基于参照作物蒸发蒸腾量的苹果树灌溉制度制定

范海燕，杨胜利，郝仲勇，张　娟，于浩伟

(1.北京市水科学技术研究院，北京 100048；2. 北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京 100048)



基于参照作物蒸发蒸腾量的苹果树灌溉制度制定

范海燕1,2，杨胜利1,2，郝仲勇1,2，张娟1,2，于浩伟1,2

(1.北京市水科学技术研究院，北京 100048；2. 北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京 100048)

系统收集了北京市19个气象站近30 a气象数据，运用联合国粮农组织推荐的Penman-Menteith方法计算了各站点历年月ET0值，利用P-Ⅲ型水文频率法确定了50%、75%和95%共3个典型水平年，分析全市不同水平年ET0空间分布分布特征；以苹果树为研究对象，分析苹果树ETc、有效降雨量Pθ空间分布特征；以满足苹果树正常生长和获得中等产量水平等的作物生理需水为基本前提，考虑不同土壤类型条件下作物的灌溉方式和灌溉技术等造成的输水损失、田间渗漏和蒸发等水量损失，制定北京市不同地区苹果树灌溉制度。

参照作物蒸发蒸腾量；空间分布；净灌溉定额；灌溉制度

果品生产是都市现代农业的主要发展形式之一。果园水分管理关系到果品的产量与品质，果园水分管理粗放情况下，会出现不易坐果、产量下降、品质降低等情况。随着人们生活品质的提高，果园水分管理目标逐步从传统的丰水高产向节水优产转变，国内外学者有关果树节水灌溉等方面的试验研究屡见不鲜，Naor A.[1]、王留运[2]、任淑梅[3]、马孝义[4]、Martin Thalheimer[5]、刘吉萍[6]、许正锋[7]、康敏[8]、耿乐[9]等分别从果树灌水量、灌溉方式、管理方式等方面开展了系统研究，提出了不同灌溉方式果树土壤水分动态变化规律、果园蒸腾耗水规律及灌溉制度；郝仲勇[10]、宋孝玉[11]、孟平[12]、马福生[13]、宋凯[14]、马生军[15]、刘洪禄[16]等系统研究了果树的根冠发育及根系分布特征，结合降雨有效性分析，构建了适于果树的林冠截留模型、果树蒸腾预测方法及果园蒸散模型等；刘春伟[17]等利用测树器监测西北旱区盛果期苹果树茎干直径微变化规律，反映出西北旱区盛果期果树的水分状况，可以为果园灌溉制度的确定提供科学依据；刘春伟[18]、仝国栋[19]等系统研究了果树液流变化规律，提出了基于冠层变化的季节蒸发蒸腾模型及双作物系数法均能有效计算果树蒸腾量，同时可提高长时间估算果树蒸腾量的精度。本研究以理论计算为基础，采用以研究成果和实用结果进行修正的方法，制定了不同土壤、不同水文年条件下北京市不同地区苹果树灌溉制度。

1　制定依据

影响农作物灌溉制度制定的因素众多，如作物种类、作物品种、产量水平、土壤与气候条件、灌溉方式等均会不同程度地影响农作物灌溉定额。本次灌溉制度制定遵循的主要原则是：

(1)作物以京郊主要作物的主推品种为主，产量水平为中等。

(2)土壤类型以砂质土和壤土2种类型为主，详见图1。

图1　北京市土壤类型分布图

(3)气候主要考虑降水因素，考虑平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)和特枯年(P=95%)3个水平年份。

2　计算方法

2.1参考作物蒸发蒸腾量(ET0)的确定

采用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Menteith公式)(见式1)计算北京市主要农作物的参考作物蒸发蒸腾量(ET0)：

(1)

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；Rn为冠层净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；γ为干湿表常数，kPa/℃；T为2 m高度处平均气温，℃；u2为2 m处的风速,m/s。

2.2作物需水量(ETc)的确定

采用联合国粮农组织(FAO)推荐的作物需水量计算公式计算作物需水量ETc，见式2：

ETc=kc·ET0

(2)

式中:ETc为实际作物需水量，mm；kc为作物系数；北京地区苹果树4—10月份逐月kc值分别为0.28、0.55、0.76、0.98、1.05、1.04、0.95[20]；ET0为参照作物蒸发蒸腾量，mm。

2.3有效降雨量(Pθ)的确定

采用经验的降雨有效利用系数计算有效降雨量，即：

(3)

式中：Pθ为有效降雨量，mm；P为次降雨量，mm；α为降雨有效利用系数。

2.4净灌溉定额(m净)的确定

作物需水量减去作物生育期内的有效降雨量即为各种作物净灌溉定额，即：

(4)

2.5毛灌溉定额(m毛)的确定

不同灌溉方式及不同土质条件下的毛灌溉定额的计算公式为：

(5)

式中：灌溉水有效利用系数η，根据中华人民共和国行业标准《节水灌溉技术规范》[21]和相关的文献资料确定。根据《关于调结构转方式发展高效节水农业的意见》要求，北京市加强农业高效节水灌溉设施建设，果树采用滴灌、小管出流等高效节水设施，实现农业高效节水灌溉设施全覆盖，因此，本研究仅考虑微灌条件下果树的灌溉制度。结合北京市水科学技术研究院多年来从事的各种灌溉条件下灌溉水有效利用系数的研究成果和田间试验资料，确定出苹果树微灌条件下砂壤土及黏壤土的灌溉水的有效利用系数均为0.9。

