基于參照作物蒸發蒸騰量的蘋果樹灌溉制度制定

范海燕，楊勝利，郝仲勇，張　娟，于浩偉

(1.北京市水科學技術研究院，北京 100048；2. 北京市非常規水資源開發利用與節水工程技術研究中心，北京 100048)

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基于參照作物蒸發蒸騰量的蘋果樹灌溉制度制定

范海燕1,2，楊勝利1,2，郝仲勇1,2，張娟1,2，于浩偉1,2

(1.北京市水科學技術研究院，北京 100048；2. 北京市非常規水資源開發利用與節水工程技術研究中心，北京 100048)

系統收集了北京市19個氣象站近30 a氣象數據，運用聯合國糧農組織推薦的Penman-Menteith方法計算了各站點歷年月ET0值，利用P-Ⅲ型水文頻率法確定了50%、75%和95%共3個典型水平年，分析全市不同水平年ET0空間分布分布特征；以蘋果樹為研究對象，分析蘋果樹ETc、有效降雨量Pθ空間分布特征；以滿足蘋果樹正常生長和獲得中等產量水平等的作物生理需水為基本前提，考慮不同土壤類型條件下作物的灌溉方式和灌溉技術等造成的輸水損失、田間滲漏和蒸發等水量損失，制定北京市不同地區蘋果樹灌溉制度。

參照作物蒸發蒸騰量；空間分布；凈灌溉定額；灌溉制度

果品生產是都市現代農業的主要發展形式之一。果園水分管理關系到果品的產量與品質，果園水分管理粗放情況下，會出現不易坐果、產量下降、品質降低等情況。隨著人們生活品質的提高，果園水分管理目標逐步從傳統的豐水高產向節水優產轉變，國內外學者有關果樹節水灌溉等方面的試驗研究屢見不鮮，Naor A.[1]、王留運[2]、任淑梅[3]、馬孝義[4]、Martin Thalheimer[5]、劉吉萍[6]、許正鋒[7]、康敏[8]、耿樂[9]等分別從果樹灌水量、灌溉方式、管理方式等方面開展了系統研究，提出了不同灌溉方式果樹土壤水分動態變化規律、果園蒸騰耗水規律及灌溉制度；郝仲勇[10]、宋孝玉[11]、孟平[12]、馬福生[13]、宋凱[14]、馬生軍[15]、劉洪祿[16]等系統研究了果樹的根冠發育及根系分布特征，結合降雨有效性分析，構建了適于果樹的林冠截留模型、果樹蒸騰預測方法及果園蒸散模型等；劉春偉[17]等利用測樹器監測西北旱區盛果期蘋果樹莖干直徑微變化規律，反映出西北旱區盛果期果樹的水分狀況，可以為果園灌溉制度的確定提供科學依據；劉春偉[18]、仝國棟[19]等系統研究了果樹液流變化規律，提出了基于冠層變化的季節蒸發蒸騰模型及雙作物系數法均能有效計算果樹蒸騰量，同時可提高長時間估算果樹蒸騰量的精度。本研究以理論計算為基礎，采用以研究成果和實用結果進行修正的方法，制定了不同土壤、不同水文年條件下北京市不同地區蘋果樹灌溉制度。

1　制定依據

影響農作物灌溉制度制定的因素眾多，如作物種類、作物品種、產量水平、土壤與氣候條件、灌溉方式等均會不同程度地影響農作物灌溉定額。本次灌溉制度制定遵循的主要原則是：

(1)作物以京郊主要作物的主推品種為主，產量水平為中等。

(2)土壤類型以砂質土和壤土2種類型為主，詳見圖1。

圖1　北京市土壤類型分布圖

(3)氣候主要考慮降水因素，考慮平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)和特枯年(P=95%)3個水平年份。

2　計算方法

2.1參考作物蒸發蒸騰量(ET0)的確定

采用聯合國糧農組織(FAO)推薦的Penman-Menteith公式)(見式1)計算北京市主要農作物的參考作物蒸發蒸騰量(ET0)：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm/d；Rn為冠層凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數，kPa/℃；T為2 m高度處平均氣溫，℃；u2為2 m處的風速,m/s。

