西藏燕麥主要種植區(qū)灌溉定額空間分布及影響因素

楊 波，湯鵬程，徐 冰，李澤坤，張紫森，楊禮志，張 鈺

（1．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2．中國水利水電科學研究院 牧區(qū)水利科學研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3．西藏自治區(qū)拉薩市曲水縣水利局，西藏 拉薩 850699）

1 研究背景

西藏自治區(qū)面積 122．84萬km2，北緯 26°50′—36°53′，東經(jīng) 78°25′—99°06′，約占中國總面積的八分之一，是世界上面積最大、海拔最高的高原，但是隨著自然環(huán)境的變化及人為對天然草地的破壞，天然牧草總體產(chǎn)量在逐年衰減，已經(jīng)遠遠不能滿足西藏畜牧業(yè)的需求[1-3]，為此西藏開始大面積種植人工牧草。燕麥作為西藏典型人工牧草之一，在高寒地區(qū)特殊的自然環(huán)境條件下有著獨特的適應能力，具有耐寒、產(chǎn)量高、品質(zhì)好的特點。根據(jù)西藏自治區(qū)2020年相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，西藏全區(qū)農(nóng)作物種植面積為23萬hm2，其中燕麥的種植面積就高達3萬hm2，約占種植總面積的1/8[4]。目前，由于西藏水利基礎設施較內(nèi)地尤為落后，西藏主要種植區(qū)內(nèi)燕麥的生長多依賴地面灌溉和天然降雨[5-7]；此外關于燕麥的相關研究多關注栽培和種植等問題，個別學者通過田間試驗對西藏局部的燕麥需水量、灌溉制度展開研究，徐冰等人在拉薩、當雄等地開展田間灌溉試驗，針對西藏高寒地區(qū)燕麥的水分生理特性和耗水規(guī)律展開研究，研究表明：西藏高寒區(qū)的燕麥需水量比其他地區(qū)偏大[8]，濕度是影響西藏高寒區(qū)燕麥蒸騰速率的主要因素[9]；FAO-56推薦的燕麥作物系數(shù)適用于西藏地區(qū)[10]；湯鵬程于2013年在拉薩市郊展開燕麥田間試驗，通過設置水分梯度開展燕麥的需水量研究，表明西藏高寒牧區(qū)燕麥全生育期需水量為485 mm[11]；肖長偉針對拉薩和日喀則下兩個試驗站點共三年的種植、氣象資料，推算得到該地區(qū)燕麥灌溉定額為290 m3/畝[12]。由于西藏燕麥主要種植區(qū)地域遼闊，經(jīng)緯度跨度較大，各地域氣候獨特且復雜多樣，局部區(qū)域的個別年份研究成果是否能在西藏大部分地區(qū)指導農(nóng)牧民科學灌溉尚有待驗證。因此，針對以上問題，本文在西藏燕麥主要種植區(qū)選擇28個典型站點通過多年數(shù)據(jù)收集和實地取樣，基于水量平衡法對西藏燕麥主要種植區(qū)在地面灌溉模式下的灌溉定額進行估算，再根據(jù)統(tǒng)計學原理對研究區(qū)內(nèi)燕麥灌溉定額空間分布特征展開研究，分析其影響因素，以期為西藏自治區(qū)相關部門對灌溉用水數(shù)量的管理和全區(qū)灌溉定額的制定提供參考，并指導西藏農(nóng)牧民規(guī)范灌溉。

2 研究區(qū)域概況

2．1 研究區(qū)選點根據(jù)西藏地理地貌與氣候特點，在西藏燕麥主要種植區(qū)內(nèi)選取28個典型氣象站點，其地理位置信息如圖1所示（由于藏西的阿里、那曲和日喀則部分地區(qū)海拔較高，氣候寒冷干燥，全年降雨量較少，年平均氣溫在0℃以下，且日夜溫差大，屬于無人區(qū)和典型牧區(qū)，并不適宜燕麥的人工播種，因此本研究中不考慮該地區(qū)[13]）。收集的氣象數(shù)據(jù)均來源自國家氣象信息中心，時間為1981—2015年（由于部分站點建站較晚，數(shù)據(jù)收集時間為建站后至2015年），數(shù)據(jù)包括日照時數(shù)、日平均溫度、平均濕度、平均風速、降雨量等。

