陜北黃土高原棗樹需水規律與灌溉需水量研究

何振嘉 ，董起廣，楊 凱，傅渝亮，費良軍

(1.陜西省土地工程建設集團，西安 710075；2.西安理工大學水資源研究所，西安 710048)

0 引 言

陜北黃土高原干旱少雨，水資源嚴重短缺，人均水資源量、單位面積平均水資源量分別不足全國平均水平的1/3和1/5[1]，低于國際社會公認的最低需水線，屬于資源性嚴重缺水地區。棗樹是陜北黃土高原區的傳統經濟林樹種，近年來佳縣、清澗、延川等縣紅棗產業發展迅速，已成為當地林業產業的重要支柱。在這種氣候條件下，研究非充分灌溉條件下棗樹的需耗水規律對于優化棗樹灌溉制度，提高水資源利用效率有著重要的意義。國內外學者對果樹的需水規律研究較多，對棗樹的研究也有一定進展[2-5]，胡永翔研究了陜北充分灌溉滴灌棗樹的需水規律和作物系數，魏群等研究了不同保墑條件下不同灌溉制度下棗樹的耗水規律，但是，就陜北黃土高原這種獨特氣候下，非充分灌溉棗樹的作物需水規律，尤其灌溉需水量卻鮮有報道。另外，通常所作研究僅就試驗年份進行分析，或僅根據多個氣象站的長系列氣象資料對作物進行需水量或灌溉需水量的統計分析[6-9]，而本文不僅分析了2009-2013年的試驗結果，同時結合當地35 a氣象資料進行了不同水文年份作物的需水規律研究，探討了作物需水量和灌溉需水量的年際變化趨勢，為制定陜北黃土高原區棗樹的灌溉制度提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2009-2013年在陜西省榆林市米脂縣山地微灌棗樹示范基地進行。試驗區地理位置為東經109°49′～110°29′，北緯37°39′～38°5′，氣候屬暖溫帶半干旱氣候，全年干旱少雨，氣候干燥，蒸發強烈，多年平均降水量451.6 mm，全年降水分布極不均勻，7-9月份降雨約占全年降水量的50%～60%，多年平均水面蒸發為1 574 mm。該地區四季分明，日照充沛，晝夜溫差大，適宜棗樹生長。試驗田棗樹株行距為2 m×3 m，田間密度為1 665 株/hm2。土壤以黃綿土為主，計劃濕潤層0～80 cm，土壤的平均容重為1.35 g/cm3，田間持水量為24%(占干土重百分數)，pH為8.6，土壤偏堿性，土壤養分較為貧瘠。試驗田土壤顆粒級配組成見表1。氣象資料包括由西北農林科技大學米脂試驗站提供的2009-2013年的逐日氣象資料和米脂氣象局提供的1971-2005年的逐日氣象資料。

表1 試驗土壤顆粒級配組成表Tab.1 Soil particle distribution list

1.2 試驗設計

試驗時間為2009年4月至2013年10月，試驗對象為多年生梨棗樹，共一個處理，每個處理3個重復。該處理把計劃濕潤層(80 cm)的土壤含水率下限設為田間持水量的60%，在棗樹計劃濕潤層達到土壤含水率下限時進行灌水，灌水上限為田間持水量的80%，灌溉水量只需滿足棗樹1/4根系的需水即可滿足果樹生長需求，從而確定棗樹灌水定額為80 L/棵，即135 m3/hm2。

本試驗對氣象因子、土壤水分以及生理指標進行測定，其中包括：用烘干法測定棗樹土壤含水率，土壤水分測定深度100 cm，每層10 cm，共10層。在整個生育期內，每10 d測定一次，灌水前后、降雨前后加測。作物需水量采用水量平衡方程計算，據實測相鄰兩次根系層土壤含水率以及其間的灌水量和降水量資料，計算出作物在各生育階段的需水量，即：

ET=ΔW+P+I+G-D

(1)

式中：ET為階段需水量，mm；P為時段內降雨量，mm；I為時段內灌水量，mm；G為時段內地下水補給量，mm；D為時段內深層滲漏量，mm；ΔW為時段內土壤儲水量變化，mm；γi為第i層的土壤干容重，g/cm3；Hi為第i層的土壤厚度，cm；θi1、θi2分別為第i層土壤計算時段始、末的含水量(以占干土重的百分率%計)。

本文試驗條件下，因試驗區地下水深度較深，故無地下水補給，G=0；灌水引起深層滲漏很小，D=0。因此，式(1)變為：

ET1-2=I+ΔW+p=I+10∑γiHi(θi1-θi2)+P

(2)

