蓄水坑灌條件下不同灌水下限幼齡蘋果樹耗水特性及作物系數的試驗研究

李 波，郭向紅，孫西歡,2，馬娟娟

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2. 山西水利職業技術學院，山西 運城 044004)

0 引 言

水是基礎性的自然資源和重要的經濟資源，推行節水農業是解決我國、特別是北方地區水資源日趨緊缺的首要途徑[1]。作物蒸發蒸騰量是農業用水中最主要的部分，準確估算作物蒸發蒸騰量，對于減小作物生育期的無效的水分消耗，提高水分利用率，發展節水農業有著十分重要的意義[2]。

作物系數定義為作物蒸發蒸騰量與參考作物蒸發蒸騰量的比值[3]，是計算作物實際耗水量和確定田間灌水制度的重要參數之一，同時反映了作物種類本身的生物學特性、土壤水肥狀況以及田間管理水平等對作物耗水量的影響[4]。準確計算作物各生育階段的作物系數，即可通過參考作物蒸發蒸騰量求出作物不同生育階段的實際耗水量。目前，眾多學者已對不同地區、不同氣候條件、不同作物種類條件下的作物系數進行了系統的研究；在國內，彭世彰、劉鈺、雷志棟等學者根據田間實測資料，結合當地的實際情況，對FAO推薦的作物系數計算方法及相關參數進行了適當修正，得到了較為滿意的驗證結果[5-8]。

蓄水坑灌法作為一種節水灌溉新技術，已經在果園蒸發蒸騰、果樹耗水方面[9,10]取得了一定的研究成果，但其試驗材料均為盛年期果樹，且未準確測定果樹不同生育期的作物系數，而結合作物系數與氣象資料，能夠實現適時適量的灌溉滿足幼樹的需水要求，為蓄水坑灌條件下的精準灌溉和灌溉制度的實時預報提供科學依據。因此，本文通過大田試驗，研究蓄水坑灌條件下不同灌水下限幼齡蘋果樹的耗水特性及作物系數變化規律，并使用FAO推薦的單作物系數法進行驗證，為田間生產實踐提供技術參考和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年5月20日至10月15日在山西省農業科學院果樹研究所內進行。山西省農科院果樹研究所地處太谷縣西南，東經112°32′，北緯37°23′，平均海拔約800 m。試驗區屬典型的大陸性半干旱氣候，多年平均氣溫為9.8 ℃，多年平均降雨量為462.9 mm，無霜期175 d。試驗區土質以壤土為主，土壤體積質量1.47 g/cm3，飽和含水率(體積)49.21%，0～1 m土層田間持水率(體積)30%，灌溉水源為井水。試驗材料為三年生矮砧紅富士，株距2 m，行距2 m，樹形整齊，樹勢旺盛。

1.2 試驗設計

為研究蓄水坑灌條件下不同灌水下限幼齡蘋果樹的耗水特性及作物系數，試驗以灌水下限為控制因子，共3個水平，分別為田間持水率的50%、60%、70%，并以地面灌溉作為對照，共4組處理，每組處理5次重復。試驗分組情況見表1。

表1 試驗設計

通過含水率差值法計算各組處理的灌水量，試驗期間各組處理灌水情況見表2。

表2 灌水量及灌水日期 L

注*：5月20日灌水為緩苗水，不計入總灌水量中。

蓄水坑灌法每株果樹下均勻布置4個直徑為20 cm的蓄水坑，坑深30 cm，蓄水坑中心距果樹樹干中心40 cm。蓄水坑使用PVC網布作固壁處理，防止坑壁坍塌，坑底鋪設土工膜防止深層滲漏。水分監測點布置在相鄰兩蓄水坑中心與樹干中心的連線上，距樹干中心的距離分別為30、60和90 cm，地面灌溉水分監測點的布設形式與蓄水坑灌法相同(見圖1)。

