调亏灌溉对滴灌核桃树土壤温度及产量的影响

2022-03-22张纪圆赵经华杨文新姜有为哈力旦木吐尔迪热纳古丽库尔班

新疆农业科学 2022年1期

张纪圆，赵经华，杨文新，姜有为，廖康，哈力旦木·吐尔迪，热纳古丽·库尔班

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052； 3.且末县自然资源局红枣科技推广中心，新疆且末 841900)

0 引言

【研究意义】新疆地处内陆干旱区，降雨稀少，蒸发量大，也是典型的灌溉农业，农业用水占总水量的94%[1]。截至2017年底，新疆地区优质林果面积达到146×104hm2，核桃的种植面积达39.08×104hm2，主要集中在新疆南疆环塔里木盆地[2]，研究调亏灌溉对滴灌核桃树土壤温度及产量的影响。【前人研究进展】土壤温度不但影响着土壤中化学反应的类型和速率，而且影响光合作用、植物生长、微生物活动及有机物质分解等[3-6]。随着含水量变化，土壤温度也随之发生变化，两者变化相互影响[7]。通过覆膜、覆盖方式、耕作方式和灌水的不同来调控土壤温度[8-11]，使作物在更适宜环境中生长。邹惠等[12]研究了水分调亏对地下滴灌玉米水热动态的影响，发现在土层深处地温随着水分亏缺度的增大而增大，轻度亏水获得高产，中度亏水的水分利用效率最大。控水条件下，当桃树的土壤水势在特定的数值下，各土层土壤温度表现出一定的规律[13]。有研究用热脉冲等技术研究土壤温度，结果为单一的升温或降温[14]。适宜的水分亏缺促进枣树增产，并提高水分利用效率[15]。葡萄抽蔓期和开花坐果期调亏研究发现，前者增产10.3%，而后者仅降低0.31%，不同生育期调亏最终产量各不相同[16]。【本研究切入点】目前关于调亏灌溉的研究特别多，多数为小麦、玉米、蔬菜等，但对核桃树进行调亏灌溉的研究较少。研究调亏灌溉对滴灌核桃树土壤温度及产量的影响。【拟解决的关键问题】以新疆南疆阿克苏核桃树为材料，研究滴灌条件下调亏灌溉对土壤温度、生长发育及产量的影响，为选择最优灌溉制度提供参考，并为南疆滴灌核桃树应用调亏灌溉提供经验。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2019年3～11月在新疆阿克苏地区温宿县红旗坡农场新疆农业大学林果实验基地进行，E80°14′，N41°16′，海拔1 133 m。位于天山南麓中段，周边为阿克苏和温宿县，属于典型的温带大陆性气候，多年平均太阳总辐射量544.115～590.156 kJ/cm2，年平均日照时数2 855～2 967 h，无霜期达205～219 d，年平均降水量42.4～94.4 mm，年平均气温11.2℃，年有效积温为3 950℃。品种为温185的核桃，树龄9 a。在大田内随机选取5个位置，分层取土样，按照美国农业部土壤质地三角形筛分土粒。表1

表1 研究区土壤质地组成Table 1 Soil texture composition of the study area

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验设置3个不同灌水量，共7个处理。3个不同灌水量分别为正常灌水ETC、轻度缺水75%ETC和中度缺水50%ETC。每个处理中选取长势均匀的核桃树3棵，即3次重复作为样本。滴灌带直径为16 mm，滴头间距0.5 m，滴头流量3.75 L/h；每行树布置2条滴灌带，距树两侧的0.5 m处。表2

表2 试验设计Table 2 Test design

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 土壤温度

在距树50 cm处，土层为5、10、20、30、40 cm处布置MicroLiteU盘式温度记录仪，每30 min记录1次数据。

1.2.2.2 SPAD值

采用SONY公司生产的手持式叶绿素指数仪测定。每颗样本树选择4片树叶作为固定样本，4个方向各1片，在每片叶片3个不同位置各测1个值，最后取这3个数值的平均值为叶片的叶绿素指数。

