南盘江流域冰糖橙需水量与灌溉需水指数时空变化特征

李尤亮，曹 言，张 雷，王 杰，王树鹏，赵永前

（1.云南省水利水电科学研究院，云南 昆明 650228；
2.高原立体气候条件作物需水云南省野外科学观测研究站，云南 昆明 650228；
3.云南水利水电职业学院，云南 昆明 650400）

柑橘是世界上最重要的果品之一，在我国栽培历史悠久，品种丰富，已有4 000 多年种植历史。云南省气候资源丰富，柑橘种植区域潜力大，各州（市）均有种植，近年来种植面积逐年增加，2018年全省柑橘产量位居全国第十，柑橘已成为省内第二大果种，以特早熟蜜桔、冰糖橙、甜橙种植为主。云南省柑橘主产区主要分布在金沙江、南盘江、元江等流域，而南盘江流域以冰糖橙、温州蜜柑、椪柑等品种为主。冰糖橙作为优良的甜橙品种之一，起源于湖南省洪江市，主要种植区域分布在云南、四川、贵州等省份［1］。早在20世纪80年代就有学者在南盘江流域华宁县引进32个柑桔良种开展了适应性试验，而冰糖橙就是其中可选择利用推广的13个品种之一［2］。

柑橘是需水量较大的果树品种，土壤水分含量的高低会影响其根、叶对营养元素的吸收［3］，在土壤淹渍胁迫条件下会对柑橘生长发育、果实产量和品质均有较大影响［4］，而长期干旱会导致红橘新稍生长、开花及生理落果物候期明显推迟，并严重影响红橘养分吸收、生育生长［5］。适当中度干旱胁迫不仅不会对温州蜜桔树势造成严重损伤，还有利于促进植株开花［6］。通过适宜的调亏灌溉手段可以保证柑橘产量和品质，还能节约用水、提高水分利用效率［7，8］。冰糖橙在果实膨大期长期干旱会导致果实品质产生不可逆的影响，在该时期适时适量补充灌溉对增产增收、提高品质至关重要［9］。云南干、湿季明显，降雨时空分布不均，种植柑橘还必须在花期、幼果期等生育阶段进行人工灌溉［10］。准确掌握南盘江流域柑橘不同生育期需水量、有效降雨量的时空变化特征，对柑橘灌溉决策、水资源节约利用和提升果实品质具有重要意义。

云南省灌溉试验工作相对滞后，主要以水稻、玉米等粮食作物需水方面的研究较多［11，12］，而关于柑橘需水方面的研究还较少。旱灾是云南省持续时间最长、影响范围最广、最频繁的自然灾害［13］。季节性干旱对柑橘生长发育、产量、果实品质产生不利影响，干旱也成为国内外柑橘生产中必须解决的问题［14］。在此背景下，本研究根据1961-2020年南盘江流域21个气象站平均气温、最高气温、降水等逐日观测资料，分析南盘江流域冰糖橙需水量ETc、灌溉需水量IR、有效降雨量Pe和灌溉需水指数IRI的时空变化特征，为南盘江流域柑橘灌溉定额修订及灌溉制度制定提供理论依据。

1.1 研究区概况

南盘江流域位于滇东南部，海拔在155～2 869 m 之间，主要包括玉溪、红河、曲靖、文山等州市的部分县域，气候属于亚热带季风气候，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月为旱季，降雨量占全年的15.9%。南盘江流域降多年平均降雨量为973 mm，降雨量空间分布极不均匀，东部地区多雨湿润，而中西部干旱少雨。土壤类型以红壤为主，区域内多有石灰岩分布，冰糖橙是流域内师宗、开远、罗平、华宁、通海等县主要种植的柑橘品种之一［15］。

