核桃树茎流速率及土壤水动态分布规律的研究

赵付勇，赵经华，白云岗，洪 明，马英杰

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830000)

新疆是我国地域面积最为辽阔的一个自治区省，地处亚欧大陆腹地，我国西北地区，由山脉和盆地相互联系，高山环绕着盆地构成的区域，由于远离海洋和被高山环绕，导致该地区的降雨量少，而且年际蒸发量非常大，由此促成了新疆这样一个干旱的地区。根据节水灌溉分区的划分，将新疆分成了6个区：一区干旱缺水引、井、蓄灌区；二区干旱缺水引、蓄灌区 ；三区干旱微缺水引、井、提灌区;四区干旱缺水引、井、蓄灌区； 五区干旱微缺水引、蓄灌区；六区干旱丰水引、蓄灌区[1,2]。由分区就可以看出新疆都处于干旱缺水状态，因此节水灌溉在新疆的推广是迫在眉睫的举措[3-5]。

新疆这样独特的气候和自然环境，有利于新疆林果种植的大力发展，随着改革开放的不断深入，经济发展和人民生活水平的提高，核桃的营养价值和保健功效进一步被世人认识和重视，国内外市场对核桃的需求量日益增长，核桃坚果及其加工品的售价连年攀升[6-8]。继而新疆“大力发展特色林果业”战略的贯彻落实，截止2012年年底，新疆核桃种植面积已达29.17 万hm2，结果面积达20.69万hm2，年产核桃30.48万t[9]。在大力扩展种植面积的同时，对于这样缺水的地区，节水灌溉用于核桃灌溉就变得尤为重要。

本文将通过滴灌和涌泉灌两种灌水方式来研究核桃的灌溉方式，望获得较适合核桃微灌的灌水方式，为干旱区节水灌溉的推进提供一定的理论依据。

1 试验区概况

试验区位于新疆阿克苏地区红旗坡新疆农业大学林果试验基地内，地理位置为东经80°14′，北纬41°16′，距市区13 km，海拔1 133 m。地处天山中段的托木尔峰南麓，塔里木盆地北缘，属于典型的温带大陆性气候，昼夜温差悬殊，多年平均气温11.2 ℃，多年平均年日照时数2 855～2 967 h，多年平均太阳总辐射量544.115～590.156 kJ/cm2，无霜期达205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm。

供试核桃树栽植于2008年，果树接近南北方向种植，核桃品种为温185，株行距2 m×3 m，种植密度1 667株/hm2，株高3.8～4.2 m，南疆地区4月上、中旬开花，果实8月底成熟，具有二次生长特性，有二次雄花,雌先性。试验时间为2015年3-9月。采用滴灌管两管布置和涌泉灌单管布置灌溉。

通过对试验区土壤分层取样测定，取土层的厚度为10 cm，测定深度120 cm，得到土壤干密度及田间持水量，结果得出，试验区土壤的平均干密度为1.39 g/cm3，平均田间持水量为25.98%(体积含水率)见表1。

表1 土壤层每层田间持水量Tab.1 Each layer of soil field capacity

2 试验设计与分析方法

2.1 试验设计

(1)试验布置。在试验区分别有滴灌管和涌泉灌灌溉方式。滴灌管布置是，在一行树布设两根滴灌管，沿树行两侧2/3树冠半径处内各布置1根滴灌管，管径16 mm，滴头间距50 cm，流量3.75 L/h；涌泉灌布置方式是，在一行树布设一根涌泉灌管，沿树行正下方布置，管径20 mm，滴头间距100 cm，流量20 L/h。

(2) 标准株的选取。在试验田内选取标准大小的核桃树，分别布置滴灌管和涌泉灌管进行布置小区；在布置滴灌和涌泉灌小区中选取3株大小基本一致的核桃树作标准。核桃树生育期的划分及灌溉制度表见表2。

表2 核桃树生育期划分及灌溉制度表Tab.2 The Walnut tree growing period and irrigation systems division table

(3) 茎流速率的测定。茎流速率的测定采用德国Ecomatik公司生产的SF-G液流传感器。传感器采用热扩散(TDP)原理[10-12]。传感器由两根探针组成，一根加热探针，通过给加热针加热来计算两根针的温度差，最终来计算树木茎流。另一根探针安装在加热探针正下方且距地面60 cm的树干朝阳面上，上探针与下探针间距10 cm，双探针抹上少量导热硅脂后插入树干上已钻好孔且插进铝管的孔里，固定好探针。为了防止探针部位与外界温度交换，在探针外部用防辐射罩罩在传感器上，防辐射罩上下漏水的接口用封口硅胶密封。SF-G液流传感器采用数据采集器自动监测和数据记录，每30 min记录一次数据。传感器直接以电压信号进行显示，通过公式发现换算的量纲可以进行抵消，因而两根针温度差可以进一步转化为两根针输出的电压差，进行茎流量的计算。由下式换算成茎流速率。

