調(diào)虧灌溉對滴灌核桃樹土壤溫度及產(chǎn)量的影響

張紀圓，趙經(jīng)華，楊文新，姜有為，廖 康， 哈力旦木·吐爾迪，熱納古麗·庫爾班

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學林學與園藝學院，烏魯木齊 830052； 3.且末縣自然資源局紅棗科技推廣中心，新疆且末 841900)

0 引 言

【研究意義】新疆地處內(nèi)陸干旱區(qū)，降雨稀少，蒸發(fā)量大，也是典型的灌溉農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)用水占總水量的94%[1]。截至2017年底，新疆地區(qū)優(yōu)質(zhì)林果面積達到146×104hm2，核桃的種植面積達39.08×104hm2，主要集中在新疆南疆環(huán)塔里木盆地[2]，研究調(diào)虧灌溉對滴灌核桃樹土壤溫度及產(chǎn)量的影響。【前人研究進展】土壤溫度不但影響著土壤中化學反應(yīng)的類型和速率，而且影響光合作用、植物生長、微生物活動及有機物質(zhì)分解等[3-6]。隨著含水量變化，土壤溫度也隨之發(fā)生變化，兩者變化相互影響[7]。通過覆膜、覆蓋方式、耕作方式和灌水的不同來調(diào)控土壤溫度[8-11]，使作物在更適宜環(huán)境中生長。鄒惠等[12]研究了水分調(diào)虧對地下滴灌玉米水熱動態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)在土層深處地溫隨著水分虧缺度的增大而增大，輕度虧水獲得高產(chǎn)，中度虧水的水分利用效率最大?？厮畻l件下，當桃樹的土壤水勢在特定的數(shù)值下，各土層土壤溫度表現(xiàn)出一定的規(guī)律[13]。有研究用熱脈沖等技術(shù)研究土壤溫度，結(jié)果為單一的升溫或降溫[14]。適宜的水分虧缺促進棗樹增產(chǎn)，并提高水分利用效率[15]。葡萄抽蔓期和開花坐果期調(diào)虧研究發(fā)現(xiàn)，前者增產(chǎn)10.3%，而后者僅降低0.31%，不同生育期調(diào)虧最終產(chǎn)量各不相同[16]。【本研究切入點】目前關(guān)于調(diào)虧灌溉的研究特別多，多數(shù)為小麥、玉米、蔬菜等，但對核桃樹進行調(diào)虧灌溉的研究較少。研究調(diào)虧灌溉對滴灌核桃樹土壤溫度及產(chǎn)量的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】以新疆南疆阿克蘇核桃樹為材料，研究滴灌條件下調(diào)虧灌溉對土壤溫度、生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響，為選擇最優(yōu)灌溉制度提供參考，并為南疆滴灌核桃樹應(yīng)用調(diào)虧灌溉提供經(jīng)驗。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年3～11月在新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣紅旗坡農(nóng)場新疆農(nóng)業(yè)大學林果實驗基地進行，E80°14′，N41°16′，海拔1 133 m。位于天山南麓中段，周邊為阿克蘇和溫宿縣，屬于典型的溫帶大陸性氣候，多年平均太陽總輻射量544.115～590.156 kJ/cm2，年平均日照時數(shù)2 855～2 967 h，無霜期達205～219 d，年平均降水量42.4～94.4 mm，年平均氣溫11.2℃，年有效積溫為3 950℃。品種為溫185的核桃，樹齡9 a。在大田內(nèi)隨機選取5個位置，分層取土樣，按照美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地三角形篩分土粒。表1

表1 研究區(qū)土壤質(zhì)地組成Table 1 Soil texture composition of the study area

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置3個不同灌水量，共7個處理。3個不同灌水量分別為正常灌水ETC、輕度缺水75%ETC和中度缺水50%ETC。每個處理中選取長勢均勻的核桃樹3棵，即3次重復(fù)作為樣本。滴灌帶直徑為16 mm，滴頭間距0.5 m，滴頭流量3.75 L/h；每行樹布置2條滴灌帶，距樹兩側(cè)的0.5 m處。表2

