核桃樹莖流速率及土壤水動(dòng)態(tài)分布規(guī)律的研究

趙付勇，趙經(jīng)華，白云崗，洪 明，馬英杰

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830000)

新疆是我國(guó)地域面積最為遼闊的一個(gè)自治區(qū)省，地處亞歐大陸腹地，我國(guó)西北地區(qū)，由山脈和盆地相互聯(lián)系，高山環(huán)繞著盆地構(gòu)成的區(qū)域，由于遠(yuǎn)離海洋和被高山環(huán)繞，導(dǎo)致該地區(qū)的降雨量少，而且年際蒸發(fā)量非常大，由此促成了新疆這樣一個(gè)干旱的地區(qū)。根據(jù)節(jié)水灌溉分區(qū)的劃分，將新疆分成了6個(gè)區(qū)：一區(qū)干旱缺水引、井、蓄灌區(qū)；二區(qū)干旱缺水引、蓄灌區(qū) ；三區(qū)干旱微缺水引、井、提灌區(qū);四區(qū)干旱缺水引、井、蓄灌區(qū)； 五區(qū)干旱微缺水引、蓄灌區(qū)；六區(qū)干旱豐水引、蓄灌區(qū)[1,2]。由分區(qū)就可以看出新疆都處于干旱缺水狀態(tài)，因此節(jié)水灌溉在新疆的推廣是迫在眉睫的舉措[3-5]。

新疆這樣獨(dú)特的氣候和自然環(huán)境，有利于新疆林果種植的大力發(fā)展，隨著改革開放的不斷深入，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，核桃的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健功效進(jìn)一步被世人認(rèn)識(shí)和重視，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)核桃的需求量日益增長(zhǎng)，核桃堅(jiān)果及其加工品的售價(jià)連年攀升[6-8]。繼而新疆“大力發(fā)展特色林果業(yè)”戰(zhàn)略的貫徹落實(shí)，截止2012年年底，新疆核桃種植面積已達(dá)29.17 萬(wàn)hm2，結(jié)果面積達(dá)20.69萬(wàn)hm2，年產(chǎn)核桃30.48萬(wàn)t[9]。在大力擴(kuò)展種植面積的同時(shí)，對(duì)于這樣缺水的地區(qū)，節(jié)水灌溉用于核桃灌溉就變得尤為重要。

本文將通過滴灌和涌泉灌兩種灌水方式來研究核桃的灌溉方式，望獲得較適合核桃微灌的灌水方式，為干旱區(qū)節(jié)水灌溉的推進(jìn)提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于新疆阿克蘇地區(qū)紅旗坡新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林果試驗(yàn)基地內(nèi)，地理位置為東經(jīng)80°14′，北緯41°16′，距市區(qū)13 km，海拔1 133 m。地處天山中段的托木爾峰南麓，塔里木盆地北緣，屬于典型的溫帶大陸性氣候，晝夜溫差懸殊，多年平均氣溫11.2 ℃，多年平均年日照時(shí)數(shù)2 855～2 967 h，多年平均太陽(yáng)總輻射量544.115～590.156 kJ/cm2，無(wú)霜期達(dá)205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm。

供試核桃樹栽植于2008年，果樹接近南北方向種植，核桃品種為溫185，株行距2 m×3 m，種植密度1 667株/hm2，株高3.8～4.2 m，南疆地區(qū)4月上、中旬開花，果實(shí)8月底成熟，具有二次生長(zhǎng)特性，有二次雄花,雌先性。試驗(yàn)時(shí)間為2015年3-9月。采用滴灌管兩管布置和涌泉灌單管布置灌溉。

通過對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤分層取樣測(cè)定，取土層的厚度為10 cm，測(cè)定深度120 cm，得到土壤干密度及田間持水量，結(jié)果得出，試驗(yàn)區(qū)土壤的平均干密度為1.39 g/cm3，平均田間持水量為25.98%(體積含水率)見表1。

