旱區(qū)分根交替灌溉蘋果樹水分利用及蒸發(fā)蒸騰量的研究及應用

王歡

1、研究背景與意義

水資源是世界經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要保障，是生產(chǎn)力提高，科學技術進步，人民安居樂業(yè)的關鍵所在。作為一種不可替代的基礎性資源，水資源的利用、發(fā)展和保護從古至今一直都是人類社會關注的焦點問題。我國是世界上 13 個貧水國之一，水資源總量不僅少，而且時空分布不均，人均占有量較低。2018年，全國水資源總量為27462.5億m3，全國用水總量6015.5億m3，其中農(nóng)業(yè)用水3693.1億m3，占用水總量的61.4%，耕地實際灌溉畝均用水量365m3，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)0.554。我國是一個典型的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水占總用水量比例高和農(nóng)田水利設施發(fā)展不平衡、不協(xié)調(diào)、不可持續(xù)的問題日益突出。為解決上述問題，我國正大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉。通過建設和利用農(nóng)田水利設施進而降低農(nóng)業(yè)灌溉用水量，切實提高灌溉水利用效率已成為農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的基本保障和緩解全國水資源短缺的重要措施。蒸發(fā)蒸騰是蘋果樹水分消耗的主要形式。在此過程中，水分會通過葉片蒸騰和土壤蒸發(fā)散失到大氣中，其中的蒸騰過程還與蘋果樹的生理活動和產(chǎn)量形成密切相關。與此同時，蒸發(fā)蒸騰量還影響著樹體水分狀況和能量分配。因此，科學研究蘋果樹水分利用和蒸發(fā)蒸騰量估算對于干旱區(qū)農(nóng)業(yè)高效用水的發(fā)展、水分利用效率的提高和經(jīng)濟效益的穩(wěn)健增長具有重要的戰(zhàn)略意義。分根交替灌溉是一種創(chuàng)新型的節(jié)水技術，通常只灌溉果樹一側(cè)的根區(qū)，使之處于濕潤狀態(tài)，而對另一側(cè)根區(qū)不灌溉，使之處于干旱狀態(tài)，然后交替進行，即對原干旱側(cè)進行灌溉，原濕潤側(cè)不灌溉。在此過程中，果樹處于濕潤側(cè)的根系能夠正常吸水，維持果樹正常的生理活動;干旱側(cè)的根系則產(chǎn)生 ABA，從根系傳輸至葉片，調(diào)節(jié)葉片氣孔開度，減少奢侈蒸騰，提高水分利用效率。

2、 研究的主要目標與內(nèi)容

以西北旱區(qū)蘋果樹為研究對象，通過不同灌溉頻率和灌溉定額的分根交替灌溉試驗，評價蘋果樹生理生態(tài)和生長指標對不同灌溉頻率和灌溉定額分根交替灌溉的響應，研究不同灌溉頻率和灌溉定額分根交替灌溉對蘋果樹蒸發(fā)蒸騰量、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，計算基于分根交替灌溉蘋果樹樹干直徑微變化的信號強度，并依此科學診斷蘋果樹水分狀況，以期為制定科學高效的灌溉制度，促進蘋果樹節(jié)水豐產(chǎn)的健康發(fā)展提供科學依據(jù)。

（1）進一步揭示不同灌溉頻率分根交替灌溉條件下蘋果樹生理節(jié)水機制

分析莖葉水勢（黎明前葉水勢、正午葉水勢和正午莖水勢）和冠層結(jié)構參數(shù)（葉面積指數(shù)、縫隙度、葉傾角和叢生指數(shù)）的季節(jié)變化規(guī)律，同時采用兩因素方差分析分別探討了灌溉方式和灌溉定額對光合速率、氣孔導度、莖葉水勢、根系參數(shù)（根長密度、根直徑、根表面積、根體積和根干重）和冠層結(jié)構參數(shù)的影響，以期進一步明確分根交替灌溉蘋果樹水分利用和生理節(jié)水機制。

（2）分析不同灌溉頻率分根交替灌溉對蘋果樹蒸發(fā)蒸騰量、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，為優(yōu)化灌溉制度提供理論依據(jù)

采用液流-微型蒸滲儀法測定土壤蒸發(fā)量和蘋果樹蒸騰量，結(jié)合蘋果樹全生育期液流量科學評價不同處理蘋果樹體內(nèi)水分狀況，揭示不同處理蘋果樹蒸發(fā)蒸騰量、產(chǎn)量和水分利用效率差異，以期明確適于干旱區(qū)蘋果樹的優(yōu)化灌溉制度。

