酸棗耗水特征分析及預測模型的構建

滕慧穎，馬長明，劉春鵬，謝曉亮，田 偉

（1.國家半干旱農業工程技術研究中心，河北 石家莊 050051；2.河北農業大學 林學院，河北 保定 071000；3.河北省林業和草原科學研究院 河北省林木良種技術創新中心，河北 石家莊 050061；4.河北省農林科學院 經濟作物研究所，河北 石家莊 050051）

酸棗Zizyphus jujubavar.spinosa為鼠李科Rhammaceae 棗屬Zizyphus落葉灌木或小喬木，又名山棗、野棗、棘刺花、葛針等，原產于我國華北地區，是栽培棗的原生種[1]。其果實具有較高的營養價值和藥用價值，尤其是酸棗仁，是河北省著名的道地中藥材之一[2]，具有補肝膽、寧心神、斂汗、健胃和鎮靜等多種功效，是治療失眠等病癥的核心中藥材[3]，被衛生部認定為藥食同源的物品[4]。其生長適應性強，具有較強的抗旱、抗寒、耐瘠薄等特性，因此成為干旱瘠薄地區植被恢復的先鋒經濟樹種[5-6]。

河北省太行山區是我國野生酸棗的主要分布區，具有豐富的酸棗資源。在鄉村振興戰略的背景下，酸棗產業作為太行山區傳統特色產業，成為該地區主要發展的鄉村產業之一[3]。太行山干旱、半干旱石質山區，土層薄，降水量少，保水能力差，因此水分成為該地區植物生長的主要限制因子之一[7-8]。研究酸棗的耗水特征，構建其耗水模型，有助于了解酸棗蒸騰耗水的特點，預測其耗水情況，進而為該地區酸棗造林和人工補水提供理論依據和技術支持，進而達到提高酸棗品質和產量，增加農民收入的目的。

本研究以酸棗為研究對象，分別采用熱擴散探針法（TDP）和小型自動氣象站法，對其樹干液流和環境因子進行同步監測，分析酸棗不同季節的耗水特性，探討其耗水特征與環境因子的關系，并建立酸棗耗水預測模型，以期闡明其蒸騰耗水規律，依據環境因子對其耗水情況進行預測，為干旱區酸棗造林及人工補水提供理論依據和技術支持。

1 研究區概況

本研究于太行山中段東麓進行，具體位置為河北省平山縣（38°09′～38°45′N，113°31′～114°15′E）寺家溝村。該地域屬于半干旱半濕潤低山丘陵區，海拔120～2 281 m，年均降水量530～690 mm，多集中于7—8月份，年均蒸發量 1 815.4 mm，年均干燥度1.38。氣候屬于暖溫帶季風大陸性氣候，立體氣候明顯，春夏秋冬分明，多年平均氣溫12.7 ℃左右，最高氣溫 40.8 ℃，最低溫-16.4 ℃；光照充足，全年太陽輻射量548.5～569.4 kJ/cm2，有效輻射量 273.8 kJ/cm2，平均日照時間為2 600～2 750 h。春季多風，年平均風速2.2 m/s；農作物生長期170 d，無霜期185 d。土壤類型為石灰性褐土。

試驗地設置在陽坡，周圍植被主要有：喬木樹種黃連木Pistacia chinensis、刺槐Robinia pseudoacacia、山杏Prunus sibirica、黑棗Diospyros lotus、柿樹Diospyros kaki等；灌木樹種酸棗、荊條Vitex negundovar.heterophylla、黃櫨Cotinus coggygria、連翹Forsythia suspensa等；草本植物蒺 藜Tribulus terrestris、狗尾草Setaria viridis、白羊草Bothriochloa ischaemum、黃背草Themeda triandra、蒲公英Taraxacum mongolicum等。

2 研究方法

2.1 樹干液流的測定

本試驗利用國內北京雨根科技有限公司設計生產的RR-8210 莖流儀，基于熱擴散探針法（TDP）對酸棗的樹干液流進行測定。具體方法是：以莖流儀數據采集儀為中心，在連接傳感器線長度為半徑的圓形范圍內，選擇樹干通直、生長良好、無病蟲害且大小相近的酸棗3 株（選定的植株距地30 cm 處直徑分別為2.65、2.60、2.62 cm）作為試驗材料，于垂直地面30 cm 處，將樹皮削去10～15 cm 的一小段，厚度以削去韌皮部不傷害木質部為宜，采用直徑為2.5 mm 的電鉆，依靠廠家佩帶的打孔板進行打孔，打孔深度稍大于10 mm，然后將10 mm 探針插入孔中，為避免外界環境對監測數據造成的不良影響，將探針傳感器用泡沫盒子罩上，并包裹反光紙，連接數據采集儀，開通電源，設置每2 s 測讀1 次，每10 min 自動平均并存儲數據，定期利用儀器公司提供的數據采集軟件進行采數。監測時間為2008年5—10月，待試驗結束后，于探針安裝處，將酸棗植株鋸掉，觀察并測算其邊材面積（經過測算，邊材面積分別為4.7、4.6、4.6 cm2）。

