不同灌水量对吕梁山区微灌核桃生长特性、耗水规律和产量的影响

赵瑞芬，程 滨，郑普山，滑小赞，王 森，王 钊

(山西省农业科学院 农业环境与资源研究所/土壤环境与养分资源山西省重点实验室,山西 太原 030031)

山西省地处黄土高原东部，属于温带大陆性气候，昼夜温差大，日照充足，是我国优质核桃的生产基地之一。近年来，随着产业规划调整，太行山、太岳山、吕梁山的干旱丘陵区已成为山西省优质核桃的主产区。截至2017年，山西省核桃栽植面积已超过53万hm2[1]，但平均单产不到国家丰产林标准的1/3[2]。研究表明，水分是限制核桃丰产优质最重要的影响因子，立地水分供应状况对核桃产量与品质有决定性的影响[3-4]。经调研发现，吕梁山区有灌溉条件的核桃园大多采用大水漫灌或沟灌，且通常只进行冬灌或春灌，水分利用率低。微灌作为新型的节水灌溉技术可提高水肥利用效率和作物产量，已经被广泛应用在经济作物和果树上[5-6]，我国学者对微灌苹果[7]、葡萄[8]、枣[9]、猕猴桃[10]等果树的生长特性及需(耗)水规律做了大量研究工作，表明果树需(耗)水量受气象因素、土壤条件、果树品种及灌溉方式的影响，且在果树不同生育期内因发育状况不同而有很大差异。在新疆干旱区，胡琼娟等[11]、张娜等[12]、张龙等[13]、刘新华等[14]、赵经华等[15]研究了不同滴灌模式及灌水定额对核桃新梢生长、耗水规律、产量及品质的影响；王庆江等[16]在分析核桃根系分布、土壤含水率、核桃生长特性基础上，研究了河北省南部太行山区核桃的需水规律，建立了核桃灌溉制度。吕梁山干旱丘陵区作为山西省核桃主产区之一，土壤条件、气候特征有别于新疆和河北省，相应的研究成果不适合吕梁山区的核桃生产，因此，开展吕梁山区核桃耗水特征研究，制定相应的灌溉制度，通过合理灌溉，弥补自然降雨不足，满足核桃树体正常生长和果实生产的水分需要，对促进核桃产量提高与品质提升具有重要意义。鉴于此，以10年生香玲为研究对象，通过田间试验，探明山西省吕梁山干旱丘陵区灌水量对盛果期微灌核桃树生长不同生育阶段耗水量、日耗水强度、水分利用效率的影响及土壤剖面含水率的变化，确定该区适宜的核桃微灌制度，促进微灌技术在核桃上的推广应用。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省吕梁市交城县洪相乡洪相村，地理坐标N 37.539 5°、E 112.108 5°，属于暖温带大陆性半干旱气候。年均日照时数2 446.2 h，年均气温10.6 ℃，无霜期175 d，降水量294～491 mm，年平均蒸发量1 546.8 mm。全年降雨分布不均匀，主要集中在7—9月，占全年降雨量的50%～70%。0～80 cm土层土壤质地为砂质黏壤土，80～120 cm土层土壤质地为砂质壤土，0～120 cm土层平均田间持水量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 供试材料

试验于2019年3—10月进行。供试品种为10年生香玲，属盛果期核桃，株行距3 m×4 m。施肥及其他田间管理措施与当地一致。

1.3 试验设计

微灌灌水量根据试验地多年降雨量、当地习惯灌水量和前期研究成果进行确定。每个试验小区6株树，设3个灌水定额：G1(90 m3/hm2)、G2(120 m3/hm2)、G3(150 m3/hm2)，重复3次。从4月中旬到8月下旬共灌水5次(不考虑春、冬灌)，相对应处理灌溉定额为G1(450 m3/hm2)、G2(600 m3/hm2)、G3(750 m3/hm2)，其中，开花期1次、果实膨大期2次、硬核期1次、油脂转化期1次；各处理的灌溉时间和灌溉次数相同，具体灌水时间为4月10日、5月20日、6月10日、6月30日、8月10日。

灌溉方式采用可调流量8孔地插式微喷头，微喷灌毛管平行于树行布置，每株树下布设4个微喷头，分别位于树行两侧平行方向距树干0.5、1.0 m处，微喷头距地面2 cm，流量为20 L/h，通过水表控制灌水量。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 降雨量 2019年降雨量用全自动雨量计测定核桃生育期内每次降雨量，1981—2018年38 a的平均降雨量统计数据来自交城县气象局。

