干旱绿洲区骏枣作物系数及灌溉制度

张 波，吕廷波*，赵秀杰，周小杰，邢 猛，张云蕾

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000；3.新疆生产建设兵团第十四师水资源管理中心，新疆 昆玉 848100)

【研究意义】南疆和田地区属温带大陆性气候，昼夜温差大，光照充足，干旱少雨，适宜骏枣生长[1]。骏枣是此地区发展节水型特色林果业的重要经济作物之一，然而当地枣农节水意识薄弱，各生育期灌水具有一定的盲目性，导致骏枣减产和品质降低，影响了资源的高效利用和农业产业的绿色发展[2]。研究骏枣耗水规律能及时掌握骏枣各生育期耗水情况，实现适量适时的灌溉，为该地区骏枣的节水高产灌溉制度提供科学依据。【前人研究进展】近年来国内外学者对全国各地枣树作物系数和耗水规律展开相关研究，不同地区枣树作物系数和耗水规律也不尽相同[3-7]。一些学者[8-9]研究了不同灌溉定额下红枣的耗水规律，发现随着灌溉定额的增加，枣树耗水量也随之增大，红枣整个生育期耗水量呈现单峰曲线变化，耗水高峰在果实膨大期和花果期；何振嘉等[10]研究了非充分灌溉对枣树耗水规律的影响，发现枣树耗水规律表现为萌芽展叶期<果实成熟期<开花坐果期<果实生长膨大期，其对应的作物系数均值为0.44、0.81、0.91、0.99；Sun等[11]认为枣园土壤可以通过覆盖减少红枣的耗水量，枣树作物系数在生育前期、中期、后期分别为0.32、0.74、0.50；相关研究[12-14]表明，枣林可以通过减小枣树的规格大小来实现枣林耗水量和水分利用效率的调控，通过修剪枝条长度和数量控制树体规格，从而减小枣树蒸腾耗水量，有利于提高枣园土壤水分，提高产量；此外，还有学者[15-16]研究了耗水规律与气象因子之间的关系，发现太阳辐射是影响枣树蒸腾耗水的主导气象因子。【本研究切入点】各学者对不同地区不同品种的枣树耗水规律和作物系数研究较多，然而在南疆和田这种干旱绿洲区的研究却较少，特别是骏枣每个生育期耗水量的变化鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究在前人研究基础上，以不同灌溉定额为试验因素，设置低水、中水、高水等灌水处理，着重分析了各灌水处理试验地土壤含水率和骏枣不同生育期耗水量的变化，以期为南疆干旱绿洲区滴灌骏枣灌溉制度的制定提供理论依据，具有较好的实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年4月1日至10月31日，在新疆生产建设兵团第14师224团5连(79°16′44″N，37°13′1″E)进行，该地区属于典型的温带大陆性气候，全年降水稀少，日照时间长，蒸发量大，土壤盐渍化较严重。根据224团场气象站资料显示，试验区多年平均气温为12.2 ℃，其中7月份平均气温为25.5 ℃，极端最高气温高达40.6 ℃。平均风速为2.1 m/s，最大风速为25.6 m/s，风向多为西北风。年均蒸发量为2824 mm，年均降水量仅为33.4 mm。多年平均日照时数为2610.6 h，无霜期天数多年平均为214 d，沙暴天数为18～52 d，浮尘天数多达200 d。最大冻土深度为0.67 m，试验区地下水埋深约为4.0 m。土壤质地为沙壤土，各土层土壤干容重和田间持水率(重量百分数)见表1。

1.2 试验设计

试材选用当地常规品种骏枣，为矮化密植枣树，树龄为12年，枣树株行距1.5 m×3.0 m。灌溉方式滴灌，1行2管，分别位于枣树两侧，距树干30 cm，毛管为当地生产的单翼迷宫式滴灌带，外径16 mm，壁厚0.30 mm，滴头间距30 cm，流量3.2 L/h。试验方案为灌水量单因素4水平设计，根据实地走访调查研究区灌溉定额460 m3/667 m2，将灌溉定额设380、420、460、500 m3/667 m24个水平(W3为对照处理)，共灌水9次，其中萌芽展叶期1次，花果期3次，果实膨大期3次，果实成熟期2次，共设置12个小区，各小区长35 m，宽9 m，面积315 ，每个小区随机排列，3次重复，各处理、重复之间设置保护行。

根据当年枣树生长规律，将枣树生育期分为了4个时期：萌芽展叶期(4月10日至5月17日)，花果期(5月18日至7月12日)，果实膨大期(7月13日至8月15日)，果实成熟期(8月16日至10月31日)。各生育期具体灌水情况见表2。

1.3 测定项目与方法

(1)田间耗水量。根据水量平衡公式[17]计算骏枣每个生育期的田间耗水量：

(1)