表1 土壤層每層田間持水量Tab.1 Each layer of soil field capacity

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試驗(yàn)布置。在試驗(yàn)區(qū)分別有滴灌管和涌泉灌灌溉方式。滴灌管布置是，在一行樹布設(shè)兩根滴灌管，沿樹行兩側(cè)2/3樹冠半徑處內(nèi)各布置1根滴灌管，管徑16 mm，滴頭間距50 cm，流量3.75 L/h；涌泉灌布置方式是，在一行樹布設(shè)一根涌泉灌管，沿樹行正下方布置，管徑20 mm，滴頭間距100 cm，流量20 L/h。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)株的選取。在試驗(yàn)田內(nèi)選取標(biāo)準(zhǔn)大小的核桃樹，分別布置滴灌管和涌泉灌管進(jìn)行布置小區(qū)；在布置滴灌和涌泉灌小區(qū)中選取3株大小基本一致的核桃樹作標(biāo)準(zhǔn)。核桃樹生育期的劃分及灌溉制度表見表2。

表2 核桃樹生育期劃分及灌溉制度表Tab.2 The Walnut tree growing period and irrigation systems division table

(3) 莖流速率的測(cè)定。莖流速率的測(cè)定采用德國(guó)Ecomatik公司生產(chǎn)的SF-G液流傳感器。傳感器采用熱擴(kuò)散(TDP)原理[10-12]。傳感器由兩根探針組成，一根加熱探針，通過給加熱針加熱來計(jì)算兩根針的溫度差，最終來計(jì)算樹木莖流。另一根探針安裝在加熱探針正下方且距地面60 cm的樹干朝陽(yáng)面上，上探針與下探針間距10 cm，雙探針抹上少量導(dǎo)熱硅脂后插入樹干上已鉆好孔且插進(jìn)鋁管的孔里，固定好探針。為了防止探針部位與外界溫度交換，在探針外部用防輻射罩罩在傳感器上，防輻射罩上下漏水的接口用封口硅膠密封。SF-G液流傳感器采用數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)記錄，每30 min記錄一次數(shù)據(jù)。傳感器直接以電壓信號(hào)進(jìn)行顯示，通過公式發(fā)現(xiàn)換算的量綱可以進(jìn)行抵消，因而兩根針溫度差可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為兩根針輸出的電壓差，進(jìn)行莖流量的計(jì)算。由下式換算成莖流速率。

(1)

式中：U為莖流速率；ΔT為兩探針針之間溫差值；ΔTmax為晚間兩探針之間溫差最大值。

分別在兩個(gè)處理的核桃樹上都安裝一套莖流探針，每套探針都采用同一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，采集時(shí)間間隔30 min。

(4)土壤含水率的測(cè)定。在樹行間分別距樹0.5、1.0、1.5 m布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，在棵間分別距樹0.5、1.0 m布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)深度都測(cè)到1.2 m。每次灌水前后采用TRIME-IPH土壤水分測(cè)定儀測(cè)一次土壤含水率，降雨前后加測(cè)一次。

2.2 分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel、Surfer等分析[13]。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同灌水方式下灌水前后土壤含水率分布的變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)方案，不同的灌水方式下的核桃灌水定額相同，因此計(jì)算設(shè)定的灌水周期都是一致的。通過使用TRIME-IPH土壤水分測(cè)定儀測(cè)出了灌水前后0～1.2 m深的土壤含水率(體積含水率)，得到的不同灌水方式下各層(20 cm為一層)灌水前后土壤體積含水率，見表3，以及由Surfer軟件分析得到土壤體積含水率二維分布圖，見圖1～圖4。

表3 灌水前后土壤含水率變化表Tab.3 The soil moisture content changes before and after water table

圖1 6月11日滴灌灌水前土壤含水率分布圖Fig.1 Drip irrigation before soil moisture distribution map in June 11

圖2 6月13日滴灌灌水后土壤含水率分布圖Fig.2 Drip irrigation after soil moisture distribution map in June 13

圖3 6月11日涌泉灌灌水前土壤含水率分布圖Fig.3 Bubble irrigation after soil moisture distribution map in June 11

圖4 6月13日涌泉灌灌水后土壤含水率分布圖Fig.4 Bubble irrigation after soil moisture distribution map in June 13

根據(jù)表3中滴灌和涌泉灌灌水前后的土壤含水率值的變化可以看出，兩種灌水方式在灌水后，土壤含水率都是明顯的變大，并且隨著土壤深度的增加，土壤含水率值是由大依次變小，直至土壤深度的達(dá)1.0 m左右，土壤含水率的變化值就非常的小。根據(jù)Surfer軟件制作出的土壤含水率二維分布圖，更為明顯地看出，灌水前后土壤含水率大小變化的分布，從圖上看出，滴灌和涌泉灌的兩種灌水方式下，在土壤深度1.0 m以下的土壤含水率在灌水后不會(huì)再有太大的變化，這說明在微灌灌水條件下，土壤水沒有深層滲漏。

