吐魯番地區(qū)成齡葡萄滴灌水分利用效率研究

韋 東， 盧震林

(1.新疆吐魯番市水利科學(xué)研究所，新疆吐魯番 838000；2.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830049)

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吐魯番地區(qū)成齡葡萄滴灌水分利用效率研究

韋 東1， 盧震林2

(1.新疆吐魯番市水利科學(xué)研究所，新疆吐魯番 838000；2.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830049)

[目的]研究吐魯番地區(qū)成齡葡萄滴灌水分利用率。[方法]采用對(duì)比法，共設(shè)6個(gè)處理，研究吐魯番地區(qū)成齡葡萄滴灌條件下產(chǎn)量、邊際產(chǎn)量、水分利用與耗水量效率之間的關(guān)系，并擬合了葡萄產(chǎn)量、水分利用效率與全生育期耗水之間的關(guān)系。[結(jié)果]葡萄水分利用效率和產(chǎn)量與耗水量均呈二次拋物線(xiàn)關(guān)系，吐魯番地區(qū)成齡葡萄合理耗水區(qū)間為783～905 mm。[結(jié)論]葡萄產(chǎn)量、水分利用效率與全生育期耗水量之間的相關(guān)性較高，可定量描述吐魯番地區(qū)成齡葡萄滴灌條件下葡萄產(chǎn)量、水分利用效率與全生育期耗水的關(guān)系。

水分利用效率；葡萄；產(chǎn)量；耗水量

吐魯番地區(qū)具有優(yōu)越的光熱條件和獨(dú)特的氣候環(huán)境，但由于該地區(qū)年平均降水量不足30 mm，農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)水資源的需求依賴(lài)于有限的山區(qū)徑流和地下水的灌溉。水資源短缺是影響吐魯番盆地生態(tài)平衡及制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵因素[1-2]。葡萄是吐魯番地區(qū)種植面積最大、產(chǎn)量最高的優(yōu)勢(shì)經(jīng)濟(jì)作物，占地區(qū)當(dāng)年農(nóng)民收入的60%左右，是吐魯番地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)[3-4]。同時(shí)，葡萄是吐魯番的特色支柱產(chǎn)業(yè)，葡萄種植的耗水量占農(nóng)業(yè)耗水量的90%左右[5]。滴灌是農(nóng)田灌溉最節(jié)水的灌溉技術(shù)之一。葡萄滴灌技術(shù)是在葡萄灌溉過(guò)程中，水通過(guò)鋪設(shè)在地表毛管上的灌水器緩慢滲入土壤，再借助毛細(xì)管作用和重力擴(kuò)散到整個(gè)葡萄根域的灌溉技術(shù)。該技術(shù)具有省工節(jié)水，降低能耗；減少土壤水分養(yǎng)分流失，提高肥料利用率；減少病害，促進(jìn)葡萄優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[6]。

水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)是節(jié)水農(nóng)業(yè)研究的關(guān)鍵指標(biāo),高水平的WUE 是缺水條件下農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵所在。各種節(jié)水技術(shù)、節(jié)水措施的應(yīng)用,歸根結(jié)底是為了提高水分利用效率[7],因此，WUE 被公認(rèn)為考量節(jié)水技術(shù)應(yīng)用水平的重要指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)作物水分利用效率進(jìn)行了大量研究[8-11]。從研究層次來(lái)看，作物水分利用效率分為葉片水平的水分利用效率、作物群體水平的水分利用效率和作物產(chǎn)量水平的水分利用效率3個(gè)層次。從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，不僅研究了作物因素、水文年型、土壤水分狀況、灌溉、地力等環(huán)境因素與作物水分利用效率的關(guān)系，還研究了水肥耦合作用對(duì)提高水分利用效率的影響。從研究對(duì)象來(lái)看，對(duì)冬小麥、玉米的水分利用效率研究較多[12]。葡萄作為吐魯番地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要經(jīng)濟(jì)作物，其生產(chǎn)效益直接關(guān)系到農(nóng)民的收入水平，同時(shí)影響著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。隨著成齡葡萄滴灌技術(shù)在吐魯番地區(qū)的大面積推廣，研究葡萄滴灌條件下水分利用效率對(duì)于當(dāng)?shù)毓?jié)水農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步開(kāi)展具有指導(dǎo)意義。筆者研究了成齡葡萄滴灌條件下產(chǎn)量水平的水分利用效率，以期為葡萄生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況試驗(yàn)地點(diǎn)位于吐魯番地區(qū)火焰山以南，吐魯番市東南部的葡萄鄉(xiāng)鐵提爾村，地理坐標(biāo)為89°13′ E，42°56′ N，海拔-68.8 m。土壤為黏壤土，質(zhì)地較均一。年均降雨量為16.6 mm，年均蒸發(fā)量為3 300 mm，地下水位距地表30 m左右，年均氣溫為14.4 ℃，多年最高氣溫、最低氣溫分別為48.3、-28.8 ℃，10 ℃以上活動(dòng)積溫達(dá)5 455 ℃，全年年均日照時(shí)數(shù)為3 095 h，無(wú)霜期達(dá)210 d。

