幼齡期壓砂地枸杞產量和品質多指標耦合灌溉制度優化

馬 波，黃 勇，田軍倉

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏 銀川 750021；3.教育部旱區現代農業水資源高效利用工程研究中心，寧夏 銀川 750021)

枸杞子由于具有良好的抗氧化、抗癌及保護神經和腎臟的功能，同時對維持健康的血糖水平、提高視力和免疫力也有作用[1-3]，越來越被人們廣泛食用。至2016年，中國枸杞種植面積達到13.3萬hm2[4]，種植區域遍布13個省(市)自治區[5]，寧夏枸杞種植歷史由來已久，且品質得到廣泛認可。寧夏中部干旱帶壓砂地由于光照充足、晝夜溫差較大，有利于提高枸杞品質，枸杞種植面積呈逐年增加趨勢，但水資源嚴重緊缺制約壓砂地枸杞的發展，而優化灌溉制度是解決水資源緊缺的一個重要措施，且灌溉制度也影響枸杞品質[6-9]。

灌溉制度優化方法眾多，應用較多的有線性規劃、非線性規劃、動態規劃[10-11]及各種計算模型。早期研究方案主要是基于水量平衡方程所進行的動態規劃[12-14]，吳鑫淼等[15]基于農田水量平衡模擬模型和作物產量計算模型并考慮隨機降雨的影響，建立了對灌溉日期和灌溉水量進行優化的多目標優化模型。毛曉敏等[16]在農田土壤水分平衡模型與作物水分生產函數模型的基礎上，建立作物非充分灌溉制度優化的0-1規劃模型。Jensen模型和Blank模型是以產量最大的單一優化目標灌溉制度優化方法[16-18]；雷彩秀等[19]引入Jenson模型提出基于隨機降雨的水稻灌溉制度制定的方法。于芷婧等[20]基于農田水量動態模擬模型和作物水分生產函數，構建了兩種作物產量最大為目標的輪作農田灌溉制度多目標優化模型。張志宇等[21]以水分生產函數為基礎建立冬小麥-夏玉米全周期灌溉制度多目標優化模型。以產量為目標的灌溉制度優化模型除了水分生產函數外還有一些其他的模型，如AquaCrop模型是利用蒸騰量與歸一化水分生產效率計算地上生物量，通過收獲指數控制最終產量[10]。RZWQM模型能夠準確模擬農田水分和養分循環，較準確地預測不同灌水處理下作物產量差異及土壤含水率狀況[22-24]。ORYZA2000模型[25]能夠比較準確地模擬旱稻的生物量、葉面積動態變化過程及最終產量和根層土壤水分動態，尤其是在模擬穗生物量方面具有較高的準確性[26-27]。

已有灌溉制度優化方法均是針對一定效益的水量分配，而同時考慮產量和品質的模型較少，未見有關枸杞產量、品質灌溉制度優化的研究。本研究在已有研究基礎上提出基于產量、品質的“綜合指標增量”概念，通過回歸方程計算某一單一指標最優時其他各指標增量，獲取“綜合指標增量”，進而確定最優總耗水量，根據上年降水水平年、作物系數(生育階段或旬)進行灌溉制度優化，以期為兼顧產量、品質的灌溉制度優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗點位于寧夏回族自治區中衛市沙坡頭區香山鎮紅圈子村尹東自然隊“寧夏大學壓砂地持續利用研究示范基地”，屬寧夏中部干旱帶環香山地區，地理位置為37°34′N，105°10′E，海拔為1 740 m，年平均氣溫 6.8 ℃。年平均降水量180 mm，多集中于7—9月，全年無霜期155 d。年均蒸發量在 2 100～2 400 mm之間，地下水位埋深120 m，全年日均照2 600～2 700 h，0～40 cm埋深土壤容重1.42 g·cm-3，田間持水率為22.7%(質量百分數)，最大凍土層深1.0 m。土壤初始理化性質為：pH值8.66，全鹽量0.53 g·kg-1，有機質10.15 g·kg-1，堿解氮11.35 mg·kg-1，速效磷0.86 mg·kg-1，速效鉀141.23 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

