基于茎直径变化的精准灌溉技术研究进展-林琭.pdf

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1、第 32 卷 第 5 期 农 业 工 程 学 报 Vol.32 No.5 2016 年 3月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar. 2016 1 基于茎直径变化的精准灌溉技术研究进展林 琭 ，汤 昀，闫万丽，张纪涛，籍增顺（山西省农业科学院现代农业研究中心，太原 030031） 摘 要： 该文首先介绍了茎直径变化的基本原理、测量仪器的发展、茎直径变化及其衍生指标（日最大收缩量和茎生长速率）和其他水分胁迫指标（水势和液流）之间的关系和敏感性比较，然后重点分析了茎直径变化的 5 个影响因子（水分胁迫

2、、茎秆季节生长模式、作物挂果、植株年龄和作物管理）和应用茎直径变化指导灌溉之前必须评价的 6 个指标特性（变异性、强弱性、敏感性、及时性、可靠性和鲁棒性） ，在此基础上总结了基于茎直径变化数据指导灌溉的 3 种方法（绝对值法、相对值法、茎直径变化与液流结合法） ，并指出其中的相对值法（信号强度法）已被成功地用于指导具有多树种的果园中充分灌溉和亏缺灌溉处理下的低频灌溉，对实现灌溉的精准化、数字化及智能化具有重要意义，并对该领域未来的研究热点进行了展望。 关键词： 灌溉；水分；生长率；茎直径变化；日最大收缩量；水分胁迫；液流 doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.

3、05.001 中图分类号： S275 文献标志码： A 文章编号： 1002-6819(2016)-05-0001-13 林 琭，汤 昀，闫万丽，张纪涛，籍增顺. 基于茎直径变化的精准灌溉技术研究进展J. 农业工程学报，2016，32(5) ：113. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.001 http:/www.tcsae.org Lin Lu, Tang Yun, Yan Wanli, Zhang Jitao, Ji Zengshun. Overview of precise irrigation scheduling based on stem

4、 diameter variationsJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(5): 1 13. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.001 http:/www.tcsae.org 0 引 言在水资源极其匮乏的今天，精准灌溉技术的应用已成趋势。国内外已有大量学者建立了亏缺灌溉方法，并研究基于更加精准、更易掌握的水分胁

5、迫指标的新型灌溉技术1-3。在用于指导灌溉的众多指标中，能够连续、自动监测的指标被认为具有极大的应用潜力4。其中，基于植株体的指标与航空成像、土壤特性测绘等方法相结合以界定水分限制区，可用于指导大型、多物种的果园灌溉5。目前，国内外相关研究中精准灌溉制度的制定主要基于茎直径变化监测数据6-10或液流监测数据11-12。 1 茎直径变化 1.1 基本原理 关于茎直径变化的基本原理已有大量文献报道。植株各器官组织中的水分响应于大气的湿度变化而形成的水分散失缓解了根部滞后吸水有可能带来的问题13。由于这一过程影响到植株体内所有储存水分的器官，因此日直径变化发生在植株体的各个部分，包括茎、枝条、根、叶

6、和果实14。对于体型较大的植株（例如树木），或收稿日期： 2015-10-01 修订日期： 2016-01-21 基金项目：山西省农业科学院博士研究基金项目（ YBSJJ1205） ；山西省科技攻关项目（ 20150313003-5； 20130311010-2） 作者简介：林 琭，男，博士，副研究员，主要从事作物水肥精准调控研究。太原 山西省农业科学院现代农业研究中心， 030031。 Email： 通信作者：籍增顺，男，博士，研究员，主要从事旱地农业研究。太原 山西省农业科学院现代农业研究中心， 030031。 Email： 许储存在茎杆中的水分对植株蒸腾 Ep的贡献相对最大15。韧皮

7、部和相关组织（即主要由薄壁组织细胞组成的树皮形成层和绿色组织）以及木质部中靠外部的活组织中的水分通过蒸腾散失掉，因此树干直径减小16。由于茎杆的可伸长组织中水分含量的变化（由木质部中的水势变化所驱动）是可逆的，导致了每日茎直径变化。而木质部中靠内部的木质化组织中的水分也会随着蒸腾而散失，但由此产生的是气穴现象而不是茎的收缩，原因在于这些组织细胞的弹性较小17。 Irvine 和 Grace 对 41 a树龄的欧洲赤松的研究监测到， 90%以上的茎直径变化发生在韧皮部组织18； Scholz 等也报道了稀树草原一些物种的密度较大的边材组织中的水势变化小于形成层与表皮（外部薄壁组织）之间活组织中的