圖1 水分檢測點及田間工程布置

各小區采用隨機排列法排布。相鄰小區間設置1棵非實驗用樹，防止不同實驗處理之間的互相干擾。

1.3 測定項目與方法

(1)土壤含水率。采用TRIME-PICO IPH 土壤水分測量系統測定土壤體積含水率，每隔5～7 d測定一次，雨后及灌水后加測。測點測量深度為200 cm，每隔20 cm測定一次。每組處理測量3株果樹，并以3株果樹垂向距地表50 cm，徑向距樹干中心60 cm的圓柱形土體(計劃濕潤體)內含水率的平均值作為試驗處理的依據，以垂向距地表140 cm，徑向距樹干中心90 cm的圓柱形土體內含水率的平均值作為計算幼樹實際耗水量的依據。

(2)株高。采用鋼卷尺測量，每組處理測量3株果樹取平均值，每隔15 d左右測定一次。

(3)氣象因子。在試驗區設立Adcon_Ws無線自動氣象監測站，對試驗期間的降水量、氣溫、土壤溫度、風速、風向、大氣壓、相對濕度、太陽輻射等氣象因子進行連續監測。

1.4 幼樹實際耗水量的計算方法

作物耗水量指作物在土壤水分和養分適宜、管理良好、生長正常、大面積高產條件下的棵間土面(或水面)蒸發量與植株蒸騰量之和，也稱作物需水量[7]。它是確定作物灌溉需水量的基礎。本試驗基于水量平衡方程計算幼樹的實際耗水量：

SWe=SWb+I+P+GW-R0-Dp-ETc

(1)

式中：SWe為時段末根區土壤蓄水量，mm；SWb為時段初根區土壤蓄水量，mm；I為時段內灌水總量，mm；P為時段內降雨總量，mm；GW為時段內地下水對作物耗水的補給量，mm；R0為時段內的地表徑流量，mm；Dp為時段內深層滲漏量，mm；ETc為時段內作物蒸發蒸騰量，即作物耗水量，mm。

對于旱作物，每次降水能夠保存在作物根系層中用于滿足作物蒸發蒸騰需要的那部分雨量，稱為有效降雨量[11]，而根據旱作農業生產實踐，一般認為<5 mm的降水及地表徑流和深層下滲造成的降水損失不能被作物根系吸收利用[12]。不同作物需水量不同，降雨的有效利用比例也有所差異。實時計算作物生育期有效降雨量最準確的方法是時段水量平衡法[7]，也可采用以下經驗公式計算：

Pe=αP

(2)

式中：Pe為有效降雨量，mm；α為降雨有效利用系數，當P<5 mm時，α=0；當5 mm

因試驗區地下水埋深超過20 m，故可忽略地下水對幼樹根層的補給作用GW；實驗區土地平整，并有土壟分隔不同實驗小區，故可忽略地表徑流R0的影響；因幼樹根系埋藏較淺且分布范圍有限，同時發現距地表140 cm以下不同深度處各處理土壤含水率動態變化較為平緩，灌水、降雨過程對其影響較小，故本試驗中距地表140 cm以下可忽略深層滲漏Dp的影響；最終得出幼樹實際耗水量的計算公式如下：

ETc=SWb-SWe+Pe+I

(3)

式中各項符號含義同前。

1.5 幼樹作物系數的計算方法

1.5.1參考作物蒸發蒸騰量的計算

參考作物蒸發蒸騰量(ET0)為一種假想的參考作物冠層的蒸發蒸騰速率，非常類似于表面開闊、高度一致、生長旺盛、完全覆蓋地面而不缺水的綠色草地的蒸發蒸騰速率[13]。采用國際糧農組織(FAO)推薦的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式計算：

(4)

式中：ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm；Δ為飽和水汽壓與空氣溫度關系曲線的斜率，kPa/℃；Rn為凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度計常數，kPa/℃；T為空氣平均溫度，℃；u2為地面以上2 m高處的風速，m/s；es為空氣飽和水汽壓，kPa；ea為空氣實際水汽壓，kPa。

1.5.2作物系數的確定

作物系數是某種作物的潛在蒸發蒸騰量與參照蒸發蒸騰量之比，受土壤、氣候、作物生長狀況和管理方式等多種因素影響，FAO 推薦在規劃中確定作物系數的方法為分段單值平均法，即把全生育期作物系數變化過程概化為在4個階段3個值(Kcini、Kcmid、Kcend)[3]，需要逐時段(旬或月)按下式計算：

