基于冠氣溫差的阿克蘇成齡紅棗缺水診斷及預測

鄭文強，岳春芳，曹 偉

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆屬于內陸干旱區，“荒漠綠洲、灌溉農業”是其顯著特點。新疆農業灌溉用水量占總用水量的92.87%[1]，干旱缺水已經成為制約新疆經濟發展的主要因素之一。建設節水型現代農業是實現新疆農業和生態環境可持續發展的重要舉措，發展節水型特色林果產業以推進農業產業結構升級，及保護綠洲生態環境十分有益。【前人研究進展】近年來，一系列研究均表明冠氣溫差可反映出作物水分狀態。孟平等[2]研究了蘋果樹冠氣溫差與土壤墑情及氣象因子關系，得出蘋果樹冠氣溫差只與土壤水分有顯著關系，其他因素不顯著，且用冠氣溫差來預測土壤含水量具有很好的可行性；魏征等[3]從不同灌溉處理條件下冬小麥水分生理與光合生理的角度，以冠氣溫差為指標，研究兩種水文年條件下基于冠氣溫差的水分虧缺診斷，為冬小麥精準灌溉提供指導；王東豪等[4]研究了葡萄根系層冠氣溫差與土壤相對含水量的關系，研究表明，典型晴天日14:00的冠氣溫差測來預測葡萄土壤水分的方法是可行的。【本研究切入點】目前對紅棗冠氣溫差的研究少之又少，且新疆紅棗種植多依賴經驗灌溉，沒有形成系統的理論基礎。以冠氣溫差為判斷指標，對紅棗水分狀態做出判斷及預測。【擬解決的關鍵問題】采用紅外測溫儀測得的棗樹各生育階段的冠氣溫差，結合采集的土壤相對含水量RSW、冠層凈輻射值Rn、風速V、空氣溫度Ta和濕度RH，以彭曼公式為理論模型，探究紅棗土壤墑情及氣象因子與冠氣溫差的關系，并以紅棗各生育期適宜的土壤相對含水量上限值對應的冠氣溫差作為水分虧缺的判斷指標，為阿克蘇地區紅棗提供灌溉決策[5-6]的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗區位于新疆阿克蘇地區，距離阿克蘇市11 km的農業科技園區內(80o19'～80o20' E，41o16'～41o17' N)，其氣候屬于溫帶大陸性氣候，光熱資源豐富，年平均太陽總輻射量544.115～590.156 kJ/cm2，多年平均日照時數2 855～2 967 h，無霜期長達205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm。多年平均氣溫11.2oC，年有效積溫為3 950oC，4～10月的植物生長季平均氣溫為16.7～19.8oC，晝夜溫差大。試驗區土層深度在100 cm以內均為砂壤土，平均容重為1.42 g/cm3，經試驗測得土壤30～60 cm深度平均田間持水量為34.2%(體積含水率)，0～50 cm土壤有機質1.87%，全氮0.121%，全磷0.208%，堿解氮77.4 mg/kg，速效磷93 mg/kg，速效鉀310 mg/kg。

所用數據皆為查閱資料所得[7]。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

以阿克蘇地區樹齡為5年灰棗為研究對象，株徑4～5 cm，果樹高2.5～3 m，株距2 m，行距3 m，果樹長勢均較均勻。紅棗的主要生育期持續時間約為200 d，分別為4月1～20日的萌芽期，4月21日～5月20日的展葉期，5月21日～6月30日的開花期，7月1日～9月20日的幼果期及幼果膨大期，9月21日～10月20日的成熟期。棗樹灌溉方式為滴灌，一行雙管、距樹50 cm布置方式，滴灌管徑16 mm，滴頭間距50 cm，灌溉定額為每次600 m3/hm2。

在阿克蘇紅棗試驗基地紅棗萌芽期、展葉期、開花期、幼果期以及成熟期5個生育期中選取1個典型晴天，各生育期典型晴天對應的日期分別為4月10日、5月13日、6月20日、8月10日和10月8日；在紅棗各生育期中選取一個典型陰天，對應的日期分別為4月15日、5月10日、6月13日、8月15日和10月11日，繪出典型晴天日和典型陰天日的日冠氣溫差變化。

1.2.2 土壤墑情監測

(1)土壤含水率

在研究田中選取4株典型且矩形分布的棗樹，在矩形區域長寬所在的連線上各等距設置3個觀測點，矩形兩條對角線各等距布置4個觀測點，各方向土壤體積含水率采用土壤水分儀TRIME-IPH進行測量，灌溉前后的第1 d、第3 d和第5 d測定土層10 、20、30、40、50、60、80和100 cm的含水率，1 h測1次，降雨后加測，其他時間每隔5 d監測1次。

