黄土高塬沟壑区是我国历史悠久的旱作农耕区之一，也是黄土区重要的粮食产区。该区属于暖温带半湿润、大陆性季风气候，是东南暖湿地区与西北干旱地区的过渡带，降水时空分布不均且变化较大。与此同时，该区土壤类型为发育于黄土母质上的黑钙土型土壤黑垆土，含钙量丰富，有助于优质果的形成(宋孝玉等，2004)。20世纪80年代以来，该区已发展成为我国最大的优质苹果(Malus pumila)产区，大面积种植苹果林，形成高生物产出量和生产率的同时，该地区林内果树的蒸腾、地面蒸发远大于降水补给，导致可供苹果树使用的水资源减少，限制果树的正常生长，进而影响到苹果的产量和品质。通过分析该区苹果林蒸腾耗水规律、蒸腾与环境因素的关系、土壤水分和降水状况，制定提高果树利用水分能力的相应措施，进而改善该区苹果林对土壤水分的有效利用，对区域土壤水资源的科学利用具有重要的参考价值。

蒸腾量占蒸散量的比例代表植物利用土壤水分的能力和效率，通过分析其在作物生长季的动态变化可了解作物对水分的利用规律，进而制定高效水分利用措施，对区域土壤水资源的科学利用具有关键作用(王自奎等，2013)。目前研究多集中于农作物(赵丽雯等，2015)、水保林(孙守家等，2015)和少数种类的果树(魏新光等，2014)，对黄土塬区苹果树的研究报道相对较少。该研究需要将植物蒸腾和土壤蒸发区分开来，热扩散探针法(thermal dissipation probe, TDP)可以准确、稳定和连续的测定树木蒸腾耗水，已经广泛地应用于树木的蒸散分割研究(Nakai et al., 2005；Nicolas et al., 2005)。蒸腾又受限于植物体周围的环境因子和植物本身的生理特征(曲迪等, 2014)。目前，在蒸腾与环境因子关系方面的研究较多(郭映等，2014；Xanthopoulos et al., 2014)，但是针对黄土塬区不同林龄苹果园蒸腾与环境因子的关系以及不同树龄苹果林蒸腾量的研究报道相对较少。苹果树蒸腾是苹果园蒸散的主体(张大龙等, 2015; 张坤等, 2010), 在苹果种植面积规模化扩展的条件下，有必要加强苹果经济林的生态水文过程研究(王延平等，2013)。本文通过分析黄土塬区20龄和10龄苹果园蒸腾与环境因子的关系，明确不同时间尺度下不同树龄苹果林蒸腾量土壤储水量和降水量状况，分析不同树龄苹果园蒸腾占蒸散的比例，揭示苹果园的蒸腾规律，为果树生长重要时期提出减少土壤蒸发和提高果树水分利用效率的方法提供科学参考。

1 研究区概况

研究区位于陕西省咸阳市长武县城以西12 km的王东沟小流域(107° 40′ 30″—107° 42′ 30″E，35° 12′ 16″—35° 16′ 00″N)，属于暖温带半湿润、大陆性季风气候区，为东南暖湿地区与西北干旱地区的过渡带。主要土壤类型是黏黑垆土，母质为中壤质马兰黄土，田间持水量为23%，凋萎含水量为10.6%。最大年降水量为813.2 mm，最小年降水量为369.5 mm，年平均降水量为584.1 mm，5—10月平均降水量为378.6 mm，本试验期间(2015年5—10月)降水量为390.0 mm；年日照时数为2 226.5 h，日照百分率51%，年总辐射为48.4 kJ·cm^-2，最高气温36.9 ℃，最低气温-24.9 ℃，年均气温9.1 ℃，年积温2 994 ℃，无霜期171天。

2 研究方法 2.1 样地选择

选择位置相邻的10龄、20龄红富士(Malus pumila)苹果园为研究对象。果园定期进行病虫害防治，并在适当的时间进行拉枝剪梢和套袋、保墒、追肥、锄草，2个果园的管理方式相同。苹果园的基本情况见表 1。