2.2作物需水量(ETc)的確定

采用聯合國糧農組織(FAO)推薦的作物需水量計算公式計算作物需水量ETc，見式2：

ETc=kc·ET0

(2)

式中:ETc為實際作物需水量，mm；kc為作物系數；北京地區蘋果樹4—10月份逐月kc值分別為0.28、0.55、0.76、0.98、1.05、1.04、0.95[20]；ET0為參照作物蒸發蒸騰量，mm。

2.3有效降雨量(Pθ)的確定

采用經驗的降雨有效利用系數計算有效降雨量，即：

(3)

式中：Pθ為有效降雨量，mm；P為次降雨量，mm；α為降雨有效利用系數。

2.4凈灌溉定額(m凈)的確定

作物需水量減去作物生育期內的有效降雨量即為各種作物凈灌溉定額，即：

(4)

2.5毛灌溉定額(m毛)的確定

不同灌溉方式及不同土質條件下的毛灌溉定額的計算公式為：

(5)

式中：灌溉水有效利用系數η，根據中華人民共和國行業標準《節水灌溉技術規范》[21]和相關的文獻資料確定。根據《關于調結構轉方式發展高效節水農業的意見》要求，北京市加強農業高效節水灌溉設施建設，果樹采用滴灌、小管出流等高效節水設施，實現農業高效節水灌溉設施全覆蓋，因此，本研究僅考慮微灌條件下果樹的灌溉制度。結合北京市水科學技術研究院多年來從事的各種灌溉條件下灌溉水有效利用系數的研究成果和田間試驗資料，確定出蘋果樹微灌條件下砂壤土及黏壤土的灌溉水的有效利用系數均為0.9。

3　北京地區參考作物蒸發蒸騰量空間分布特征

系統收集了北京市19個氣象站近30 a氣象數據(1981—2011年)，運用聯合國糧農組織推薦的Penman-Menteith方法計算了各站點歷年月ET0值，利用P-Ⅲ型水文頻率法確定了平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)和特枯年(P=95%)3個典型水平年，分析全市不同水平年ET0空間分布分布特征。

圖2給出了不同水文年參照作物需水量ET0空間等值線分布圖，能夠直觀地反映北京地區ET0空間變化情況。由圖可知，城八區及通州、大興等人口密集區ET0值高于延慶、房山等山區，隨水文年型變化表現出明顯的“熱島效應”。由圖2可知，平水年、枯水年及特枯年ET0空間變異性較大，城八區及通州、大興等人口密集區ET0值明顯高于延慶、房山等山區，ET0最大值出現在海淀、通州等地，最小值出現在延慶、房山等地。北京地區不同水文年型ET0值由北向南呈增大趨勢，由東向西呈增大趨勢，產生這一現象的原因是Penman-Monteith公式中ET0受氣溫等因素影響，而氣溫受地形因素影響較大，地形對溫度的影響較復雜，在不同緯度、不同季節、不同天氣和不同植被條件下都有所差異。延慶、房山等山區其平均氣溫明顯低于城八區及通州、大興等地，同時ET0受太陽輻射的影響較大，起伏地面接收到的實際輻射包括直接的太陽輻射、大氣的散射輻射和逆輻射以及其余下墊面的短波反射和長波輻射，由于地形不同，其下墊面上的輻射收支各分量相差很大，其計算十分復雜。

圖2　不同水文年ET0等值線分布圖

4　灌溉制度制定

本研究選取蘋果樹作為研究對象，以理論計算為基礎，系統分析了蘋果樹作物需水量ETc、有效降雨量Pθ等空間分布規律，制定了不同水文年型北京市不同地區蘋果樹節水灌溉制度。

4.1ETc空間分布規律

由圖3可知，北京蘋果樹的作物需水量ETc變化趨勢總體呈現為中部、東南部地區高，西北部地區由于地勢較高，ETc相對較低。以平水年為例，東南部ETc均值為646 mm，西北部ETc均值為601 mm，兩者相差7%，最高值出現在海淀區，最低值出現在門頭溝區。不同水文年型間，北京地區平水年、枯水年、特枯年整體ETc均值分別為628 mm、597 mm、604 mm，作物需水量ETc相差不大。