2.2 環境因子的測定

在3 株供試材料的中心位置，利用美國SPECTRUM 生產的Watchdog900ET 小型自動氣象站，對林內距地1.5 m 高位置的大氣溫度（℃）、太陽輻射（W/m2）、空氣相對濕度（%）、風速（km/h）以及20 cm 深度的土壤溫度（℃）、土壤含水量（%）等環境因子進行監測，同樣設置2 s 測讀1 次，每10 min 進行平均并儲存數據，并保證與莖流測定時間同步。

2.3 數據處理

2.3.1 樹干液流的連日變化特征

為了充分了解不同天氣條件下酸棗的耗水特性，選擇涵蓋晴、陰和雨3 種典型天氣的連續幾天。其中典型天氣選擇標準如下。晴天：天空晴朗無云，太陽無遮擋。陰天：全天天空布滿烏云，但無降雨；雨天：有降雨，降水量大于小雨。經過篩選，選擇了2018年5月4日—5月9日所獲取的數據進行分析，其中5月4—6、8日為晴天，7日為陰天，9日為雨天（降雨時間為8:40—12:10 和13:40—14:40，降水量為14.6 mm）。統計液流啟動、終止、達到首峰、開始下降、達最大值時間以及樹干液流速度最大值、平均值以及日耗水量。

2.3.2 樹干液流的月變化特征

由于陰、雨天氣所占比例較小，且各環境因子往往會出現不規律的突變，造成樹干液流的不規律性，為了避免這種不規律對整個耗水情況的影響，選擇各月所有典型晴天（5月：4—5、6、8、14、19—23、26、28—29日。6月：7—9、11—13、17—24、26—27日。7月：2—3、6—7、12—13、15—16、19—27日。8月：2—5、11—12、17—19、22—28、31日。9月：1—6、8、10—20、22、25、29—30日。10月：1—2、6、8、10—19、27—28日），將每一時刻的樹干液流速度進行平均，進而可得酸棗各月的樹干液流變化規律。

2.3.3 樹干液流與環境因子的關系

于各月選擇3個連續的典型晴天（5月4—6日；6月20—22日；7月19—21日；8月22—24日；9月10—12日；10月12—14日），將各時間點的樹干液流速度與其所對應的環境因子進行簡單相關性分析。

2.3.4 耗水預測模型的構建與驗證

同樹干液流與環境因子關系中選擇的數據相同，選擇3 個連續典型的晴天，以對應的各環境因子為變量，以液流速度為因變量，進行多元線性逐步回歸分析，以5%和10%作為變量入選和剔除臨界值，獲得酸棗的耗水預測模型。然后于各月另外選擇3 個連續典型晴天（5月18—20日；6月17—19日；7月22—24日；8月25—27日；9月13—15日；10月15—17日），依據監測的各環境因子，按照預測模型計算出液流速度和日耗水量，并與實測值進行比較，探討各月耗水預測模型的可靠性。

利用Excel 2003 對觀測數據進行整理、計算和作圖，利用SPSS 13.0 進行相關分析和多元逐步回歸分析。

3 結果與分析

3.1 樹干液流的連日變化特征

如圖1所示，酸棗樹干液流呈現“晝高夜低”相互交替的變化規律，白天樹干液流具有一定的波動性，呈現多峰。晴、陰、雨天樹干液流變化有所不同。如圖1和表1 所示，晴天（5月4—6日、8日）時，酸棗的樹干液流一般于4:45—6:25啟動，8:10—8:45 達到首峰，13:35—14:55 達到最大值，16:05—17:20 開始下降，20:00—次日5:15終止；陰天（5月7日）時，樹干液流于6:30 啟動，10:15 達到首峰，12:45 達到最大值，17:30 開始下降，次日0:45 終止，其液流啟動、達到首峰、開始下降均晚于晴天，達到最大值時間早于晴天，終止時間與晴天差異不顯著。就液流最大值、平均液流速度和耗水量而言，晴天＞陰天；雨天（9日，降水時間為8:40—12:10 和13:40—14:40，降水量為14.6 mm）時，樹干液流于6:20 啟動，8:45達到首峰，12:50 達到最大值，17:35 開始下降，于次日終止。其平均液流速度和耗水量處于晴天和陰天之間，液流速度最大值大于陰天，但是由于雨天時受降雨時間和降水量的影響，樹干液流日進程變化具有較大隨機性，不具有普遍代表性。

