榆陽區(qū)紫花苜蓿需水規(guī)律與灌溉定額

孫洪仁， 楊曉潔， 陳 真， 任榆田， 田紅衛(wèi)， 張博宇

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)草地研究所， 北京 100193； 2. 北京市昌平區(qū)天通苑南街道辦事處， 北京 102218； 3. 陜西省榆林市飼料飼草監(jiān)測檢驗站， 陜西 榆林 719000； 4. 陜西省榆林市榆陽區(qū)草原工作站， 陜西 榆林 719000； 5. 陜西省榆林市氣象局， 陜西 榆林 719000)

科學(xué)灌溉是紫花苜蓿(MedicagosativaL.)獲得高產(chǎn)的重要條件。需水規(guī)律是制訂紫花苜蓿科學(xué)灌溉方案的前提基礎(chǔ)。紫花苜蓿需水規(guī)律因氣候區(qū)域而異[1]。學(xué)者們研究了北京平原[2-4]、河北滄州[5]、山東禹城[6]、河北壩上地區(qū)[7-10]、內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗[11]、錫林浩特[12]、呼和浩特[13]、烏審旗[14]、鄂托克前旗[15]、甘肅臨澤[16]、新疆福海[17]、石河子[18]和渭干河―庫車河三角洲[19]的紫花苜蓿需水規(guī)律；歸納總結(jié)了世界各地紫花苜蓿需水規(guī)律研究結(jié)果，粗略估計了國內(nèi)主要生產(chǎn)區(qū)域的紫花苜蓿需水規(guī)律范圍[1,19]；探討了北京通州[3]、內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗[11]、甘肅臨澤[16]、新疆石河子[18,21]、福海[22]和北屯[23]的紫花苜蓿灌溉定額。

陜西省榆林市榆陽區(qū)擁有優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)噴灌紫花苜蓿草地7千hm2，且發(fā)展?jié)摿^大。榆陽區(qū)至今尚未開展紫花苜蓿需水規(guī)律和灌溉定額研究。本研究擬利用榆陽區(qū)20年氣象數(shù)據(jù)，采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的彭曼-蒙特斯公式法，揭示榆陽區(qū)紫花苜蓿不同生產(chǎn)時期的需水量、需水強(qiáng)度、灌溉需水量和灌溉定額，為榆陽區(qū)紫花苜蓿草地灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

榆陽區(qū)1996—2015年20年逐旬平均氣象數(shù)據(jù)，包括日照時數(shù)、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、相對濕度、風(fēng)速和降水量等，由陜西省榆林市氣象局提供。

1.2 參照作物蒸散強(qiáng)度和參照作物蒸散量

利用榆陽區(qū)1996—2015年20年逐旬平均氣象數(shù)據(jù)，采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的彭曼-蒙特斯公式[24](式①)計算參照作物日蒸散量，即參照作物蒸散強(qiáng)度。利用參照作物蒸散強(qiáng)度計算旬、月、年和不同生產(chǎn)階段參照作物蒸散量。

①

式①中，ET0為參照作物蒸散強(qiáng)度(mm·d-1)，Rn為作物表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)，G為土壤熱通量密度(MJ·m-2·d-1)，T為2米高處日平均氣溫(℃)，u2為2米高處風(fēng)速(m·s-1)，es為飽和水汽壓(kPa)，ea為實際水汽壓(kPa)，⊿為飽和水汽壓曲線斜率(kPa·℃-1)，γ為干濕表常數(shù)(kPa·℃-1)。

1.3 紫花苜蓿需水量

利用參照作物蒸散量和作物系數(shù)，采用式②[24]計算紫花苜蓿需水量。

WR=ETrc×Kc

②

式②中，WR為作物需水量(mm)，ETrc為參照作物蒸散量(mm)，Kc為作物系數(shù)(無量綱)。

紫花苜蓿生長季和非生長季作物系數(shù)分別確定為0.9和0.4[25]。

榆陽區(qū)紫花苜蓿生長季確定為4月1日-11月10日，非生長季確定為11月11日-3月31日。第1-4茬的生長期依次確定為4月1日-5月31日、6月1日-7月10日、7月11日-8月20日和8月21日-11月10日。

1.4 紫花苜蓿需水強(qiáng)度

利用紫花苜蓿需水量和生產(chǎn)期，采用式③計算紫花苜蓿需水強(qiáng)度。

WRR=WR÷T

③

式③中，WRR為需水強(qiáng)度(mm·d-1)，WR為作物需水量(mm)，T為生產(chǎn)期(d)。

1.5 紫花苜蓿灌溉需水量

利用紫花苜蓿需水量和有效降水量，采用式④計算紫花苜蓿灌溉需水量。

IR=WR-Pe=WR-σ×P

④

式④中，IR為灌溉需水量(mm)，WR為作物需水量(mm)，Pe為有效降水量(mm)，P為降水量(mm)；σ為有效降水系數(shù)，無量綱，本研究取值為0.75[24]。