表2 試驗設(shè)計Table 2 Test design

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 土壤溫度

在距樹50 cm處，土層為5、10、20、30、40 cm處布置MicroLiteU盤式溫度記錄儀，每30 min記錄1次數(shù)據(jù)。

1.2.2.2 SPAD值

采用SONY公司生產(chǎn)的手持式葉綠素指數(shù)儀測定。每顆樣本樹選擇4片樹葉作為固定樣本，4個方向各1片，在每片葉片3個不同位置各測1個值，最后取這3個數(shù)值的平均值為葉片的葉綠素指數(shù)。

1.2.2.3 果實體積

采用精度為0.01 mm的游標卡尺測量。在所選固定的樣本樹東西南北4個方向各取1個果實，3個重復(fù)，共12個果實，作為固定測量樣本。體積計算按橢球形公式計算。

1.2.2.4 果實產(chǎn)量

等核桃成熟時，數(shù)出固定樣本樹上的核桃顆數(shù)。每個樣固定樣本樹隨機抽取100顆，把核桃曬干后稱每顆核桃的干重以及出仁率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin2018和SPSS19.0進行繪圖，數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析，用LSD處理方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)虧灌溉對不同深度土壤溫度的影響

研究表明，在5 cm土層處，各處理在Ⅱ期調(diào)虧灌溉時，14:00時的土壤平均溫度存在顯著性差異。與W0處理相比，該生育期其他處理的土壤溫度均高于W0處理，W6處理的土壤溫度最高，W1、W2處理分別增加0.67%、1.86%；在Ⅲ期調(diào)虧時，與W0處理相比，W3處理降低了2.69%，W4增加4.50%。Ⅱ + Ⅲ期調(diào)虧灌溉時，W5處理增加8.92%和3.08%，W6處理增加23.50%和19.21%。在Ⅳ期，與W0處理相比，W6的溫度最大，增加了16.70%，W4次之，增加了3.63%。在Ⅴ期，W2降低了1.65%，W6處理則增加了15.07%。在Ⅵ期，W6處理依舊最大，增加了6.37%，W1的溫度最小，顯著降低7.00%。

各處理10 cm處，在Ⅱ期調(diào)虧灌溉時，土壤平均溫度存在顯著性差異，W0處理的土壤溫度最低，W6處理的土壤溫度最高，W1、W2處理分別增加了4.16%、4.64%；在Ⅲ期調(diào)虧時，與W0處理相比，W3處理降低了1.27%，W4增加了5.38%。Ⅱ + Ⅲ期調(diào)虧灌溉時，W5處理增加6.93%和4.44%，W6處理增加21.19%和20.75%。在Ⅳ期，各處理存在顯著性差異，W6處理的溫度最大，增加15.07%，W4次之，增加9.23%。在Ⅴ期，與W0處理相比，W3處理增加1.72%，W6處理則增加了9.14%。在Ⅵ期，W6處理依舊最大，與W0比較增加了7.16%，W2的溫度最小，顯著降低5.06%。

在Ⅱ期和Ⅲ期進行調(diào)虧，5和10 cm處土壤溫度變化類似。20、30和40 cm處土壤溫度與5、10 cm變化一致，僅有W3處理不同，在20、30和40 cm處，與W0處理相比分別增加0.71%、3.38%和4.11%。在Ⅳ期，20、30和40 cm處的變化相似，W6處理的溫度最大，與W0比較分別增加14.49%、19.33%和17.56%，W5次之，增加7.09%、9.48%和9.69%。20 cm處，在Ⅴ期，W6處理最大，與W0比較增加13.26%，W4的溫度最小，顯著降低2.09%。在Ⅵ期，與W0處理相比，W6處理依舊最大，相比W0處理增加8.82%，W5的溫度最小，顯著降低2.49%。30 cm處，在Ⅴ期和Ⅵ期，W6處理最大，與W0比較增加15.19%、5.36%，W1處理的溫度最小，顯著降低2.32%、7.03%。40 cm處，在Ⅴ期和Ⅵ期，W6處理最大，與W0比較增加13.39%、9.71%，W2次之，增加5.56%、6.66%。

