柳園口灌區(qū)作物ET0變化及節(jié)水灌溉模式研究

陳 誠(chéng)

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475003)

1 概 述

作物需水量就是作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所需的水量，一般包括生理需水量和生態(tài)需水量?jī)刹糠帧Ｉ硇杷渴侵缸魑锷L(zhǎng)過(guò)程中各項(xiàng)生理活動(dòng)(蒸騰、光合作用及構(gòu)成生物體系等)所需要的水量；生態(tài)需水量是指為作物正常生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好生活環(huán)境所需要的水分，如調(diào)節(jié)土壤溫度、影響肥料分解、改善田間小氣候等所需要的水分。由于上述各項(xiàng)需水量不好測(cè)定和計(jì)算，在生產(chǎn)實(shí)踐中用作物的蒸騰量和蒸發(fā)量來(lái)表示作物需水量，又叫騰發(fā)量。作物從土壤中吸收的水分，絕大部分(99%以上)是通過(guò)植物葉面源源不斷地蒸發(fā)進(jìn)入大氣，剩余不足0.2%的水量留在體內(nèi)成為植物的組成部分。對(duì)干旱田，需要考慮植株蒸騰與棵間土壤蒸發(fā)以及田間滲漏等各種水量之和。一般情況下，不考慮滲漏水量，只將植株蒸騰與棵間蒸發(fā)兩項(xiàng)所消耗的水量加起來(lái)，稱為作物田間需水量或者田間騰發(fā)水量。

羅玉峰、彭世彰等[1,2]采用FAO56推薦的方法計(jì)算了了江蘇灌區(qū)1955-2007年的水稻灌溉需水量，深入研究了氣候變化對(duì)作物需水量變化的影響。仕玉治、張弛等[2]針對(duì)灌溉資料相對(duì)缺乏流域，利用改進(jìn)的SWAT模型，研究了灌溉需水量、灌溉回歸水量的變化情況并且進(jìn)一步量化分析了灌溉用水對(duì)水循環(huán)的影響。顧世祥、李遠(yuǎn)華等[4]采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的修正Penman公式分析計(jì)算了霍泉灌區(qū)長(zhǎng)系列參考作物的騰發(fā)量及其變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了該灌區(qū)冬小麥、夏玉米需水量預(yù)報(bào)模型。張振偉、李彥彥、韓宇平等[5-8]分別建立作物需水量變化預(yù)測(cè)模型，計(jì)算預(yù)測(cè)作物不同灌區(qū)的灌溉水量的變化規(guī)律。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織最新推薦的penman-Monteith修正公式，研究灌區(qū)主要參考作物的需水量變化規(guī)律，并結(jié)合引黃河流域來(lái)水量與來(lái)沙量的變化情況，研究提出大型引黃灌區(qū)節(jié)水灌溉模式。

2 計(jì)算方法及數(shù)據(jù)

2.1 作物需水量計(jì)算方法

(1)模型基本原理。采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織最新推薦的penman-Monteith修正公式和柳園口灌區(qū)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)資料，計(jì)算逐月的日平均作物蒸散量ET0，計(jì)算公式如下：

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Rn為輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤的熱通量，MJ/(m2·d)；T為灌區(qū)的平均氣溫；U2為2 m處的平均風(fēng)速；es為飽和水氣壓；ea為實(shí)際的水氣壓；r為濕度常數(shù)，kPa/℃；Ra為大氣頂層的太陽(yáng)輻射值，mm/d；n為實(shí)際日照小時(shí)數(shù)，h/d；N為最大可能日照時(shí)數(shù)，h/d；σT4k為黑體輻射量，mm/d；σ為斯蒂芬博茨曼常數(shù)；Tk為絕對(duì)溫度，可取273+t(℃)；ed為實(shí)際水汽壓，hPa；a、b為計(jì)算凈輻射的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源可靠性分析

柳園口灌區(qū)缺乏氣象觀測(cè)設(shè)施，本文采用惠北科學(xué)試驗(yàn)站的長(zhǎng)序列試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算?；荼痹囼?yàn)站始建于1958年，試驗(yàn)區(qū)域面積約74.17 km2，耕作土地面積大于5 000 hm2。惠北試驗(yàn)站試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地與柳園口灌區(qū)有較大的相似性，資料能夠滿足柳園口灌區(qū)實(shí)際需要，具有較好的代表性，可以直接用于計(jì)算柳園口灌區(qū)的作物需水量。