8、水势变化17。但也有研究表明边材的尺寸变化对整个茎杆直径的变化贡献很大。 Sevanto 等通过对大型欧洲赤松和山毛榉不同高度的木质部直径变化和茎直径变化测量发现：欧洲赤松的木质部直径变化幅度为 50 90 m（依赖于测量高度），茎直径变化为 150 m；而对于山毛榉，两者分别为 20 和30 m，他们推测不同树种之间木质部直径变化和茎直径变化值的差异归因于木材的弹性不同19。 已有研究表明，树木生长季内的茎直径变化有 3 种不同的模式13,20：第 1 种，蒸发需求低、土壤水分有效性高，茎直径从当日早晨到翌日早晨有所增加，在白天表现为不减小或者仅仅是茎直径增加的速率有所降低； 第 2种，蒸发

9、需求高、土壤水分有效性低，茎直径减小，只是在夜晚有部分恢复；第 3 种，蒸发需求和土壤水分有效性均高，茎直径从当日早晨到翌日早晨亦有所增加，但在白天有可能减小。 ermk 等研究揭示了储存水在树木综合研究关键技术 农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2016 年 2 水分平衡中的作用及相关特征14。 Scholz 等研究了茎中水分储存组织的生物物理特性17； De Pauw 等模拟了大型树木中储存水对 Ep的影响21； Hltt 等建立的模拟模型帮助理解了气穴现象对 Ep和木质部水势 X的贡献22。 除了组织水化的可逆变化外，茎直径变化还取决于以下因素：不可逆的径向生长、

10、与水化和热膨胀相关的可逆收缩和膨胀23-24以及由于内部张力的增加和减小而导致的非生物导体元素的收缩和膨胀25。 Zrcher 等的研究报道了与月节律相关的季节影响26。 Vesala 等的研究与之持不同观点：昼夜节律确实与细胞收缩和膨胀有关，但昼夜节律真正影响到的是活细胞渗透强度的变化，而并非重力信号27。因此，茎直径变化作为水分胁迫指标的理论基础是：由水化程度改变引起收缩和膨胀而导致的直径变化远远超过了由组织的每日生长或直接的温度变化而导致的直径变化28。 1.2 茎直径变化测量仪的发展 最初用于科研的茎生长记录是使用捆带或测径器获取的低频率、低精度数据29。高灵敏度的测树仪和直径生长自动

11、记录仪的开发和使用始于 19 世纪末期30。早在1905 年时 Friedrich 已能够用电力自动记录生长，但该方法直到用现代技术简化后才开始变得流行起来31。Kozlowski 和 Winget、 Impens 和 Schalck 以及 Holmes 和Shim 先后分别使用 Fritts 直径生长自动记录仪32、线性位移传感器33和指针式测微器34监测茎秆径向变化。Breitsprecher 和 Hughes 在论文中综述了 20 世纪初开始采用径向测树仪（沿单个半径测量生长）、直径测树仪（沿两个相反的半径测量生长）和圆周测树仪（沿植株传导器官的多个半径测量生长）等工具进行茎直径测量的有

12、关研究35。在监测圆柱形形成层的部分活性时，径向测树仪是理想的；而直径测树仪和圆周测树仪则提供了更大的样本容量，因此对整个茎的生长更具有指示性。当“微形态测定方法”（即茎、果实和根的直径的精确测量和连续记录）的出现使精准测量技术成为可能时，茎直径变化作为评估植株水分胁迫的指标开始被广泛使用32,34。20 世纪 90 年代初， 大多数研究者开始使用线性位移传感器来研究茎直径变化，线性位移传感器具有鲁棒性和高精准性（接近 1 m）。然而，在许多情况下（例如由校准、电压读数、温度变化等导致的误差），其分辨率难以超过 10 m36。 Ueda 等报道了在估算大型树木的茎直径和枝条直径的日变化时，标定

13、后的电阻应变仪与线性位移传感器相比具有更便携、更廉价、更易用、更可靠的优点37。 测树仪的使用须要注意以下几点： 1）在安装之前必须经过校准，校准可以通过精准的螺旋测微器36或者已知厚度的金属薄片38完成； 2）对于果树和其他直径较大的植株，测树仪往往安装在茎杆上与太阳轨道相对的一面， 以最小化直射辐射的加热对直径变化产生负影响； 3）测树仪必须与地面保持一定的距离以避免杂草生长的影响，而且应该尽量远离由嫁接、修剪和耕作等操作对茎造成的伤痕； 4）外部树皮的死组织在安装测树仪之前必须移除，以便传感器的触点能直接接触到树皮的活组织；5）可使用弹簧、胶水或氰基丙烯酸盐粘合剂39保证测树仪始终与茎秆

