调亏灌溉对滴灌核桃树耗水规律及产量的影响

2021-11-16张纪圆赵经华

西北农业学报 2021年11期

张纪圆，赵经华，庞毅，廖康

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆维吾尔自治区水土保持生态环境监测总站，乌鲁木齐 830000；3.新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052)

新疆地区干旱缺水，水资源短缺问题越来越突出。近年来南疆地区核桃产业的发展逐渐增大，但水资源的短缺严重影响核桃产业的发展。学者们为了解决这个问题，提出了波涌灌、滴灌、喷灌、涌泉根灌等多种节水灌溉技术，而滴灌技术现已被广泛接受并使用。滴灌直接将水分配到根部附近土壤，减少了地面的无效蒸发，提高水分利用效率[1-2]。赵经华[3]对滴灌核桃树不同布置方式和灌水量做了研究，综合产量和水分利用效率两个指标，一行三管的布置方式最佳。赵付勇等[4]和李和兵等[5]研究发现滴灌核桃产量比涌泉灌和漫灌分别增产35.82%和7.1%。赵瑞芬等[6]研究发现吕梁山微灌核桃树灌水定额为120 m3/hm2，灌水数为5次时可获得高产。

调亏灌溉是一种新的灌溉理论，它不仅可以提高水分利用效率，还可以控制营养器官的生长，改善果实品质的同时提高产量[7]。近年来已有大量学者验证调亏灌溉对小麦[8]、玉米[9]、马铃薯[10]等作物有增产节水的作用。对果树调亏灌溉的研究主要集中在苹果[11]、梨树[12]、葡萄[13]、枣树[14]和柑橘[15]等，结果表明适度亏水可以抑制营养过盛生长，增大果实的生长，达到节水增产的最终目标。张效星等[15]研究表明，调亏时期内植物叶片的气孔开度、净光合速率和蒸腾速率降低，耗水量减少，水分利用效率提高。Ebel等[16]发现苹果亏水后果实纵横径的生长速率低于正常灌溉，但果实膨大期复水后，生长速率与正常灌溉保持一致。许健等[13]研究表明，设施葡萄在萌芽期亏水有显著的节水增产效果。邱德玉等[17]研究发现葡萄抽蔓期亏水降低耗水量，降低产量。

目前国内外有大量学者对调亏灌溉进行研究，但对滴灌条件下的核桃树调亏灌溉研究较少。因此，拟通过在不同生育期进行不同调亏程度的试验，研究核桃的生长、耗水规律、产量及水分利用效率的变化，为南疆核桃的灌溉制度提供科学依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于新疆中西部阿克苏地区红旗坡新疆农业大学林果实验基地(80°14′E，41°16′N)，海拔约1 133 m，属于典型的温带大陆性气候，降水稀少，年平均降水量42.4～94.4 mm。该区光热资源丰富，年均日照时数2 855～2 967 h，年均气温11.2 ℃，年均太阳总辐射量544.115～590.156 kJ/cm2，全年无霜期达205～219 d。试验区0～40 cm土层土壤质地为粉砂壤土，体积质量为1.40 g/cm3；40～60 cm土层土壤质地为壤砂土，体积质量为1.40 g/cm3；60～100 cm土层土壤地质为细砂，体积质量为1.36 g/cm3。

1.2 试验设计

以‘温185’核桃树为试材。株行距 2 m×3 m，主要生育期划分为萌芽期(Ⅰ)、开花坐果期(Ⅱ)、果实膨大期(Ⅲ)、硬核期(Ⅳ)、油脂转化期(Ⅴ)和成熟期(Ⅵ)。灌溉方式采用滴灌，滴灌管分别布置在核桃树两侧0.5 m处，滴灌管为压力补偿式，滴头间距0.5 m，流量3.75 L/h。试验按灌水量设置3个水平，正常灌水ETc、轻度亏水75%ETc和中度亏水50%ETc；共6个处理(表1)，其中全生育期正常灌水为对照组(W0)。每个处理中均选择长势相同的核桃树3棵，即3次重复。各处理除灌水不同，其他均采用一致的农艺措施。不同阶段作物系数Kc值见表2。

