不同天气条件下玉米生长期茎流变化特性及研究.docx

1、不同天气条件下玉米生长期茎流变化特性及研究不同天气条件下玉米生长期茎流变化特性及研究闫业庆，胡雅杰，张旭昇，朱锡芬，魏国孝（兰州大学西部环境教育部重点实验室，兰州 730000）5 摘要：研究不同天气条件下玉米生长期茎流特征，以期为干旱半干旱区玉米的节水灌溉及科学管理提供一定的理论依据。利用包裹式茎流计及小型自计式气象站对甘肃省会宁县太平镇农作物玉米的液流通量密度以及其周围环境因子进行观测。结合人工记录，选取三种典型的天气条件对玉米液流通量密度变化趋势及其与环境因子的关系进行分析。玉米液流日变化曲线在三种天气条件下总体趋势相同，都呈现出“几”字型的多峰曲线，但各天气条件下液流10 日变化又具有

2、各自的特点。玉米液流的变化是各环境因子综合作用的结果，各环境因子与玉米液流都呈现出极显著的线性关系。不同天气条件下影响玉米液流的主要环境因子各异，但光合有效辐射始终是影响玉米液流变化的最主要的环境因子。玉米液流日累积量在三种天气条件下从大到小的顺序依次为晴天、多云、阴雨。关键词：玉米；茎流；天气条件；会宁；环境因子15 中图分类号：S31Study on the Characteristics of Sap Flow during Corn growing Season in Different Weather ConditionYan Yeqing, Hu Yajie, Zhang Xush

3、eng, Zhu Xifen, Wei Guoxiao20 (Key Laboratory of Western Chinas Environmental Lanzhou University, LanZhou 730000)Abstract: The objective of this paper is to offer some theoretics for water-saving irrigation and scientific management of the corn in Arid and Semi-Arid regions through studying on the c

4、haracteristics of sap flow during corn growing season in different weather conditions.In this research, the sap flow rate of corn and the ambient environmental factors were observed by the packaged sap25 flow probe and minitype auto-meteorological station.According to the experimental records,three

5、most representative weather conditions were gathered to analyze the changing trends of the corn sap flow and the relationship between corn sap flow and the environmental factors.As a whole, the resultsshowed that the diurnal variation of corn sap flow presents same changing trends(a curve with more

6、than one peak) in different weather conditions.However,they have their own characteristics.The30 changing trends is the result of comprehensive effects of environmental factors.There is a significant linear relationship between corn sap flow and environmental factors.The main environmental factors w

7、hich impacts sap flow are different in various weather conditions.It is also found that PAR Light wasthe dominant factor affecting the sap flow under all the three weather conditions. The water consumption of corn sap flow declined in the order of sunny dayscloudy daysrainy days.35 Keywords:corn; sa

8、p flow; weather conditions; Huining; environment factors0 引言玉米（拉丁文为 Zea mays）亦称包谷、苞米、珍珠米，禾本科，一年生草本。起源于北、中、南美洲。植株高大，茎强壮，挺直。叶窄而大，边缘波状，于茎的两侧互生。全世40 界玉米播种面积仅次于小麦和水稻而居第三位。在我国玉米的播种面积很大，分布也很广，是我国北方和西南山区及其它旱谷地区人民的主要粮食来源之一。随着全球气候变化，资源越发匮乏，水资源问题已成为当今各地所面临的最主要的环境基金项目：青藏高原和中东亚干旱区环境变化与地表过程研究（西部干旱环境变化)（40721061）作

9、者简介：闫业庆，（1984- ），男，山东枣庄人，兰州大学资源环境学院水文及水资源系在读硕士，主要从事干旱区水资源与环境方面的学习和研究通信联系人：魏国孝，（1966-），男，甘肃省会宁县人，副教授，主要研究方向干旱区水资源与环境. E-mail:weiguoxiao- 1 -问题之一。而在干旱半干旱的黄土高原地区，由于水资源稀缺，合理的利用水资源更是重中之重的事情。玉米是干旱半干旱地区主要的农作物之一，是该地区居民主要的粮食作物及经45 济收入的来源。因此，通过本实验在研究该地区玉米茎流特征的基础上归纳出玉米茎流的变化规律及耗水量，揭示出玉米在干旱半干旱区水分环境的适应过程和机制，进而为干旱

