基于SPAC系統(tǒng)機理模型的火龍果灌溉管理研究

張 麗，張廷強

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責任公司，南寧 530023）

0 引言

火龍果（Hylocereus undulates Britt）是一種熱帶、亞熱帶水果，又稱紅龍果、青龍果、仙蜜果等，屬仙人掌科（Cactaceae）量天尺屬（Hylocereus undatus）和蛇鞭柱屬（Seleniereus Mejalantous）植物[1，2]。火龍果原產(chǎn)于中、南美洲等地區(qū)，二十世紀八九十年代最先傳入我國臺灣省，在20 世紀90 年代末開始引入福建等地進行栽培。經(jīng)品種馴化后，受地理和氣候條件等的限制，目前只在廣西、廣東、貴州、云南、海南、臺灣等南方地區(qū)有較大規(guī)模種植，北方地區(qū)在增溫設(shè)施中也有所栽培[2，3]。火龍果喜疏松、富含有機質(zhì)、排水良好、pH 值范圍為6.0～7.5 的土壤環(huán)境，最適空氣溫度為25～35℃。火龍果不僅清甜爽口，且營養(yǎng)價值高，同時壽命長、繁殖快、見效快，具有較好的觀賞及經(jīng)濟價值，受到種植者和消費者的喜愛。

火龍果雖然具有一定的耐旱能力，但是為了正常的生長發(fā)育，仍需要充足的水分供應(yīng)及適宜的排水措施，特別是在開花結(jié)果期間[4]，否則易產(chǎn)生裂果[5]。目前火龍果種植過程中灌溉管理方式粗放，對火龍果需水規(guī)律針對性不強，甚至出現(xiàn)多余的灌水導(dǎo)致火龍果根部氧氣受限。本研究旨在通過模擬火龍果生長過程，討論不同灌溉情形下火龍果的水分脅迫情況，并結(jié)合實際管理條件，制定合理的灌溉管理方案。通過本次研究，一方面可以合理高效地利用水資源，另一方面可以提高種植園灌溉技術(shù)水平和火龍果產(chǎn)量。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)介紹

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)南寧市隆安縣丁當鎮(zhèn)金福農(nóng)業(yè)火龍果基地，金福農(nóng)業(yè)火龍果基地面積達5000多畝，是廣西連片種植面積最大的紅心火龍果種植、種苗培育基地之一。項目區(qū)所在隆安縣年平均氣溫為21.8℃，年平均降水量為1 301.0 mm，年平均日照時數(shù)為1 528.4 h，年平均蒸發(fā)量1 632.8 mm，年平均相對濕度為80%。在研究區(qū)內(nèi)選擇代表性觀測田塊，布設(shè)土壤水分觀測設(shè)備和氣象觀測站（見圖1）。代表性觀測田塊在2020年4月1日至2020年10月15日（火龍果生長耗水量大的時段）期間未進行灌溉，以制造干旱條件，分析火龍果的水分脅迫規(guī)律。

圖1 研究區(qū)及土壤水分觀測點位置圖

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

利用研究區(qū)布設(shè)的氣象觀測站，監(jiān)測太陽輻射、空氣溫度（離地高度2 m）、降雨、濕度、風速等氣象數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)主要用于驅(qū)動SPAC系統(tǒng)機理模型，圖2 展示了降雨隨時間的變化情況。由圖2 可知，在2020 年7 月初至2020 年9 月中旬，有兩個時段降雨量少，火龍果生長可能受到脅迫。

圖2 研究時段內(nèi)降雨數(shù)據(jù)

1.2.2 土壤水分數(shù)據(jù)

如圖1所示，在代表性田塊內(nèi)安裝有10個土壤水分監(jiān)測點，每個點監(jiān)測5、15 cm兩個深度（火龍果根系深度約為30 cm）內(nèi)的土壤含水量，為了準確反映代表性田塊內(nèi)的土壤含水量情況，對10個設(shè)備監(jiān)測的結(jié)果進行了平均，減小觀測數(shù)據(jù)的不確定性。

2 SPAC系統(tǒng)機理模型

采用土壤-水分-大氣-作物（SWAP）模型模擬土壤-植被-大氣連續(xù)體（SPAC）系統(tǒng)內(nèi)的土壤水分變化和火龍果根系吸水及水分脅迫過程。下面就土壤水分運動及水分脅迫模擬和基于SWAP模型的灌溉策略進行介紹。

2.1 土壤水分運動

采用基于達西定律和質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)的垂向一維Richards 方程描述農(nóng)田飽和-非飽和土壤水分運動：

式中：K（h）為水力傳導(dǎo)度，cm/d；h為壓力水頭，cm；z為垂向位置（以向上為正方向），cm；C（h）為土壤容水度，cm-1；t為時間，d；Sr（h）為植被根系吸水速率，cm3/d。