表1 核桃树不同处理的调亏灌溉设置

表2 不同阶段作物系数Kc值

1.3 测定项目与方法

气象数据：使用可全天自动观测气象数据的WATCHDOG小型自动气象站采集。

土壤含水率：采用土壤水分仪TRIME-IPH测定土壤含水率。测定深度为120 cm，间隔为20 cm。每棵试验用树布设3根TRIME管，分别布置在行间距树150 cm处、株间距树50 cm和株间距树100 cm处。测定时间为核桃树灌水前和灌水后。如有降雨、生育阶段转变时，需进行加测。

SPAD值：采用SONY公司生产的手持式叶绿素指数仪测定。每棵样本树选择4片树叶作为固定样本，四个方向各一片，在每片叶片3个不同位置各测一个值，最后取此3个数值的平均值为叶片的叶绿素指数。

果实纵、横径：采用精度为0.01 mm的数显式游标卡尺进行测量。在所选固定的叶片样本附近选取长势一致的核桃果实做标记，直到果实纵、横径不再发生变化为止，计算体积。

果实产量：核桃成熟时，分别测算每个处理固定样本树上的果实个数。每棵树随机抽取100颗，去掉青皮后称取鲜质量，晒干后计量每颗的单果质量以及仁质量。

1.4 指标计算方法

参考作物蒸发蒸腾量：采用1998年FAO推荐的Pen-Monteith公式计算。

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量(mm/d)；Rn为净辐射量[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]；T为平均气温(℃)；U2为2 m高处的平均风速(m/s)；ea为饱和水汽压(kPa)；ed为实际水汽压(kPa)；γ为干湿表常数(kPa/℃)；Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率(kPa/℃)。

耗水量、耗水强度和耗水模数：通过测定计算核桃生育期内各阶段的土壤含水量与有效降雨量，计算作物耗水量，耗水量的计算公式为：

式中：ET1-2为阶段耗水量(mm)；i为土壤层次号数；n为土壤层次总数；γi为第i层土壤干容重(g/cm3)；Hi为第i层土壤厚度(cm)；θi1为第i层土壤阶段初含水量，θi2为第i层土壤阶段末含水量，以占干土重的百分数计；M为时段内的灌水量(mm)；P0为时段内降水量(mm)；K为时段内的地下水补给量(mm)(本试验地的地下水埋深较深，地下水补给量视为0)。

耗水强度=ET1-2/d

式中：ET1-2为阶段耗水量(mm)；d为耗水天数。

耗水模数=ET1-2/d

式中：ET为全生育期耗水量(mm)。

水分利用效率及灌溉利用效率：WUE=Ya/ET，IWUE=Y/I

式中：WUE为水分利用效率[kg/(hm2·mm)]；IWUE为灌溉利用效率[kg/(hm2·mm)]；Y为核桃产量(kg/hm2)；ET为全生育期耗水量(mm)；I为生育期内总灌水量(mm)。

CRITIC法进行综合评价：CRIRIC法是一种基于评价指标的对比强度和指标之间的冲突性来综合衡量指标的客观权重[18]。选择核桃的6个指标作为评价变量，分别为耗水量(X1)、单果质量(X2)、仁质量(X3)、产量(X4)、WUE(X5)、IWUE(X6)。采用SPSS 19.0对所需评价指标进行相关分析，得到相关系数矩阵R=(Rij)6×6根据下面的公式进行权重计算[19]：

1.5 数据分析

试验数据经Excel 2019整理后，利用SPSS 19.0对数据进行单因素方差分析，利用LSD法检验差异显著性(P<0.05)。采用Excel 2019进行绘图。

