黄土丘陵半干旱区山地枣树蒸腾规律及其节水调控策略

发布时间：2017-09-18 21:38

  本文关键词：黄土丘陵半干旱区山地枣树蒸腾规律及其节水调控策略

  更多相关文章： 蒸腾 土壤水分 气象因子 节水调控 黄土高原

【摘要】：红枣(Ziziphus jujube Mill.)是陕北地区的传统树种,自1999年国家退耕还林政策实施以来种植规模逐渐扩大,干旱缺水一直是制约当地红枣产业持续健康发展的瓶颈。由于长期粗放的种植经营方式和林地土壤水分的过度消耗,导致了当地生态环境的退化甚至永久性土壤水分干层的出现。枣林地的蒸腾耗水受到气象因子、土壤水分状况、立地条件以及自身生长发育状况的综合影响,变化复杂。掌握枣树蒸腾规律进而对其耗水过程进行有效的调控,对于实现林地土壤水分的动态平衡和生态经济林(枣林)的可持续经营均具有重要的意义。本文以陕北榆林地区广泛种植的梨枣(pear-jujube)为研究对象。采用TDP树干液流监测系统、CNC100中子水分仪、TDT土壤水分监测探针、自动气象站以及冠层分析仪等观测设备对枣林的蒸腾动态、深层土壤水分状况(0~10m)、气象因子、树体生长发育指标等进行连续三年的定位观测,对枣树和枣林地的耗水及其变异规律、各影响因子对其响应方式及其节水调控策略进行了深入分析,得到如下研究成果:(1)树体液流日内变化总体呈现单峰变化趋势,但其启动时间、峰值大小、旺盛蒸腾时长、开始减弱和基本停滞的时间会随着生育期的改变以及其他影响因子的变化而发生变化。枣树蒸腾在生育期始末的5和10月较低,而在生育中期的6~9月较高(80~105mm/月)。枣树生育期的蒸腾主要发生在白天,但是夜间也存在液流现象,枣树夜间液流占全天蒸腾的10%~25%左右。引起夜间液流现象的主要原因是树体的根压吸水作用。在枣树生育期和休眠期其液流测定参数的变化规律存在显著差异,基于这一特征可以对枣树的生育期进行较为准确的界定。通过对比发现,基于液流特征确定的生育期和观察树体萌芽落叶确定的生育期时长基本一致,都约为160天左右。但基于液流特征确定的生育期日期会提前5天左右。枣树树体液流的启动要早于树体的萌芽,而树体的落叶发生在液流基本停止以后。树体的液流在生育初期启动以后要经历约1个月左右的增强过程,而树体液流的减弱到基本停止仅需要2~3天。(2)枣树的蒸腾和其生长发育指标之间关系密切,树体的边材面积和瞬时蒸腾(液流速率)成反比,而和日蒸腾量呈正比,枣树全生育期叶面积和叶面积指数均呈二次曲线变化,当叶面积较小时(LA2.1m2),叶面积和蒸腾之间存现显著的正相关关系(R2=0.84)。不同树龄枣树的耗水规律基本相同,在生育初期,不同树龄间耗水差异不显著,而生育中后期随着树龄的增加,耗水会显著增强。日蒸腾的最大值一般出现在7~9月份。不同树龄枣树蒸腾的变异与波动在年际存在差异,2012和2014年,不同树龄的生育期蒸腾的变异系数在生育始末期变异较小,中期差异很大(C.V值40%~60%),符合二次曲线变化规律(R22012=0.6061,R22014=0.3196)。2013年的变异系数在初期和后期都比较小,符合3次曲线变化(R22013=0.3483),这可能和当年生育后期降雨频繁,辐射强度偏低有关。(3)枣树蒸腾和气象因子的关系比较显著,而且逐日蒸腾、逐月蒸腾和全生育期蒸腾的主要影响因子不同,相同影响因子的响应程度(R2)和响应方式(K)也会随着时间的改变而发生变化。总体而言VPD和PAR是影响蒸腾的两个主要因子,同时也是枣树蒸腾两个主要的驱动因子。通过对液流上升、下降阶段和两大驱动因子的关系重点分析,发现两因子和液流均呈现极显著的正相关关系,而且液流和PAR的相关性比VPD更高。枣树的日蒸腾和两因子也呈极显著相关,但是相关系数会随着研究时间尺度的提高而降低,生育期各月液流和两因子均呈极显著相关,且液流对PAR的响应程度均高于VPD。(4)枣树对两大蒸腾驱动因子的响应存在明显的“时滞效应”。在蒸腾的启动阶段,两因子和蒸腾几乎同时启动。达到峰值的时间蒸腾最早、PAR次之、VPD最后。