不同灌水量對呂梁山區(qū)微灌核桃生長特性、耗水規(guī)律和產(chǎn)量的影響

趙瑞芬，程 濱，鄭普山，滑小贊，王 森，王 釗

(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所/土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室,山西 太原 030031)

山西省地處黃土高原東部，屬于溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，日照充足，是我國優(yōu)質(zhì)核桃的生產(chǎn)基地之一。近年來，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)劃調(diào)整，太行山、太岳山、呂梁山的干旱丘陵區(qū)已成為山西省優(yōu)質(zhì)核桃的主產(chǎn)區(qū)。截至2017年，山西省核桃栽植面積已超過53萬hm2[1]，但平均單產(chǎn)不到國家豐產(chǎn)林標(biāo)準(zhǔn)的1/3[2]。研究表明，水分是限制核桃豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)最重要的影響因子，立地水分供應(yīng)狀況對核桃產(chǎn)量與品質(zhì)有決定性的影響[3-4]。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，呂梁山區(qū)有灌溉條件的核桃園大多采用大水漫灌或溝灌，且通常只進(jìn)行冬灌或春灌，水分利用率低。微灌作為新型的節(jié)水灌溉技術(shù)可提高水肥利用效率和作物產(chǎn)量，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)作物和果樹上[5-6]，我國學(xué)者對微灌蘋果[7]、葡萄[8]、棗[9]、獼猴桃[10]等果樹的生長特性及需(耗)水規(guī)律做了大量研究工作，表明果樹需(耗)水量受氣象因素、土壤條件、果樹品種及灌溉方式的影響，且在果樹不同生育期內(nèi)因發(fā)育狀況不同而有很大差異。在新疆干旱區(qū)，胡瓊娟等[11]、張娜等[12]、張龍等[13]、劉新華等[14]、趙經(jīng)華等[15]研究了不同滴灌模式及灌水定額對核桃新梢生長、耗水規(guī)律、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響；王慶江等[16]在分析核桃根系分布、土壤含水率、核桃生長特性基礎(chǔ)上，研究了河北省南部太行山區(qū)核桃的需水規(guī)律，建立了核桃灌溉制度。呂梁山干旱丘陵區(qū)作為山西省核桃主產(chǎn)區(qū)之一，土壤條件、氣候特征有別于新疆和河北省，相應(yīng)的研究成果不適合呂梁山區(qū)的核桃生產(chǎn)，因此，開展呂梁山區(qū)核桃耗水特征研究，制定相應(yīng)的灌溉制度，通過合理灌溉，彌補(bǔ)自然降雨不足，滿足核桃樹體正常生長和果實生產(chǎn)的水分需要，對促進(jìn)核桃產(chǎn)量提高與品質(zhì)提升具有重要意義。鑒于此，以10年生香玲為研究對象，通過田間試驗，探明山西省呂梁山干旱丘陵區(qū)灌水量對盛果期微灌核桃樹生長不同生育階段耗水量、日耗水強(qiáng)度、水分利用效率的影響及土壤剖面含水率的變化，確定該區(qū)適宜的核桃微灌制度，促進(jìn)微灌技術(shù)在核桃上的推廣應(yīng)用。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省呂梁市交城縣洪相鄉(xiāng)洪相村，地理坐標(biāo)N 37.539 5°、E 112.108 5°，屬于暖溫帶大陸性半干旱氣候。年均日照時數(shù)2 446.2 h，年均氣溫10.6 ℃，無霜期175 d，降水量294～491 mm，年平均蒸發(fā)量1 546.8 mm。全年降雨分布不均勻，主要集中在7—9月，占全年降雨量的50%～70%。0～80 cm土層土壤質(zhì)地為砂質(zhì)黏壤土，80～120 cm土層土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，0～120 cm土層平均田間持水量25.6%，干容重1.53 g/cm3，地下水埋深30 m以下，土壤肥力均一。

1.2 供試材料

試驗于2019年3—10月進(jìn)行。供試品種為10年生香玲，屬盛果期核桃，株行距3 m×4 m。施肥及其他田間管理措施與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

