調虧灌溉對滴灌核桃樹耗水規律及產量的影響

張紀圓，趙經華，龐 毅，廖 康

(1.新疆農業大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆維吾爾自治區水土保持生態環境監測總站，烏魯木齊 830000；3.新疆農業大學 林學與園藝學院，烏魯木齊 830052)

新疆地區干旱缺水，水資源短缺問題越來越突出。近年來南疆地區核桃產業的發展逐漸增大，但水資源的短缺嚴重影響核桃產業的發展。學者們為了解決這個問題，提出了波涌灌、滴灌、噴灌、涌泉根灌等多種節水灌溉技術，而滴灌技術現已被廣泛接受并使用。滴灌直接將水分配到根部附近土壤，減少了地面的無效蒸發，提高水分利用效率[1-2]。趙經華[3]對滴灌核桃樹不同布置方式和灌水量做了研究，綜合產量和水分利用效率兩個指標，一行三管的布置方式最佳。趙付勇等[4]和李和兵等[5]研究發現滴灌核桃產量比涌泉灌和漫灌分別增產35.82%和7.1%。趙瑞芬等[6]研究發現呂梁山微灌核桃樹灌水定額為120 m3/hm2，灌水數為5次時可獲得高產。

調虧灌溉是一種新的灌溉理論，它不僅可以提高水分利用效率，還可以控制營養器官的生長，改善果實品質的同時提高產量[7]。近年來已有大量學者驗證調虧灌溉對小麥[8]、玉米[9]、馬鈴薯[10]等作物有增產節水的作用。對果樹調虧灌溉的研究主要集中在蘋果[11]、梨樹[12]、葡萄[13]、棗樹[14]和柑橘[15]等，結果表明適度虧水可以抑制營養過盛生長，增大果實的生長，達到節水增產的最終目標。張效星等[15]研究表明，調虧時期內植物葉片的氣孔開度、凈光合速率和蒸騰速率降低，耗水量減少，水分利用效率提高。Ebel等[16]發現蘋果虧水后果實縱橫徑的生長速率低于正常灌溉，但果實膨大期復水后，生長速率與正常灌溉保持一致。許健等[13]研究表明，設施葡萄在萌芽期虧水有顯著的節水增產效果。邱德玉等[17]研究發現葡萄抽蔓期虧水降低耗水量，降低產量。

目前國內外有大量學者對調虧灌溉進行研究，但對滴灌條件下的核桃樹調虧灌溉研究較少。因此，擬通過在不同生育期進行不同調虧程度的試驗，研究核桃的生長、耗水規律、產量及水分利用效率的變化，為南疆核桃的灌溉制度提供科學依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于新疆中西部阿克蘇地區紅旗坡新疆農業大學林果實驗基地(80°14′E，41°16′N)，海拔約1 133 m，屬于典型的溫帶大陸性氣候，降水稀少，年平均降水量42.4～94.4 mm。該區光熱資源豐富，年均日照時數2 855～2 967 h，年均氣溫11.2 ℃，年均太陽總輻射量544.115～590.156 kJ/cm2，全年無霜期達205～219 d。試驗區0～40 cm土層土壤質地為粉砂壤土，體積質量為1.40 g/cm3；40～60 cm土層土壤質地為壤砂土，體積質量為1.40 g/cm3；60～100 cm土層土壤地質為細砂，體積質量為1.36 g/cm3。

1.2 試驗設計

以‘溫185’核桃樹為試材。株行距 2 m×3 m，主要生育期劃分為萌芽期(Ⅰ)、開花坐果期(Ⅱ)、果實膨大期(Ⅲ)、硬核期(Ⅳ)、油脂轉化期(Ⅴ)和成熟期(Ⅵ)。灌溉方式采用滴灌，滴灌管分別布置在核桃樹兩側0.5 m處，滴灌管為壓力補償式，滴頭間距0.5 m，流量3.75 L/h。試驗按灌水量設置3個水平，正常灌水ETc、輕度虧水75%ETc和中度虧水50%ETc；共6個處理(表1)，其中全生育期正常灌水為對照組(W0)。每個處理中均選擇長勢相同的核桃樹3棵，即3次重復。各處理除灌水不同，其他均采用一致的農藝措施。不同階段作物系數Kc值見表2。

