櫻花灌溉用水中真實(shí)作物系數(shù)的計(jì)算方法

王小軍，易小兵

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

櫻花是著名的木本觀賞花卉，屬于薔薇科(Rosaceae)李亞科(Pmnusoidea)櫻屬(Cerasus)，世界各地廣泛栽培[1- 2]。櫻花類植物主產(chǎn)于溫帶和亞熱帶，“中國(guó)紅”品種是由云南櫻和福建山櫻雜交選育而來(lái)的，花色最鮮艷的品種[3]，花期為2月中至3月中，適宜在亞熱帶地區(qū)種植。在南方，由于氣溫暖和的影響，花開時(shí)間有所提前，花謝之后結(jié)出細(xì)小的果實(shí)，7月份成熟，11月上旬葉片脫落[4]。而對(duì)于櫻花灌溉需水量計(jì)算和根據(jù)其生育期內(nèi)耗水規(guī)律進(jìn)行的田間試驗(yàn)和研究較少，需要投入大量人力、物力且實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，在具體灌溉實(shí)踐中，如何確定較為合理的灌水量就是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，因此，非實(shí)驗(yàn)性方法的確定具有重要的生產(chǎn)意義。在此可借鑒作物灌溉需水量計(jì)算的方法，利用常規(guī)的氣象資料能夠計(jì)算出作物的參照作物騰發(fā)量[5]，而作物系數(shù)為作物最大騰發(fā)量與參照作物騰發(fā)量的比值，如果確定特定條件下的作物系數(shù)，就可以通過(guò)定義求出最大騰發(fā)量(即需水量)，進(jìn)而為利用所在地氣象數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)灌溉提供可能。

作物系數(shù)實(shí)際上是一種作物在特定條件下特定區(qū)域?qū)嶒?yàn)的結(jié)果，F(xiàn)AO- 56表中提供的在特定標(biāo)準(zhǔn)條件下的作物系數(shù)，是指在半濕潤(rùn)氣候區(qū)(空氣溫度約45%，風(fēng)速約2m/s)供水充足、管理良好、生長(zhǎng)正常、大面積高產(chǎn)的作物條件。它有一定代表性，但受作物品種、地域、氣象、土壤、耕作條件、灌溉方式、生育年限等因素影響，是一個(gè)綜合表征作物的需水量狀況的相對(duì)變量。所以在實(shí)際指導(dǎo)節(jié)水灌溉中的作物系數(shù)計(jì)算是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，即如何能夠隨時(shí)隨地根據(jù)自動(dòng)的方法計(jì)算出具體區(qū)域、特定作物、特定氣候環(huán)境中的作物系數(shù)，土壤有效儲(chǔ)水能力及作物耗水動(dòng)態(tài)值，根據(jù)耗水動(dòng)態(tài)最大值的某個(gè)比例作為設(shè)計(jì)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)，根據(jù)動(dòng)態(tài)值來(lái)調(diào)整控制，從而達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化、控制優(yōu)化灌溉的目的[6- 7]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域分別位于廣東省梅州興寧市寧塘鎮(zhèn)圳背村興東生態(tài)園，為典型的丘陵地形。研究區(qū)域位于北緯24°12′7″，東經(jīng)115°45′23″，高程為154.32m，屬南亞與中亞熱帶過(guò)渡氣候，年平均氣溫20.4℃，年平均降水量1540.3mm，年平均日照時(shí)數(shù)2009.8h。土壤質(zhì)地為砂壤土，面積約60畝，灌區(qū)水源以池塘水為主。試驗(yàn)選擇3年以上樹齡長(zhǎng)勢(shì)基本的中國(guó)紅品種，地徑約4cm、樹高約2m，株行距為4m×4m。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)土壤理化參數(shù)表