2 结果与分析

2.1 核桃全生育期参考作物蒸发蒸腾量变化规律

整理自动气象站的气象数据，利用Pen-Monteith公式计算试验地的ET0，降雨与ET0计算结果如图1所示。降雨主要集中在4月下旬和7月中旬至9月上旬。核桃全生育期内参考作物蒸发蒸腾量ET0平均值为3.92 mm/d，季节性变化明显。4月ET0的波动较大，平均值是 2.95 mm/d。5月的ET0在3 mm/d以上，随后逐渐增大，7月份达到最大值4.83 mm/d，8月份之后，伴随气温和太阳辐射的作用ET0逐渐降低至2.5 mm/d。

2.2 调亏灌溉对核桃生长发育的影响

2.2.1 调亏灌溉对核桃叶片SPAD值的影响 SPAD值是一个无量纲，可以衡量叶绿素含量的高低，SPAD值越高，叶片颜色越深，叶片光合能力越强[20-21]。如图2所示，各处理间核桃树叶片SPAD值的变化规律一致，随着生育期的推进呈现先增后减的规律。6月10日前由于叶片不断的生长，SPAD值的增加最为迅速；到6月30日前叶片的生长速度下降，SPAD值的增加比较平缓，此时的营养物质多数供应到果实的生长中；7月初期到8月中旬核桃叶片趋于稳定至停止生长，SPAD值保持稳定；9月份，叶片衰老变黄SPAD值降低。图2-A为Ⅰ期亏水Ⅱ期复水后SPAD值的变化情况，各处理SPAD值的大小表现为W3>W0>W4，表明Ⅰ期进行轻度亏水并Ⅱ期复水后可以促进核桃叶片SPAD值的增加，而中度亏水，与W0相比叶片SPAD值较小，没有快速恢复，在Ⅴ期时达到正常水平，可能由于亏水强度的加大，推迟核桃树的发芽与生长，后期的充分灌溉使之正常发育。图2-B为Ⅱ期亏水，各处理SPAD值表现为W1>W2>W0，W1和W2平均值分别比W0提高5.00%和4.24%。Ⅱ期进行亏缺灌溉促进核桃叶片SPAD值的增加；Ⅲ期复水后，W1和W2的SPAD值与W0的差异更明显，这是因为复水后前期累积的有机物又转向营养器官的生长，使叶片快速生长。图2-C为Ⅰ+Ⅱ期连续轻度亏水，前期亏水处理与对照间一致，这是因为Ⅰ期亏水，抑制核桃树的发芽，Ⅱ期复水带来的补偿被抵消。

2.2.2 调亏灌溉对核桃果实体积的影响图3为不同生育期调亏灌溉的滴灌核桃果实体积生长动态变化曲线。核桃生育期内，不同调亏程度的果实体积生长随时间的推移总体表现为先快速，后缓慢，再趋于稳定3个阶段，各处理相似，具有同步性。5月5日到6月2日为核桃体积的快速增长期，6月2日到6月30日为缓慢增长期，7月到最后进入稳定生长期。前期亏水后各处理的果实体积均大于W0。Ⅰ期亏水后核桃果实体积的变化如图3-A，调亏度越大后期果实的体积增加越大。W3和W4终体积分别较W0提高6.43%和23.34%。Ⅱ期亏水后核桃果实体积的变化如图3-B，随着调亏度的加重，果实体积的增加幅度降低。W1和W2最后的果实体积分别大于W0的24.21%、13.73%。Ⅰ+Ⅱ期连续轻度亏水后，如图3-C，W5的体积大于W0的13.68%。由此可见，核桃树在Ⅰ期和Ⅱ期进行适度的亏水处理，形成水分胁迫，后期复水保证土壤水分充足，可以促进果实的生长。