以樹齡2 a的寧杞5號為研究對象，施用肥料包括復合肥(紅牛國際化工集團有限控股公司，總養分≥51%，N、P2O5、K2O含量分別為17%、17%、17%)，多肽有機肥(臨沂市瑞福來肥業有限公司，N+P2O5+K2O≥5%，有機質≥45%)，微量元素肥(徐州億農豐農化肥有限公司，Cu+Fe+Mn+Zn≥10%)，磷酸二銨(北京中農國控化肥貿易有限公司，N+P2O5≥64.0%)。采用淡化的井水灌溉，井水礦化度處理前為4.26g·L-1，淡化后為0.35g·L-1。

1.3 試驗設計與實施

試驗為單因素3水平對比方案設計，單因素為灌水定額。根據已有試驗結果和樹齡(2 a樹齡)，灌水定額3個水平依次為：300 m3·hm-2(HIW)、225 m3·hm-2(MIW)和150 m3·hm-2(LIW)，每個處理選10棵枸杞樹(枸杞樹行距2 m，株距1.3 m)為一個小區，小區面積26 m2,3次重復。采用小管出流灌水技術，毛管管徑 16 mm，灌水器間距 130 cm，灌水器流量10 L·h-1。全年生長季共灌水11次：萌芽期1次、開花期1次、盛花期2次、初次果實膨大期2次、盛果期3次、秋果期1次、落葉期1次，用水表計量，每次總灌水量為5.26 m3。于5月5日、6月3日、6月20日和7月20日施肥，每次施肥量1154 kg·hm-2。肥料品種及比例(質量百分數)：有機肥28%，磷酸二銨28%，復合肥28%，微量元素肥16%。

1.4 觀測指標及方法

1.4.1 土壤體積含水率 在距離樹干底部20 cm處埋設1 m深TDR探管，灌水前、后觀測土壤體積含水率，測量深度依次為 0～20、20～40、40～60 cm和60～80 cm。如遇降雨，測量雨后土壤含水率。

1.4.2 枸杞產量 每個處理選取3棵生長勢較一致的樣樹觀測，將采集的鮮果自然晾干，稱重計算產量。

1.4.3 品質指標 枸杞多糖和甜菜堿的測定方法分別為蒽酮-硫酸法和高效液相色譜法[28]。β-胡蘿卜素具有良好的抗氧化作用，能夠抗癌、預防心血管疾病和白內障;黃酮是一種抗氧劑，可有效清除體內的氧自由基，阻止細胞的退化、衰老，也可阻止癌癥的發生，這兩個指標對于枸杞品質評價具有非常重要的作用，所以本研究對其進行測定，均采用分光光度法測定[29]。

1.4.4 氣象資料 氣象資料從距試驗點直線5 km處的興仁氣象站獲取，包括降水量、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時數、平均相對濕度。

1.5 數據處理及繪圖

采用DPS進行方差分析和回歸分析，用Excel繪圖。

1.6 壓砂地枸杞灌溉制度優化方法

1.6.1 建立產量、品質指標-耗水量模型 利用農田水量平衡方程[30]計算2次土壤水分觀測階段枸杞耗水量，然后根據時間節點計算出各生育期和各旬耗水量，進而計算全生育期耗水量。分別用各生育期和各旬耗水量除以其對應的天數可得生育期和旬日耗水量。將總耗水量作為自變量，產量、枸杞多糖、β-胡蘿卜素、黃酮、甜菜堿作為因變量，進行回歸分析，得到一元二次多項式回歸方程。

1.6.2 綜合指標增量最優耗水量確定 利用得到的回歸方程計算某一指標最優條件時其他指標與各自最優時相比的增量，用增加量百分比表示，將計算得到的每個指標的增量相加，可以得到某一指標最優時所有指標增量之和，也即綜合指標增量，以此確定的耗水量作為灌溉制度優化最優耗水量。

1.6.3 灌溉制度優化 灌溉制度優化也即在獲取最優綜合指標基礎上進行灌水分配，灌水分配受到土壤初始含水率和降水的影響，尤其壓砂地土壤水分明顯受到上年降水的影響，在結合作物系數的基礎上本研究灌溉制度優化水量分配用式(1)計算：

(1)