在調(diào)虧生育期內(nèi)，調(diào)虧程度大，土壤溫度增加的幅度越大。這是由于土壤含水量降低的土壤溫度會偏高。全生育期內(nèi)，各土層土壤溫度變化趨勢表現(xiàn)為單峰，在Ⅳ期或者Ⅴ期溫度最高。核桃樹在Ⅱ期、Ⅲ期和Ⅳ期時，隨著土層深度的不斷增加，土壤溫度的趨勢表現(xiàn)為5 cm>10 cm>20 cm>30 cm>40 cm。核桃地的土壤溫度是由土層表面向土層深處傳遞，且隨著土層的增加土壤溫度變化幅度在降低。表3

2.2 調(diào)虧灌溉對各層灌水前后土壤溫度的影響

研究表明，調(diào)虧灌溉期間各生育期，不同土層灌水前后土壤溫度日變化。各層土壤溫度都隨時間的變化呈近似三角函數(shù)，0～20 cm的土壤日溫度變化波動較為劇烈，幅度大于20～40 cm的變化幅度，土壤溫度的變化情況可分為下降和上升2個階段。各處理的0～20 cm的最低土壤溫度出現(xiàn)在10:00～11:00，最高在20:00～21:00。各處理在20～40 cm處，灌水前后的調(diào)虧程度越大，土壤溫度越高。

Ⅱ期調(diào)虧灌溉時各層土壤灌水前后的土壤溫度日變化，灌前(5月4日)和灌后(5月6日)。0～20 cm土壤溫度變化幅度較大，灌水前變化幅度為1.87℃，灌后變化幅度為3.55℃。W0處理的灌水前土壤溫度在02:00～12:00比其他處理都低，在13:00～23:00期間卻比其他處理都高。在20:00達到1 d的最高。灌水前平均土壤溫度的大小依次為W2>W1>W0。灌后，各處理的土壤溫度分別降低了2.0%～7.3%、0.5%～6.7%、2.0%～9.8%，W1處理溫度變化最小，W2處理溫度變化最大。灌后日平均土壤溫度表現(xiàn)為W0>W1>W2。20～40 cm土壤溫度整體在降低，變化幅度比0～20 cm較為平緩。W0、W1、W2處理灌后土壤溫度分別降低了0.7%～3.2%、0.3%～2.3%、0.5%～9.7%。灌后W2處理高于其他處理。圖1

表3 各處理不同土層深度14:00土壤溫度Table 3 Different soil layers with different treatment depths 14:00 Soil temperature

(a) 0～20 cm (b) 20～40 cm

研究表明，Ⅲ期調(diào)虧灌溉時各層土壤灌水前后的土壤溫度日變化，灌前(5月19日)和灌后(5月21日)。0～20 cm土壤溫度變化波動劇烈，灌水前變化幅度為3.13℃，灌后變化幅度為3.84℃。灌前，W0處理的灌水前土壤溫度在00:00～12:00比其他處理都高，在12:00～23:00期間卻比W4處理低，比W3處理高。各處理在18:00時溫度開始下降，由于天氣變化，氣溫降低引起。灌后，W3處理低于W0和W4處理，在12:00～23:00期間W4處理高于其他處理。W0、W3、W4處理灌后土壤溫度分別降低了5.6%～18.1%、3.8%～17.5%和2.4%～15.8%。20～40 cm處的土壤溫度整體下降，變化趨勢平緩。W0、W3、W4處理灌后的土壤溫度分別降低了5.7%～8.4%、6.7%～8.8%、6.7%～8.5%。灌水前與灌水后的日平均土壤溫度大小均為W4>W3>W0處理。圖2

