陜北山地蘋(píng)果節(jié)水灌溉制度研究
——以綏德縣為例

宋安利

(陜西省水文水資源勘測(cè)局， 陜西 西安 721000)

1 研究背景

陜北地處黃土高原中北部，由于其光熱資源豐富，晝夜溫差大，成為了公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)蘋(píng)果生產(chǎn)基地[1]。得天獨(dú)厚的自然條件，加上蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)“北擴(kuò)西進(jìn)”的政策支持，使陜北山地蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)明顯，截止2018年，陜北山地蘋(píng)果栽植面積達(dá)到280萬(wàn)畝。然而該區(qū)屬典型的黃土高原溝壑區(qū)，位于干旱與半干旱氣候區(qū)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降雨較少且70%的降雨集中于6-9月份；加之蘋(píng)果樹(shù)強(qiáng)烈的蒸騰耗水，導(dǎo)致該區(qū)果園水分供需矛盾突出，從而對(duì)當(dāng)?shù)靥O(píng)果產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成了極大的影響，嚴(yán)重影響到果實(shí)的產(chǎn)量與品質(zhì)[2]。

隨著蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，實(shí)施合理的、精準(zhǔn)的節(jié)水灌溉成為該區(qū)山地蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)穴灌[3]、噴灌[4]、管灌[5]、涌泉根灌[6-7]、滴灌[8-9]等節(jié)水灌溉方式進(jìn)行了大量的研究，研究表明節(jié)水灌溉方式可以有效改善作物根區(qū)土壤水分條件，提升灌溉水分有效利用率。在干旱與半干旱區(qū)，由于水資源短缺與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之間的矛盾日益突出，該區(qū)進(jìn)行了大量的虧缺灌溉試驗(yàn)研究與應(yīng)用。研究表明，在非需水臨界期進(jìn)行溫和的水分虧缺，并不會(huì)顯著影響作物正常生長(zhǎng)，降低作物產(chǎn)量[9-12]。然而這些試驗(yàn)研究多著眼于局部，加之長(zhǎng)系列、大尺度試驗(yàn)資料的缺乏，因此區(qū)域性的灌溉需水規(guī)律難以反映出來(lái)。本文采用水量平衡法，通過(guò)分析綏德縣57年的氣象資料來(lái)探討該區(qū)不同水文年的充分灌溉與虧缺灌溉制度，以期為在有限水資源條件下陜北山地蘋(píng)果的灌溉管理提供科學(xué)依據(jù)，為陜北山地蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

陜西省綏德縣( 110°04′E～110°41′E，37°16′N～37° 45′N)地處黃河中游、黃土高原腹地。該區(qū)屬暖溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)，年平均氣溫9.7 ℃，年平均無(wú)霜期165 d，降雨少而不均，多年平均降雨量453 mm，大部分集中在6-9月。土壤以黃綿土為主，0～1 m土層平均土壤容重為1.41 g/cm3、平均田間持水量為0.30 cm3/cm3，土壤有機(jī)質(zhì)含量為0.5%，速效氮、速效磷、速效鉀含量為28.5、33.9、144.2 mg/kg[13]。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

大氣壓強(qiáng)、降雨、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度及氣溫等氣象資料(1961-2017年)來(lái)自于綏德氣象站。當(dāng)?shù)刂饕灾蔡O(píng)果品種為富士，根據(jù)該區(qū)富士蘋(píng)果的物候期規(guī)律將其生育期劃分為4個(gè)物候期(表3)。

在充分灌水情況下，采用單作物系數(shù)法計(jì)算蘋(píng)果需水量(ETc)，計(jì)算公式為：

ETc=Kc·ET0

(1)

式中：Kc為作物系數(shù)，綜合參考文獻(xiàn)[14-16]確定了不同月份的作物系數(shù)(表1)，ET0由Penman-Monteith公式[17]結(jié)合57年的氣象資料計(jì)算所得。

