荒漠区绿洲滴灌核桃耗水规律与产量研究

刘新华，虎胆·吐马尔白，焦 萍，米力夏提·米那多拉

(1.塔里木河流域阿克苏管理局，新疆 阿克苏 843000；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

近年来，许多学者对作物耗水规律研究集中于不同作物[1-4]、不同覆盖模式[5-7]、不同灌水处理等[8-9]对作物产量及生理指标的影响，其理论相对成熟，而对于南疆核桃树灌溉制度研究多为核桃根系分布研究。例如，赵经华等[10]进行了不同灌溉定额下核桃树吸水根系分布的实验，垂直方向根系集中分布于0～60 cm，水平方向根系集中分布于0～90 cm。李丹等[11]通过研究数值模拟滴灌核桃土壤水分动态变化，得出在垂直二维剖面中，吸水根系主要分布于水平0～30 cm、垂直40～60 cm，根长密度为1618.216 m/m3，此区域内根系对土壤含水量产生显著影响。

本研究以10年生“温185”核桃为研究对象，利用田间试验，水量平衡法和Penman-Monteith公式，探讨核桃耗水规律、参考作物腾发量、产量和水分利用效率，为新疆阿克苏地区核桃灌溉制度选取合适的灌溉定额提供一定的理论指导和参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

实验于2018年4月—9月在新疆农业大学实验基地即新疆阿克苏地区红旗坡农场进行。实验基地位于东经80°20′，北纬41°16′，海拔1130.0 m。地处天山南坡中段，塔里木盆地边缘，属暖温带干旱性气候，多年平均太阳总辐射量544.115～590.156 kJ/cm2，多年平均日照时数2855～2967 h，无霜期达205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm，多年平均气温11.2 ℃，年有效积温为3950 ℃。试验区面积0.67 hm2，地下水的埋深为6.0 m以下，土壤0～120 cm土壤平均干容重1.39 g/cm3、田间持水率25.9%。试验区土壤机械组成见表1。

表1 试验区土壤机械组成

1.2 方法

研究对象为10年生“温185”核桃，东西方向种植，行间距3.0 m，株间距2.0 m。采用一行两管模式灌水，滴灌带距树0.4 m，滴头间距0.2 m，滴头流量3.7 L/h。试验采用单因素变定额法，根据灌溉定额设3个处理，3组重复。灌溉定额根据赵经华[10]等研究成果确定，分别为：375 m3/hm2、450 m3/hm2、525 m3/hm2；各处理均在同一天灌水，2018年4—9月累计灌水7次(不考虑春、冬灌)，灌水量为2625～3675 m3/hm2，具体灌水时间为4月30日、5月14日、6月4日、6月18日、6月28日、7月25日、8月8日。具体灌溉制度见表2。

表2 核桃灌溉制度 m3·hm-2

试验中主要的测定指标如下：

(1)土壤含水量。试验采用剖面土壤水分传感器(TRIME-PICO-IPH，IMKO Inc.Germany)测定土壤剖面含水率。土壤剖面水分测定深度为0～120 cm，每20 cm一个监测点。TRIME测定管水平布设间距40 cm，见图1。土壤含水率测定时间为核桃灌水前后，降雨时加测。

图1 TRIME管布置图(单位：cm)

(2)作物耗水量。采用水量平衡法计算耗水量：

ETC=W+WT+P0+M+K-S

(1)

式中：ETC为作物耗水量，mm；W为作物土壤贮水值变化，mm；WT为储水容量，mm；P0为时段内有效降水量，mm；M为时段内灌水量，mm；K为时段内地下水补给量，mm，因地下水位为6 m以下，没有土壤毛管上升水的补充，故K=0；S为深层渗漏，mm，滴灌条件下S=0。

P0有效降雨量通过联合国粮食及农业组织(FAO)经验公式计算，公式如下：

(2)

式中：P0为有效降水量，mm，P0=32.747 mm；TP为总降雨量，mm。

(3)

式中：W为单位面积储水量，mm；x为第i土层土壤的体积含水量，%。

(3)参考作物腾发量。利用Watchdog自动气象站观测相关气象数据代入FAO Penman-Monteith公式计算，公式如下：

(4)