2.2 树干液流的测定及蒸腾的计算

用热扩散液流探针法(TDP)通过检测插入树干边材的一对有热电偶的探针温差来计算液流速率值(王华田等, 2002)。所用植物茎流计为美国Dynamax公司生产的插针式FLGS-TDP，探针型号为TDP-10，长10 mm，针头直径为1.2 mm。试验林地内分别选择8株果树，用数据采集器CR1000(CR1000，Campbell Scientific，UN)和PC400来调节茎流计的工作电压和检测热电偶，每60 s获取1次数据并记录每半小时的平均值。边材液流通量F_s(L·h^-1)由以下公式得出(Granier, 1987)：

$ {F_{\rm{s}}} = {A_{\rm{s}}} \times 0.011\;9{\left({\frac{{\Delta {T_{{\rm{max}}}} - \Delta T}}{{\Delta T}}} \right)^{1.231}} \times 3.6。$

(1)

式中，F_s为液流速率(L·h^-1)；A_s为树干边材面积(cm²)；ΔT_max为无液流时加热探针与参考探针的最大温差(℃)；ΔT为瞬时温差值(℃)。

$ Tr = n{F_{{\rm{sd}}}}/S = n \times 24\overline {{F_{\rm{s}}}} /S。$

(2)

式中，Tr为苹果园的日蒸腾量(mm·d^-1)，n为试验样地苹果树株数，F_sd为果树日蒸腾速率(L·d^-1)，S为苹果林面积(m²)，$\overline {{F_{\rm{s}}}} $为24 h边材液流通量均值(L·h^-1)。

2.3 环境因子的测定 2.3.1 气象数据

由位于距样地50 m处自动气象观测站连续监测获取，测定指标主要有太阳总辐射(solar radiation，R_s)(W·m^-2)、空气温度(air temperature，T_a)(℃)、相对湿度(relative humidity，RH)(%)和风速(wind speed，W_s)(m·s^-1)等，每小时记录1次。水汽压差(vapor pressure deficit，VPD), (kPa)反映大气温度和相对湿度的协同效应，其计算公式为：

$ {\rm{VPD}} = 0.611{{\rm{e}}^{[17.502{T_{\rm{a}}}/({T_{\rm{a}}} + 240.97)]}}(1 - \rm{RH})。$

(3)

2.3.2 土壤储水量的测定

在试验区内随机选择6个土壤水分监测点，用中子仪(CNC503B)于每月15日和30日测定2次土壤水分，如果发生降雨等突发状况，选择相临天进行测定。0~100 cm土层每10 cm测定1次，100~600 cm土层每20 cm测定1次，0~100 cm土层用环刀法测定土壤密度，计算出土壤含水量，6个监测点数据的平均值作为该时期的土壤含水量。土壤储水量采用水层深度(mm)表示，计算公式为：

$ {\rm{SWS}} = \sum {\theta _m} \cdot \rho \cdot h。$

(4)

式中，SWS为土壤储水量(mm)；θ_m为土壤质量含水量(%)；ρ为土壤密度(g·cm^-3)；h为土层厚度(mm)。

2.3.3 土壤蒸发量的测定

采用导热率较小的PVC材料制作的微型蒸发皿来测定0~15 cm土壤的蒸发量(李王成等, 2007; 夏卫生等, 2001)。在试验区随机选择10个点安装微型土壤蒸发皿，于每天早上8:00用精度为0.1 g的电子天平称质量测量。土壤蒸发量由2天的质量差与蒸发皿的面积之比求得，样地土壤蒸发量由10个蒸发皿测得蒸发量的平均值求得。降雨期间的土壤蒸发用阴天的最小值代替，每隔3~5天为蒸发皿换土1次。

$ E = \frac{{\Delta m}}{{{\rm{ \mathsf{ ρ} S'}}}}。$

(5)

式中，E为土壤蒸发量(mm·d^-1)，Δm为相邻2天土壤质量差(g)，ρ为水的密度(g·cm^-3)，S′为微型蒸发皿的面积(cm²)。

2.3.4 苹果园蒸散量(ET)的计算

苹果园蒸散量为苹果园蒸腾量和土壤蒸发量之和。

$ ET = E + Tr。$

(6)