1.2試驗(yàn)材料葡萄品種為無(wú)核白(ThompsonSeedless)，中晚熟品種，大于10 ℃活動(dòng)積溫為3 300 ℃左右。大部分葡萄從1998年開(kāi)始定植，栽培溝為東西走向，溝長(zhǎng)為60 m，溝寬為1.0～1.2 m，溝深約為0.5 m；株距為1.2～1.5 m，行距3.5～4.5 m，栽培方式為小棚架栽培。以溝面為參考面，棚架前段高2.0 m，后端高 0.8 m，平均高1.2 m。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)滴灌帶布置方式為一溝三管，滴頭流量為2.7 L/h，滴頭間距40 cm。試驗(yàn)采用對(duì)比法，根據(jù)不同灌水周期滴灌共設(shè)置6個(gè)處理：高水、中水、低水、組合1、組合2、組合3。每處理2個(gè)重復(fù)。高水、中水和低水3個(gè)需水處理的灌水周期分別為4.5、9.0、13.5 d；組合1在關(guān)鍵期和非關(guān)鍵期的灌水周期為4.5和9.0 d；組合2在關(guān)鍵期和非關(guān)鍵期的灌水周期為4.5和13.5 d；組合3在關(guān)鍵期和非關(guān)鍵期的灌水周期為9.0和13.5 d。灌水定額均為525 m3/hm2。各處理布設(shè)方式見(jiàn)表1。

表1　各試驗(yàn)處理的布設(shè)方式

1.4測(cè)定項(xiàng)目與方法采用TRIME-IPH土壤剖面水分測(cè)量系統(tǒng)定點(diǎn)定位監(jiān)測(cè)各處理土壤含水量，試驗(yàn)期間定期采用取土烘干法標(biāo)定。一般5～7 d測(cè)1次，測(cè)量深度0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。試驗(yàn)期間灌水前后加測(cè)數(shù)次或連續(xù)定點(diǎn)觀測(cè)1個(gè)灌水周期。測(cè)定產(chǎn)量時(shí)采用樣方法，每個(gè)處理挑選3 個(gè)長(zhǎng)勢(shì)均勻4 m×4 m 的小區(qū)，分別在每個(gè)小區(qū)摘取較均勻的9串果穗，稱(chēng)取每串果穗的鮮質(zhì)量，求均值，再對(duì)每個(gè)小區(qū)的果穗總數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算每個(gè)小區(qū)產(chǎn)量。 單位產(chǎn)量= (果穗均重×果穗總數(shù)/小區(qū)面積)×單位面積。以3個(gè)小區(qū)單位產(chǎn)量的均值代替葡萄園單位產(chǎn)量。2結(jié)果與分析

2.1吐魯番地區(qū)成齡葡萄滴灌水分利用效率產(chǎn)量水平上的水分利用效率即單位耗水量的產(chǎn)量。產(chǎn)量采用實(shí)際測(cè)產(chǎn)的結(jié)果，耗水量包括葡萄蒸騰和土面蒸發(fā)。葡萄水分利用效率定義為葡萄產(chǎn)量(Y)與葡萄園耗水量(ET)的比值，即：

