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节水灌溉技术在核桃上的应用

花匠小妙招
2024-12-25 06:10

任哲斌，程滨，赵瑞芬，滑小赞，王森，王钊，刘晓娟

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院果树研究所，山西太原030031；3.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

核桃（Juglans regia）属于坚果类经济树种，是我国广泛栽培的主要经济林树种之一。核桃在生长季节，通常会受到干旱胁迫，使生长与产量受到较大影响。相关研究表明[1-3]，核桃对干旱气候有较强的耐性，对土壤温度有较高的敏感度，核桃丰产优质的关键限制因子是水分，核桃的立地土壤水分供应状况直接决定核桃的产量与品质。适宜的土壤水分管理是缓解干旱胁迫、促进生长、提高产量及水分利用效率的有效措施。

节水灌溉是依据作物需水规律和当地供水情况，尽可能利用自然降水和灌溉水，以获取较好的经济效益和生态效益等而采取措施的总称[4]。目的是通过水利、农业等方面的节水措施，尽可能减少水资源在输水、配水、灌水以及作物耗水过程中的损失，提高水资源的利用率，最终实现农作物高产高效[5]。田间灌水节水措施包含节水灌水技术措施和节水灌溉制度措施，前者包括节水地面灌溉技术（畦灌、沟灌、间歇灌、膜上灌）、喷灌技术、微灌技术（滴灌、微喷灌、地下渗灌、小管出流）等；后者包括确定合理的作物灌溉定额、将有限水资源在作物生育期内进行最优分配等内容[6]。目前，我国的核桃园采用传统的沟灌或畦灌灌溉方式较多，这不仅造成严重的水分深层渗漏，大量的肥料也随灌溉水渗漏流失，而且有可能会污染地下水资源[7-10]。而且传统灌溉方式难以对水肥进行精确的控制，导致核桃品质差、商品率低，严重阻碍了核桃产业的可持续发展。因此，在核桃上采用新型节水灌溉技术势在必行[11-12]。

1 节水灌溉技术对核桃的影响

果树是多年生植物，生命周期较长、树体高大、单株面积较大，其灌溉技术与大田作物不同。微灌特别适合果树灌溉，它可以保持果树行间地面干燥，方便进行喷药、修剪和采果等果园管理工作，并且不会对土壤结构造成破坏[13]。有关滴灌在果树上的研究较多，与其他灌溉方式相比，其不仅能够显着提高果树的产量和促进果树生长发育，改善果实品质，提高水肥利用效率[14-15]，而且能够抑制土壤退化[16]，保证土壤微生物活性处于较高的水平[17]，从根本上解决在丘陵、坡地栽培中的水肥运输问题[18-20]。

1.1 节水灌溉技术对核桃生理指标的影响

赵经华等[21]研究了干旱区滴灌和畦灌方式下核桃根系总根长、有效根系的空间分布规律，结果表明，滴灌处理的核桃根系在水平方向上距树45～120 cm 的范围内有较多分布，并且分布比较均匀，该范围内，滴灌的总根长比畦灌的长6 278.9 cm，有利于对远处养分的吸收；在垂直方向上距地面0～100 cm 的范围内滴灌处理的核桃根系分布较多，而畦灌处理的核桃根系在此范围内明显少于滴灌。王磊等[11]研究了干旱区滴灌方式下核桃根系的总根长、根质量、有效吸收根的空间分布规律，结果表明，总根长主要分布在水平方向上120 cm 以内、垂直方向上0～90 cm 区域内；有效吸收根主要分布在水平距离60 cm 以内，地表以下0～60 cm 区域内。赵付勇等[22]在新疆阿克苏地区的研究表明，滴灌方式灌水土壤水的分布比涌泉灌灌水方式能更好地吻合核桃主根区的分布；滴灌的核桃树干茎流速率比涌泉灌大11.91%。李和兵等[23]研究表明，滴灌与低压软管灌水分主要分布在利于核桃吸收的毛根区。赵经华等[24]研究认为，在30 mm 灌水定额下，滴灌的核桃树叶片叶面积比涌泉灌要大。

