榆陽區紫花苜蓿需水規律與灌溉定額

孫洪仁， 楊曉潔， 陳 真， 任榆田， 田紅衛， 張博宇

(1. 中國農業大學草地研究所， 北京 100193； 2. 北京市昌平區天通苑南街道辦事處， 北京 102218； 3. 陜西省榆林市飼料飼草監測檢驗站， 陜西 榆林 719000； 4. 陜西省榆林市榆陽區草原工作站， 陜西 榆林 719000； 5. 陜西省榆林市氣象局， 陜西 榆林 719000)

科學灌溉是紫花苜蓿(MedicagosativaL.)獲得高產的重要條件。需水規律是制訂紫花苜蓿科學灌溉方案的前提基礎。紫花苜蓿需水規律因氣候區域而異[1]。學者們研究了北京平原[2-4]、河北滄州[5]、山東禹城[6]、河北壩上地區[7-10]、內蒙古阿魯科爾沁旗[11]、錫林浩特[12]、呼和浩特[13]、烏審旗[14]、鄂托克前旗[15]、甘肅臨澤[16]、新疆福海[17]、石河子[18]和渭干河―庫車河三角洲[19]的紫花苜蓿需水規律；歸納總結了世界各地紫花苜蓿需水規律研究結果，粗略估計了國內主要生產區域的紫花苜蓿需水規律范圍[1,19]；探討了北京通州[3]、內蒙古阿魯科爾沁旗[11]、甘肅臨澤[16]、新疆石河子[18,21]、福海[22]和北屯[23]的紫花苜蓿灌溉定額。

陜西省榆林市榆陽區擁有優質高產噴灌紫花苜蓿草地7千hm2，且發展潛力較大。榆陽區至今尚未開展紫花苜蓿需水規律和灌溉定額研究。本研究擬利用榆陽區20年氣象數據，采用聯合國糧農組織推薦的彭曼-蒙特斯公式法，揭示榆陽區紫花苜蓿不同生產時期的需水量、需水強度、灌溉需水量和灌溉定額，為榆陽區紫花苜蓿草地灌溉提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 氣象數據

榆陽區1996—2015年20年逐旬平均氣象數據，包括日照時數、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、相對濕度、風速和降水量等，由陜西省榆林市氣象局提供。

1.2 參照作物蒸散強度和參照作物蒸散量

利用榆陽區1996—2015年20年逐旬平均氣象數據，采用聯合國糧農組織(FAO)推薦的彭曼-蒙特斯公式[24](式①)計算參照作物日蒸散量，即參照作物蒸散強度。利用參照作物蒸散強度計算旬、月、年和不同生產階段參照作物蒸散量。

①

式①中，ET0為參照作物蒸散強度(mm·d-1)，Rn為作物表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)，G為土壤熱通量密度(MJ·m-2·d-1)，T為2米高處日平均氣溫(℃)，u2為2米高處風速(m·s-1)，es為飽和水汽壓(kPa)，ea為實際水汽壓(kPa)，⊿為飽和水汽壓曲線斜率(kPa·℃-1)，γ為干濕表常數(kPa·℃-1)。

1.3 紫花苜蓿需水量

利用參照作物蒸散量和作物系數，采用式②[24]計算紫花苜蓿需水量。

WR=ETrc×Kc

②

式②中，WR為作物需水量(mm)，ETrc為參照作物蒸散量(mm)，Kc為作物系數(無量綱)。

紫花苜蓿生長季和非生長季作物系數分別確定為0.9和0.4[25]。

榆陽區紫花苜蓿生長季確定為4月1日-11月10日，非生長季確定為11月11日-3月31日。第1-4茬的生長期依次確定為4月1日-5月31日、6月1日-7月10日、7月11日-8月20日和8月21日-11月10日。

1.4 紫花苜蓿需水強度

利用紫花苜蓿需水量和生產期，采用式③計算紫花苜蓿需水強度。

WRR=WR÷T

③

式③中，WRR為需水強度(mm·d-1)，WR為作物需水量(mm)，T為生產期(d)。

1.5 紫花苜蓿灌溉需水量

利用紫花苜蓿需水量和有效降水量，采用式④計算紫花苜蓿灌溉需水量。

IR=WR-Pe=WR-σ×P

④

式④中，IR為灌溉需水量(mm)，WR為作物需水量(mm)，Pe為有效降水量(mm)，P為降水量(mm)；σ為有效降水系數，無量綱，本研究取值為0.75[24]。