式中，E为土壤蒸发量(mm·d^-1)，Tr为苹果园蒸腾量(mm·d^-1)。

2.4 数据处理

运用Origin9.0和PASW22.0统计分析软件对试验数据进行统计分析及作图。

3 结果与分析 3.1 不同时间尺度下不同林龄苹果林蒸腾与环境因子的关系 3.1.1 不同时间尺度下不同林龄苹果林蒸腾规律

图 1为日尺度下不同林龄红富士苹果林在生长季(5—10月)典型晴天蒸腾量的变化规律以及与环境因子的关系。日尺度下，不同生长期不同林龄的果树蒸腾量表现出一致的变化规律，即生长季内蒸腾呈现先增加后减少的趋势，蒸腾在7—8月达到高峰，20龄苹果林日蒸腾量最高可达2.92 mm·d^-1，10龄苹果林日蒸腾量最高可达2.40 mm·d^-1。由图 1可知，随着气温逐渐升高，日蒸腾量逐渐增大。8月下旬—9月中旬，相同天气条件下日蒸腾量变化不明显；到9月中下旬，随着气温降低，日蒸腾量逐渐下降。10月20日苹果采摘完毕，日蒸腾量表现为最低，20龄苹果林为0.23 mm·d^-1，10龄苹果林为0.36 mm·d^-1。总体上看，在7、8月份苹果林日蒸腾量表现为20龄苹果林高于10龄苹果林，而其他的月份整体表现相反。在日尺度下，不同林龄苹果林蒸腾量随着空气温度和水汽压差的增加而增加，与风速和太阳辐射的相关关系不太明确，但当水汽压差＞1 kPa时，2个林龄苹果林的日蒸腾量均有所下降。

图 2为月尺度下不同林龄红富士苹果林在不同生长季(5—10月)月蒸腾量的变化规律。受空气温度和的影响，月尺度下2个苹果林蒸腾量的变化规律与日尺度一致，即先增加后减少。20龄和10龄苹果林的月蒸腾量在5—10月份分别介于6.42~68.33 mm·m^-1和11.59~64.71 mm·m^-1之间，且2个林龄的苹果林蒸腾量最大值均出现在7月份。

3.1.2 不同时间尺度下不同林龄苹果林蒸腾量与环境因子的逐步回归分析

表 2为不同时间尺度下不同林龄苹果林蒸腾量与太阳辐射、风速、空气温度和水汽压差4个主控环境因子的相关关系以及逐步回归结果(以蒸腾量为因变量，各个环境因子为自变量，依据引入因子P₁＜0.05，剔除因子P₂＞0.1的准则，利用多元线性逐步回归分析中的自淘汰变量法，建立蒸腾量与环境因子的综合关系模型)。结果表明，月尺度下，不同林龄苹果林蒸腾与空气温度和水汽压差均呈极显著正相关关系，与风速呈负相关关系。蒸腾量与太阳辐射的相关关系在不同时间尺度下均未达到显著水平，但月尺度下的相关性明显优于日尺度。随着时间尺度的增大，进入回归方程的环境因子个数减少，方程的相关系数提高。日尺度下，进入20龄和10龄苹果林蒸腾量与环境因子回归方程的有空气温度和水汽压差，月尺度下只有水汽压差进入二者的回归方程，回归方程均达到显著水平(P＜0.05)。

