渭北旱塬溝壑區(qū)蘋果節(jié)水灌溉制度分析

李天星，曹紅霞，陳紅武，李宏禮，明　剛，唐　龍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室， 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 3.洛川縣水務(wù)局， 陜西 洛川 727400)

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渭北旱塬溝壑區(qū)蘋果節(jié)水灌溉制度分析

李天星1，曹紅霞1，陳紅武2，李宏禮3，明剛3，唐龍1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室， 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 3.洛川縣水務(wù)局， 陜西 洛川 727400)

為了探討渭北旱塬溝壑區(qū)盛果期蘋果不同水文年的節(jié)水灌溉制度，選取洛川縣為代表性區(qū)域，利用該縣近56年的月氣象資料，基于水量平衡原理，分析了陜西省兩個不同成熟期的蘋果品種(中熟嘎拉、晚熟富士)在不同節(jié)水灌溉模式下(管灌、滴灌)各水文年的充分與非充分灌溉制度。結(jié)果表明：① 不同成熟期蘋果各水文年均應(yīng)補灌，補灌時間和灌水量主要集中在新梢旺長期和果實膨大期。② 中熟品種充分灌溉在濕潤年、平水年、干旱年、特旱年的灌水次數(shù)分別為2、3、3、4次，相應(yīng)灌溉定額滴灌為60、85、120、165 mm，管灌為90、130、180、245 mm；非充分灌溉各水文年的灌水次數(shù)為1、2、3、4次，相應(yīng)灌溉定額滴灌為45、70、110、150 mm，管灌為65、110、170、220 mm。③ 晚熟品種充分灌溉在相應(yīng)水文年的灌水次數(shù)分別為2、3、4、4次，相應(yīng)灌溉定額滴灌為65、90、125、160 mm，管灌為95、140、195、240 mm；非充分灌溉各水文年的灌水次數(shù)為2、3、3、4次，相應(yīng)滴灌灌溉定額為55、75、120、150 mm，管灌灌溉定額為85、125、175、220 mm。

蘋果；管灌；滴灌；灌溉方式；灌溉制度；渭北旱塬

陜西蘋果廣泛分布于陜北黃土丘陵溝壑區(qū)、渭北高塬溝壑區(qū)和關(guān)中平原。渭北高塬溝壑區(qū)因其氣候條件符合蘋果最適宜區(qū)標準，是公認的優(yōu)質(zhì)蘋果產(chǎn)區(qū)[1]，該區(qū)主要分布于陜西省中部，氣候較濕潤，降水量相對較大，但地表和地下水資源極缺，蒸發(fā)量大，同時由于地形起伏較大，難以發(fā)展大型骨干水利工程[2]，大氣降水是絕大多數(shù)蘋果園土壤水分唯一來源[3]，加上蘋果樹根系發(fā)達，產(chǎn)量高和生物量大，強烈的蒸騰耗水作用使它的需水量比一般農(nóng)作物都要高[4]。但目前生產(chǎn)中，果農(nóng)仍按照“豐水高產(chǎn)”的理論采用大水漫灌或全生育期充分灌溉等模式，造成水分利用效率低下、樹冠營養(yǎng)生長旺盛、果實品質(zhì)下降等問題[5]。

隨著黃土高原果業(yè)的不斷發(fā)展，對果園實施節(jié)水灌溉是實現(xiàn)果園可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。國內(nèi)外學(xué)者對節(jié)水技術(shù)影響下的蘋果生長狀況、水分利用率、產(chǎn)量及品質(zhì)等進行了大量而深入的研究[5-13]，均表明：結(jié)合畦灌、穴灌、滴灌、微噴灌、滲灌等節(jié)水技術(shù)并采用非充分灌溉可提高果樹水分利用效率，在產(chǎn)量不降低或稍有降低的情況下品質(zhì)有所提高。但是，這些研究多以局部的大田試驗為背景，缺乏大區(qū)域、長系列的試驗資料，難以概括反映區(qū)域性的灌溉需水規(guī)律，而渭北地區(qū)自然條件差異較大[1,10,14]，為此，本文以渭北高塬溝壑區(qū)的洛川塬為代表區(qū)域，利用其56年的月氣象資料，探討該區(qū)氣候條件下蘋果在滴灌和管灌下的充分與非充分灌溉制度，以期為該區(qū)土壤水分管理、水資源的合理利用以及西北高效節(jié)水灌溉工程的大范圍推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)，進一步挖掘陜西優(yōu)生區(qū)蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