圖1 樹干液流速度的日變化Fig.1 Diurnal variations of stem sap flow

表1 樹干液流日變化特征?Table 1 Diurnal variation characteristics of stem sap flow

3.2 樹干液流的月變化特征

如圖2所示，酸棗各月的樹干液流變化具有差異性。雖然各月樹干液流都表現出一定的波動性，呈現多峰，但與其他月份相比，5月份樹干液流的波動性較大，多峰狀態更加明顯，而10月份樹干液流呈現明顯的雙峰。就平均液流速度和日均耗水量（表2）而言，各月份呈現先升高后降低的趨勢，6—7月份耗水最大，平均液流速度分別為0.001 36 和0.001 35 cm/s，日均耗水量分別為0.552 15 和0.547 34 L/d，占整個生長季耗水的42.8%；其次為5月和8月，平均液流速度分別為0.001 17 和0.001 16 cm/s，日均耗水量分別為0.474 68 和0.471 12 L/d，占36.9%；再次為9月，平均液流速度為0.000 91 cm/s，日均耗水量分別為 0.370 73 L/d，占14.5%；10月耗水量最低，平均液流速度為0.000 37 cm/s，日均耗水量分別為 0.148 45 L/d，只占5.8%。

圖2 不同月份的樹干液流變化Fig.2 The fluctuation of sap flow velocity in different months

表2 不同月份的耗水情況Table 2 The water consumption in different months

3.3 樹干液流與環境因子的關系

表3 統計了各月份樹干液流與各環境因子的相關系數。如表3 所示，各月樹干液流均與太陽輻射、大氣溫度和空氣相對濕度呈顯著相關性，其中與太陽輻射和大氣溫度呈顯著正相關，而與空氣相對濕度呈顯著負相關。三者的相關系數遠大于其他3 個環境因子，說明太陽輻射、大氣溫度和空氣相對濕度是影響酸棗耗水的主要環境因子。除10月份外，樹干液流與大氣溫度的相關系數均大于太陽輻射和空氣相對濕度，而后兩者相關系數相差不大，沒有明顯的大小順序規律。就樹干液流與主要環境因子的相關系數而言，各月樹干液流與主要環境因子的相關系數也基本呈現先升高后降低的趨勢，7月份最高，10月份最低。另外，各月份樹干液流與土壤溫度、土壤含水量和風速的相關性不顯著或者相關系數較低。其中相關系數較大的有：5月份樹干液流與風速表現出顯著的正相關；8月份與土壤溫度表現出顯著負相關。

3.4 耗水預測模型的構建與驗證

表4 匯總了酸棗各月樹干液流速度與各環境因子的多元回歸模型，經F檢驗，各方程均達到極顯著或顯著水平，各月調整R2也呈現出先升高后降低的趨勢，除9—10月份外，調整R2均達到0.8 以上，說明除9—10月各月耗水模型擬合良好。表5 統計了未參與建模的3 個連續晴天酸棗的實測耗水量和利用模型預測的耗水量，計算了預測耗水量與實測值間的誤差率。從表5 可以看出，酸棗各月預測值的誤差率雖然存在大于10%的情況，但其平均值小于2%，遠低于生物統計上認可的10%[9]，因此，利用各月耗水預測模型對酸棗的耗水情況進行預測，具有一定的可靠性。

表3 各月樹干液流與環境因子的相關性分析?Table 3 Correlation analysis between sap flow velocity of shrubs and environmental factors in each month

表4 不同月份耗水預測模型?Table 4 The water-consumption prediction models in different months

表5 耗水預測模型的誤差評價Table 5 Error evaluation of water-consumption prediction models

4 討 論

1）酸棗的樹干液流呈現“晝高夜低”的變化規律。陰天時，樹干液流啟動和達首峰時間晚于晴天，與徐利崗等[10]和馬長明等[11]的研究結果一致。主要是因為陰天時，太陽被云層遮擋，其太陽輻射出現時間較晚，大氣溫度隨之上升較晚，空氣相對濕度下降，進而導致液流啟動和達首峰時間較晚。就最大液流速度、平均液流速度和耗水量而言，晴天＞陰天；這與馬長明等[11]、劉嘉翔等[12]的研究結論一致，主要是因為陰天時，其太陽輻射、大氣溫度偏低，而空氣相對濕度偏高造成的。由于雨天時降水時間和降水量各不相同，導致太陽輻射、大氣溫度、空氣相對濕度等環境因子變化沒有規律性，因此其液流啟動、達首峰、達到最大值、開始下降以及終止時間沒有普遍規律性。雨天時平均液流速度和耗水量處于晴天和陰天之間，液流速度最大值大于陰天，這與徐利崗等[10]和李潔等[13]的結論不一致。這主要是因為酸棗屬于灌木樹種，根系分布較淺，降水能夠在短時間內達到根系范圍內，進而在干旱季節迅速提高樹干液流，導致其平均液流速度、耗水量以及最大液流速度大于陰天。