土壤本構(gòu)關(guān)系采用Mulem-van Genuchten 模型描述：

2.2 植被水分脅迫

作物生長需要合適的土壤水分狀態(tài)，若土壤過濕即土壤含水量過高將導(dǎo)致作物根部缺氧而無法吸收土壤中的水分導(dǎo)致水分脅迫。若土壤過干及土壤含水量過低，作物根部將因無水可以吸收而出現(xiàn)水分脅迫。Feddes et al.（1978）根據(jù)作物的這一特征建立了基于土壤負壓水頭的根系水分脅迫模型，水分脅迫指數(shù)與土壤負壓的函數(shù)關(guān)系見圖3。圖3中水分脅迫指數(shù)越大代表作物受到的水分脅迫越弱，當指數(shù)等于1 時，作物未遭受脅迫，當指數(shù)等于0時，作物遭受最大水分脅迫，無生物量合成。

圖3 Feddes et al.（1978）水分脅迫模型

2.3 灌溉策略

SWAP 模型中共有6 種灌溉策略，其啟動灌溉的標準分別為：①水分脅迫下限（式5）；②可用水量在總可用水量比值下限（式6）；③實際土壤含水量占飽和土壤含水量的比值下限（式7）；④絕對土壤含水量下限，指根系區(qū)的土壤含水量下限（式8）；⑤土壤含水量與田間持水量最大差值（式9）；⑥指定灌溉最小時間間隔和灌溉啟動所對應(yīng)的最低土壤含水量與田間持水量的差值（式10）。在這6種灌溉策略中，灌溉水量的上限一般為田間持水量，也可以指定單次的灌溉水量。由圖3 可以看出，如果發(fā)生水分脅迫，作物生長將受到影響，因此在灌溉時應(yīng)尋求水分脅迫與灌溉水量之間的平衡，做到水分脅迫較小且灌溉水量和灌溉時間適宜，不能一味地保證水分脅迫較小而無限增加灌溉水量和灌水頻率，否則不僅造成水資源的浪費而且管理困難。本研究采用第一種灌溉策略并考慮實際管理條件設(shè)計合理的灌溉方式，結(jié)合第①種策略和圖3 可以看出，通過水分脅迫可以反映蒸騰量，進而可表征產(chǎn)量的損失。SWAP 模型中6 種灌溉策略，其啟動灌溉的標準分別為：

式中：Pa，t，P0，t分別為實際蒸騰量和潛在蒸發(fā)量，mm；WSl為水分脅迫閾值；Rθa，t，Rθw，Rθf分別為根系區(qū)實際含水量、凋萎系數(shù)對應(yīng)的根系區(qū)土壤含水量和田間持水率對應(yīng)的根系區(qū)土壤含水量，mm；Rw為可用水比值閾值；Rθs為根系區(qū)土壤飽和含水量，mm；Rs為飽和比閾值；Rθ0根系區(qū)土壤含水量閾值，mm；Rf可用水余量閾值，mm；n灌溉次數(shù)順序序列號，t0最小間隔時間，d。

3 灌溉策略分析

3.1 模型參數(shù)校正

為了能準確模擬土壤水分運動和火龍果水分脅迫信息，首先基于田間的根系觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建根系模型（根系深度30 cm，須根系，根系分布函數(shù)滿足三角形分布），然后利用根系區(qū)土壤含水量觀測數(shù)據(jù)對SWAP 模型參數(shù)（式4、圖3）進行校準，優(yōu)化目標是在有觀測數(shù)據(jù)時刻，模擬值與觀測值之間的均方根誤差最小。另外，利用室內(nèi)實驗測定了火龍果試驗區(qū)土壤的田間持水量數(shù)據(jù)，為制定合理的灌溉制度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。圖4展示了參數(shù)校準后試驗區(qū)觀測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)變化圖，由圖4可知，校準后的模型能良好地反映土壤含水量的變化情況。

圖4 模型土壤含水量模擬情況

3.2 自然降雨情境下火龍果水分脅迫分析

圖5展示了自然降雨情況下降雨和水分脅迫指數(shù)之間的關(guān)系。由圖5可知，在7月中旬之前，降雨較為充沛，因此作物未受到明顯干旱影響。但是7月中旬至9月中旬時間段內(nèi)，雖然有降雨，但是研究區(qū)的季風性氣候?qū)е陆涤暝跁r間上不均勻，部分時段無降雨，干旱較為嚴重，從圖5 可以看出，此時段內(nèi)若無灌溉，火龍果將遭受明顯的水分脅迫，其生長將受到嚴重影響。