14、表面接触； 6）整个测量区域必须覆盖绝缘材料（橡胶泡沫、凡士林、硅树脂等）和反光隔热箔，从而使直射辐射的加热和雨滴的影响最小化。 1.3 茎直径变化的衍生指标 由茎直径变化记录数据计算得出的可用于指导灌溉的衍生指标如图 1 所示。 Goldhamer 和 Fereres 以及Gallardo 等给出了茎直径变化衍生指标的详细涵义， 并指出日最大收缩量和茎生长速率是使用最为广泛的 2 个茎直径变化衍生指标40-41。有些学者认为茎直径变化的日周期可以分为 3 个明显阶段42-43，如图 1 所示： 1）收缩阶段，定义为茎半径减小时期，通常从清晨最大值开始；2）恢复阶段，定义为从茎半径开始增大到半

15、径值达到清晨记录的最大值的时期； 3）增长阶段，定义为茎半径继续增大时期，直到下一个日周期的收缩阶段开始为止。当植株处于严重的水分胁迫状态下时，茎杆将不经历增长阶段，日生长甚至有可能是负值。因此，为了获得可比较的、与茎秆尺寸本身相独立的结果，往往把茎直径变化数据转换成面积并用初始面积将其标准化17。 注： MXSD 为最大茎直径； MNSD 为最小茎直径； MDS 为日最大收缩量；DR 为日恢复； DG 为日生长。 Note: MXSD is maximum stem diameter; MNSD is minimum stem diameter; MDS is maximum daily s

16、hrinkage; DR is daily recovery; DG is daily growth. 图 1 茎直径变化衍生指标的日变化 Fig.1 Daily variation of stem diameter variation derived indices 2 茎直径变化和其他水分胁迫指标之间的关系 2.1 茎直径变化和水势 正午茎水势 stem的测定值具有可靠性、 低变异性和产量对水分胁迫响应的较好预测性等优点而被广泛用于评估植株的水分状况3,44。事实上，至少对中度水分胁迫来说， stem比其他指标（例如气孔导度 gs和净光合速率 A）更加敏感45。但是， stem值却难以自动

17、测量，因此许多研究者建立了茎直径变化衍生指标和 stem的相互关系。大量研究表明，在指导灌溉方面，茎直径变化的潜在优点（除了数据容易记录和传输之外）超过了植株水势。Goldhamer 等对 8 a 树龄的桃树研究表明，茎直径变化探测到的水分胁迫早于 stem；他们还发现树干日最大收缩量探测水分胁迫的信号强度强于 stem46， 这与 Goldhamer和 Fereres对井灌杏树的研究相一致40。 Moriana和 Fereres对年轻橄榄树研究发现，茎生长速率、最大茎直径和最小茎直径比 stem效果更好，但是他们没有发现胁迫处理树木和对照树木之间日最大收缩量的差异45。然而，第 5 期 林

18、琭等：基于茎直径变化的精准灌溉技术研究进展 3 Intrigliolo 和 Castel 在年轻李树上的研究得到了截然相反的结论： stem和凌晨叶水势 pd是比日最大收缩量和茎生长速率更好的植株水分胁迫指标，而且日最大收缩量比stem的变异性更大，因此估算植株水分状况时要想获得相似的精度，日 最大收缩量需要比 stem更多的测定工作47。现如今，普遍认为指导灌溉时，日最大收缩量和 stem均可作为有效的水分胁迫指标48-49。 在土壤水分没有限制的状况下，大气的蒸发需求增加导致 stem降低，这引起土壤与植株之间水势梯度的增加，因此植株蒸腾 Ep增加，进一步转变成日最大收缩量的增加50。因而

19、在稳态环境状况下，茎直径变化和叶水势 leaf应该是紧密关联的；但是在非稳态状况下（例如大田环境），茎直径的日变化可能比 leaf滞后几分钟甚至几小时17。迄今为止，已有研究者陆续报道了这 2 个变量之间的日滞后现象51-52。 Doltra 等研究发现， 10 a 树龄的苹果树的茎直径变化和 stem之间存在显著的日滞后现象，滞后现象的范围高于在其他树种（例如桃树53、柑橘54和松树55） 上的观察结果， 表现为： 相同值的 stem所对应的茎直径变化的下午值低于早晨值56。这或许暗示着苹果树干的收缩组织可能具有较低的水导率。然而，该研究没有考虑到树木大小对结果可能产生的影响。 在整个生长季