(5)

式中各項符號含義同前。

1.6 數據處理與分析

采用EXCEL 2003軟件對數據進行處理，采用SPSS 20.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水下限土壤含水率變化規律

由圖2可見，生育期內，各處理計劃濕潤層平均含水率都在試驗要求的含水率上下限范圍內波動。從試驗開始至7月9日，各處理按CK、T3、T2、T1的先后順序依次達到各自的灌水控制下限。除CK處理外，其余各處理含水率曲線斜率基本一致，說明在生育前期，幾組處理幼樹對根層水分的消耗強度基本一致。CK處理較T2處理更早達到60%的田間持水率水平，說明蓄水坑灌較地面灌溉方式有更強的蓄水保墑能力，更有利于水分向土壤中深層、即作物的根層滲透。進入7月后，雨量充足，基本滿足了幼樹的生長需求，至8月27日前，不同處理計劃濕潤層平均含水率均未達到各自要求的灌水控制下限。由于T1處理在7月9日進行了灌水，此時段內各處理平均含水率整體呈T3>T1>T2>CK的分布規律。注意到每次降雨后CK處理含水率增加幅度最小，但水分消耗速度最快，一方面由于地面灌溉表層土壤水分蒸發速率快，且不能有效截留降雨，另一方面是由于此階段內CK處理幼樹生長最旺盛，樹體消耗水分多。9月中旬后，降雨減少，同時幼樹生長進入成熟期，水分消耗強度小，各處理土壤含水率變化較為平緩，均隨時間推移緩慢下降，至試驗結束前，整體呈T3>T2>CK>T1的分布規律。

圖2 不同處理計劃濕潤層土壤體積含水率及降雨量情況

2.2 不同灌水下限幼樹的耗水特性

根據灌水量、降雨量資料及實測的土壤體積含水率利用水量平衡方程(3)及公式(2)計算出不同灌水下限幼樹全生育期實際耗水量、耗水模數以及日耗水強度(表3)。

表3 不同處理幼樹實際耗水量、耗水強度及耗水模數

注：5月數據取自5月20日至5月31日；10月數據取自10月1日至10月23日。

由表3可見，不同處理幼樹全生育期耗水總量差異極顯著(p<0.01)，CK處理、T2處理、T3處理依次為327.40、322.60和314.10 mm；T1處理灌水下限為田間持水率的50%，為非充分灌溉，故耗水量最小為296.40 mm。除10月CK處理與T1處理耗水量相同外，不同處理在生育期各階段耗水量的差異均達到極顯著水平(p<0.01)。

隨日照時間、光輻射強度、溫度等環境因子的變化，幼樹進入不同的生育階段，其生長速率、耗水特性等具有明顯的季節特征，各處理幼樹實際耗水量在生育期內均呈中間大，兩頭小的“紡錘形”分布，7、8、9三個月的耗水模數之和分別為69.43%(CK)、75.44%(T1)、69.72%(T2)、73.19%(T3)，說明生育中期(7-9月)是幼齡蘋果樹的需水關鍵期，此期正值伏期高溫，蒸騰作用強烈，此階段必須保證幼樹水分供應充足。除T1處理外，其余各處理幼樹日耗水強度按大小排序依次為8月>9月>6月>7月，最大值為T2處理的3.02 mm/d(8月)，最小值為T1處理為1.29 mm/d(6月)，再次說明幼樹進入果實膨大期后，生長旺盛，耗水強度大；7月幼樹日耗水強度較6月有一定程度的減少，此時幼樹正處于花芽分化期，適度干旱有助于花芽分化，為翌年豐產創造有利條件[14]。T1處理為非充分灌溉，灌前樹體受到了干旱脅迫，生長緩慢，耗水較少；在7月9日進行灌水后，幼樹產生補償性生長，耗水強度迅速增長；此后因降雨充足、蒸騰作用減弱等原因，幼樹未受到水分脅迫，日耗水強度基本維持在正常水平。

不同處理全生育期耗水量數據采用Duncan新復極差法進行檢驗，表3中同列小字母不同者表示處理間差異在(α=0.01)水平下顯著。

2.3 不同灌水下限幼樹的作物系數

依據自動氣象站監測的氣象數據，采用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式(3)計算出全生育期逐日的參考作物蒸發蒸騰量(圖3)。