洛川縣位于陜西渭北旱塬中北部(35°49′N，109°30′E)，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。多年平均降水量592.6 mm，主要集中在7—9月份，占全年的58%；年均蒸發(fā)量1 560 mm；年均氣溫9.9℃；年平均風(fēng)速2.0 m·s-1；年日照時數(shù)2 527.8 h，年總輻射量554.1 kJ·cm-2；年平均相對濕度62%；無霜期184 d。該區(qū)海拔1 100～1 200 m，地貌以黃土殘塬為主，主要土壤類型為黏黑壚土，根據(jù)張社紅[15]的研究成果，整理了該區(qū)2 m深的剖面平均土壤物理性質(zhì)(表1)。

表1　洛川粘黑壚土物理性狀

1.2數(shù)據(jù)來源

1955—2010年的逐月平均氣象資料來自洛川縣基準氣象站，氣象要素包括：降水量、蒸發(fā)量、氣溫(最高、平均、最低氣溫)、平均風(fēng)速、平均相對濕度、日照時數(shù)。

蘋果生育期的劃分。對于多年生果樹，全年生長耗水，因此，以每年蘋果樹萌芽至翌年萌芽前為一個水文年，進行頻率年分析及生育階段劃分。生育期時段以陜西主栽品種中熟嘎拉和晚熟富士為準，各劃分為5個階段(表2)。

表2　蘋果樹各生育階段劃分及其作物系數(shù)Kc

充分供水條件下，蘋果需水量(ETc)：ETc=Kc×ET0，其中ET0利用FAO-56推薦的Penman-Monteith公式計算[16]；按照盛果期果樹物候期特點，綜合參考文獻[7,17]確定了不同月份的作物系數(shù)Kc(表2)，其中，1、2、3、11、12月為0.35，4月為0.5，5月0.7，6月0.8，7、8月為1，9月為0.8(中熟為0.7)，10月為0.6。當供水不足，土壤水分低于作物適宜生長的下限時，作物蒸發(fā)蒸騰量會隨著土壤含水量減小而減小，此時有ETa=Ks×ETc，ETa為缺水條件下作物實際的騰發(fā)量；Ks為土壤水分修正系數(shù)，對于Ks隨土壤含水量的變化規(guī)律有多種計算方法，本文采用詹森(Jensen)模型[18]，取根系層深為1 m，時段初土壤含水量與上一年甚至前一年的灌水管理密切相關(guān)，對于區(qū)域性研究很難確定。本文基于當年的灌水應(yīng)使翌年蘋果萌芽前土壤水分適宜來考慮，因此假設(shè)時段初的土壤含水量為0.65θ田。

果園有效降水系數(shù)受降水特征、土壤特性、林冠截留能力等因素的影響。對于作物全生育期內(nèi)的有效降水，若歷年分次計算是極其復(fù)雜的，在生產(chǎn)實踐中常采用筒化的方法，如系數(shù)法：Pe=αP，P為一次降水量，α為經(jīng)驗系數(shù)，一般應(yīng)根據(jù)實測資料確定，在無實測資料時，按如下取值：P<5 mm，α=0；5 mm≤P<50 mm，α=1.0；P≥50 mm，α=0.8～0.7[19]。本文水量平衡計算以旬為時段，將月總降水平均分配在各旬，考慮到黃土高原果樹的實際情況，按如下取值：P<5 mm，α=0；5 mm≤P<50 mm，α=1.0；50 mm≤P<100 mm，α=0.9；100 mm≤P<150 mm，α=0.8；P≥150 mm，α=0.7。根據(jù)月有效降水及蘋果需水量逐年計算蘋果的凈灌溉需水量(NIR)，NIR=∑(ETci-Pei)，采用劉鈺等[20]提出的凈灌溉頻率法進行頻率分析，確定四種類型的頻率年(表3)：濕潤年(25%)、平水年(50%)、干旱年(75%)、特旱年(90%)。