1.2.2.3 果实体积

采用精度为0.01 mm的游标卡尺测量。在所选固定的样本树东西南北4个方向各取1个果实，3个重复，共12个果实，作为固定测量样本。体积计算按椭球形公式计算。

1.2.2.4 果实产量

等核桃成熟时，数出固定样本树上的核桃颗数。每个样固定样本树随机抽取100颗，把核桃晒干后称每颗核桃的干重以及出仁率。

1.3 数据处理

采用Origin2018和SPSS19.0进行绘图，数据处理及统计分析，用LSD处理方法。

2 结果与分析

2.1 调亏灌溉对不同深度土壤温度的影响

研究表明，在5 cm土层处，各处理在Ⅱ期调亏灌溉时，14:00时的土壤平均温度存在显著性差异。与W0处理相比，该生育期其他处理的土壤温度均高于W0处理，W6处理的土壤温度最高，W1、W2处理分别增加0.67%、1.86%；在Ⅲ期调亏时，与W0处理相比，W3处理降低了2.69%，W4增加4.50%。Ⅱ + Ⅲ期调亏灌溉时，W5处理增加8.92%和3.08%，W6处理增加23.50%和19.21%。在Ⅳ期，与W0处理相比，W6的温度最大，增加了16.70%，W4次之，增加了3.63%。在Ⅴ期，W2降低了1.65%，W6处理则增加了15.07%。在Ⅵ期，W6处理依旧最大，增加了6.37%，W1的温度最小，显著降低7.00%。

各处理10 cm处，在Ⅱ期调亏灌溉时，土壤平均温度存在显著性差异，W0处理的土壤温度最低，W6处理的土壤温度最高，W1、W2处理分别增加了4.16%、4.64%；在Ⅲ期调亏时，与W0处理相比，W3处理降低了1.27%，W4增加了5.38%。Ⅱ + Ⅲ期调亏灌溉时，W5处理增加6.93%和4.44%，W6处理增加21.19%和20.75%。在Ⅳ期，各处理存在显著性差异，W6处理的温度最大，增加15.07%，W4次之，增加9.23%。在Ⅴ期，与W0处理相比，W3处理增加1.72%，W6处理则增加了9.14%。在Ⅵ期，W6处理依旧最大，与W0比较增加了7.16%，W2的温度最小，显著降低5.06%。

在Ⅱ期和Ⅲ期进行调亏，5和10 cm处土壤温度变化类似。20、30和40 cm处土壤温度与5、10 cm变化一致，仅有W3处理不同，在20、30和40 cm处，与W0处理相比分别增加0.71%、3.38%和4.11%。在Ⅳ期，20、30和40 cm处的变化相似，W6处理的温度最大，与W0比较分别增加14.49%、19.33%和17.56%，W5次之，增加7.09%、9.48%和9.69%。20 cm处，在Ⅴ期，W6处理最大，与W0比较增加13.26%，W4的温度最小，显著降低2.09%。在Ⅵ期，与W0处理相比，W6处理依旧最大，相比W0处理增加8.82%，W5的温度最小，显著降低2.49%。30 cm处，在Ⅴ期和Ⅵ期，W6处理最大，与W0比较增加15.19%、5.36%，W1处理的温度最小，显著降低2.32%、7.03%。40 cm处，在Ⅴ期和Ⅵ期，W6处理最大，与W0比较增加13.39%、9.71%，W2次之，增加5.56%、6.66%。

在调亏生育期内，调亏程度大，土壤温度增加的幅度越大。这是由于土壤含水量降低的土壤温度会偏高。全生育期内，各土层土壤温度变化趋势表现为单峰，在Ⅳ期或者Ⅴ期温度最高。核桃树在Ⅱ期、Ⅲ期和Ⅳ期时，随着土层深度的不断增加，土壤温度的趋势表现为5 cm>10 cm>20 cm>30 cm>40 cm。核桃地的土壤温度是由土层表面向土层深处传递，且随着土层的增加土壤温度变化幅度在降低。表3

2.2 调亏灌溉对各层灌水前后土壤温度的影响

研究表明，调亏灌溉期间各生育期，不同土层灌水前后土壤温度日变化。各层土壤温度都随时间的变化呈近似三角函数，0～20 cm的土壤日温度变化波动较为剧烈，幅度大于20～40 cm的变化幅度，土壤温度的变化情况可分为下降和上升2个阶段。各处理的0～20 cm的最低土壤温度出现在10:00～11:00，最高在20:00～21:00。各处理在20～40 cm处，灌水前后的调亏程度越大，土壤温度越高。