而液流的下降过程,PAR最早、蒸腾次之、VPD最后。由于“时滞效应”的存在,枣树对PAR和VPD的响应会存在阈值现象,在液流上升阶段当两因子超过一定阈值时候,蒸腾开始保持基本稳定而不再增加。反之在液流下降阶段当两因子降低到阈值以下,液流才开始显著降低。VPD的阈值在上升下降阶段均稳定在3.5Kpa左右,而PAR的阈值在上升和下降阶段存在差异(1000μmolm-2 s-1~1200μmolm-2 s-1)。这种时滞现象的存在也是枣树抗旱特征的重要标志,可以有效避免了枣树的过分失水。但两因子的响应阈值也会随着环境温度等影响因素的改变而发生改变(5)运用中子仪和土壤水分探针两种方法监测的枣林地1m层土壤水分变化规律完全一致,但是当土壤水分较低时,TDT探针监测的土壤含水量数据偏低。枣林地土壤水分受降雨影响波动剧烈。在丰水年(2013年)显著上升(1m层土壤储水量+28mm),平水年(2012年)略有亏缺(-5.5mm),在枯水年(2014年)亏缺严重(-40mm)。土壤含水量的波动和变异程度(C.V)随着土层深度的加深逐渐降低,枣林地土壤自上而下按照其水分变化情况和波动程度可划分为:土壤水分剧烈变化层(0-0.6m),土壤水分变化层(0.6-2.6m),土壤水分干层(2.6-6m)和土壤水分恢复层(6-10m)。在不同水文年型,枣树的蒸腾量均会随着土壤含水量的上升而增加。土壤水分状况不仅能引起日蒸腾量的变化,也会引起瞬时蒸腾(液流)特征的改变。随着土壤含水量的上升,液流谷值出现的时间提前,峰值出现时间推后,液流“午休”时间缩短,保持旺盛蒸腾时间延长,反之亦然。(6)通过在不同时间尺度上对影响枣树蒸腾的气象因子、土壤水分和生长因子的的综合分析,发现各因子和蒸腾相关性(R2)均在生育期较高。生育期逐月蒸腾在时尺度的主导因子为PAR(R2max=0.68)、日尺度上为RH(R2max=0.78)和WS(R2max=0.81)、旬尺度为LAI(R2max=0.82)和LA(R2max=0.73)。全年蒸腾量在较小时间尺度上(时和日尺度)和气象因子均呈极显著相关(p0.01),而在较大尺度(旬和月尺度)上仅和LAI、LA和SW呈极显著相关(p0.01)。土壤水分和枣树全年蒸腾总量极显著相关,但是逐月蒸腾关系并不显著,即枣树全年蒸腾总量主要受土壤水分状况影响,逐月蒸腾主要与自身生长发育阶段有关。随着尺度的提升,气象因子对蒸腾的相关关系逐渐减弱,作物自身生长状况和蒸腾的相关关系逐渐增强。但是相同时间尺度上逐月蒸腾量和全年蒸腾量的主要影响因子存在差异。(7)为了探求通过修剪控制枣树蒸腾和林地水分消耗的有效方法,通过修剪对枣树树体规模进行梯度控制。发现修剪可以显著的降低树体的蒸腾耗水。修剪造成的蒸腾耗水的差异:白天夜间,晴天阴天。在不同生育阶段,修剪造成蒸腾耗水的差异在萌芽展叶期差异不显著,而在开花座果、果实膨大、成熟落叶期以及全生育期均差异显著。经过连续2年的修剪控制,重度修剪比不修剪对照(CK)蒸腾量减小了68.6%,土壤含水量增加40.5mm。由此可见,通过修剪减少树体规模可以显著的减少土壤水分消耗,增加土壤储水量。构建了山地枣林产量和需水量的水分生产函数方程,确定了山地枣林理论最大产量为16181.2 kg/hm2。此时水分生产效率仅为17.46 Kg/hm2/mm。随着枣树产量的增加,会带来水分生产效率的大幅下降。以当地多年平均降雨量450.1mm为供水量上限。根据水分生产函数方程,确定了可实现山地枣林可持续经营的枣林地产量目标:亩产800公斤,此时的水分生产效率上升到26.25Kg/hm2/mm,初步实现了“以水定产”。并通过线性和非线性的评价方法对产量和树体规格因子的关系分别进行了综合评价,结合生产实际确定出了冠幅体积和新稍长度两个“节水型修剪”的调控指标,为以产定型(树体规格)奠定了基础。
【关键词】：蒸腾 土壤水分 气象因子 节水调控 黄土高原
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S665.1
【目录】：

