核桃富含油脂,具有补脑的保健功效,深受人们喜爱[1],在我国西部地区种植广泛,具有较高的种植价值,可为农民增收创收[2]。由于一年中开花结果周期长[3],往往依靠有经验的农民通过观察核桃树生长情况进行浇水[4],没有对不同生长时期浇水量及核桃最终品质进行系统性分析,因此制约核桃品质的提高[5,6]。目前,对于核桃需水方面研究往往采用土壤湿度传感器,监测土壤湿度[7],结合核桃树生长状态,进而进行补水[8]。此种方法具有以下问题:①没有系统性研究不同生长时期浇水量与核桃品质之间的联系,仅以核桃树生长情况作为衡量标准[9,10];②衡量标准单一,没有综合如出核率、产量等品质作为评价标准[11]。为此,本文尝试建立一种新的核桃灌溉模型及核桃蒸腾作用模型,进而计算蒸发蒸腾量,最后采用经验公式计算出核桃需水量;同时,采用正交分析的方法,综合考虑产量及出核率对于不同生长时期水分的需求,分析得到最优化的核桃灌溉量,提高核桃品质。

1、系统组成

核桃灌溉平衡分析系统主要由太阳环境因子分析、耗水量分析及核桃最适宜耗水量正交分析等3部分组成,如图1所示。针对影响核桃蒸腾作用的环境因素如温度、相对湿度进行分析,探讨其与太阳辐射变化趋势的关系,为建立蒸腾作用模型选定参数;耗水量分析基于环境温度、相对湿度和太阳辐射强度进行,建立核桃蒸腾作用模型,采用包裹式茎流仪测定核桃蒸腾量;其次,建立核桃蒸发蒸腾量与蒸腾量模型;最后采用经验公式计算核桃耗水量。核桃生长周期较长,从4月持续到8月,由于在计算耗水量时引用经验公式,以及各地方由环境因素造成的核桃生长个体差异,计算结果会引入误差,因此采用正交分析的方法确定本试验田最适宜浇灌量。以产量及出核率作为指标进行主导水平分析和极差分析,最终综合两测试结果,确定不同生长时期核桃浇灌量。试验区位于青海省,面积0.2hm2核桃树龄为11年,品种为温185,行间距为3m×5m,密度为660棵/hm2,树木高度为3～3.5m,采用滴灌方式进行灌溉。

图1系统组成

2、太阳能辐射对于环境因子影响

太阳是地球植物生长的动力来源,太阳辐射通过大气层的折射作用,使地球维持了适合的温度,便于动植物发育;同时,蒸发水分才能使地表维持了一定的湿度。植物只有在适宜的环境条件下才能生长,植株耗水量与环境因素关系密切,而环境条件与太阳辐射强度密切相关。现以核桃为例,探讨太阳辐射强度与主要生长环境因素之间的关系。1天24h中太阳辐射变化及核桃树田间环境因素变化如图2所示。

图2太阳辐射对于环境因素的影响

其中,太阳辐射变化如图2(a)所示,呈对称正态分布。在4:00以前太阳辐射为0;4:00-9:00之间,太阳辐射强度逐渐增强,但增强速度较慢;9:00-11:00之间辐射强度增强速率显著变大,11:00达到720;11:00-14:00之间增强速率减慢,13:00达到一天中的最大值,为810W/hm2;之后开始回落,到17:00回落至60W/hm2;此后回落速度降低,到21:00辐射强度为0。环境温度变化曲线如图2(a)所示,总体上比辐射曲线变化缓慢,同时滞后于辐射曲线。0:00-4:00区间内温度逐步下降,4:00-14:00区间内呈逐步上升趋势,14:00达到最大值,比辐射强度最大值滞后约1h;随后逐步降低,23:00温度降低到17℃。相对湿度随着太阳辐射变化趋势相反,变化速度小于辐射变化,且滞后于太阳辐射变化,具体表现为:0:00-5:00变化速度较低,5:00-14:00之间下降速度变快,14:00达到最低点,滞后于太阳辐射近1h;随后逐步上升,20:00达到51%,后趋于稳定。综上可知:相对湿度和环境温度受太阳辐射强度变化影响,变化相对滞后于太阳辐射,且变化速率较平稳,上升下降速率相对缓慢。