1.2 觀測(cè)項(xiàng)目

氣象指標(biāo)主要有降雨量、蒸發(fā)量、溫度、濕度、日照及風(fēng)速等[8]，氣象數(shù)據(jù)采用臨近氣象站的觀測(cè)資料，均為實(shí)時(shí)記錄，記錄時(shí)間間隔為1h。土壤水分觀測(cè)采用云智能土壤墑情監(jiān)測(cè)儀(“智墑”)和TRIME-IPH土壤水分儀測(cè)定，定點(diǎn)定時(shí)觀測(cè)根層土壤含水率，結(jié)合兩根TDR測(cè)管作為重復(fù)對(duì)比[8]。儀器布設(shè)在距樹30cm處、測(cè)深1.4m、測(cè)量土層10cm一層，所測(cè)得的土壤含水率為體積含水率。土壤水分記錄時(shí)間間隔為1h，與氣象觀測(cè)頻次相對(duì)應(yīng)。

1.3 計(jì)算方法

(1)作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算模型：

ETc=ks·kc·ET0

(1)

式中，ETc—作物蒸發(fā)蒸騰量，即需水量，mm、mm/d；ET0—參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm、mm/d；kc—作物系數(shù)；ks—土壤水分修正系數(shù)。kc為kc、ks的一個(gè)綜合變量(真實(shí)作物系數(shù))。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料，即可確定反映特定條件下的真實(shí)作物系數(shù)Kc。

(2)參考作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)推薦的改進(jìn)型彭曼公式，即彭曼-蒙太斯(Penman-Monteith)方法。

(2)

式中，Δ—溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃；ea—平均飽和水汽壓，kPa；ed—實(shí)際水汽壓，kPa；Rn—凈輻射，MJ/(m2·d)；G—土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ—濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；T—平均氣溫，℃；U2—2m高處風(fēng)速，m/s。

(3)作物蒸發(fā)蒸騰量根據(jù)水量平衡原理的計(jì)算公式如下：

(3)

式中，ET1-2—階段蒸發(fā)蒸騰量，mm；i—土壤層次號(hào)數(shù)；n—土壤層次總數(shù)目；Hi—第i層土壤的厚度，cm；Wi1—第i層土壤在時(shí)段初始的含水率(體積含水率)；Wi2—第i層土壤在時(shí)段末的含水率(體積含水率)；M—時(shí)段內(nèi)的灌水量，mm；P—時(shí)段內(nèi)的降水量，mm；K—時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，mm；C—時(shí)段內(nèi)的排水量(地表排水與下層排水之和)，mm。

試驗(yàn)的作物蒸發(fā)蒸騰量以每小時(shí)作為一個(gè)計(jì)算時(shí)段，在該時(shí)段內(nèi)不灌水，故M=0；由于試驗(yàn)區(qū)地下水埋藏深度在6m以下，無(wú)地下水補(bǔ)給量，因此K=0；根據(jù)己有的土壤含水率數(shù)據(jù)可知土壤含水率在深度100cm以下基本無(wú)變化[9]，故C=0；因此，式(3)可化簡(jiǎn)為：

(4)

將實(shí)際的土壤體積含水率值帶入式(4)進(jìn)行櫻花樹作物蒸發(fā)蒸騰量的計(jì)算，真實(shí)作物系數(shù)Kc值根據(jù)式(1)來(lái)確定。

2 結(jié)果分析

2.1 櫻花樹生育期內(nèi)土壤水分變化分析

櫻花喜歡陽(yáng)光，喜歡溫暖、濕潤(rùn)的氣候環(huán)境，生長(zhǎng)季應(yīng)為其提供充足的水分；同時(shí)怕水淹，怕積水。它對(duì)土壤的要求不嚴(yán)，深厚肥沃的砂質(zhì)壤土生長(zhǎng)最好；根系較淺，耐鹽堿土，有一定的耐寒和耐旱力。通過(guò)2017—2018年連續(xù)觀測(cè)，實(shí)時(shí)記錄了櫻花樹在整個(gè)觀測(cè)期每天的土壤含水率變化，土壤平均水分動(dòng)態(tài)變化在全生育期較為規(guī)律，在花期之后的5—7月因降水量較多，各深度的土壤含水量總體較高(10cm處平均為33.8%)，隨著生育期的推進(jìn)，在秋末落葉后土壤含水率逐漸減小，12月落葉期達(dá)到最小(10cm處平均為4.1%)，之后因灌水影響，從1—4月均保持在一個(gè)較高的含水率水平上(10cm處平均為24.7%)。櫻花生育期內(nèi)不同代表深度的土壤含水率日均變化如圖1所示。