使用Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)處理。

表3　不同水文年內(nèi)的水量平衡要素

1.3灌溉制度有關(guān)參數(shù)的確定

1.3.1計劃濕潤層及根系可利用土壤水分的深度由于黃土區(qū)蘋果樹根系主要分布于2 m土層中[21]，其活性吸收根則集中在1 m土層內(nèi)[22]，考慮到研究區(qū)水資源短缺，取計劃濕潤層深度為0.6～0.8 m作為灌水的依據(jù)，其中新梢旺長期、果實膨大期、休眠期為0.8 m，其余時期為0.6 m。

蘋果樹耗水量除來源于生育期間的有效降水外，還有相當一部分依賴于深層土壤貯水。由于陜西黃土高原常年多旱，土壤水分很難達到或接近飽和狀態(tài)，在有作物參與情況下，受根系分布及降雨入滲等的影響，果樹主要利用2 m土層以內(nèi)的水分[23]，因此本文以2 m土層的有效儲水量進行土壤水量平衡計算。

1.3.2不同物候期土壤含水量設(shè)計上下限以土壤墑情反映作物對水分的脅迫，一般以土壤相對濕潤度(R)(土壤含水量占田間持水量百分比)進行干旱等級劃分[24]：無旱(R>60%)、輕度干旱(50%

1) 充分灌溉。 即作物主要根系層土壤含水量或土壤水勢保持在某一適宜范圍內(nèi)[25]。在果樹年生長周期內(nèi)，適宜的土壤含水量水平為60%～80%θ田[6]，各物候期對土壤水分的要求不同。參考干旱指標等級的劃分，確定充分灌溉條件下各物候期計劃濕潤層的土壤含水量上～下限為：萌芽開花期0.7～0.6θ田、新梢旺長期0.8～0.6θ田、果實膨大～成熟0.8～0.6θ田、成熟落葉期0.7～0.6θ田、落葉休眠期0.8～0.6θ田。由于果樹主要吸收利用計劃層內(nèi)的水分，將計劃層以下至2 m土層的土壤含水量下限設(shè)為0.5θ田。

2) 非充分灌溉。在渭北高原溝壑區(qū)，由于水資源短缺，供水常常不能滿足作物的需水，即會出現(xiàn)非充分灌溉的情況。非充分灌溉的概念較廣泛，包括調(diào)虧灌溉、分根交替灌溉、局部灌溉等[25]。由于蘋果新梢和果實的伴隨生長[26]，對水分脅迫的敏感程度不同，脅迫程度過大或歷時過長對果實的細胞分裂、膨大及葉片的蒸騰、光合作用都會產(chǎn)生影響，導(dǎo)致最終產(chǎn)量、品質(zhì)等的下降，并可能影響翌年果樹的生長。相關(guān)文獻研究表明[13,27-28]，在果樹果實生長的第一階段后期和第二階段(約花后40～70 d)使果樹承受中等脅迫，控制其營養(yǎng)性生長，到第三階段恢復(fù)充分灌溉，由于果實的生長補償效應(yīng)，果實迅速膨大，對最終的產(chǎn)量基本沒有影響；在果實成熟期控制水分則有利于果實提早成熟和品質(zhì)改善。

以土壤水分為指標進行非充分灌溉，是有意識地減少作物某一階段的灌溉供水量，使作物根層土壤水分低于適宜土壤水分下限值[25]。蘋果是抗旱力中等的果樹[29]，針對蘋果樹需水規(guī)律，宜進行調(diào)虧灌溉，將兩品種6月(花后40～70 d)、中熟品種8月中旬至8月下旬(成熟期)、晚熟品種9月下旬至10月中旬(成熟期)計劃層含水量下限設(shè)為0.5θ田，計劃層以下至2 m下限為0.45θ田，即中等干旱水平，其余時段均與充分灌溉相同。

