基于冠气温差的阿克苏成龄红枣缺水诊断及预测

郑文强，岳春芳，曹 伟

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】新疆属于内陆干旱区，“荒漠绿洲、灌溉农业”是其显著特点。新疆农业灌溉用水量占总用水量的92.87%[1]，干旱缺水已经成为制约新疆经济发展的主要因素之一。建设节水型现代农业是实现新疆农业和生态环境可持续发展的重要举措，发展节水型特色林果产业以推进农业产业结构升级，及保护绿洲生态环境十分有益。【前人研究进展】近年来，一系列研究均表明冠气温差可反映出作物水分状态。孟平等[2]研究了苹果树冠气温差与土壤墒情及气象因子关系，得出苹果树冠气温差只与土壤水分有显著关系，其他因素不显著，且用冠气温差来预测土壤含水量具有很好的可行性；魏征等[3]从不同灌溉处理条件下冬小麦水分生理与光合生理的角度，以冠气温差为指标，研究两种水文年条件下基于冠气温差的水分亏缺诊断，为冬小麦精准灌溉提供指导；王东豪等[4]研究了葡萄根系层冠气温差与土壤相对含水量的关系，研究表明，典型晴天日14:00的冠气温差测来预测葡萄土壤水分的方法是可行的。【本研究切入点】目前对红枣冠气温差的研究少之又少，且新疆红枣种植多依赖经验灌溉，没有形成系统的理论基础。以冠气温差为判断指标，对红枣水分状态做出判断及预测。【拟解决的关键问题】采用红外测温仪测得的枣树各生育阶段的冠气温差，结合采集的土壤相对含水量RSW、冠层净辐射值Rn、风速V、空气温度Ta和湿度RH，以彭曼公式为理论模型，探究红枣土壤墒情及气象因子与冠气温差的关系，并以红枣各生育期适宜的土壤相对含水量上限值对应的冠气温差作为水分亏缺的判断指标，为阿克苏地区红枣提供灌溉决策[5-6]的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验区位于新疆阿克苏地区，距离阿克苏市11 km的农业科技园区内(80o19'～80o20' E，41o16'～41o17' N)，其气候属于温带大陆性气候，光热资源丰富，年平均太阳总辐射量544.115～590.156 kJ/cm2，多年平均日照时数2 855～2 967 h，无霜期长达205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm。多年平均气温11.2oC，年有效积温为3 950oC，4～10月的植物生长季平均气温为16.7～19.8oC，昼夜温差大。试验区土层深度在100 cm以内均为砂壤土，平均容重为1.42 g/cm3，经试验测得土壤30～60 cm深度平均田间持水量为34.2%(体积含水率)，0～50 cm土壤有机质1.87%，全氮0.121%，全磷0.208%，碱解氮77.4 mg/kg，速效磷93 mg/kg，速效钾310 mg/kg。

所用数据皆为查阅资料所得[7]。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

以阿克苏地区树龄为5年灰枣为研究对象，株径4～5 cm，果树高2.5～3 m，株距2 m，行距3 m，果树长势均较均匀。红枣的主要生育期持续时间约为200 d，分别为4月1～20日的萌芽期，4月21日～5月20日的展叶期，5月21日～6月30日的开花期，7月1日～9月20日的幼果期及幼果膨大期，9月21日～10月20日的成熟期。枣树灌溉方式为滴灌，一行双管、距树50 cm布置方式，滴灌管径16 mm，滴头间距50 cm，灌溉定额为每次600 m3/hm2。

在阿克苏红枣试验基地红枣萌芽期、展叶期、开花期、幼果期以及成熟期5个生育期中选取1个典型晴天，各生育期典型晴天对应的日期分别为4月10日、5月13日、6月20日、8月10日和10月8日；在红枣各生育期中选取一个典型阴天，对应的日期分别为4月15日、5月10日、6月13日、8月15日和10月11日，绘出典型晴天日和典型阴天日的日冠气温差变化。

1.2.2 土壤墒情监测

(1)土壤含水率

在研究田中选取4株典型且矩形分布的枣树，在矩形区域长宽所在的连线上各等距设置3个观测点，矩形两条对角线各等距布置4个观测点，各方向土壤体积含水率采用土壤水分仪TRIME-IPH进行测量，灌溉前后的第1 d、第3 d和第5 d测定土层10 、20、30、40、50、60、80和100 cm的含水率，1 h测1次，降雨后加测，其他时间每隔5 d监测1次。

