櫻花灌溉用水中真實作物系數的計算方法

王小軍，易小兵

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，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]。櫻花類植物主產于溫帶和亞熱帶，“中國紅”品種是由云南櫻和福建山櫻雜交選育而來的，花色最鮮艷的品種[3]，花期為2月中至3月中，適宜在亞熱帶地區種植。在南方，由于氣溫暖和的影響，花開時間有所提前，花謝之后結出細小的果實，7月份成熟，11月上旬葉片脫落[4]。而對于櫻花灌溉需水量計算和根據其生育期內耗水規律進行的田間試驗和研究較少，需要投入大量人力、物力且實驗周期長，在具體灌溉實踐中，如何確定較為合理的灌水量就是一個現實問題，因此，非實驗性方法的確定具有重要的生產意義。在此可借鑒作物灌溉需水量計算的方法，利用常規的氣象資料能夠計算出作物的參照作物騰發量[5]，而作物系數為作物最大騰發量與參照作物騰發量的比值，如果確定特定條件下的作物系數，就可以通過定義求出最大騰發量(即需水量)，進而為利用所在地氣象數據來指導灌溉提供可能。

作物系數實際上是一種作物在特定條件下特定區域實驗的結果，FAO- 56表中提供的在特定標準條件下的作物系數，是指在半濕潤氣候區(空氣溫度約45%，風速約2m/s)供水充足、管理良好、生長正常、大面積高產的作物條件。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，是一個綜合表征作物的需水量狀況的相對變量。所以在實際指導節水灌溉中的作物系數計算是一個關鍵點，即如何能夠隨時隨地根據自動的方法計算出具體區域、特定作物、特定氣候環境中的作物系數，土壤有效儲水能力及作物耗水動態值，根據耗水動態最大值的某個比例作為設計能力來實現灌溉系統，根據動態值來調整控制，從而達到設計優化、控制優化灌溉的目的[6- 7]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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

表1 試驗點土壤理化參數表

1.2 觀測項目

氣象指標主要有降雨量、蒸發量、溫度、濕度、日照及風速等[8]，氣象數據采用臨近氣象站的觀測資料，均為實時記錄，記錄時間間隔為1h。土壤水分觀測采用云智能土壤墑情監測儀(“智墑”)和TRIME-IPH土壤水分儀測定，定點定時觀測根層土壤含水率，結合兩根TDR測管作為重復對比[8]。儀器布設在距樹30cm處、測深1.4m、測量土層10cm一層，所測得的土壤含水率為體積含水率。土壤水分記錄時間間隔為1h，與氣象觀測頻次相對應。

1.3 計算方法

(1)作物蒸發蒸騰量計算模型：

ETc=ks·kc·ET0

(1)

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

通過現場試驗資料，即可確定反映特定條件下的真實作物系數Kc。

(2)參考作物蒸發蒸騰量計算采用聯合國糧農組織(FAO)推薦的改進型彭曼公式，即彭曼-蒙太斯(Penman-Monteith)方法。

(2)

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

(3)作物蒸發蒸騰量根據水量平衡原理的計算公式如下：

(3)

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

試驗的作物蒸發蒸騰量以每小時作為一個計算時段，在該時段內不灌水，故M=0；由于試驗區地下水埋藏深度在6m以下，無地下水補給量，因此K=0；根據己有的土壤含水率數據可知土壤含水率在深度100cm以下基本無變化[9]，故C=0；因此，式(3)可化簡為：

(4)

將實際的土壤體積含水率值帶入式(4)進行櫻花樹作物蒸發蒸騰量的計算，真實作物系數Kc值根據式(1)來確定。

2 結果分析

2.1 櫻花樹生育期內土壤水分變化分析

櫻花喜歡陽光，喜歡溫暖、濕潤的氣候環境，生長季應為其提供充足的水分；同時怕水淹，怕積水。它對土壤的要求不嚴，深厚肥沃的砂質壤土生長最好；根系較淺，耐鹽堿土，有一定的耐寒和耐旱力。通過2017—2018年連續觀測，實時記錄了櫻花樹在整個觀測期每天的土壤含水率變化，土壤平均水分動態變化在全生育期較為規律，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，在秋末落葉后土壤含水率逐漸減小，12月落葉期達到最小(10cm處平均為4.1%)，之后因灌水影響，從1—4月均保持在一個較高的含水率水平上(10cm處平均為24.7%)。櫻花生育期內不同代表深度的土壤含水率日均變化如圖1所示。

圖1 櫻花生育期內不同深度的土壤含水率日均變化圖

因為櫻花的根系主要分布于20cm以內的表土層，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、降水等變化量的影響最明顯，全觀測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呈較強的一致性，變化幅度較均衡，這說明土壤含水率主要是受土壤質地水分入滲的影響，各層土壤水分的吸收利用具有相同的規律。

2.2 櫻花樹不同深度的土壤耗水分析

櫻花樹各個生育階段的降雨量數據來自當地氣象站，櫻花樹耗水量為地面蒸發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。

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

水分的管理要根據櫻花生理用水需要進行。櫻花根系主要分布于表土層，根據動態測試，0～40cm根系占總根系的60%，需水主要來源于該部分土體中的水分。如圖3所示。

2.3 櫻花樹的真實作物系數分析

為了保證櫻花樹正常萌芽及開花，在1月需要補充灌溉，10月底櫻花已經開始落葉，水分對櫻花的生長影響不大[10- 11]。在櫻花樹生長各個階段，受氣候及櫻花樹生物學特性的綜合影響，真實作物系數Kc由小到大，再由大到小，總體上表現為單峰特征，主要在3—6月，正好對應花期和生葉需水高峰期。6月份為峰值，達到2.83，此時櫻花樹葉面積最大、生長最為旺盛、蒸發蒸騰大，而春秋季生長期則較低，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 結論與討論

櫻花生育期內的需水量可通過試驗獲取，但實測資料的地區分布和時間系列均十分有限，不能反映具體生境的真實值。而基于實時觀測數據推算真實作物系數，進而根據當地當年實時氣象數據分析，該方法比較簡單方便，是指導農作物灌溉實踐的有效方法，有利于在灌溉試驗和生產實際中推廣應用。

同時，氣象資料以最接近作物生長地為宜，以免代表性不足，土壤水分觀測深度要依據根系吸水分布而定，盡量包含絕大部分根系所在土層，以及考慮節水灌溉方式、不充分灌溉狀況下規律的不同，這些也是需要考慮和進一步研究和改進的內容。