陕北黄土高原枣树需水规律与灌溉需水量研究

何振嘉 ，董起广，杨 凯，傅渝亮，费良军

(1.陕西省土地工程建设集团，西安 710075；2.西安理工大学水资源研究所，西安 710048)

0 引 言

陕北黄土高原干旱少雨，水资源严重短缺，人均水资源量、单位面积平均水资源量分别不足全国平均水平的1/3和1/5[1]，低于国际社会公认的最低需水线，属于资源性严重缺水地区。枣树是陕北黄土高原区的传统经济林树种，近年来佳县、清涧、延川等县红枣产业发展迅速，已成为当地林业产业的重要支柱。在这种气候条件下，研究非充分灌溉条件下枣树的需耗水规律对于优化枣树灌溉制度，提高水资源利用效率有着重要的意义。国内外学者对果树的需水规律研究较多，对枣树的研究也有一定进展[2-5]，胡永翔研究了陕北充分灌溉滴灌枣树的需水规律和作物系数，魏群等研究了不同保墒条件下不同灌溉制度下枣树的耗水规律，但是，就陕北黄土高原这种独特气候下，非充分灌溉枣树的作物需水规律，尤其灌溉需水量却鲜有报道。另外，通常所作研究仅就试验年份进行分析，或仅根据多个气象站的长系列气象资料对作物进行需水量或灌溉需水量的统计分析[6-9]，而本文不仅分析了2009-2013年的试验结果，同时结合当地35 a气象资料进行了不同水文年份作物的需水规律研究，探讨了作物需水量和灌溉需水量的年际变化趋势，为制定陕北黄土高原区枣树的灌溉制度提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2009-2013年在陕西省榆林市米脂县山地微灌枣树示范基地进行。试验区地理位置为东经109°49′～110°29′，北纬37°39′～38°5′，气候属暖温带半干旱气候，全年干旱少雨，气候干燥，蒸发强烈，多年平均降水量451.6 mm，全年降水分布极不均匀，7-9月份降雨约占全年降水量的50%～60%，多年平均水面蒸发为1 574 mm。该地区四季分明，日照充沛，昼夜温差大，适宜枣树生长。试验田枣树株行距为2 m×3 m，田间密度为1 665 株/hm2。土壤以黄绵土为主，计划湿润层0～80 cm，土壤的平均容重为1.35 g/cm3，田间持水量为24%(占干土重百分数)，pH为8.6，土壤偏碱性，土壤养分较为贫瘠。试验田土壤颗粒级配组成见表1。气象资料包括由西北农林科技大学米脂试验站提供的2009-2013年的逐日气象资料和米脂气象局提供的1971-2005年的逐日气象资料。

表1 试验土壤颗粒级配组成表Tab.1 Soil particle distribution list

1.2 试验设计

试验时间为2009年4月至2013年10月，试验对象为多年生梨枣树，共一个处理，每个处理3个重复。该处理把计划湿润层(80 cm)的土壤含水率下限设为田间持水量的60%，在枣树计划湿润层达到土壤含水率下限时进行灌水，灌水上限为田间持水量的80%，灌溉水量只需满足枣树1/4根系的需水即可满足果树生长需求，从而确定枣树灌水定额为80 L/棵，即135 m3/hm2。

本试验对气象因子、土壤水分以及生理指标进行测定，其中包括：用烘干法测定枣树土壤含水率，土壤水分测定深度100 cm，每层10 cm，共10层。在整个生育期内，每10 d测定一次，灌水前后、降雨前后加测。作物需水量采用水量平衡方程计算，据实测相邻两次根系层土壤含水率以及其间的灌水量和降水量资料，计算出作物在各生育阶段的需水量，即：

ET=ΔW+P+I+G-D

(1)

式中：ET为阶段需水量，mm；P为时段内降雨量，mm；I为时段内灌水量，mm；G为时段内地下水补给量，mm；D为时段内深层渗漏量，mm；ΔW为时段内土壤储水量变化，mm；γi为第i层的土壤干容重，g/cm3；Hi为第i层的土壤厚度，cm；θi1、θi2分别为第i层土壤计算时段始、末的含水量(以占干土重的百分率%计)。