3.2 不同林龄苹果林储水量对降水量及蒸腾量的响应 3.2.1 日尺度下不同林龄苹果林储水量对降水量及蒸腾量的响应

黄土塬区属典型旱作农耕区，土壤水分是限制植物蒸腾的主要因素之一，作物耗水主要以入渗土壤的降水为主(程立平等, 2014)。图 3为日尺度下不同林龄苹果林蒸腾量、0~600 cm土壤储水量和降水量的状况。日尺度下不同林龄苹果林蒸腾量与土壤储水量、降雨量间的变化趋势基本一致。试验期间，8月12日降水量最大，为86.6 mm，7月降水最少。在果树生长季内，通过分析比6月15日—7月1日和7月30日—8月15日2个时间段储水量可知，受连续降水的影响，20龄与10龄苹果林土壤储水量均呈现升高趋势(6月15日—7月1日，20龄与10龄苹果林土壤储水量分别由120.91和144.87 mm上升至125.76和147.43 mm；7月30日—8月15日，20龄与10龄苹果林土壤储水量由113.88和136.47 mm上升至125.76和155.53 mm)。从整体上看，不同林龄苹果林的蒸腾量与降水变化趋势一致，在时间上表现出一定的滞后(降雨后6月4日、6月16日和7月18日蒸腾量均高于降雨前6月2日，6月14日和7月15日蒸腾量)。在土壤水分监测期间，20龄苹果林0~600 cm土壤储水量明显低于10龄苹果林，且20龄和10龄苹果林土壤储水量均在7月30日达到最低点，分别为113.88和136.48 mm。在蒸腾量方面，除7月15日，7月16日和8月10日外，20龄苹果林的蒸腾量普遍低于10龄苹果林。

3.2.2 月尺度下不同林龄苹果林不同土层储水量对降水量及蒸腾量的响应

图 4为月尺度下不同林龄苹果林不同土层储水量对降水量及蒸腾量的响应。2015年5—10月降水总量为390 mm，7月降水量最低，8月最高；除8月和10月以外，其他月份降水量明显不足以提供作物生长所需耗水。将本次试验划分为3个时期。第1个时期为土壤迅速耗水期(5—7月)，随着生长期的推移，苹果林蒸腾耗水量急速上升，土壤蒸发也急速增大，而降水却很少。特别是7月份，此时降水量达到最低水平(共降水3次，累积降水量为6.2 mm)，而蒸腾量达峰值(20龄苹果林为68.33 mm，10龄苹果林为64.71 mm)，导致土壤储水量明显降低。第2个时期为土壤水分相对稳定期(8月)，在此期间苹果林蒸腾耗水量和土壤蒸发量在这个时期仍很大，但充足的降水(共降水14次，累计降水量为129.6 mm)有效的补充了土壤水分的消耗。第3个时期为土壤水分缓慢消耗期(9—10月)，在此期间，苹果林蒸腾量急速下降，降水量相对充裕，土壤储水量小幅降低。

为了进一步明确生长季内不同月份苹果林蒸腾耗水情况，按0~100 cm、100~300 cm以及300~600 cm 3个土层对苹果林土壤储水量进行分析。结果表明，受到降雨土壤蒸发、人为活动等因素的影响，2个林龄苹果林0~100 cm土壤储水量变化相对较大，但整体表现为20龄高于10龄苹果林。5—7月，随着气温升高，水汽压差增大，果树蒸腾量逐渐变大，但降水较少，果树对土壤水的消耗逐步加深，导致100~300 cm土壤储水量呈现较大的变化。在各个月份，300~600 cm土壤储水量均表现为20龄大于10龄苹果林，这可能是由于10龄果树对土壤水分的消耗深度集中在300 cm以内，远小于20龄。降水对10龄苹果林300~600 cm土壤储水量的影响大于20龄。分析0~300 cm土壤储水量可知，5—6月，10龄苹果林的蒸腾量始终处于较高水平，使得0~300 cm土壤储水量由原来的10龄高于20龄苹果林转变为20龄高于10龄苹果林；7—8月，2个林龄苹果林的蒸腾量仍较大，且20龄苹果林的蒸腾量高于10龄，但由于20龄苹果林对300~600 cm土壤水的消耗较多，2个林龄苹果林对0~300 cm土壤水分的消耗无明显差异；9—10月，2个林龄苹果林的蒸腾量均逐渐减小，降水也减少，0~300 cm土壤储水量无明显变化。