10、半干旱区玉米制定适时的灌溉定额以及如何科学管理提供一定的理论依据。有关植物茎杆液流的测定方法和手段一直是生态水文研究较为活跃的领域1-4。而且测定方法很多，有染料法、放射性同位素法、示踪法、磁流体动力学法5、蒸渗仪法6、整50 树容器法7、快速称重法8以及热脉冲7、热平衡9、热扩散10等技术。本实验所采用的是以热平衡为原理的包裹式茎流计，其在研究较小茎干液流时具有明显的优越性，经Sakuratani Baker 和 Steinberg 等人的发展与完善11-13，实验证明准确性极高。国内运用此方法研究的植物茎流，大部分集中在低矮的灌木及高大的乔木上9 14 15。而对于主要农作物之一的玉米茎流

11、的相关研究则相对较少。本文主要是对位于甘肃省会宁县太平镇地区的玉55 米液流进行研究，利用 dynamax 茎流计对该地玉米生长期的茎流进行连续测量，同时利用小型气象站对该区的气象数据实行同步观测，最终对收集的数据整理分析，从而揭示该地区玉米茎流的特殊规律。1 研究区概况研究区位于甘肃省会宁县太平镇。会宁县处于甘肃省中部，白银市南端，该地区介于北60 纬 35243626、东经 1042910534之间，辖 24 个乡 4 个镇，总人口 58.31 万，境内有汉、回、东乡、藏、满等 5 个民族。总区域面积 5653.46km2，地域面积大。其中耕地面积304.46 万亩，属陇西黄土高原丘陵沟壑

12、区，主要包括内山旱地、塬旱地以及川旱地，这些耕地大都少雨缺水，干旱严重。会宁县全区平均海拔高度为 2025m；属温带季风型气候，年（1990-2005）平均温度在 5.0-8.5之间，年无霜期为 136-186d；年平均降水量为 340mm，65 年蒸发量达 1800mm；全县地表水稀少，地下水位深，水质矿化度高，因此研究该区植物茎流规律，对于合理的分配和利用该地的水资源具有重大的意义。试验地位于会宁县太平镇，地处北纬 3542，东经 10534，海拔高度为 1951m。试验区为普通农田，面积为 2m30m，农田平整，无坡度。玉米均匀种植其中，其中植株株距和行距的尺寸分别为 0.4m、0.5m

13、。70 2 实验材料及设计2.1 实验材料实验材料为当地主要农作物玉米，玉米种子于 2010 年 4 月 15 号种植于实验田中，以薄膜覆盖。截止到测量日，玉米植株的生长时长为 94 天。测量开始当天去除覆盖于地表的薄膜及杂草。试验田为普通农耕地，常年以种植玉米为主，并施农业化肥。本实验所用仪75 器主要包括 Dynamax 包裹式茎流计（flow-32），小型自计式气象站等。2.2 实验设计在试验田中挑选两株生长状况良好、无叶片及茎干损伤的玉米植株，两株玉米分别位于试验田的两侧边，为便于研究分别编号为 1 号和 2 号。安装前将玉米底部老叶剔除，把安装部位的茎干清理干净，准确测量其直径，并安

14、装相应大小的传感器，传感器外部用防护罩包80 裹以防止太阳辐射的影响。Dynamax 茎流测量系统的详细安装步骤参考文献16.茎流计数据- 2 -采集间隔设定为 30min，从 7 月 18 号 9:00 开始，测量整个玉米的生长期（结束期为当年 10 月 15 号）。同时在试验田附近安装一自计式小型气象站，同步测量试验区的太阳辐射、光合有效辐射、空气温度、空气湿度以及风速风向等气象因子，定期将测量数据用笔记本电脑统一收集并带回处理。收集的数据利用 flow-32 自带 excel 表格、originpro8.0 以及 SPASS13.085 等软件进行分析处理。玉米日茎流累计量由被测植株茎流