3、核桃生长周期耗水量模型

核桃灌溉量中主要部分为蒸发蒸腾消耗,而蒸发蒸腾耗水量中主要为核桃蒸腾作用耗水量和地表水分蒸发量。蒸腾作用耗水量可以通过温度、相对湿度及太阳辐射强度等因素建模求得。蒸发蒸腾作用耗水量通过蒸腾作用耗水量建模求得,采用蒸发蒸腾作用耗水量模型,通过耗水强度公式计算得到灌溉最终耗水量,进而建立温度、相对湿度及太阳辐射强度等因素与最终核桃耗水量之间的关系。

3.1蒸腾量与环境因素模型

核桃的蒸腾作用强度与太阳辐射、环境温度及相对湿度有关,现探究蒸腾速率规律。由于环境温度与相对湿度与太阳辐射强度相关,且规律一致,现以太阳辐射为代表,分析蒸腾速率变化规律,如图3所示。总体上蒸腾作用最高值出现在12:00左右,比太阳辐射最高值早1.5h。这是由于太阳辐射强度高于定量时,核桃叶片上的气孔关闭,蒸腾作用受到抑制。对8:00-12:00太阳辐射强度与蒸腾速率进行拟合,相关系数R2达到0.72;14:00-17:00进行拟合,相关系数R2为0.62。在没有太阳辐射的情况下,蒸腾作用呈逐渐下降趋势,表明太阳辐射为蒸腾作用主要相关量;但仅以太阳辐射进行建模,模型精度较低,现采用太阳辐射R、环境温度T相对湿度Rs与核桃蒸腾速率Vz进行建模,结果如式(1)所示。式(1)表明,拟合相关系数R2达到0.78,较采用单一太阳辐射进行建模时精度有所提高。

图3核桃蒸腾趋势

Vz=1375.824-8.213T+0.322R-6.945Rs(1)

3.2蒸发蒸腾耗水量与蒸发耗水量模型

蒸发蒸腾耗水量是指在土壤水分充足的情况下,核桃生长时自身蒸腾作用和地表蒸发作用耗水量和。常见计算方法为彭曼-蒙太斯公式,如式(2)所示。其中,ET0为参考作物蒸发蒸腾量,Rn为太阳辐射量,T为环境温度,ea为饱和水汽压;ed为实际水汽压,Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率。为了追求高精度及普遍适用性,彭曼-蒙太斯公式[12]参数较多,且计算较复杂;但分析公式可知,蒸发蒸腾量ET0主要和太阳辐射及环境因素相关。

EΤ0=0.408Δ(Rn-G)+900Τ+273U2(ea-ed)Δ+γ(1+0.34U2)(2)

由于植物蒸发量模型参数同为太阳辐射及环境因素,因此探究了蒸发耗水量与蒸发蒸腾量之间的关系,结果如式(3)所示。二者成线性关系,拟合决定系数R2达到0.762,表明二者之间具有一定的相关性。

ET0=1.799Vz-1.902(3)

3.3核桃耗水量与蒸发蒸腾量模型

核桃耗水量包括蒸发蒸腾作用及土壤渗透作用等,目前土壤耗水量计算主要采用经验公式的方法进行[13]。计算公式为

IW=KS×KC×(0.1+GS)×ET0(4)

其中,Iw为核桃耗水量,Ks为土壤渗透系数,Kc为植物系数,Gs为生长植物覆盖率,ET0为蒸发蒸腾量。采用此公式(4)计算核桃生长时期每天耗水量及相应月份总耗水量,结果如图4所示。其中,4月、5月日均耗水量相近,6月份需水量明显增加,7月份较6月份小幅增加,达到最大值;8月份耗水量回落到4.2mm/d,耗水量明显减小。月耗水量变化趋势通日均耗水量相同,在7月份达到最高值。