3.3 不同林龄苹果林蒸腾占蒸散的比例

在缺水的黄土塬区，水分利用效率的高低决定作物生长的优劣。图 5为月尺度下不同林龄苹果林不同生长时期蒸腾占蒸散的比例分析。20龄苹果林Tr/ET为29.25% ~67.51%，10龄苹果林Tr/ET为36.44% ~62.06%，2个林龄的Tr/ET整体表现为先升高后降低。20龄苹果林Tr/ET在8月达到峰值后急剧下降，而10龄苹果林经过缓慢下降的过渡期后，从9月份开始急剧下降。20龄苹果林除8月份外，不同林龄苹果林的Tr/ET值均表现为10龄大于20龄，且2个林龄的苹果林Tr/ET值在9月份相差最大。

4 讨论 4.1 不同林龄苹果林蒸腾耗水比较

林龄是影响植物耗水的一个重要的因素(莫康乐等, 2014)。本研究发现，在月尺度下，整体来看除7、8月外，10龄苹果林的蒸腾量均高于20龄；5、9和10月，10龄苹果林蒸腾量显著高于20龄，10龄苹果林蒸腾量在7月显著低于20年；6月和8月二者蒸腾量差异不显著。这与王艳萍(2014)的研究不一致，与Xu等(2011)认为植物的蒸腾耗水量会随着胸径的增大而增大的观点也不一致。果树的整个生命周期中，成熟期前，水分的消耗随着果树年龄的增加而增加，之后随着果树的逐渐衰老耗水也逐渐减少。但在本研究中，10龄苹果林处于挂果初期向盛果期过渡的时期，20龄苹果林处于成熟阶段向衰老期过渡阶段；而王艳萍(2015)的研究中7年果树还处于果树非旺盛生长阶段，17年果树处于成熟阶段的生长旺盛期，这可能是造成结果差异的主要原因之一。Zalesny Jr等(2006)的研究表明，在幼林阶段，由于植物本身快速的生长所需耗水量较大，植物的蒸腾会随着林龄的增长而急速增大。赵平等(2011)通过对马占相思(Acacia mangium)研究发现，15年之后的马占相思冠层会有萎缩现象，枯木量也会增加，蒸腾耗水也随之减少，这些研究都说明当林木生长到成熟阶段之后，其自身的生长减弱，蒸腾量便会随之呈下降趋势。其次，不同林龄苹果林的蒸腾量之所以表现为10龄大于20龄，还可能与不同林龄苹果林对土壤水的主要消耗深度不同有关。20龄苹果林的蒸腾量小于10龄，可能是由于果树对土壤水分的多年消耗和该地区相对较少的降水所产生的累积效应导致。王艳萍等(2015)的研究表明，由于果树生长强烈耗水、降水相对不足和潜在蒸发量巨大等因素长期相互作用，黄土塬区7年苹果林没有发现土壤干燥化现象，17年苹果林因处于成熟阶段的生长旺盛期，土壤剖面有非常严重的干燥化土层，且干燥化土层分布深度为320~600 cm，李小英等(2014)对柠条(Caragana korshinskii)的研究也表明，随着林龄的增加，土壤干造化程度逐渐加强。

7、8月份苹果林日蒸腾量表现为20龄苹果大于10龄，而其他月份整体表现则相反，这可能是由于7、8月处于果实膨大最快的时期。从产量来看，20龄苹果林产量是10龄苹果林的1.26倍，为了提供果实生长所需水分及养分，根系必然会向土壤索取水分来运输果树所需养分以供果实生长。

4.2 不同时间尺度下不同林龄苹果林蒸腾耗水与环境因子的关系

本研究表明，日尺度下，在一定程度上，苹果林蒸腾和水汽压差呈正相关关系，当水汽压差＞1 kPa时，2个林龄苹果林的日蒸腾量均有所下降，这与Vose等(Vose et al., 2000)的研究结果一致。随着时间尺度的增大，进入蒸腾量与环境因子回归方程的环境因子个数减少，且水汽压差在月、月尺度下均进入了回归方程。在较大时间尺度下，与根系吸收水分直接相关的因子对蒸腾的影响更大，而在较小的时间尺度下，与叶片等耗散水分直接相关的环境因子对蒸腾的影响更大，这与王文杰等(2012)对落叶松(Larix gmelinii)液流密度和环境因子关系的研究结果一致。而王瑞辉等(2006)人对元宝枫(Acer truncatum)的研究表明，土壤温度是不同时间尺度下液流速率的主导因素。这可能是由于本研究试验期间总体降水量较高于多年平均降水，以致相对湿度较大，使得水汽压差成为蒸腾量的主控因素。

