干旱綠洲區(qū)駿棗作物系數(shù)及灌溉制度

張 波，呂廷波*，趙秀杰，周小杰，邢 猛，張?jiān)评?/p>

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十四師水資源管理中心，新疆 昆玉 848100)

【研究意義】南疆和田地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，光照充足，干旱少雨，適宜駿棗生長[1]。駿棗是此地區(qū)發(fā)展節(jié)水型特色林果業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)作物之一，然而當(dāng)?shù)貤椶r(nóng)節(jié)水意識(shí)薄弱，各生育期灌水具有一定的盲目性，導(dǎo)致駿棗減產(chǎn)和品質(zhì)降低，影響了資源的高效利用和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展[2]。研究駿棗耗水規(guī)律能及時(shí)掌握駿棗各生育期耗水情況，實(shí)現(xiàn)適量適時(shí)的灌溉，為該地區(qū)駿棗的節(jié)水高產(chǎn)灌溉制度提供科學(xué)依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)全國各地棗樹作物系數(shù)和耗水規(guī)律展開相關(guān)研究，不同地區(qū)棗樹作物系數(shù)和耗水規(guī)律也不盡相同[3-7]。一些學(xué)者[8-9]研究了不同灌溉定額下紅棗的耗水規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著灌溉定額的增加，棗樹耗水量也隨之增大，紅棗整個(gè)生育期耗水量呈現(xiàn)單峰曲線變化，耗水高峰在果實(shí)膨大期和花果期；何振嘉等[10]研究了非充分灌溉對(duì)棗樹耗水規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)棗樹耗水規(guī)律表現(xiàn)為萌芽展葉期<果實(shí)成熟期<開花坐果期<果實(shí)生長膨大期，其對(duì)應(yīng)的作物系數(shù)均值為0.44、0.81、0.91、0.99；Sun等[11]認(rèn)為棗園土壤可以通過覆蓋減少紅棗的耗水量，棗樹作物系數(shù)在生育前期、中期、后期分別為0.32、0.74、0.50；相關(guān)研究[12-14]表明，棗林可以通過減小棗樹的規(guī)格大小來實(shí)現(xiàn)棗林耗水量和水分利用效率的調(diào)控，通過修剪枝條長度和數(shù)量控制樹體規(guī)格，從而減小棗樹蒸騰耗水量，有利于提高棗園土壤水分，提高產(chǎn)量；此外，還有學(xué)者[15-16]研究了耗水規(guī)律與氣象因子之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)太陽輻射是影響棗樹蒸騰耗水的主導(dǎo)氣象因子?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】各學(xué)者對(duì)不同地區(qū)不同品種的棗樹耗水規(guī)律和作物系數(shù)研究較多，然而在南疆和田這種干旱綠洲區(qū)的研究卻較少，特別是駿棗每個(gè)生育期耗水量的變化鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究在前人研究基礎(chǔ)上，以不同灌溉定額為試驗(yàn)因素，設(shè)置低水、中水、高水等灌水處理，著重分析了各灌水處理試驗(yàn)地土壤含水率和駿棗不同生育期耗水量的變化，以期為南疆干旱綠洲區(qū)滴灌駿棗灌溉制度的制定提供理論依據(jù)，具有較好的實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年4月1日至10月31日，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第14師224團(tuán)5連(79°16′44″N，37°13′1″E)進(jìn)行，該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候，全年降水稀少，日照時(shí)間長，蒸發(fā)量大，土壤鹽漬化較嚴(yán)重。根據(jù)224團(tuán)場氣象站資料顯示，試驗(yàn)區(qū)多年平均氣溫為12.2 ℃，其中7月份平均氣溫為25.5 ℃，極端最高氣溫高達(dá)40.6 ℃。平均風(fēng)速為2.1 m/s，最大風(fēng)速為25.6 m/s，風(fēng)向多為西北風(fēng)。年均蒸發(fā)量為2824 mm，年均降水量僅為33.4 mm。多年平均日照時(shí)數(shù)為2610.6 h，無霜期天數(shù)多年平均為214 d，沙暴天數(shù)為18～52 d，浮塵天數(shù)多達(dá)200 d。最大凍土深度為0.67 m，試驗(yàn)區(qū)地下水埋深約為4.0 m。土壤質(zhì)地為沙壤土，各土層土壤干容重和田間持水率(重量百分?jǐn)?shù))見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試材選用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種駿棗，為矮化密植棗樹，樹齡為12年，棗樹株行距1.5 m×3.0 m。灌溉方式滴灌，1行2管，分別位于棗樹兩側(cè)，距樹干30 cm，毛管為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的單翼迷宮式滴灌帶，外徑16 mm，壁厚0.30 mm，滴頭間距30 cm，流量3.2 L/h。試驗(yàn)方案為灌水量單因素4水平設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)地走訪調(diào)查研究區(qū)灌溉定額460 m3/667 m2，將灌溉定額設(shè)380、420、460、500 m3/667 m24個(gè)水平(W3為對(duì)照處理)，共灌水9次，其中萌芽展葉期1次，花果期3次，果實(shí)膨大期3次，果實(shí)成熟期2次，共設(shè)置12個(gè)小區(qū)，各小區(qū)長35 m，寬9 m，面積315 ，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)排列，3次重復(fù)，各處理、重復(fù)之間設(shè)置保護(hù)行。