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数据分析不同灌水量对土壤含水率变化的影响。此时期核桃树叶片没有完全展开，再加上抽枝长叶，棵间蒸发占主导，核桃的营养生长需水量较大[17-18]。在每个处理中选取树径相同、长势均匀、树相一致的3株树作为调查树，顺树行在每株调查树一侧0.75、1.50 m处各埋设1根中子管，中子管埋深均为120 cm。在核桃生育期内，定期用CPN-503 中子仪监测0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm土层土壤含水率，同时采集土样用烘干法进行校正，测频为10～15 d，每次灌水前后分别测定一次。以同一处理3株树的测定平均值作为该处理的土壤含水率。

1.4.3 核桃耗水量 按照农田水量平衡方程计算核桃耗水量，ETi=Wi1-Wi2+Ii+Pi+G-D，式中:ETi表示核桃某一生育期耗水量(mm)；Wi1为核桃某一生育期始研究土层贮水量(mm)；Wi2为核桃某一生育期末研究土层贮水量(mm)；Ii为某一生育期灌水量(mm)；Pi为某一生育期降雨量(mm)；G为地下水补给量(mm)。因试验区地下水埋深>30 m，故设定地下水补给G=0，本试验灌水方式为微灌，灌水引起深层渗漏小，即D=0。根据生育期各个阶段耗水量和实际观测的各生育期时间，计算出耗水模数(%)和日耗水强度(mm/d)。

1.4.4 核桃形态指标 于4月30日至6月20日内每隔10 d，在每个处理监测水分的3株调查树上进行各个生育阶段新梢、叶片的观测，于5月10日至7月30日内每隔10 d进行果实生长发育指标的测定。

新梢长度：在每株调查树东、西、南、北4个方向上各选取1条固定新梢，挂标签编号标记，用直尺测量。将测定的12条新梢长度平均值作为该处理的新梢长度。

叶面积：在每株调查树固定新梢上的东、西、南、北4个方向各选取第3个复叶紧靠顶叶的1对叶片，挂标签编号标记，用浙江托普云农YMJ-CH型叶面积仪测定。将测定的24个叶片的叶面积平均值作为该处理的叶面积。

果实纵、横径：从开始结果，在调查树的东、西、南、北4个方向各选取2个果实用游标卡尺测量纵、横径，将测定的24个果实纵、横径平均值作为该处理的果实纵、横径。

1.4.5 核桃产量 收获时单独计量每株树的果实数，并从中随机取出50个称量鲜质量，去除青皮后自然晾干，称量干质量，根据干质量计算每株树的产量。

1.5 核桃树生育期划分

为更好地研究不同生育阶段核桃的耗水特征，经实地调查、观测，对核桃的生育期进行划分(表1)。

表1 核桃生育期划分及对应时间

1.6 数据分析

试验数据采用Excel及SPSS 18.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 核桃生育期内降雨量分析

从图1和图2可以看出，2019年试验地自然降雨在核桃整个生育期分布不均匀，4月降雨量为71 mm，5月无降雨，6月降雨量仅为27 mm，7、8月降雨量为116.5 mm，降水多且集中，核桃全生育期降雨量为196.5 mm，比1981—2018年38 a平均降雨量(343.9 mm)少147.4 mm。可以看出，2019年试验区核桃果实膨大期较干旱，此时是核桃灌水的关键期。

图1 2019年核桃生育期月降雨量与1981—2018年平均比较

图2 2019年试验地核桃生育期降雨量分布

2.2 不同灌水处理对核桃生长发育的影响

从微灌核桃生育期不同灌水处理核桃叶片、新梢和果实生长(图3)可以看出，5月30日前为核桃叶片快速增长期，5月30日以后进入生长缓慢期。随灌溉量增加，叶面积增大，6月20日G1、G2、G3处理的叶面积分别为48.81、49.48、52.91 cm2。从新梢出现至5月20日是核桃新梢快速增长期，5月20日以后新梢生长缓慢，随灌溉量增加，新梢长度增加，处理G3>处理G2>处理G1，分别为16.0、15.3、14.8 cm(6月20日)。自5月11日起，核桃进入果实膨大期，果实纵径快速增长，横径生长滞后于纵径；随灌溉量的增加，果实纵、横径增大，7月20日G1、G2、G3处理的纵经分别为47.35、49.39、50.29 mm，横径分别为40.24、41.81、42.03 mm。从核桃叶片、新梢和果实的生长来看，4月初到5月中下旬，是核桃营养器官的迅速增长期，此阶段灌水有利于叶片增大、新梢生长和果实膨大，为核桃需水关键期，及时充足的灌水是保证核桃正常生长获取高产的基础。