1.2 节水灌溉技术对核桃产量及品质的影响

赵付勇等[22]研究认为，滴灌灌水方式核桃总产量要比涌泉灌多35.82%，滴灌的核桃脂肪含量比涌泉灌高2.10%。李和兵等[23]研究表明，滴灌全生育期产量最高；相对于漫灌，滴灌可增产7.1%，沟灌可增产8.4%，低压软管灌可增产4.5%。赵经华等[24]的研究表明，在30 mm 灌水定额下，滴灌核桃产量比涌泉灌高48.14%，滴灌的蛋白质含量（19.8%）比涌泉灌略低，而脂肪质量分数比涌泉灌大。胡琼娟等[25]研究了滴灌和微喷2 种微灌技术对核桃产量及果实品质的影响，结果表明，滴灌和微喷这2 种灌溉方式对产量的影响不大，滴灌的出仁率、蛋白质含量比微喷均高18%，滴灌和微喷的粗脂肪含量无显着差异。张怀生[26]研究了滴灌、喷灌和漫灌3 种灌溉方式对核桃坚果中全N、全P、全K、Ca、Mg 等5 种矿质元素含量的影响，结果表明，在相同耗水量的滴灌条件下，4 个核桃坚果品种的5 种矿质元素含量的积累均好于其他2 种灌溉方式。

1.3 节水灌溉技术对核桃水分利用效率的影响

赵经华等[21-24]研究表明，核桃各生育期耗水量变化趋势为先增大后减小，核桃树耗水量最大的生育期是油脂转化期，同时硬核期与油脂转化期占到全生育期耗水量耗水模数总和的60%以上；在30 mm灌水定额下，滴灌耗水量比涌泉灌高6.22%。赵付勇等[22]研究表明，滴灌水分利用率相对涌泉灌提高了35.71%。李和兵等[23]研究表明，滴灌全生育期灌水量最低；相对于漫灌，滴灌可节水54.3%，沟灌可节水35.0%，低压软管灌可节水54.3%。胡琼娟等[25]研究结果表明，在相同的灌溉制度下，核桃树微喷与滴灌的耗水规律略有不同，微喷灌水条件下核桃果实膨大期及成熟期耗水量稍大，二者的累积耗水量相同。滴灌和微喷这2 种灌溉方式对水分利用效率的影响不大。赵经华等[27]研究了不同灌水技术下成龄核桃的耗水规律，结果表明，微灌各处理累积耗水量较漫灌处理减少15.4%～41.0%；水分生产效率2 管滴灌处理最高，环灌处理次之，微灌各处理水分生产效率较漫灌增长3.5%～28.6%。综合考虑产量与水分生产效率，成龄核桃树微灌用环灌和3 管滴灌布置较好。

2 核桃节水灌溉制度研究

在水分供给不足的条件下，作物的灌溉制度是对有限的可供水量在作物全生育期内进行灌水时间和灌水定额的最优分配[28]。近年来，国内有许多学者对核桃进行了不同灌水量和不同灌水时期的研究，并综合考虑核桃生理生长状况、果实产量和品质等多方面因素，得出了合理的灌溉制度[29]。

2.1 节水灌溉条件下不同灌水量对核桃的影响

2.1.1 不同灌水量对核桃生长生理指标的影响唐忠建等[30]在新疆阿克苏地区研究不同滴灌量下核桃生长发育状况和水分蒸发的变化规律，结果表明，不同滴灌量下的蒸腾量从大到小的排序为每666.7 m2滴灌量50，40，45，30，35 m3。赵付勇等[31]研究表明，在不同灌水定额处理条件下茎流速率日平均值大小排序为灌水定额45 mm＞灌水定额30 mm＞灌水定额15 mm；不同灌水定额间核桃茎流速率具有显着相关性。马华冰等[32-33]以小管出流为灌溉方式，设置5 个水平灌水量（0，15，30，45，60 kg/（株·次）），对照为常规管理灌水量600 kg/（株·次），研究了不同处理的核桃枝叶生长状况、叶绿素荧光特性、树干液流，结果表明，土壤含水量和新梢生长量随着灌水量的增加显着增大；随着灌水量的减少，核桃叶片初始荧光（Fo）逐渐增大，最大荧光（Fm）、PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）和PSⅡ电子传递量子产量（ΦPSⅡ）显着或极显着降低；60 kg/（株·次）或对照处理的树干瞬时最大液流速率和日平均液流速率最大；在一定范围内，随着土壤水分含量的增大树干液流增大，超过临界值液流速率又会降低；叶片水势日变化趋势与土壤含水量显着相关，过低的土壤水分含量会导致叶片水势日变化由“V”型曲线变为“W”型曲线。李丹等[34-37]研究表明，滴灌条件下，不同灌溉定额的核桃树在油脂转化期叶面积指数差异不显着；在相同灌水定额下，滴灌的叶面积指数明显大于涌泉灌的叶面积指数；同时对比了以7，8 年生核桃灌水定额为150，300，450 m3/hm2的冠层参数、截获辐射能，结果表明，灌水定额为300 m3/hm2的叶面积指数、截获辐射能均为最大，更有利于核桃的生长发育；不同灌水定额对叶面积指数的变化影响均表现为300 m3/hm2＞450 m3/hm2＞150 m3/hm2；影响核桃干产量的关键性因素是叶面积指数和灌水定额，叶面积指数作用大于灌水定额；灌水定额不同会显着影响植株冠层截获的辐射能，较大的灌水定额在一定灌水定额范围内不能显着地提升截获辐射量；核桃树各生育期叶面积指数与截获辐射能呈极显着正相关，灌水定额为300 m3/hm2时，接近农业灌水效率最大、产量最大的目标。马华冰等[38]以小管出流的灌水方式，设置30，40，50，60，70 kg/（株·次）5 个水平的灌水处理，研究核桃适宜的灌水方法和灌水量，结果表明，适度的水分胁迫能提高核桃叶片的水分利用效率；各处理的叶片水分利用率随着灌水量的增大表现出先增加后减小的趋势；各处理中叶片的净光合速率、气孔导度最大均为50 kg/（株·次）处理，蒸腾速率最大为50 kg/（株·次）处理。赵经华等[24]等研究了不同灌水处理，滴灌（灌水定额为15，30，45 mm）、涌泉灌（灌水定额为30 mm）对核桃树生理的影响，结果表明，各处理间叶绿素最大值时及最终叶面积的大小关系表现为滴灌30 mm 处理＞滴灌45 mm 处理＞涌泉灌30 mm 处理＞滴灌15 mm 处理，各处理间差异显着；张雪梅等[1]探讨了不同灌溉水量对核桃生长的影响，结果表明，在一定灌水量范围内，光合速率、叶面积指数随灌水量增大而增大，但超出该范围后，光合速率、叶面积指数反而减小。

