南盤江流域冰糖橙需水量與灌溉需水指數時空變化特征

李尤亮，曹 言，張 雷，王 杰，王樹鵬，趙永前

（1.云南省水利水電科學研究院，云南 昆明 650228；2.高原立體氣候條件作物需水云南省野外科學觀測研究站，云南 昆明 650228；3.云南水利水電職業學院，云南 昆明 650400）

0 引言

柑橘是世界上最重要的果品之一，在我國栽培歷史悠久，品種豐富，已有4 000 多年種植歷史。云南省氣候資源豐富，柑橘種植區域潛力大，各州（市）均有種植，近年來種植面積逐年增加，2018年全省柑橘產量位居全國第十，柑橘已成為省內第二大果種，以特早熟蜜桔、冰糖橙、甜橙種植為主。云南省柑橘主產區主要分布在金沙江、南盤江、元江等流域，而南盤江流域以冰糖橙、溫州蜜柑、椪柑等品種為主。冰糖橙作為優良的甜橙品種之一，起源于湖南省洪江市，主要種植區域分布在云南、四川、貴州等省份［1］。早在20世紀80年代就有學者在南盤江流域華寧縣引進32個柑桔良種開展了適應性試驗，而冰糖橙就是其中可選擇利用推廣的13個品種之一［2］。

柑橘是需水量較大的果樹品種，土壤水分含量的高低會影響其根、葉對營養元素的吸收［3］，在土壤淹漬脅迫條件下會對柑橘生長發育、果實產量和品質均有較大影響［4］，而長期干旱會導致紅橘新稍生長、開花及生理落果物候期明顯推遲，并嚴重影響紅橘養分吸收、生育生長［5］。適當中度干旱脅迫不僅不會對溫州蜜桔樹勢造成嚴重損傷，還有利于促進植株開花［6］。通過適宜的調虧灌溉手段可以保證柑橘產量和品質，還能節約用水、提高水分利用效率［7，8］。冰糖橙在果實膨大期長期干旱會導致果實品質產生不可逆的影響，在該時期適時適量補充灌溉對增產增收、提高品質至關重要［9］。云南干、濕季明顯，降雨時空分布不均，種植柑橘還必須在花期、幼果期等生育階段進行人工灌溉［10］。準確掌握南盤江流域柑橘不同生育期需水量、有效降雨量的時空變化特征，對柑橘灌溉決策、水資源節約利用和提升果實品質具有重要意義。

云南省灌溉試驗工作相對滯后，主要以水稻、玉米等糧食作物需水方面的研究較多［11，12］，而關于柑橘需水方面的研究還較少。旱災是云南省持續時間最長、影響范圍最廣、最頻繁的自然災害［13］。季節性干旱對柑橘生長發育、產量、果實品質產生不利影響，干旱也成為國內外柑橘生產中必須解決的問題［14］。在此背景下，本研究根據1961-2020年南盤江流域21個氣象站平均氣溫、最高氣溫、降水等逐日觀測資料，分析南盤江流域冰糖橙需水量ETc、灌溉需水量IR、有效降雨量Pe和灌溉需水指數IRI的時空變化特征，為南盤江流域柑橘灌溉定額修訂及灌溉制度制定提供理論依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

南盤江流域位于滇東南部，海拔在155～2 869 m 之間，主要包括玉溪、紅河、曲靖、文山等州市的部分縣域，氣候屬于亞熱帶季風氣候，降雨主要集中在5-10月，年降雨量占全年的84.1%，而11月至次年4月為旱季，降雨量占全年的15.9%。南盤江流域降多年平均降雨量為973 mm，降雨量空間分布極不均勻，東部地區多雨濕潤，而中西部干旱少雨。土壤類型以紅壤為主，區域內多有石灰巖分布，冰糖橙是流域內師宗、開遠、羅平、華寧、通海等縣主要種植的柑橘品種之一［15］。

1.2 數據來源

收集了1961-2020年南盤江流域宣威、師宗、澄江、華寧、建水、開遠、硯山、富寧等21個氣象站的氣象數據，包括平均氣溫、最高和最低氣溫、日照時數、降水等逐日觀測資料，其數據來源于中國氣象科學數據共享服務網。對各站點氣象數據異常值或缺失值進行檢查，對缺測較少的數據采用前后兩天的平均值進行插補，對于異常值直接進行剔除，確保各站點數據的完整性。冰糖橙生育周期參考相關文獻［16］及結合實際情況按照年周期劃分為花芽分花期、花期、果實膨大期、著色期、成熟采摘期、休眠期，各生育期的作物系數由云南省水利水利科學研究院在華寧新村柑橘有限公司開展2年的觀測確定（見圖1）。