15、的整点值与该时间段以微小梯形积分累加所得17。被测植株及传感器相应参数见表 2-1表 2-1. SGB 探头规格和工作参数及被测样株基本特征Tab.2 Specifications and working parameters of SGB and the basic properties of the measured samples探头型号工作电压/V研究对象测量部位平测量部位茎株高/m叶片数/片均直径/mm干面积/cm2SGB-2541 号玉米植株24.814.83201.959SGB-2542 号玉米植株25.375.05062.110903 结果与分析3.1 不同天气条件下玉米植株茎

16、流日变化研究综合分析测量时段内的天气情况，本文选取三种典型天气条件对玉米液流通量进行分析，三种天气分别为晴天、多云以及阴雨。三种天气条件的划分原则以当地气象部门的相关95 资料和人工观测相结合。太阳全天可见或者持续 4/5 日可见为晴天；太阳不可见或只有 1/5 日可见且无降雨为多云；太阳不可见且有降雨为阴雨。图 1、不同天气条件下玉米茎杆液流通量密度日变化图 2、不同天气条件下玉米茎杆日液流量100Fig1.Diurnal sap flow density fluctuation of corn inFig2.Diurnal water consumption ofdifferent wea

17、ther conditionscorn in different weather conditionsa) 晴天 Sunny day：7.19：7.27:7.28 b）多云 Cloudy day：7.21：7.23：7.26c）阴雨 Rainy day：7.22：7.24:7.25（下同）图 1 为 1 号玉米在三种天气（分别为晴天，多云以及阴雨天气）条件下的日液流通量密105 度变化曲线。从图 1 可以看出，玉米日液流通量密度变化趋势在三种天气条件下基本相同，总体的变化趋势呈现出“几”字型的多峰曲线。茎流通量密度的变化率在早晚的时间段变化较平缓。在晴好天气条件下，玉米的日茎流通量密度变化曲线

18、为“几”字型的多峰曲线，茎流在- 3 -6:00-7:00 开始启动，逐渐增加，到 14:00 左右达到一天中的最大值，实验日内液流通量密度110 的最大值介于 103.02g/h-114.25g/h 之间。达到峰值后的一到两小时内液流一直保持在高峰状态并伴有持续的波动，但总会出现一次茎流巨减然后又急剧增加的情况。这种情况称为“液流流速的午休”18 19现象。蒸腾速率“午休”主要是由于干旱及半干旱区植物为了保存植物体内的水分，短暂关闭或减小叶片气孔开度，降低植物体内水分蒸腾所致，从而使植株不至因失水过多而停止生长或死亡。到 0:00 点以后液流停止。其中在 7.19 和 7.27 号零点到两点

19、之115 间出现微小的液流，说明夜间根系可以继续保持吸水能力，以此来协调植物体的需水平衡20。玉米夜间吸水有可能是白天植株茎流过大，根系吸水在一定程度上不能满足蒸腾失水，造成植物体内水分供需平衡失调，水容下降20。于是夜间蒸腾停止后，在根压的作用下根系吸水方式由被动变为主动，持续保持吸水能力，以此补充白天蒸腾引起的水分亏缺21。到了夜晚在土壤水势的作用下补充水分，以保持植物体内水分的供需平衡。7.27 号玉米的夜120 间茎流比 7.19 号的茎流大很多，结合这两天当夜的气象数据知：7.27 日夜间有风，虽然风速较小（在 3.2m/s 以下），但这也足以影响到植株叶片内外的空气压差，从而增加了

20、该日的茎流。多云天气条件下，玉米液流通量密度大约从早晨 4:00 开始启动，茎流值的变化波动较大，为多峰曲线。这是因为在多云天气条件下由于云量的增减，导致太阳辐射变化频繁。试125 验地处于半干旱地区，土壤水含量较贫乏，加之空气相对湿度低，太阳辐射较强烈，叶片气孔开度要不断调节以维持根系吸水和蒸腾失水之间的平衡22。但液流通量密度在一天中仍会出现一个最大值，只是出现的时间点不同。7.21、7.23 和 7.26 最大值出现的时间分别为15：30、12:00、14:00，液流通量密度的最大值分别为 80g/h、80.56g/h 以及 106.13g/h。从图中可以看出，7.26 号的玉米液流通量