选取30～40 cm的土壤含水量平均值来推求冠气温差。

(2)土壤温度

采用地温计在枣树株间位置5、10、15、20及25 cm深度处监测地温，每天14:00监测1次，取平均值。

1.2.3 气象要素

在矩形中心处设置1.5 m高的自动气象站(Watchdog, USA)，在枣树萌芽期前安装并设置启动运行，架设高度为4.5 m，采集太阳总辐射Q，冠层净辐射Rn，空气温度Ta，相对湿度RH，风速V及降雨量P等气象数据，记录时间设置为30 min。观测时间4月1日到10月1日，枣树全生育周期降雨量与参考作物蒸发蒸腾量ET0。图1

图1 观测期枣树全生育阶段雨量与ET0Fig. 1 Rainfall and ET0 of jujube during the whole growth period

1.2.4 冠层温度

分别于4月到10月典型晴天日14:00，使用FLUKE红外测温仪测量枣树树冠上方0.5 m处，顺着太阳光的入射方向，以45o俯角测定其冠层叶温(Tc)，每棵枣树测3次，4棵枣树共测12次，取平均值作为此时的枣树冠层温度；并于4～10月典型晴天和典型阴天日观测Tc的日变化规律，观测时间为当天的08:00～20:00，观测时间间隔为1 h。

红外测温仪监测可得冠层温度(Tc)，监测的气象要素可得大气温度(Ta)，冠气温差(ΔT)为冠层温度(Tc)与大气温度(Ta)的差值，即ΔT=Tc-Ta。

1.2.5 理论模型

Jackson 等[8]以Penman-Monteith公式为理论模型，提出了冠气温差的理论计算方法；孟平等[2]对Jackson 提出的公式进行了简化，运用多元线性回归的方法提出了苹果树冠气温差与环境因子的关系。果树1 d内的冠气温差与土壤相对含水量关系表现差异很大，但研究表明[9-10]，果树12:00～16:00的冠气温差与土壤相对含水量相关性最强，12:00～16:00的冠气温差能在一定程度上反映阿克苏地区红枣的水分亏缺情况。研究理论模型是基于Penman-Monteith公式，运用多元线性回归的方法，针对阿克苏地区枣树，提出阿克苏地区红枣冠气温差与土壤墒情及环境因子的简化计算模型，其目的是用冠气温差的大小来表明红枣的缺水状态。

研究土壤水分指标为土壤相对含水量，字母表示为RSW，RSW计算方法如下：

(1)

式中，SW为土壤含水量，FC为田间持水量，是植物吸收水分上限值，其通常作为灌溉定额的计算指标。

1.3 数据处理

选取典型晴天日14:00对应的冠气温差、土壤墒情及气象因子的部分数据，运用SPSS软件对数据进行回归分析，冠气温差及其相关因素统计。

在SPSS软件中运用逐步回归方法，逐步回归会自动剔除不显著的变量。

2 结果与分析

2.1 红枣冠气温差日变化规律

研究表明，阿克苏地区红枣在萌芽期、展叶期、开花期、幼果期以及成熟期的冠气温差在典型晴天日整天呈现单峰变化规律，其最小值出现在1 d中的13:00～14:00，最小值达到了-7.0℃，变化范围在-7.0～1.1℃，由于不同生育期红枣自身需水情况、土壤墒情及气象条件的不同，红枣各生育期典型晴天日同一时刻冠气温差差异明显，但整体变化趋势一致。

阴天情况下，阿克苏地区红枣冠气温差随时间变化规律不明显，整体呈现出多峰变化规律，其1 d内冠气温差最小值也主要集中在13:00～14:00，最小值为-4.2℃，变化范围在-4.2～1.9℃，最小值明显低于晴天日，且其变化范围也低于晴天日，红枣冠气温差在晴天日随时间变化表现的更敏感。

阿克苏地区红枣在典型晴天日和典型阴天日各生育期冠气温差最小值大部分集中在14:00，小部分在13:00达到最小值，且晴天日冠气温差更敏感，用冠气温差来判断枣树缺水情况应选择晴天日14:00的冠气温差。图2，表1

图2 典型晴天和典型阴天红枣树冠气温差随时间变化Fig. 2 Canopy-air temperature differencial of jujube canopy on typical sunny and cloudy days with time

表1 冠气温差及相关因素Table 1 Statistics of canopy-air temperature differential and related factors

2.2 冠气温差与土壤墒情及气象因子关系

研究表明，模型1和模型2其考虑的模型1是冠气温差与土壤含水量的关系，模型2是冠气温差与土壤含水量及冠层净辐射的关系。两个模型的结果皆在0.01

当土壤墒情和气象因子数据充足时，由逐步回归结果可得模型2。

ΔT=4.8-11.7RSW+0.003Rn.