式中，Mij為上年降水水平j條件下第i階段計劃灌水定額(mm)；M為最優目標總耗水量(mm)；Wj為上年降水水平j條件下土壤初始儲水量(mm)；ki為階段作物系數；K為作物系數總和；P0(i-1)為i-1階段有效降水(mm)；i為計算階段；j為上年降水年份，j=1為豐水年，j=2為平水年，j=3為干旱年。

作物系數按照公式(2)計算[31]：

(2)

式中，ki為i階段作物系數；ET0i為i階段參考作物潛在蒸散量(mm)；ETai為i階段或某一旬作物實際蒸散量(mm)。

枸杞實際蒸散量按照農田水量平衡方程計算[30]，潛在蒸散量按照改進后的Penman-Monteith公式計算[32]。

2 結果與分析

2.1 枸杞生育期降水分布及灌水定額對土壤水分的影響

灌溉和降水對土壤水分具有直接的影響，不同灌水技術、灌水定額、降水強度和降水量均有不同的影響效果，繪制降雨量、灌水定額和土壤體積含水率如圖1所示。

從圖1a看出，枸杞生育期降水較少，5 mm以上的有效降水10次，遠遠低于灌水定額， 7月27日降水量超過最低灌水定額，為17.7 mm。灌溉水主要集中在夏果花期和夏果期，秋果期由于枸杞生長減緩加之氣溫降低，灌水頻率減小，8月20日灌水后一直到枸杞秋果結束再沒有灌水，落葉期進行了冬灌。

從圖1b、1c、1d看出，各處理0～20 cm埋深土壤體積含水率相對穩定，且相對較低，5月5日第一次灌水開始以后，該層土壤體積含水率接近13%。20～40 cm和40～60 cm土壤體積含水率較高，保持在15%以上，最高時達到23%以上。60～80 cm埋深土壤體積含水率受灌水和降水的影響小，枸杞發育初期耗水量小，土壤體積含水率較高，隨枸杞發育該層土壤體積含水率呈下降趨勢，從15%下降到近似11%。整個生育期HIW、MIW處理20～40 cm和40～60 cm土壤體積含水率在15%以上，LIW處理體積含水率低于15%。

2.2 枸杞不同灌水定額旬耗水和生育階段耗水分析

2.2.1 旬耗水 從圖2a、2b看出，壓砂地枸杞5月上旬耗水量較低，HLW為11.7 mm，MLW為11.2 mm，而LIW僅為5.7 mm，該時期日耗水量在0.5～1.0 mm之間。5月中旬，隨著氣溫的升高和枸杞葉片逐漸展開，枸杞耗水量明顯增加，旬總耗水量為13.6～20.6 mm，旬日耗水量為1.4～2.1 mm，至5月下旬，枸杞旬耗水量進入第一個高峰期，然后開始趨于平緩。6月上旬至7月上旬，枸杞旬耗水量穩定，灌水量和耗水量達到一定程度上的平衡。7月中旬開始，枸杞耗水量明顯增加，到7月下旬，HIW、MIW和LIW處理旬耗水量依次為51.5 、42.4 mm和35.6 mm，日耗水量最大，達到3.2～4.7 mm。8月中旬耗水量開始下降， 8月下旬到9月上旬日耗水量趨于穩定，HIW、MIW和LIW處理日耗水量依次為3.9 、3.2 mm和2.4 mm。

2.2.2 生育階段耗水 從圖3a、3b看出，枸杞萌芽期以蒸發為主，日耗水量僅為0.6～1.2 mm，夏果花期和夏果期較大，夏果花期HIW、MIW、LIW總耗水量依次為：134.1、106.6 mm和82.3 mm，日耗水量為2.4～3.8 mm；夏果期總耗水量依次為：167.7、137.5 mm和114.3 mm，日耗水量依次為4.7、3.8 mm和3.2 mm。秋果期耗水量明顯降低，HIW、MIW、LIW處理階段總耗水量依次為：102.6、83.0 mm和62.2 mm，日耗水量較夏果期降低0.6～0.8 mm。