21、要比其他两天都大，结合当天的气象数据分析知：从130 7.26 号早晨 8:30 开始一直到 0:00，有持续的风存在，且风速介于 1.2m/s-6.4m/s 之间，平均风速为 2m/s。综合晴好天气条件下玉米液流在夜间的微小波动和多云天气且有风条件液流增大的现象可以推断，风速在一定程度上起到增加植物液流的作用。阴雨天气条件下，由于各环境因子变化较不规则，所以液流启动时间不定。在阴雨天气，太阳辐射相对较小，空气温度低，空气相对湿度较高，致使玉米液流通量密度较小，且各实135 验日内的液流通量密度变化趋势各异。7.22 日，玉米液流值比较小，峰值为 38.57g/h，液流波动也较少。7.24 和

22、 7.25 两天，玉米液流通量密度值较大，且变化幅度也较大。结合气象资料可以看出，这两天中太阳辐射较 7.22 日强烈且波动频繁，从而致使其他气象因子变动加剧，最终导致液流比 7.22 日的液流通量密度大，波动也更大，从而出现多个峰值。综合三天的液流通量密度以及太阳辐射的变化可以推断，太阳辐射是影响植株茎流的主要环境因140 子之一23。但当太阳辐射变化幅度较低时，是不足以引起植株液流变化的。图 2 为不同天气条件下玉米液流日累积量。玉米液流的日累积量为当天各整点时的液流通量密度与时间以梯形微分累加而得。晴好天气条件下，各天日累积液流量分别为：988.47g（7.19）、809.22g（7.2

23、7）、750.48g（7.28），三天的平均液流量为 849.39g；多云天气条件下，各天日累积液流量分别为：658.52g（7.21）、529.84g（7.23）、829.03g（7.26），三145 天的平均液流量为 672.46g；阴雨天气条件下，各天日累积液流量分别为：254.24g（7.22）、416.7g（7.24）、638.93g（7.25），三天的平均液流量为 436.62g。可以看出，不同天气条件下玉米液流日累积量平均值从大到小的顺序为：晴天多云阴雨。三种天气条件中，晴天和多云天气玉米液流日累积量差别不大，而在阴雨天气玉米液流日累积量差别则较为明显，这主要是由于在阴雨天气条件

24、下各环境因子大幅度变化所致。光是影响植物生长的重要的环- 4 -150 境因子22，在这三种天气条件下太阳辐射的变化最为明显，从而影响到光合辐射、空气温度以及空气湿度等的变化。可以推断出，太阳辐射是影响玉米茎流的主要因素之一23。3.2 玉米植株茎流与环境因子的关系研究表明，植物的蒸腾耗水是一个复杂的过程，既受自身生理特性制约，同时也是其生长环境中各环境因子综合作用的结果24。研究表明太阳辐射、光合有效辐射、空气温度、155 湿度、风速、土壤含水量等是影响植物茎流的主要环境因子25 26。本文主要从太阳辐射、光合有效辐射、空气温度以及空气相对湿度四个方面分析其与玉米茎流的相关关系。图 3不同天

25、气条件下太阳辐射、光合有效辐射、空气温度和空气相对湿度日变化Fig.3 Diurnal variations of Solar Radiation,PAR Light,Air Temperature and Air Relative Humidity in different160weather conditions3.2.1 环境因子的变化从图 3 可以看出在三种天气条件下，太阳辐射和光合有效辐射具有相似的变化特性，而空气温度和空气相对湿度的变化则相反。晴天条件下，太阳辐射及光合有效辐射呈现出宽大165 或者尖廋型的单峰和多峰曲线，且相对强烈,太阳辐射最大值可达 2424Wat/m2。随着太