式中：ET1-2为骏枣阶段作物耗水量(mm)；i为土壤层次计数；n为土壤层次总数；ri为第i层土壤干容重(g/cm3)；Hi为第i层土壤厚度(cm)；Wi1、Wi2分别为第i层土壤在时段始和末的重量含水率(%)；M、K、P、C分别为时段内的灌水量、地下水补给量、降水量和排水量(单位均为mm)。由于试验区地下水深度为4.0 m以下，无地下水补给量，因此K=0；又由数据监测可知土壤含水率在深度150 cm以下基本无变化，故C=0；试验区位于极端干旱区，降雨量可忽略不计，P=0。因此，式(1)可化简为：

(2)

灌溉水分生产率：

(3)

式中，IWUE为灌溉水分生产率(kg/m3)；Y为全灌区作物总产量(kg)；I为试验区总的灌溉用水量(m3/667 m2)。

(2)土壤含水率。采用土钻法分层测定150 cm土体土壤含水率，每层深度为10 cm，各层依次取3个样求其平均值，一次灌水取样时间为灌水前一天和灌后24 h内。

(3)ET0与作物系数。试验区设置小型气象站，实时监测气温、湿度等气象数据。参考作物蒸发蒸腾量ET0由Penman-Monteith公式[18]计算：

(4)

式中：ET0为参考作物腾发蒸腾量(mm/d)；Rn为冠层表面净辐射量[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]；Δ饱和水汽压-温度曲线斜率(kPa/℃)；γ为温度计常数 (kPa/℃)；T为2 m高度处日平均气温(℃)；u2为在地面以上2 m高处的风速(m/s)；es为空气饱和水气压(kPa)；ea为空气实际水汽压(kPa)。

作物系数为实测计算的作物耗水量(ET)与时段内参考作物蒸发蒸腾量(ET0)的比值[19]，公式为：

(5)

式中：Kc为作物系数；ET为作物实际腾发量(mm)；ET0为参考作物蒸发蒸腾量(mm)。

(4)产量。果实成熟后，各处理随机选取3棵枣树，测其平均值作为这个处理枣树的产量，并折算到单位面积产量。

1.4 数据处理

所得试验数据使用Origin 9．0绘图，用SPSS 25．0和Excel 2007进行对比分析。

2 结果与分析

2.1 灌水前后土壤含水率变化

土壤含水率是土壤墒情的一项重要指标[20]，选取骏枣发育关键期即果实膨大期相邻两次灌水前后分析土壤水分变化情况(图1)，因为0～100 cm深度土层为枣树生长的主根区，故主要分析0～100 cm深度枣树根系区内数据的平均值变化。灌水前后各处理土壤含水率变化较大。W1处理灌水前与灌后土壤含水率相差2.82%，下一次灌水前土壤含水率比本次灌水前略小，差值为0.70%，说明W1灌水量较小，枣树消耗量和田间土壤蒸发大，灌水后土壤水分一直被消耗，灌水量满足不了枣树消耗量，枣树除消耗本次灌水量外还消耗了原本储存于土壤中的少量水分；W2处理灌水前与灌后土壤含水率相差5.20%，下一次灌水前与本次差值为0.24%，两次灌水前土壤含水率基本相等，说明灌水后下渗的水分基本被枣树消耗和田间蒸发，W2灌水量较为合理；W3处理灌水前与灌后土壤含水率相差5.21%，下一次灌水前土壤含水率比本次大，差值为0.91%，说明W3灌水量大于枣树生长发育的消耗量和田间土壤蒸发量，根区开始出现少量积水；W4处理灌水前与灌后土壤含水率相差5.64%，下一次灌水前土壤含水率比本次大1.38%，说明W4灌溉用水量远超骏枣消耗量和土壤蒸发量。4种处理灌水前后土壤含水率在110 cm以下变化不大，灌水对其影响较小，但都存在共同的趋势：先在110～130 cm剧增，后在130～150 cm剧减，于130 cm左右达到最大值，说明试验地土层存在明显的分层现象，土壤130 cm左右存在一个含水率极高的土层，其值最大可达田间持水率。