1.2 数据来源

收集了1961-2020年南盘江流域宣威、师宗、澄江、华宁、建水、开远、砚山、富宁等21个气象站的气象数据，包括平均气温、最高和最低气温、日照时数、降水等逐日观测资料，其数据来源于中国气象科学数据共享服务网。对各站点气象数据异常值或缺失值进行检查，对缺测较少的数据采用前后两天的平均值进行插补，对于异常值直接进行剔除，确保各站点数据的完整性。冰糖橙生育周期参考相关文献［16］及结合实际情况按照年周期划分为花芽分花期、花期、果实膨大期、着色期、成熟采摘期、休眠期，各生育期的作物系数由云南省水利水利科学研究院在华宁新村柑橘有限公司开展2年的观测确定（见图1）。

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

1.3 冰糖橙需水量计算

1.3.1 单作物系数法

冰糖橙日需水量ETc采用单作物系数法计算，即通过日参考作物蒸发蒸腾量和冰糖橙作物系数相乘而得，具体计算公式如下：

式中：ETc指冰糖橙相应生育阶段需水量，mm；
m指冰糖橙某一生育阶段的日数；
i指冰糖橙生育阶段的日序数；
ET0i指第i日作物参考作物蒸发蒸腾量（mm），根据Penman-Monteith 公式计算而得；
Kci为第i日的作物系数。

1.3.2 参考作物蒸散量

在气象要素比较完整的条件下，Penman-Monteith公式已成为国内外计算逐日参考作物蒸散量ET0所采用的首选方法，具体计算公式如下：

式中：ET0指参考作物蒸散量，mm/d；
Rn指到达作物表面的净辐射，MJ/（m2·d）；
G指土壤热通量，MJ/（m2·d），在逐日估算时，G=0；
T指日平均气温，℃，按日最高气温和日最低气温的算术平均值计算；
u2指2 m 高处的平均风速，m/s；
es指饱和水汽压，kPa；
ea指实际水汽压，kPa；
es-ea指饱和水汽压差，kPa；
Δ指饱和水汽压曲线的倾率，kPa/℃；
γ指湿度计常数，kPa/℃。

1.4 冰糖橙净灌溉需水量和需水指数

冰糖橙生育期的需水量扣除有效降雨部分，还需通过灌溉来满足生育期中蒸散发、生长发育需水量、渗漏以及其他水量损失，称为冰糖橙净灌溉需水量。因此净灌溉需水量为冰糖橙需水量与有效降雨量之差。冰糖橙需水指数是指冰糖橙净灌溉需水量与需水量的比值，可以反映冰糖橙对灌溉的需求程度，以及生长环境的旱涝情况，从而判断冰糖橙的相对缺水程度［17，18］。

式中：IR指冰糖橙净灌溉需水量，mm；
Pe指作物生育期内有效降雨量，mm，有效降雨量采用美国农业部土壤保持局（USDA）推荐的方法计算［19］；
IRI指冰糖橙灌溉需水指数；
Pi为生育期内第i日降水量，mm。

1.5 数据分析方法

采用线性趋势法和Mann-Kendall 趋势检验法对南盘江流域冰糖橙各生育期需水量、有效降雨量、灌溉需水指数进行趋势分析。Mann-Kendall 趋势检验法中|Z|＞2.58 时，显著水平α≤0.01，说明检验水平极显著；
1.96＜|Z|＜2.58 时，显著水平α≤0.05，说明检验水平显著；
|Z|＜1.96 时，说明无显著变化趋势。Z为正则为上升趋势，Z为负表明呈下降趋势。