式中：ET0为参考作物腾发量，mm/d；Rn为作物表面净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；T为平均空气温度，℃；U2为2 m高度风速，m/s；(ea-ed)为水汽压差，kPa；Δ为水汽压-温度关系曲线的斜率，kPa/℃；γ为湿度计常数，kPa/℃；900为转换系数。

(4)气象数据。气象数据根据距试验小区50 m的微型气象站(Watchdog)观测太阳辐射、气温、相对湿度、风速及降雨量等气象数据。每隔30 min记录1次，每月21日利用自带软件下载1次数据。根据观测数据，2018年4—9月日平均气温为20.97 ℃，总降雨量68.21 mm。

(5)产量。每个处理随机选择4株核桃树，测单株果实颗数，再根据产量折算法计算核桃产量。

2 结果与分析

2.1 土壤水分变化

根区土壤含水率变化反映了作物生长的水分环境和作物蒸发蒸腾耗水状况，可直接反映出果树需水特性。图2显示了不同灌溉定额下灌溉前后土壤含水量在垂直方向的分布。取5月14日、7月25日灌水数据研究。

(a)C1灌溉定额375 m3/hm2

(b)C2灌溉定额450 m3/hm2

(c)C3灌溉定额525 m3/hm2图2 土壤水分分布图

从图2中可以看出，地表水分受环境因素(例如风速、温度、降雨、蒸发、太阳辐射等)的影响，导致灌水前后土壤含水率变幅较大，水分很难储存在表层土壤中。375 m3/hm2灌溉定额下灌水前后土壤含水率曲线交于60 cm处，说明入渗深度达到60 cm。0～60 cm土层土壤含水率灌后大于灌前，60～120 cm土层土壤含水率灌后小于灌前。原因是灌溉定额较小，入渗深度未达到核桃吸水根系深度，灌溉水量无法满足核桃生长耗水量，根系消耗土壤中储存的水分，致使60 cm以下土壤含水率灌后小于灌前。灌溉定额为450 m3/hm2的土壤含水率分布呈反“S”型曲线。灌水前后土壤含水率值交于80～100 cm处，证明入渗深度可达到80～100 cm。而80～100 cm以下土壤含水率值灌后大于灌前，表明80～100 cm以下无耗水，即可满足核桃根系耗水。由于环境因素和根系影响的减弱，使得100～120 cm土壤含水率变化程度降低。灌溉定额为525 m3/hm2的土壤含水率分布呈单峰曲线。含水率值灌水前后交于100～120 cm处，土壤含水率均为灌后大于灌前。表明土壤水分向深层运移，造成灌溉水浪费。

且根据图2b，反“S”型曲线图可将核桃根系0～120 cm土层划分为3个系统，即0～60 cm(活动层Active layer)、60～100 cm(亚活动层Sub active layer)、100～120 cm(稳定层Stable layer)。0～60 cm(活动层Active layer)受灌溉、气象因素和核桃根系影响，土壤水分运动最活跃。此土层土壤水分损失量最大，增值也最多，是核桃树主要侧根分布区域，根系吸水剧烈且变幅较大。

以每次处理灌溉前的数据为例，最小值和最大值分别为9.33%和22.76%，变动率为13.43%。60～100 cm(亚活动层Sub active layer)受灌溉和作物根系活动的影响较大，土壤水分消耗主要是核桃的蒸腾作用。亚活动层分布的根系逐渐减少，吸水能力也逐渐减弱。100～120 cm(稳定层Stable layer)受根系、气象因素及灌水的扰动较小，因此更稳定。

2.2 核桃树各生育期耗水规律与参考作物腾发量

依据水量平衡方程，计算核桃4—9月作物耗水量，并按各生育期进行汇总，最终得到核桃各生育期耗水量及累计耗水量见表3。根据Penman-Monteith公式，计算4—9月参考作物腾发量ET0，最终得到核桃参考作物蒸散量ET0，如图3。

研究表明，不同灌溉处理的核桃耗水量在247.66～353.23 mm之间。从每个生长期的耗水模数来看，核桃耗水量的变化趋势为逐渐增加。核桃开花结果期至油脂转化期耗水量从小到大为：开花结果期<果实膨大期<硬核期<油脂转化期。各灌水处理硬核期和油脂转化期的耗水模数之和占耗水总量的66.52%～72.74%，主要由于硬核期与油脂转化期生育期时间较长，生育期内温度较高蒸发蒸腾较大造成，因此硬核期和油脂转化期为核桃关键物候期，在需水关键期保证水分和养分的充分供应，可达到保产增产效果。