1.3.3不同灌溉方法下土壤濕潤比選擇當?shù)赝茝V的兩種節(jié)水灌溉方法：管灌(在距樹干2/3樹冠半徑處圍繞樹干起壟，形成樹壟，利用移動軟管按棵施灌)、滴灌(采用單行毛管，繞樹鋪設(shè)環(huán)狀滴灌鏈，距樹干約樹冠半徑的2/3)。參照相關(guān)文獻[30]確定濕潤比，以確定其灌水量，各物候期不同灌溉方式的土壤濕潤比見表4。

表4　不同灌溉方法的濕潤比p

注：本表的濕潤比在實踐中可根據(jù)具體情況調(diào)整。Note: The ratio in the table can be adjusted according to real conditions。

1.3.4關(guān)于水量平衡方程的說明果園水量平衡方程可表示為：Wt-W0=WT+K+Pe+M-ET-F-R。式中Wt、W0分別為時段末、時段初2 m土層內(nèi)的儲水量，WT是由于計劃濕潤層增加而增加的水量，由于本文全生育期考慮土層深為2 m，故本項不計，K為時段內(nèi)地下水補給量，Pe為有效降雨量，M為時段內(nèi)灌溉水量，按照表4中的設(shè)計濕潤比p進行折算，得到實際灌水量M實=pM，ET為時段內(nèi)作物需水量，F(xiàn)為深層滲漏量，R為地表徑流量，以上單位均為mm。

因黃土土層深厚，地下水埋深超過60 m，難以上移補給，又降水、灌溉水在土壤中的入滲深度均在根區(qū)以內(nèi)，因此K、F、R可忽略不計[4]，上述方程簡寫為：Wt-W0=Pe+M-ET。以旬為時段進行計算，當2 m內(nèi)土壤儲水量降低至設(shè)定的下限時，即補充灌水。

2　結(jié)果與分析

2.1中熟和晚熟蘋果的充分與非充分灌溉制度

經(jīng)分析，獲得中熟和晚熟蘋果的不同水文年的充分與非充分灌溉制度(表5～8)。

總體來看，兩品種相應(yīng)水文年的灌水時間、灌水量和灌水次數(shù)基本相同，灌水集中在新梢旺長期和果實膨大期。

非充分灌溉與充分灌溉相比，減少了灌水次數(shù)和灌水量。中熟品種各水文年滴灌灌溉定額分別減少15、15、10、15 mm，管灌減少25、20、10、25 mm，濕潤年和平水年均減少1次灌水；晚熟品種滴灌灌溉定額減少10、15、5、10 mm，管灌減少10、15、20、20 mm，干旱年減少1次灌水。

兩種灌溉方法相比，由于滴灌的濕潤比較低，兩品種充分灌溉不同水文年滴灌可節(jié)水30～80 mm，非充分灌可節(jié)約20～70 mm。

2.2蘋果不同物候期需水規(guī)律與灌溉制度的關(guān)系

萌芽開花期：從表5～8可以看出，如果當年的灌水充分考慮果樹到翌年萌芽開花時的土壤水分要求，此期不需要灌水。由于該地區(qū)常見春旱(3～5月份)[2,14]?？梢暻闆r在花前(3月中旬)補灌，保持較高的土壤濕度，促進萌芽、開花、坐果。

新梢旺長期：5月份是黃土高原蘋果樹生長的水分臨界期[1]，花后果實細胞分裂持續(xù)約30 d，新梢正旺長，果樹的生理機能旺盛，為防止葉果爭奪水分，花后干旱應(yīng)及時灌水。