圖1 西藏31個區(qū)域典型站點位置

2．2 灌溉分區(qū)基于 《西藏農(nóng)業(yè)氣候資源區(qū)劃》和羅紅英在2007年發(fā)表的 《西藏青稞灌溉定額的空間分布規(guī)律》對西藏燕麥主要種植區(qū)劃分為4個典型氣候區(qū)，分別為高原溫帶（半）濕潤區(qū)、高原溫帶半干旱區(qū)、高原溫涼（半）濕潤區(qū)和高原溫涼干旱區(qū)[13-14]，具體結果如表1所示，其中選擇林芝、日喀則、那曲、定日為以上4個區(qū)域各自的典型代表站。

表1 西藏燕麥灌溉分區(qū)表

3 分區(qū)燕麥灌溉用水定額計算

3．1 燕麥灌溉定額的確定根據(jù)研究區(qū)特點，采用水量平衡法計算研究區(qū)內(nèi)燕麥灌溉定額[8-9，11]。計算公式如下：

式中：ET為需（耗）水量，mm；P為某一時段有效降水量，mm；I為某一時段的灌溉量，mm；ΔSWS為土壤貯水量變化量，mm；Q為地下水的補給量和滲漏量，mm；因所選研究區(qū)整體地下水位埋深皆大于3 m，且多年耕作層土壤厚度不足30 cm，同時耕作層以下多為砂礫、礫石，而且砂礫、礫石層與耕作層存在一層黏性極大的膠泥土作為隔水層，故本研究中忽略地下水的影響[8]。為了符合灌溉實際并方便計算，本文自燕麥播種后每15天遞推水量平衡公式，得到單次燕麥灌溉定額，最后作和得到燕麥生育期內(nèi)累計灌溉定額。

3．1．1 有效降雨量 有效降雨量的計算見式（2）；通過經(jīng)驗頻率法對所選區(qū)域不同降雨量下的年份進行排頻，選擇年降雨量符合規(guī)定水文年型的年份作為典型年。把50%保證率下的降雨年份作為中等水文年，75%保證率下的降雨年份作為干旱年[11，14-15]。

式中：P0為單次有效降雨量，mm；P為單次降雨量，mm；λ為降雨有效利用系數(shù)，本次研究中單次降雨P＜2 mm視為無效降雨，降雨系數(shù)為0；2 mm≤P≤50 mm，有效利用系數(shù)為1；當P＞50 mm時，有效利用系數(shù)為 0．8[11，14-15]。

3．1．2 土壤貯水量變化量 燕麥生育期內(nèi)土壤貯水量變化量可按下式（3）計算[8-12]：

式中：ΔSWS為所選時段的土壤貯水量變化量，mm；W1和W2為所選時段初末的土壤貯水量；H為所選時段的土壤計劃濕潤層深度，m；n為所選時段計劃濕潤層內(nèi)土壤孔隙率，%；θmax和θ為所選時段內(nèi)允許的土壤最大含水率和最小含水率（最大含水率一般取田間持水率，%）。

各地土壤水分參數(shù)主要取決于當?shù)氐耐寥李愋?，由于西藏自治區(qū)整體面積遼闊，相同氣候分區(qū)下土壤種類繁多，因此選擇區(qū)域內(nèi)耕作面積比例最大的土壤作為本區(qū)域土壤，分區(qū)下的土壤水分參數(shù)主要以羅紅英對西藏劃分的土壤參數(shù)作為參考[14，16]，其中那曲和澤當?shù)耐寥绤?shù)通過實地取樣確定，得到4個代表站的土壤參數(shù)如見表2所示；生育期計劃濕潤層深度和適宜含水率上下限通過實際調(diào)查得到，具體見表3。

表2 分區(qū)下的土壤水分參數(shù)

表3 西藏燕麥生育期計劃濕潤層深度和適宜含水率上下限

3．1．3 作物需水量

（1）參照作物騰發(fā)量

參照騰發(fā)量ET0采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推薦的 Penman-Monteith方法計算[8-12、17]。

（2）作物系數(shù)

由于所選區(qū)域面積遼闊，土壤、氣象數(shù)據(jù)差異較大，而且大部分地區(qū)缺少作物系數(shù)修正所需的實測土壤、作物、氣象數(shù)據(jù)，因此結合FAO-56推薦和趙世昌在當雄縣所修正的燕麥，燕麥各生育階段的作物系數(shù)分別為 Kcini（Tap）＝1．06、Kcmid（Tap）＝1．15、Kcend（Tap）＝0．25[10]。