图4核桃耗水量计算值

造成该耗水趋势变化的原因是不同月份太阳辐射及环境因素的变化、核桃自身生长规律。4月份核桃处于开花期,叶片发育不完全,植物蒸腾作用强度较小,受地球公转影响,太阳辐射值较小,相应温度值也较低,日均耗水量为3.87mm/d;5月份为核桃膨胀期,进入生殖生长阶段,核桃果实开始生长,叶片发育较茂盛,同时太阳辐射强度及温度也相应提高,耗水量增加到4.2mm/d;6～7月份为核桃生长硬核期,核桃叶片生长茂盛,蒸腾作用强,植株耗水量大,同时太阳辐射处于一年中最强阶段,耗水量达到7mm/d;8月份核桃趋于成熟,同时太阳辐射及温度有所下降,日均耗水量下降为4.2mm/d。

4、不同生长时期耗水量对于核桃品质的影响

核桃生长周期较长,从4月份进入开花期,一直持续到8月份果实成熟。不同生长时期由于太阳辐射强度及核桃生长时期不同,耗水量变化趋势明显。在计算耗水量时引用经验公式,加之各地方由环境因素造成的核桃生长个体差异,计算结果会产生误差。因此,以计算所得耗水量值为基准,进行0.8、1、1.2倍增实验,分别对应1、2、3种水平;设置开花期、膨胀期及硬核期对应3因素A、B、C。以产量及出核率最为核桃品质,进行3×3正交实验[14,15],结果如表1所示。

表1核桃耗水量实验

针对产量及出核率,分别以上述实验进行因素水平分析与极差分析,确定各因素中主导水平及各因素重要程度,最终综合评价,确定不同生长时期的耗水量。

4.1素中主导水平分析

针对产量及出核率,分别进行因素水平分析,确定在不同生长时期核桃的耗水量。针对产量,计算在A因素下1水平对应的平均产量,即

ΚC¯A1=13∑13ycA1=5476.7kg/hm2(5)

同理,计算产量在因素A、B、C下各水平对应的平均产量。按照同样方法,针对出核率,计算因素A、B、C下各水平对应的出核率,结果如图5所示。产量分析,在开花期,主导水平为2,膨胀期主导水平为2,硬核期主导水平为3,在该耗水情况下,产量最大。出仁率分析:在开花期,主导水平为3,膨胀期主导水平为2,硬核期主导水平为2。

图5因素水平分析

4.2因素极值分析

针对产量和出核率进行极值分析,分析开花期、膨胀期及硬核期对于产量和出核率的影响程度大小,进而在影响最大的时期优先满足生长需水量,提高核桃品质。产量极值RCi计算公式为

RCi=max(ΚC¯i1,ΚC¯i2,ΚC¯i3)-min(ΚC¯i1,ΚC¯i2,ΚC¯i3)

(i∈A,B,C)(6)

同理,计算出核率极值RHi,结果如图6所示。

图6极值分析

产量极差分析表明,膨胀期为最关键时期;出核率极差分析表明,开花期为最关键时期,在此生长时期保证浇灌水量充足,可以提高核桃品质。

4.3核桃最适宜灌溉量

对产量进行因素水平分析,发现开花期、膨胀期和硬核期最适宜的灌溉量为A2B2C3;对出核率进行因素水平分析,发现开花期、膨胀期和硬核期最适宜的灌溉量为A3B2C2。由此可知:在膨胀期,产量和出核率最适合浇灌量因子均为B2;在开花期,产量最适浇灌因子为A2,而出核率浇灌因子为A3;在硬核期,产量最适浇灌因子为C3,而出核率浇灌因子为C2。

对开花期浇灌量进行分析,采用浇灌因子A2时,则出核率的相对增长量ΔhA和产量相对增长量ΔcA,如式(7)所示。由计算结果可知:产量增长量达到13.542%,而出核率下降3.61%,因此开花期浇灌量因子为A2。

ΔhA=(65.23-67.58667)/65.23×100%=-3.61%

ΔcA=(6087.62-5263.2)/6087.62×100%=13.542%(7)