(1)

式中：U为茎流速率；ΔT为两探针针之间温差值；ΔTmax为晚间两探针之间温差最大值。

分别在两个处理的核桃树上都安装一套茎流探针，每套探针都采用同一个数据采集器，采集时间间隔30 min。

(4)土壤含水率的测定。在树行间分别距树0.5、1.0、1.5 m布置3个测点，在棵间分别距树0.5、1.0 m布置3个测点，每个测点深度都测到1.2 m。每次灌水前后采用TRIME-IPH土壤水分测定仪测一次土壤含水率，降雨前后加测一次。

2.2 分析方法

试验数据采用Excel、Surfer等分析[13]。

3 试验结果

3.1 不同灌水方式下灌水前后土壤含水率分布的变化规律

根据试验方案，不同的灌水方式下的核桃灌水定额相同，因此计算设定的灌水周期都是一致的。通过使用TRIME-IPH土壤水分测定仪测出了灌水前后0～1.2 m深的土壤含水率(体积含水率)，得到的不同灌水方式下各层(20 cm为一层)灌水前后土壤体积含水率，见表3，以及由Surfer软件分析得到土壤体积含水率二维分布图，见图1～图4。

表3 灌水前后土壤含水率变化表Tab.3 The soil moisture content changes before and after water table

图1 6月11日滴灌灌水前土壤含水率分布图Fig.1 Drip irrigation before soil moisture distribution map in June 11

图2 6月13日滴灌灌水后土壤含水率分布图Fig.2 Drip irrigation after soil moisture distribution map in June 13

图3 6月11日涌泉灌灌水前土壤含水率分布图Fig.3 Bubble irrigation after soil moisture distribution map in June 11

图4 6月13日涌泉灌灌水后土壤含水率分布图Fig.4 Bubble irrigation after soil moisture distribution map in June 13

根据表3中滴灌和涌泉灌灌水前后的土壤含水率值的变化可以看出，两种灌水方式在灌水后，土壤含水率都是明显的变大，并且随着土壤深度的增加，土壤含水率值是由大依次变小，直至土壤深度的达1.0 m左右，土壤含水率的变化值就非常的小。根据Surfer软件制作出的土壤含水率二维分布图，更为明显地看出，灌水前后土壤含水率大小变化的分布，从图上看出，滴灌和涌泉灌的两种灌水方式下，在土壤深度1.0 m以下的土壤含水率在灌水后不会再有太大的变化，这说明在微灌灌水条件下，土壤水没有深层渗漏。

在滴灌和涌泉灌两种不同灌水方式的条件下，由于滴灌滴头流量(3.75 L/h)和涌泉灌滴头流量(20.0 L/h)不同，不同滴头流量下，湿润体的形状大小会随着滴头流量的增大而湿润范围增大，水平、垂直方向上湿润锋的运移距离随着滴头流量的增加而不断增大[14-17]。由图2和图4看出，滴灌水平的湿润锋要小于涌泉灌的。而且根据王磊等[18,19]对干旱区滴灌核桃树根系空间分布研究知道，核桃树根系在水平方向上核桃树根系主要分布在0～120 cm范围内，占总根系分布的90.84%，在垂直方向上主要分布深度在0～90 cm范围内，占总根长分布的78.75%。因此，两种灌水方式都能给核桃根系区提供足够水分，满足核桃根对水分的吸收。对比灌后图2和图3，滴灌在水平距离达到120 cm以外的土壤含水率在灌水前后变化值较小，而涌泉灌的土壤含水率变化值相对较大，但是核桃根系在水平方向上主要分布在0～120 cm范围内，因此对比看出，涌泉灌在这上要分散一部分水在核桃主根区以外，而滴灌灌水后的主要水量正好分布在核桃主根区范围内，更好地把有效水量供给核桃主根吸收。

3.2 不同灌水方式下核桃树茎流速率的变化规律

在采用滴灌和涌泉灌两种灌水方式下，通过SF-G液流传感器监测核桃树树干液流的传输动态，采集获得的茎流数据分析得到以下的结果，如图5和图6所示。

图5 滴灌和涌泉灌茎流速率日变化图Fig.5 The stem flow diurnal variation diagram of drip irrigation and bubble irrigation

图6 滴灌和涌泉灌茎流速率日累计图Fig.6 The stem-day total flow rate diagram of drip irrigation and bubble irrigation