圖1 柳園口灌區(qū)示意圖

月份日照時(shí)間/h平均氣溫/℃相對(duì)濕度/%風(fēng)速/(m·s-1)13.80.4701.624.33.4651.834.98.4632.346.015.6642.356.121.0682.066.025.8641.975.327.3771.685.326.1801.595.421.7741.7105.315.9691.7114.98.6682.1124.22.6712.0

3 柳園口灌區(qū)ET0變化規(guī)律分析

3.1 柳園口灌區(qū)ET0年際變化規(guī)律分析

利用國(guó)內(nèi)penman修正公式的ET0計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖2)，分析柳園口灌區(qū)參考作物蒸騰量變化規(guī)律；研究認(rèn)為柳園口灌區(qū)ET0近年來(lái)處于穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，整體略有下降。可以看出小麥多年的平均需水量處于320～360 mm之間，棉花多年平均需水量處于400～420 mm之間，玉米需水量處于290～310 mm之間，近10年來(lái)主要作物的需水量基本保持一定的穩(wěn)定水平，整體略有下降，下降幅度大約15 mm/10 a。可以看出，受主要參考作物成長(zhǎng)季節(jié)和生育期周期的限制，棉花生育期需水量大于小麥，小麥的需水量大于玉米。

圖2 棉花、小麥、玉米等主要作物歷年來(lái)生育期ET0變化情況

3.2 主要作物ET0年內(nèi)變化規(guī)律分析

根據(jù)柳園口灌區(qū)多年來(lái)實(shí)測(cè)選取2012年典型年份對(duì)主要作物的年內(nèi)變化情況進(jìn)行分析(見(jiàn)圖3～圖5)?？梢钥闯觯←溞杷吭诿磕晁?、五月份達(dá)到最大值，占全年需水量60%以上；由于受柳園口灌區(qū)氣候變化的影響，需水量一般在每年9-10月份開(kāi)始減小，于每年2-3月份受氣溫升高的影響，作物需水量逐漸增加。

圖3 小麥年內(nèi)需水量變化

圖4 棉花年內(nèi)需水量變化

圖5 玉米年內(nèi)需水量變化

棉花與玉米屬于秋季作物，年內(nèi)需水量變化規(guī)律相似。棉花4-5月份棉花處于幼苗期，作物需水量為全年的最小值；7月份處于棉花生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵階段，需水量達(dá)到峰值，占到全年的52%以上，9-10月份處于生長(zhǎng)發(fā)育的后期，處于生殖發(fā)育階段，需水量明顯減小。玉米需水量變化與小麥相似，玉米在7月份需水量最大，8-9月份處于生殖階段，需水量逐步減小，至9月份需水量達(dá)到最小值。

河南省柳園口灌區(qū)是黃河下游典型的引黃灌區(qū)，該地區(qū)豐水季節(jié)一般處于4-8月，這與農(nóng)作物的需水變化規(guī)律一致，為灌區(qū)主要糧食的作物的增產(chǎn)增收奠定了基礎(chǔ)；但是由于近年來(lái)黃河來(lái)水量處于減小趨勢(shì)，引黃灌溉水量受流域整體來(lái)水量的限制，需要根據(jù)引黃灌區(qū)水量分配特點(diǎn)，探討有效的節(jié)水灌溉模式，發(fā)揮有限水資源利用效率，滿足灌區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的需求。

4 引黃灌區(qū)節(jié)水灌溉模式研究

4.1 引黃灌區(qū)灌溉需水量變化研究

柳園口灌區(qū)位于河南省開(kāi)封市，是黃河下游一個(gè)典型的引黃灌區(qū)，根據(jù)Allen 等(1998年)，灌區(qū)作物需水量為：

ET=kET0

式中：ET為作物需水量，mm/d；k作物系數(shù)，無(wú)量綱；ET0為參考作物需水量，mm/d。

柳園口灌區(qū)為依靠降雨及黃河水補(bǔ)給大型引黃灌區(qū)，灌溉需水量一般與ET呈正比例關(guān)系。近年來(lái)灌區(qū)逐月日平均需水量變化如圖6所示，可以看出柳園口灌區(qū)日平均水量整體處于穩(wěn)定但略有下降趨勢(shì)，灌區(qū)灌溉需水量呈類似變化規(guī)律。根據(jù)惠北實(shí)驗(yàn)站實(shí)測(cè)資料，近年來(lái)灌區(qū)有效降雨量沒(méi)有明顯的變化，但由于黃河來(lái)水量呈明顯逐年減小趨勢(shì)(圖6)，需要采探討有效的節(jié)水灌溉模式應(yīng)對(duì)灌溉水資源不足問(wèn)題，保證農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的需水量。