20、内，日最大收缩量和植株水分状况之间的关系变化已在一些物种上有所报道。在干旱周期的初始阶段，处理植株的日最大收缩量相对于对照植株有所增加；但是如果干旱周期足够长的话，处理植株的日最大收缩量值会变得小于对照植株13。原因可能是：在严重干旱期，储存组织在夜间不能被再次充满水分而导致茎的膨胀能力下降。 Gnard等以及 Fereres和 Goldhamer提出了其他可能存在的原因，包括：树皮组织中径向水导率的降低、温度和叶面积的改变、植株的衰老以及生长末期木质部气穴现象的增加导致木质部对总收缩量的贡献率降低等52,57。 Gnard 等研究还表明，树干的收缩量高度敏感于组织弹性系数的变化。对于一个给定

21、的stem值，日最大收缩量的值较低或许是由于较老的、弹性较低的组织的比例有所增加52。由于日最大收缩量和植株水分状况之间的某些关系的可靠性较低，因此Intrigliolo 和 Castel 建议，在应用日最大收缩量指导灌溉之前要对这些关系进行测试36。 然而，如果将不同物候阶段的数据分别考虑，可显著改善日最大收缩量和 stem之间关系的一致性。 Fereres和 Goldhamer 在 4 a 树龄的杏树上发现， 在整个生长季日最大收缩量和 stem之间的关系较弱， 决定系数 R2为 0.26，且随着生长季的推进伴有明显的滞后现象；然而，早期（ 6 月， R2=0.59）和晚期（ 10 11

22、月， R2=0.49）各自的相关性较强57。 Intrigliolo 和 Castel 在 5 a 树龄的李树上研究发现，整个生长季日最大收缩量和土壤水势 soil之间的相关性较差（ R2=0.52）；但如果单独分析采后初期，相关性较好（ R2=0.72），单独分析果实生长期，则相关性更好（ R2=0.89）36。他们在 68 a 树龄的李树上的研究进一步验证了，当把上述 2 个生育期的数据分别分析时，日最大收缩量和 stem之间的关系得到显著改善58。 2.2 茎直径变化和液流 植株液流是另一个潜力极大的指导灌溉的指标。与茎直径变化相同，液流便于数据监测和传输。经过正确的校准之后，液流可精确

23、地原位测定需要灌溉的树木的水分消耗59。 Fernndez 等在葡萄树、橄榄树、苹果树和梨树上评价了不同的灌溉方法，结果支持使用液流原位测定，同时以模拟的 Ep速率作为参考来指导灌溉11。 关于茎直径变化和液流两者之间关系的研究已有大量报道14,39,60。 ermk 和 Nadezhdina 指出，在高蒸发需求下，水分从茎中所有组织中吸出，在长期干旱下甚至从内部边材中吸出。与此相反，测树仪记录的数据反映的是最新一个年轮的表皮、韧皮部和外部薄壁组织中的水分吸出，这就意味着关系到组织体积变化的水分中仅有部分是从木质部吸出的61。 ermk 等对大型美国花旗松中储存水分的日动态和季节动态与液流和茎

24、直径变化的关系研究表明，存在于边材中的大量自由水对每日的 Ep贡献很大14。 Sevanto 等比较了木质部和整个茎的直径变化，同时使用涡度相关技术估算了林木蒸腾19。他们在研究中进一步分析到：既然木质部中的水分移动是由水分张力的变化引起的，那么液流速率应该直接正比于水分张力梯度，因而也应线性相关于木质部直径变化60。然而，已有研究表明，即使对于小型树木而言，液流仍可得到储存水分的缓冲62，且在清晨和傍晚尤为明显11。此外， Permki 等建立了基于木质部直径变化和液流速率之间线性关系的机理模型，该模型可以通过 木质部直径变化计算出 Ep速率，但是模型的输入较难测量63。 茎直径变化和液流与