在滴灌和涌泉灌两种不同灌水方式的条件下，由于相同灌水定而出现不同大小的湿润带，因此在土壤中根区的土壤水大小直接会影响着核桃树干茎流速率的变化。由图5可看出，滴灌和涌泉灌核桃树树干的茎流速率在一天当中的变化曲线趋势都是相似，且在8∶00之前，两种灌水方式下茎流速率都是基本相近，过了9∶00后，滴灌的核桃树树干茎流速率就明显比涌泉灌核桃树树干茎流速率增长要快，到了16∶00双方都达到了一天当中的最大值，明显的滴灌一天中茎流速率最大值[0.276 mL/(cm2·min)]要大于涌泉灌一天中茎流速率最大值[0.164 mL/(cm2·min)]。图6中则是在一天中双方的茎流速率累计值，在9∶00以前的累计值两者差别很微小，9∶00之后，随着太阳辐射量的增加，茎流速率随着变大[20-22]，滴灌核桃树树干茎流速率累计值增大率明显比涌泉灌快。

由图7看出，在同一灌水定额不同灌水方式下，滴灌的茎流速率日均值波动性大于涌泉灌的茎流速率，这表明核桃树树干茎流速率对滴灌条件下的变化更加的敏感，因此滴灌灌水更好反映出茎流变化，以此用来对核桃树蒸腾速率的反应以及控制。由图8看出，在滴灌和涌泉灌两种不同灌水方式的条件下，两种灌水方式核桃树树干茎流速率每天的起始点都在相同时间点(9∶00前后)。从图8明显看出滴灌的茎流速率明显都大于涌泉灌核桃树树干茎流速率，通过分析，滴灌茎流速率比涌泉灌茎流速率大11.91%。

图7 滴灌和涌泉灌茎流速率日均变化图Fig.7 The stem daily flow rate change map diagram of drip irrigation and bubble irrigation

图8 滴灌和涌泉灌茎流速率变化曲线图Fig.8 The stem flow rate change graph diagram of drip irrigation and bubble irrigation

3.3 不同灌水方式下与核桃产量的影响

在9月份核桃成熟之后，通过分别测定滴灌和涌泉灌两种不同灌水方式下的各小区的核桃产量。测定了总产量以及分别在两种灌水方式下各处理小区的所有核桃中随机取出一百粒核桃进行测其出仁率、蛋白质含量和脂肪含量等，得到结果见表4和表5。

表4 滴灌和涌泉灌核桃总产量及水分利用率表Tab.4 The drip irrigation and bubble irrigation walnut output and water use efficiency table

表5 滴灌和涌泉灌核桃百粒重测定表Tab.5 The drip irrigation and bubble irrigation walnut hundred grain weight measurement table

由表4看出，涌泉灌灌水方式下核桃产量为2 141 kg/hm2，在相同灌水定额30 mm情况下，滴灌灌水方式下的核桃产量要比涌泉灌灌水方式多产了35.82%，表中滴灌水分利用效率WUE相对涌泉灌高出了35.71%。通过百粒重测得两种灌水方式下平均单个核桃质量、出仁率、蛋白质含量和脂肪含量，由表5可得，滴灌灌水方式下平均单个核桃重11.38 g，比涌泉灌灌水方式下重了0.01 g，而滴灌核桃核仁质量要比涌泉灌的核桃核仁重0.27 g(滴灌核桃核仁重7.67 g)，滴灌出仁率要比涌泉灌灌水方式下出仁率大了3.61%。通过品质的测定，得到在核桃中，核桃成分的主要含量是脂肪，超过了核桃总量的65%以上，而滴灌灌水方式下的核桃脂肪含量达到了68.20%，比涌泉灌灌水方式下核桃脂肪含量大了2.10%。

由此通过对比可以看出，在相同灌水量的情况下，滴灌灌水方式下的核桃树在总产量、单粒重以及品质上都要优于涌泉灌的灌水方式，因此，可以推荐采用滴灌的灌水方式进行更进一步的研究。

4 结 语

(1) 在滴灌和涌泉灌的两种灌水方式下，灌水定额都是30 mm条件下，土壤湿润层深度达到1.0 m，且1.0 m以下的土壤含水率在灌水前后几乎维持不变状态。在滴灌下土壤中水量的分布更好的吻合核桃主根区的分布，让核桃根区有充足的水分供给核桃吸收，以此根据土壤水分分布的规律表明，滴灌比涌泉灌更适合灌溉核桃树。

(2) 在滴灌和涌泉灌的两种灌水方式下，相同的灌水定额30 mm，滴灌核桃树树干茎流速率明显要大于涌泉灌的茎流速率，表明滴灌核桃蒸腾量要强于涌泉灌灌水方式下的核桃树。然而，滴灌核桃树树干的茎流速率日均值波动性明显大于涌泉灌灌水的核桃树，因此，用滴灌灌溉方式下的核桃树的蒸腾量受其控制性较大。

(3) 在相同灌水量的情况下，滴灌灌水方式的核桃产量要比涌泉灌的灌水方式下核桃产量多了35.82%(涌泉灌灌水方式下的核桃产量为2 141 kg/hm2)，并且滴灌下的核桃的单粒重、出仁率以及核桃品质都要优于涌泉灌，由此可以看出，滴灌灌水方式更加适合用于发展核桃树灌溉。

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