运用ArcGIS 10.8 软件中的Kriging 空间差值法分析南盘江流域冰糖橙不同生育期需水量、有效降雨量、灌溉需水指数空间上的分布及变化趋势。

2.1 冰糖橙需水量、有效降雨量与灌溉需水指数时间变化特征

根据公式（1）～（5）计算南盘江流域21个气象站的冰糖橙需水量、有效降雨量和灌溉需水指数，分别求得南盘江流域冰糖橙不同生育期及全生育期各指标逐年值。由图2 可知，1961-2020年南盘江流域冰糖橙全生育期ETc在902.22～1 042.70 mm之间，Pe在289.62～477.68 mm 之间，IRI介于0.48～0.71 之间。其中在花芽分化期和花期随着果树的生长进入生殖生长的初期阶段，ETc也呈增加趋势，花期ETc＞花芽分花期ETc，此时正处于干旱少雨的春季，部分降雨量极低的年份导致IRI指数较大；
在果实膨大期历时较长，光照充分、温度较高，正值果实干物质积累的关键阶段，ETc达到最大，其值介于558.66～685.66 mm 之间，而雨季的到来使得有效降雨量Pe最大，其值介于177.17～348.74 mm 之间，而IRI有所减小；
在果实着色期正值秋季，昼夜温差较大、日照减少、果实开始逐渐成熟，ETc有所减少，秋季雨水逐渐减少，有效降雨量也相应减少。在休眠期气温较低及光照较少，ETc降低至39.49～58.13 mm 之间，Pe介于2.62～59.26 mm 之间，IRI介于-0.31～0.95之间。在变化趋势方面，冰糖橙全生育期ETc（Z=0.72）和IRI（Z=1.43）呈上升趋势，增幅分别为2.171 mm/10 a 和0.9%/10 a，Pe（Z=-2.72）呈显著的下降趋势，减幅为8.538 mm/10 a。其中在果实膨大期ETc呈减小趋势，在其他生育期ETc均呈上升趋势，成熟采摘期（Z=2.48）呈显著的增加趋势，增幅为0.848 mm/10 a；
在休眠期、花芽分化期、花期Pe呈减小趋势，在果实膨大期、果实着色期、成熟采摘期Pe呈显著的减小趋势，成熟采摘期呈极显著减小趋势，减幅分别为6.092、2.375、2.171 mm/10 a；
在休眠期、花芽分花期、花期冰糖橙IRI均呈减小趋势，减小幅度均较小，在其他生育期IRI呈上升趋势，在成熟采摘期呈极显著的上升趋势，增幅为4.9%/10 a。

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

2.2 冰糖橙需水量空间变化特征

南盘江流域各站点冰糖橙全生育期ETc在852.40～1 094.74 mm 之间，其中高值区主要分布在流域南部区域的建水、蒙自、开远区域，低值区主要分布在流域中东部区域的师宗、罗平等区域，76%的区域呈增加趋势，华宁、澄江上升趋势极显著，增幅在10.26 mm/10 a 以上变化，而少数站点呈减少趋势，宣威以11.94 mm/10 a 的幅度减少，减少幅度最大，减少趋势极显著（如图3、4所示）。冰糖橙各生育期ETc呈果实膨大期＞果实着色期＞花期＞成熟采摘期＞休眠期＞花芽分化期的趋势；
冰糖橙果实膨大期在各生育期中历时最长，在果实膨大初期正值高温低湿季节，田面蒸发量大，随着雨季的来临，空气温度、湿度等有所降低，但果实的逐渐生长及夏稍的抽发对水分和养分随之增加，促使光合作用加强，冰糖橙ETc在此阶段最大。花芽分化期正处于冬末春初时，气温、日照时数逐渐增加，而经历时间较短导致此生育期ETc值最小。冰糖橙不同生育期各站点的ETc均存在不同程度的上升或下降趋势，其中50%以上的站点呈上升趋势，在成熟采摘期、休眠期有80%以上的站点ETc呈上升趋势。在花芽分花期、花期、果实着色期、成熟采收期、休眠期中部分站点ETc呈显著的上升趋势，主要集中在流域西南部的澄江、玉溪、华宁等地，在这些生育期中下降趋势均不显著。在果实膨大期，57%的站点呈不显著的上升趋势，而在流域北部宣威、富源区域则呈显著的下降趋势。

图3 1961-2020年南盘江流域冰糖橙不同生育期需水量空间分布Fig.3 Spatial distributions of ETc in different growth stages of citrus sinensis osbeck during 1961-2020

图4 1961-2020年南盘江流域冰糖橙不同生育期需水量空间变化特征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间变化特征