1.3 試驗設(shè)計

微灌灌水量根據(jù)試驗地多年降雨量、當(dāng)?shù)亓?xí)慣灌水量和前期研究成果進(jìn)行確定。每個試驗小區(qū)6株樹，設(shè)3個灌水定額：G1(90 m3/hm2)、G2(120 m3/hm2)、G3(150 m3/hm2)，重復(fù)3次。從4月中旬到8月下旬共灌水5次(不考慮春、冬灌)，相對應(yīng)處理灌溉定額為G1(450 m3/hm2)、G2(600 m3/hm2)、G3(750 m3/hm2)，其中，開花期1次、果實膨大期2次、硬核期1次、油脂轉(zhuǎn)化期1次；各處理的灌溉時間和灌溉次數(shù)相同，具體灌水時間為4月10日、5月20日、6月10日、6月30日、8月10日。

灌溉方式采用可調(diào)流量8孔地插式微噴頭，微噴灌毛管平行于樹行布置，每株樹下布設(shè)4個微噴頭，分別位于樹行兩側(cè)平行方向距樹干0.5、1.0 m處，微噴頭距地面2 cm，流量為20 L/h，通過水表控制灌水量。

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.4.1 降雨量 2019年降雨量用全自動雨量計測定核桃生育期內(nèi)每次降雨量，1981—2018年38 a的平均降雨量統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自交城縣氣象局。

1.4.2 土壤含水率 本研究中取4月10日灌前灌后的土壤剖面含水率數(shù)據(jù)分析不同灌水量對土壤含水率變化的影響。此時期核桃樹葉片沒有完全展開，再加上抽枝長葉，棵間蒸發(fā)占主導(dǎo)，核桃的營養(yǎng)生長需水量較大[17-18]。在每個處理中選取樹徑相同、長勢均勻、樹相一致的3株樹作為調(diào)查樹，順樹行在每株調(diào)查樹一側(cè)0.75、1.50 m處各埋設(shè)1根中子管，中子管埋深均為120 cm。在核桃生育期內(nèi)，定期用CPN-503 中子儀監(jiān)測0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm土層土壤含水率，同時采集土樣用烘干法進(jìn)行校正，測頻為10～15 d，每次灌水前后分別測定一次。以同一處理3株樹的測定平均值作為該處理的土壤含水率。

1.4.3 核桃耗水量 按照農(nóng)田水量平衡方程計算核桃耗水量，ETi=Wi1-Wi2+Ii+Pi+G-D，式中:ETi表示核桃某一生育期耗水量(mm)；Wi1為核桃某一生育期始研究土層貯水量(mm)；Wi2為核桃某一生育期末研究土層貯水量(mm)；Ii為某一生育期灌水量(mm)；Pi為某一生育期降雨量(mm)；G為地下水補(bǔ)給量(mm)。因試驗區(qū)地下水埋深>30 m，故設(shè)定地下水補(bǔ)給G=0，本試驗灌水方式為微灌，灌水引起深層滲漏小，即D=0。根據(jù)生育期各個階段耗水量和實際觀測的各生育期時間，計算出耗水模數(shù)(%)和日耗水強(qiáng)度(mm/d)。

1.4.4 核桃形態(tài)指標(biāo) 于4月30日至6月20日內(nèi)每隔10 d，在每個處理監(jiān)測水分的3株調(diào)查樹上進(jìn)行各個生育階段新梢、葉片的觀測，于5月10日至7月30日內(nèi)每隔10 d進(jìn)行果實生長發(fā)育指標(biāo)的測定。

新梢長度：在每株調(diào)查樹東、西、南、北4個方向上各選取1條固定新梢，掛標(biāo)簽編號標(biāo)記，用直尺測量。將測定的12條新梢長度平均值作為該處理的新梢長度。

葉面積：在每株調(diào)查樹固定新梢上的東、西、南、北4個方向各選取第3個復(fù)葉緊靠頂葉的1對葉片，掛標(biāo)簽編號標(biāo)記，用浙江托普云農(nóng)YMJ-CH型葉面積儀測定。將測定的24個葉片的葉面積平均值作為該處理的葉面積。

果實縱、橫徑：從開始結(jié)果，在調(diào)查樹的東、西、南、北4個方向各選取2個果實用游標(biāo)卡尺測量縱、橫徑，將測定的24個果實縱、橫徑平均值作為該處理的果實縱、橫徑。

1.4.5 核桃產(chǎn)量 收獲時單獨計量每株樹的果實數(shù)，并從中隨機(jī)取出50個稱量鮮質(zhì)量，去除青皮后自然晾干，稱量干質(zhì)量，根據(jù)干質(zhì)量計算每株樹的產(chǎn)量。