图1 灌水前后土壤含水率变化Fig.1 Changes of soil moisture content before and after irrigation

2.2 生育期内不同灌溉定额枣树耗水规律

由表3可知，随着灌溉定额的增加，耗水量逐渐增大，全生育期耗水量变化范围为598.46～714.08 mm。各处理枣树在由萌芽展叶至果实成熟耗水强度变化趋势一致，均呈现由低到高再降低的趋势，各生育期耗水量平均值大小对比：萌芽展叶期<果实成熟期<果实膨大期<花果期。萌芽展叶期(4月中下旬至5月上中旬)耗水强度最小，各处理平均值为78.32 mm，气温较低，枣树蒸腾耗水主要用于枝叶的伸展和发育，棵间蒸发较多；花果期(5月下旬至7月上旬)时段较长，气温开始升高，枣树耗水强度逐渐升高并达到最大值289.38 mm，枣树新梢、叶片、幼果生长加快，枣树对水分比较敏感；果实膨大期(7月中旬至8月中旬)各处理耗水量平均值为180.31 mm，时段较短但此时期田间气温最高，枣树耗水强度较花果期小，但骏枣在生长时依旧耗水较大；果实成熟期(8月中旬至10月下旬) 骏枣生长速度减缓，主要积累糖分，灌水量减小，耗水强度相应减少为113.98 mm。耗水模数是枣树每个生育期的耗水量占全生育期耗水量的百分比[8]。花果期枣树耗水模数最大42.47%～45.36%；果实膨大期次之，为25.89%～27.55%；果实成熟期为16.65%～18.31%；萌芽展叶期最小，为11.68%～12.1%。

2.3 骏枣生育期内参考作物腾发蒸腾量与作物系数

2.3.1 参考作物腾发蒸腾量(ET0)变化 由图2可知，根据Penman-Monteith公式计算的试验区参考作物腾发蒸腾量随时间(2019年4月1日至10月31日)的变化，参考作物蒸发蒸腾量在骏枣全生育期内随时间变化表现为：先增加后减小，总体呈单峰型分布的特性，在其动态变化过程中多次出现峰值，其中ET0在8月2日(果实膨大后期)达到最大值，为7.01 mm/d，在10月27日(果实成熟末期)降低到最小值，为1.57 mm/d。

表3 不同灌水处理下滴灌骏枣各生育期耗水量

参考作物腾发蒸腾量在萌芽展叶期、花果期、果实膨大期、果实成熟期的平均值分别为4.64、5.36、6.01、3.21 mm/d。分析为从4月上旬到5月中旬ET0值从3 mm/d左右增加到 6 mm/d附近，期间其值变化剧烈，起落明显，这是由于气温逐渐升高，ET0不断增大，试验区受阴天和沙尘天气的影响较大；而从6月上旬至7月下旬，随着温度的上升，光照强度和太阳辐射增大，日照时间增长，ET0趋于稳定，骏枣生长迅速；从8月上旬到10月下旬，随着气温的下降，光照强度和太阳辐射减小、日照时间变短，ET0呈线性下降趋势，其值从最高的7.01 mm/d降至最低的1.57 mm/d。

2.3.2 不同灌溉定额骏枣生育期内作物系数 作物系数是作物与参考作物之间需水量差异性的反映，可用一个系数进行综合表示，它代表了作物生长状况、作物产量高低水平、土壤的水肥情况等生物学特性，是确定作物腾发量的关键[19]。由表4可知，萌芽展叶期作物系数变化范围为0.33～0.39；花果期作物系数变化范围为0.85～1.07；果实膨大期作物系数变化范围为0.80～0.94；果实成熟期作物系数变化范围为0.44～0.47。各处理枣树生育期作物系数平均值(从萌芽展叶期到果实成熟期分别为0.36、0.97、0.88、0.46)都满足先增加后降低的趋势，并于生长旺盛时节(花果期)达到最大值0.97，枣树在花果期和果实膨大期开花塑形和生长过程中需水量显著增加，作物系数迅速增大，因此枣树花期尤其是从盛花期到果实膨大期这一阶段，合理匹配水资源是实现骏枣高产优质的基础和关键。

图2 生育期内参考作物腾发蒸腾量(ET0)变化Fig.2 Changes of ET0 during growth period

2.4 不同灌溉定额骏枣产量与灌溉水分生产率

灌溉水分生产率(IWUE)是指单位灌溉水量所能生产的农作物的产量，它是衡量农业生产水平和农业用水科学性与合理性的重要指标[21]。对不同灌溉定额骏枣产量和水分生产效率进行单因素方差分析，结果见表5。在产量方面，W2>W3>W1>W4，W1与W4差异不显著，W1、W2、W3之间差异显著。当灌溉定额由380 m3/667 m2增加到420 m3/667 m2，骏枣产量增加55.39 kg/667 m2；当灌溉定额由420 m3/667 m2增加到500 m3/667 m2，骏枣产量分别减少30.58、35.06 kg/667 m2；在灌溉水分生产率方面，W2>W1>W3>W4，灌水量越高，IWUE越小，W1与W2差异不显著，其值相对较高且相近，分别为1.21和1.23，其余处理之间IWUE均表现为差异显著，其中W4最低为0.90，IWUE小于1。