表3表明，核桃树日均耗水量呈前期逐渐增加后期减少的趋势，日均耗水量从开花结果期(24 d)2 mm左右增加到果实膨大期(24 d)的2.5 mm左右。随着日照时长增长、温度变高、辐射等因素的增大，硬核期核桃树(32 d)的日均耗水量达到峰值3.53 mm左右，油脂转化期(48 d)的日均耗水量维持在3.00 mm左右。油脂转化期耗水模数最大，但日均耗水量小于硬核期，主要原因为油脂转化期生育期较长。

表3 耗水量、耗水模数、平均日耗水量

由图3可知，2018年4—9月参考作物腾发量ET0曲线呈前期逐渐增大后期逐渐减小的趋势，在6月—7月达到峰值。从图3可知油脂转化期(07-06—08-31)内参考作物腾发量所占比例最大，主要原因是生长期较长且日平均温度较高。硬核期(06-03—07-05)内总参考作物腾发量为次高水平，主要是由于此时期内太阳辐射较强，平均温度较高，但生育期时间较油脂转化期短。而开花结果期(04-15—05-09)和果实膨大期(05-10—06-02)内日均温度较后两个生育期低，且太阳辐射也处于一个较低水平，故参考作物腾发总量ET0小于后两个生育期。

且由图3可得出，在核桃树全生育期内，从4月上旬到5月上旬日均参考作物腾发量ET0为3.47 mm，随着辐射强度、温度、日照时间增加，ET0呈上升趋势，从5月上旬到6月上旬日均参考作物腾发量ET0达到3.73 mm，期间回落部分是由于阴天、降雨等影响。从6月底7月初，日均参考作物腾发量ET0达到峰值4.23 mm。8月份，随着辐射强度、温度和日照时间的减少，参考作物腾发量ET0从8月初到9月呈线性下降趋势，值从3.57 mm降到2.38 mm以下。

图3 参考作物腾发量ET0图

2.3 不同灌溉定额下水分利用效率

具有较高水分利用效率的灌溉定额可以在指导灌溉和实现高节水、高产效果方面发挥巨大作用。核桃灌溉和产量关系，见表4。

研究表明，当灌溉定额大于375 m3/hm2时，不同水分处理下的产量与灌水量呈正相关，产量随灌水量的增加而增加。结果表明，当灌溉定额大于375 m3/hm2时，增加灌水量可以达到提高产量的效果。不同水分处理下的产量与灌溉用水效率呈负相关，水分利用效率随灌水量的增加而降低。C2较C1产量增加1033.864 kg/hm2，C3较C2产量增加219.823 kg/hm2，说明当灌溉定额超过450 m3/hm2时对产量的影响已经不明显，此时增加灌水量会造成灌溉水的浪费，不利于农业生产。C1与C2灌溉水利用效率差异不明显，但C2产量远高于C1。C3的灌水量最大，产量也最大。但灌溉水利用效率最低，由于灌水量的过剩造成了灌溉水浪费，不满足最严格水资源管理制度要求。

表4 核桃产量及灌溉水利用效率(WUE)

3 结 论

本试验研究了不同灌水量下核桃耗水规律、产量和水分利用效率。

(1)灌溉定额为375 m3/hm2时，入渗深度未达到核桃吸水根系深度。灌溉水量无法满足核桃生长耗水量，核桃根系消耗土壤中储存的水分。灌溉定额为450 m3/hm2的处理，土壤含水率呈反“S”型曲线，入渗深度达到80～100 cm，可满足核桃根系耗水。灌溉定额为525 m3/hm2时，土壤含水率呈单峰曲线，土壤水分向深层运移，引起深层土壤水分波动较大，造成灌溉水浪费。

(2)实验指出不同水分处理核桃全生育期耗水量(不计春冬灌)在247.66～353.23 mm区间内，核桃各生育期耗水规律为：开花结果期<果实膨大期<硬核期<油脂转化期。硬核期和油脂转化期的耗水模数之和占耗水总量的66.52%～72.74%。这两个生长期是核桃生长的关键物候期。

(3)当灌溉定额超过375 m3/hm2时，灌水量与作物产量呈线性增长，增加灌溉量可提高产量。当灌溉定额大于450 m3/hm2时，灌水量增加对产量的影响不明显。