選取30～40 cm的土壤含水量平均值來推求冠氣溫差。

(2)土壤溫度

采用地溫計在棗樹株間位置5、10、15、20及25 cm深度處監測地溫，每天14:00監測1次，取平均值。

1.2.3 氣象要素

在矩形中心處設置1.5 m高的自動氣象站(Watchdog, USA)，在棗樹萌芽期前安裝并設置啟動運行，架設高度為4.5 m，采集太陽總輻射Q，冠層凈輻射Rn，空氣溫度Ta，相對濕度RH，風速V及降雨量P等氣象數據，記錄時間設置為30 min。觀測時間4月1日到10月1日，棗樹全生育周期降雨量與參考作物蒸發蒸騰量ET0。圖1

圖1 觀測期棗樹全生育階段雨量與ET0Fig. 1 Rainfall and ET0 of jujube during the whole growth period

1.2.4 冠層溫度

分別于4月到10月典型晴天日14:00，使用FLUKE紅外測溫儀測量棗樹樹冠上方0.5 m處，順著太陽光的入射方向，以45o俯角測定其冠層葉溫(Tc)，每棵棗樹測3次，4棵棗樹共測12次，取平均值作為此時的棗樹冠層溫度；并于4～10月典型晴天和典型陰天日觀測Tc的日變化規律，觀測時間為當天的08:00～20:00，觀測時間間隔為1 h。

紅外測溫儀監測可得冠層溫度(Tc)，監測的氣象要素可得大氣溫度(Ta)，冠氣溫差(ΔT)為冠層溫度(Tc)與大氣溫度(Ta)的差值，即ΔT=Tc-Ta。

1.2.5 理論模型

Jackson 等[8]以Penman-Monteith公式為理論模型，提出了冠氣溫差的理論計算方法；孟平等[2]對Jackson 提出的公式進行了簡化，運用多元線性回歸的方法提出了蘋果樹冠氣溫差與環境因子的關系。果樹1 d內的冠氣溫差與土壤相對含水量關系表現差異很大，但研究表明[9-10]，果樹12:00～16:00的冠氣溫差與土壤相對含水量相關性最強，12:00～16:00的冠氣溫差能在一定程度上反映阿克蘇地區紅棗的水分虧缺情況。研究理論模型是基于Penman-Monteith公式，運用多元線性回歸的方法，針對阿克蘇地區棗樹，提出阿克蘇地區紅棗冠氣溫差與土壤墑情及環境因子的簡化計算模型，其目的是用冠氣溫差的大小來表明紅棗的缺水狀態。

研究土壤水分指標為土壤相對含水量，字母表示為RSW，RSW計算方法如下：

(1)

式中，SW為土壤含水量，FC為田間持水量，是植物吸收水分上限值，其通常作為灌溉定額的計算指標。

1.3 數據處理

選取典型晴天日14:00對應的冠氣溫差、土壤墑情及氣象因子的部分數據，運用SPSS軟件對數據進行回歸分析，冠氣溫差及其相關因素統計。

在SPSS軟件中運用逐步回歸方法，逐步回歸會自動剔除不顯著的變量。

2 結果與分析

2.1 紅棗冠氣溫差日變化規律

研究表明，阿克蘇地區紅棗在萌芽期、展葉期、開花期、幼果期以及成熟期的冠氣溫差在典型晴天日整天呈現單峰變化規律，其最小值出現在1 d中的13:00～14:00，最小值達到了-7.0℃，變化范圍在-7.0～1.1℃，由于不同生育期紅棗自身需水情況、土壤墑情及氣象條件的不同，紅棗各生育期典型晴天日同一時刻冠氣溫差差異明顯，但整體變化趨勢一致。

陰天情況下，阿克蘇地區紅棗冠氣溫差隨時間變化規律不明顯，整體呈現出多峰變化規律，其1 d內冠氣溫差最小值也主要集中在13:00～14:00，最小值為-4.2℃，變化范圍在-4.2～1.9℃，最小值明顯低于晴天日，且其變化范圍也低于晴天日，紅棗冠氣溫差在晴天日隨時間變化表現的更敏感。

阿克蘇地區紅棗在典型晴天日和典型陰天日各生育期冠氣溫差最小值大部分集中在14:00，小部分在13:00達到最小值，且晴天日冠氣溫差更敏感，用冠氣溫差來判斷棗樹缺水情況應選擇晴天日14:00的冠氣溫差。圖2，表1

圖2 典型晴天和典型陰天紅棗樹冠氣溫差隨時間變化Fig. 2 Canopy-air temperature differencial of jujube canopy on typical sunny and cloudy days with time

表1 冠氣溫差及相關因素Table 1 Statistics of canopy-air temperature differential and related factors

2.2 冠氣溫差與土壤墑情及氣象因子關系

研究表明，模型1和模型2其考慮的模型1是冠氣溫差與土壤含水量的關系，模型2是冠氣溫差與土壤含水量及冠層凈輻射的關系。兩個模型的結果皆在0.01

當土壤墑情和氣象因子數據充足時，由逐步回歸結果可得模型2。

ΔT=4.8-11.7RSW+0.003Rn.