25、不同的生理过程相关：前者主要取决于储存在韧皮部及相关组织中的水分，后者则强烈地依赖于木质部中边材的水化水平。 Cohen 等在桃树上发现，液流和茎直径变化之间的关系表现出滞后现象且滞后程度由胁迫水平决定，即：对于相同的液流速率，树干下午的收缩量大于上午，且该现象在胁迫树木上表现得更加明显。他们认为液流比茎直径变化对胁迫的响应更为迅速54。 Escalona 等在葡萄树上发现了每日液流和日生长之间较好的相关性（ R2=0.67）64。 Scholz 等报道了 Ep的开始和液流（或树木底部茎收缩）的开始两者之间之所以存在时间差是由于茎秆储存组织中的水分释放需要一定的时间17。在季节尺度上， Ort

26、uo 等在 24 a 树龄的柠檬树上记录到在日最大收缩量减小期内 SF值高且恒定；日最大收缩量和潜在蒸散（ potential evapotranspiration， ET0）之间是线性关系，而液流和 ET0之间是曲线关系，即在高 ET0值下，液流降低，但日最大收缩量并不减小50。 在高的大气蒸发需求下每日液流的降低可能是由于通过气孔振荡现象产生的主动的蒸腾气孔调控65，正如 Dzikiti 等在柑橘树上观察到的结果66。对于日最大收缩量和 ET0之间的线性关系， Ortuo 等解释为可能是由于当蒸发需求增加、 stem低于某个阈值时，茎储存组织中的水分得以补充的结果50。 Conejero

27、等以年轻桃树为材料的研究发现： 对于一个农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2016 年 4 指定的空气饱和气压差，其对应的 SF 在 6 月到 8 月中旬期间的值高于 8 月中旬到 10 月期间的值，这种差异可能是由叶片个体发育的变化（包括叶片激素平衡的成熟度变化、膜渗透性的变化、细胞壁的强度变化、气孔的生理差异、叶表面蜡质分布的差异以及新老叶片表皮水分散失速率的差异等）导致 Ep的降低而引起的67。其他影响液流和茎直径变化之间关系的因子还包括灌溉湿润的根际体积的变化或者地下水水位的变化68，以及似乎对茎直径变化比对液流影响更为密切的植株碳平衡69。上述研究以及 erm

28、k 等和 Sevanto 等的研究均表明：综合考虑液流和茎直径变化的相关信息可以更好地理解植株体内的水流动态14,60。 2.3 茎直径变化衍生指标和其他水分胁迫指标的敏感性比较 敏感性是决定指导灌溉所用指标有效性的关键特性，已有学者比较了不同水分胁迫指标的敏感性。Goldhamer 等对生长在蒸渗仪中的 8 a 树龄的桃树进行了研究，发现不同指标的敏感性排序为：日最大土壤有效水分含量波动最小茎直径日最大收缩量最大茎直径 stem=A=pd=leaf。 而对于生长在大田里的相似树木，排序变为日最大土壤有效水分含量波动最小茎直径日最大收缩量 stem=leaf=最大茎直径 =pd A46。Int

29、rigliolo 和 Castel 在李树上发现， 植株和土壤水分状况指标与采收期的果实质量之间的相关程度为： stempdgs日最大收缩量茎生长速率 soil。尽管线性位移传感器在植株水分状况的连续监测方面具有优势，但考虑到 gs比 pd和 stem的变异性大得多， 他们推论 stem和 pd有可能是李树上最好的植株水分胁迫指标47。 Gallardo 等在温室盆栽辣椒上观察到日最大收缩量的信号强度高于stem，但是由于 stem的噪音值较低，导致 stem的敏感性指数（即信号/噪音的比率）比日最大收缩量高得多41。Doltra 等发现， 10 a 树龄的苹果树的 stem具有最高的敏感性指

30、数，然后是 pd、日最大收缩量和 gs53。 此外，西班牙的 Ortuo 等学者在此方面作了一系列的探索工作：他们首先在 2 a 树龄的盆栽柠檬树上发现，液流和日最大收缩量比最大茎直径和最小茎直径具有更早的响应且更加敏感，在指示土壤水分状况时液流比日最大收缩量更加可靠70。在使用相同植株材料的 2 个对比试验中，最小茎直径和日最大收缩量是年轻柠檬树最敏感的指标，其次是 pd和叶片导度 gl71-72。对大田状况下 24 a 树龄的柠檬树的研究表明，液流比日最大收缩量和 stem更加紧密地相关于 ET0、总辐射 Rs、空气饱和气压差和空气温度 T；液流和 stem更加紧密相关于 ET0，而日最大