根據(jù)當(dāng)年棗樹生長規(guī)律，將棗樹生育期分為了4個(gè)時(shí)期：萌芽展葉期(4月10日至5月17日)，花果期(5月18日至7月12日)，果實(shí)膨大期(7月13日至8月15日)，果實(shí)成熟期(8月16日至10月31日)。各生育期具體灌水情況見表2。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

(1)田間耗水量。根據(jù)水量平衡公式[17]計(jì)算駿棗每個(gè)生育期的田間耗水量：

(1)

式中：ET1-2為駿棗階段作物耗水量(mm)；i為土壤層次計(jì)數(shù)；n為土壤層次總數(shù)；ri為第i層土壤干容重(g/cm3)；Hi為第i層土壤厚度(cm)；Wi1、Wi2分別為第i層土壤在時(shí)段始和末的重量含水率(%)；M、K、P、C分別為時(shí)段內(nèi)的灌水量、地下水補(bǔ)給量、降水量和排水量(單位均為mm)。由于試驗(yàn)區(qū)地下水深度為4.0 m以下，無地下水補(bǔ)給量，因此K=0；又由數(shù)據(jù)監(jiān)測可知土壤含水率在深度150 cm以下基本無變化，故C=0；試驗(yàn)區(qū)位于極端干旱區(qū)，降雨量可忽略不計(jì)，P=0。因此，式(1)可化簡為：

(2)

灌溉水分生產(chǎn)率：

(3)

式中，IWUE為灌溉水分生產(chǎn)率(kg/m3)；Y為全灌區(qū)作物總產(chǎn)量(kg)；I為試驗(yàn)區(qū)總的灌溉用水量(m3/667 m2)。

(2)土壤含水率。采用土鉆法分層測定150 cm土體土壤含水率，每層深度為10 cm，各層依次取3個(gè)樣求其平均值，一次灌水取樣時(shí)間為灌水前一天和灌后24 h內(nèi)。

(3)ET0與作物系數(shù)。試驗(yàn)區(qū)設(shè)置小型氣象站，實(shí)時(shí)監(jiān)測氣溫、濕度等氣象數(shù)據(jù)。參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0由Penman-Monteith公式[18]計(jì)算：

(4)