(2)

式中，ΔT為冠氣溫差，RSW為土壤相對含水量，Rn為冠層凈輻射值，由擬合結果可知，回歸模型R2為0.923，模型擬合程度較高。

當氣象數據缺失，只有土壤墑情數據時，也可只用土壤相對含水量來預測冠氣溫差。

ΔT=5.5-12.2RSW.

(3)

式中，各項字母意義與公式(2)相同，只考慮土壤相對含水量的回歸模型R2為0.907，擬合程度較高。表2

表2 模型回歸Table 2 Model regression Results

2.3 冠氣溫差回歸模型驗證

研究表明，回歸模型1最大相對誤差為31.82%，最小相對誤差為-4.00%；回歸模型2最大相對誤差為22.73%，最小誤差為3.45%，回歸模型1的相對誤差總體上比回歸模型2略大，同時考慮土壤相對含水量和冠層凈輻射比只考慮土壤相對含水量的擬合結果更精確，當數據充分時，應采用回歸模型2，當只有土壤相對含水量這一組數據時，應采用回歸模型1。回歸模型1和回歸模型2相對誤差大部分都集中在20%以內，兩個模型均具有一定的實用性，故可采用此模型來預測冠氣溫差。表3

表3 回歸模型冠氣溫差與實際對比Table 3 Comparison of canopy-air temperature differential between regression model and practical results

2.4 冠氣溫差臨界值

研究表明，冠氣溫差與土壤墑情及環境因子三者數據完整時判斷得來的紅棗水分狀態更準確。當數據不充分時可考慮模型1。

以紅棗各生育期適宜的土壤相對含水量上限值對應的冠氣溫差作為水分虧缺的判斷指標，將土壤相對含水量作為已知因素，代入上文推導出的冠氣溫差模型1，經計算可得臨界冠氣溫差。

紅棗萌芽期和展葉期土壤相對含水量保持在田間持水量的50%～65%為宜，開花期和幼果膨大期土壤相對含水量應保持在田間持水量的70%為宜，成熟期土壤相對含水量應保持在田間持水量的60%為宜[11]，通過模型計算可得，紅棗萌芽期和展葉期臨界冠氣溫差為-2.43℃，開花期和幼果膨大期臨界-3.04℃，果實成熟期臨界冠氣溫差為-1.82℃。當晴天日14:00實測冠氣溫差大于對應生育期的臨界冠氣溫差，需進行灌溉，當小于對應生育期的臨界冠氣溫差，棗樹不缺水，無需灌溉。

3 討 論

3.1 基于充分灌溉條件下提出了阿克蘇成齡紅棗水分虧缺預測模型，而新疆屬于嚴重缺水地區[12]，大部分地區采用非充分灌溉[13]，其灌水量遠達不到紅棗各生育期土壤相對含水量上限值，非充分灌溉條件下的各生育期對水分虧缺的敏感程度及預測模型有待深入研究。

3.2 研究了冠氣溫差與土壤含水率具有顯著相關關系，這一觀點與孟平、魏征、王東豪等[2～4]一致，因此可以用冠氣溫差預報紅棗水分狀態。研究了充分灌溉條件下以冠氣溫差來預測紅棗樹的水分虧缺狀態，并未確定紅棗樹的灌水量和灌水頻率，灌水量、灌溉頻率與產量的關系仍需進一步研究。

3.3 研究只針對阿克蘇地區的土壤墑情及氣象條件，模型應用具有一定的局限性。

4 結 論

4.1 紅棗樹各生育期晴天ΔT隨時間表現出單峰拋物線關系，陰天ΔT隨時間表現出多峰曲線關系，陰天日絕對ΔT值明顯低于晴天日，ΔT峰值均出現在13:00～14:00，且峰值大部分集中在14:00，故選取14:00的冠氣溫差來判斷及預報土壤水分虧缺。

4.2ΔT與SW、Rn、V、Ta及RH的多元線性回歸分析表明，SW和Rn與ΔT有明顯的相關關系，其他因素不顯著；考慮RSW和Rn的ΔT回歸模型表達式為ΔT=4.8-11.7RSW+0.003Rn，只考慮RSW的ΔT回歸模型表達式為ΔT=5.5-12.2RSW，R2均在0.9以上，擬合程度較好，可靠性較高。

4.3 以土壤相對含水量上限對應的冠氣溫差為臨界值，當晴天日14:00實測冠氣溫差大于對應生育期的臨界冠氣溫差，需進行灌溉，當小于對應生育期的臨界冠氣溫差，棗樹不缺水，無需灌溉。阿克蘇地區紅棗萌芽期和展葉期臨界冠氣溫差為-2.43℃，開花期和幼果膨大期臨界-3.04℃，果實成熟期臨界冠氣溫差為-1.82℃。