基于參照作物蒸發(fā)蒸騰量的蘋(píng)果樹(shù)灌溉制度制定

范海燕，楊勝利，郝仲勇，張　娟，于浩偉

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048；2. 北京市非常規(guī)水資源開(kāi)發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心，北京 100048)

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基于參照作物蒸發(fā)蒸騰量的蘋(píng)果樹(shù)灌溉制度制定

范海燕1,2，楊勝利1,2，郝仲勇1,2，張娟1,2，于浩偉1,2

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048；2. 北京市非常規(guī)水資源開(kāi)發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心，北京 100048)

系統(tǒng)收集了北京市19個(gè)氣象站近30 a氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的Penman-Menteith方法計(jì)算了各站點(diǎn)歷年月ET0值，利用P-Ⅲ型水文頻率法確定了50%、75%和95%共3個(gè)典型水平年，分析全市不同水平年ET0空間分布分布特征；以蘋(píng)果樹(shù)為研究對(duì)象，分析蘋(píng)果樹(shù)ETc、有效降雨量Pθ空間分布特征；以滿(mǎn)足蘋(píng)果樹(shù)正常生長(zhǎng)和獲得中等產(chǎn)量水平等的作物生理需水為基本前提，考慮不同土壤類(lèi)型條件下作物的灌溉方式和灌溉技術(shù)等造成的輸水損失、田間滲漏和蒸發(fā)等水量損失，制定北京市不同地區(qū)蘋(píng)果樹(shù)灌溉制度。

參照作物蒸發(fā)蒸騰量；空間分布；凈灌溉定額；灌溉制度

果品生產(chǎn)是都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展形式之一。果園水分管理關(guān)系到果品的產(chǎn)量與品質(zhì)，果園水分管理粗放情況下，會(huì)出現(xiàn)不易坐果、產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低等情況。隨著人們生活品質(zhì)的提高，果園水分管理目標(biāo)逐步從傳統(tǒng)的豐水高產(chǎn)向節(jié)水優(yōu)產(chǎn)轉(zhuǎn)變，國(guó)內(nèi)外學(xué)者有關(guān)果樹(shù)節(jié)水灌溉等方面的試驗(yàn)研究屢見(jiàn)不鮮，Naor A.[1]、王留運(yùn)[2]、任淑梅[3]、馬孝義[4]、Martin Thalheimer[5]、劉吉萍[6]、許正鋒[7]、康敏[8]、耿樂(lè)[9]等分別從果樹(shù)灌水量、灌溉方式、管理方式等方面開(kāi)展了系統(tǒng)研究，提出了不同灌溉方式果樹(shù)土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、果園蒸騰耗水規(guī)律及灌溉制度；郝仲勇[10]、宋孝玉[11]、孟平[12]、馬福生[13]、宋凱[14]、馬生軍[15]、劉洪祿[16]等系統(tǒng)研究了果樹(shù)的根冠發(fā)育及根系分布特征，結(jié)合降雨有效性分析，構(gòu)建了適于果樹(shù)的林冠截留模型、果樹(shù)蒸騰預(yù)測(cè)方法及果園蒸散模型等；劉春偉[17]等利用測(cè)樹(shù)器監(jiān)測(cè)西北旱區(qū)盛果期蘋(píng)果樹(shù)莖干直徑微變化規(guī)律，反映出西北旱區(qū)盛果期果樹(shù)的水分狀況，可以為果園灌溉制度的確定提供科學(xué)依據(jù)；劉春偉[18]、仝國(guó)棟[19]等系統(tǒng)研究了果樹(shù)液流變化規(guī)律，提出了基于冠層變化的季節(jié)蒸發(fā)蒸騰模型及雙作物系數(shù)法均能有效計(jì)算果樹(shù)蒸騰量，同時(shí)可提高長(zhǎng)時(shí)間估算果樹(shù)蒸騰量的精度。本研究以理論計(jì)算為基礎(chǔ)，采用以研究成果和實(shí)用結(jié)果進(jìn)行修正的方法，制定了不同土壤、不同水文年條件下北京市不同地區(qū)蘋(píng)果樹(shù)灌溉制度。

1　制定依據(jù)

影響農(nóng)作物灌溉制度制定的因素眾多，如作物種類(lèi)、作物品種、產(chǎn)量水平、土壤與氣候條件、灌溉方式等均會(huì)不同程度地影響農(nóng)作物灌溉定額。本次灌溉制度制定遵循的主要原則是：

(1)作物以京郊主要作物的主推品種為主，產(chǎn)量水平為中等。

(2)土壤類(lèi)型以砂質(zhì)土和壤土2種類(lèi)型為主，詳見(jiàn)圖1。

圖1　北京市土壤類(lèi)型分布圖

(3)氣候主要考慮降水因素，考慮平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)和特枯年(P=95%)3個(gè)水平年份。

2　計(jì)算方法

2.1參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)的確定

采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Menteith公式)(見(jiàn)式1)計(jì)算北京市主要農(nóng)作物的參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Rn為冠層凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線(xiàn)斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；T為2 m高度處平均氣溫，℃；u2為2 m處的風(fēng)速,m/s。