表1 蘋(píng)果生育期作物系數(shù)Kc

當(dāng)土壤含水量不能滿足作物充分供水狀態(tài)下的水分條件時(shí)，隨著土壤含水量的減小，作物的需水量將減小，此時(shí)有：

ETa=Ks·ETc

(2)

式中：ETa為水分虧缺下的實(shí)際作物需水量；Ks為土壤水分修正系數(shù)，由詹森模型[18]計(jì)算確定。

降雨時(shí)，除受到降雨本身特征(降雨量、降雨時(shí)長(zhǎng))影響外，果園有效降雨量還受到土壤水力特性、冠層截留能力等因素的影響[19]。本研究中，有效降雨量采用生產(chǎn)實(shí)踐中常用的簡(jiǎn)化經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

Pe=αP

(3)

式中：P為次降雨量;α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，α取值為：P<5 mm時(shí)，α=0；5mm50 mm時(shí)，α=0.7～0.8[20]。本研究中，以旬為時(shí)段來(lái)進(jìn)行水量平衡計(jì)算，每旬的降水量等于當(dāng)月總降水量的1/3[19]，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)按以下取值：P<5 mm，α=0；5 mm≤P<50 mm，α=1；50 mm≤P<100 mm，α=0.9，P≥100 mm，α=0.8。

灌溉制度一般都具有部分的預(yù)報(bào)性質(zhì)，一般需在灌水季節(jié)之前確定灌溉制度。針對(duì)不同水文年份，擬定特旱年(95%)、干旱年(75%)、平水年(50%)及濕潤(rùn)年(25%)4種類型(表2)的灌溉制度。

表2 不同水文年蘋(píng)果生育期內(nèi)水量平衡要素

2.3 灌溉制度相關(guān)參數(shù)

2.3.1 計(jì)劃濕潤(rùn)層深度 黃土高原蘋(píng)果樹(shù)根系及活性吸收根主要分布于1 m以上土層[21]，因此在本研究中，計(jì)劃濕潤(rùn)層取為1 m。

2.3.2 生育期土壤含水率設(shè)計(jì)上下限 通常，土壤水分可間接反映作物的水分狀況，李柏貞等[22]用土壤相對(duì)含水量R對(duì)干旱等級(jí)進(jìn)行劃分，以土壤相對(duì)濕潤(rùn)度從低到高劃分為5種干旱程度：特別重度干旱(R≤30%)、重度干旱(30%60%)。

(1)充分灌溉。在充分灌溉中，必須確保作物根系層的土壤含水率處于適宜作物生長(zhǎng)的含水率范圍內(nèi)，不引起水分虧缺，以作物達(dá)到最高產(chǎn)量為目標(biāo)。對(duì)果樹(shù)生長(zhǎng)而言，適宜的土壤含水率為(0.6～0.8)θf(wàn)(田間持水量)[23]。參考干旱等級(jí)劃分，確定充分灌溉條件下各物候期的土壤含水量上下限(表3)。

(2)虧缺灌溉。干旱半干旱地區(qū)，水資源短缺造成灌溉供水不足，高產(chǎn)條件下的作物水分條件難以滿足。據(jù)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了虧缺灌溉這一節(jié)水理念，虧缺灌溉包括全生育期持續(xù)虧缺灌溉[11]、調(diào)虧灌溉[24]、分根交替灌溉[25]等。虧缺灌溉施行的機(jī)理性原因是作物體內(nèi)對(duì)水分脅迫產(chǎn)生的適應(yīng)性生理反應(yīng)，經(jīng)過(guò)虧缺灌溉和干旱處理，作物氣孔阻力增加 ,蒸騰失水減少,作物水分散失對(duì)氣孔開(kāi)度的依賴性大于光合對(duì)其的依賴性[26]。蔡煥杰等[24]認(rèn)為，早期實(shí)施虧缺灌溉對(duì)產(chǎn)量影響較小。相關(guān)研究顯示[14, 27]，在蘋(píng)果生長(zhǎng)期的萌芽開(kāi)花期、果實(shí)成熟期進(jìn)行虧缺灌溉對(duì)最終產(chǎn)量影響較小，且可以改善果實(shí)品質(zhì)。