• 摘要6-9
• 英文摘要9-16
• 第一章 绪论16-28
• 1.1 研究目的意义16-17
• 1.2 国内外研究进展17-26
• 1.2.1 （林）果树蒸腾的测定方法研究进展17-20
• 1.2.2 气象因子对树体蒸腾的影响的研究进展20-21
• 1.2.3 黄土高原土壤水分状况研究进展21-22
• 1.2.4 蒸腾对土壤水分的影响的研究进展22
• 1.2.5 修剪对果树调控的研究进展22-24
• 1.2.6 修剪对果树蒸腾调控的研究进展24-26
• 1.2.7 蒸腾主要影响因子的时间尺度效应研究进展26
• 1.3 研究存在的不足26-28
• 第二章 研究方法与试验设计28-36
• 2.1 试验区概况28
• 2.2 研究目标28-29
• 2.3 研究内容29
• 2.3.1 树体生长发育状况对枣树蒸腾的影响29
• 2.3.2 气象因子对枣树蒸腾的影响29
• 2.3.3 土壤水分状况对枣树蒸腾的影响29
• 2.3.4 枣树蒸腾主要影响因子的时间尺度效应29
• 2.3.5 枣树蒸腾的节水调控策略29
• 2.4 试验方案29-31
• 2.4.1 树形修剪观测试验30-31
• 2.4.2 不同树龄枣树蒸腾观测试验31
• 2.5 观测指标与方法31-35
• 2.5.1 气象指标31
• 2.5.2 土壤指标31-32
• 2.5.3 叶面积、叶面积指数的监测32-33
• 2.5.4 边材面积的确定33-34
• 2.5.5 液流速率监测34
• 2.5.6 树体生长、形态和产量的指标：34
• 2.5.7 数据处理与分析34-35
• 2.6 技术路线图35-36
• 第三章 枣树的液流特征与蒸腾变化规律36-44
• 3.1 枣树液流参数特征36-38
• 3.1.1 枣树液流参数的测定36-37
• 3.1.2 生育期休眠期液流参数特征值差异37-38
• 3.2 基于液流参数特征的生育期界定38-39
• 3.2.1 传统的枣树生育期界定方法38
• 3.2.2 基于液流参数的生育期界定38
• 3.2.3 生育期液流的加强和减弱过程38-39
• 3.3 枣树的液流特征39-40
• 3.4 枣树蒸腾变化规律40-42
• 3.4.1 生育期逐月蒸腾41
• 3.4.2 逐日蒸腾与昼夜分配41-42
• 3.5 小结42-44
• 第四章树体生长发育对枣树蒸腾的影响44-50
• 4.1 边材面积对蒸腾的影响44-45
• 4.2 叶片规模对蒸腾的影响45-46
• 4.2.1 叶面积与叶面积指数动态45-46
• 4.2.2 叶面积和蒸腾的关系46
• 4.3 树龄对枣树蒸腾的影响46-49
• 4.3.1 不同树龄枣树的蒸腾差异46-48
• 4.3.2 不同树龄年际蒸腾耗水差异48-49
• 4.4 小结49-50
• 第五章 气象因子对枣树蒸腾的影响50-65
• 5.1 蒸腾和气象因子的逐日变化50-53
• 5.2 气象因子对蒸腾的影响53-56
• 5.2.1 气象因子对月蒸腾的影响53-55
• 5.2.2 气象因子对全生育期蒸腾的影响55-56