圖1 冰糖橙不同生育期作物系數Fig.1 Crop coefficient of citrus sinensis osbeck at different growth stages

1.3 冰糖橙需水量計算

1.3.1 單作物系數法

冰糖橙日需水量ETc采用單作物系數法計算，即通過日參考作物蒸發蒸騰量和冰糖橙作物系數相乘而得，具體計算公式如下：

式中：ETc指冰糖橙相應生育階段需水量，mm；m指冰糖橙某一生育階段的日數；i指冰糖橙生育階段的日序數；ET0i指第i日作物參考作物蒸發蒸騰量（mm），根據Penman-Monteith 公式計算而得；Kci為第i日的作物系數。

1.3.2 參考作物蒸散量

在氣象要素比較完整的條件下，Penman-Monteith公式已成為國內外計算逐日參考作物蒸散量ET0所采用的首選方法，具體計算公式如下：

式中：ET0指參考作物蒸散量，mm/d；Rn指到達作物表面的凈輻射，MJ/（m2·d）；G指土壤熱通量，MJ/（m2·d），在逐日估算時，G=0；T指日平均氣溫，℃，按日最高氣溫和日最低氣溫的算術平均值計算；u2指2 m 高處的平均風速，m/s；es指飽和水汽壓，kPa；ea指實際水汽壓，kPa；es-ea指飽和水汽壓差，kPa；Δ指飽和水汽壓曲線的傾率，kPa/℃；γ指濕度計常數，kPa/℃。

1.4 冰糖橙凈灌溉需水量和需水指數

冰糖橙生育期的需水量扣除有效降雨部分，還需通過灌溉來滿足生育期中蒸散發、生長發育需水量、滲漏以及其他水量損失，稱為冰糖橙凈灌溉需水量。因此凈灌溉需水量為冰糖橙需水量與有效降雨量之差。冰糖橙需水指數是指冰糖橙凈灌溉需水量與需水量的比值，可以反映冰糖橙對灌溉的需求程度，以及生長環境的旱澇情況，從而判斷冰糖橙的相對缺水程度［17，18］。

式中：IR指冰糖橙凈灌溉需水量，mm；Pe指作物生育期內有效降雨量，mm，有效降雨量采用美國農業部土壤保持局（USDA）推薦的方法計算［19］；IRI指冰糖橙灌溉需水指數；Pi為生育期內第i日降水量，mm。

1.5 數據分析方法

采用線性趨勢法和Mann-Kendall 趨勢檢驗法對南盤江流域冰糖橙各生育期需水量、有效降雨量、灌溉需水指數進行趨勢分析。Mann-Kendall 趨勢檢驗法中|Z|＞2.58 時，顯著水平α≤0.01，說明檢驗水平極顯著；1.96＜|Z|＜2.58 時，顯著水平α≤0.05，說明檢驗水平顯著；|Z|＜1.96 時，說明無顯著變化趨勢。Z為正則為上升趨勢，Z為負表明呈下降趨勢。

運用ArcGIS 10.8 軟件中的Kriging 空間差值法分析南盤江流域冰糖橙不同生育期需水量、有效降雨量、灌溉需水指數空間上的分布及變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 冰糖橙需水量、有效降雨量與灌溉需水指數時間變化特征