利用式(2)可計算出棗樹生育期各個生育階段的需水量 (mm)。根據實際觀測的各生育期出現的時間，可計算出其日需水強度R(mm/d)。

作物系數采用聯合國推薦的單作物系數法，根據作物需水量及由國內外最通用的FAO和ICID于1990年推薦的FAO Penman-Monteith公式計算出參考作物蒸發蒸騰量ET0，以二者的比值得到不同階段的作物系數Kc。

1.3 數據獲取

棗樹生育期在年際間有差異，萌芽期在4月底5月初，開花期為6月初至7月中旬，果實膨大期在7月下旬至9月上旬，成熟期在9月中旬至10月初。據此，為便于定量分析不同年份棗樹的降雨量和需水量，統一將棗樹的生育期劃分為，萌芽展葉期(5月1日-5月31日)、開花坐果期(6月1日-7月15日)、果實膨大期(7月16日-9月10日)和果實成熟期(9月11日-10月10日)。萌芽期、開花期、膨大期、成熟期分別為31，45，57，30 d，共163 d。生育期內有效降雨除考慮萌芽至成熟期外，同時將4月21日到4月30日內的降雨也作為有效降雨，以便充分利用降雨資源。有效降雨量計算采用公式(3)：

P0=σP

(3)

σ為降水有效利用系數，當P≤5 mm時σ=0，當5 mm100 mm時，σ=0.8。

由米脂1971-2005年逐日的氣象資料求出逐年棗樹生育期內的有效降雨量，將歷年生育期內的有效降雨量按由大到小的順序排列，采用皮爾遜-Ⅲ型分布曲線，利用配線法算出棗樹生育期內有效降雨的理論頻率曲線，據此分析設計水平年偏豐年P=10%，豐水年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，可以直接反應作物對水分的消耗情況。由試驗地米脂縣1971-2005年35 a的氣象資料，包括逐日平均溫度、最高溫度、最低溫度、平均相對濕度、平均風速、日照時間、降雨量，根據彭曼公式，推求出35 a的逐日參考作物需水量，并按2009-2013年的平均各剩余階段的作物系數，求出棗樹各生育階段的需水量，再累加得到全生育期作物需水量。棗樹的灌溉需水量IR，即降雨滿足不了棗樹作物需水量時需要給棗樹的補充灌溉量，為棗樹需水量和有效降雨量的差值，它能直觀的表示棗樹的水分虧缺程度。并定義棗樹的有效降雨量與同時期作物需水量的比值為棗樹的自給率i，即當i≥1時，說明棗樹僅靠降雨就能滿足其作物需水量，不需灌溉。由此確定試驗年份和1971-2005年各生育階段和整個生育期的作物灌溉需水量和自給率。由1971-2005年歷年生育期的作物需水量和灌溉需水量資料，同樣采用皮爾遜-Ⅲ型分布曲線，得到棗樹的作物需水量和灌溉需水量的理論頻率曲線，分析設計水平年偏豐年P=10%，豐水年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，灌溉需水量與作物需水量和有效降雨量不同，需按由小到大的順序排列計算。

2 結果與分析

2.1 棗樹生育期有效降雨量

對米脂1971-2005年35 a內的氣象資料統計分析可得，棗樹生育期內有效降雨量的多年平均值為303 mm，其中萌芽展葉期為30.1 mm，開花坐果期87.7 mm，果實膨大期148.4 mm，果實成熟期36.7 mm，分別占全生育期平均有效降雨量的9.93%，28.94%，48.98%，12.11%。果實膨大期有效降雨量比重最大，主要由于膨大期處于7月份中旬至9月上旬，而陜北地區年降雨的50%～60%都分布在7-9月份。表3給出了多年棗樹生育期內有效降雨量理論頻率曲線分析結果，豐水年與平水年、平水年與枯水年的差值分別為68.1、48.2 mm，而偏豐年與平水年，平水年與偏枯年的差值分別為140.9、77.3 mm。

表2 棗樹生育期有效降雨量Pe的頻率分析結果 mmTab.2 Average annual effective rainfall Pe in growing period

試驗年份2009-2013年內生育期的有效降雨量分別為296.6，215.27，424.28，419.6，437.6 mm，可知，除2009年屬于平水年、2010年屬于枯水年，其余年份均屬于豐水年，且均已到達或接近偏豐年。