Ⅱ + Ⅲ期調(diào)虧灌溉時各層土壤灌水前后的土壤溫度日變化，灌前(5月24日)和灌后(5月26日)。0～20 cm土壤溫度變化情況。土壤溫度變化波動較大，灌水前變化幅度為6.22℃，灌后變化幅度為7.89℃。灌前，W5和W6處理明顯大于W0處理，相差在0.66～1.45和3.05～4.87℃。同樣灌水后的W5、W6高于W0處理0.66～1.35和2.55～4.38℃。灌后W0、W5、W6處理的土壤溫度分別降低了2.1%～6.9%、1.2%～7.9%、4.2%～9.6%。20～40 cm土壤溫度變化趨勢平緩。灌水前后土壤溫度差異不明顯，灌水前與灌水后的日平均土壤溫度大小均為W6>W5>W0處理。灌前， W5和W6處理明顯大于W0處理，相差0.90～1.02和3.44～3.68℃。灌后W5、W6高于W0處理0.55～1.01和2.43～2.92℃。圖3

(c) 0～20 cm (d) 20～40 cm

(e) 0～20 cm (f) 20～40 cm

2.3 調(diào)虧灌溉對核桃樹生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響

2.3.1 調(diào)虧灌溉對核桃葉片SPAD值和果實體積的影響

研究表明，核桃樹葉片SPAD值隨著生育期的推進呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。Ⅱ期到Ⅲ期由于葉片不斷的生長，SPAD值的增加最為迅速，Ⅲ期到Ⅴ期葉片的生長趨于穩(wěn)定至停止生長，則SPAD值的增加比較平緩，Ⅵ期時，葉片衰老變黃SPAD值降低。Ⅱ期調(diào)虧期間，W0、W1和W2處理的SPAD值依次為41.89、45.96和44.46，W1、W2處理的輕度調(diào)虧在該期間高于W0處理9.72%和6.14%。Ⅲ期調(diào)虧期間，W0、W3和W4處理的SPAD值依次為47.64、48.17和47.30，W3處理的在該期間高于W0處理。Ⅱ + Ⅲ期調(diào)虧期間，W5和W6處理的SPAD值均高于W0處理。在Ⅱ期和Ⅲ期的輕度調(diào)虧，有利于SPAD值的增大。Ⅱ + Ⅲ期同時調(diào)虧效果最佳。圖4

圖4 調(diào)虧灌溉下核桃葉片的SPAD值Fig.4 SPAD value of walnut leaves under regulated deficit irrigation

研究表明，在果實生長過程中，果實體積在Ⅲ期到Ⅳ期生長速率最大，后期趨于平緩。隨著調(diào)虧程度的增加，果實體積在減小。果實體積大小表現(xiàn)為W1>W2>W0>W4>W6>W5>W6處理。Ⅱ期水分虧缺后，W0、W1和W2處理在Ⅲ期測得果實體積為13.36、16.02和14.65 cm3。Ⅲ期調(diào)虧灌溉后發(fā)現(xiàn)，W0、W3和W4處理在Ⅳ期果實體積大小依次為56.04、53.47和54.04 cm3。Ⅱ + Ⅲ期調(diào)虧期間，W0、W5和W6處理在Ⅴ期體積大小依次為61.29、57.52和54.34 cm3。在Ⅲ期，由于是需水關(guān)鍵期，較少灌水會嚴重影響果實發(fā)育。Ⅱ期和Ⅲ期進行不同水分虧缺，因在Ⅲ期對果實生長影響較大，故果實體積也會減小。圖5

圖5 調(diào)虧灌溉下核桃樹果實體積變化Fig.5 Changes of walnut tree fruit volume under regulated deficit irrigation

2.3.2 調(diào)虧灌溉對核桃樹產(chǎn)量的影響

研究表明，W1處理核桃產(chǎn)量最高，為4 150.70 kg/hm2。與W0處理相比，W1處理的產(chǎn)量增加7.11%，W2、W3處理無顯著差異，W4、W5、W6處理顯著降低5.77%、8.79%、15.5%。除去Ⅱ期輕度調(diào)虧，其余的水分虧缺處理對產(chǎn)量有負影響。W0處理全生育期耗水量最大，為461.34 mm，其余水分調(diào)虧處理均顯著降低。W1、W2、W3、W4處理間無顯著性差異，W5、W6處理顯著降低27.45、44.55 mm。Ⅱ期輕度水分虧缺的WUE最大為9.25 kg/(hm2·mm)，Ⅱ + Ⅲ期中度調(diào)虧最小為7.86 kg/(hm2·mm)。表4