4.3 苹果林储水量对降水量及蒸腾量的响应

不同林龄苹果林的土壤储水量均随降水有所增加且表层土壤储水量随降水的变化更强，20龄苹果林300~600 cm土壤储水量随降水的变化很小，这与肖列等(2013)、Wang等(2009)对黄土丘陵区梯田果园土壤水分特征的研究结果一致，在黄土地区降水对农田土壤水分的补充深度为300 cm。本研究发现，在日尺度下，苹果林蒸腾在降水后增大，而在月尺度下，除7月外，苹果林蒸腾与降水呈正相关关系，这与莫康乐等(2014)的研究日尺度下的蒸腾量与降雨量呈正相关关系的结论不一致，可能是由果树本身的生理及生活习性决定的。7月正处于果实膨大期，果树急需从土壤吸收水分来供果实生长，而此时降水少，果树只能向更深层次的土壤索取水分。水汽压差、T_a等环境因子只是影响苹果林蒸腾的外界因素，直接影响蒸腾的因素是土壤水分含量。本研究表明，5—6月份，果树蒸腾逐渐增强，0~100 cm土壤储水量逐渐降低且20龄树龄大于10龄，100~300 cm土壤储水量10龄树龄大于20龄；7月份，2个林龄苹果林0~300 cm土壤储水量持平，说明20龄苹果林土壤蒸发小于10龄，在降雨量少的时候，果树利用100~300 cm土层的水分且20龄苹果林对该层水分的利用更强烈。

4.4 不同林龄苹果林蒸腾占蒸散的比例

虽然不同林龄苹果林蒸腾峰值出现在7月，且二者相差较大，但Tr/ET峰值却出现在8月，出现这种现象的原因可能是试验期间，果树叶片在8月出现早落现象，导致果树棵间蒸发受叶面积的影响变小，但蒸腾量由于受到果树果实生长需求的影响，20龄苹果林高于10龄。图 5表明，9月份20龄和10龄苹果林Tr/ET值相差最大且10龄大于20龄，这是由于10龄苹果林生命活动强于20龄苹果林造成的，在5月和10月均呈现相同的现象。在6、7月份，果实进入膨大期，20龄苹果林座果率高于10龄苹果林，需水量显著大于10龄苹果林，因此蒸腾耗水较10龄苹果林多，Tr/ET值逐渐接近10龄苹果林。而8月份，20龄苹果林需水量远高于10龄苹果林，且棵间蒸发受叶面积的影响变小，以致20龄苹果林Tr/ET大于10龄苹果林。

5 结论

1) 不同时间尺度下，不同林龄的苹果林蒸腾量在生长季内均表现为先增加后减少。月尺度下，除果实迅速膨大期，蒸腾均表现为10龄大于20龄。苹果林蒸腾与空气温度和水汽压差均呈现显著正相关关系，但日尺度下，当水汽压差＞1 kPa时，2个林龄的苹果林日蒸腾量均有所下降。水汽压差在月、月尺度下均为不同林龄苹果林蒸腾的主导因子。

2) 10龄苹果树蒸腾耗水主要集中在0~300 cm土层，而20龄苹果树蒸腾所需水分来源于0~600 cm土层，在极度缺水的7月，300~600 cm的贡献更多。整体上看，降水对10龄苹果林土壤储水量影响较大。

3) 8月下旬之后，应当对20龄苹果林采取适当的保墒措施以减少土壤蒸发，但对10年苹果林而言，相应的保墒措施可以在9月份之后进行，以期为翌年苹果树健康生长提供优质的土壤水分条件。