2.2 棗樹生育期內參考作物蒸發蒸騰量的變化

2009-2013年棗樹生育期內參考作物蒸發蒸騰量(ET0)隨時間的變化規律比較一致，以2010年為例，如圖1。在棗樹生育期內呈中間高兩頭低的特性，并且峰值部分的位置比較靠前，雖然5月氣溫不是很高，日照時數也不是很長，但試驗地區5月常有大風天氣，造成參考作物蒸發蒸騰量的數值較高。6月份的月平均參考作物蒸發蒸騰量最高，盡管6月份平均氣溫、風速、均不是最高，但平均日照時數最長，造成其參考作物蒸發蒸騰量在這5個月里最高。7、8、9月份平均參考作物蒸發蒸騰量逐漸降低，具體來看，隨著氣溫的逐步增加，7月份的月平均參考作物蒸發蒸騰量為3.3 mm/d，仍保持在一個較高的數值。8月份之后，由于降雨增多，太陽輻射強度降低，參考作物蒸發蒸騰量降到2.6 mm/d，而9月份溫度較低，日照時數較少，參考作物蒸發蒸騰量降低到最低值，1.84 mm/d。

2.3 棗樹生育期內需水量與作物系數

在黃土高原特有的氣候條件、土壤條件和密植矮化栽培條件下，棗樹在非充分滴灌條件下，5 a平均需水量為367.97 mm(表3)，平均日耗水強度為2.37 mm/d。整個生育期中，需水量由多到少依次是果實膨大期，開花坐果期，果實成熟期，萌芽展葉期，整個生育期呈現出兩頭小，中間大，且峰值相對靠后，這與ET0的分布規律剛好不同。萌芽展葉期棗樹需水量及需水強度最小，主要由于萌芽展葉期棗樹剛開始發芽，葉面積指數較小，而作物主要通過葉片蒸騰耗水，且5月溫度較低，所以此時耗水較小。而進入開花坐果期后，氣溫逐漸升高，日照時間增長，葉面積指數也隨著增大，棗樹開始進行生殖生長，生理活動劇烈，作物的需水量也不斷增長，需水強度增長為2.79 mm/d。但至果實膨大期，營養生長與生殖生長為整個生育期最活躍的階段，葉面積指數增至最大，葉面蒸騰作用強烈，果實處于快速膨大期，需水量與需水強度達到峰值。果實成熟期處于多雨季節，氣溫降低，蒸發減弱，葉面積指數開始回落，棗樹果實生長基本停止，所以需水量降低至52.38 mm。

多年平均作物系數分別為萌芽展葉期0.43，開花坐果期0.82，果實膨大期1.09，果實成熟期0.98。這與胡永翔研究的充分滴灌下的作物系數0.496，0.681，1.262，0.944相比均較小。作物系數在整個生育期的變化趨勢和需水量相似，也是兩頭低，中間高，峰值相對靠后。但原因卻并不完全相同，萌芽展葉期作物系數較低主要是由于5月常有大風天氣，參考作物蒸發蒸騰量較大，而需水量相對較小，故作物系數為全生育期最低值。2009年屬于平水年，各生育期作物系數分別為萌芽展葉期0.43，開花坐果期0.82，果實膨大期1.09，果實成熟期0.9，平均整個生育期為0.81；2010年屬枯水年，各生育期對應作物系數分別為0.42，079，1.04，0.85，整個生育期為0.78；2011-2013年均為偏豐年，3 a平均各生育期對應作物系數分別為0.43，0.82，1.13，0.93，整個生育期為0.83。

2.4 棗樹的灌溉需水量和降雨自給率

2009年到2013年灌溉需水量與自給率見表4、5，從表中可以看出，2011-2013年(偏豐年)棗樹整個生育期自給率均達到1以上，2009年(屬平水年)和2010(屬枯水年)整個生育期自給率分別為0.83，0.61。2009-2013年果實膨大期自給率均為1左右，果實成熟期自給率除了2011年低于0.5，其余也均接近或超過1。2011-2013年的萌芽展葉期和開花坐果期及果實膨大期的自給率均達到1左右，果實成熟期的自給率在0.46～1.88之間，年際差異較大。2009，2010年，萌芽展葉期和開花坐果期的自給率均較小，2010年萌芽展葉期和開花坐果期的自給率相近，但由于這兩個時期需水量有較大差異，故它們的灌溉需水量分別為30.22，54.72 mm，差別較大。