根據公式（1）～（5）計算南盤江流域21個氣象站的冰糖橙需水量、有效降雨量和灌溉需水指數，分別求得南盤江流域冰糖橙不同生育期及全生育期各指標逐年值。由圖2 可知，1961-2020年南盤江流域冰糖橙全生育期ETc在902.22～1 042.70 mm之間，Pe在289.62～477.68 mm 之間，IRI介于0.48～0.71 之間。其中在花芽分化期和花期隨著果樹的生長進入生殖生長的初期階段，ETc也呈增加趨勢，花期ETc＞花芽分花期ETc，此時正處于干旱少雨的春季，部分降雨量極低的年份導致IRI指數較大；在果實膨大期歷時較長，光照充分、溫度較高，正值果實干物質積累的關鍵階段，ETc達到最大，其值介于558.66～685.66 mm 之間，而雨季的到來使得有效降雨量Pe最大，其值介于177.17～348.74 mm 之間，而IRI有所減??；在果實著色期正值秋季，晝夜溫差較大、日照減少、果實開始逐漸成熟，ETc有所減少，秋季雨水逐漸減少，有效降雨量也相應減少。在休眠期氣溫較低及光照較少，ETc降低至39.49～58.13 mm 之間，Pe介于2.62～59.26 mm 之間，IRI介于-0.31～0.95之間。在變化趨勢方面，冰糖橙全生育期ETc（Z=0.72）和IRI（Z=1.43）呈上升趨勢，增幅分別為2.171 mm/10 a 和0.9%/10 a，Pe（Z=-2.72）呈顯著的下降趨勢，減幅為8.538 mm/10 a。其中在果實膨大期ETc呈減小趨勢，在其他生育期ETc均呈上升趨勢，成熟采摘期（Z=2.48）呈顯著的增加趨勢，增幅為0.848 mm/10 a；在休眠期、花芽分化期、花期Pe呈減小趨勢，在果實膨大期、果實著色期、成熟采摘期Pe呈顯著的減小趨勢，成熟采摘期呈極顯著減小趨勢，減幅分別為6.092、2.375、2.171 mm/10 a；在休眠期、花芽分花期、花期冰糖橙IRI均呈減小趨勢，減小幅度均較小，在其他生育期IRI呈上升趨勢，在成熟采摘期呈極顯著的上升趨勢，增幅為4.9%/10 a。

圖2 1961-2020年冰糖橙不同生育期ETc、Pe和IRI的年際變化Fig.2 The inter-annual variation of ETc，Pe and IRI in different growth stages of citrus sinensis osbeck during 1961-2020

2.2 冰糖橙需水量空間變化特征

南盤江流域各站點冰糖橙全生育期ETc在852.40～1 094.74 mm 之間，其中高值區主要分布在流域南部區域的建水、蒙自、開遠區域，低值區主要分布在流域中東部區域的師宗、羅平等區域，76%的區域呈增加趨勢，華寧、澄江上升趨勢極顯著，增幅在10.26 mm/10 a 以上變化，而少數站點呈減少趨勢，宣威以11.94 mm/10 a 的幅度減少，減少幅度最大，減少趨勢極顯著（如圖3、4所示）。冰糖橙各生育期ETc呈果實膨大期＞果實著色期＞花期＞成熟采摘期＞休眠期＞花芽分化期的趨勢；冰糖橙果實膨大期在各生育期中歷時最長，在果實膨大初期正值高溫低濕季節，田面蒸發量大，隨著雨季的來臨，空氣溫度、濕度等有所降低，但果實的逐漸生長及夏稍的抽發對水分和養分隨之增加，促使光合作用加強，冰糖橙ETc在此階段最大?；ㄑ糠只谡幱诙┐撼鯐r，氣溫、日照時數逐漸增加，而經歷時間較短導致此生育期ETc值最小。冰糖橙不同生育期各站點的ETc均存在不同程度的上升或下降趨勢，其中50%以上的站點呈上升趨勢，在成熟采摘期、休眠期有80%以上的站點ETc呈上升趨勢。在花芽分花期、花期、果實著色期、成熟采收期、休眠期中部分站點ETc呈顯著的上升趨勢，主要集中在流域西南部的澄江、玉溪、華寧等地，在這些生育期中下降趨勢均不顯著。在果實膨大期，57%的站點呈不顯著的上升趨勢，而在流域北部宣威、富源區域則呈顯著的下降趨勢。

圖3 1961-2020年南盤江流域冰糖橙不同生育期需水量空間分布Fig.3 Spatial distributions of ETc in different growth stages of citrus sinensis osbeck during 1961-2020

圖4 1961-2020年南盤江流域冰糖橙不同生育期需水量空間變化特征Fig.4 Spatial variation of ETc in different growth stages of citrus sinensis osbeck during 1961-2020