2.3 灌水定額對枸杞產量和品質的影響

從表1看出，枸杞產量隨著灌水定額的增加而增加，灌水定額對枸杞產量影響顯著(P<0.01)，說明該試驗條件下還可以通過增加灌水定額提高枸杞產量。HIW處理產量分別較MIW處理和LIW處理高3.51%和34.57%，隨著灌水定額的增加，枸杞產量增加趨勢減弱，雖然增大灌水定額產量有可能提高，但產量提高量有限。

枸杞多糖含量MIW處理最高，LIW處理最低，說明過多或者過少灌水都會造成枸杞多糖含量的降低。方差分析表明，MIW處理和LIW處理多糖含量差異顯著(P<0.01)，而MIW處理和HIW處理多糖含量差異顯著(P<0.01)。MIW處理枸杞β-胡蘿卜素含量最高，為0.15%，LIW處理最低，為0.097%，方差分析表明各處理間枸杞β-胡蘿卜素含量差異顯著(P<0.01)。可見枸杞β-胡蘿卡素隨著灌水定額的增加呈先增加后降低的趨勢。MIW處理枸杞黃酮含量最高，LIW處理最低。方差分析表明各處理間差異顯著(P<0.01)，可見灌水定額較大不利于總黃酮積累[9]。LIW處理枸杞甜菜堿含量最高，其次是MIW處理，HIW最低，LIW處理枸杞甜菜堿含量比MIW處理和HIW處理分別高20.78%和14.28%。甜菜堿作為滲透調節物質對植物應對干旱、鹽堿等脅迫有重要作用。水量充足時甜菜堿合成較少。

枸杞產量和品質指標同時達到最優是一種理想的狀態，虧缺灌溉條件下，枸杞產量隨灌水定額的增大而增加，由于品質指標較多，隨灌水定額變化品質指標很難形成一致的趨勢，這是因為各指標對水分的響應有各自的特征。干旱脅迫有助于枸杞糖類合成，但會明顯降低枸杞產量。灌溉定額高時枸杞產量、總糖、甜菜堿、胡蘿卜素含量不是最高[7]，研究發現灌溉定額接近于345 mm時可獲得較為理想的多糖和甜菜堿[8]。一定灌溉定額時增加灌水次數枸杞多糖含量顯著增加，但產量減少，土壤水分虧缺可促進枸杞果實糖分的積累，增加總糖含量。水分虧缺可以提高品質指標，但會影響枸杞產量[9]。

圖2 枸杞旬總耗水量和旬日耗水量Fig.2 The total and daily water consumption of ten-day of a month of Lycium barbarum L.

圖3 枸杞各生育階段總耗水量及階段日耗水量Fig.3 Total and daily water consumption of Lycium barbarum L.

2.4 壓砂地枸杞灌溉制度優化

以耗水量為自變量、各指標為因變量建立一元二次回歸模型，結果如表2所示。

判斷式(3)～式(7)極值并求其獲得極值時的耗水量xi和最優指標值yi，當x1=471.9 mm、x2=405.7 mm、x3=450.0 mm、x4=525.0 mm時枸杞產量、多糖、β-胡蘿卜素和黃酮可以獲得極大值，值依次為y1=1 426.0 kg·hm-2、y2=3.91%、y3=0.201%、y4=0.903%，當x5=543.0 mm時甜菜堿獲得極小值，y5=0.60%。

農作物產量、品質均達到最優具有一定的難度，本文提出“綜合指標增量”的概念，分別計算某一指標達到最優時其他指標的增量，將各指標增量之和最大作為可選最佳方案，計算發現β-胡蘿卜素最大時“綜合指標增量”最大，為-5.4%，總耗水量為450 mm。

表1 不同處理下枸杞產量及品質指標

注：不同小寫字母表示處理間具有顯著差異(P<0.05),不同大寫字母表示處理間具有極顯著差異(P<0.01)。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments atP<0.05 level; different capital letters indicate significant difference atP<0.01 level.