圖5 自然降雨情況下火龍果水分脅迫情況

3.3 不同水分脅迫下限閾值的灌溉對比分析

由圖5可知，在7月中旬至9月中旬時段內(nèi)應(yīng)進行灌溉以保證作物良好生長，采用第①種灌溉策略即設(shè)定水分脅迫指數(shù)下限來控制灌溉，下限分別為0.95、0.90、0.85、0.80、0.75、0.70、0.65、0.60、0.55、0.50，灌水上限均為田間持水量，不同水分脅迫指數(shù)下限閾值情況下水分脅迫指數(shù)變化情況見圖6。不同水分脅迫指數(shù)下限閾值和水分脅迫指數(shù)均值及灌溉水量的關(guān)系見圖7。由圖6和圖7可知，考慮到研究區(qū)的降雨情況，并不是水分脅迫指數(shù)下限越高越好，越高可能會因為灌溉時間后的降雨導(dǎo)致作物根系因缺氧而產(chǎn)生水分脅迫進而影響到作物生長。由圖7 可知，將水分脅迫指數(shù)下限設(shè)定在0.85～0.90之間最為合適，可同時兼顧較高的水分脅迫指數(shù)和較低的灌溉水量。

圖6 不同水分脅迫指數(shù)下限閾值情況下水分脅迫指數(shù)變化情況

圖7 不同水分脅迫指數(shù)下限閾值和水分脅迫指數(shù)均值及灌溉水量關(guān)系圖

3.4 考慮實際管理條件的灌溉對比分析

前面結(jié)果僅考慮了氣象并未考慮實際管理情況，在實際管理中，因研究區(qū)火龍果灌溉采用輪灌方式，且單次灌水一般在30 mm 以內(nèi)，兩次臨近灌溉時間的間隔不低于5 d。考慮到實際管理情況，模擬了不同水分脅迫指數(shù)下限閾值情況下的水分脅迫指數(shù)變化情況（見圖8），不同水分脅迫指數(shù)下限閾值和水分脅迫指數(shù)均值及灌溉水量的關(guān)系見圖9。由圖8 和圖9 可知，考慮實際情況時，最優(yōu)的水分脅迫指數(shù)下限為0.95～0.96，可以實現(xiàn)較小的灌溉水量和較大的水分脅迫指數(shù)均值。相比于不考慮實際管理情況的結(jié)果而言，雖然灌溉次數(shù)（6 次>3次）增加了，但是灌溉水量（180 mm<191 mm）和水分脅迫指數(shù)均值（0.97>0.96）得到了更優(yōu)的結(jié)果，原因是研究區(qū)的季風性氣候?qū)е陆涤晔构喔葲Q策制定變得更為復(fù)雜，從另一方面也可看出，基于現(xiàn)有的管理方式，結(jié)合建立的模型可以實現(xiàn)研究區(qū)火龍果的優(yōu)化灌溉管理。

圖8 實際管理條件下不同水分脅迫指數(shù)下限閾值情況下水分脅迫指數(shù)變化情況

圖9 實際管理條件下不同水分脅迫指數(shù)下限閾值和水分脅迫指數(shù)均值及灌溉水量關(guān)系圖

4 結(jié)論

火龍果作為重要的經(jīng)濟作物，合理的灌溉管理對于有效利用水資源和提高火龍果產(chǎn)量具有重要意義。本研究基于SPAC 系統(tǒng)機理模型，模擬了不同灌溉情形下火龍果的水分脅迫情況，并得到了對應(yīng)的灌溉時間和灌溉水量。結(jié)果顯示：無灌溉僅依賴自然降雨情形下，火龍果在蒸發(fā)顯著的夏秋季節(jié)遭受干旱脅迫明顯，說明灌溉對于保證火龍果正常生長和高產(chǎn)具有重要作用；結(jié)合實際管理條件，不同水分脅迫指數(shù)下限閾值的模擬結(jié)果表明單次灌水量在30 mm以內(nèi)，且臨近灌溉時間間隔不低于5 d時，最優(yōu)的水分脅迫指數(shù)下限閾值為0.95，灌水量在180 mm 左右。基于現(xiàn)有的管理方式，利用SAPC 系統(tǒng)機理模型可以實現(xiàn)火龍果的優(yōu)化灌溉管理。此外，從模擬的水分脅迫結(jié)果可以看出，除干旱外，在降雨集中且水量較大的時刻，火龍果根系因缺氧而受到脅迫，對產(chǎn)量也產(chǎn)生了一定的負面影響，應(yīng)注意做好排水措施。SPAC系統(tǒng)機理模型可實時反映脅迫情況，指導(dǎo)農(nóng)田水分（灌溉與排水）管理。