圖1 櫻花生育期內(nèi)不同深度的土壤含水率日均變化圖

因?yàn)闄鸦ǖ母抵饕植加?0cm以內(nèi)的表土層，由圖1可以看出，土壤含水率變化較大的土層范圍主要為0～30cm，尤其是0～10cm土層的土壤含水率受蒸發(fā)、降水等變化量的影響最明顯，全觀測(cè)期土壤含水率平均變化幅度為30.8%，100mm土壤含水率變化最小，平均變化幅度為18.9%。各層土壤水分變化趨勢(shì)呈較強(qiáng)的一致性，變化幅度較均衡，這說(shuō)明土壤含水率主要是受土壤質(zhì)地水分入滲的影響，各層土壤水分的吸收利用具有相同的規(guī)律。

2.2 櫻花樹不同深度的土壤耗水分析

櫻花樹各個(gè)生育階段的降雨量數(shù)據(jù)來(lái)自當(dāng)?shù)貧庀笳?，櫻花樹耗水量為地面蒸發(fā)量和植株蒸騰量之和，根系從土壤中吸收的大部分水分通過(guò)植株蒸騰消耗掉，所以土壤含水率變化量也可間接反映植株蒸騰量的大小。

試驗(yàn)記錄了同一時(shí)點(diǎn)各層土壤含水率的空間分布，以分析不同土壤質(zhì)地下土層深度范圍內(nèi)的土體儲(chǔ)水能力。因土壤保水能力較差，土壤儲(chǔ)水能力除了50cm處較小外，其他各層相差不大。如圖2所示。

水分的管理要根據(jù)櫻花生理用水需要進(jìn)行。櫻花根系主要分布于表土層，根據(jù)動(dòng)態(tài)測(cè)試，0～40cm根系占總根系的60%，需水主要來(lái)源于該部分土體中的水分。如圖3所示。

2.3 櫻花樹的真實(shí)作物系數(shù)分析

為了保證櫻花樹正常萌芽及開花，在1月需要補(bǔ)充灌溉，10月底櫻花已經(jīng)開始落葉，水分對(duì)櫻花的生長(zhǎng)影響不大[10- 11]。在櫻花樹生長(zhǎng)各個(gè)階段，受氣候及櫻花樹生物學(xué)特性的綜合影響，真實(shí)作物系數(shù)Kc由小到大，再由大到小，總體上表現(xiàn)為單峰特征，主要在3—6月，正好對(duì)應(yīng)花期和生葉需水高峰期。6月份為峰值，達(dá)到2.83，此時(shí)櫻花樹葉面積最大、生長(zhǎng)最為旺盛、蒸發(fā)蒸騰大，而春秋季生長(zhǎng)期則較低，受落葉和秋季修剪疏枝、改善樹冠的影響，從9月份急劇下降，1月份最低，為0.46。如圖4所示。

圖4 櫻花ET0和Kc各月分布特征

3 結(jié)論與討論

櫻花生育期內(nèi)的需水量可通過(guò)試驗(yàn)獲取，但實(shí)測(cè)資料的地區(qū)分布和時(shí)間系列均十分有限，不能反映具體生境的真實(shí)值。而基于實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)推算真實(shí)作物系數(shù)，進(jìn)而根據(jù)當(dāng)?shù)禺?dāng)年實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)分析，該方法比較簡(jiǎn)單方便，是指導(dǎo)農(nóng)作物灌溉實(shí)踐的有效方法，有利于在灌溉試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。

同時(shí)，氣象資料以最接近作物生長(zhǎng)地為宜，以免代表性不足，土壤水分觀測(cè)深度要依據(jù)根系吸水分布而定，盡量包含絕大部分根系所在土層，以及考慮節(jié)水灌溉方式、不充分灌溉狀況下規(guī)律的不同，這些也是需要考慮和進(jìn)一步研究和改進(jìn)的內(nèi)容。