蘋(píng)果樹(shù)對(duì)土壤水分虧缺具有一定的適應(yīng)性，根據(jù)蘋(píng)果樹(shù)的需水規(guī)律，結(jié)合以上的研究分析，將萌芽開(kāi)花期及果實(shí)成熟期土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤含水量上下限較充分灌溉降低0.1θf(wàn)(表3)。

表3 綏德縣山地蘋(píng)果物候期劃分及灌溉要素

2.3.3 灌溉濕潤(rùn)比 陜西省大力推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)，計(jì)劃“十三五”期間果園高效節(jié)水灌溉面積比重提高到30%。當(dāng)?shù)毓麍@常采用管灌，即圍繞樹(shù)干起壟形成2/3樹(shù)冠半徑的灌水坑，并用移動(dòng)軟管灌水至灌水坑。滴灌是將水直接輸入到田間作物根區(qū)土壤的一種灌溉方式，具有輸水損失小、灌水均勻、能有效提升水分利用率的優(yōu)點(diǎn)。本研究選擇管灌及滴灌進(jìn)行灌水，滴灌管采用單管布置，順樹(shù)行布置。參照文獻(xiàn)[19]確定各個(gè)生育期的土壤計(jì)劃濕潤(rùn)比見(jiàn)表3。

2.3.4 灌水時(shí)間及灌水量的確定 采用水量平衡法確定灌水時(shí)間及灌水量，計(jì)算公式如下：

Wt-W0=WT+K+Pe+M-ET-F-R

(4)

式中：W0與Wt分別為始、末時(shí)段計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤的儲(chǔ)水量,mm；WT為由于計(jì)劃濕潤(rùn)層深度變化而增減的土壤儲(chǔ)水量,mm，本文確定全生育期計(jì)劃濕潤(rùn)層為1 m，因此本研究中WT為0；K為地下水補(bǔ)給量,mm，該區(qū)地下水埋深超過(guò)50 m，因此忽略不計(jì)；Pe為該時(shí)段內(nèi)的有效降雨量;M為該時(shí)段內(nèi)的灌溉水量,mm，根據(jù)表3中的計(jì)劃濕潤(rùn)比，計(jì)算可得實(shí)際灌水量;ET為時(shí)段內(nèi)作物需水量,mm;F為深層滲漏量,mm;R為地表徑流量,mm，當(dāng)?shù)谾及R均較小，在計(jì)算中均可忽略，故公式(4)簡(jiǎn)化為：

Wt-W0=Pe+M-ET

(5)

計(jì)算時(shí)以1旬為單位時(shí)段，當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)土壤儲(chǔ)水量低于相應(yīng)下限時(shí)，進(jìn)行灌水。

2.4 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，借助SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，采用Origin 2018軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 充分和虧缺灌溉制度研究

表4和5分別為研究區(qū)不同水文年充分和虧缺灌溉制度的研究結(jié)果。由表4和5可知，隨著降雨量的減少，灌水次數(shù)逐漸增加。濕潤(rùn)年、平水年、干旱年和特旱年4種水文年份下，充分灌溉的灌水次數(shù)分別為3、4、5和6次，非充分灌溉的灌溉次數(shù)較充分灌溉均減少一次，且發(fā)生在萌芽開(kāi)花期。滴灌條件下，虧缺灌溉在濕潤(rùn)年、平水年、干旱年、特旱年灌溉定額較充分灌溉分別降低5、0、5、15 mm，管灌條件下則分別降低5、5、10、20 mm。相較于管灌，滴灌能有效降低灌水量，不同水文年充分灌溉條件下滴灌較管灌節(jié)水30、45、60、65 mm，而在虧缺灌溉條件下滴灌分別較管灌減少25、40、55、60 mm。