1.5 核桃樹生育期劃分

為更好地研究不同生育階段核桃的耗水特征，經(jīng)實地調(diào)查、觀測，對核桃的生育期進(jìn)行劃分(表1)。

表1 核桃生育期劃分及對應(yīng)時間

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel及SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 核桃生育期內(nèi)降雨量分析

從圖1和圖2可以看出，2019年試驗地自然降雨在核桃整個生育期分布不均勻，4月降雨量為71 mm，5月無降雨，6月降雨量僅為27 mm，7、8月降雨量為116.5 mm，降水多且集中，核桃全生育期降雨量為196.5 mm，比1981—2018年38 a平均降雨量(343.9 mm)少147.4 mm?？梢钥闯觯?019年試驗區(qū)核桃果實膨大期較干旱，此時是核桃灌水的關(guān)鍵期。

圖1 2019年核桃生育期月降雨量與1981—2018年平均比較

圖2 2019年試驗地核桃生育期降雨量分布

2.2 不同灌水處理對核桃生長發(fā)育的影響

從微灌核桃生育期不同灌水處理核桃葉片、新梢和果實生長(圖3)可以看出，5月30日前為核桃葉片快速增長期，5月30日以后進(jìn)入生長緩慢期。隨灌溉量增加，葉面積增大，6月20日G1、G2、G3處理的葉面積分別為48.81、49.48、52.91 cm2。從新梢出現(xiàn)至5月20日是核桃新梢快速增長期，5月20日以后新梢生長緩慢，隨灌溉量增加，新梢長度增加，處理G3>處理G2>處理G1，分別為16.0、15.3、14.8 cm(6月20日)。自5月11日起，核桃進(jìn)入果實膨大期，果實縱徑快速增長，橫徑生長滯后于縱徑；隨灌溉量的增加，果實縱、橫徑增大，7月20日G1、G2、G3處理的縱經(jīng)分別為47.35、49.39、50.29 mm，橫徑分別為40.24、41.81、42.03 mm。從核桃葉片、新梢和果實的生長來看，4月初到5月中下旬，是核桃營養(yǎng)器官的迅速增長期，此階段灌水有利于葉片增大、新梢生長和果實膨大，為核桃需水關(guān)鍵期，及時充足的灌水是保證核桃正常生長獲取高產(chǎn)的基礎(chǔ)。

圖3 不同灌水量對核桃生長發(fā)育的影響

2.3 不同灌水處理對核桃根區(qū)土壤水分變化的影響

從圖4可知，灌水前，不同灌水處理0～60 cm土層土壤含水率呈遞增趨勢，但變幅較小。60～120 cm土層含水率整體上呈遞減趨勢，80～100 cm土層土壤含水率變化小，100～120 cm土層土壤含水率變幅較大，這與試驗地100～120 cm土層砂粒較多、持水能力較差有關(guān)。灌水后，不同處理土壤剖面0～120 cm含水率大小表現(xiàn)為處理G3>G2>G1，G1和G2處理在80～100 cm土層土壤含水率變化小。灌水定額為G1時，灌水前后60～120 cm土層土壤含水率相差不大，說明灌溉水均在0～60 cm土層內(nèi)貯存，未下滲到60 cm土層以下，灌水量不足；灌水定額為G2時，80～100 cm土層土壤含水率在灌水前后近似，且100～120 cm處土壤含水率灌后大于灌前，說明此灌水量在滿足0～100 cm土層內(nèi)核桃根系吸收水分后，多余的水分下滲到100 cm以下土層；灌水定額為G3時，灌水后0～120 cm土層土壤含水率均大于灌水前，說明此灌水定額充足，除滿足核桃根系吸收水分的需要外，多余的灌水還在0～120 cm土體貯存。比較而言，G2是本試驗條件下核桃適宜的灌水量。

圖4 不同灌水處理灌溉前后土壤含水率變化

2.4 不同灌水處理對核桃耗水規(guī)律的影響

在當(dāng)?shù)貧夂驐l件下，核桃各個生育階段耗水量不同(表2)，隨灌水量的增加全生育期耗水量增加，分別為340.70、362.89、375.64 mm。從各生育期耗水量來看，耗水量先升高再降低，不同生育期內(nèi)耗水規(guī)律為：硬核期最大，耗水模數(shù)為29.65%～33.08%，是核桃耗水量最大期；果實膨大期和油脂轉(zhuǎn)化期次之，耗水模數(shù)分別為22.14%～22.84%、21.00%～23.84%；萌芽期耗水量最少。