WUE=Y/ET

(1)

葡萄耗水量計(jì)算根據(jù)《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》(SL13—2004)[13]計(jì)算：

(2)

式中,ET1-2為階段耗水量，mm；γi為第i層土壤干容重，g/cm3；Hi為第i層土壤厚度，cm；θi1、θi2為第i層土壤在計(jì)算時(shí)段始末的含水率(干土重的百分率)；M、P、K、C分別為時(shí)段內(nèi)灌水量、降雨量、地下水補(bǔ)給量和排水量，mm。

由于吐魯番地區(qū)年降雨量?jī)H為16.6mm，式(2)中降雨量P可以忽略；試驗(yàn)點(diǎn)地下水埋深約80m，對(duì)分析范圍幾乎沒(méi)有影響，因此式(2)中K也可以忽略；灌溉水全部滲入地下，并無(wú)排水，因此可忽略式(2)中C，上式可以簡(jiǎn)化為：

(3)

由式(1)計(jì)算的葡萄耗水量及由式(3)計(jì)算的葡萄水分利用效率見(jiàn)表2。

表2　葡萄耗水量及水分利用效率

2.2葡萄滴灌產(chǎn)量與水分利用效率的關(guān)系從圖1可以看出，各處理以中水灌溉產(chǎn)量最大，中水處理的全生育期耗水量為886 mm，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量達(dá)73 770 kg/hm2；高水和低水均不利于葡萄產(chǎn)量的形成，這是由于灌水過(guò)多，葡萄根系長(zhǎng)期淹水，影響土壤氣、熱因子，從而影響葡萄正常生長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)量降低，而供水過(guò)少，葡萄受到水分脅迫而不能正常生長(zhǎng)，也會(huì)導(dǎo)致葡萄產(chǎn)量的降低。因此，隨著灌水量的增加，葡萄產(chǎn)量表現(xiàn)出先增加后降低的二次拋物線(xiàn)規(guī)律。組合3處理的水分利用效率最大，達(dá)91.066 kg/(mm·hm2)。水分利用效率隨著灌水量的增大，表現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，特別是高水處理，水分利用效率最低。

根據(jù)水分利用效率的定義，增加耗水量的同時(shí)提高葡萄產(chǎn)量，葡萄產(chǎn)量的增加幅度高于耗水量的增加幅度，可提高葡萄的水分利用效率。組合3處理的灌水量大于低水處理，組合3處理的產(chǎn)量大于低水處理，組合3處理產(chǎn)量的增加幅度高于耗水量的增加幅度,與低水處理相比，組合3處理水分利用效率提高。當(dāng)增加耗水量的同時(shí)產(chǎn)量提高，但產(chǎn)量的增加幅度低于耗水量的增加幅度，葡萄的水分利用效率降低。

組合3、組合2、中水處理的灌水量增加，葡萄的產(chǎn)量也增加，但葡萄產(chǎn)量增加的幅度低于葡萄耗水量增加的幅度，水分利用效率依次下降。高水、組合1、低水處理的灌水量增加，葡萄的產(chǎn)量下降，水分利用效率下降。葡萄的水分利用效率與灌水量表現(xiàn)出二次拋物線(xiàn)規(guī)律。

圖1　不同試驗(yàn)處理下產(chǎn)量和水分利用效率 Fig.1　The yield and water use efficiency in different experiment treatment

2.3葡萄產(chǎn)量、水分利用效率、邊際產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系由于葡萄全生育期耗水量和灌水量相關(guān)程度較高，因此葡萄產(chǎn)量、水分利用效率與全生育期總耗水量呈良好的二次拋物線(xiàn)關(guān)系(圖2)。

圖2　葡萄產(chǎn)量、水分利用效率、邊際產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系 Fig.2The relation between water consumption and yield,water use efficiency,and marginal yield of grapes

根據(jù)水分利用效率和耗水量的關(guān)系，可擬合兩者之間回歸方程：

WUE=-0.000 3ET2+0.437 4ET-79.33

(4)