在滴灌和涌泉灌兩種不同灌水方式的條件下，由于滴灌滴頭流量(3.75 L/h)和涌泉灌滴頭流量(20.0 L/h)不同，不同滴頭流量下，濕潤(rùn)體的形狀大小會(huì)隨著滴頭流量的增大而濕潤(rùn)范圍增大，水平、垂直方向上濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離隨著滴頭流量的增加而不斷增大[14-17]。由圖2和圖4看出，滴灌水平的濕潤(rùn)鋒要小于涌泉灌的。而且根據(jù)王磊等[18,19]對(duì)干旱區(qū)滴灌核桃樹根系空間分布研究知道，核桃樹根系在水平方向上核桃樹根系主要分布在0～120 cm范圍內(nèi)，占總根系分布的90.84%，在垂直方向上主要分布深度在0～90 cm范圍內(nèi)，占總根長(zhǎng)分布的78.75%。因此，兩種灌水方式都能給核桃根系區(qū)提供足夠水分，滿足核桃根對(duì)水分的吸收。對(duì)比灌后圖2和圖3，滴灌在水平距離達(dá)到120 cm以外的土壤含水率在灌水前后變化值較小，而涌泉灌的土壤含水率變化值相對(duì)較大，但是核桃根系在水平方向上主要分布在0～120 cm范圍內(nèi)，因此對(duì)比看出，涌泉灌在這上要分散一部分水在核桃主根區(qū)以外，而滴灌灌水后的主要水量正好分布在核桃主根區(qū)范圍內(nèi)，更好地把有效水量供給核桃主根吸收。

3.2 不同灌水方式下核桃樹莖流速率的變化規(guī)律

在采用滴灌和涌泉灌兩種灌水方式下，通過SF-G液流傳感器監(jiān)測(cè)核桃樹樹干液流的傳輸動(dòng)態(tài)，采集獲得的莖流數(shù)據(jù)分析得到以下的結(jié)果，如圖5和圖6所示。

圖5 滴灌和涌泉灌莖流速率日變化圖Fig.5 The stem flow diurnal variation diagram of drip irrigation and bubble irrigation

圖6 滴灌和涌泉灌莖流速率日累計(jì)圖Fig.6 The stem-day total flow rate diagram of drip irrigation and bubble irrigation

在滴灌和涌泉灌兩種不同灌水方式的條件下，由于相同灌水定而出現(xiàn)不同大小的濕潤(rùn)帶，因此在土壤中根區(qū)的土壤水大小直接會(huì)影響著核桃樹干莖流速率的變化。由圖5可看出，滴灌和涌泉灌核桃樹樹干的莖流速率在一天當(dāng)中的變化曲線趨勢(shì)都是相似，且在8∶00之前，兩種灌水方式下莖流速率都是基本相近，過了9∶00后，滴灌的核桃樹樹干莖流速率就明顯比涌泉灌核桃樹樹干莖流速率增長(zhǎng)要快，到了16∶00雙方都達(dá)到了一天當(dāng)中的最大值，明顯的滴灌一天中莖流速率最大值[0.276 mL/(cm2·min)]要大于涌泉灌一天中莖流速率最大值[0.164 mL/(cm2·min)]。圖6中則是在一天中雙方的莖流速率累計(jì)值，在9∶00以前的累計(jì)值兩者差別很微小，9∶00之后，隨著太陽(yáng)輻射量的增加，莖流速率隨著變大[20-22]，滴灌核桃樹樹干莖流速率累計(jì)值增大率明顯比涌泉灌快。

由圖7看出，在同一灌水定額不同灌水方式下，滴灌的莖流速率日均值波動(dòng)性大于涌泉灌的莖流速率，這表明核桃樹樹干莖流速率對(duì)滴灌條件下的變化更加的敏感，因此滴灌灌水更好反映出莖流變化，以此用來對(duì)核桃樹蒸騰速率的反應(yīng)以及控制。由圖8看出，在滴灌和涌泉灌兩種不同灌水方式的條件下，兩種灌水方式核桃樹樹干莖流速率每天的起始點(diǎn)都在相同時(shí)間點(diǎn)(9∶00前后)。從圖8明顯看出滴灌的莖流速率明顯都大于涌泉灌核桃樹樹干莖流速率，通過分析，滴灌莖流速率比涌泉灌莖流速率大11.91%。