流域内冰糖橙全生育期Pe在337.05～583.06 mm 之间，高值区主要分布在中东部罗平、师宗等区域，低值区分布在流域西南的开远、建水等区域，全流域冰糖橙全生育期内Pe均呈减小趋势，减幅在2.14～15.49 mm/10 a 之间，其中52%的站点Pe呈显著的减小趋势（见图5、6）。冰糖橙各生育期内Pe呈果实膨大期＞果实着色期＞成熟采摘期＞休眠期＞花期＞花芽分化期的趋势；
果实膨大期生育期长，正值雨季，降雨量多，有效降雨量也最大，其值在235.61～319.83 mm，而花芽分花期降雨频次和降雨量少，有效降雨量也最少。整个流域在冰糖橙果实膨大期、果实着色期、成熟采摘期Pe呈减小趋势，在果实膨大期减小幅度在1.30～9.21 mm/10 a 之间，减小幅度最大，而在成熟采收期90%的站点呈显著或极显著的减小趋势。流域内大部分区域在花芽分花期、花期、休眠期呈增加趋势，在北部区域的宣威、沾益等地上升趋势显著且变化幅度较大。

图5 1961-2020年南盘江流域冰糖橙不同生育期有效降雨量空间分布Fig.5 Spatial distributions of Pe in different growth stages of citrus sinensis osbeck during 1961-2020

图6 1961-2020年南盘江流域冰糖橙不同生育期有效降雨量空间变化特征Fig.6 Spatial variation of Pe in different growth stages of citrus sinensis osbeck during 1961-2020

2.4 冰糖橙灌溉需水指数空间变化特征

南盘江流域冰糖橙全生育期IRI在0.05～0.61之间，IRI高值区主要分布在流域南部及西南区域的开远、建水、石屏等区域，而在中部的罗平、师宗等区域最低，在北部、东部区域相对较低，90.5%的站点IRI呈上升趋势，其中陆良、江川、开远IRI上升趋势显著，宣威、砚山呈不显著的减小趋势（见图7、8）。冰糖橙生育期内IRI呈花期＞花芽分花期＞休眠期＞果实膨大期＞果实着色期＞成熟采摘期的趋势；
大部分区域在冰糖橙花芽分化期、花期和休眠期IRI高于0.5，表明南盘江流域冰糖橙在这些生育期中需要依靠灌溉补充水分，否则会发生干旱缺水现象，由于花芽分花期和花期处于春季，正是干旱少雨季节，休眠期处于冬季，雨季刚好结束，在这些生育期内降雨量和降雨频次相对较少，发生干旱风险相对较高，特别是花期。大部分区域在果实膨大期、果实着色期和成熟采摘期IRI低于0.5，表明在这些生育期降雨量较大，降水频次较多，降雨能够满足冰糖橙生长所需的大部分水分，出现缺水年份相对较小。成熟采收期已完成生殖生长，冰糖橙对水分的需求降低，IRI也最小。流域内大部分区域在花芽分花期、花期、休眠期IRI呈均呈减少趋势，个别站点变化趋势显著，且减幅由北部向东南和南部递减；
在果实彭大期、果实着色期、成熟采摘期IRI呈上升趋势，成熟采摘期90%的区域上升趋势显著，且增幅主要由中东部向南部递减。

图7 1961-2020年南盘江流域冰糖橙不同生育期灌溉需水指数空间分布Fig.7 Spatial distributions of IRI in different growth stages of Citrus sinensis Osbeck during 1961-2020

图8 1961-2020年南盘江流域冰糖橙不同生育期灌溉需水指数空间变化特征Fig.8 Spatial variation of IRI in different growth stages of Citrus sinensis Osbeck during 1961-2020