2.3 冰糖橙有效降雨量空間變化特征

流域內冰糖橙全生育期Pe在337.05～583.06 mm 之間，高值區主要分布在中東部羅平、師宗等區域，低值區分布在流域西南的開遠、建水等區域，全流域冰糖橙全生育期內Pe均呈減小趨勢，減幅在2.14～15.49 mm/10 a 之間，其中52%的站點Pe呈顯著的減小趨勢（見圖5、6）。冰糖橙各生育期內Pe呈果實膨大期＞果實著色期＞成熟采摘期＞休眠期＞花期＞花芽分化期的趨勢；果實膨大期生育期長，正值雨季，降雨量多，有效降雨量也最大，其值在235.61～319.83 mm，而花芽分花期降雨頻次和降雨量少，有效降雨量也最少。整個流域在冰糖橙果實膨大期、果實著色期、成熟采摘期Pe呈減小趨勢，在果實膨大期減小幅度在1.30～9.21 mm/10 a 之間，減小幅度最大，而在成熟采收期90%的站點呈顯著或極顯著的減小趨勢。流域內大部分區域在花芽分花期、花期、休眠期呈增加趨勢，在北部區域的宣威、沾益等地上升趨勢顯著且變化幅度較大。

圖5 1961-2020年南盤江流域冰糖橙不同生育期有效降雨量空間分布Fig.5 Spatial distributions of Pe in different growth stages of citrus sinensis osbeck during 1961-2020

圖6 1961-2020年南盤江流域冰糖橙不同生育期有效降雨量空間變化特征Fig.6 Spatial variation of Pe in different growth stages of citrus sinensis osbeck during 1961-2020

2.4 冰糖橙灌溉需水指數空間變化特征

南盤江流域冰糖橙全生育期IRI在0.05～0.61之間，IRI高值區主要分布在流域南部及西南區域的開遠、建水、石屏等區域，而在中部的羅平、師宗等區域最低，在北部、東部區域相對較低，90.5%的站點IRI呈上升趨勢，其中陸良、江川、開遠IRI上升趨勢顯著，宣威、硯山呈不顯著的減小趨勢（見圖7、8）。冰糖橙生育期內IRI呈花期＞花芽分花期＞休眠期＞果實膨大期＞果實著色期＞成熟采摘期的趨勢；大部分區域在冰糖橙花芽分化期、花期和休眠期IRI高于0.5，表明南盤江流域冰糖橙在這些生育期中需要依靠灌溉補充水分，否則會發生干旱缺水現象，由于花芽分花期和花期處于春季，正是干旱少雨季節，休眠期處于冬季，雨季剛好結束，在這些生育期內降雨量和降雨頻次相對較少，發生干旱風險相對較高，特別是花期。大部分區域在果實膨大期、果實著色期和成熟采摘期IRI低于0.5，表明在這些生育期降雨量較大，降水頻次較多，降雨能夠滿足冰糖橙生長所需的大部分水分，出現缺水年份相對較小。成熟采收期已完成生殖生長，冰糖橙對水分的需求降低，IRI也最小。流域內大部分區域在花芽分花期、花期、休眠期IRI呈均呈減少趨勢，個別站點變化趨勢顯著，且減幅由北部向東南和南部遞減；在果實彭大期、果實著色期、成熟采摘期IRI呈上升趨勢，成熟采摘期90%的區域上升趨勢顯著，且增幅主要由中東部向南部遞減。

圖7 1961-2020年南盤江流域冰糖橙不同生育期灌溉需水指數空間分布Fig.7 Spatial distributions of IRI in different growth stages of Citrus sinensis Osbeck during 1961-2020

圖8 1961-2020年南盤江流域冰糖橙不同生育期灌溉需水指數空間變化特征Fig.8 Spatial variation of IRI in different growth stages of Citrus sinensis Osbeck during 1961-2020