式中：ET0為參考作物騰發(fā)蒸騰量(mm/d)；Rn為冠層表面凈輻射量[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；Δ飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa/℃)；γ為溫度計(jì)常數(shù) (kPa/℃)；T為2 m高度處日平均氣溫(℃)；u2為在地面以上2 m高處的風(fēng)速(m/s)；es為空氣飽和水氣壓(kPa)；ea為空氣實(shí)際水汽壓(kPa)。

作物系數(shù)為實(shí)測計(jì)算的作物耗水量(ET)與時(shí)段內(nèi)參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)的比值[19]，公式為：

(5)

式中：Kc為作物系數(shù)；ET為作物實(shí)際騰發(fā)量(mm)；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mm)。

(4)產(chǎn)量。果實(shí)成熟后，各處理隨機(jī)選取3棵棗樹，測其平均值作為這個(gè)處理?xiàng)棙涞漠a(chǎn)量，并折算到單位面積產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Origin 9．0繪圖，用SPSS 25．0和Excel 2007進(jìn)行對(duì)比分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水前后土壤含水率變化

土壤含水率是土壤墑情的一項(xiàng)重要指標(biāo)[20]，選取駿棗發(fā)育關(guān)鍵期即果實(shí)膨大期相鄰兩次灌水前后分析土壤水分變化情況(圖1)，因?yàn)?～100 cm深度土層為棗樹生長的主根區(qū)，故主要分析0～100 cm深度棗樹根系區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值變化。灌水前后各處理土壤含水率變化較大。W1處理灌水前與灌后土壤含水率相差2.82%，下一次灌水前土壤含水率比本次灌水前略小，差值為0.70%，說明W1灌水量較小，棗樹消耗量和田間土壤蒸發(fā)大，灌水后土壤水分一直被消耗，灌水量滿足不了棗樹消耗量，棗樹除消耗本次灌水量外還消耗了原本儲(chǔ)存于土壤中的少量水分；W2處理灌水前與灌后土壤含水率相差5.20%，下一次灌水前與本次差值為0.24%，兩次灌水前土壤含水率基本相等，說明灌水后下滲的水分基本被棗樹消耗和田間蒸發(fā)，W2灌水量較為合理；W3處理灌水前與灌后土壤含水率相差5.21%，下一次灌水前土壤含水率比本次大，差值為0.91%，說明W3灌水量大于棗樹生長發(fā)育的消耗量和田間土壤蒸發(fā)量，根區(qū)開始出現(xiàn)少量積水；W4處理灌水前與灌后土壤含水率相差5.64%，下一次灌水前土壤含水率比本次大1.38%，說明W4灌溉用水量遠(yuǎn)超駿棗消耗量和土壤蒸發(fā)量。4種處理灌水前后土壤含水率在110 cm以下變化不大，灌水對(duì)其影響較小，但都存在共同的趨勢：先在110～130 cm劇增，后在130～150 cm劇減，于130 cm左右達(dá)到最大值，說明試驗(yàn)地土層存在明顯的分層現(xiàn)象，土壤130 cm左右存在一個(gè)含水率極高的土層，其值最大可達(dá)田間持水率。