表1 核桃樹不同處理的調虧灌溉設置

表2 不同階段作物系數Kc值

1.3 測定項目與方法

氣象數據：使用可全天自動觀測氣象數據的WATCHDOG小型自動氣象站采集。

土壤含水率：采用土壤水分儀TRIME-IPH測定土壤含水率。測定深度為120 cm，間隔為20 cm。每棵試驗用樹布設3根TRIME管，分別布置在行間距樹150 cm處、株間距樹50 cm和株間距樹100 cm處。測定時間為核桃樹灌水前和灌水后。如有降雨、生育階段轉變時，需進行加測。

SPAD值：采用SONY公司生產的手持式葉綠素指數儀測定。每棵樣本樹選擇4片樹葉作為固定樣本，四個方向各一片，在每片葉片3個不同位置各測一個值，最后取此3個數值的平均值為葉片的葉綠素指數。

果實縱、橫徑：采用精度為0.01 mm的數顯式游標卡尺進行測量。在所選固定的葉片樣本附近選取長勢一致的核桃果實做標記，直到果實縱、橫徑不再發生變化為止，計算體積。

果實產量：核桃成熟時，分別測算每個處理固定樣本樹上的果實個數。每棵樹隨機抽取100顆，去掉青皮后稱取鮮質量，曬干后計量每顆的單果質量以及仁質量。

1.4 指標計算方法

參考作物蒸發蒸騰量：采用1998年FAO推薦的Pen-Monteith公式計算。

式中：ET0為參考作物蒸發蒸騰量(mm/d)；Rn為凈輻射量[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；T為平均氣溫(℃)；U2為2 m高處的平均風速(m/s)；ea為飽和水汽壓(kPa)；ed為實際水汽壓(kPa)；γ為干濕表常數(kPa/℃)；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa/℃)。

耗水量、耗水強度和耗水模數：通過測定計算核桃生育期內各階段的土壤含水量與有效降雨量，計算作物耗水量，耗水量的計算公式為：

式中：ET1-2為階段耗水量(mm)；i為土壤層次號數；n為土壤層次總數；γi為第i層土壤干容重(g/cm3)；Hi為第i層土壤厚度(cm)；θi1為第i層土壤階段初含水量，θi2為第i層土壤階段末含水量，以占干土重的百分數計；M為時段內的灌水量(mm)；P0為時段內降水量(mm)；K為時段內的地下水補給量(mm)(本試驗地的地下水埋深較深，地下水補給量視為0)。

耗水強度=ET1-2/d

式中：ET1-2為階段耗水量(mm)；d為耗水天數。

耗水模數=ET1-2/d

式中：ET為全生育期耗水量(mm)。

水分利用效率及灌溉利用效率：WUE=Ya/ET，IWUE=Y/I

式中：WUE為水分利用效率[kg/(hm2·mm)]；IWUE為灌溉利用效率[kg/(hm2·mm)]；Y為核桃產量(kg/hm2)；ET為全生育期耗水量(mm)；I為生育期內總灌水量(mm)。

CRITIC法進行綜合評價：CRIRIC法是一種基于評價指標的對比強度和指標之間的沖突性來綜合衡量指標的客觀權重[18]。選擇核桃的6個指標作為評價變量，分別為耗水量(X1)、單果質量(X2)、仁質量(X3)、產量(X4)、WUE(X5)、IWUE(X6)。采用SPSS 19.0對所需評價指標進行相關分析，得到相關系數矩陣R=(Rij)6×6根據下面的公式進行權重計算[19]：

1.5 數據分析

試驗數據經Excel 2019整理后，利用SPSS 19.0對數據進行單因素方差分析，利用LSD法檢驗差異顯著性(P<0.05)。采用Excel 2019進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 核桃全生育期參考作物蒸發蒸騰量變化 規律

整理自動氣象站的氣象數據，利用Pen-Monteith公式計算試驗地的ET0，降雨與ET0計算結果如圖1所示。降雨主要集中在4月下旬和7月中旬至9月上旬。核桃全生育期內參考作物蒸發蒸騰量ET0平均值為3.92 mm/d，季節性變化明顯。4月ET0的波動較大，平均值是 2.95 mm/d。5月的ET0在3 mm/d以上，隨后逐漸增大，7月份達到最大值4.83 mm/d，8月份之后，伴隨氣溫和太陽輻射的作用ET0逐漸降低至2.5 mm/d。