31、收缩量与日平均空气温度 T 表现出最好的相关性， 且日最大收缩量受 stem的控制可以通过液流调节50。该研究还发现，日最大收缩量随水分胁迫的加剧而增加至某一特定水平，而当 stem降至低于 1.8 MPa 时，日最大收缩量的信号强度减弱；但是， stem和液流的信号强度则在整个水分胁迫期内一直增加73。对经历了漫灌和恢复期之后的 2 a 树龄的盆栽柠檬树进行了研究，评价了不同水分胁迫指标的敏感性和可靠性，研究表明 日最大收缩量的信号强度比液流、 pd、 leaf和 stem更适合应用在自动灌溉中74。以上研究阐明了判定基于植株的水分胁迫指标是否敏感以及是否适于指导灌溉的复杂性。 3 茎直径变

32、化的影响因子 绝大多数情况下，解释茎直径变化记录数据并用于安排灌溉需要专业的分析和指导，其难点在于茎直径变化受到以下众多因子的影响。 3.1 水分胁迫的程度 Tyree 和 Ewers 的研究证实75，韧皮部和相关组织以及外部木质部类似于植株传导系统中的“容器”，在低蒸发需求期间（例如晚上）积累和储存水分，在高蒸发需求期间把水分释放到植株液流中。但是，如果植株的水分胁迫超过了一定阈值，或许将产生韧皮部组织的水“容器”损耗，进而导致水分补充的终止16。这可以解释日最大收缩量随着植株水势的降低而增加，当水势低于某一阈值后，日最大收缩量则随着水势的降低而减小。此规律已先后在桃树76、柠檬树71、葡萄

33、树77和橄榄树78上有所报道。然而，似乎并没有日最大收缩量开始减小所对应的植株水势的固定阈值，因为从上述研究结果可以看出，即使对于相同的物种，该值仍表现出显著差异。但也有一些研究表现出一致性， 例如 Cohen 等对 8 a 树龄的桃树研究发现，当 pd高于 1.0 MPa 的阈值时日最大收缩量增加54； Ortuo 等在 2 a 树龄的盆栽柠檬树上得到了相似的 pd阈值71。然而， Ortuo 等在 24 a 树龄的柠檬树上发现，日最大收缩量随着 stem值的降低而增加；当 stem为 1.8 MPa 时日最大收缩量达到极值；随着水分胁迫的加剧，日最大收缩量减小。这种影响的产生或许是植株遭受

34、水分胁迫的程度与组织逆水势梯度保持水分的能力共同作用的结果73。 3.2 茎生长的季节模式 茎生长速率的变化决定于多种因子，包括物候阶段、果实发育和环境状况。成熟树干的生长随着季节进程而变慢，在某些果实生长阶段或者在高蒸发需求下，甚至在无土壤水分限制的状况下，表现出停止或者收缩的趋势。由于树木年龄导致的生长模式差异可能显著影响茎直径变化衍生指标用于指导灌溉的潜力。对于处在茎快速生长期的年轻树木，茎生长速率可能是一个比日最大收缩量更好的指标，因为对于那些树木和环境状况，日最大收缩量受到生长的影响超过了受到水分胁迫的影响。在年轻桃树40、橄榄树45、柠檬树71和杏树79上的观察结果证实了上述观点。

35、然而对于处在生长停滞期的树木，茎生长速率不能用作植株水分胁迫指标，已有学者先后在葡萄树77、李树80和橄榄树81的果实发育期发现了该现象。 对于 8 a树龄的桃树树干生长缓慢或停滞期，Goldhamer 等指出较为敏感的指标依次为最小茎直径、 最大茎直径和日最大收缩量46。 对于集约化栽培下的 2 a 树龄的橄榄树， Moriana 和 Fereres 观察到快速的树干生长速率比最大茎直径和最小茎直径更有优势，使得胁迫树木的日最大收缩量与对照树木相似45。 Ortuo 等在 2 a树龄的盆栽柠檬树上也发现了相似的现象，所不同的是，他们发现：在树干直径缓慢生长期，最小茎直径和最大第 5 期 林

36、琭等：基于茎直径变化的精准灌溉技术研究进展 5 茎直径缺乏对水分亏缺的响应71；但当树干生长较快时，这 2 个指标的响应很明显，这与 Goldhamer 和 Fereres 的研究相一致40。 3.3 作物挂果 茎直径变化数据受到果实出现和数量的强烈影响。Moriana 等发现 18 a 树龄的橄榄树树干生长的季节模式的巨大差异取决于挂果量。在挂果较多的丰年，树干显示出非常活跃和快速的生长且一直持续到盛花期后大约4 周，之后生长变得非常缓慢；而在挂果较少的歉年，树干在整个生长季内以一个逐渐增加的速率持续生长82。Moriana和 Fereres比较了一个歉年和一个丰年之间日最大收缩量的季节变异