26、阳辐射的启动，空气温度迅速上升，到上午 10:00 左右达到高峰状态，之后一直持续到 18:30 左右。在高峰期，温度一直保持在 25以上。空气相对湿度则呈现出倒“几”字型的单峰曲线，其值相对较低，最低值可达 31.5%。多云天气条件下，太阳辐射及光合有效辐射波动较频繁，呈现出宽大的多峰曲线。空气温度和空气相对湿度变化较晴天平缓，其值也较小。阴雨天气170 条件下，太阳辐射及光合有效辐射的变化呈现出不规则的宽多峰曲线。综合气象资料可以看出由于 7.22 号持续降雨时间较其他两天为长，相对来说云量较多，所以太阳辐射及光合有- 5 -效辐射都较小。阴雨条件下，空气温度和空气相对湿度变化最平缓，最高

27、值和最低值之间相差不大。3.2.2 环境因子的变化175 从图 3 可以看出在三种天气条件下，太阳辐射和光合有效辐射具有相似的变化特性，而空气温度和空气相对湿度的变化则相反。晴天条件下，太阳辐射及光合有效辐射呈现出宽大或者尖廋型的单峰和多峰曲线，且相对强烈,太阳辐射最大值可达 2424Wat/m2。随着太阳辐射的启动，空气温度迅速上升，到上午 10:00 左右达到高峰状态，之后一直持续到 18:30 左右。在高峰期，温度一直保持在 25以上。空气相对湿度则呈现出倒“几”字型的单峰曲线，180 其值相对较低，最低值可达 31.5%。多云天气条件下，太阳辐射及光合有效辐射波动较频繁，呈现出宽大的多

28、峰曲线。空气温度和空气相对湿度变化较晴天平缓，其值也较小。阴雨天气条件下，太阳辐射及光合有效辐射的变化呈现出不规则的宽多峰曲线。综合气象资料可以看出由于 7.22 号持续降雨时间较其他两天为长，相对来说云量较多，所以太阳辐射及光合有效辐射都较小。阴雨条件下，空气温度和空气相对湿度变化最平缓，最高值和最低值之间相185 差不大。3.2.3液流流速与环境因子的关系利用 SPSS 软件对不同天气条件下玉米液流通量密度与四个环境因子进行相关分析。玉米液流通量密度与一个环境因子做相关分析时其他三个环境因子进行变量控制，得出表 3-1。可见，在三种天气条件下各环境因子与玉米液流通量密度都具有很高的线性相关

29、关系。 190 其 P 值均为 0.000（以 0.01 为显著性水平利用 F 函数进行检验）。表 3-1 不同天气条件下玉米液流速率与各环境因子的相关分析Tab3-1.Correlation analysis between sap flow velocity and environment factors in different weather conditions天气系数太阳辐射光合有效空气温度空气湿度Solar辐射RelativeWeatherCoefficientTemperatureRadiationPAR LightHumidity相关系数0.9120.9590.851-0.8

30、05晴天P 值0.0000.0000.0000.000样本数144144144144相关系数0.8480.8620.905-0.686多云P 值0.0000.0000.0000.000样本数144144144144相关系数0.8860.8920.901-0.782阴雨P 值0.0000.0000.0000.000样本数144144144144195 在相关性分析的基础上，利用多元线性回归模型对玉米液流与光合有效辐射、温度及相对湿度进行回归分析，采用逐步回归分析方法，以 0.01 可靠性作为变量入选和剔除的临界值建立不同天气条件下玉米液流与各环境因子的多元线性回归方程，见表 3-2。（多元线性回

31、归分析以 T 函数作为检验方法，其 P 值均为 0.000，达到极显著性水平。由于太阳辐射和光合有效辐射对玉米液流的影响相似，为避免重复分析，本文只选取光合有效辐射作为分析200 因子。）205- 6 -表 3-2 不同天气条件下玉米液流通量密度与环境因子的多元线性回归模型Tab3-2 Multiple linear model of environmental factor with sap flows velocity in different weather conditions天气 Weather回归方程 Regression equationR2晴天 Sunny daySF=45.620+0.784PAR-0.245RH0.948多云 Cloudy