（3）作物需水量

采用作物系數(shù)法計算作物需水量[13，16]。

3．2 空間分布圖繪制方法本文選擇 “克里金插值法”繪制空間分布圖，所選數(shù)據(jù)需滿足正態(tài)分布，因此需進行預處理，預處理結果見表4。本文變異系數(shù)皆在35%內(nèi)，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，滿足 “克里金插值法”應用條件[18]。基于 “ArcGIS10．0”軟件，利用上述28個典型站的海拔及經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)，生成西藏所選區(qū)域的矢量分布圖，再采用 “普通克里金插值法”，繪制西藏燕麥主要種植區(qū)的灌溉定額空間分布圖和其影響因子空間分布圖。

表4 燕麥灌溉定額及影響因素正態(tài)分布統(tǒng)計表

4 結果與分析

4．1 典型年燕麥灌溉定額根據(jù)上述公式，通過分析1981—2015年數(shù)據(jù)資料，估算四個典型代表站的燕麥灌溉定額，得出50%（中等水文年）、75%（干旱水文年）降雨頻率下的燕麥灌溉定額，結果見圖2。

圖2 不同降雨年份下典型代表站燕麥灌溉定額

圖2表明在50%水文年下，林芝、那曲、日喀則、定日的燕麥生育期灌溉定額在60～264 mm之間變化，75%水文年下的燕麥灌溉定額在118～309 mm之間變化。相同水文年下，灌溉定額大小排序為林芝＜那曲＜日喀則＜定日。根據(jù)圖3可知：導致燕麥灌溉定額數(shù)值差異較大的主要原因為：林芝地區(qū)多年平均降雨量、平均溫度、相對濕度較大，年降雨量最小值在300 mm以上，日平均溫度可達8℃以上；日均ET0和日照時數(shù)較小，日均ET0最小值為2．38 mm，平均日照時數(shù)最小值則為4．5 h。而定日地區(qū)則呈現(xiàn)與之相反的趨勢：降雨偏小、溫度偏低、相對濕度較小，ET0較大、日照時間較長；因此兩個地區(qū)的燕麥灌溉定額分別呈現(xiàn)兩個極值。

圖3 典型代表站1981—2010年氣象及ET0數(shù)據(jù)

4．2 燕麥灌溉定額空間分布規(guī)律西藏燕麥主要種植區(qū)的多年平均灌溉定額空間分布見圖4（由于50%和75%水文年的空間分布大體相似，本文只給出了50%水文年下的燕麥灌溉定額空間分布圖）。

圖4 西藏燕麥主要種植區(qū)灌溉定額空間分布圖

可以清晰看出：在50%水文年下，藏中至藏東地區(qū)的燕麥灌溉定額呈現(xiàn)先遞減后遞增的趨勢，變化區(qū)間為56～265 mm。林芝、波密等地為灌溉定額的極小值，灌溉定額約為60 mm，藏中的拉孜、定日等地區(qū)和藏東的左貢為極大值，灌溉定額皆在230 mm以上。

4．3 燕麥灌溉定額影響因素西藏燕麥主要種植區(qū)的灌溉定額受土壤、氣候條件的共同影響，本文主要從參考作物蒸發(fā)量（ET0）、降雨量兩個直接影響因素，平均溫度、日照時數(shù)和相對濕度三個間接影響因素進行分析[19]。

4．3．1 直接影響因素 西藏燕麥主要種植區(qū)的灌溉定額與直接影響因素ET0、降雨量的回歸模型見表5，可知，ET0和降雨量的 R2統(tǒng)計值分別為 0．152和 0．515；F檢驗值分別為 4．661和 27．619。

表5 西藏燕麥灌溉定額與直接影響因素的回歸模型

50%水文年下燕麥生育期降雨量等值線圖見圖5。如圖所示，相同水文年下的生育期降雨量分布極不均勻，藏中向藏東呈先遞增后遞減的趨勢。50%水文年下的降雨峰值主要集中在西藏東部：波密、米林、林芝、嘉黎等地燕麥生育期內(nèi)降雨量皆在500 mm以上；藏中的定日、拉孜地區(qū)降雨量則不足300 mm。燕麥灌溉定額與降雨量呈負相關關系。通過數(shù)據(jù)分析得知：在豐水年下，藏東的部分地區(qū)（波密、米林、林芝、察隅等地）若雨季來臨較早，則不需要人工灌溉，依靠天然降雨即可滿足燕麥生長需求。