2.1.2 不同灌水量对核桃产量及品质的影响唐忠建等[30]研究表明，在675 m3/hm2的滴灌量下，果实生长速度最快，横纵径最大。马华冰等[32-33]研究认为，单株产量、出仁率和土壤含水量存在极显着正相关关系，核仁脂肪含量和土壤含水量有显着相关关系，保证95%最高产量对应的土壤含水量为20.01%～23.91%。马华冰等[38]对涌泉灌的研究表明，单株产量最大为50 kg/（株·次）灌水处理，极显着高于30 kg/（株·次）处理，显着高于40 kg/（株·次）处理，50，60，70 kg/（株·次）处理的单株产量间无显着差异；随着灌水量的增大出仁率逐渐增加，壳厚和缝合线高度逐渐减小。赵经华等[24]研究表明，各处理间核桃横纵径和体积大小关系均表现为滴灌30 mm 处理＞滴灌45 mm 处理＞涌泉灌30 mm 处理＞滴灌15 mm 处理；滴灌灌水方式下核桃蛋白质随着灌水定额变大而增大，滴灌45 mm 处理灌水定额比滴灌15 mm 处理高200%，而蛋白质只相对增多了4.08%。郑冰[39]研究结果表明，不同灌水处理果实横、纵径及新梢生长量总体随灌水量的增大而增大；在一定范围内核桃产量会随灌水量的增加而增加，灌水量超出此范围，核桃产量反而降低，兼顾产量与灌溉水利用效率，推荐600 m3/hm2为最优处理。

2.2 核桃各生育期水分最优分配研究

张娜等[40]研究了滴灌灌溉制度对核桃产量及品质的影响，结果表明，土壤水分下限在果实膨大期对核桃产量影响最大，硬核期其次，开花期最小；土壤水分下限在开花期对核桃蛋白质含量影响最大，硬核期其次，果实膨大期最小；土壤水分下限对核桃硬核期脂肪含量影响最大，果实膨大期其次，开花期最小。胡琼娟等[41]对核桃滴灌灌溉制度的研究表明，不同水分下限处理耗水总量最大处理为814.38 mm，耗水总量最小处理为711.77 mm，其他各处理介于二者之间；从不同处理各月的日耗水强度来看，4 月日耗水强度最低，在3.57～4.18 mm/d，5 月日耗水强度达到3.78～4.87 mm/d；6—7 月日耗水强度最大，为5.9～7.35 mm/d，8 月以后日耗水强度降低；对产量影响最大的是果实膨大期，开花期的影响次之，硬核期的影响最小，核桃产量最高的各生育期土壤水分下限为60%，60%，50%时，对蛋白质和出仁率的影响最大的是开花期，对脂肪的影响最大的是果实膨大期，硬核期对蛋白质的影响相对较大；50%水分下限的蛋白质、脂肪含量在果实膨大期及硬核期都最高，说明一定的水分胁迫有利于蛋白质和脂肪的积累。综合考虑产量、果实品质和水分利用效率，土壤水分下限指标在开花期、果实膨大期及硬核期分别为60%，60%和50%。