2.2作物需水量(ETc)的確定

采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)推薦的作物需水量計(jì)算公式計(jì)算作物需水量ETc，見(jiàn)式2：

ETc=kc·ET0

(2)

式中:ETc為實(shí)際作物需水量，mm；kc為作物系數(shù)；北京地區(qū)蘋(píng)果樹(shù)4—10月份逐月kc值分別為0.28、0.55、0.76、0.98、1.05、1.04、0.95[20]；ET0為參照作物蒸發(fā)蒸騰量，mm。

2.3有效降雨量(Pθ)的確定

采用經(jīng)驗(yàn)的降雨有效利用系數(shù)計(jì)算有效降雨量，即：

(3)

式中：Pθ為有效降雨量，mm；P為次降雨量，mm；α為降雨有效利用系數(shù)。

2.4凈灌溉定額(m凈)的確定

作物需水量減去作物生育期內(nèi)的有效降雨量即為各種作物凈灌溉定額，即：

(4)

2.5毛灌溉定額(m毛)的確定

不同灌溉方式及不同土質(zhì)條件下的毛灌溉定額的計(jì)算公式為：

(5)

式中：灌溉水有效利用系數(shù)η，根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》[21]和相關(guān)的文獻(xiàn)資料確定。根據(jù)《關(guān)于調(diào)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)方式發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的意見(jiàn)》要求，北京市加強(qiáng)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉設(shè)施建設(shè)，果樹(shù)采用滴灌、小管出流等高效節(jié)水設(shè)施，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉設(shè)施全覆蓋，因此，本研究?jī)H考慮微灌條件下果樹(shù)的灌溉制度。結(jié)合北京市水科學(xué)技術(shù)研究院多年來(lái)從事的各種灌溉條件下灌溉水有效利用系數(shù)的研究成果和田間試驗(yàn)資料，確定出蘋(píng)果樹(shù)微灌條件下砂壤土及黏壤土的灌溉水的有效利用系數(shù)均為0.9。

3　北京地區(qū)參考作物蒸發(fā)蒸騰量空間分布特征

系統(tǒng)收集了北京市19個(gè)氣象站近30 a氣象數(shù)據(jù)(1981—2011年)，運(yùn)用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的Penman-Menteith方法計(jì)算了各站點(diǎn)歷年月ET0值，利用P-Ⅲ型水文頻率法確定了平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)和特枯年(P=95%)3個(gè)典型水平年，分析全市不同水平年ET0空間分布分布特征。

圖2給出了不同水文年參照作物需水量ET0空間等值線(xiàn)分布圖，能夠直觀地反映北京地區(qū)ET0空間變化情況。由圖可知，城八區(qū)及通州、大興等人口密集區(qū)ET0值高于延慶、房山等山區(qū)，隨水文年型變化表現(xiàn)出明顯的“熱島效應(yīng)”。由圖2可知，平水年、枯水年及特枯年ET0空間變異性較大，城八區(qū)及通州、大興等人口密集區(qū)ET0值明顯高于延慶、房山等山區(qū)，ET0最大值出現(xiàn)在海淀、通州等地，最小值出現(xiàn)在延慶、房山等地。北京地區(qū)不同水文年型ET0值由北向南呈增大趨勢(shì)，由東向西呈增大趨勢(shì)，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是Penman-Monteith公式中ET0受氣溫等因素影響，而氣溫受地形因素影響較大，地形對(duì)溫度的影響較復(fù)雜，在不同緯度、不同季節(jié)、不同天氣和不同植被條件下都有所差異。延慶、房山等山區(qū)其平均氣溫明顯低于城八區(qū)及通州、大興等地，同時(shí)ET0受太陽(yáng)輻射的影響較大，起伏地面接收到的實(shí)際輻射包括直接的太陽(yáng)輻射、大氣的散射輻射和逆輻射以及其余下墊面的短波反射和長(zhǎng)波輻射，由于地形不同，其下墊面上的輻射收支各分量相差很大，其計(jì)算十分復(fù)雜。

圖2　不同水文年ET0等值線(xiàn)分布圖

4　灌溉制度制定

本研究選取蘋(píng)果樹(shù)作為研究對(duì)象，以理論計(jì)算為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析了蘋(píng)果樹(shù)作物需水量ETc、有效降雨量Pθ等空間分布規(guī)律，制定了不同水文年型北京市不同地區(qū)蘋(píng)果樹(shù)節(jié)水灌溉制度。

4.1ETc空間分布規(guī)律

由圖3可知，北京蘋(píng)果樹(shù)的作物需水量ETc變化趨勢(shì)總體呈現(xiàn)為中部、東南部地區(qū)高，西北部地區(qū)由于地勢(shì)較高，ETc相對(duì)較低。以平水年為例，東南部ETc均值為646 mm，西北部ETc均值為601 mm，兩者相差7%，最高值出現(xiàn)在海淀區(qū)，最低值出現(xiàn)在門(mén)頭溝區(qū)。不同水文年型間，北京地區(qū)平水年、枯水年、特枯年整體ETc均值分別為628 mm、597 mm、604 mm，作物需水量ETc相差不大。