圖1 灌水前后土壤含水率變化Fig.1 Changes of soil moisture content before and after irrigation

2.2 生育期內(nèi)不同灌溉定額棗樹耗水規(guī)律

由表3可知，隨著灌溉定額的增加，耗水量逐漸增大，全生育期耗水量變化范圍為598.46～714.08 mm。各處理?xiàng)棙湓谟擅妊空谷~至果實(shí)成熟耗水強(qiáng)度變化趨勢一致，均呈現(xiàn)由低到高再降低的趨勢，各生育期耗水量平均值大小對(duì)比：萌芽展葉期<果實(shí)成熟期<果實(shí)膨大期<花果期。萌芽展葉期(4月中下旬至5月上中旬)耗水強(qiáng)度最小，各處理平均值為78.32 mm，氣溫較低，棗樹蒸騰耗水主要用于枝葉的伸展和發(fā)育，棵間蒸發(fā)較多；花果期(5月下旬至7月上旬)時(shí)段較長，氣溫開始升高，棗樹耗水強(qiáng)度逐漸升高并達(dá)到最大值289.38 mm，棗樹新梢、葉片、幼果生長加快，棗樹對(duì)水分比較敏感；果實(shí)膨大期(7月中旬至8月中旬)各處理耗水量平均值為180.31 mm，時(shí)段較短但此時(shí)期田間氣溫最高，棗樹耗水強(qiáng)度較花果期小，但駿棗在生長時(shí)依舊耗水較大；果實(shí)成熟期(8月中旬至10月下旬) 駿棗生長速度減緩，主要積累糖分，灌水量減小，耗水強(qiáng)度相應(yīng)減少為113.98 mm。耗水模數(shù)是棗樹每個(gè)生育期的耗水量占全生育期耗水量的百分比[8]?；ü跅棙浜乃?shù)最大42.47%～45.36%；果實(shí)膨大期次之，為25.89%～27.55%；果實(shí)成熟期為16.65%～18.31%；萌芽展葉期最小，為11.68%～12.1%。

2.3 駿棗生育期內(nèi)參考作物騰發(fā)蒸騰量與作物系數(shù)

2.3.1 參考作物騰發(fā)蒸騰量(ET0)變化 由圖2可知，根據(jù)Penman-Monteith公式計(jì)算的試驗(yàn)區(qū)參考作物騰發(fā)蒸騰量隨時(shí)間(2019年4月1日至10月31日)的變化，參考作物蒸發(fā)蒸騰量在駿棗全生育期內(nèi)隨時(shí)間變化表現(xiàn)為：先增加后減小，總體呈單峰型分布的特性，在其動(dòng)態(tài)變化過程中多次出現(xiàn)峰值，其中ET0在8月2日(果實(shí)膨大后期)達(dá)到最大值，為7.01 mm/d，在10月27日(果實(shí)成熟末期)降低到最小值，為1.57 mm/d。

表3 不同灌水處理下滴灌駿棗各生育期耗水量

參考作物騰發(fā)蒸騰量在萌芽展葉期、花果期、果實(shí)膨大期、果實(shí)成熟期的平均值分別為4.64、5.36、6.01、3.21 mm/d。分析為從4月上旬到5月中旬ET0值從3 mm/d左右增加到 6 mm/d附近，期間其值變化劇烈，起落明顯，這是由于氣溫逐漸升高，ET0不斷增大，試驗(yàn)區(qū)受陰天和沙塵天氣的影響較大；而從6月上旬至7月下旬，隨著溫度的上升，光照強(qiáng)度和太陽輻射增大，日照時(shí)間增長，ET0趨于穩(wěn)定，駿棗生長迅速；從8月上旬到10月下旬，隨著氣溫的下降，光照強(qiáng)度和太陽輻射減小、日照時(shí)間變短，ET0呈線性下降趨勢，其值從最高的7.01 mm/d降至最低的1.57 mm/d。

2.3.2 不同灌溉定額駿棗生育期內(nèi)作物系數(shù) 作物系數(shù)是作物與參考作物之間需水量差異性的反映，可用一個(gè)系數(shù)進(jìn)行綜合表示，它代表了作物生長狀況、作物產(chǎn)量高低水平、土壤的水肥情況等生物學(xué)特性，是確定作物騰發(fā)量的關(guān)鍵[19]。由表4可知，萌芽展葉期作物系數(shù)變化范圍為0.33～0.39；花果期作物系數(shù)變化范圍為0.85～1.07；果實(shí)膨大期作物系數(shù)變化范圍為0.80～0.94；果實(shí)成熟期作物系數(shù)變化范圍為0.44～0.47。各處理?xiàng)棙渖谧魑锵禂?shù)平均值(從萌芽展葉期到果實(shí)成熟期分別為0.36、0.97、0.88、0.46)都滿足先增加后降低的趨勢，并于生長旺盛時(shí)節(jié)(花果期)達(dá)到最大值0.97，棗樹在花果期和果實(shí)膨大期開花塑形和生長過程中需水量顯著增加，作物系數(shù)迅速增大，因此棗樹花期尤其是從盛花期到果實(shí)膨大期這一階段，合理匹配水資源是實(shí)現(xiàn)駿棗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