本文试验条件下，因试验区地下水深度较深，故无地下水补给，G=0；灌水引起深层渗漏很小，D=0。因此，式(1)变为：

ET1-2=I+ΔW+p=I+10∑γiHi(θi1-θi2)+P

(2)

利用式(2)可计算出枣树生育期各个生育阶段的需水量 (mm)。根据实际观测的各生育期出现的时间，可计算出其日需水强度R(mm/d)。

作物系数采用联合国推荐的单作物系数法，根据作物需水量及由国内外最通用的FAO和ICID于1990年推荐的FAO Penman-Monteith公式计算出参考作物蒸发蒸腾量ET0，以二者的比值得到不同阶段的作物系数Kc。

1.3 数据获取

枣树生育期在年际间有差异，萌芽期在4月底5月初，开花期为6月初至7月中旬，果实膨大期在7月下旬至9月上旬，成熟期在9月中旬至10月初。据此，为便于定量分析不同年份枣树的降雨量和需水量，统一将枣树的生育期划分为，萌芽展叶期(5月1日-5月31日)、开花坐果期(6月1日-7月15日)、果实膨大期(7月16日-9月10日)和果实成熟期(9月11日-10月10日)。萌芽期、开花期、膨大期、成熟期分别为31，45，57，30 d，共163 d。生育期内有效降雨除考虑萌芽至成熟期外，同时将4月21日到4月30日内的降雨也作为有效降雨，以便充分利用降雨资源。有效降雨量计算采用公式(3)：

P0=σP

(3)

σ为降水有效利用系数，当P≤5 mm时σ=0，当5 mm100 mm时，σ=0.8。

由米脂1971-2005年逐日的气象资料求出逐年枣树生育期内的有效降雨量，将历年生育期内的有效降雨量按由大到小的顺序排列，采用皮尔逊-Ⅲ型分布曲线，利用配线法算出枣树生育期内有效降雨的理论频率曲线，据此分析设计水平年偏丰年P=10%，丰水年P=25%，平水年P=50%，枯水年P=75%，偏枯年P=90%等不同水文年的有效降雨量。

作物需水量，可以直接反应作物对水分的消耗情况。由试验地米脂县1971-2005年35 a的气象资料，包括逐日平均温度、最高温度、最低温度、平均相对湿度、平均风速、日照时间、降雨量，根据彭曼公式，推求出35 a的逐日参考作物需水量，并按2009-2013年的平均各剩余阶段的作物系数，求出枣树各生育阶段的需水量，再累加得到全生育期作物需水量。枣树的灌溉需水量IR，即降雨满足不了枣树作物需水量时需要给枣树的补充灌溉量，为枣树需水量和有效降雨量的差值，它能直观的表示枣树的水分亏缺程度。并定义枣树的有效降雨量与同时期作物需水量的比值为枣树的自给率i，即当i≥1时，说明枣树仅靠降雨就能满足其作物需水量，不需灌溉。由此确定试验年份和1971-2005年各生育阶段和整个生育期的作物灌溉需水量和自给率。由1971-2005年历年生育期的作物需水量和灌溉需水量资料，同样采用皮尔逊-Ⅲ型分布曲线，得到枣树的作物需水量和灌溉需水量的理论频率曲线，分析设计水平年偏丰年P=10%，丰水年P=25%，平水年P=50%，枯水年P=75%，偏枯年P=90%等不同水文年的作物需水量和灌溉需水量。注意的是，灌溉需水量与作物需水量和有效降雨量不同，需按由小到大的顺序排列计算。

2 结果与分析

2.1 枣树生育期有效降雨量

对米脂1971-2005年35 a内的气象资料统计分析可得，枣树生育期内有效降雨量的多年平均值为303 mm，其中萌芽展叶期为30.1 mm，开花坐果期87.7 mm，果实膨大期148.4 mm，果实成熟期36.7 mm，分别占全生育期平均有效降雨量的9.93%，28.94%，48.98%，12.11%。果实膨大期有效降雨量比重最大，主要由于膨大期处于7月份中旬至9月上旬，而陕北地区年降雨的50%～60%都分布在7-9月份。表3给出了多年枣树生育期内有效降雨量理论频率曲线分析结果，丰水年与平水年、平水年与枯水年的差值分别为68.1、48.2 mm，而偏丰年与平水年，平水年与偏枯年的差值分别为140.9、77.3 mm。