經(jīng)相關(guān)性檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.974 5，所擬合的公式滿(mǎn)足相關(guān)性要求。根據(jù)水分利用效率和耗水量的關(guān)系，可擬合兩者之間回歸方程：

Y=-0.319 6ET2+579.490 0ET-187 624

(5)

經(jīng)過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.974 5，所擬合的公式滿(mǎn)足相關(guān)性要求，可以用來(lái)定量描述葡萄耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系。

當(dāng)水分投入增加時(shí)所引起的產(chǎn)量變動(dòng)率為邊際產(chǎn)量，可以用產(chǎn)量與耗水量的一階導(dǎo)數(shù)求解。根據(jù)式(5)求解邊際產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系，表達(dá)式見(jiàn)下：

M=-0.639 2ET+579.49

(6)

式中，M為邊際產(chǎn)量，指葡萄每多消耗1 mm的水所能增加的產(chǎn)量。邊際產(chǎn)量隨著灌水量增加直線(xiàn)下降，M-ET線(xiàn)與WUE-ET交于A點(diǎn)，與橫軸交于B點(diǎn)，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的耗水量下葡萄可以獲得最大產(chǎn)量。經(jīng)過(guò)A點(diǎn)垂直于橫軸的直線(xiàn)AC和經(jīng)過(guò)B點(diǎn)垂直于橫軸的直線(xiàn)BD將整個(gè)Y-ET曲線(xiàn)分成3個(gè)區(qū)間。從圖2可以看出，Ⅰ 區(qū)葡萄邊際產(chǎn)量高于水分利用效率，繼續(xù)灌水，水分利用效率提高，產(chǎn)量大幅增加。該區(qū)間為成齡葡萄滴灌易加大灌水區(qū)。Ⅱ 區(qū)葡萄邊際產(chǎn)量小于水分利用效率，灌水增加，水分利用效率較低，但產(chǎn)量繼續(xù)增加，為成齡葡萄滴灌耗水合理區(qū)間，經(jīng)計(jì)算合理區(qū)間對(duì)應(yīng)的耗水量為783～905 mm。Ⅲ 區(qū)邊際產(chǎn)量為負(fù)值，灌水量增加，水分利用效率降低，產(chǎn)量減少，為成齡葡萄滴灌耗水不合理區(qū)間。

3　結(jié)論

該研究結(jié)果表明，葡萄水分利用效率和產(chǎn)量與耗水量均呈較好的二次拋物線(xiàn)關(guān)系。通過(guò)分析吐魯番地區(qū)成齡葡萄滴灌條件下耗水量、產(chǎn)量、邊際產(chǎn)量、水分利用效率之間的關(guān)系，吐魯番地區(qū)合理耗水區(qū)間為783～905 mm。

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Study on Water Use Efficiency of Drip Irrigation for Mature Grapes in Turpan

WEI Dong1,LU Zhen-lin2

(1.Turpan City Water Resources Research Institute of Xinjiang,Turpan,Xinjiang 838000; 2.Xinjiang Research Institute of Water Resources and Hydropower,Urumchi,Xinjiang 830049)

[Objective] To study water use efficiency of drip irrigation for mature grapes in Turpan.[Method] Comparison method was used to analyze the relation between yield,marginal yield,water use,and water consumption efficiency of drip irrigation for mature grapes in Turpan.Besides,the relation between grape yield,water use efficiency and water consumption in the whole growth period was fitted.[Result] The water use efficiency of grape and the yield , water consumption presents quadratic parabola relationship, the reasonable water consumption range is 783-905 mm for mature grapes in Turpan.[Conclusion] There is high correlation between grape yield,water use efficiency and water consumption in the whole growth period.It is able to make a quantitative description of the relation between grape yield,water use efficiency and water consumption in the whole growth period in drip irrigation condition for mature grapes in Turpan.

Water use efficiency; Grapes; Yield; Water consumption

新疆自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014211A050)。

韋東(1975- )，男，新疆吐魯番人，工程師，從事水資源高效利用研究。

2016-05-09

S 607+.1

A

0517-6611(2016)21-041-03