表4 研究區(qū)不同水文年充分灌溉制度研究結(jié)果

3.2 不同生育期需水規(guī)律與灌溉制度的關(guān)系

萌芽開(kāi)花期：該物候期階段，氣溫逐漸上升，根系開(kāi)始活動(dòng)，蘋(píng)果逐漸進(jìn)行萌芽開(kāi)花，新梢生長(zhǎng)。由于氣溫較低，太陽(yáng)輻射較弱，因此該階段蘋(píng)果園蒸發(fā)蒸騰較弱。但該階段降雨量也較小，即使該階段需水量較低，降雨量仍難以滿足作物正常的生長(zhǎng)發(fā)育要求，容易形成春旱[28]。因此在該階段，應(yīng)根據(jù)土壤水分情況及時(shí)灌水，以保證蘋(píng)果樹(shù)的正常萌芽、開(kāi)花、坐果。

葉片生長(zhǎng)期：進(jìn)入6月份后，氣溫升高，太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，葉面積迅速擴(kuò)大，果樹(shù)生理機(jī)能旺盛，蘋(píng)果園蒸發(fā)蒸騰量急劇增加，蘋(píng)果進(jìn)入需水臨界期。但該階段降雨量仍然較小，土壤水分含量較低，會(huì)影響新梢的生長(zhǎng)，造成幼果脫落，應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)灌。

果實(shí)膨大期：該物候期階段，氣溫與太陽(yáng)輻射處于全年最高的水平，加之蘋(píng)果進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)期，因此該階段日蒸發(fā)蒸騰量也處于全年最高的水平，該階段的耗水量占到蘋(píng)果全生育期耗水量的50%以上[27]。同時(shí)，該物候期階段也是該區(qū)雨季，降雨能有效補(bǔ)充果園土壤儲(chǔ)水量，因此本階段蘋(píng)果園土壤儲(chǔ)水量處于急劇變化的狀態(tài)，易發(fā)生伏旱，尤其是在干旱年與特旱年。因此在本物候期階段，應(yīng)根據(jù)天氣情況適當(dāng)補(bǔ)灌。

果實(shí)成熟期：9月下旬，進(jìn)入果實(shí)成熟期，該物候期階段，果實(shí)處在著色與糖分轉(zhuǎn)化期，果實(shí)需水量較小，加之氣溫與太陽(yáng)輻射降低，因此耗水強(qiáng)度較小。在計(jì)算分析中，無(wú)論是充分灌溉還是虧缺灌溉，無(wú)論是濕潤(rùn)年亦或是特旱年，該期的降雨均能滿足果園的耗水要求，不需要灌水。因此本物候期階段應(yīng)控制灌水，以提高蘋(píng)果品質(zhì)。

4 討 論

在干旱與半干旱區(qū)，水資源十分短缺，而蘋(píng)果樹(shù)蒸騰作用強(qiáng)烈，其耗水量高于普通農(nóng)作物。因此對(duì)于該區(qū)蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展而言，如何滿足蘋(píng)果樹(shù)的需水要求是其中的關(guān)鍵。影響植物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的因素很多，土壤水分是其中最重要的因素之一，粟曉玲等[29]認(rèn)為即使土壤儲(chǔ)水量發(fā)生很小的變化，作物的生產(chǎn)力也會(huì)受到較大的影響。在當(dāng)?shù)氐奶O(píng)果灌溉果園中，降雨及灌水后的水分入滲是土壤儲(chǔ)水量補(bǔ)充的主要途徑，因此對(duì)于制定合理的灌溉制度而言，探尋灌溉、降雨與蘋(píng)果耗水的規(guī)律具有十分重要的意義。