從各生育階段耗水強(qiáng)度來看，隨灌水量增加，全生育期平均耗水強(qiáng)度增大；核桃樹整個生育期(4—9月)耗水強(qiáng)度由高到低再升高然后下降。萌芽期和果實膨大期的耗水強(qiáng)度大于全生育期耗水強(qiáng)度，分別為2.53～3.03、2.51～2.74 mm/d；開花期、硬核期、油脂轉(zhuǎn)化期的耗水強(qiáng)度有所降低，分別為1.97～2.23、1.98～2.35、1.75～2.18 mm/d。

表2 不同灌水處理不同生育期核桃耗水量和耗水強(qiáng)度

2.5 不同灌水處理對核桃產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率的影響

從表3可知，核桃產(chǎn)量在G2、G3處理與G1處理間差異顯著，在處理G2和G3間無顯著差異。當(dāng)灌溉量增加150 m3/hm2時，G2處理的核桃產(chǎn)量比G1處理增加306 kg/hm2，增產(chǎn)率為12.9%；G3處理比G2處理增加83 kg/hm2，增產(chǎn)率為3.1%；核桃產(chǎn)量隨灌水量增加而增加，但增產(chǎn)幅度降低。G3處理灌水生產(chǎn)效率比G1處理減少1.60 kg/m3，降低30.3%，G3處理比G2處理減少0.79 kg/m3，降低17.7%，灌水生產(chǎn)效率隨灌溉量增加呈下降趨勢，耗水生產(chǎn)效率隨灌溉量增加而增加，G1耗水生產(chǎn)效率最小，G3處理與G2處理相同。由耗水量結(jié)果和水分生產(chǎn)效率可以看出，G2灌溉量既能達(dá)到核桃增產(chǎn)又能達(dá)到節(jié)約水資源的效果。

表3 不同灌水處理的核桃產(chǎn)量及水分生產(chǎn)效率

3 結(jié)論與討論

張雯等[19]研究表明，干旱條件下水分是影響蘋果葉片面積和新梢長度的主要限制因子；劉松忠等[20]研究發(fā)現(xiàn)，分根交替灌溉可以調(diào)節(jié)蘋果新梢第2次生長開始的時間；張承林等[21]研究表明，缺水嚴(yán)重會影響荔枝幼樹新梢的生長；張雪梅等[4]研究表明，隨灌水量增大，綠嶺核桃新梢生長速度加快，葉面積增大。由此可見，灌水量增加，葉片和新梢的生長量增加。本研究結(jié)果與前人的結(jié)果[4]一致，葉片和新梢的快速生長在果實膨大前期完成，隨灌水量增加，核桃葉面積、新梢增長量和果實縱橫徑增大，但增幅降低。

根區(qū)土壤含水率變化反映作物生長的水分環(huán)境和作物蒸騰耗水狀況，可直接反映作物需水特性[17]。劉新華等[14]研究表明，采用1行兩管模式滴灌灌水，灌水定額為450 m3/hm2時，入滲深度達(dá)到80～100 cm，可滿足核桃根系耗水，灌水量小時，入滲深度未達(dá)到核桃吸水根系深度，而灌水量大時土壤水分向深層運(yùn)移，深層土壤水分變化較大。本試驗結(jié)果表明，灌水定額為G1(90 m3/hm2)時，灌水量少，入滲深度為0～60 cm，水分沒有完全到達(dá)根系吸收的深度；灌水定額為G2(120 m3/hm2)時，灌水量能夠滿足核桃深層根系對水分的需求；灌水定額為G3(150 m3/hm2)時，深層土壤水分較灌前變化大，造成水分在土壤中貯存量大。此結(jié)果與鄭冰[17]的研究結(jié)論相似，但本試驗設(shè)定的灌水定額小于新疆地區(qū)，這是因為試驗區(qū)降雨量大、蒸發(fā)量小，土壤保水性好，核桃耗水主要來源于自然降雨和土壤供水。