（3）提出適宜于干旱區(qū)分根交替灌溉條件下的蘋果樹蒸發(fā)蒸騰量估算模型

構建基于下墊面局部濕潤條件下的蒸發(fā)蒸騰量估算模型，同時以實測數(shù)據(jù)為參照，比較上述模型估算蒸發(fā)蒸騰量的準確性和適用性，以期為分根交替灌溉條件下田間水分科學管理提供依據(jù)。

（4）對比分析樹干直徑微變化和信號強度，確定適宜干旱區(qū)蘋果樹水分狀況診斷的優(yōu)化參數(shù)

對比分析常規(guī)灌溉和分根交替灌溉條件下蘋果樹樹干直徑日最大收縮量和信號強度的差異，并探討上述參數(shù)對氣象因子的響應。最后評價兩種灌溉方式條件下信號強度與土壤含水量、莖葉水勢的相關關系，明確水分指示的優(yōu)化參數(shù)，以期科學診斷干旱區(qū)蘋果樹水分狀況并指導灌溉。

3、試驗方案與技術路線

選取西北旱區(qū)蘋果樹為研究對象，分析不同灌溉方式條件下蘋果樹生理生態(tài)和生長指標的變化規(guī)律;基于液流-微型蒸滲儀法定量分析蘋果樹全生育期蒸發(fā)蒸騰量，并結(jié)合產(chǎn)量和水分利用效率確定干旱區(qū)蘋果樹優(yōu)化灌溉制度;構建適于干旱區(qū)分根交替灌溉條件下蘋果樹蒸發(fā)蒸騰量估算模型;對比分析樹干直徑微變化和信號強度，并評價上述兩種參數(shù)指導灌溉的可行性，為蘋果樹節(jié)水豐產(chǎn)奠定基礎。

（1）測定蘋果樹光合速率、氣孔導度、莖葉水勢、根系參數(shù)及冠層結(jié)構參數(shù)等，探討生理生態(tài)和生長指標對不同灌溉頻率分根交替灌溉處理的響應，揭示不同灌溉頻率分根交替灌溉模式對蘋果樹個體生長發(fā)育和生理活動的影響及其調(diào)控機制。

（2）采用液流-微型蒸滲儀法進行蒸發(fā)蒸騰量計算，探究不同灌溉頻率分根交替灌溉處理產(chǎn)量和水分利用效率的變化規(guī)律，明確高頻分根交替灌溉的節(jié)水高產(chǎn)機理。

（3）以實測資料為基礎，構建基于下墊面局部濕潤條件下的蘋果樹蒸發(fā)蒸騰量估算模型，同時比較估算精度，以期確定最適合估算分根交替灌溉條件下蒸發(fā)蒸騰量的模型。

（4）建立基于樹干直徑日最大收縮量和液流量的信號強度，并分析不同灌溉方式對樹干直徑日最大收縮量和信號強度的影響，明確信號強度和環(huán)境因子、水勢的相關關系，以期為科學評價分根交替灌溉條件下蘋果樹水分狀況并合理制定灌溉制度提供理論依據(jù)。

4、主要結(jié)論與展望

蒸發(fā)蒸騰量與樹體水分狀況、能量分配密切相關，是蘋果樹水分消耗的主要形式。因此，研究蘋果樹水分利用和蒸發(fā)蒸騰量，對于干旱區(qū)農(nóng)業(yè)高效用水的發(fā)展、水分利用效率的提高和經(jīng)濟效益的穩(wěn)健增長，具有重要的戰(zhàn)略意義。但干旱區(qū)常規(guī)灌溉和較高的土壤蒸發(fā)量降低了有限的水分生產(chǎn)力，同時水資源短缺也日趨嚴重，因此亟需為干旱區(qū)蘋果生產(chǎn)尋找到一種科學的節(jié)水灌溉技術。分根交替灌溉是一種創(chuàng)新型的節(jié)水技術，它能夠通過根區(qū)的干濕交替來調(diào)節(jié)氣孔開度，減少奢侈蒸騰，提高水分利用效率。果樹具有較發(fā)達的根系和較寬的間距，也較適合采用該技術進行灌溉。因此，準確評價分根交替灌溉條件下果樹水分狀況，并依此科學制定灌溉制度，降低蒸發(fā)蒸騰量，提高蘋果產(chǎn)量和水分利用效率，對于干旱區(qū)蘋果產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，具有重要意義。

（作者單位：745000 甘肅省慶陽市水利工作總站）