張 波，呂廷波*，趙秀杰，周小杰，邢 猛，張云蕾

(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)重點實驗室，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)律能及時掌握駿棗各生育期耗水情況，實現(xiàn)適量適時的灌溉，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)。【前人研究進(jìn)展】近年來國內(nèi)外學(xué)者對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，紅棗整個生育期耗水量呈現(xiàn)單峰曲線變化，耗水高峰在果實膨大期和花果期；何振嘉等[10]研究了非充分灌溉對棗樹耗水規(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<果實成熟期<開花坐果期<果實生長膨大期，其對應(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】各學(xué)者對不同地區(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，特別是駿棗每個生育期耗水量的變化鮮有報道?！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)，具有較好的實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于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 試驗設(shè)計

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。試驗方案為灌水量單因素4水平設(shè)計，根據(jù)實地走訪調(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個水平(W3為對照處理)，共灌水9次，其中萌芽展葉期1次，花果期3次，果實膨大期3次，果實成熟期2次，共設(shè)置12個小區(qū)，各小區(qū)長35 m，寬9 m，面積315 ，每個小區(qū)隨機排列，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個時期：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)，果實膨大期(7月13日至8月15日)，果實成熟期(8月16日至10月31日)。各生育期具體灌水情況見表2。

1.3 測定項目與方法

(1)田間耗水量。根據(jù)水量平衡公式[17]計算駿棗每個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層土壤在時段始和末的重量含水率(%)；M、K、P、C分別為時段內(nèi)的灌水量、地下水補給量、降水量和排水量(單位均為mm)。由于試驗區(qū)地下水深度為4.0 m以下，無地下水補給量，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；試驗區(qū)位于極端干旱區(qū)，降雨量可忽略不計，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個樣求其平均值，一次灌水取樣時間為灌水前一天和灌后24 h內(nèi)。

(3)ET0與作物系數(shù)。試驗區(qū)設(shè)置小型氣象站，實時監(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為空氣實際水汽壓(kPa)。

作物系數(shù)為實測計算的作物耗水量(ET)與時段內(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。果實成熟后，各處理隨機選取3棵棗樹，測其平均值作為這個處理棗樹的產(chǎn)量，并折算到單位面積產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

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

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重要指標(biāo)[20]，選取駿棗發(fā)育關(guān)鍵期即果實膨大期相鄰兩次灌水前后分析土壤水分變化情況(圖1)，因為0～100 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，說明試驗地土層存在明顯的分層現(xiàn)象，土壤130 cm左右存在一個含水率極高的土層，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。各處理棗樹在由萌芽展葉至果實成熟耗水強度變化趨勢一致，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比：萌芽展葉期<果實成熟期<果實膨大期<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)時段較長，氣溫開始升高，棗樹耗水強度逐漸升高并達(dá)到最大值289.38 mm，棗樹新梢、葉片、幼果生長加快，棗樹對水分比較敏感；果實膨大期(7月中旬至8月中旬)各處理耗水量平均值為180.31 mm，時段較短但此時期田間氣溫最高，棗樹耗水強度較花果期小，但駿棗在生長時依舊耗水較大；果實成熟期(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，耗水強度相應(yīng)減少為113.98 mm。耗水模數(shù)是棗樹每個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%；果實膨大期次之，為25.89%～27.55%；果實成熟期為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公式計算的試驗區(qū)參考作物騰發(fā)蒸騰量隨時間(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，在其動態(tài)變化過程中多次出現(xiàn)峰值，其中ET0在8月2日(果實膨大后期)達(dá)到最大值，為7.01 mm/d，在10月27日(果實成熟末期)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、果實膨大期、果實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，光照強度和太陽輻射增大，日照時間增長，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，光照強度和太陽輻射減小、日照時間變短，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；果實膨大期作物系數(shù)變化范圍為0.80～0.94；果實成熟期作物系數(shù)變化范圍為0.44～0.47。各處理棗樹生育期作物系數(shù)平均值(從萌芽展葉期到果實成熟期分別為0.36、0.97、0.88、0.46)都滿足先增加后降低的趨勢，并于生長旺盛時節(jié)(花果期)達(dá)到最大值0.97，棗樹在花果期和果實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膨大期這一階段，合理匹配水資源是實現(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，本試驗條件下W2(420 m3/667 m2)駿棗產(chǎn)量收益最好。

對各試驗處理的灌水量和產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合(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，可以達(dá)到較高的駿棗產(chǎn)量，這對今后的生產(chǎn)與試驗有了指導(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，土壤含水率隨著灌溉定額的增加在不斷變化，各處理棗樹消耗量有所不同，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)是棗樹整個生育期最為關(guān)鍵的時期，棗樹生長發(fā)育消耗的水量最大，果實膨大期和果實成熟期次之，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公式計算的ET0具有較強的實效性和精確性[25]，棗樹于花果期和果實膨大期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，并于生長最旺盛時節(jié)(花果期)達(dá)到最大值，本試驗各處理生育期平均值：萌芽展葉期為0.36，花果期為0.97，果實膨大期為0.88，果實成熟期為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。試驗地一部分棗農(nóng)根據(jù)多年種植經(jīng)驗將灌溉定額設(shè)為460 m3/667 m2，還有部分棗農(nóng)采用更高的灌水量，本試驗條件下設(shè)置的4個灌溉定額，W1、W2相較W3(對照處理)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，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，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，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成熟期耗水強度變化趨勢一致，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<果實成熟期<果實膨大期<花果期。果實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，果實膨大期0.80～0.94，果實成熟期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)，為本試驗的最優(yōu)處理。