37、，发现在给定的蒸发需求下，丰年的日最大收缩量 高于歉年83。 Intrigliolo 和 Castel 对 5 a 树龄的李树研究发现：在大多数的果实生长期，茎生长速率最小，灌溉较少的日最大收缩量高于对照且与 stem的相关性较好（ R2=0.89）；在采收之后，茎生长速率升高，且随着季节的推移，日最大收缩量和 stem之间的斜率减小、相关性变低（ R2=0.73 0.52）；生长季末期，与植株水分状况的相关性更好的指标变为茎生长速率。Intrigliolo 等指出，仅仅通过基于植株水分状况的测量难以获取指导灌溉的理想参考值36，果实生长期的低茎生长速率值可能由于果实有很强的“库”能力且对同化

38、物的分配具有优先权84。 Intrigliolo 和 Castel 报道了对于给定的 stem值，采收后的日最大收缩量值低于采收前。这有可能与较老的、弹性较小的组织的比例增加和韧皮部组织摩尔渗透压浓度的季节变化（由整体植株库 -源关系的转移导致）有关58。李属植物的韧皮部组织在采收之后由于果实“库”的缺失而应当有较低的渗透势84，因此木质部和韧皮部之间的水势梯度在采收之后变小，日最大收缩量值变低。 Intrigliolo 和 Castel 在李树上再次观察到日最大收缩量和茎生长速率作为挂果量函数的显著差异：挂果量大时，日最大收缩量增加了 34%而茎生长速率减小了 48%，但是挂果量不影响植株水

39、分状况；对于给定的 stem，修剪程度较高树木的日最大收缩量大于修剪程度较低的树木，从而导致日最大收缩量和 stem对挂果量的不同响应80。 Prez-Lpez 等以 5 6 a 树龄的橄榄树为研究对象，结果表明在生长季的开始，茎生长速率紧密相关于 T；后来随着果实的出现，茎生长速率表现有所不同且与水分胁迫无关。内果皮膨胀和茎生长速率降低存在时间上的一致性，这可以作为指示橄榄树生长季内抗旱阶段开始的精准标志，进而用于某些亏缺灌溉策略81。如上所述及其他相关研究69,85表明，解释茎直径变化数据时不仅要考虑植株的水分状况，而且要同时考虑植株的碳状况。 3.4 植株年龄 在同一物种上有可能获得不同

40、的茎直径变化响应，这种差异取决于植株的年龄。 Goldhamer 和 Fereres 以及Moriana 和 Fereres 分别在桃树和橄榄树上研究表明：年轻的、正常浇水的树木在整个生长季内的树干生长可以反映在最大茎直径和最小茎直径的记录数据上， 因此这 2个参数可以用作指导灌溉的指标，但随着树木的成熟而树干生长变慢以后，日最大收缩量或许成为指导灌溉的更好指标40,45。可以看出，不同年龄树木安排灌溉时需要不同的茎直径变化衍生指标。 Gallardo 等对温室番茄研究发现，在每一个干旱周期内，日最大收缩量和 leaf之间均表现出高度的线性相关性；然而，线性关系的斜率随作物年龄变化而变化，这说

41、明日最大收缩量和 leaf之间在整个生长季内没有固定不变的关系86。已有研究表明，韧皮部的厚度是树木个体大小的函数，所以树干的绝对收缩速率受到树木个体大小的影响87。 Intrigliolo和 Castel在 6 8 a 树龄的李树上的研究结果表明：对于树干直径在 8 13 cm 范围内的树木， 树干直径每增加 1 cm 则日最大收缩量增加 13%，这是树木越大、韧皮部组织越厚所导致的结果47。 3.5 作物管理 Intrigliolo 和 Castel 把在李树上得到的研究结果与Goldhamer 和 Fereres 在杏树上的研究结果进行了比较，发现后者得到的日最大收缩量信号强度高于前者，