圖6 灌區(qū)近年來(lái)逐月日平均需水量變化

4.2 引黃灌區(qū)節(jié)水灌溉模式研究

根據(jù)黃河下游地區(qū)半干旱半濕潤(rùn)氣候特征，結(jié)合洪枯季降水特點(diǎn)及黃河來(lái)水來(lái)沙量的特征，研究提出柳園口灌區(qū)有效的節(jié)水灌溉模式。對(duì)于黃河下游的引黃游灌區(qū)，灌溉水資源利用效率一般處于40%～50%之間，大量的水通過(guò)田間滲漏滲入農(nóng)田濕潤(rùn)層以下，補(bǔ)充了地下水源；柳園口灌區(qū)洪枯季降水季節(jié)性分配不均勻，干旱季節(jié)時(shí)常出現(xiàn)，可以人為利用地下水庫(kù)的天然調(diào)節(jié)功能，有效配置地表與地下水資源，推行以井灌與引黃水資源季節(jié)性優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)灌溉模式。同時(shí)受黃河高含沙量水體特征影響，分析黃河上游來(lái)水量及含沙量變化規(guī)律，充分利用冬季黃河水含沙量較小優(yōu)勢(shì)，大量引黃河水進(jìn)行灌溉并補(bǔ)充地下水源；根據(jù)對(duì)黃河水體含沙量監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整引黃灌區(qū)灌溉取水量，一旦含沙量大于標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)停止灌溉。灌區(qū)管理過(guò)程中應(yīng)結(jié)合作物需水量和黃河水體含沙量變化規(guī)律，適時(shí)調(diào)整引黃灌溉和井灌的灌溉模式，有效節(jié)約引黃灌溉水量，控制土壤鹽堿化程度。

針對(duì)柳園口灌區(qū)特點(diǎn)，應(yīng)逐步推廣實(shí)施噴灌、微灌等先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)；現(xiàn)狀情況下應(yīng)優(yōu)先考慮軟管灌溉的節(jié)水優(yōu)勢(shì)，減小灌溉過(guò)程中的水量損失。調(diào)整灌區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，發(fā)展高產(chǎn)種植、大棚栽培以及大型機(jī)械化操作模式；適度控制蔬菜、水果等需水型作物種植面積；優(yōu)先發(fā)展區(qū)域化、大型化的節(jié)水農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)。

圖7 黃河下游近年來(lái)流量變化情況

5 結(jié) 論

本文基于最新推薦的penman-Monteith修

圖8 黃河下游近年來(lái)水體含沙量變化情況

正公式，分析研究主要作物的需水量變化規(guī)律，并結(jié)合引黃河來(lái)水來(lái)沙分布特點(diǎn)，提出了地表水與地下水適時(shí)調(diào)整的灌溉模式。主要結(jié)論為：

(1)柳園口灌區(qū)ET0逐年處于穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，整體略有下降，主要農(nóng)作物受生長(zhǎng)季節(jié)和生育周期的限制，棉花生育期需水量大于小麥，小麥的需水量大于玉米。小麥需水量在每年4、5月份達(dá)到最大值，占全年需水量60%以上；棉花7月份處于生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵階段，需水量達(dá)到峰值，占到全年的52%以上；玉米需水量變化與小麥相似，玉米在7月份需水量最大，8-9月份處于生殖階段，需水量逐步減小。

(2)由于近年來(lái)黃河來(lái)水量呈減小趨勢(shì)，現(xiàn)狀情況下應(yīng)軟管灌溉方式，減小輸水過(guò)程中的水量損失；結(jié)合黃河下游地區(qū)半干旱氣候特點(diǎn)，充分利用灌區(qū)降水和黃河來(lái)水來(lái)沙分布特點(diǎn)，適時(shí)調(diào)整引黃灌溉和井灌的灌溉模式，充分發(fā)揮有限水資源的最大效益。

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