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

表4 不同時期棗樹灌溉需水量 mmTab.4 Irrigation requirement of jujube in different period

表5 不同時期棗樹自給率iTab.5 Self-sufficiency rate of jujube in different period

由于試驗年份有限，2009年為平水年，2010年為枯水年，2011-2013年均為偏豐年，為分析不同水文年份如豐水年，偏枯年等棗樹的需水規律，有必要對試驗地區多年的氣象資料進行分析。分析結果見表6和表7。棗樹生育期多年平均參考作物蒸發蒸騰量為469.3 mm，其中萌芽展葉期為52.9 mm，開花坐果期153.4 mm，果實膨大期206.2 mm，果實成熟期為56.9 mm。棗樹生育期多年平均需水量為469.3 mm，合2.9 mm/d，其中萌芽展葉期、果實成熟期較小，分別為52.9 mm， 56.9 mm，占全生育期的11.3%，12.1%，折合為1.7 mm/d，1.9 mm/d。果實膨大期需水最多，為206.2 mm，占全生育期的43.9%，折合3.6 mm/d，開花坐果期需水量次之，為153.4 mm，占全生育期的32.7%，折合3.4 mm/d，由此可見，開花坐果期與果實膨大期均為棗樹的需水關鍵期。對試驗地區多年的統計資料分析得到，不同生長時期棗樹的灌溉需水量的多年平均值分別為，萌芽展葉期22.8 mm，開花坐果期65.6 mm，果實膨大期57.8 mm，果實成熟期20.2 mm，整個生育期灌溉需水量的多年平均值為166.3 mm。

表6 棗樹灌溉需水量和自給率的多年平均統計結果Tab.6 Average annual jujube water requirement ETc andself-sufficiency rate in different growth period

表7 棗樹生育期作物需水量和灌溉需水量的頻率分析結果 mmTab.7 Frequency analysis results of jujube water requirement ETc and jujube irrigation requirement IR

注：CV，CS分別為棗樹生育期頻率分析對象(需水量和灌溉需水量)的變差系數和偏態系數，無量綱。

研究區域棗樹的需水量和灌溉需水量的頻率分析結果見表7，作物需水量在不同的設計水平年的范圍為414.4～532.2 mm，偏豐年、豐水年、平水年、枯水年、偏枯年棗樹需水量分別為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，偏豐年、豐水年、平水年差值大于30 mm。棗樹灌溉需水量在不同的設計水平年份間變化較大，偏豐年、豐水年、平水年、枯水年、偏枯年分別為17.3、88.3、166.3、247.5、315.4 mm。偏豐年的灌溉需水量很小，全生育期僅17.3 mm，豐水年的灌溉需水量為88.3 mm。觀察多年的灌溉需水量的年內分布發現，萌芽展葉期的灌溉需水量受豐水年、平水年、枯水年的影響較小，其灌溉需水量在不同的設計水平年的變化幅度分別為，豐水年及偏豐年在-16.35～47.23 mm之間，平水年在-70.29～60.83 mm之間，枯水年及偏枯年在26.47～46.46 mm之間。 觀察多個偏豐年及豐水年年份的需水量的年內分布，發現偏豐年及豐水年棗樹的缺水也會發生在開花坐果期或果實膨大期，但通常只有其中的一個時期比較缺水，另一個時期雨水則出現較多富余，如1978年開花坐果期和果實膨大期灌溉需水量分別為103.5，-279.1 mm，1981年分別為-131.3，121.2 mm，或者這兩個時期全都不缺水，果實成熟期雨水則相對充裕，其變化范圍為-53.4～34.1 mm。但是，果實成熟期適當缺水對棗樹生長影響不大，可在一定程度上改善果實品質，并且可以較顯著地降低棗樹壞果率[10]，因此，在水資源相對短缺的陜北地區，偏豐年及豐水年也需在開花坐果期或者果實膨大期做適當補充灌溉，以彌補由于陜北地區降雨年內分布不均對棗樹造成的減產，若萌芽展葉期缺水嚴重，也需同時在萌芽展葉期期適當補灌。統計多個平水年年份的灌溉需水量的年內分布，發現棗樹在平水年開始出現在4個時期同時缺水的情況，以及在開花坐果期和果實膨大期兩個需水關鍵期中至少有一個時期缺水的情況，因此在平水年，必須對棗樹實施補充灌溉，其補灌的時期選擇在萌芽展葉期以及開花坐果期或果實膨大期。在枯水年及偏枯年，棗樹在4個時期均缺水，很少再出現某一剩余期雨水富余的情況，尤其是在一般不缺水的果實成熟期，也出現缺水。缺水嚴重的是需水關鍵期，兩個時期總灌溉需水量在250 mm左右，虧水嚴重，萌芽展葉期灌溉需水量在29～46.46 mm之間，果實成熟期灌溉需水量在0.01～77.49 mm之間，變化幅度較大。說明在枯水年及偏枯年，需要在4個時期均進行不同程度的灌溉，以保證作物正常生長。