壓砂地與露地相比較，土壤水分受到上年降水的影響，也即作物發育初始含水率與上年降水量有關，所以灌溉制度優化要考慮上年水文年。觀測發現上年水文年分別為豐水年、平水年和干旱年時，0～80 cm埋深土壤初始儲水量對應為55.9、49.3、42.7 mm[33]。根據式(1)、生育階段耗水量、旬耗水量和作物系數進行生育階段和旬灌溉制度優化，結果見表3和表4。

從表3、表4看出，優化后夏果花期灌水量明顯增加，夏果期灌水量達到相對較大，平水年與干旱年份該值均超過100 mm。秋果期由于持續時間較長，所以總需水量比較大，然而由于秋果期處于當地降水比例較大時段，在有效降水條件下灌水定額相對較小。從時間上來看，6月中旬開始枸杞需水量明顯增大，8月上旬達到最大，在46 mm以上，到8月中旬開始需水量有所下降，9月上旬由于秋果開始采摘，枸杞需水量有所增大，所以灌溉定額需要增加。已有灌溉制度側重于一定產量目標的灌溉制度，而本文是對產量、品質指標耦合狀況下所優化的灌溉制度，在各生育階段或時期耗水量一致的情況下，灌水定額和灌水次數是可動態調節的。

表2 枸杞產量和品質指標最優耗水量計算回歸方程

表3 枸杞生育階段灌溉制度優化

表4 枸杞旬灌溉制度優化

注：FTD，MTD和LTD分別代表各月的上旬、中旬和下旬。

Note: FTD, MTD, and LTD are the first-ten-day, middle-ten-day and last ten-day period of a month, respectively.

3 討論與結論

土壤水分對枸杞產量和品質均有一定程度的影響，但對各指標的影響趨勢不盡一致，要獲取理想的產量和優良的品質，就要合理調節灌溉制度。獲得較高的產量勢必影響枸杞品質，要想獲得優良的品質，那么枸杞產量就不能得到保障，所以用“綜合指標增量”最優來調節灌溉制度對寧夏中部干旱帶壓砂地枸杞優質高產具有一定的參考。

幼齡期壓砂地枸杞5月上旬處于枸杞萌芽期，葉片還沒有完全展開，耗水以土壤蒸發為主，耗水量隨灌水定額而有所差異，5月中旬，隨著氣溫的升高和枸杞葉片逐漸展開，耗水量明顯增加，至5月下旬，枸杞旬耗水量達到一個高峰期，然后開始趨于平緩。在6月上旬至7月上旬，枸杞旬耗水量保持在一個穩定狀態。7月中旬枸杞開始進入夏果期，耗水量明顯增加，到7月下旬最高旬耗水量達到51.5 mm，該時期日耗水量也是整個生育期日耗水量最大時期，達到3.2～4.7 mm，這種狀況一直持續到8月上旬結束。8月中旬開始，耗水量開始下降，8月下旬到9月上旬，旬日耗水量趨于穩定，介于2.4～3.9 mm之間。幼齡期壓砂地枸杞耗水量最大時期為夏果花期和夏果期，進入秋果期后壓砂地枸杞耗水量明顯降低。

灌水定額對枸杞產量影響顯著，HIW處理產量分別較MIW處理和LIW處理高3.51%和34.57%。灌水對枸杞多糖、β-胡蘿卜素和黃酮具有明顯的影響，灌水定額為225 m3·hm-2時可獲得較高的枸杞多糖、β-胡蘿卜素和黃酮，含量分別為4.56%、0.15%和0.41%，當灌水定額減少或增加時都會降低枸杞多糖、β-胡蘿卜素和黃酮，也可說明單次灌水量較大不利于枸杞總黃酮的積累[9]。而枸杞甜菜堿隨灌水定額的增加而減少，本研究條件下灌水定額為150 m3·hm-2時枸杞甜菜堿含量比225 m3·hm-2和300 m3·hm-2分別高20.78%和14.28%，可見，過多的灌水不利于枸杞甜菜堿合成，這與其他文獻[6]研究結果相一致。

計算發現在不同指標最優時的綜合指標增量在-112.2%～-5.4%之間。當β-胡蘿卜素含量最高時的綜合指標增量最大，總耗水量占本研究計算的最大耗水量的88.4%，按照該耗水量和上年水文年進行灌溉制度優化，優化結果顯示，夏果花期開始要明顯增加灌水量，整個生育階段灌水量達70 mm以上，6月中旬開始需要增大枸杞灌水量，每旬的灌水量在29 mm以上。