(2)

式中，ΔT为冠气温差，RSW为土壤相对含水量，Rn为冠层净辐射值，由拟合结果可知，回归模型R2为0.923，模型拟合程度较高。

当气象数据缺失，只有土壤墒情数据时，也可只用土壤相对含水量来预测冠气温差。

ΔT=5.5-12.2RSW.

(3)

式中，各项字母意义与公式(2)相同，只考虑土壤相对含水量的回归模型R2为0.907，拟合程度较高。表2

表2 模型回归Table 2 Model regression Results

2.3 冠气温差回归模型验证

研究表明，回归模型1最大相对误差为31.82%，最小相对误差为-4.00%；回归模型2最大相对误差为22.73%，最小误差为3.45%，回归模型1的相对误差总体上比回归模型2略大，同时考虑土壤相对含水量和冠层净辐射比只考虑土壤相对含水量的拟合结果更精确，当数据充分时，应采用回归模型2，当只有土壤相对含水量这一组数据时，应采用回归模型1。回归模型1和回归模型2相对误差大部分都集中在20%以内，两个模型均具有一定的实用性，故可采用此模型来预测冠气温差。表3

表3 回归模型冠气温差与实际对比Table 3 Comparison of canopy-air temperature differential between regression model and practical results

2.4 冠气温差临界值

研究表明，冠气温差与土壤墒情及环境因子三者数据完整时判断得来的红枣水分状态更准确。当数据不充分时可考虑模型1。

以红枣各生育期适宜的土壤相对含水量上限值对应的冠气温差作为水分亏缺的判断指标，将土壤相对含水量作为已知因素，代入上文推导出的冠气温差模型1，经计算可得临界冠气温差。

红枣萌芽期和展叶期土壤相对含水量保持在田间持水量的50%～65%为宜，开花期和幼果膨大期土壤相对含水量应保持在田间持水量的70%为宜，成熟期土壤相对含水量应保持在田间持水量的60%为宜[11]，通过模型计算可得，红枣萌芽期和展叶期临界冠气温差为-2.43℃，开花期和幼果膨大期临界-3.04℃，果实成熟期临界冠气温差为-1.82℃。当晴天日14:00实测冠气温差大于对应生育期的临界冠气温差，需进行灌溉，当小于对应生育期的临界冠气温差，枣树不缺水，无需灌溉。

3 讨 论

3.1 基于充分灌溉条件下提出了阿克苏成龄红枣水分亏缺预测模型，而新疆属于严重缺水地区[12]，大部分地区采用非充分灌溉[13]，其灌水量远达不到红枣各生育期土壤相对含水量上限值，非充分灌溉条件下的各生育期对水分亏缺的敏感程度及预测模型有待深入研究。

3.2 研究了冠气温差与土壤含水率具有显著相关关系，这一观点与孟平、魏征、王东豪等[2～4]一致，因此可以用冠气温差预报红枣水分状态。研究了充分灌溉条件下以冠气温差来预测红枣树的水分亏缺状态，并未确定红枣树的灌水量和灌水频率，灌水量、灌溉频率与产量的关系仍需进一步研究。

3.3 研究只针对阿克苏地区的土壤墒情及气象条件，模型应用具有一定的局限性。

4 结 论

4.1 红枣树各生育期晴天ΔT随时间表现出单峰抛物线关系，阴天ΔT随时间表现出多峰曲线关系，阴天日绝对ΔT值明显低于晴天日，ΔT峰值均出现在13:00～14:00，且峰值大部分集中在14:00，故选取14:00的冠气温差来判断及预报土壤水分亏缺。

4.2ΔT与SW、Rn、V、Ta及RH的多元线性回归分析表明，SW和Rn与ΔT有明显的相关关系，其他因素不显著；考虑RSW和Rn的ΔT回归模型表达式为ΔT=4.8-11.7RSW+0.003Rn，只考虑RSW的ΔT回归模型表达式为ΔT=5.5-12.2RSW，R2均在0.9以上，拟合程度较好，可靠性较高。

4.3 以土壤相对含水量上限对应的冠气温差为临界值，当晴天日14:00实测冠气温差大于对应生育期的临界冠气温差，需进行灌溉，当小于对应生育期的临界冠气温差，枣树不缺水，无需灌溉。阿克苏地区红枣萌芽期和展叶期临界冠气温差为-2.43℃，开花期和幼果膨大期临界-3.04℃，果实成熟期临界冠气温差为-1.82℃。