图3 不同灌水量对核桃生长发育的影响

2.3 不同灌水处理对核桃根区土壤水分变化的影响

从图4可知，灌水前，不同灌水处理0～60 cm土层土壤含水率呈递增趋势，但变幅较小。60～120 cm土层含水率整体上呈递减趋势，80～100 cm土层土壤含水率变化小，100～120 cm土层土壤含水率变幅较大，这与试验地100～120 cm土层砂粒较多、持水能力较差有关。灌水后，不同处理土壤剖面0～120 cm含水率大小表现为处理G3>G2>G1，G1和G2处理在80～100 cm土层土壤含水率变化小。灌水定额为G1时，灌水前后60～120 cm土层土壤含水率相差不大，说明灌溉水均在0～60 cm土层内贮存，未下渗到60 cm土层以下，灌水量不足；灌水定额为G2时，80～100 cm土层土壤含水率在灌水前后近似，且100～120 cm处土壤含水率灌后大于灌前，说明此灌水量在满足0～100 cm土层内核桃根系吸收水分后，多余的水分下渗到100 cm以下土层；灌水定额为G3时，灌水后0～120 cm土层土壤含水率均大于灌水前，说明此灌水定额充足，除满足核桃根系吸收水分的需要外，多余的灌水还在0～120 cm土体贮存。比较而言，G2是本试验条件下核桃适宜的灌水量。

图4 不同灌水处理灌溉前后土壤含水率变化

2.4 不同灌水处理对核桃耗水规律的影响

在当地气候条件下，核桃各个生育阶段耗水量不同(表2)，随灌水量的增加全生育期耗水量增加，分别为340.70、362.89、375.64 mm。从各生育期耗水量来看，耗水量先升高再降低，不同生育期内耗水规律为：硬核期最大，耗水模数为29.65%～33.08%，是核桃耗水量最大期；果实膨大期和油脂转化期次之，耗水模数分别为22.14%～22.84%、21.00%～23.84%；萌芽期耗水量最少。

从各生育阶段耗水强度来看，随灌水量增加，全生育期平均耗水强度增大；核桃树整个生育期(4—9月)耗水强度由高到低再升高然后下降。萌芽期和果实膨大期的耗水强度大于全生育期耗水强度，分别为2.53～3.03、2.51～2.74 mm/d；开花期、硬核期、油脂转化期的耗水强度有所降低，分别为1.97～2.23、1.98～2.35、1.75～2.18 mm/d。

表2 不同灌水处理不同生育期核桃耗水量和耗水强度

2.5 不同灌水处理对核桃产量和水分生产效率的影响

从表3可知，核桃产量在G2、G3处理与G1处理间差异显著，在处理G2和G3间无显著差异。当灌溉量增加150 m3/hm2时，G2处理的核桃产量比G1处理增加306 kg/hm2，增产率为12.9%；G3处理比G2处理增加83 kg/hm2，增产率为3.1%；核桃产量随灌水量增加而增加，但增产幅度降低。G3处理灌水生产效率比G1处理减少1.60 kg/m3，降低30.3%，G3处理比G2处理减少0.79 kg/m3，降低17.7%，灌水生产效率随灌溉量增加呈下降趋势，耗水生产效率随灌溉量增加而增加，G1耗水生产效率最小，G3处理与G2处理相同。由耗水量结果和水分生产效率可以看出，G2灌溉量既能达到核桃增产又能达到节约水资源的效果。

表3 不同灌水处理的核桃产量及水分生产效率

3 结论与讨论

张雯等[19]研究表明，干旱条件下水分是影响苹果叶片面积和新梢长度的主要限制因子；刘松忠等[20]研究发现，分根交替灌溉可以调节苹果新梢第2次生长开始的时间；张承林等[21]研究表明，缺水严重会影响荔枝幼树新梢的生长；张雪梅等[4]研究表明，随灌水量增大，绿岭核桃新梢生长速度加快，叶面积增大。由此可见，灌水量增加，叶片和新梢的生长量增加。本研究结果与前人的结果[4]一致，叶片和新梢的快速生长在果实膨大前期完成，随灌水量增加，核桃叶面积、新梢增长量和果实纵横径增大，但增幅降低。