表2 枣树生育期有效降雨量Pe的频率分析结果 mmTab.2 Average annual effective rainfall Pe in growing period

试验年份2009-2013年内生育期的有效降雨量分别为296.6，215.27，424.28，419.6，437.6 mm，可知，除2009年属于平水年、2010年属于枯水年，其余年份均属于丰水年，且均已到达或接近偏丰年。

2.2 枣树生育期内参考作物蒸发蒸腾量的变化

2009-2013年枣树生育期内参考作物蒸发蒸腾量(ET0)随时间的变化规律比较一致，以2010年为例，如图1。在枣树生育期内呈中间高两头低的特性，并且峰值部分的位置比较靠前，虽然5月气温不是很高，日照时数也不是很长，但试验地区5月常有大风天气，造成参考作物蒸发蒸腾量的数值较高。6月份的月平均参考作物蒸发蒸腾量最高，尽管6月份平均气温、风速、均不是最高，但平均日照时数最长，造成其参考作物蒸发蒸腾量在这5个月里最高。7、8、9月份平均参考作物蒸发蒸腾量逐渐降低，具体来看，随着气温的逐步增加，7月份的月平均参考作物蒸发蒸腾量为3.3 mm/d，仍保持在一个较高的数值。8月份之后，由于降雨增多，太阳辐射强度降低，参考作物蒸发蒸腾量降到2.6 mm/d，而9月份温度较低，日照时数较少，参考作物蒸发蒸腾量降低到最低值，1.84 mm/d。

2.3 枣树生育期内需水量与作物系数

在黄土高原特有的气候条件、土壤条件和密植矮化栽培条件下，枣树在非充分滴灌条件下，5 a平均需水量为367.97 mm(表3)，平均日耗水强度为2.37 mm/d。整个生育期中，需水量由多到少依次是果实膨大期，开花坐果期，果实成熟期，萌芽展叶期，整个生育期呈现出两头小，中间大，且峰值相对靠后，这与ET0的分布规律刚好不同。萌芽展叶期枣树需水量及需水强度最小，主要由于萌芽展叶期枣树刚开始发芽，叶面积指数较小，而作物主要通过叶片蒸腾耗水，且5月温度较低，所以此时耗水较小。而进入开花坐果期后，气温逐渐升高，日照时间增长，叶面积指数也随着增大，枣树开始进行生殖生长，生理活动剧烈，作物的需水量也不断增长，需水强度增长为2.79 mm/d。但至果实膨大期，营养生长与生殖生长为整个生育期最活跃的阶段，叶面积指数增至最大，叶面蒸腾作用强烈，果实处于快速膨大期，需水量与需水强度达到峰值。果实成熟期处于多雨季节，气温降低，蒸发减弱，叶面积指数开始回落，枣树果实生长基本停止，所以需水量降低至52.38 mm。

多年平均作物系数分别为萌芽展叶期0.43，开花坐果期0.82，果实膨大期1.09，果实成熟期0.98。这与胡永翔研究的充分滴灌下的作物系数0.496，0.681，1.262，0.944相比均较小。作物系数在整个生育期的变化趋势和需水量相似，也是两头低，中间高，峰值相对靠后。但原因却并不完全相同，萌芽展叶期作物系数较低主要是由于5月常有大风天气，参考作物蒸发蒸腾量较大，而需水量相对较小，故作物系数为全生育期最低值。2009年属于平水年，各生育期作物系数分别为萌芽展叶期0.43，开花坐果期0.82，果实膨大期1.09，果实成熟期0.9，平均整个生育期为0.81；2010年属枯水年，各生育期对应作物系数分别为0.42，079，1.04，0.85，整个生育期为0.78；2011-2013年均为偏丰年，3 a平均各生育期对应作物系数分别为0.43，0.82，1.13，0.93，整个生育期为0.83。