1.6 紫花苜蓿灌溉定額

利用紫花苜蓿灌溉需水量和灌溉效率，采用式⑤計算紫花苜蓿灌溉定額。

IQ=IR÷IE

⑤

式⑤中，IQ為灌溉定額(mm)，IR為灌溉需水量(mm)，IE為灌溉效率(%)。

榆陽區(qū)紫花苜蓿灌溉效率確定為85%。

2 結(jié)果與分析

2.1 榆陽區(qū)參照作物蒸散強(qiáng)度

榆陽區(qū)1996-2015年20年平均參照作物蒸散強(qiáng)度為3.00 mm·d-1。榆陽區(qū)參照作物蒸散強(qiáng)度旬際差異巨大，1月上旬最小，僅0.67 mm·d-1，6月上旬最大，高達(dá)5.74 mm·d-1，相差超過8倍(圖1)。榆陽區(qū)參照作物蒸散強(qiáng)度旬際變化規(guī)律呈單峰曲線，自1月上旬至6月上旬逐旬升高，6月上旬至12月下旬逐旬降低。

圖1 榆陽區(qū)參照作物蒸散強(qiáng)度旬際變化動態(tài)Fig.1 The inter-ten-day dynamic changes of evapotranspiration of reference crop in Yuyang district

2.2 榆陽區(qū)參照作物蒸散量

2.2.1榆陽區(qū)逐旬參照作物蒸散量 榆陽區(qū)1996-2015年20年平均旬參照作物蒸散量為30.4 mm。榆陽區(qū)參照作物蒸散量旬際差異巨大，1月上旬最小，僅6.7 mm，5月下旬最大，高達(dá)61 mm，相差達(dá)9倍(表1)。榆陽區(qū)參照作物蒸散量旬際變化規(guī)律大體上為自1月上旬至5月下旬逐旬升高，5月下旬至12月下旬逐旬降低(7月和8月略有波動)。

表1 榆陽區(qū)1996-2015年平均逐旬、逐月參照作物蒸散量Table 1 The mean evapotranspiration of reference crop every ten days and month from 1995 to 2016 in Yuyang district/mm

2.2.2榆陽區(qū)逐月參照作物蒸散量 榆陽區(qū)1996-2015年20年平均月參照作物蒸散量為91.3 mm。榆陽區(qū)參照作物蒸散量月際差異巨大，1月最小，僅23 mm，6月最大，高達(dá)164 mm，相差達(dá)7倍(表1)。榆陽區(qū)參照作物蒸散量月際變化規(guī)律為自1月至6月逐月升高，6月至12月逐月降低。

2.2.3榆陽區(qū)紫花苜蓿不同生產(chǎn)階段參照作物蒸散量 榆陽區(qū)1996-2015年20年平均全年參照作物蒸散量為1095 mm，其中生長季占比83.1%，非生長季占比16.9%；生長季第1茬參考作物蒸散量最高，第2、3茬逐漸降低，第4茬略微升高(表2)。

2.2.4榆陽區(qū)參照作物蒸散量年際動態(tài) 榆陽區(qū)參照作物蒸散量年際差異巨大，1996和2003年不足950 mm， 2005、2006和2013-2015年超過1150 mm，高低相差超過250 mm(圖2)。1996-2003年皆低于1100 mm，8年平均年參照作物蒸散量為1026 mm；除2009-2012年略低外，2004-2015年皆高于1100 mm，12年平均年參照作物蒸散量為1142 mm；兩個階段相差116 mm。

圖2 榆陽區(qū)參照作物蒸散量年際變化動態(tài)Fig.2 The inter-annual dynamic changes of evapotranspiration of reference crop in Yuyang district

2.3 榆陽區(qū)紫花苜蓿需水量

榆陽區(qū)1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季和全年需水量分別為819和893 mm；生長季占比91.7%，非生長季占比8.3%；生長季第1茬需水量最高，第2、3茬逐漸降低，第4茬略微回升(表2)。

表2 榆陽區(qū)紫花苜蓿不同生產(chǎn)時期參照作物蒸散量、需水量、需水強(qiáng)度、降水量、有效降水量、灌溉需水量和灌溉定額Table 2 The evapotranspiration，water requirement，water requirement rate，precipitation，effective precipitation， irrigation requirement，and irrigation quota of reference crop alfalfa at different production phases in Yuyang district