圖5 50%水文年下燕麥生育期降雨量等值線圖

4．3．2 間接影響因素 西藏燕麥主要種植區(qū)的灌溉定額、燕麥生育期內(nèi)ET0與間接影響因素：平均溫度、相對濕度和日照時數(shù)的回歸模型見表6。由表6可知，西藏燕麥主要種植區(qū)的灌溉定額主要受間接影響因素中日照時數(shù)與相對濕度的影響，燕麥灌溉定額與日照時數(shù)、相對濕度的R2統(tǒng)計值為別為0．462、0．194，F(xiàn)檢驗值為別為 22．306、6．239；燕麥生育期內(nèi) ET0與相對濕度、日照時數(shù)的 R2統(tǒng)計值為別為 0．525、0．255，F(xiàn)檢驗值為別為 30．846、8．876（由于平均溫度對 ET0、燕麥灌溉定額的影響較小，因此本文未給出平均溫度等值線圖）。

表6 西藏燕麥灌溉定額與間接影響因素的回歸模型

50%水文年下燕麥生育期日均日照時數(shù)等值線圖見圖6。如圖所示，相同水文年下的日照時數(shù)自藏中向藏東呈現(xiàn)遞減趨勢。平均日照時數(shù)的差異主要由于研究區(qū)經(jīng)緯度變化幅度較大，所選區(qū)域經(jīng)度差值可達15°，緯度差值可達7°。在燕麥生育期內(nèi)，日照時數(shù)相對較長的地區(qū)為藏中的定日、申扎等地，多年平均日照時數(shù)可達到8 h以上，而東部的波密、察隅、米林等地則不足4 h。日照時數(shù)是導致燕麥灌溉定額空間分布不均的主要影響因素，也是影響燕麥生育期內(nèi)ET0數(shù)值波動的因素之一。

圖6 50%水文年下燕麥生育期日均日照時數(shù)等值線圖

50%水文年下燕麥生育期日均相對濕度等值線圖見圖7。相同水文年下的相對濕度自藏中向藏東呈現(xiàn)先遞增后遞減的趨勢，相對濕度與燕麥灌溉定額、ET0皆呈負相關分布。在燕麥生育期內(nèi)，相對濕度較小的地區(qū)為中部的當雄、申扎、拉孜等地區(qū)，約為50%，林芝、米林地區(qū)為相對濕度較大地區(qū)，約為80%；各地區(qū)相對濕度的變化是影響研究區(qū)ET0的數(shù)值差異的最大因素，也間接導致了燕麥灌溉定額的空間分布不均勻。

圖7 50%水文年下燕麥生育期日均相對濕度等值線圖

5 結論

（1）西藏燕麥主要種植區(qū)的灌溉定額空間分布極不均勻，藏中至藏東地區(qū)的呈現(xiàn)先遞減后遞增的趨勢，在56～265 mm之間變化，東部的波密、林芝等地為研究區(qū)內(nèi)極小值，中部的拉孜、定日、左貢等地為研究區(qū)內(nèi)極大值。本文的研究成果可以科學指導西藏農(nóng)牧民進行燕麥的灌溉，但灌水時間要隨著燕麥的實際生長情況和當?shù)氐慕涤昵闆r進行判定，同時也要注意灌水次數(shù)和單次灌水量，燕麥不同生育期內(nèi)的水分生長需求并不一致，在燕麥的需水關鍵期進行適當?shù)墓嗨趴蓪崿F(xiàn)穩(wěn)定的增產(chǎn)效果。

（2）降雨量是直接影響西藏燕麥主要種植區(qū)灌溉定額的主要因素，降雨量與燕麥灌溉定額呈負相關分布，在50%水文年下研究區(qū)內(nèi)生育期平均降雨量在267～552 mm之間變化，西藏東部區(qū)域降雨量明顯大于其他區(qū)域，尤其是林芝、波密、米林、察隅等地在燕麥生育期內(nèi)降雨較為集中，且多為夜雨，通過對數(shù)據(jù)的推算，個別年份下無需灌溉仍不會影響燕麥的生長發(fā)育；ET0對燕麥灌溉定額的影響較小，ET0與其呈正相關分布。

（3）其他氣象因素對燕麥灌溉定額影響的顯著性關系為：日照時數(shù)＞相對濕度＞平均溫度；其中日照時數(shù)對燕麥灌溉定額的影響最大，與燕麥灌溉定額呈正相關關系。