2.4 枣树的灌溉需水量和降雨自给率

2009年到2013年灌溉需水量与自给率见表4、5，从表中可以看出，2011-2013年(偏丰年)枣树整个生育期自给率均达到1以上，2009年(属平水年)和2010(属枯水年)整个生育期自给率分别为0.83，0.61。2009-2013年果实膨大期自给率均为1左右，果实成熟期自给率除了2011年低于0.5，其余也均接近或超过1。2011-2013年的萌芽展叶期和开花坐果期及果实膨大期的自给率均达到1左右，果实成熟期的自给率在0.46～1.88之间，年际差异较大。2009，2010年，萌芽展叶期和开花坐果期的自给率均较小，2010年萌芽展叶期和开花坐果期的自给率相近，但由于这两个时期需水量有较大差异，故它们的灌溉需水量分别为30.22，54.72 mm，差别较大。

表3 2009-2013平均需水量和作物系数Tab.3 Average annual water requirement and crop coefficient

表4 不同时期枣树灌溉需水量 mmTab.4 Irrigation requirement of jujube in different period

表5 不同时期枣树自给率iTab.5 Self-sufficiency rate of jujube in different period

由于试验年份有限，2009年为平水年，2010年为枯水年，2011-2013年均为偏丰年，为分析不同水文年份如丰水年，偏枯年等枣树的需水规律，有必要对试验地区多年的气象资料进行分析。分析结果见表6和表7。枣树生育期多年平均参考作物蒸发蒸腾量为469.3 mm，其中萌芽展叶期为52.9 mm，开花坐果期153.4 mm，果实膨大期206.2 mm，果实成熟期为56.9 mm。枣树生育期多年平均需水量为469.3 mm，合2.9 mm/d，其中萌芽展叶期、果实成熟期较小，分别为52.9 mm， 56.9 mm，占全生育期的11.3%，12.1%，折合为1.7 mm/d，1.9 mm/d。果实膨大期需水最多，为206.2 mm，占全生育期的43.9%，折合3.6 mm/d，开花坐果期需水量次之，为153.4 mm，占全生育期的32.7%，折合3.4 mm/d，由此可见，开花坐果期与果实膨大期均为枣树的需水关键期。对试验地区多年的统计资料分析得到，不同生长时期枣树的灌溉需水量的多年平均值分别为，萌芽展叶期22.8 mm，开花坐果期65.6 mm，果实膨大期57.8 mm，果实成熟期20.2 mm，整个生育期灌溉需水量的多年平均值为166.3 mm。

表6 枣树灌溉需水量和自给率的多年平均统计结果Tab.6 Average annual jujube water requirement ETc andself-sufficiency rate in different growth period

表7 枣树生育期作物需水量和灌溉需水量的频率分析结果 mmTab.7 Frequency analysis results of jujube water requirement ETc and jujube irrigation requirement IR