Ⅱ期调亏灌溉时各层土壤灌水前后的土壤温度日变化，灌前(5月4日)和灌后(5月6日)。0～20 cm土壤温度变化幅度较大，灌水前变化幅度为1.87℃，灌后变化幅度为3.55℃。W0处理的灌水前土壤温度在02:00～12:00比其他处理都低，在13:00～23:00期间却比其他处理都高。在20:00达到1 d的最高。灌水前平均土壤温度的大小依次为W2>W1>W0。灌后，各处理的土壤温度分别降低了2.0%～7.3%、0.5%～6.7%、2.0%～9.8%，W1处理温度变化最小，W2处理温度变化最大。灌后日平均土壤温度表现为W0>W1>W2。20～40 cm土壤温度整体在降低，变化幅度比0～20 cm较为平缓。W0、W1、W2处理灌后土壤温度分别降低了0.7%～3.2%、0.3%～2.3%、0.5%～9.7%。灌后W2处理高于其他处理。图1

表3 各处理不同土层深度14:00土壤温度Table 3 Different soil layers with different treatment depths 14:00 Soil temperature

(a) 0～20 cm (b) 20～40 cm

研究表明，Ⅲ期调亏灌溉时各层土壤灌水前后的土壤温度日变化，灌前(5月19日)和灌后(5月21日)。0～20 cm土壤温度变化波动剧烈，灌水前变化幅度为3.13℃，灌后变化幅度为3.84℃。灌前，W0处理的灌水前土壤温度在00:00～12:00比其他处理都高，在12:00～23:00期间却比W4处理低，比W3处理高。各处理在18:00时温度开始下降，由于天气变化，气温降低引起。灌后，W3处理低于W0和W4处理，在12:00～23:00期间W4处理高于其他处理。W0、W3、W4处理灌后土壤温度分别降低了5.6%～18.1%、3.8%～17.5%和2.4%～15.8%。20～40 cm处的土壤温度整体下降，变化趋势平缓。W0、W3、W4处理灌后的土壤温度分别降低了5.7%～8.4%、6.7%～8.8%、6.7%～8.5%。灌水前与灌水后的日平均土壤温度大小均为W4>W3>W0处理。图2

Ⅱ + Ⅲ期调亏灌溉时各层土壤灌水前后的土壤温度日变化，灌前(5月24日)和灌后(5月26日)。0～20 cm土壤温度变化情况。土壤温度变化波动较大，灌水前变化幅度为6.22℃，灌后变化幅度为7.89℃。灌前，W5和W6处理明显大于W0处理，相差在0.66～1.45和3.05～4.87℃。同样灌水后的W5、W6高于W0处理0.66～1.35和2.55～4.38℃。灌后W0、W5、W6处理的土壤温度分别降低了2.1%～6.9%、1.2%～7.9%、4.2%～9.6%。20～40 cm土壤温度变化趋势平缓。灌水前后土壤温度差异不明显，灌水前与灌水后的日平均土壤温度大小均为W6>W5>W0处理。灌前， W5和W6处理明显大于W0处理，相差0.90～1.02和3.44～3.68℃。灌后W5、W6高于W0处理0.55～1.01和2.43～2.92℃。图3

(e) 0～20 cm (f) 20～40 cm

2.3 调亏灌溉对核桃树生长发育及产量的影响

2.3.1 调亏灌溉对核桃叶片SPAD值和果实体积的影响

研究表明，核桃树叶片SPAD值随着生育期的推进呈现先增大后减小的变化趋势。Ⅱ期到Ⅲ期由于叶片不断的生长，SPAD值的增加最为迅速，Ⅲ期到Ⅴ期叶片的生长趋于稳定至停止生长，则SPAD值的增加比较平缓，Ⅵ期时，叶片衰老变黄SPAD值降低。Ⅱ期调亏期间，W0、W1和W2处理的SPAD值依次为41.89、45.96和44.46，W1、W2处理的轻度调亏在该期间高于W0处理9.72%和6.14%。Ⅲ期调亏期间，W0、W3和W4处理的SPAD值依次为47.64、48.17和47.30，W3处理的在该期间高于W0处理。Ⅱ + Ⅲ期调亏期间，W5和W6处理的SPAD值均高于W0处理。在Ⅱ期和Ⅲ期的轻度调亏，有利于SPAD值的增大。Ⅱ + Ⅲ期同时调亏效果最佳。图4