圖7 滴灌和涌泉灌莖流速率日均變化圖Fig.7 The stem daily flow rate change map diagram of drip irrigation and bubble irrigation

圖8 滴灌和涌泉灌莖流速率變化曲線圖Fig.8 The stem flow rate change graph diagram of drip irrigation and bubble irrigation

3.3 不同灌水方式下與核桃產(chǎn)量的影響

在9月份核桃成熟之后，通過分別測(cè)定滴灌和涌泉灌兩種不同灌水方式下的各小區(qū)的核桃產(chǎn)量。測(cè)定了總產(chǎn)量以及分別在兩種灌水方式下各處理小區(qū)的所有核桃中隨機(jī)取出一百粒核桃進(jìn)行測(cè)其出仁率、蛋白質(zhì)含量和脂肪含量等，得到結(jié)果見表4和表5。

表4 滴灌和涌泉灌核桃總產(chǎn)量及水分利用率表Tab.4 The drip irrigation and bubble irrigation walnut output and water use efficiency table

表5 滴灌和涌泉灌核桃百粒重測(cè)定表Tab.5 The drip irrigation and bubble irrigation walnut hundred grain weight measurement table

由表4看出，涌泉灌灌水方式下核桃產(chǎn)量為2 141 kg/hm2，在相同灌水定額30 mm情況下，滴灌灌水方式下的核桃產(chǎn)量要比涌泉灌灌水方式多產(chǎn)了35.82%，表中滴灌水分利用效率WUE相對(duì)涌泉灌高出了35.71%。通過百粒重測(cè)得兩種灌水方式下平均單個(gè)核桃質(zhì)量、出仁率、蛋白質(zhì)含量和脂肪含量，由表5可得，滴灌灌水方式下平均單個(gè)核桃重11.38 g，比涌泉灌灌水方式下重了0.01 g，而滴灌核桃核仁質(zhì)量要比涌泉灌的核桃核仁重0.27 g(滴灌核桃核仁重7.67 g)，滴灌出仁率要比涌泉灌灌水方式下出仁率大了3.61%。通過品質(zhì)的測(cè)定，得到在核桃中，核桃成分的主要含量是脂肪，超過了核桃總量的65%以上，而滴灌灌水方式下的核桃脂肪含量達(dá)到了68.20%，比涌泉灌灌水方式下核桃脂肪含量大了2.10%。

由此通過對(duì)比可以看出，在相同灌水量的情況下，滴灌灌水方式下的核桃樹在總產(chǎn)量、單粒重以及品質(zhì)上都要優(yōu)于涌泉灌的灌水方式，因此，可以推薦采用滴灌的灌水方式進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 在滴灌和涌泉灌的兩種灌水方式下，灌水定額都是30 mm條件下，土壤濕潤(rùn)層深度達(dá)到1.0 m，且1.0 m以下的土壤含水率在灌水前后幾乎維持不變狀態(tài)。在滴灌下土壤中水量的分布更好的吻合核桃主根區(qū)的分布，讓核桃根區(qū)有充足的水分供給核桃吸收，以此根據(jù)土壤水分分布的規(guī)律表明，滴灌比涌泉灌更適合灌溉核桃樹。

(2) 在滴灌和涌泉灌的兩種灌水方式下，相同的灌水定額30 mm，滴灌核桃樹樹干莖流速率明顯要大于涌泉灌的莖流速率，表明滴灌核桃蒸騰量要強(qiáng)于涌泉灌灌水方式下的核桃樹。然而，滴灌核桃樹樹干的莖流速率日均值波動(dòng)性明顯大于涌泉灌灌水的核桃樹，因此，用滴灌灌溉方式下的核桃樹的蒸騰量受其控制性較大。

(3) 在相同灌水量的情況下，滴灌灌水方式的核桃產(chǎn)量要比涌泉灌的灌水方式下核桃產(chǎn)量多了35.82%(涌泉灌灌水方式下的核桃產(chǎn)量為2 141 kg/hm2)，并且滴灌下的核桃的單粒重、出仁率以及核桃品質(zhì)都要優(yōu)于涌泉灌，由此可以看出，滴灌灌水方式更加適合用于發(fā)展核桃樹灌溉。

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