2.3 调亏灌溉对核桃耗水规律的影响

不同生育期进行不同亏水灌溉后的耗水量、耗水模数和耗水强度见表3。核桃生育期耗水量、耗水模数总体呈单峰曲线，均为先升高再降低，调亏灌溉对整体趋势没有影响。全生育期不同处理核桃的耗水量为725.06～756.08 mm，亏水程度越大耗水量越小。W1、W2的耗水量较W0处理分别减少2.74%、4.06%。W3、W4的耗水量较W0分别减少2.12%、2.62%。W5的耗水量较W0减少4.10%。从各生育期阶段的耗水量来看，耗水量随生育期的变化而变化，耗水规律为：Ⅴ期最大，耗水量为288.72～298.87 mm；其次为Ⅳ期、Ⅲ期，耗水量分别为139.18～144.42 mm、122.46～125.68 mm；Ⅰ期耗水量最少。各生育期不同处理间的耗水量表现：Ⅱ期为W0>W1>W2处理；Ⅰ期为W0>W3>W4处理；Ⅰ+Ⅱ期连续亏水同样是W0的耗水量最大。可见，耗水量随灌水量的减少而降低。

从各生育阶段耗水强度看，亏水阶段的日耗水强度均较低。在Ⅱ期进行亏水的W1、W2处理，耗水强度分别为2.69 mm/d、2.39 mm/d，较W0分别降低21.65%、30.52%；Ⅰ期的W3、W4处理，耗水强度分别为2.32 mm/d、1.94 mm/d，较W0分别降低21.50%、32.35%；Ⅰ+Ⅱ期亏水的W5处理耗水强度分别为2.30 mm/d、2.64 mm/d，较W0分别降低21.88%、23.03%。各生育阶段的耗水强度在不同处理之间与耗水量表现一致，且任一阶段的亏水都影响全生育期的耗水强度。

耗水模数是反映各个生育阶段的耗水量在全生育期耗水中所占的比例，可显示不同生育期对水分的敏感度。耗水模数从前期逐渐增大，至Ⅴ期达到峰值，为38.5%～40.37%，其次为Ⅳ期，耗水模数为18.81%～19.68%。这两个时期气温最高，是核桃树生长最旺盛，需水量最大的时期。可见，在Ⅴ期和Ⅳ期是核桃树的需水敏感期。Ⅰ期和Ⅱ期进行亏水，耗水模数的变化规律与各阶段的耗水量一致，亏水度越大，耗水模数越小。

2.4 调亏灌溉对核桃产量和水分利用效率的影响

从表4可以看出，各处理调亏后，单果质量和仁质量均有增加。分析可以看出单果质量最大的是W1处理，为12.59 g；其次是W3处理，为 12.52 g，较W0处理分别显著增加 7.88%和 7.28%，W2、W4和W5处理分别增加4.28%、6.26%和6.43%。其中W4和W5处理的仁质量比W0处理显著增加6.53%和6.40%；其他较W0处理差异不显著。

由表3和表4可知，耗水量与产量两者并不是简单的正比关系，耗水量最大的W0处理，核桃产量并不是最大的。在核桃Ⅱ期进行水分亏缺，通过比较W0与W1、W2的核桃产量发现，W1较W0增产效果显著，增产35.02%;W2处理增产不显著，这是因为Ⅱ期亏水能够有效抑制枝条的生长，有利于后期果实的形成。通过比较W0与W3、W4处理的核桃产量，发现核桃Ⅰ期进行亏水增产效果较好，分别增产20.52%和10.96%，主要是因为该期为核桃树营养器官生长的初始阶段，对生殖生长影响较小。Ⅰ+Ⅱ期连续亏水，W0与W5处理比较，W5显著增产32.46%。

表3 不同生育期调亏灌溉的核桃树耗水量

通过表4分析核桃的WUE可知，核桃树的WUE在W1和W5处理中最大，分别为9.18和9.13 kg/(hm2·mm)，比W0处理分别提高 38.89%和38.19%；其他处理与W0也有显著差异；耗水量最大的W0处理，其WUE最小为4.50 kg/(hm2·mm)。核桃树的IWUE变化规律和WUE相似，W1和W5处理最大，比W0分别提高39.78%和38.46%；其他处理与W0不存在显著差异。