• 5.3 枣树蒸腾的主要驱动因子56-62
• 5.3.1 主驱动因子的确定56-57
• 5.3.2 瞬时蒸腾（液流）和驱动因子的变化规律57-59
• 5.3.3 瞬时蒸腾的增强与减弱59-60
• 5.3.4 日蒸腾和主要驱动因子的关系60-61
• 5.3.5 主要驱动因子的时间变异性61-62
• 5.4 液流的时滞特征62-63
• 5.5 小结63-65
• 第六章 土壤水分对枣树蒸腾的影响65-75
• 6.1 土壤水分时空变化规律65-70
• 6.1.1 土壤水分时间变化65-67
• 6.1.2 土壤水分的垂直（空间）变化67-70
• 6.2 土壤水分对蒸腾的影响70-74
• 6.2.1 液流（瞬时蒸腾）峰值、谷值出现时间与土壤水分关系70-71
• 6.2.2 生育前期土壤水分对蒸腾量的影响71-73
• 6.2.3 中后期土壤水分状况对蒸腾量的影响73-74
• 6.3 小结74-75
• 第七章 枣树蒸腾主要影响因子的时间尺度效应75-84
• 7.1 数据筛选的预处理75-76
• 7.1.1 主要影响因子的筛选与确定75
• 7.1.2 不同时间尺度蒸腾的确定75-76
• 7.1.3 数据标准化处理76
• 7.2 月蒸腾主要影响因子的时间尺度效应76-81
• 7.2.1 时蒸腾对其影响因子的响应76-78
• 7.2.2 日蒸腾对其影响因子的响应78-79
• 7.2.3 旬蒸腾对其影响因子的响应79-80
• 7.2.4 不同尺度蒸腾对影响因子响应的逐月动态80-81
• 7.3 全年蒸腾主要影响因子的时间尺度效应81-82
• 7.4 讨论82-83
• 7.5 小结83-84
• 第八章 修剪对枣树蒸腾的调控作用84-94
• 8.1 指标观测与修剪处理84
• 8.2 典型修剪强度下的蒸腾84-87
• 8.2.1 瞬时尺度下（10mins）蒸腾差异84-85
• 8.2.2 各生育期蒸腾差异性85-86
• 8.2.3 典型修剪强度下的土壤水分状况86-87
• 8.3 树体规格和树体蒸腾的关系87-89
• 8.3.1 枣股枣吊与蒸腾的关系87
• 8.3.2 冠幅体积、枝条和蒸腾的关系87-88
• 8.3.3 叶面积、叶面积指数和蒸腾的关系88-89
• 8.4 水量约束下的目标产量89-90
• 8.4.1 树体蒸腾和产量的关系89
• 8.4.2 目标产量的确定89-90
• 8.5 合理树体调控指标的确定90-92
• 8.5.1 皮尔逊相关分析90-91
• 8.5.2 灰色关联度分析91-92
• 8.5.3 评价指标的确定92
• 8.6“节水型修剪”理论的提出与展望92-93
• 8.7 小结93-94
• 第九章 总结与讨论94-97
• 9.1 本文的主要结论94-96
• 9.2 本文的主要进展96
• 9.3 研究的不足与展望96-97
• 参考文献97-110
• 致谢110-112
• 作者简介112-114

【参考文献】

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