表4 調(diào)虧灌溉下核桃產(chǎn)量和WUE變化Table 4 Walnut yield and water use efficiency under regulated deficit irrigation

3 討 論

在葡萄生長過程中，土壤溫度因灌水的多少引起變化，從而影響著根系的發(fā)展、果實的生長發(fā)育和正常的營養(yǎng)吸收[17，18]。通過地溫的變化規(guī)律，了解核桃的需水規(guī)律以及調(diào)虧灌溉下滴灌核桃樹的生長發(fā)育，確定最佳灌水模式是非常有必要的。大多試驗都是通過覆蓋物來提高土壤溫度，且具有明顯的增溫作用，促進作物生長[19, 20]。對照處理地溫最高，低水處理溫度最低，高水和中水處理居中，且不同的水分處理在5～25 cm土層中在不同程度上有增溫的作用[8]。試驗進行調(diào)虧灌溉的生育期，在0～40 cm的土層中同樣有不同程度的增溫效果。核桃在不同水分處理下，土壤溫度在各生育期都是先增加后減小，油脂轉(zhuǎn)化期最大，灌前土壤溫度大于灌后[21]。研究結(jié)果顯示各層土壤溫度呈單峰曲線，結(jié)果一致，但不都是在Ⅴ期達到最高溫度。

葉綠素在光合作用中有著重要的作用，水分虧缺對其有著顯著影響，但結(jié)果卻不相同。周罕覓[22]和曾化偉[23]等認為增加灌水可以提高蘋果葉片的葉綠素含量。李磊[24]結(jié)果表明，釀酒葡萄在坐果期到果實膨大期進行調(diào)虧灌溉有利于SPAD值的增加。沈媛媛[25]在研究核桃葉片SPAD值的影響時發(fā)現(xiàn)，無論是盆栽核桃還是大田核桃，輕度和中度脅迫的SPAD值都高于對照組，且隨著水分脅迫的增加葉片SPAD值在逐步降低，此研究結(jié)果與此相似。許多研究表明，進行水分虧缺處理從而影響果實體積和單果重，直接影響產(chǎn)量[26-28]。鐘韻等[29]在涌泉根灌條件下對蘋果樹進行水分虧缺，發(fā)現(xiàn)在Ⅱ期調(diào)虧增大果實體積，Ⅲ期調(diào)虧減小果實體積；在Ⅱ期進行水分調(diào)虧發(fā)現(xiàn)顯著增產(chǎn)同時提高水分利用效率，與該試驗結(jié)論一致；并且Gucci等[30]認為在果樹Ⅱ期進行合適的水分調(diào)虧能增產(chǎn)，水分虧缺度提高導致減產(chǎn)。

4 結(jié) 論

4.1調(diào)虧處理使土層有明顯的增溫作用，同時水分虧缺越大增溫越大，開花坐果期調(diào)虧更有益于土壤溫度的穩(wěn)定。

4.2全生育期內(nèi)核桃地土壤溫度的變化趨勢分2個階段，即先上升后降低，在硬核期或者油脂轉(zhuǎn)化期為最大值。在油脂轉(zhuǎn)化期之前，土壤溫度隨著土層深度的增加，土壤溫度在逐漸降低，排序為5 cm>10 cm>20 cm>30 cm>40 cm。

4.3調(diào)虧灌溉可以提高葉片SPAD值，開花坐果期進行調(diào)虧灌溉促進果實體積增大。調(diào)虧灌溉對果實產(chǎn)量有顯著影響，在開花坐果期輕度缺水時產(chǎn)量最大，水分利用效率最高。