表4 不同生育期调亏灌溉的核桃产量和水分利用效率

通过比较核桃树的产量、WUE和IWUE可知，在Ⅱ期和Ⅰ期进行亏水，核桃产量、WUE和IWUE都可以提高；然而最优的水分亏缺应是W1处理，此时核桃的产量和WUE均达到最大。

2.5 基于CRITIC法核桃树产量的综合评价

表5是根据Cj和Wj计算公式得到各品质指标权重。基于各指标权重和标准化矩阵计算得到各处理综合得分及排序(表6)，可以看到在滴灌情况下各水分亏缺处理的核桃树综合排名为W1>W5>W3>W4>W2>W0，最优处理为W1。此结果与“2.4”结论一致。

表5 各指标的权重

表6 各处理核桃树产量得分及排序

3 讨论

核桃耐储存，营养价值高，是重要的坚果种类，然而水分是影响核桃树高产的重要因素，不同生育期的需水量又不同，因此在滴灌条件下研究调亏灌溉对核桃生长与耗水规律有着重要意义。适量的缺水，复水后在生长上会产生补偿效应[22]。本研究发现在核桃树Ⅱ期亏水可提高SPAD值；复水后除去Ⅰ期中度亏水，其他处理均有利于SPAD值的提高，亏水度越大，SPAD值降低幅度越大。樊金栓等[23]研究核桃发现，随着控水度的增加，SPAD值降低。研究枣树发现在Ⅰ期进行水分亏缺能够提高SPAD值[24]。

枣树在萌芽展叶期和开花坐果期亏水会降低果实体积和单果质量[14, 25]。本研究发现核桃树早期进行调亏灌溉后期复水均增加果实体积的大小，这与Parvizi等[26]等研究石榴亏水的结论相似。本研究发现单生育期亏水对核桃的单果质量的影响较小，而Ⅰ+Ⅱ期轻度亏水则使其显著下降，原因可能是单生育期亏水抑制营养生长累计能量，复水后的补偿有利于核桃树的生长，所以没有明显降低单果质量，而后者由于连续亏水，使前期为果实累积的能量不够，果实细胞恢复能力差，导致降低单果质量[27]。本研究发现调亏灌溉均提高单棵果树果个数，这与张鹏等[28]的结论一致，这是因为适当的缺水导致花蕾提前凋谢，减少授粉[29]，并引起幼果掉落，把更多的营养与水分输送给留下的幼果，提高坐果率，提高产量。

李光永等[30]在研究充分灌溉和调亏灌溉对核桃需水的影响发现，前者耗水量为625.1 mm，后者减少20%的耗水；苹果连续3 a进行调亏，节水幅度分别为3.81%～32.77%、2.63%～22.80%、6.03%～18.71%[11]。本研究发现核桃树在Ⅴ期耗水量最大，占全生育期耗水总量的38.50%～40.37%，Ⅳ期占全生育期耗水总量的18.81%～19.68%。赵经华[3]研究滴灌条件下核桃耗水规律发现全生育期耗水量趋势呈先增大后降低，在Ⅳ+Ⅴ期达到峰值，远高于其他生育期，本试验结果与此一致，这是由于该生育期阶段的气温高、太阳辐射大，使核桃叶片及果实快速增长，同时蒸腾蒸发量占主要成分，故耗水量较大。本研究发现水分亏缺的生育期耗水强度显著下降，李征珍[31]研究也表明，水分亏缺降低葡萄日耗水量；且水分亏缺程度越重及缺水时间越长，耗水持续加重，两者结论一致。

前人研究发现，作物进行适度的缺水不会对产量造成影响，却能显著提高作物WUE和IWUE[32-33]；作物生长的早期可以进行适当的亏水[34]。本研究结果与上述结论具有一致性，W1和W5处理调亏后核桃树产量、WUE和IWUE显著增加，这是因为亏水抑制枝条的生长，由营养器官的生长转向生殖器官的生长，提高果树产量；过度的缺水会使植物细胞失水，不能恢复正常生长，最终导致减产[35]。