圖2 生育期內(nèi)參考作物騰發(fā)蒸騰量(ET0)變化Fig.2 Changes of ET0 during growth period

2.4 不同灌溉定額駿棗產(chǎn)量與灌溉水分生產(chǎn)率

灌溉水分生產(chǎn)率(IWUE)是指單位灌溉水量所能生產(chǎn)的農(nóng)作物的產(chǎn)量，它是衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和農(nóng)業(yè)用水科學(xué)性與合理性的重要指標(biāo)[21]。對(duì)不同灌溉定額駿棗產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果見表5。在產(chǎn)量方面，W2>W3>W1>W4，W1與W4差異不顯著，W1、W2、W3之間差異顯著。當(dāng)灌溉定額由380 m3/667 m2增加到420 m3/667 m2，駿棗產(chǎn)量增加55.39 kg/667 m2；當(dāng)灌溉定額由420 m3/667 m2增加到500 m3/667 m2，駿棗產(chǎn)量分別減少30.58、35.06 kg/667 m2；在灌溉水分生產(chǎn)率方面，W2>W1>W3>W4，灌水量越高，IWUE越小，W1與W2差異不顯著，其值相對(duì)較高且相近，分別為1.21和1.23，其余處理之間IWUE均表現(xiàn)為差異顯著，其中W4最低為0.90，IWUE小于1。

表4 不同灌水處理下滴灌駿棗各生育期作物系數(shù)

表5 不同灌水量下駿棗產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)率

根據(jù)分析結(jié)果，W2處理駿棗產(chǎn)量最高，為516.81 kg/667 m2，而灌溉水分生產(chǎn)率W1與W2相近，但W2產(chǎn)量比W1產(chǎn)量提高了12.0%，在該灌溉定額下，棗樹根區(qū)水分更有利于棗樹的生長，灌水量較為合理，且在根區(qū)不會(huì)產(chǎn)生過多積水，W4產(chǎn)量最低為451.17 kg/667 m2，其灌水量較大，不適于棗樹生長。由此可知，本試驗(yàn)條件下W2(420 m3/667 m2)駿棗產(chǎn)量收益最好。

對(duì)各試驗(yàn)處理的灌水量和產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合(圖3)，變化趨勢為拋物線型(R2=0.87，擬合較好)，即隨著灌水量的增加，產(chǎn)量先增加后減小，由灌水量與產(chǎn)量函數(shù)關(guān)系可知，灌水量在440 m3/667 m2左右時(shí)，可以達(dá)到較高的駿棗產(chǎn)量，這對(duì)今后的生產(chǎn)與試驗(yàn)有了指導(dǎo)作用。

3 討 論

基于滴灌條件下不同灌溉定額駿棗灌溉試驗(yàn)，土壤含水率隨著灌溉定額的增加在不斷變化，各處理?xiàng)棙湎牧坑兴煌?，W2灌水較為合理，駿棗消耗量與灌水量大致相等。棗樹各生育期耗水規(guī)律與棗樹的生長發(fā)育時(shí)期和天氣狀況息息相關(guān)[22]，花果期(5月18日至7月12日)是棗樹整個(gè)生育期最為關(guān)鍵的時(shí)期，棗樹生長發(fā)育消耗的水量最大，果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期次之，萌芽展葉期最小，這與葉含春等[23]、姚寶林等[24]的結(jié)論相一致。