注：CV，CS分别为枣树生育期频率分析对象(需水量和灌溉需水量)的变差系数和偏态系数，无量纲。

研究区域枣树的需水量和灌溉需水量的频率分析结果见表7，作物需水量在不同的设计水平年的范围为414.4～532.2 mm，偏丰年、丰水年、平水年、枯水年、偏枯年枣树需水量分别为532.2、499、463.2、435.2和414.4 mm，平水年、枯水年、偏枯年差值20 mm左右，偏丰年、丰水年、平水年差值大于30 mm。枣树灌溉需水量在不同的设计水平年份间变化较大，偏丰年、丰水年、平水年、枯水年、偏枯年分别为17.3、88.3、166.3、247.5、315.4 mm。偏丰年的灌溉需水量很小，全生育期仅17.3 mm，丰水年的灌溉需水量为88.3 mm。观察多年的灌溉需水量的年内分布发现，萌芽展叶期的灌溉需水量受丰水年、平水年、枯水年的影响较小，其灌溉需水量在不同的设计水平年的变化幅度分别为，丰水年及偏丰年在-16.35～47.23 mm之间，平水年在-70.29～60.83 mm之间，枯水年及偏枯年在26.47～46.46 mm之间。 观察多个偏丰年及丰水年年份的需水量的年内分布，发现偏丰年及丰水年枣树的缺水也会发生在开花坐果期或果实膨大期，但通常只有其中的一个时期比较缺水，另一个时期雨水则出现较多富余，如1978年开花坐果期和果实膨大期灌溉需水量分别为103.5，-279.1 mm，1981年分别为-131.3，121.2 mm，或者这两个时期全都不缺水，果实成熟期雨水则相对充裕，其变化范围为-53.4～34.1 mm。但是，果实成熟期适当缺水对枣树生长影响不大，可在一定程度上改善果实品质，并且可以较显著地降低枣树坏果率[10]，因此，在水资源相对短缺的陕北地区，偏丰年及丰水年也需在开花坐果期或者果实膨大期做适当补充灌溉，以弥补由于陕北地区降雨年内分布不均对枣树造成的减产，若萌芽展叶期缺水严重，也需同时在萌芽展叶期期适当补灌。统计多个平水年年份的灌溉需水量的年内分布，发现枣树在平水年开始出现在4个时期同时缺水的情况，以及在开花坐果期和果实膨大期两个需水关键期中至少有一个时期缺水的情况，因此在平水年，必须对枣树实施补充灌溉，其补灌的时期选择在萌芽展叶期以及开花坐果期或果实膨大期。在枯水年及偏枯年，枣树在4个时期均缺水，很少再出现某一剩余期雨水富余的情况，尤其是在一般不缺水的果实成熟期，也出现缺水。缺水严重的是需水关键期，两个时期总灌溉需水量在250 mm左右，亏水严重，萌芽展叶期灌溉需水量在29～46.46 mm之间，果实成熟期灌溉需水量在0.01～77.49 mm之间，变化幅度较大。说明在枯水年及偏枯年，需要在4个时期均进行不同程度的灌溉，以保证作物正常生长。

2.5 枣树作物需水量与气象因子的关系

采用SPSS软件，对枣树生育期的作物需水量和各气象因素进行了偏相关性分析(结果见表8)，可知，枣树在黄土高原这种特有的气候下，其作物需水量与平均风速和日照时数呈极显著的正相关关系，与平均气温、平均最高气温、平均最低气温呈不显著的正相关关系，与降雨呈显著的负相关关系。由于陕北地区枣树不同生育阶段的气候各有特点，萌芽展叶期常有大风，开花坐果期与果实膨大期日照时数较长，温度较高，果实成熟期多降雨且温度较低，故有必要对不同的生育阶段作物需水量与同期的气象因子进行相关性的分析。分阶段分析发现，4个时期作物需水量与同期的平均风速、日照时数仍呈极显著的正相关关系，相关系数在0.740～0.976之间，与平均最低气温呈不显著的正相关关系，与平均相对湿度呈显著的负相关关系，相关系数在-0.722～-0.477之间，与降雨除萌芽展叶期外，均呈不显著的正相关关系，与平均气温则为前两个时期是不显著的负相关，后两个时期为不显著的正相关。就整体来看，枣树作物需水量与平均风速和日照时数呈极显著的正相关关系，与其余各气象因子相关性并不显著。对黄土高原区枣树需水量影响显著的因子的顺序为，平均风速稍微大于日照时数。用作物需水量和影响显著的因子建立多元线性回归方程，结果见表9。

表8 枣树需水量与各气象因子的偏相关系数和显著性Tab.8 Partial correlation coefficient between jujube water requirement and weather factors and significance

表9 枣树需水量与影响显著的气象因子建立的多元线性回归方程Tab.9 Multi-regression equation between jujube water requirementand significant weather factors

用2009-2013年的气象数据代入线性方程，通过回归方程计算的模拟值与通过彭曼公式和作物系数计算出的实测值的曲线见图2，可见，不同时期模拟值均比实测值非常接近，2010，2011，2012年各模拟值均比实测值略高，这与这3 a的气象条件有关。各个时期线性回归方程的模拟相对误差在-4.6%～9.7%之间，说明所建立的模型具有较高的精确性。