圖3　不同水文年型蘋果樹ETc等值線分布圖

4.2有效降雨量Pθ空間分布規律

由圖4可知，北京蘋果樹的有效降雨量Pθ變化趨勢總體呈現為中部、東南部地區高，西北部地區有效降雨量Pθ相對較低，以平水年為例，東南部有效降雨量Pθ均值為416 mm，西北部有效降雨量Pθ均值為380 mm，兩者相差9%。不同水文年型間，北京地區平水年整體有效降雨量Pθ均值為403.7 mm，為枯水年、特枯年的1.3倍、1.7倍。

4.3灌溉制度

由于降雨的時空不均勻性，果樹對人工灌溉的需求存在一定差異性。根據研究成果，結合北京地區降雨特點，提出不同水文年型條件下，主要灌水期蘋果樹的節水高效灌溉制度。3月返青水和11月凍水根據果樹全年或前一年降水豐沛程度不同而不同，平水年和枯水年的返青水、凍水計劃濕潤層為120 cm，特枯年計劃濕潤層為180 cm。蘋果樹4—10月灌水計劃濕潤層按照80 cm計算，微灌灌水定額一般取20 mm左右[16]。北京市不同地區蘋果樹的節水微灌灌溉制度詳見表1。

圖4　不同水文年型蘋果樹Pθ等值線分布圖

序號地區水文年型砂質土壤土灌水定額/mm次數灌溉定額/mm灌水定額/mm次數灌溉定額/mm1海淀P=50%20～2314～1630524～2612～13305P=75%20～2315～1734024～2614～15340P=95%20～2316～1836024～2614～153602豐臺P=50%20～2311～1325024～2610～11250P=75%20～2316～1835524～2614～15355P=95%20～2318～2141024～2616～184103順義P=50%20～238～917024～267～8170P=75%20～2312～1326024～2610～11260P=95%20～2312～1427024～2611～122704通州P=50%------P=75%20～239～1018524～268185P=95%20～2312～1325524～269～112555平谷P=50%20～2336024～26360P=75%20～23510024～265100P=95%20～239～1120524～268～92056密云P=50%20～23510024～264～5100P=75%20～239～1020024～268～9200P=95%20～2313～1428024～2611～122807延慶P=50%20～2312～1426524～2611～12265P=75%20～2315～1733524～2613～14335P=95%20～2319～2243524～2617～19435

續表

5　結　論

本研究在總結國內外研究成果的基礎上，以蘋果樹為研究對象，系統分析了北京市不同水文年型條件下ET0、ETc及有效降雨量Pθ空間分布特征，以滿足蘋果樹正常生長和獲得中等產量水平等的作物生理需水為基本前提，制定了北京市不同地區蘋果樹高效節水灌溉制度，逐步實現果園水分管理目標從傳統的豐水高產向節水優產轉變，促進果品優產與農民增收。

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Established irrigation system for Apple tree based on the reference crop evapotranspiration

FAN Haiyan1,2,YANG Shengli1,2,HAO Zhongyong1,2,ZHANG Juan1,2,YU Haowei1,2

( 1.Beijing Water Science and Technology Institute, Beijing 100048, China;2.BejingEngineeringResearchCenterforNon-conventionalWaterResourcesUtilizationandWaterSaving,Beijing100048,China)

Systematic collection of 19 weather stations in Beijing for nearly 30 years of meteorological data, Using FAO Penman-Menteith recommended method to calculate the value of the site calendar monthET0, Utilizing P-Ⅲ hydrological method to determine the frequency of 50%, 75% and 95% typical levels, analysis of different levels of the city’s Spatial distribution characteristics ofET0; As the research object to the apple tree, analysis the effective spatial distribution ofETc, rainfallPθ; To meet the normal growth of apple trees and get moderate level of crop yield physiological water requirement for the basic premise, Taking into account the water losses in different soil types and crop irrigation methods and irrigation techniques, etc. caused by field evaporation and seepage water losses, Beijing has developed in different parts of the tree irrigation system.

reference crop evapotranspiration;spatial distribution;net irrigation quota;irrigation system

北京市科技計劃課題(D151100004115004；D151100004115001)

范海燕(1986-)，女，工程師，主要從事農業節水方面的研究工作。

S661.1;S274.1

A

2096-0506(2016)08-0008-06