1.6 紫花苜蓿灌溉定額

利用紫花苜蓿灌溉需水量和灌溉效率，采用式⑤計算紫花苜蓿灌溉定額。

IQ=IR÷IE

⑤

式⑤中，IQ為灌溉定額(mm)，IR為灌溉需水量(mm)，IE為灌溉效率(%)。

榆陽區紫花苜蓿灌溉效率確定為85%。

2 結果與分析

2.1 榆陽區參照作物蒸散強度

榆陽區1996-2015年20年平均參照作物蒸散強度為3.00 mm·d-1。榆陽區參照作物蒸散強度旬際差異巨大，1月上旬最小，僅0.67 mm·d-1，6月上旬最大，高達5.74 mm·d-1，相差超過8倍(圖1)。榆陽區參照作物蒸散強度旬際變化規律呈單峰曲線，自1月上旬至6月上旬逐旬升高，6月上旬至12月下旬逐旬降低。

圖1 榆陽區參照作物蒸散強度旬際變化動態Fig.1 The inter-ten-day dynamic changes of evapotranspiration of reference crop in Yuyang district

2.2 榆陽區參照作物蒸散量

2.2.1榆陽區逐旬參照作物蒸散量 榆陽區1996-2015年20年平均旬參照作物蒸散量為30.4 mm。榆陽區參照作物蒸散量旬際差異巨大，1月上旬最小，僅6.7 mm，5月下旬最大，高達61 mm，相差達9倍(表1)。榆陽區參照作物蒸散量旬際變化規律大體上為自1月上旬至5月下旬逐旬升高，5月下旬至12月下旬逐旬降低(7月和8月略有波動)。

表1 榆陽區1996-2015年平均逐旬、逐月參照作物蒸散量Table 1 The mean evapotranspiration of reference crop every ten days and month from 1995 to 2016 in Yuyang district/mm

2.2.2榆陽區逐月參照作物蒸散量 榆陽區1996-2015年20年平均月參照作物蒸散量為91.3 mm。榆陽區參照作物蒸散量月際差異巨大，1月最小，僅23 mm，6月最大，高達164 mm，相差達7倍(表1)。榆陽區參照作物蒸散量月際變化規律為自1月至6月逐月升高，6月至12月逐月降低。

2.2.3榆陽區紫花苜蓿不同生產階段參照作物蒸散量 榆陽區1996-2015年20年平均全年參照作物蒸散量為1095 mm，其中生長季占比83.1%，非生長季占比16.9%；生長季第1茬參考作物蒸散量最高，第2、3茬逐漸降低，第4茬略微升高(表2)。

2.2.4榆陽區參照作物蒸散量年際動態 榆陽區參照作物蒸散量年際差異巨大，1996和2003年不足950 mm， 2005、2006和2013-2015年超過1150 mm，高低相差超過250 mm(圖2)。1996-2003年皆低于1100 mm，8年平均年參照作物蒸散量為1026 mm；除2009-2012年略低外，2004-2015年皆高于1100 mm，12年平均年參照作物蒸散量為1142 mm；兩個階段相差116 mm。

圖2 榆陽區參照作物蒸散量年際變化動態Fig.2 The inter-annual dynamic changes of evapotranspiration of reference crop in Yuyang district

2.3 榆陽區紫花苜蓿需水量

榆陽區1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季和全年需水量分別為819和893 mm；生長季占比91.7%，非生長季占比8.3%；生長季第1茬需水量最高，第2、3茬逐漸降低，第4茬略微回升(表2)。

表2 榆陽區紫花苜蓿不同生產時期參照作物蒸散量、需水量、需水強度、降水量、有效降水量、灌溉需水量和灌溉定額Table 2 The evapotranspiration，water requirement，water requirement rate，precipitation，effective precipitation， irrigation requirement，and irrigation quota of reference crop alfalfa at different production phases in Yuyang district