本文采用不同頻率典型水文年來(lái)進(jìn)行灌溉制度的劃分，該方法充分考慮到降水的年內(nèi)分配以及作物需水量的變化規(guī)律對(duì)凈灌溉需水量的影響。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，蘋(píng)果生育期需水量與有效降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖1)，因此根據(jù)不同頻率典型水文年來(lái)進(jìn)行灌溉制度的劃分是合理的。

表5 研究區(qū)不同水文年虧缺灌溉制度研究結(jié)果

圖1 蘋(píng)果生育期有效降雨量與需水量線性分析

本研究中，灌水主要集中于生育期前期(萌芽開(kāi)花期、葉片生長(zhǎng)期)，而降雨則更多的集中于生育期后期(果實(shí)膨大期、果實(shí)成熟期)，這體現(xiàn)了在提升和保持土壤儲(chǔ)水量上，降雨及灌水在時(shí)間上的互補(bǔ)性[30]。而果實(shí)成熟期由于降雨量能夠滿足作物的耗水需求，因此不需要灌水。李天星等[31]根據(jù)水量平衡法分析得出陜北丘陵溝壑區(qū)適宜灌水時(shí)間為5月中旬至8月下旬，在果實(shí)成熟期不需要灌水，這與本研究的結(jié)果一致。綏德山地蘋(píng)果休眠期為11月至翌年3月，此階段由于蘋(píng)果園蒸發(fā)蒸騰量及降雨量均較低，因此土壤儲(chǔ)水量變化較小。但由于該區(qū)冬春季氣溫低，晝夜溫差較大，凍害頻發(fā)，嚴(yán)重影響到蘋(píng)果的生長(zhǎng)發(fā)育，降低其產(chǎn)量與品質(zhì)，建議有條件的果園在蘋(píng)果采摘后(11月)，對(duì)果園進(jìn)行冬灌，使土壤地溫保持穩(wěn)定[32]，除滿足越冬以外，也有利于抵御翌年可能的春旱。

由表4和5可知，與充分灌溉相比，虧缺灌溉延后了蘋(píng)果樹(shù)的灌水時(shí)間，減少了果園的灌水次數(shù)，且發(fā)生在萌芽開(kāi)花期，但對(duì)灌水量的減少并不顯著。這說(shuō)明本研究區(qū)蘋(píng)果園虧缺灌溉的意義更多的在于推遲及降低非需水關(guān)鍵期的灌水，將更多的水資源用于需水關(guān)鍵期以提高蘋(píng)果的水分利用效率。滴灌是目前正在大力推廣的一種節(jié)水灌溉方法，可以將水分直接輸入到作物根區(qū)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)、精量的水、肥控制灌溉[33]。本研究中，滴灌相對(duì)管灌在充分灌溉與虧缺灌溉條件下，分別可節(jié)水30～65 mm、25～60 mm，節(jié)水效果顯著。此外，滴灌還具有灌水均勻、可提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)[34-35]，因此建議有條件的果園推廣使用。

5 結(jié) 論

(1)綏德縣蘋(píng)果樹(shù)生育期需水量與有效降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)，不同水文年均需進(jìn)行灌溉，且灌水量與灌水次數(shù)隨降水量的減少而增加。

(2)濕潤(rùn)年、平水年、干旱年和特旱年4種水文年下，充分灌溉的灌水次數(shù)分別為3、4、5和6次，滴灌灌溉定額分別為55、80、115和135 mm，管灌分別為85、125、175和200 mm。

(3)虧缺灌溉下各水文年灌水次數(shù)均較充分灌溉減少1次，且均發(fā)生在萌芽開(kāi)花期，最終表現(xiàn)為虧缺灌溉推遲了灌溉時(shí)間，但節(jié)水效果不顯著。從提高水分利用效率和節(jié)約用水的角度，建議有條件的果園采用滴灌，并執(zhí)行虧缺灌溉制度。