2.2 調虧灌溉對核桃生長發育的影響

2.2.1 調虧灌溉對核桃葉片SPAD值的影響 SPAD值是一個無量綱，可以衡量葉綠素含量的高低，SPAD值越高，葉片顏色越深，葉片光合能力越強[20-21]。如圖2所示，各處理間核桃樹葉片SPAD值的變化規律一致，隨著生育期的推進呈現先增后減的規律。6月10日前由于葉片不斷的生長，SPAD值的增加最為迅速；到6月30日前葉片的生長速度下降，SPAD值的增加比較平緩，此時的營養物質多數供應到果實的生長中；7月初期到8月中旬核桃葉片趨于穩定至停止生長，SPAD值保持穩定；9月份，葉片衰老變黃SPAD值降低。圖2-A為Ⅰ期虧水Ⅱ期復水后SPAD值的變化情況，各處理SPAD值的大小表現為W3>W0>W4，表明Ⅰ期進行輕度虧水并Ⅱ期復水后可以促進核桃葉片SPAD值的增加，而中度虧水，與W0相比葉片SPAD值較小，沒有快速恢復，在Ⅴ期時達到正常水平，可能由于虧水強度的加大，推遲核桃樹的發芽與生長，后期的充分灌溉使之正常發育。圖2-B為Ⅱ期虧水，各處理SPAD值表現為W1>W2>W0，W1和W2平均值分別比W0提高5.00%和4.24%。Ⅱ期進行虧缺灌溉促進核桃葉片SPAD值的增加；Ⅲ期復水后，W1和W2的SPAD值與W0的差異更明顯，這是因為復水后前期累積的有機物又轉向營養器官的生長，使葉片快速生長。圖2-C為Ⅰ+Ⅱ期連續輕度虧水，前期虧水處理與對照間一致，這是因為Ⅰ期虧水，抑制核桃樹的發芽，Ⅱ期復水帶來的補償被抵消。

2.2.2 調虧灌溉對核桃果實體積的影響 圖3為不同生育期調虧灌溉的滴灌核桃果實體積生長動態變化曲線。核桃生育期內，不同調虧程度的果實體積生長隨時間的推移總體表現為先快速，后緩慢，再趨于穩定3個階段，各處理相似，具有同步性。5月5日到6月2日為核桃體積的快速增長期，6月2日到6月30日為緩慢增長期，7月到最后進入穩定生長期。前期虧水后各處理的果實體積均大于W0。Ⅰ期虧水后核桃果實體積的變化如圖3-A，調虧度越大后期果實的體積增加越大。W3和W4終體積分別較W0提高6.43%和23.34%。Ⅱ期虧水后核桃果實體積的變化如圖3-B，隨著調虧度的加重，果實體積的增加幅度降低。W1和W2最后的果實體積分別大于W0的24.21%、13.73%。Ⅰ+Ⅱ期連續輕度虧水后，如圖3-C，W5的體積大于W0的13.68%。由此可見，核桃樹在Ⅰ期和Ⅱ期進行適度的虧水處理，形成水分脅迫，后期復水保證土壤水分充足，可以促進果實的生長。

2.3 調虧灌溉對核桃耗水規律的影響

不同生育期進行不同虧水灌溉后的耗水量、耗水模數和耗水強度見表3。核桃生育期耗水量、耗水模數總體呈單峰曲線，均為先升高再降低，調虧灌溉對整體趨勢沒有影響。全生育期不同處理核桃的耗水量為725.06～756.08 mm，虧水程度越大耗水量越小。W1、W2的耗水量較W0處理分別減少2.74%、4.06%。W3、W4的耗水量較W0分別減少2.12%、2.62%。W5的耗水量較W0減少4.10%。從各生育期階段的耗水量來看，耗水量隨生育期的變化而變化，耗水規律為：Ⅴ期最大，耗水量為288.72～298.87 mm；其次為Ⅳ期、Ⅲ期，耗水量分別為139.18～144.42 mm、122.46～125.68 mm；Ⅰ期耗水量最少。各生育期不同處理間的耗水量表現：Ⅱ期為W0>W1>W2處理；Ⅰ期為W0>W3>W4處理；Ⅰ+Ⅱ期連續虧水同樣是W0的耗水量最大。可見，耗水量隨灌水量的減少而降低。

