关关系密切，空气湿度对茎流影响显著。除此之外阴天夜间空气湿度接近100%时，为了维持正常生理代谢，甘蔗茎流仍然可以维持在较小的范围内，这也表明茎流在夜间受温度影响很大。

2.5 茎流速率预测模型

由茎流变化与气象因素的相关性分析表可知，甘蔗茎流速率与太阳辐射、空气温度、空气湿度都有显著的相关性。茎流速率与太阳辐射、空气温度呈正相关关系，茎流速率与空气湿度呈负相关关系。联合太阳辐射、空气温度、空气湿度对甘蔗茎流进行非线性回归分析，得到以下回归分析参数表。

模型线性回归R2为0.703，模型拟合度好，模型方程如下：

F=0.006 SR-0.07 RH+1.667 T-34.615

注：**为0.01的显著水平(双尾)。

表2 甘蔗茎流速率与气象因素联合分析模型参数表

式中：F为茎流速率，g/h；SR为太阳辐射强度，W/m2；T为空气温度，℃；RH空气湿度，%。

3 结论与讨论

(1)影响甘蔗蒸腾作用的主要因素是太阳辐射、空气温度、空气湿度。太阳辐射强度高，甘蔗光合作用强，叶片开启的气孔数量增多，蒸腾作用也就增强，白天太阳辐射强度是影响茎流的最主要因素。其次，空气温度对甘蔗茎流有显著的影响，温度增加带动茎流增加。

(2)甘蔗茎流速率在一天内随着太阳辐射、空气温度以及空气湿度呈现周期性变化规律。白天的茎流速率明显大于夜间，晴天的茎流速率最大。

(3)不同生育期各气象因素对甘蔗茎流的影响也有差异，伸长期甘蔗新陈代谢旺盛，茎流随着气象因素的变化波动大；成熟期甘蔗新陈代谢慢，气象因素对茎流变化影响较小。

(4)建立的茎流速率与太阳辐射、空气温度、空气湿度的相关关系模型，拟合度高，显著性好，方便在灌溉生产管理中应用。

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[1] 孙红春，李文芹，刘连涛，等．不同水分条件下棉花主茎功能叶叶柄茎流速率的日变化规律[J]．华北农学报，2012，27(4)：218-222．

[2] 张寄阳，段爱旺，孙景生，等．作物水分状况自动监测与诊断的研究进展[J]．农业工程学报，2006，22(1)：174-178．

[3] 谢 华，沈荣开．用茎流计研究冬小麦蒸腾规律[J]．灌溉排水，2001，20(1)：6-9．

[4] 杨再强，张婷华，李永秀，等．不同水分胁迫条件下温室番茄茎流和叶片水势的反应[J]．中国农业气象，2012，33(3)：382-387．

[5] 张 雷，孙鹏森，刘世荣.树干液流对环境变化响应研究进展[J]．生态学报，2009，29(10):5 600-5 610.

[6] 李 会，刘 钰，蔡甲冰，等．夏玉米茎流速率和茎直径变化规律及其影响因素[J]．农业工程学报，2011,(10)：187-191．

[7] Nadezhdina N． Specificity of sap flow index for mist irrigation control[J]．Acta Horticulturae，2000，537：479-485．