对硬核期浇灌量进行分析,采用浇灌因子C2,则出核率的相对增长量Δhc和产量相对增长量Δcc如式(8)所示。其出核率增长为1.767%,而产量下降为6.594%,因此考虑硬核期最适宜浇灌因子为C3。

Δhc=(66.576-65.4)/66.576×100%=1.767%

ΔCc=(5609.7-5979.6)/5609.7×100%=-6.594%(8)

综合上述分析,在考虑产量和出核率增长量的情况下,开花期、膨胀期和硬核期最适宜的灌溉因子为A2B2C3,因此青海地区核桃不同时期最适宜灌溉量如表2所示。

表2核桃不同生长时期最适宜灌溉量

5、结论

为了探究太阳辐射等环境因素对于核桃耗水量的影响,寻找最适宜核桃生长的灌溉量,设计了核桃灌溉平衡分析系统。首先分析温度、相对湿度等环境因素随太阳辐射变化规律,确立蒸腾作用模型参数,发现温度、相对湿度变化趋势滞后于太阳辐射。建立蒸腾量和温度、相对湿度及太阳辐射强度之间关系模型,拟合决定系数达到0.78,进而拟合蒸发蒸腾量与核桃蒸腾量之间的关系,最后采用经验公式计算核桃耗水量。采用正交实验方法,以产量和出核率作为评价标准,进行因素水平分析和极差分析,结果表明:产量作为评价标准时,开花期、膨胀期和硬核期最适宜的灌溉量为A2B2C3,最终重要生长时期为B膨胀期;开花期、膨胀期和硬核期最适宜的灌溉量为A3B2C2,最重要生长时期为A开花期。综合评价两种标准,最终确定最优因素水平为A2B2C3,即开花期、膨胀期和硬核期最优灌溉量为3.9、4.1、5.812mm/d。

参考文献：

[1]杨胜杰,钟少达,崔玉梅.核桃肽免疫调节作用的研究[J].北方药学,2019,16(7):129-131.

[2]张学青.适用于我国西部开发的先进､实用､高效､低成本的核桃良种苗木工厂化生产技术[J].林业科技通讯,2000(9):46-49.

[3]黎章矩.山核桃生长发育年周期的研究[J].浙江林学院科技通讯,1982(1):54-62.

[4]包伟,彭刚.早实核桃灌溉技术[J].农村科技,2017(4):54-55.

[5]冯爱国.核桃膜下滴灌技术效益分析[J].山西水利,2017(12):12-14.

[6]程犇,达娃,范丽卿.不同土壤水分对核桃树存活率的影响[J].高原农业,2018,2(2):176-179.

[7]洪明,靳开颜,赵经华.环塔里木盆地核桃灌溉现状调查研究[J].中国农学通报,2013,29(7):185-190.

[8]郝中诚,彭云发,张宏.基于近红外光谱的南疆温185核桃水分无损检测的研究[J].安徽农业科学,2014,42(21):7191-7193.

[9]张娜,张龙,马英杰.滴灌灌溉制度对核桃产量及品质的影响研究[J].南水北调与水利科技,2010,8(5):112-115.

[10]胡琼娟,陈杰,马英杰.滴灌条件下核桃灌溉制度研究[J].水土保持通报,2012,32(5):244-247.

[11]丁菊萍.薄皮核桃沟灌､滴灌节水灌溉制度试验研究[J].农业科技与信息,2015(3):55-58.

[12]王则玉,冯耀祖,陈署晃.彭曼-蒙太斯法制定阿克苏红枣根渗灌灌溉制度[J].新疆农业科学,2010,47(11):2189-2194.

[13]胡琼娟,马英杰,何纪武.滴灌和微喷对核桃耗水量､产量及坚果品质的影响[J].水资源与水工程学报,2010,21(1):87-90.

[15]宋鑫华,闫鸿浩,马征征.基于传输线理论的电磁波反射系数正交分析[J].科学技术与工程,2018,18(12):137-141.

王瑛,李广德.太阳辐射及影响环境因子与核桃灌溉平衡分析[J].农机化研究,2021,43(02):40-44.

基金:青海省教育厅科学技术研究项目(20175215).