根区土壤含水率变化反映作物生长的水分环境和作物蒸腾耗水状况，可直接反映作物需水特性[17]。刘新华等[14]研究表明，采用1行两管模式滴灌灌水，灌水定额为450 m3/hm2时，入渗深度达到80～100 cm，可满足核桃根系耗水，灌水量小时，入渗深度未达到核桃吸水根系深度，而灌水量大时土壤水分向深层运移，深层土壤水分变化较大。本试验结果表明，灌水定额为G1(90 m3/hm2)时，灌水量少，入渗深度为0～60 cm，水分没有完全到达根系吸收的深度；灌水定额为G2(120 m3/hm2)时，灌水量能够满足核桃深层根系对水分的需求；灌水定额为G3(150 m3/hm2)时，深层土壤水分较灌前变化大，造成水分在土壤中贮存量大。此结果与郑冰[17]的研究结论相似，但本试验设定的灌水定额小于新疆地区，这是因为试验区降雨量大、蒸发量小，土壤保水性好，核桃耗水主要来源于自然降雨和土壤供水。

李光永等[5]在北京林业果树研究所试验地研究不同灌溉量(充分灌和调亏灌)对核桃需水的影响发现，充分灌生育期耗水量为625.1 mm，调亏灌可以减少20%的耗水；胡琼娟等[11]、张娜等[12]、张龙等[13]在阿克苏干旱区的研究表明，采用滴灌三管灌溉模式，灌水定额为680 m3/hm2、灌溉12次的情况下，核桃全生育期耗水量为727.34 mm；刘新华等[14]在阿克苏绿洲地区采用1行两管滴灌模式灌水试验表明，灌水定额为375、450、525 m3/hm2且灌溉7次时，耗水量在247.66～353.23 mm；王庆江等[16]认为，冀南太行山核桃适宜的灌水方式为沟灌，在萌芽期和果实膨大期各浇1次水，适宜的灌溉量为726 m3/hm2。这些研究结果表明，核桃灌溉量和耗水规律因灌溉方式、试验品种、土壤条件及研究区域气候的不同而有差异。本研究采用微灌(8孔地插式微喷头微喷)模式，在灌水量分别为90、120、150 m3/hm2且灌溉5次的情况下，山西半干旱区微灌核桃全生育期耗水量为340.70～375.64 mm，与阿克苏绿洲地区核桃耗水量接近，远小于北京地区、阿克苏干旱区和冀南太行山的核桃耗水量，这与本试验采取的灌溉方式、灌溉量以及试验地自然生态条件、土壤条件以及降雨情况有关。

本试验结果还表明，核桃全生育期耗水总量随灌水量增加而增加，萌芽期的耗水强度最大，硬核期为耗水最大期，果实膨大期为需水关键期。在核桃树整个生育期内，萌芽期核桃枝条开始萌动，气温较低，蒸腾量少，耗水量小，但由于春季气候干燥，加之生育期短，耗水强度大于全生育期耗水强度，为2.53～3.03 mm/d；开花期，叶片和新枝开始进入快速生长期，耗水量比萌芽期增多，但生长阶段时间长，耗水强度小于萌芽期耗水强度，为1.97～2.23 mm/d；5月中旬开始进入果实膨大期，枝叶生长旺盛，面积指数达到最大，并以生殖生长为主，随着气温的升高，核桃树的蒸发量以蒸腾为主，相应的核桃耗水量快速增加，耗水强度也将近最大，为2.51～2.74 mm/d，此时水分不足会影响果实膨大，进而影响产量和品质，此阶段为需水关键期；硬核期果实生长量达到峰值，核桃树生物量也达最大，此时试验地气温正值高温，蒸发量大，核桃蒸腾量也大，耗水量增到最大，但生育期长耗水强度有所降低，为1.98～2.35 mm/d，如果供水不足会引起落果，果仁不饱满，影响产量，这与胡琼娟等[11]的研究结果一致。本研究中油脂转化期耗水强度为1.75～2.18 mm/d，低于果实膨大期，这与刘新华等[14]的研究结果不一致，可能是因为8月为本地区降雨集中期，阴雨天气温下降，呼吸速率减慢。

本研究表明，随灌水量增加，核桃产量增加，而灌水生产效率降低，耗水生产效率升高，与程福厚等[22]、刘新华等[14]的研究结果一致；而郑强卿等[9]对骏枣需水规律的研究表明，随灌水量增加耗水生产效率增大，这可能与本试验核桃耗水小、试验设定灌溉量梯度小、产量增产幅度小有关。综合考虑产量及水分利用率，G2(120 m3/hm2)灌水量既能达到核桃增产又能达到节约水资源的效果。推荐微灌核桃适宜的灌溉制度为灌溉定额600 m3/hm2，灌水定额120 m3/hm2，根据降雨情况分别在开花期、硬核期、油脂转化期各灌溉1次，在果实膨大期灌溉2次，整个生育期共灌溉5次。