3 討 論

研究中發現雖然冰糖橙全生育期ETc呈不顯著上升趨勢，但是Pe呈顯著的下降趨勢，從而導致IRI上升趨勢顯著。隨著全球氣候變化，南盤江流域高溫事件的夏日數、熱持續指數、極端最高氣溫均呈顯著上升趨勢［20］，氣溫的升高將導致蒸散量增加，因此冰糖橙全生育期ETc呈上升趨勢。在冰糖橙的休眠期、花芽分花期、花期IRI均呈減小趨勢，在其他生育期IRI呈上升趨勢，這主要與南盤江流域干濕狀況變化特征，即春季趨于濕潤，夏秋冬季趨于干旱有關［21］。流域內冰糖橙IRI整體呈現西南部較高，而東部較低的特征，流域內輕旱呈西南向東北遞減［22］。流域內各區域均有不同程度的干旱發生，季節性干旱出現頻率加劇，而冬春干旱均為中旱［21，22］，此時正值冰糖橙休眠期、花芽分化期和花期，雖然這些階段冰糖橙需水量相對較少，但還是應當進行人工灌溉以滿足作物生存和生殖生長提供必要的水分。在冰糖橙果實膨大期、果實著色期等階段需水量相對較大，雖然變化趨勢有所減少，此時正是流域雨季，而近年來流域內強降雨量加劇，將導致進入土壤的水分減少。果實膨大期正是果實干物質積累快速的時期，如果缺水將會導致減產。為保證冰糖橙的產量和品質，應在冰糖橙各生育階段進行適時適量灌溉，為作物生長發育提供充足的水分需求。

南盤江流域內冰糖橙多年平均需水量ETc值為957.7 mm，冰糖橙需水量與國內柑橘需水量相關研究結果基本一致［23，24］。而流域內冰糖橙凈灌溉用水量多年平均值為560.1 mm，與《云南省地方標準用水定額》（DB53/T168-2019）中“果類（木本類）”、水利部發布的《農業灌溉用水定額：柑橘》中廣西地區柑橘灌溉用水定額相比有所偏大。一方面是作物品種、樹齡、樹勢、灌水方式等均會對作物需水量產生影響，而流域內試驗數據較少、數據時間序列較短等也會對凈灌溉需水量的計算產生影響［18］。另一方面，在缺乏長期灌溉試驗條件下，有效降雨量的計算多采用經驗公式估算，這些公式因計算方便僅考慮降雨量因素進行粗略估算，對作物、土壤類型及墑情、降雨頻率等未作深入考慮，從而導致有效降雨量值偏大或偏小。本文有效降雨量采用美國農業部土壤保持局（USDA）推薦的方法計算，該方法是否適用于本流域或果樹有效降雨量的估算還需要進一步論證。在今后的研究工作中應加強開展柑橘的灌溉試驗研究，積累長時間序列試驗數據的同時，還應對有效降雨量進行深入研究，探索適合本流域或果樹有效降雨量的準確估算方法。

4 結論

（1）南盤江流域冰糖橙全發育期ETc在902.22～1 042.70 mm之間，Pe在289.62～477.68 mm 之間，IRI介于0.48～0.71 之間。ETc和IRI呈上升趨勢，增幅分別為2.171 mm/10 a 和0.9%/10 a，Pe呈顯著的下降趨勢，減幅為8.538 mm/10 a。在果實膨大期ETc呈減小趨勢，在其他生育期ETc均呈上升趨勢，成熟采摘期呈顯著的增加趨勢。

（2）南盤江流域冰糖橙ETc呈果實膨大期＞果實著色期＞花期＞成熟采摘期＞休眠期＞花芽分化期的趨勢。冰糖橙全生育期ETc高值區主要分布在流域南部區域的建水、蒙自、開遠區域，低值區主要分布在流域中東部區域的師宗、羅平等區域，76%的區域呈增加趨勢，而少數站點呈減少趨勢。

（3）南盤江流域冰糖橙Pe呈果實膨大期＞果實著色期＞成熟采摘期＞休眠期＞花期＞花芽分化期的趨勢，冰糖橙全生育期Pe高值區主要分布在中東部羅平、師宗等區域，低值區分布在流域西南的開遠、建水等區域，全流域冰糖橙全生育期內Pe均呈減小趨勢，減幅在2.14～15.49 mm/10 a 之間，其中52%的站點Pe呈顯著的減小趨勢。

（4）南盤江流域冰糖橙IRI呈花期＞花芽分花期＞休眠期＞果實膨大期＞果實著色期＞成熟采摘期的趨勢，IRI高值區主要分布在流域南部及西南區域的開遠、建水、石屏等區域，而在中部的羅平、師宗等區域最低，90.5%的區域IRI呈上升趨勢，其中陸良、江川、開遠IRI上升趨勢顯著，宣威、硯山呈不顯著的減小趨勢。