图4 调亏灌溉下核桃叶片的SPAD值Fig.4 SPAD value of walnut leaves under regulated deficit irrigation

研究表明，在果实生长过程中，果实体积在Ⅲ期到Ⅳ期生长速率最大，后期趋于平缓。随着调亏程度的增加，果实体积在减小。果实体积大小表现为W1>W2>W0>W4>W6>W5>W6处理。Ⅱ期水分亏缺后，W0、W1和W2处理在Ⅲ期测得果实体积为13.36、16.02和14.65 cm3。Ⅲ期调亏灌溉后发现，W0、W3和W4处理在Ⅳ期果实体积大小依次为56.04、53.47和54.04 cm3。Ⅱ + Ⅲ期调亏期间，W0、W5和W6处理在Ⅴ期体积大小依次为61.29、57.52和54.34 cm3。在Ⅲ期，由于是需水关键期，较少灌水会严重影响果实发育。Ⅱ期和Ⅲ期进行不同水分亏缺，因在Ⅲ期对果实生长影响较大，故果实体积也会减小。图5

图5 调亏灌溉下核桃树果实体积变化Fig.5 Changes of walnut tree fruit volume under regulated deficit irrigation

2.3.2 调亏灌溉对核桃树产量的影响

研究表明，W1处理核桃产量最高，为4 150.70 kg/hm2。与W0处理相比，W1处理的产量增加7.11%，W2、W3处理无显著差异，W4、W5、W6处理显著降低5.77%、8.79%、15.5%。除去Ⅱ期轻度调亏，其余的水分亏缺处理对产量有负影响。W0处理全生育期耗水量最大，为461.34 mm，其余水分调亏处理均显著降低。W1、W2、W3、W4处理间无显著性差异，W5、W6处理显著降低27.45、44.55 mm。Ⅱ期轻度水分亏缺的WUE最大为9.25 kg/(hm2·mm)，Ⅱ + Ⅲ期中度调亏最小为7.86 kg/(hm2·mm)。表4

表4 调亏灌溉下核桃产量和WUE变化Table 4 Walnut yield and water use efficiency under regulated deficit irrigation

3 讨论

在葡萄生长过程中，土壤温度因灌水的多少引起变化，从而影响着根系的发展、果实的生长发育和正常的营养吸收[17，18]。通过地温的变化规律，了解核桃的需水规律以及调亏灌溉下滴灌核桃树的生长发育，确定最佳灌水模式是非常有必要的。大多试验都是通过覆盖物来提高土壤温度，且具有明显的增温作用，促进作物生长[19, 20]。对照处理地温最高，低水处理温度最低，高水和中水处理居中，且不同的水分处理在5～25 cm土层中在不同程度上有增温的作用[8]。试验进行调亏灌溉的生育期，在0～40 cm的土层中同样有不同程度的增温效果。核桃在不同水分处理下，土壤温度在各生育期都是先增加后减小，油脂转化期最大，灌前土壤温度大于灌后[21]。研究结果显示各层土壤温度呈单峰曲线，结果一致，但不都是在Ⅴ期达到最高温度。

叶绿素在光合作用中有着重要的作用，水分亏缺对其有着显著影响，但结果却不相同。周罕觅[22]和曾化伟[23]等认为增加灌水可以提高苹果叶片的叶绿素含量。李磊[24]结果表明，酿酒葡萄在坐果期到果实膨大期进行调亏灌溉有利于SPAD值的增加。沈媛媛[25]在研究核桃叶片SPAD值的影响时发现，无论是盆栽核桃还是大田核桃，轻度和中度胁迫的SPAD值都高于对照组，且随着水分胁迫的增加叶片SPAD值在逐步降低，此研究结果与此相似。许多研究表明，进行水分亏缺处理从而影响果实体积和单果重，直接影响产量[26-28]。钟韵等[29]在涌泉根灌条件下对苹果树进行水分亏缺，发现在Ⅱ期调亏增大果实体积，Ⅲ期调亏减小果实体积；在Ⅱ期进行水分调亏发现显著增产同时提高水分利用效率，与该试验结论一致；并且Gucci等[30]认为在果树Ⅱ期进行合适的水分调亏能增产，水分亏缺度提高导致减产。