旱区分根交替灌溉苹果树水分利用及蒸发蒸腾量的研究及应用

王欢

1、研究背景与意义

水资源是世界经济社会可持续发展的重要保障，是生产力提高，科学技术进步，人民安居乐业的关键所在。作为一种不可替代的基础性资源，水资源的利用、发展和保护从古至今一直都是人类社会关注的焦点问题。我国是世界上 13 个贫水国之一，水资源总量不仅少，而且时空分布不均，人均占有量较低。2018年，全国水资源总量为27462.5亿m3，全国用水总量6015.5亿m3，其中农业用水3693.1亿m3，占用水总量的61.4%，耕地实际灌溉亩均用水量365m3，农田灌溉水有效利用系数0.554。我国是一个典型的农业大国，农业用水占总用水量比例高和农田水利设施发展不平衡、不协调、不可持续的问题日益突出。为解决上述问题，我国正大力发展高效节水灌溉。通过建设和利用农田水利设施进而降低农业灌溉用水量，切实提高灌溉水利用效率已成为农业健康发展的基本保障和缓解全国水资源短缺的重要措施。蒸发蒸腾是苹果树水分消耗的主要形式。在此过程中，水分会通过叶片蒸腾和土壤蒸发散失到大气中，其中的蒸腾过程还与苹果树的生理活动和产量形成密切相关。与此同时，蒸发蒸腾量还影响着树体水分状况和能量分配。因此，科学研究苹果树水分利用和蒸发蒸腾量估算对于干旱区农业高效用水的发展、水分利用效率的提高和经济效益的稳健增长具有重要的战略意义。分根交替灌溉是一种创新型的节水技术，通常只灌溉果树一侧的根区，使之处于湿润状态，而对另一侧根区不灌溉，使之处于干旱状态，然后交替进行，即对原干旱侧进行灌溉，原湿润侧不灌溉。在此过程中，果树处于湿润侧的根系能够正常吸水，维持果树正常的生理活动;干旱侧的根系则产生 ABA，从根系传输至叶片，调节叶片气孔开度，减少奢侈蒸腾，提高水分利用效率。

2、 研究的主要目标与内容

以西北旱区苹果树为研究对象，通过不同灌溉频率和灌溉定额的分根交替灌溉试验，评价苹果树生理生态和生长指标对不同灌溉频率和灌溉定额分根交替灌溉的响应，研究不同灌溉频率和灌溉定额分根交替灌溉对苹果树蒸发蒸腾量、产量和水分利用效率的影响，计算基于分根交替灌溉苹果树树干直径微变化的信号强度，并依此科学诊断苹果树水分状况，以期为制定科学高效的灌溉制度，促进苹果树节水丰产的健康发展提供科学依据。

（1）进一步揭示不同灌溉频率分根交替灌溉条件下苹果树生理节水机制

分析茎叶水势（黎明前叶水势、正午叶水势和正午茎水势）和冠层结构参数（叶面积指数、缝隙度、叶倾角和丛生指数）的季节变化规律，同时采用两因素方差分析分别探讨了灌溉方式和灌溉定额对光合速率、气孔导度、茎叶水势、根系参数（根长密度、根直径、根表面积、根体积和根干重）和冠层结构参数的影响，以期进一步明确分根交替灌溉苹果树水分利用和生理节水机制。

（2）分析不同灌溉频率分根交替灌溉对苹果树蒸发蒸腾量、产量和水分利用效率的影响，为优化灌溉制度提供理论依据

采用液流-微型蒸渗仪法测定土壤蒸发量和苹果树蒸腾量，结合苹果树全生育期液流量科学评价不同处理苹果树体内水分状况，揭示不同处理苹果树蒸发蒸腾量、产量和水分利用效率差异，以期明确适于干旱区苹果树的优化灌溉制度。

（3）提出适宜于干旱区分根交替灌溉条件下的苹果树蒸发蒸腾量估算模型

构建基于下垫面局部湿润条件下的蒸发蒸腾量估算模型，同时以实测数据为参照，比较上述模型估算蒸发蒸腾量的准确性和適用性，以期为分根交替灌溉条件下田间水分科学管理提供依据。

（4）对比分析树干直径微变化和信号强度，确定适宜干旱区苹果树水分状况诊断的优化参数

对比分析常规灌溉和分根交替灌溉条件下苹果树树干直径日最大收缩量和信号强度的差异，并探讨上述参数对气象因子的响应。最后评价两种灌溉方式条件下信号强度与土壤含水量、茎叶水势的相关关系，明确水分指示的优化参数，以期科学诊断干旱区苹果树水分状况并指导灌溉。

3、试验方案与技术路线

选取西北旱区苹果树为研究对象，分析不同灌溉方式条件下苹果树生理生态和生长指标的变化规律;基于液流-微型蒸渗仪法定量分析苹果树全生育期蒸发蒸腾量，并结合产量和水分利用效率确定干旱区苹果树优化灌溉制度;构建适于干旱区分根交替灌溉条件下苹果树蒸发蒸腾量估算模型;对比分析树干直径微变化和信号强度，并评价上述两种参数指导灌溉的可行性，为苹果树节水丰产奠定基础。

（1）测定苹果树光合速率、气孔导度、茎叶水势、根系参数及冠层结构参数等，探讨生理生态和生长指标对不同灌溉频率分根交替灌溉处理的响应，揭示不同灌溉频率分根交替灌溉模式对苹果树个体生长发育和生理活动的影响及其调控机制。

（2）采用液流-微型蒸渗仪法进行蒸发蒸腾量计算，探究不同灌溉频率分根交替灌溉处理产量和水分利用效率的变化规律，明确高频分根交替灌溉的节水高产机理。

（3）以实测资料为基础，构建基于下垫面局部湿润条件下的苹果树蒸发蒸腾量估算模型，同时比较估算精度，以期确定最适合估算分根交替灌溉条件下蒸发蒸腾量的模型。

（4）建立基于树干直径日最大收缩量和液流量的信号强度，并分析不同灌溉方式对树干直径日最大收缩量和信号强度的影响，明确信号强度和环境因子、水势的相关关系，以期为科学评价分根交替灌溉条件下苹果树水分状况并合理制定灌溉制度提供理论依据。

4、主要结论与展望

蒸发蒸腾量与树体水分状况、能量分配密切相关，是苹果树水分消耗的主要形式。因此，研究苹果树水分利用和蒸发蒸腾量，对于干旱区农业高效用水的发展、水分利用效率的提高和经济效益的稳健增长，具有重要的战略意义。但干旱区常规灌溉和较高的土壤蒸发量降低了有限的水分生产力，同时水资源短缺也日趋严重，因此亟需为干旱区苹果生产寻找到一种科学的节水灌溉技术。分根交替灌溉是一种创新型的节水技术，它能够通过根区的干湿交替来调节气孔开度，减少奢侈蒸腾，提高水分利用效率。果树具有较发达的根系和较宽的间距，也较适合采用该技术进行灌溉。因此，准确评价分根交替灌溉条件下果树水分状况，并依此科学制定灌溉制度，降低蒸发蒸腾量，提高苹果产量和水分利用效率，对于干旱区苹果产业的经济生态可持续发展，具有重要意义。

（作者单位：745000 甘肃省庆阳市水利工作总站）