研究中发现虽然冰糖橙全生育期ETc呈不显著上升趋势，但是Pe呈显著的下降趋势，从而导致IRI上升趋势显著。随着全球气候变化，南盘江流域高温事件的夏日数、热持续指数、极端最高气温均呈显著上升趋势［20］，气温的升高将导致蒸散量增加，因此冰糖橙全生育期ETc呈上升趋势。在冰糖橙的休眠期、花芽分花期、花期IRI均呈减小趋势，在其他生育期IRI呈上升趋势，这主要与南盘江流域干湿状况变化特征，即春季趋于湿润，夏秋冬季趋于干旱有关［21］。流域内冰糖橙IRI整体呈现西南部较高，而东部较低的特征，流域内轻旱呈西南向东北递减［22］。流域内各区域均有不同程度的干旱发生，季节性干旱出现频率加剧，而冬春干旱均为中旱［21，22］，此时正值冰糖橙休眠期、花芽分化期和花期，虽然这些阶段冰糖橙需水量相对较少，但还是应当进行人工灌溉以满足作物生存和生殖生长提供必要的水分。在冰糖橙果实膨大期、果实着色期等阶段需水量相对较大，虽然变化趋势有所减少，此时正是流域雨季，而近年来流域内强降雨量加剧，将导致进入土壤的水分减少。果实膨大期正是果实干物质积累快速的时期，如果缺水将会导致减产。为保证冰糖橙的产量和品质，应在冰糖橙各生育阶段进行适时适量灌溉，为作物生长发育提供充足的水分需求。

南盘江流域内冰糖橙多年平均需水量ETc值为957.7 mm，冰糖橙需水量与国内柑橘需水量相关研究结果基本一致［23，24］。而流域内冰糖橙净灌溉用水量多年平均值为560.1 mm，与《云南省地方标准用水定额》（DB53/T168-2019）中“果类（木本类）”、水利部发布的《农业灌溉用水定额：柑橘》中广西地区柑橘灌溉用水定额相比有所偏大。一方面是作物品种、树龄、树势、灌水方式等均会对作物需水量产生影响，而流域内试验数据较少、数据时间序列较短等也会对净灌溉需水量的计算产生影响［18］。另一方面，在缺乏长期灌溉试验条件下，有效降雨量的计算多采用经验公式估算，这些公式因计算方便仅考虑降雨量因素进行粗略估算，对作物、土壤类型及墒情、降雨频率等未作深入考虑，从而导致有效降雨量值偏大或偏小。本文有效降雨量采用美国农业部土壤保持局（USDA）推荐的方法计算，该方法是否适用于本流域或果树有效降雨量的估算还需要进一步论证。在今后的研究工作中应加强开展柑橘的灌溉试验研究，积累长时间序列试验数据的同时，还应对有效降雨量进行深入研究，探索适合本流域或果树有效降雨量的准确估算方法。

（1）南盘江流域冰糖橙全发育期ETc在902.22～1 042.70 mm之间，Pe在289.62～477.68 mm 之间，IRI介于0.48～0.71 之间。ETc和IRI呈上升趋势，增幅分别为2.171 mm/10 a 和0.9%/10 a，Pe呈显著的下降趋势，减幅为8.538 mm/10 a。在果实膨大期ETc呈减小趋势，在其他生育期ETc均呈上升趋势，成熟采摘期呈显著的增加趋势。

（2）南盘江流域冰糖橙ETc呈果实膨大期＞果实着色期＞花期＞成熟采摘期＞休眠期＞花芽分化期的趋势。冰糖橙全生育期ETc高值区主要分布在流域南部区域的建水、蒙自、开远区域，低值区主要分布在流域中东部区域的师宗、罗平等区域，76%的区域呈增加趋势，而少数站点呈减少趋势。

（3）南盘江流域冰糖橙Pe呈果实膨大期＞果实着色期＞成熟采摘期＞休眠期＞花期＞花芽分化期的趋势，冰糖橙全生育期Pe高值区主要分布在中东部罗平、师宗等区域，低值区分布在流域西南的开远、建水等区域，全流域冰糖橙全生育期内Pe均呈减小趋势，减幅在2.14～15.49 mm/10 a 之间，其中52%的站点Pe呈显著的减小趋势。

（4）南盘江流域冰糖橙IRI呈花期＞花芽分花期＞休眠期＞果实膨大期＞果实着色期＞成熟采摘期的趋势，IRI高值区主要分布在流域南部及西南区域的开远、建水、石屏等区域，而在中部的罗平、师宗等区域最低，90.5%的区域IRI呈上升趋势，其中陆良、江川、开远IRI上升趋势显著，宣威、砚山呈不显著的减小趋势。

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