表4 不同灌水处理下滴灌骏枣各生育期作物系数

表5 不同灌水量下骏枣产量和灌溉水分生产率

根据分析结果，W2处理骏枣产量最高，为516.81 kg/667 m2，而灌溉水分生产率W1与W2相近，但W2产量比W1产量提高了12.0%，在该灌溉定额下，枣树根区水分更有利于枣树的生长，灌水量较为合理，且在根区不会产生过多积水，W4产量最低为451.17 kg/667 m2，其灌水量较大，不适于枣树生长。由此可知，本试验条件下W2(420 m3/667 m2)骏枣产量收益最好。

对各试验处理的灌水量和产量数据进行多项式拟合(图3)，变化趋势为抛物线型(R2=0.87，拟合较好)，即随着灌水量的增加，产量先增加后减小，由灌水量与产量函数关系可知，灌水量在440 m3/667 m2左右时，可以达到较高的骏枣产量，这对今后的生产与试验有了指导作用。

3 讨 论

基于滴灌条件下不同灌溉定额骏枣灌溉试验，土壤含水率随着灌溉定额的增加在不断变化，各处理枣树消耗量有所不同，W2灌水较为合理，骏枣消耗量与灌水量大致相等。枣树各生育期耗水规律与枣树的生长发育时期和天气状况息息相关[22]，花果期(5月18日至7月12日)是枣树整个生育期最为关键的时期，枣树生长发育消耗的水量最大，果实膨大期和果实成熟期次之，萌芽展叶期最小，这与叶含春等[23]、姚宝林等[24]的结论相一致。

图3 灌水量与产量的关系Fig.3 Relationship between irrigation volume and yield

参考作物蒸发蒸腾量的变化反映了作物的生长情况，根据FAO推荐的Penman-Monteith公式计算的ET0具有较强的实效性和精确性[25]，枣树于花果期和果实膨大期ET0均值最大，其值变化较为明显，受天气影响较大。作物系数的变化与作物耗水量的变化基本一致，都是中间较高，两头较低，并于生长最旺盛时节(花果期)达到最大值，本试验各处理生育期平均值：萌芽展叶期为0.36，花果期为0.97，果实膨大期为0.88，果实成熟期为0.46，与王则玉[26]的灰枣研究(0.82，1.35，1.35，0.83)相比均小，但整体变化规律一致。造成差异的原因一是枣树品种不同，二是由于试验区地理位置不同，造成气温、土壤环境状况有所差异。

枣树是耐旱性植物，一些学者[27-28]分别以不同灌水下限为试验因素，研究基于土壤水分下限情况下红枣生长生理情况，发现适度降低灌水下限既可以促进枣树增长、提高产量和品质，也能显著提升枣树的水分利用效率。王成等[29]指出，滴灌条件下，不论高水处理还是低水处理，都不利于红枣的生长发育，而适宜灌水处理能改善红枣生存条件，从而改善根区土壤水分环境状况，提高产量。试验地一部分枣农根据多年种植经验将灌溉定额设为460 m3/667 m2，还有部分枣农采用更高的灌水量，本试验条件下设置的4个灌溉定额，W1、W2相较W3(对照处理)节水17.39%，8.70%，W4灌水量比W3多8.70%，结合产量来看，高水(W4)与低水(W1)不利于红枣生长，适宜灌水处理(W2)能获得较高产量，这与王文娟[30]的结果相一致。

4 结 论

(1)灌溉定额为380 m3/667 m2时，灌水量较少，下一次灌水前土壤含水率比本次小0.70%，骏枣消耗量和土壤蒸发量大于灌水量；灌溉定额为420 m3/667 m2时，下一次灌水前与本次差值为0.24%，两次灌水前土壤含水率基本相等，骏枣消耗量与田间蒸发量和灌水量相差不大，灌水量较为合理；灌溉定额为460、500 m3/667 m2时，灌水量较大，下一次灌水前土壤含水率均大于本次。

(2)不同灌溉定额骏枣生育期总耗水量变化范围为598.46～714.08 mm。各处理骏枣在由萌芽展叶期至果实成熟期耗水强度变化趋势一致，均呈现由低到高再降低的趋势，各生育期耗水量比较：萌芽展叶期<果实成熟期<果实膨大期<花果期。果实膨大期和花果期耗水模数68.36%～72.91%。

(3)参考作物蒸发蒸腾量ET0先增加后减小，呈抛物线趋势变化。作物系数：萌芽展叶期0.33～0.39，花果期0.85～1.07，果实膨大期0.80～0.94，果实成熟期0.44～0.47。其中处理2(420 /667 m2)作物系数分别为0.35，0.93，0.86，0.46，其产量最高(516.81 kg/667 m2)、灌溉水分生产率最大(1.23 kg/m3)，为本试验的最优处理。