圖3　不同水文年型蘋(píng)果樹(shù)ETc等值線(xiàn)分布圖

4.2有效降雨量Pθ空間分布規(guī)律

由圖4可知，北京蘋(píng)果樹(shù)的有效降雨量Pθ變化趨勢(shì)總體呈現(xiàn)為中部、東南部地區(qū)高，西北部地區(qū)有效降雨量Pθ相對(duì)較低，以平水年為例，東南部有效降雨量Pθ均值為416 mm，西北部有效降雨量Pθ均值為380 mm，兩者相差9%。不同水文年型間，北京地區(qū)平水年整體有效降雨量Pθ均值為403.7 mm，為枯水年、特枯年的1.3倍、1.7倍。

4.3灌溉制度

由于降雨的時(shí)空不均勻性，果樹(shù)對(duì)人工灌溉的需求存在一定差異性。根據(jù)研究成果，結(jié)合北京地區(qū)降雨特點(diǎn)，提出不同水文年型條件下，主要灌水期蘋(píng)果樹(shù)的節(jié)水高效灌溉制度。3月返青水和11月凍水根據(jù)果樹(shù)全年或前一年降水豐沛程度不同而不同，平水年和枯水年的返青水、凍水計(jì)劃濕潤(rùn)層為120 cm，特枯年計(jì)劃濕潤(rùn)層為180 cm。蘋(píng)果樹(shù)4—10月灌水計(jì)劃濕潤(rùn)層按照80 cm計(jì)算，微灌灌水定額一般取20 mm左右[16]。北京市不同地區(qū)蘋(píng)果樹(shù)的節(jié)水微灌灌溉制度詳見(jiàn)表1。

圖4　不同水文年型蘋(píng)果樹(shù)Pθ等值線(xiàn)分布圖

序號(hào)地區(qū)水文年型砂質(zhì)土壤土灌水定額/mm次數(shù)灌溉定額/mm灌水定額/mm次數(shù)灌溉定額/mm1海淀P=50%20～2314～1630524～2612～13305P=75%20～2315～1734024～2614～15340P=95%20～2316～1836024～2614～153602豐臺(tái)P=50%20～2311～1325024～2610～11250P=75%20～2316～1835524～2614～15355P=95%20～2318～2141024～2616～184103順義P=50%20～238～917024～267～8170P=75%20～2312～1326024～2610～11260P=95%20～2312～1427024～2611～122704通州P=50%------P=75%20～239～1018524～268185P=95%20～2312～1325524～269～112555平谷P=50%20～2336024～26360P=75%20～23510024～265100P=95%20～239～1120524～268～92056密云P=50%20～23510024～264～5100P=75%20～239～1020024～268～9200P=95%20～2313～1428024～2611～122807延慶P=50%20～2312～1426524～2611～12265P=75%20～2315～1733524～2613～14335P=95%20～2319～2243524～2617～19435

續(xù)表

5　結(jié)　論

本研究在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，以蘋(píng)果樹(shù)為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了北京市不同水文年型條件下ET0、ETc及有效降雨量Pθ空間分布特征，以滿(mǎn)足蘋(píng)果樹(shù)正常生長(zhǎng)和獲得中等產(chǎn)量水平等的作物生理需水為基本前提，制定了北京市不同地區(qū)蘋(píng)果樹(shù)高效節(jié)水灌溉制度，逐步實(shí)現(xiàn)果園水分管理目標(biāo)從傳統(tǒng)的豐水高產(chǎn)向節(jié)水優(yōu)產(chǎn)轉(zhuǎn)變，促進(jìn)果品優(yōu)產(chǎn)與農(nóng)民增收。

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Established irrigation system for Apple tree based on the reference crop evapotranspiration

FAN Haiyan1,2,YANG Shengli1,2,HAO Zhongyong1,2,ZHANG Juan1,2,YU Haowei1,2

( 1.Beijing Water Science and Technology Institute, Beijing 100048, China;2.BejingEngineeringResearchCenterforNon-conventionalWaterResourcesUtilizationandWaterSaving,Beijing100048,China)

Systematic collection of 19 weather stations in Beijing for nearly 30 years of meteorological data, Using FAO Penman-Menteith recommended method to calculate the value of the site calendar monthET0, Utilizing P-Ⅲ hydrological method to determine the frequency of 50%, 75% and 95% typical levels, analysis of different levels of the city’s Spatial distribution characteristics ofET0; As the research object to the apple tree, analysis the effective spatial distribution ofETc, rainfallPθ; To meet the normal growth of apple trees and get moderate level of crop yield physiological water requirement for the basic premise, Taking into account the water losses in different soil types and crop irrigation methods and irrigation techniques, etc. caused by field evaporation and seepage water losses, Beijing has developed in different parts of the tree irrigation system.

reference crop evapotranspiration;spatial distribution;net irrigation quota;irrigation system

北京市科技計(jì)劃課題(D151100004115004；D151100004115001)

范海燕(1986-)，女，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水方面的研究工作。

S661.1;S274.1

A

2096-0506(2016)08-0008-06