李光永等[5]在北京林業(yè)果樹研究所試驗地研究不同灌溉量(充分灌和調(diào)虧灌)對核桃需水的影響發(fā)現(xiàn)，充分灌生育期耗水量為625.1 mm，調(diào)虧灌可以減少20%的耗水；胡瓊娟等[11]、張娜等[12]、張龍等[13]在阿克蘇干旱區(qū)的研究表明，采用滴灌三管灌溉模式，灌水定額為680 m3/hm2、灌溉12次的情況下，核桃全生育期耗水量為727.34 mm；劉新華等[14]在阿克蘇綠洲地區(qū)采用1行兩管滴灌模式灌水試驗表明，灌水定額為375、450、525 m3/hm2且灌溉7次時，耗水量在247.66～353.23 mm；王慶江等[16]認(rèn)為，冀南太行山核桃適宜的灌水方式為溝灌，在萌芽期和果實膨大期各澆1次水，適宜的灌溉量為726 m3/hm2。這些研究結(jié)果表明，核桃灌溉量和耗水規(guī)律因灌溉方式、試驗品種、土壤條件及研究區(qū)域氣候的不同而有差異。本研究采用微灌(8孔地插式微噴頭微噴)模式，在灌水量分別為90、120、150 m3/hm2且灌溉5次的情況下，山西半干旱區(qū)微灌核桃全生育期耗水量為340.70～375.64 mm，與阿克蘇綠洲地區(qū)核桃耗水量接近，遠(yuǎn)小于北京地區(qū)、阿克蘇干旱區(qū)和冀南太行山的核桃耗水量，這與本試驗采取的灌溉方式、灌溉量以及試驗地自然生態(tài)條件、土壤條件以及降雨情況有關(guān)。

本試驗結(jié)果還表明，核桃全生育期耗水總量隨灌水量增加而增加，萌芽期的耗水強(qiáng)度最大，硬核期為耗水最大期，果實膨大期為需水關(guān)鍵期。在核桃樹整個生育期內(nèi)，萌芽期核桃枝條開始萌動，氣溫較低，蒸騰量少，耗水量小，但由于春季氣候干燥，加之生育期短，耗水強(qiáng)度大于全生育期耗水強(qiáng)度，為2.53～3.03 mm/d；開花期，葉片和新枝開始進(jìn)入快速生長期，耗水量比萌芽期增多，但生長階段時間長，耗水強(qiáng)度小于萌芽期耗水強(qiáng)度，為1.97～2.23 mm/d；5月中旬開始進(jìn)入果實膨大期，枝葉生長旺盛，面積指數(shù)達(dá)到最大，并以生殖生長為主，隨著氣溫的升高，核桃樹的蒸發(fā)量以蒸騰為主，相應(yīng)的核桃耗水量快速增加，耗水強(qiáng)度也將近最大，為2.51～2.74 mm/d，此時水分不足會影響果實膨大，進(jìn)而影響產(chǎn)量和品質(zhì)，此階段為需水關(guān)鍵期；硬核期果實生長量達(dá)到峰值，核桃樹生物量也達(dá)最大，此時試驗地氣溫正值高溫，蒸發(fā)量大，核桃蒸騰量也大，耗水量增到最大，但生育期長耗水強(qiáng)度有所降低，為1.98～2.35 mm/d，如果供水不足會引起落果，果仁不飽滿，影響產(chǎn)量，這與胡瓊娟等[11]的研究結(jié)果一致。本研究中油脂轉(zhuǎn)化期耗水強(qiáng)度為1.75～2.18 mm/d，低于果實膨大期，這與劉新華等[14]的研究結(jié)果不一致，可能是因為8月為本地區(qū)降雨集中期，陰雨天氣溫下降，呼吸速率減慢。

本研究表明，隨灌水量增加，核桃產(chǎn)量增加，而灌水生產(chǎn)效率降低，耗水生產(chǎn)效率升高，與程福厚等[22]、劉新華等[14]的研究結(jié)果一致；而鄭強(qiáng)卿等[9]對駿棗需水規(guī)律的研究表明，隨灌水量增加耗水生產(chǎn)效率增大，這可能與本試驗核桃耗水小、試驗設(shè)定灌溉量梯度小、產(chǎn)量增產(chǎn)幅度小有關(guān)。綜合考慮產(chǎn)量及水分利用率，G2(120 m3/hm2)灌水量既能達(dá)到核桃增產(chǎn)又能達(dá)到節(jié)約水資源的效果。推薦微灌核桃適宜的灌溉制度為灌溉定額600 m3/hm2，灌水定額120 m3/hm2，根據(jù)降雨情況分別在開花期、硬核期、油脂轉(zhuǎn)化期各灌溉1次，在果實膨大期灌溉2次，整個生育期共灌溉5次。