42、这可能是由于灌溉系统的差异所导致，因为他们在研究中使用的是滴灌， 而 Goldhamer 和 Fereres 使用的是微喷灌36。Gallardo 等在温室对盆栽和土壤种植的辣椒进行了研究：盆栽辣椒日最大收缩量的信号值高于 stem，但是由于stem的噪音值较低， 导致 stem的信/噪比远远高于日最大收缩量；而土壤中种植的辣椒，则没有发现茎直径变化衍生指标对土壤干旱的响应，可能是由于较小的根体积有利于盆栽植株形成对干旱的响应41。 4 基于茎直径变化的精准灌溉制度 Hendrickson 和 Veihmeyer 首先提出了利用茎直径变化数据指导灌溉的思路88。法国的国立农业研究所（ Inst

43、itut National de la Recherche Agronomique， INRA）研发出基于 SDV 和果树水分状况之间的关系进行灌溉控制的装置并获得了专利89。 Garnier 和 Berger 论证了利用茎直径变化进行桃树的自动灌溉是可行的51，但是 Huguet等结论认为，如何理解使用日最大收缩量值和茎生长速率值以实现目标灌溉法尚且需要进一步的深入研究89。Pelloux 等描述了一个基于茎直径变化数据的控制灌溉系统 Pepista 系统90， Bussi 等在 10 a 树龄的桃树果园中使用该系统进行了控制灌溉研究91。自 Goldhamer 和Fereres 报道了基于

44、茎直径变化测量指导灌溉的基本原理之后，大量学者作了相关的研究工作，其中大多数是关于评价利用茎直径变化数据指导灌溉的适宜性。 4.1 评价茎直径变化衍生指标的特性 使用茎直径变化衍生指标指导灌溉首先要对其特性进行评价。须要考虑到的是，评价的结果可能取决于物候阶段和作物遭受的水分胁迫的水平和历程71。因此，最好在作物对水分胁迫的敏感期内评价水分胁迫指标的特性。 4.1.1 变异性 利用茎直径变化数据指导灌溉的局限性之一来自树木与树木之间的高度变异性， 可通过变异系数 （ coefficient of variation， CV）来量化。高度的变异性或噪音意味着农业工程学报（ http:/www.t

45、csae.org） 2016 年 6 必须对大量的树木进行仪器测定，从而将不确定性降低到合理的水平。研究表明，某一水分胁迫指标的变异性可能随着水分胁迫的增加而增大87。在任何情况下，必须考虑到变异性与信号强度有关。 Naor 等对苹果树、油桃树和梨树果园研究表明，植株水分胁迫指标（ leaf、 stem和日最大收缩量）比土壤水分胁迫指标 soil的变异小，指出由于大多数的每日茎直径变化发生在树皮的活体部分，因此树木之间的日最大收缩量差异应归于树皮活组织的密度差异；日最大收缩量落后于 stem，表明树皮和树干木质部之间存在显著的水流阻抗。因此，不同树木之间变化的水流阻抗会导致日最大收缩量的高度变

46、异性。 Naor 等得出结论： 17 个茎直径变化测量值与 5 个 stem测量值误差相似92，该结果与 Gallardo 等对温室番茄的 leaf、 stem、日最大收缩量和茎生长速率的记录结果一致。 Gallardo 等发现不同的茎直径变化衍生指标均表现为噪音值比 leaf和 stem高得多：茎生长速率和日最大收缩量的 CV 值分别为 50% 140%和 40% 60%； 而 leaf和 stem的 CV 值仅为 5% 12%86。指标的高度变异性要求进行大量的样本测定，由此产生的成本对大多数果园来说负担不起92，将基于植株的方法与能够探明多树种果园中相似区域的方法相结合以缩小测定样本容量

47、是解决该问题的有效方法。 4.1.2 强弱性 任何基于植株的水分胁迫指标的绝对值如果不与参考值（对处于没有土壤水分限制的状况下的植株所作的相似测定值）相比较则意义不大。茎直径变化衍生指标的强弱性用信号强度（或称为信号值）来描述，定义为 信号强度=实际日最大收缩量/参考日最大收缩量 式中实际日最大收缩量由果园中的代表性树木（通常处于亏缺灌溉下）的茎直径变化数据计算得出。高信号值意味着茎直径变化衍生指标即使对于轻度水分胁迫也表现出强烈的响应。 如果信号强度足够高， 那么由树木之间的高度变异性引起的噪音便可接受。 确定日最大收缩量的参考值 MDSref的方法已在一些研究中有所描述。使用较多的一种方法是通过改变每棵树上安装的滴水喷头数量或滴水速率以供应 100% 150%的作物蒸散量（ crop evapotranspiration， ETc）而