圖3 幼樹生育期內參考作物蒸發蒸騰量

由圖3可見，在幼樹整個生育期內參考作物蒸發蒸騰量(ET0)呈兩頭低中間高的拋物線趨勢。試驗開始時(5月20日)，ET0值已處于較高水平，此后隨日照時間、光照強度、溫度、濕度等條件的變化，ET0值在6月末、7月初時達到一年中的峰值，從約4 mm/d緩慢增長到約5 mm/d，期間回落的部分是由降雨、陰天等導致的。進入8月后，隨著日照時間、光照強度、溫度的降低，ET0值迅速下降，至10月中旬，已降至約3 mm/d以下。

根據各處理逐月實際耗水量(ETc)及參考作物蒸發蒸騰量(ET0)，通過公式(5)計算出各處理幼樹的實際作物系數(圖4)。

圖4 不同處理幼樹作物系數變化曲線

由圖4可見，除T1處理外，其余各處理幼樹實際作物系數變化規律基本相同，在生育期內呈典型的雙峰分布。都是在初始生育期緩慢增長，且進入花芽分化期后，略有下降；到了快速生育期，隨著幼樹的生長發育，作物系數也呈上升的趨勢，一直持續到生育中期，并達到峰值，這一時期是幼樹作物系數在全生育期內的最高水平；而后進入成熟期，隨著幼樹生長減慢甚至停滯，作物系數也呈現出遞減的趨勢，且降幅很大；作物系數按大小排序依次為9月>8月>6月>7月>10月>5月。生育初期，地面覆蓋較少，地面灌溉棵間蒸發強度明顯強于蓄水坑灌，而用單作物系數法計算出的作物系數包含了土面蒸發的影響，故5月時CK處理作物系數最大(0.36)，較T2處理、T3處理分別增大了56.5%(0.23)和125%(0.16)；6-8月，不同處理間作物系數的差異很小，幼樹生長基本同步；進入9月后，不同處理作物系數均達到全生育期最高值，呈T3>CK >T2的分布規律，T3處理作物系數(1.01)比CK處理(0.98)大3%、比T2處理(0.92)大10%，說明在生育中期較高的灌水下限更有利于幼樹的生長，即使在地面覆蓋率較高，不同處理間土面蒸發差異較小的情況下，相同灌水下限時，蓄水坑灌較地面灌溉有更強的蓄水保墑能力。T1處理為非充分灌溉，其作物系數在生育期內呈單峰分布，9月時達到最大值(0.86)。除因7月進行灌水處理導致作物系數較大外，其余各生育期都小于其他處理，說明50%的灌水下限已經對樹體造成了干旱脅迫，影響了幼樹的生長，即使經過干旱鍛煉適時復水后，其作物系數也無法回歸正常水平。

3 討 論

作物系數是計算作物蒸發蒸騰量的重要參數，它反映了作物本身的生物學特性、作物種類、產量水平、土壤水肥狀況以及田間管理水平等對作物需水量的影響[4]。不同地區、不同氣候條件及不同作物種類之間的差異都會使影響作物系數的計算精度。基于有效積溫的作物系數能夠自動地對因異常天氣引起的作物需水規律的改變作出調整[15]，而采用多年的氣象資料和試驗實測數據，會使作物系數的精確度和規律性顯著提高。

利用年內的氣象數據，采用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式計算出參考作物蒸發蒸騰量，再根據FAO推薦的單作物法及實際的作物需水量計算出作物每個生育階段的作物系數，具有較強的實時性和預測性[16]；而當樹體處于水分脅迫狀態時，應引入土壤水分脅迫系數Ks對計算結果加以修正，以保證ETc為適宜的土壤水分條件下作物實際耗水量。有研究表明，對單作物系數法采用水分脅迫系數修正后，可取得滿意的效果[17]。

本文試驗數據為三年生矮砧紅富士經過一個完整生育期的水分處理后所得，數據系列較短，具有一定的隨機性，僅能代表試驗材料在當地條件下的耗水特性。在后續研究中，應延長處理年限，以5～8 a的數據系列為基礎進行分析，以期獲得本地區蘋果樹的耗水規律。