果實迅速膨大期：渭北地區(qū)6月下旬至7月為花芽生理分化集中期，控制水分利于花芽分化；在中熟品種采摘前后或晚熟品種膨大的8、9月份，一般是該地區(qū)雨季，灌水應(yīng)根據(jù)天氣進行補充灌溉。

采收-休眠：本文分析表明，洛川地區(qū)蘋果應(yīng)加強冬灌管理，保證果樹安全越冬，也為翌年萌芽開花創(chuàng)造良好的土壤水分條件。

需要說明的是，表5～8中灌水時間和灌水量是不同灌溉保證率下的灌溉制度，主要作為灌區(qū)水資源宏觀調(diào)配和規(guī)劃的依據(jù)。具體到每一年，需要根據(jù)果園的土壤水分狀況、短期降水預(yù)報等來確定。

表5　不同水文年中熟品種充分灌溉制度

注：表中只展示需要灌水的各物候期，“—”表示不需要灌水。表6～8同。

Note: The table only shows phenophase that irrigate is needed (the same to table 6～8).

表6　不同水文年中熟品種非充分灌溉制度

3　討　論

馬孝義等[2]通過分析渭北地區(qū)蘋果的降水產(chǎn)量積分回歸函數(shù)，得出渭北高原溝壑區(qū)最佳補灌時期為春季果樹萌芽開花及新梢發(fā)育的4—5月，這與本文相一致。根據(jù)課題組的調(diào)查，當?shù)毓r(nóng)正常年份結(jié)合施肥普遍灌2次水，分別在3月中下旬(花前水)和6月下旬(果實迅速膨大前)，管灌和滴灌的灌溉定額分別為：90～120、50～60 mm，灌水量介于本文正常年份的充分與非充分灌之間。由于不同區(qū)域降水量及其年內(nèi)分配、果園栽培模式等的差異，本文制定的灌溉制度需針對果園實際情況作調(diào)整。

研究區(qū)一般從6月份進入雨季，非充分灌溉不但減少了灌水，而且可以充分利用降水資源。11月—翌年3月的蘋果耗水量年際變化不大，且多年平均降水不足50 mm，如果越冬前果園土壤儲水量不足，蘋果樹經(jīng)過近120 d的水分消耗，到春季萌芽前一般需補充土壤水分。因此，在果樹進入休眠期前，如果土壤中儲存有充足的水分，除滿足越冬以外，也利于抵御翌年可能的春旱。若前期的降水豐富或灌水充足，則可不實施冬灌。另外，水分不足會限制葉梢的生長，影響果實營養(yǎng)的供給，限制最終的產(chǎn)量，因此生產(chǎn)上宜在密植果園或營養(yǎng)生長過旺的稀植果園實施非充分灌溉。

由于果樹的吸收根主要在樹冠投影區(qū)域1/3～2/3中間[22]，滴灌與管灌相比，在吸收根主要分布區(qū)域進行濕潤，減小蒸發(fā)[12-13]、減少對土壤的破壞。近年來，基于節(jié)水灌溉技術(shù)原理和植物感知缺水的根源信號理論提出了根系分區(qū)交替灌溉[31]，該技術(shù)是在植物某些生育期或全部生育期交替對部分根區(qū)進行正常灌溉，其余根區(qū)則受到人為水分脅迫的灌溉方式。前人對不同品種蘋果的一系列研究[5,9,11-12]均表明：與常規(guī)的全根區(qū)定位灌相比，采用常規(guī)灌溉50%的灌水量在樹盤兩側(cè)交替灌溉，對蘋果生長、品質(zhì)和產(chǎn)量的影響都較小，是一種高效可行的節(jié)水技術(shù)，建議有條件的果園推廣使用。

4　結(jié)　論

1) 不同成熟期蘋果不同水文年均應(yīng)補灌，補灌時間及灌水量均以新梢旺長和果實膨大期為主。中熟品種充分灌溉在濕潤年、平水年、特旱年份，非充分灌溉在特旱年份需冬灌；晚熟品種充分灌溉各水文年，非充分灌溉除濕潤年均需冬灌。