2.4 榆陽區紫花苜蓿需水強度

榆陽區1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季和全年需水強度分別為3.7和2.5 mm·d-1；生長季遠高于非生長季，相差逾7倍；生長季第2茬需水強度最高，第3茬次之，第1茬再次之，第4茬最低，明顯低于前3茬(表2)。

2.5 榆陽區降水量和有效降水量

榆陽區1996-2015年20年平均全年降水量和有效降水量分別約為409和307 mm，其中生長季占比約為95%，非生長季占比約為5%；生長季第1～4茬降水量和有效降水量逐茬升高，高低相差逾2.5倍(表2)。

2.6 榆陽區紫花苜蓿灌溉需水量

榆陽區1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季灌溉需水量接近530 mm，全年超過580 mm；生長季占比約為90%，非生長季占比約為10%；生長季第1茬灌溉需水量最高，第2茬次之，第4茬再次之，第3茬最低，高低相差逾2.5倍(表2)。

2.7 榆陽區紫花苜蓿適宜灌溉定額

榆陽區1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季適宜灌溉定額超過620 mm，全年接近690 mm；生長季占比約為90%，非生長季占比約為10%；生長季第1茬灌溉定額最高，第2茬次之，第4茬再次之，第3茬最低，高低相差逾2.5倍(表2)。

3 討論與結論

3.1 紫花苜蓿需水量

本研究表明，榆陽區1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季和全年需水量分別為819和893 mm。該結果明顯高于河北壩上地區[7-10]、內蒙古阿魯科爾沁旗[11]、錫林浩特[12]、呼和浩特[13]、鄂托克前旗[15]、甘肅臨澤內部綠洲[16]和新疆石河子[18]，低于內蒙古烏審旗[14]、甘肅臨澤邊緣綠洲[16]和渭干河―庫車河三角洲[19]，與北京[2-4]、河北滄州[5]、山東禹城[6]和新疆福海[17]較為接近。在世界范圍內則屬于低值[1]。

3.2 紫花苜蓿需水強度

本研究表明，榆陽區1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季和全年需水強度分別為3.7和2.5 mm·d-1。該結果在國內介于各地研究結果之間[2-5,7-13,16-19]，在世界范圍內則屬于低值[1]。

3.3 紫花苜蓿灌溉需水量

本研究表明，榆陽區1996～2015年20年平均紫花苜蓿生長季和全年灌溉需水量分別為529和586 mm。該結果明顯高于北京[2-3]，略高于內蒙古阿魯科爾沁旗[11]。明顯高于北京的原因在于榆陽區降水量明顯低于北京，而兩地紫花苜蓿需水量較為接近。榆陽區需水量和降水量皆高于內蒙古阿魯科爾沁旗，但兩地需水量差距略大于降水量差距，因而導致榆陽區灌溉需水量略高于內蒙古阿魯科爾沁旗。

3.4 紫花苜蓿灌溉定額

本研究表明，榆陽區1996-2015年20年平均紫花苜蓿生長季和全年適宜灌溉定額分別為622和689 mm。該結果明顯高于北京通州[3]和新疆石河子[21]，明顯低于新疆福海[22]和北屯[23]，略高于內蒙古阿魯科爾沁旗[11]和甘肅臨澤內部綠洲[17]。明顯高于北京通州的原因在于榆陽區紫花苜蓿需水量高于北京通州，而降水量低于北京通州。明顯高于新疆石河子的原因有二：一是榆陽區紫花苜蓿需水量高于新疆石河子；二是新疆石河子采用的灌溉方式是最為節水的地下滴灌。明顯低于新疆福海和北屯的主要原因在于榆陽區降水量高于新疆福海和北屯，而紫花苜蓿需水量與新疆福海和北屯較為接近。略高于內蒙古阿魯科爾沁旗的原因如前所述，為榆陽區灌溉需水量略高于內蒙古阿魯科爾沁旗。略高于甘肅臨澤內部綠洲的主要原因在于榆陽區紫花苜蓿需水量明顯高于甘肅臨澤內部綠洲。

榆陽區紫花苜蓿生產實踐中，大多數企業的灌溉定額為500 mm左右，明顯低于適宜灌溉定額。這是紫花苜蓿干草單產與理論產量存在較大差距，尚未實現15 t·hm-2的主要原因之一。