3　北京地区参考作物蒸发蒸腾量空间分布特征

系统收集了北京市19个气象站近30 a气象数据(1981—2011年)，运用联合国粮农组织推荐的Penman-Menteith方法计算了各站点历年月ET0值，利用P-Ⅲ型水文频率法确定了平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)和特枯年(P=95%)3个典型水平年，分析全市不同水平年ET0空间分布分布特征。

图2给出了不同水文年参照作物需水量ET0空间等值线分布图，能够直观地反映北京地区ET0空间变化情况。由图可知，城八区及通州、大兴等人口密集区ET0值高于延庆、房山等山区，随水文年型变化表现出明显的“热岛效应”。由图2可知，平水年、枯水年及特枯年ET0空间变异性较大，城八区及通州、大兴等人口密集区ET0值明显高于延庆、房山等山区，ET0最大值出现在海淀、通州等地，最小值出现在延庆、房山等地。北京地区不同水文年型ET0值由北向南呈增大趋势，由东向西呈增大趋势，产生这一现象的原因是Penman-Monteith公式中ET0受气温等因素影响，而气温受地形因素影响较大，地形对温度的影响较复杂，在不同纬度、不同季节、不同天气和不同植被条件下都有所差异。延庆、房山等山区其平均气温明显低于城八区及通州、大兴等地，同时ET0受太阳辐射的影响较大，起伏地面接收到的实际辐射包括直接的太阳辐射、大气的散射辐射和逆辐射以及其余下垫面的短波反射和长波辐射，由于地形不同，其下垫面上的辐射收支各分量相差很大，其计算十分复杂。

图2　不同水文年ET0等值线分布图

4　灌溉制度制定

本研究选取苹果树作为研究对象，以理论计算为基础，系统分析了苹果树作物需水量ETc、有效降雨量Pθ等空间分布规律，制定了不同水文年型北京市不同地区苹果树节水灌溉制度。

4.1ETc空间分布规律

由图3可知，北京苹果树的作物需水量ETc变化趋势总体呈现为中部、东南部地区高，西北部地区由于地势较高，ETc相对较低。以平水年为例，东南部ETc均值为646 mm，西北部ETc均值为601 mm，两者相差7%，最高值出现在海淀区，最低值出现在门头沟区。不同水文年型间，北京地区平水年、枯水年、特枯年整体ETc均值分别为628 mm、597 mm、604 mm，作物需水量ETc相差不大。

图3　不同水文年型苹果树ETc等值线分布图

4.2有效降雨量Pθ空间分布规律

由图4可知，北京苹果树的有效降雨量Pθ变化趋势总体呈现为中部、东南部地区高，西北部地区有效降雨量Pθ相对较低，以平水年为例，东南部有效降雨量Pθ均值为416 mm，西北部有效降雨量Pθ均值为380 mm，两者相差9%。不同水文年型间，北京地区平水年整体有效降雨量Pθ均值为403.7 mm，为枯水年、特枯年的1.3倍、1.7倍。

4.3灌溉制度

由于降雨的时空不均匀性，果树对人工灌溉的需求存在一定差异性。根据研究成果，结合北京地区降雨特点，提出不同水文年型条件下，主要灌水期苹果树的节水高效灌溉制度。3月返青水和11月冻水根据果树全年或前一年降水丰沛程度不同而不同，平水年和枯水年的返青水、冻水计划湿润层为120 cm，特枯年计划湿润层为180 cm。苹果树4—10月灌水计划湿润层按照80 cm计算，微灌灌水定额一般取20 mm左右[16]。北京市不同地区苹果树的节水微灌灌溉制度详见表1。

图4　不同水文年型苹果树Pθ等值线分布图

序号地区水文年型砂质土壤土灌水定额/mm次数灌溉定额/mm灌水定额/mm次数灌溉定额/mm1海淀P=50%20～2314～1630524～2612～13305P=75%20～2315～1734024～2614～15340P=95%20～2316～1836024～2614～153602丰台P=50%20～2311～1325024～2610～11250P=75%20～2316～1835524～2614～15355P=95%20～2318～2141024～2616～184103顺义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延庆P=50%20～2312～1426524～2611～12265P=75%20～2315～1733524～2613～14335P=95%20～2319～2243524～2617～19435

续表

5　结　论

本研究在总结国内外研究成果的基础上，以苹果树为研究对象，系统分析了北京市不同水文年型条件下ET0、ETc及有效降雨量Pθ空间分布特征，以满足苹果树正常生长和获得中等产量水平等的作物生理需水为基本前提，制定了北京市不同地区苹果树高效节水灌溉制度，逐步实现果园水分管理目标从传统的丰水高产向节水优产转变，促进果品优产与农民增收。

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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

北京市科技计划课题(D151100004115004；D151100004115001)

范海燕(1986-)，女，工程师，主要从事农业节水方面的研究工作。

S661.1;S274.1

A

2096-0506(2016)08-0008-06