2）5月份樹干液流的波動性較大，多峰狀態更加明顯。這主要是因為5月份降雨較少，土壤水分供應不足，嚴重制約其液流速度的大小[14-16]，加之酸棗屬于灌木，樹體較小，水容就小，在受到干旱脅迫時，其疏水導管容易出現栓塞或空穴等現象[13]，導致樹干液流移動不連續，進而造成其波動性大。這與劉春鵬等[17]的觀點一致。樹干液流速度和日均耗水量6—7月份最大，這與何春霞等[7]的研究結果一致。主要是因為其恰處于酸棗的生長旺盛期，加之雨水條件相對較好，因此會產生較高的液流。9月份酸棗的生長逐漸衰退，因此樹干液流有顯著降低；10月份酸棗幾乎停止生長，其液流速度和日均耗水量為最低，甚至出現了日間“低谷”（即“雙峰”現象）。這些都說明植物的耗水是與自身的生長特性是密不可分的[13,18]。

3）樹干液流與太陽輻射、大氣溫度和空氣相對濕度相關性最大，其中與太陽輻射和大氣溫度呈顯著正相關，與空氣相對濕度呈顯著負相關，這與眾多研究結果一致[19-23]。另外，酸棗樹干液流與三者的相關系數基本呈現先升高后降低的趨勢。7月份最高，10月份最低，說明酸棗在10月份進入生長快速衰退期，其耗水主要取決于自身的物候期特性，與環境因子的相關性相對減弱。

4）酸棗各月耗水預測模型經F檢驗，各方程均達到極顯著或顯著水平，各月調整R2也呈現出先升高后降低的趨勢，9—10月份最低，這與各月日均液流速度和耗水量以及與主要環境因子的相關系數的變化規律一致，說明9—10月份酸棗進入衰退期，環境因子對其耗水的影響程度降低。經過模型驗證，各月整體的誤差率較小且均小于10%，按生物統計的要求，10%以內的誤差都是可接受的[9]，證明各月的耗水模型均具有一定的可靠性，但誤差率的標準差值較大，說明這些模型對于酸棗個別晴天耗水量的預測還存在一定的誤差。

5）酸棗兼具營養和藥用兩大價值，藥食同源，大面積的人工種植是其必然趨勢，水分管理是人工種植技術的核心內容之一。本研究所選試驗材料處于純自然環境，植物所需水分完全來自于天然降水，土壤供水水平與人工種植環境差異很大，而土壤供水是影響植物耗水的主要因子之一[24]。因此，本研究所作分析對干旱區酸棗造林具有指導意義，對于酸棗人工種植的水分管理仍需進一步研究。

5 結 論

1）酸棗樹干液流呈現“晝高夜低”相互交替的變化規律，白天樹干液流具有一定的波動性，呈現多峰；晴天時液流啟動、達到首峰、開始下降時間均早于陰天，而達到最大值時間晚于陰天。晴天時液流最大值、平均液流速度和耗水量均大于陰天；雨天時其樹干液流特征不具有代表性。

2）與其他月份樹干液流波形相比，5月份波動性較大，10月份呈現“雙峰”；各月份平均液流速度和日均耗水量呈現先升高后降低的趨勢，6—7月份最大，9—10月最小。

3）樹干液流主要與太陽輻射、大氣溫度和空氣相對濕度相關，其中與太陽輻射和大氣溫度呈顯著正相關，與空氣相對濕度呈顯著負相關，且各月份的相關系數呈現先升高后降低的趨勢。

4）構建了酸棗各月耗水預測模型，經F檢驗，各方程均達到極顯著或顯著水平，除9—10月份外，調整R2均達到0.8 以上，擬合良好；經過驗證，利用耗水模型計算的預測值與真實值整體誤差率均小于10%，說明耗水模型均具有一定的可靠性。

綜上所述，本研究分析總結了酸棗樹干液流的連日變化和月變化特征，并探討了其與環境因子的相關性，構建并驗證了其耗水預測模型，對酸棗造林和人工補水具有一定的參考價值。