圖3 灌水量與產(chǎn)量的關(guān)系Fig.3 Relationship between irrigation volume and yield

參考作物蒸發(fā)蒸騰量的變化反映了作物的生長情況，根據(jù)FAO推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算的ET0具有較強(qiáng)的實(shí)效性和精確性[25]，棗樹于花果期和果實(shí)膨大期ET0均值最大，其值變化較為明顯，受天氣影響較大。作物系數(shù)的變化與作物耗水量的變化基本一致，都是中間較高，兩頭較低，并于生長最旺盛時(shí)節(jié)(花果期)達(dá)到最大值，本試驗(yàn)各處理生育期平均值：萌芽展葉期為0.36，花果期為0.97，果實(shí)膨大期為0.88，果實(shí)成熟期為0.46，與王則玉[26]的灰棗研究(0.82，1.35，1.35，0.83)相比均小，但整體變化規(guī)律一致。造成差異的原因一是棗樹品種不同，二是由于試驗(yàn)區(qū)地理位置不同，造成氣溫、土壤環(huán)境狀況有所差異。

棗樹是耐旱性植物，一些學(xué)者[27-28]分別以不同灌水下限為試驗(yàn)因素，研究基于土壤水分下限情況下紅棗生長生理情況，發(fā)現(xiàn)適度降低灌水下限既可以促進(jìn)棗樹增長、提高產(chǎn)量和品質(zhì)，也能顯著提升棗樹的水分利用效率。王成等[29]指出，滴灌條件下，不論高水處理還是低水處理，都不利于紅棗的生長發(fā)育，而適宜灌水處理能改善紅棗生存條件，從而改善根區(qū)土壤水分環(huán)境狀況，提高產(chǎn)量。試驗(yàn)地一部分棗農(nóng)根據(jù)多年種植經(jīng)驗(yàn)將灌溉定額設(shè)為460 m3/667 m2，還有部分棗農(nóng)采用更高的灌水量，本試驗(yàn)條件下設(shè)置的4個(gè)灌溉定額，W1、W2相較W3(對(duì)照處理)節(jié)水17.39%，8.70%，W4灌水量比W3多8.70%，結(jié)合產(chǎn)量來看，高水(W4)與低水(W1)不利于紅棗生長，適宜灌水處理(W2)能獲得較高產(chǎn)量，這與王文娟[30]的結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

(1)灌溉定額為380 m3/667 m2時(shí)，灌水量較少，下一次灌水前土壤含水率比本次小0.70%，駿棗消耗量和土壤蒸發(fā)量大于灌水量；灌溉定額為420 m3/667 m2時(shí)，下一次灌水前與本次差值為0.24%，兩次灌水前土壤含水率基本相等，駿棗消耗量與田間蒸發(fā)量和灌水量相差不大，灌水量較為合理；灌溉定額為460、500 m3/667 m2時(shí)，灌水量較大，下一次灌水前土壤含水率均大于本次。

(2)不同灌溉定額駿棗生育期總耗水量變化范圍為598.46～714.08 mm。各處理駿棗在由萌芽展葉期至果實(shí)成熟期耗水強(qiáng)度變化趨勢一致，均呈現(xiàn)由低到高再降低的趨勢，各生育期耗水量比較：萌芽展葉期<果實(shí)成熟期<果實(shí)膨大期<花果期。果實(shí)膨大期和花果期耗水模數(shù)68.36%～72.91%。

(3)參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0先增加后減小，呈拋物線趨勢變化。作物系數(shù)：萌芽展葉期0.33～0.39，花果期0.85～1.07，果實(shí)膨大期0.80～0.94，果實(shí)成熟期0.44～0.47。其中處理2(420 /667 m2)作物系數(shù)分別為0.35，0.93，0.86，0.46，其產(chǎn)量最高(516.81 kg/667 m2)、灌溉水分生產(chǎn)率最大(1.23 kg/m3)，為本試驗(yàn)的最優(yōu)處理。