2.4 榆陽區(qū)紫花苜蓿需水強(qiáng)度

榆陽區(qū)1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季和全年需水強(qiáng)度分別為3.7和2.5 mm·d-1；生長季遠(yuǎn)高于非生長季，相差逾7倍；生長季第2茬需水強(qiáng)度最高，第3茬次之，第1茬再次之，第4茬最低，明顯低于前3茬(表2)。

2.5 榆陽區(qū)降水量和有效降水量

榆陽區(qū)1996-2015年20年平均全年降水量和有效降水量分別約為409和307 mm，其中生長季占比約為95%，非生長季占比約為5%；生長季第1～4茬降水量和有效降水量逐茬升高，高低相差逾2.5倍(表2)。

2.6 榆陽區(qū)紫花苜蓿灌溉需水量

榆陽區(qū)1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季灌溉需水量接近530 mm，全年超過580 mm；生長季占比約為90%，非生長季占比約為10%；生長季第1茬灌溉需水量最高，第2茬次之，第4茬再次之，第3茬最低，高低相差逾2.5倍(表2)。

2.7 榆陽區(qū)紫花苜蓿適宜灌溉定額

榆陽區(qū)1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季適宜灌溉定額超過620 mm，全年接近690 mm；生長季占比約為90%，非生長季占比約為10%；生長季第1茬灌溉定額最高，第2茬次之，第4茬再次之，第3茬最低，高低相差逾2.5倍(表2)。

3 討論與結(jié)論

3.1 紫花苜蓿需水量

本研究表明，榆陽區(qū)1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季和全年需水量分別為819和893 mm。該結(jié)果明顯高于河北壩上地區(qū)[7-10]、內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗[11]、錫林浩特[12]、呼和浩特[13]、鄂托克前旗[15]、甘肅臨澤內(nèi)部綠洲[16]和新疆石河子[18]，低于內(nèi)蒙古烏審旗[14]、甘肅臨澤邊緣綠洲[16]和渭干河―庫車河三角洲[19]，與北京[2-4]、河北滄州[5]、山東禹城[6]和新疆福海[17]較為接近。在世界范圍內(nèi)則屬于低值[1]。

3.2 紫花苜蓿需水強(qiáng)度

本研究表明，榆陽區(qū)1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季和全年需水強(qiáng)度分別為3.7和2.5 mm·d-1。該結(jié)果在國內(nèi)介于各地研究結(jié)果之間[2-5,7-13,16-19]，在世界范圍內(nèi)則屬于低值[1]。

3.3 紫花苜蓿灌溉需水量

本研究表明，榆陽區(qū)1996～2015年20年平均紫花苜蓿生長季和全年灌溉需水量分別為529和586 mm。該結(jié)果明顯高于北京[2-3]，略高于內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗[11]。明顯高于北京的原因在于榆陽區(qū)降水量明顯低于北京，而兩地紫花苜蓿需水量較為接近。榆陽區(qū)需水量和降水量皆高于內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗，但兩地需水量差距略大于降水量差距，因而導(dǎo)致榆陽區(qū)灌溉需水量略高于內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗。

3.4 紫花苜蓿灌溉定額

本研究表明，榆陽區(qū)1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季和全年適宜灌溉定額分別為622和689 mm。該結(jié)果明顯高于北京通州[3]和新疆石河子[21]，明顯低于新疆福海[22]和北屯[23]，略高于內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗[11]和甘肅臨澤內(nèi)部綠洲[17]。明顯高于北京通州的原因在于榆陽區(qū)紫花苜蓿需水量高于北京通州，而降水量低于北京通州。明顯高于新疆石河子的原因有二：一是榆陽區(qū)紫花苜蓿需水量高于新疆石河子；二是新疆石河子采用的灌溉方式是最為節(jié)水的地下滴灌。明顯低于新疆福海和北屯的主要原因在于榆陽區(qū)降水量高于新疆福海和北屯，而紫花苜蓿需水量與新疆福海和北屯較為接近。略高于內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗的原因如前所述，為榆陽區(qū)灌溉需水量略高于內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗。略高于甘肅臨澤內(nèi)部綠洲的主要原因在于榆陽區(qū)紫花苜蓿需水量明顯高于甘肅臨澤內(nèi)部綠洲。

榆陽區(qū)紫花苜蓿生產(chǎn)實踐中，大多數(shù)企業(yè)的灌溉定額為500 mm左右，明顯低于適宜灌溉定額。這是紫花苜蓿干草單產(chǎn)與理論產(chǎn)量存在較大差距，尚未實現(xiàn)15 t·hm-2的主要原因之一。