2.5 棗樹作物需水量與氣象因子的關系

采用SPSS軟件，對棗樹生育期的作物需水量和各氣象因素進行了偏相關性分析(結果見表8)，可知，棗樹在黃土高原這種特有的氣候下，其作物需水量與平均風速和日照時數呈極顯著的正相關關系，與平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫呈不顯著的正相關關系，與降雨呈顯著的負相關關系。由于陜北地區棗樹不同生育階段的氣候各有特點，萌芽展葉期常有大風，開花坐果期與果實膨大期日照時數較長，溫度較高，果實成熟期多降雨且溫度較低，故有必要對不同的生育階段作物需水量與同期的氣象因子進行相關性的分析。分階段分析發現，4個時期作物需水量與同期的平均風速、日照時數仍呈極顯著的正相關關系，相關系數在0.740～0.976之間，與平均最低氣溫呈不顯著的正相關關系，與平均相對濕度呈顯著的負相關關系，相關系數在-0.722～-0.477之間，與降雨除萌芽展葉期外，均呈不顯著的正相關關系，與平均氣溫則為前兩個時期是不顯著的負相關，后兩個時期為不顯著的正相關。就整體來看，棗樹作物需水量與平均風速和日照時數呈極顯著的正相關關系，與其余各氣象因子相關性并不顯著。對黃土高原區棗樹需水量影響顯著的因子的順序為，平均風速稍微大于日照時數。用作物需水量和影響顯著的因子建立多元線性回歸方程，結果見表9。

表8 棗樹需水量與各氣象因子的偏相關系數和顯著性Tab.8 Partial correlation coefficient between jujube water requirement and weather factors and significance

表9 棗樹需水量與影響顯著的氣象因子建立的多元線性回歸方程Tab.9 Multi-regression equation between jujube water requirementand significant weather factors

用2009-2013年的氣象數據代入線性方程，通過回歸方程計算的模擬值與通過彭曼公式和作物系數計算出的實測值的曲線見圖2，可見，不同時期模擬值均比實測值非常接近，2010，2011，2012年各模擬值均比實測值略高，這與這3 a的氣象條件有關。各個時期線性回歸方程的模擬相對誤差在-4.6%～9.7%之間，說明所建立的模型具有較高的精確性。

圖2 棗樹作物需水量模擬值與實測值Fig.2 Simulated and measured values of jujube water requirement

3 結果與討論

本文基于2009-2013年5 a的需水量試驗以及35 a的當地氣象資料的分析，通過試驗年份求得的不同年份的作物系數的平均值，采用Penman-Monteith 公式和作物系數法確定棗樹需水量和灌溉需水量，通過頻率分析確定不同水文年棗樹生育期的有效降水量、需水量和灌溉需水量。分析結果表明：

(1)棗樹試驗年份(2009年-2013年)分別屬于平水年、枯水年及偏豐年，5 a的平均作物系數分別為0.43，開花坐果期0.82，果實膨大期1.09，果實成熟期0.98。整個生育期中，需水量由多到少依次是果實膨大期，開花坐果期，果實成熟期，萌芽展葉期，整個生育期呈現出兩頭小，中間大，且峰值相對靠后。

(2)1971-2005 a棗樹生育期有效降雨量、需水量和灌溉需水量的多年平均值分別為303、469.3和166.3 mm，自給率平均為0.65。頻率分析表明偏豐年P=10%、豐水年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別為424.8、352、283.9、235.7和206.6 mm，需水量分別為532.2、499、463.2、435.1和 414.4 mm，灌溉需水量分別為 17.3、88.3、166.3、247.5和315.4 mm。

(3)陜北棗樹作物需水量主要與日照時數和風速呈極顯著的正相關關系，各生育階段多年需水量與其影響顯著的氣象因子建立的多元線性擬合方程，應用到試驗年份2009-2013年，擬合效果較好。

通過上面的分析，做如下建議，豐水年可只在棗樹開花坐果期或果實膨大期少量補灌，或者不灌，而平水年和干旱年則需在開花坐果期和果實膨大期均進行適當灌溉。枯水年還需看情況在棗樹的果實成熟期進行適當灌溉。雖然試驗年份包括了3個不同的水文年，但是試驗時間相對較短，在這5 a試驗的基礎上繼續研究棗樹在不同年份的需水規律和作物系數以及在不同的水文年份的年內分配問題，仍是接下來研究的重點。

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