4 結 論

通過水量平衡方程，分析了蓄水坑灌條件下不同灌水下限幼齡蘋果樹的耗水特性及單作物系數的變化規律，由此得到以下主要結論：

(1)CK、T2、T3處理全生育期耗水量差異不大，分別為327.40、322.60和314.10 mm；T1處理為非充分灌溉，耗水量最小為296.40 mm。生育期內各處理實際耗水量均呈中間大，兩頭小的“紡錘形”分布，7、8、9三個月的耗水模數之和在69.43%～75.44%之間，因此生育中期(7-9月)是幼齡蘋果樹的需水關鍵期。

(2)CK、T2、T3處理幼樹作物系數變化規律基本相同，在初始生育期持續增長，花芽分化期略有下降；進入快速生育期后，作物系數逐漸增加，一直持續到生育中期并達到峰值；而后進入成熟期，作物系數出現快速下降；在全生育期表現為典型的雙峰分布。T1處理幼樹作物系數的變化呈單峰分布，9月達到最大值，除7月外，其余各生育期都小于其他處理。

(3)與地面灌溉相比，蓄水坑灌法具有較強的蓄水保墑能力。

[1] 山 侖.我國節水農業發展中的科技問題[J].干旱地區農業研究，2003，21(1)：1-5.

[2] 陳 鳳.作物蒸發蒸騰的測量及作物系數變化規律的研究[D].陜西楊凌：西北農林科技大學，2004.

[3] 孫景生，劉祖貴，張寄陽，等.風沙區春小麥作物系數試驗研究[J].農業工程學報，2002，18(6)：55-58.

[4] 趙娜娜，劉 鈺，蔡甲冰.夏玉米作物系數計算與耗水量研究[J].水利學報，2010，41(8)：953-959，969.

[5] 彭世彰，丁加麗，茆 智，等.用FAO-56作物系數法推求控制灌溉條件下晚稻作物系數及驗證[J].農業工程學報，2007，23(7)：30-34.

[6] 劉 鈺，L S Pereira.對FAO推薦的作物系數計算方法的驗證[J].農業工程學報，2000， 16(5)：26-30.

[7] 劉 鈺，汪 林，倪廣恒，等.中國主要作物灌溉需水量空間分布特征[J].農業工程學報，2009，25(12)：6-12.

[8] 雷志棟，羅 毅，楊詩秀，等.利用常規氣象資料模擬計算作物系數的探討[J].農業工程學報，1999，15(3)：119-122.

[9] 仇群伊.蓄水坑灌條件下蘋果樹蒸發蒸騰特性研究[D].太原：太原理工大學，2014.

[10] 戴宏勝.蓄水坑灌條件下蘋果園棵間蒸發試驗研究[D].太原：太原理工大學，2009.

[11] 劉戰東，段愛旺，肖俊夫，等.旱作物生育期有效降水量計算模式研究進展[J].灌溉排水學報，2007，6(3)：27-30，34.

[12] 胡 琦，潘學標，邵長秀，等.內蒙古降水量分布及其對馬鈴薯灌溉需水量的影響[J].中國農業氣象，2013，34：421-424.

[13] 孟秦倩.黃土高原山地蘋果園土壤水分消耗規律與果樹生長響應[D].陜西楊凌：西北農林科技大學，2011.

[14] 焦夢妮，楊榮全，史淑晨，等.山區蘋果節水灌溉試驗研究[J].節水灌溉，2009,(9)：46-48.

[15] 張振華，蔡煥杰，楊潤亞，等.沙漠綠洲灌區膜下滴灌作物需水量及作物系數研究[J].農業工程學報，2004，20(5)：97-100.

[16] 王則玉，謝香文，劉國宏，等.干旱區綠洲滴灌成齡棗樹耗水規律及作物系數[J].新疆農業科學，2015，52(4)：675-680.

[17] 汪順生，費良軍，高傳昌，等.不同溝灌方式下夏玉米單作物系數試驗研究[J].農業機械學報，2013，44(11)：105-111.