2) 中熟品種充分灌溉在濕潤年、平水年、干旱年、特旱年的灌水次數(shù)分別為2、3、3、4次，相應(yīng)灌溉定額滴灌為60、85、120、165 mm，管灌為90、130、180、245 mm；非充分灌溉各水文年的灌水次數(shù)為1、2、3、4次，相應(yīng)灌溉定額滴灌為45、70、110、150 mm，管灌為65、110、170、220 mm。

晚熟品種充分灌溉在相應(yīng)水文年的灌水次數(shù)分別為2、3、4、4次，相應(yīng)灌溉定額滴灌為65、90、125、160 mm，管灌為95、140、195、240 mm；非充分灌溉各水文年的灌水次數(shù)為2、3、3、4次，相應(yīng)滴灌灌溉定額為55、75、120、150 mm，管灌灌溉定額為85、125、175、220 mm。

3) 從高效節(jié)水角度考慮，有條件的果園應(yīng)緊密結(jié)合滴灌、管灌等節(jié)水技術(shù)與果樹的水分生理狀況，在不顯著影響蘋果產(chǎn)量、品質(zhì)的情況下，可大幅節(jié)水，提高果園水分管理的效率；管灌應(yīng)控制好灌水強度，減少對土壤的破壞、養(yǎng)分的淋失。另外，建議在密植或營養(yǎng)生長過旺的稀植果園采用非充分灌溉。

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Analyses of water-saving irrigation scheduling for apple in Weibei dryland gully

LI Tian-xing1, CAO Hong-xia1, CHEN Hong-wu2, LI Hong-li3, MING Gang3, TANG Long1

(1.Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Area of Ministry of Education,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.CollegeofHorticulture,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.LuochuanWaterResourcesBureau,Luochuan,Shaanxi727400,China)

To investigate the water-saving irrigation scheduling for full bearing apple trees during different hydrological years in Weibei dryland gully, based on water balance principle, meteorological data from recent 56 years in Luochuan were used to analyze both sufficient and non-sufficient irrigation scheduling of two maturity apple varieties (Gala and Fuji) under different irrigation methods (pipe irrigation and drip irrigation). The results showed that both mid- and late-maturing varieties should be irrigated in different hydrological years. The irrigation stage and amount should mainly be implemented at new shoot growing and fruit expanding stages. In addition, for mid-maturing variety in different hydrological years (wet, normal, dry and extremely dry years) under sufficient irrigation scheduling, irrigation times were 2, 3, 3 and 4, respectively, irrigation quota for drip irrigation were 60, 85, 120 mm and 165 mm, respectively, pipe irrigations were 90,130,180 and 245 mm, respectively; irrigation times under non-sufficient irrigation scheduling were 1, 2, 3 and 4, respectively, irrigation quota for drip irrigation were 45, 70, 110 and 150 mm, respectively, and pipe irrigation were 65, 110, 170 and 220 mm, respectively. Furthermore, for late-maturing variety in different hydrological years under sufficient irrigation scheduling, irrigation times were 2, 3, 4 and 4, respectively, irrigation quota for drip irrigation were 65, 90, 125 and 160 mm, respectively, pipe irrigation were 95, 140, 195 and 240 mm, respectively; irrigation times under non-sufficient irrigation scheduling were 2, 3, 3 and 4, respectively, irrigation quota for drip irrigation were 55, 75, 120 mm and 150 mm, and pipe irrigation were 85, 125, 175 mm and 220 mm, respectively.

apple; pipe irrigation; drip irrigation; irrigation methods; irrigation scheduling; Weibei dryland gully

1000-7601(2016)05-0255-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.39

2015-07-20

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)課題(2013AA103004)；陜西省水利科技計劃項目(2013slkj-48)；陜西省果業(yè)發(fā)展項目(tg2015-075)

李天星(1990—)，男，河南商丘人，在讀碩士，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水理論研究。E-mail: litx1990@163.com。

曹紅霞(1971—)，女，新疆五家渠人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail: chx662002@163.com。

S274.1

A