從各生育階段耗水強度看，虧水階段的日耗水強度均較低。在Ⅱ期進行虧水的W1、W2處理，耗水強度分別為2.69 mm/d、2.39 mm/d，較W0分別降低21.65%、30.52%；Ⅰ期的W3、W4處理，耗水強度分別為2.32 mm/d、1.94 mm/d，較W0分別降低21.50%、32.35%；Ⅰ+Ⅱ期虧水的W5處理耗水強度分別為2.30 mm/d、2.64 mm/d，較W0分別降低21.88%、23.03%。各生育階段的耗水強度在不同處理之間與耗水量表現一致，且任一階段的虧水都影響全生育期的耗水強度。

耗水模數是反映各個生育階段的耗水量在全生育期耗水中所占的比例，可顯示不同生育期對水分的敏感度。耗水模數從前期逐漸增大，至Ⅴ期達到峰值，為38.5%～40.37%，其次為Ⅳ期，耗水模數為18.81%～19.68%。這兩個時期氣溫最高，是核桃樹生長最旺盛，需水量最大的時期。可見，在Ⅴ期和Ⅳ期是核桃樹的需水敏感期。Ⅰ期和Ⅱ期進行虧水，耗水模數的變化規律與各階段的耗水量一致，虧水度越大，耗水模數越小。

2.4 調虧灌溉對核桃產量和水分利用效率的 影響

從表4可以看出，各處理調虧后，單果質量和仁質量均有增加。分析可以看出單果質量最大的是W1處理，為12.59 g；其次是W3處理，為 12.52 g，較W0處理分別顯著增加 7.88%和 7.28%，W2、W4和W5處理分別增加4.28%、6.26%和6.43%。其中W4和W5處理的仁質量比W0處理顯著增加6.53%和6.40%；其他較W0處理差異不顯著。

由表3和表4可知，耗水量與產量兩者并不是簡單的正比關系，耗水量最大的W0處理，核桃產量并不是最大的。在核桃Ⅱ期進行水分虧缺，通過比較W0與W1、W2的核桃產量發現，W1較W0增產效果顯著，增產35.02%;W2處理增產不顯著，這是因為Ⅱ期虧水能夠有效抑制枝條的生長，有利于后期果實的形成。通過比較W0與W3、W4處理的核桃產量，發現核桃Ⅰ期進行虧水增產效果較好，分別增產20.52%和10.96%，主要是因為該期為核桃樹營養器官生長的初始階段，對生殖生長影響較小。Ⅰ+Ⅱ期連續虧水，W0與W5處理比較，W5顯著增產32.46%。

表3 不同生育期調虧灌溉的核桃樹耗水量

通過表4分析核桃的WUE可知，核桃樹的WUE在W1和W5處理中最大，分別為9.18和9.13 kg/(hm2·mm)，比W0處理分別提高 38.89%和38.19%；其他處理與W0也有顯著差異；耗水量最大的W0處理，其WUE最小為4.50 kg/(hm2·mm)。核桃樹的IWUE變化規律和WUE相似，W1和W5處理最大，比W0分別提高39.78%和38.46%；其他處理與W0不存在顯著差異。

表4 不同生育期調虧灌溉的核桃產量和水分利用效率

通過比較核桃樹的產量、WUE和IWUE可知，在Ⅱ期和Ⅰ期進行虧水，核桃產量、WUE和IWUE都可以提高；然而最優的水分虧缺應是W1處理，此時核桃的產量和WUE均達到最大。

2.5 基于CRITIC法核桃樹產量的綜合評價

表5是根據Cj和Wj計算公式得到各品質指標權重。基于各指標權重和標準化矩陣計算得到各處理綜合得分及排序(表6)，可以看到在滴灌情況下各水分虧缺處理的核桃樹綜合排名為W1>W5>W3>W4>W2>W0，最優處理為W1。此結果與“2.4”結論一致。