图2 枣树作物需水量模拟值与实测值Fig.2 Simulated and measured values of jujube water requirement

3 结果与讨论

本文基于2009-2013年5 a的需水量试验以及35 a的当地气象资料的分析，通过试验年份求得的不同年份的作物系数的平均值，采用Penman-Monteith 公式和作物系数法确定枣树需水量和灌溉需水量，通过频率分析确定不同水文年枣树生育期的有效降水量、需水量和灌溉需水量。分析结果表明：

(1)枣树试验年份(2009年-2013年)分别属于平水年、枯水年及偏丰年，5 a的平均作物系数分别为0.43，开花坐果期0.82，果实膨大期1.09，果实成熟期0.98。整个生育期中，需水量由多到少依次是果实膨大期，开花坐果期，果实成熟期，萌芽展叶期，整个生育期呈现出两头小，中间大，且峰值相对靠后。

(2)1971-2005 a枣树生育期有效降雨量、需水量和灌溉需水量的多年平均值分别为303、469.3和166.3 mm，自给率平均为0.65。频率分析表明偏丰年P=10%、丰水年P=25%、平水年P=50%、枯水年P=75%、偏枯年P=90%的棉花生育期有效降水量分别为424.8、352、283.9、235.7和206.6 mm，需水量分别为532.2、499、463.2、435.1和 414.4 mm，灌溉需水量分别为 17.3、88.3、166.3、247.5和315.4 mm。

(3)陕北枣树作物需水量主要与日照时数和风速呈极显著的正相关关系，各生育阶段多年需水量与其影响显著的气象因子建立的多元线性拟合方程，应用到试验年份2009-2013年，拟合效果较好。

通过上面的分析，做如下建议，丰水年可只在枣树开花坐果期或果实膨大期少量补灌，或者不灌，而平水年和干旱年则需在开花坐果期和果实膨大期均进行适当灌溉。枯水年还需看情况在枣树的果实成熟期进行适当灌溉。虽然试验年份包括了3个不同的水文年，但是试验时间相对较短，在这5 a试验的基础上继续研究枣树在不同年份的需水规律和作物系数以及在不同的水文年份的年内分配问题，仍是接下来研究的重点。

[1] 邢清枝，任志远，王丽霞，等.基于生态足迹法的陕北地区水资源可持续利用评价[J]．干旱区研究，2009，26(6):793-798.

[2] 魏 群，费良军. 陕北山地滴灌枣树耗水规律与作物系数研究[J].亚热带水土保持，2012,(4):12-16.

[3] 胡永翔，李援农，张 莹.黄土高原区滴灌枣树作物系数和需水规律试验[J].农业机械学报，2012,(11):87-91,79.

[4] 张振华，蔡焕杰，杨润亚，等.沙漠绿洲灌区膜下滴灌作物需水量及作物系数研究[J].农业工程学报，2004,(5):97-100.

[5] 曹瑞芳，李援农，吴 伟. 盆栽枣树萌芽展叶期需水规律研究[J]. 节水灌溉，2010,(12):1-3.

[6] 朱南华诺娃，马育军.北京市主要粮食作物不同年份蓄水特征研究[J].节水灌溉，2013,(11):50-54.

[7] 刘玉春，姜红安，李存东，等.河北省棉花灌溉需水量与灌溉需求指数分析[J].农业工程学报，2013,(19):98-104.

[8] 曹红霞，粟晓玲，康绍忠，等. 陕西关中地区参考作物蒸发蒸腾量变化及原因[J].农业工程学报，2007,(11):8-16.

[9] 于 婵，朝伦巴根，高瑞忠，等. 作物需水量模拟计算结果有效性检验[J]. 农业工程学报，2009,(12):13-21.

[10] 崔宁博，杜太生，李忠亭，等. 不同生育期调亏灌溉对温室梨枣品质的影响[J]. 农业工程学报，2009,(7):32-38.