3 节水灌溉条件下的核桃水肥耦合效应研究

与传统的施肥灌溉方式相比，水肥一体化基于滴灌技术，可将水肥按照作物的需水需肥规律直接供应到作物根系附近，减少了运输过程中的水肥损耗，提高了水肥利用效率[42]。这种水肥一体化的方式在肥料的利用率上要强于撒施方式，能充分发挥水肥之间的耦合作用[43-44]。对果树来说，水肥一体化技术可以在结合土壤养分状况和果树需肥特性的基础上进行精准施肥，从而改善果树生长发育，提高果实品质[45-47]。

张锐等[48]在不同梯度的水肥耦合模式下对滴灌方式下核桃的研究表明，低水、低肥条件下核桃果实含量最低的是脂肪、还原糖、纤维素和碘价，而含量最高的是蛋白质；适度控水、增加施肥量有利于提高核桃叶片的净光合速率，灌溉定额为3.41 m3/株、施肥水平为2.661 kg/ 株的高肥高水处理可以提高核桃完整个数和产量；水肥耦合可以降低核桃壳厚度。陈加利等[49]研究表明，在3 个施肥水平和3 个灌溉水平下，不同施肥水平核桃叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度和叶片水分利用效率大小顺序均为高肥＞正常＞低肥；不同灌溉水平下核桃净光合速率和胞间CO2浓度大小顺序为高水量＞正常水量＞低水量；高水平灌溉量和施肥水平下，核桃平均单株产量显着高于正常水平和低水平（P＜0.05）；核桃在一定范围内增加灌水量和施肥量可以提高核桃平均单株产量。王忠任等[50]设置不同的水肥正交试验，研究水肥耦合对核桃生长指标和产量的影响，结果表明，中肥或中水处理对叶片光合作用有利，而过度施肥或灌水都对叶片进行光合作用不利；水肥耦合对核桃果实体积的影响显着，核桃体积最大出现在中水中肥处理，继续增加肥或水，都不利于核桃的生长；高水肥处理较中水肥处理施肥量增加一倍，但产量提升不明显，蛋白质和脂肪的含量反而下降。张锐等[51]对滴灌方式下核桃果实品质的研究表明，施肥量和供水量的相互作用对核桃品质均有一定影响，在供水量8 955 m3/hm2、施肥量1 562.99 kg/hm2（中水中肥）时核桃的出仁率最高；在供水量11 194 m3/hm2、施肥量1 876.01 kg/hm2（高水高肥）时核桃蛋白质含量最高，单宁含量最少；在供水量6 716 m3/hm2、施肥量1 249.97 kg/hm2（低水低肥）时核桃还原糖、脂肪含量最高；核桃品质的各指标受供水量和施肥量的影响不同，适当减少供水量、施肥量可以提高果实的品质及经济效益。综合考虑供水量与施肥量，以供水量6 716 m3/hm2、施肥量1 249.97 kg/hm2（低水低肥）为最佳搭配处理。

4 核桃节水灌溉技术存在的问题

节水灌溉及按需供肥相结合的水肥一体化技术是我国现代农业和植物营养学科研究的热点和重要的发展方向[52-55]，但尚存在很多需要解决的问题。如在研究核桃树的不同灌溉技术中，对滴灌的研究较多，对其他灌溉技术的研究相对较少；研究核桃树的耗水规律时，野外试验监测点过少，而构建更为科学合理的影响效益模型需要设置更多检测监测点[56]；进行野外试验影响因素较多，需要室内试验来辅助完成，但是目前针对室内核桃灌水的试验不多，而且有关核桃幼树的研究较少，缺少对不同年龄阶段核桃耗水规律的研究[57]。核桃树属于多年生植物，1～2 年的试验数据存在偶然性，研究核桃灌水需要持续多年[58]。目前，有关核桃滴灌灌溉制度的研究并不多，而且不少研究也只是设计不同梯度的灌水定额对核桃某些生长、生理指标及产量的影响。有些试验灌水量的梯度设计不合理，没有对核桃生长发育及品质产生显着影响[59]。有些试验梯度间的梯度较大，需要在试验中寻找到更加精确的灌溉制度；以及如何在节水灌溉条件下寻求核桃水肥优化耦合区域，指导生产实际实现核桃高产高效；在水分胁迫下如何科学地使用肥料、提高核桃品质以及灌水和不同肥料种类对核桃生长、产量及品质的影响仍有待研究。当前，核桃的地表微灌技术与农民的耕作方式并不十分配套，核桃树栽培模式及生产方式需要进一步研究，以适应微灌节水在核桃产业上的推广应用[60]。

因此，在山地核桃栽培实践中，加强核桃园水分利用及肥料平衡方面的研究，形成完整的干旱山地核桃水资源高效利用模式及水肥一体化技术体系，是今后核桃节水灌溉的发展方向。