表5 各指標的權重

表6 各處理核桃樹產量得分及排序

3 討 論

核桃耐儲存，營養價值高，是重要的堅果種類，然而水分是影響核桃樹高產的重要因素，不同生育期的需水量又不同，因此在滴灌條件下研究調虧灌溉對核桃生長與耗水規律有著重要意義。適量的缺水，復水后在生長上會產生補償效應[22]。本研究發現在核桃樹Ⅱ期虧水可提高SPAD值；復水后除去Ⅰ期中度虧水，其他處理均有利于SPAD值的提高，虧水度越大，SPAD值降低幅度越大。樊金栓等[23]研究核桃發現，隨著控水度的增加，SPAD值降低。研究棗樹發現在Ⅰ期進行水分虧缺能夠提高SPAD值[24]。

棗樹在萌芽展葉期和開花坐果期虧水會降低果實體積和單果質量[14, 25]。本研究發現核桃樹早期進行調虧灌溉后期復水均增加果實體積的大小，這與Parvizi等[26]等研究石榴虧水的結論相似。本研究發現單生育期虧水對核桃的單果質量的影響較小，而Ⅰ+Ⅱ期輕度虧水則使其顯著下降，原因可能是單生育期虧水抑制營養生長累計能量，復水后的補償有利于核桃樹的生長，所以沒有明顯降低單果質量，而后者由于連續虧水，使前期為果實累積的能量不夠，果實細胞恢復能力差，導致降低單果質量[27]。本研究發現調虧灌溉均提高單棵果樹果個數，這與張鵬等[28]的結論一致，這是因為適當的缺水導致花蕾提前凋謝，減少授粉[29]，并引起幼果掉落，把更多的營養與水分輸送給留下的幼果，提高坐果率，提高產量。

李光永等[30]在研究充分灌溉和調虧灌溉對核桃需水的影響發現，前者耗水量為625.1 mm，后者減少20%的耗水；蘋果連續3 a進行調虧，節水幅度分別為3.81%～32.77%、2.63%～22.80%、6.03%～18.71%[11]。本研究發現核桃樹在Ⅴ期耗水量最大，占全生育期耗水總量的38.50%～40.37%，Ⅳ期占全生育期耗水總量的18.81%～19.68%。趙經華[3]研究滴灌條件下核桃耗水規律發現全生育期耗水量趨勢呈先增大后降低，在Ⅳ+Ⅴ期達到峰值，遠高于其他生育期，本試驗結果與此一致，這是由于該生育期階段的氣溫高、太陽輻射大，使核桃葉片及果實快速增長，同時蒸騰蒸發量占主要成分，故耗水量較大。本研究發現水分虧缺的生育期耗水強度顯著下降，李征珍[31]研究也表明，水分虧缺降低葡萄日耗水量；且水分虧缺程度越重及缺水時間越長，耗水持續加重，兩者結論一致。

前人研究發現，作物進行適度的缺水不會對產量造成影響，卻能顯著提高作物WUE和IWUE[32-33]；作物生長的早期可以進行適當的虧水[34]。本研究結果與上述結論具有一致性，W1和W5處理調虧后核桃樹產量、WUE和IWUE顯著增加，這是因為虧水抑制枝條的生長，由營養器官的生長轉向生殖器官的生長，提高果樹產量；過度的缺水會使植物細胞失水，不能恢復正常生長，最終導致減產[35]。

4 結 論

核桃樹的SPAD值隨生長時間呈先增大后減小的趨勢，果實體積呈現先快速—后緩慢—趨于穩定的變化趨勢。調虧灌溉復水后促進核桃樹SPAD值和果實體積的增大。

滴灌條件下，核桃樹全生育期耗水量呈單峰型變化曲線，Ⅴ期的耗水量占總耗水量的 38.5%～40.37%。調虧生育期的耗水量隨調虧程度的加重而減少，調虧后耗水強度顯著降低，由于Ⅰ期和Ⅱ期的耗水量少，總耗水量差異不顯著。

與充分灌溉相比，調虧灌溉降低單果質量和仁質量，增加果實個數。Ⅰ期進行調虧灌溉對產量影響不顯著，W1和W5處理顯著增產，提高WUE和IWUE。其中W1處理核桃產量、WUE和IWUE最大，為最優調虧處理。

經過CRITIC法綜合評價最優選擇是W1，兩者結果一致。