榆阳区紫花苜蓿需水规律与灌溉定额

孙洪仁， 杨晓洁， 陈 真， 任榆田， 田红卫， 张博宇

(1. 中国农业大学草地研究所， 北京 100193； 2. 北京市昌平区天通苑南街道办事处， 北京 102218； 3. 陕西省榆林市饲料饲草监测检验站， 陕西 榆林 719000； 4. 陕西省榆林市榆阳区草原工作站， 陕西 榆林 719000； 5. 陕西省榆林市气象局， 陕西 榆林 719000)

科学灌溉是紫花苜蓿(MedicagosativaL.)获得高产的重要条件。需水规律是制订紫花苜蓿科学灌溉方案的前提基础。紫花苜蓿需水规律因气候区域而异[1]。学者们研究了北京平原[2-4]、河北沧州[5]、山东禹城[6]、河北坝上地区[7-10]、内蒙古阿鲁科尔沁旗[11]、锡林浩特[12]、呼和浩特[13]、乌审旗[14]、鄂托克前旗[15]、甘肃临泽[16]、新疆福海[17]、石河子[18]和渭干河―库车河三角洲[19]的紫花苜蓿需水规律；归纳总结了世界各地紫花苜蓿需水规律研究结果，粗略估计了国内主要生产区域的紫花苜蓿需水规律范围[1,19]；探讨了北京通州[3]、内蒙古阿鲁科尔沁旗[11]、甘肃临泽[16]、新疆石河子[18,21]、福海[22]和北屯[23]的紫花苜蓿灌溉定额。

陕西省榆林市榆阳区拥有优质高产喷灌紫花苜蓿草地7千hm2，且发展潜力较大。榆阳区至今尚未开展紫花苜蓿需水规律和灌溉定额研究。本研究拟利用榆阳区20年气象数据，采用联合国粮农组织推荐的彭曼-蒙特斯公式法，揭示榆阳区紫花苜蓿不同生产时期的需水量、需水强度、灌溉需水量和灌溉定额，为榆阳区紫花苜蓿草地灌溉提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 气象数据

榆阳区1996—2015年20年逐旬平均气象数据，包括日照时数、最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、风速和降水量等，由陕西省榆林市气象局提供。

1.2 参照作物蒸散强度和参照作物蒸散量

利用榆阳区1996—2015年20年逐旬平均气象数据，采用联合国粮农组织(FAO)推荐的彭曼-蒙特斯公式[24](式①)计算参照作物日蒸散量，即参照作物蒸散强度。利用参照作物蒸散强度计算旬、月、年和不同生产阶段参照作物蒸散量。

①

式①中，ET0为参照作物蒸散强度(mm·d-1)，Rn为作物表面净辐射(MJ·m-2·d-1)，G为土壤热通量密度(MJ·m-2·d-1)，T为2米高处日平均气温(℃)，u2为2米高处风速(m·s-1)，es为饱和水汽压(kPa)，ea为实际水汽压(kPa)，⊿为饱和水汽压曲线斜率(kPa·℃-1)，γ为干湿表常数(kPa·℃-1)。

1.3 紫花苜蓿需水量

利用参照作物蒸散量和作物系数，采用式②[24]计算紫花苜蓿需水量。

WR=ETrc×Kc

②

式②中，WR为作物需水量(mm)，ETrc为参照作物蒸散量(mm)，Kc为作物系数(无量纲)。

紫花苜蓿生长季和非生长季作物系数分别确定为0.9和0.4[25]。

榆阳区紫花苜蓿生长季确定为4月1日-11月10日，非生长季确定为11月11日-3月31日。第1-4茬的生长期依次确定为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 紫花苜蓿需水强度

利用紫花苜蓿需水量和生产期，采用式③计算紫花苜蓿需水强度。

WRR=WR÷T

③

式③中，WRR为需水强度(mm·d-1)，WR为作物需水量(mm)，T为生产期(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计算紫花苜蓿灌溉需水量。

IR=WR-Pe=WR-σ×P

④

式④中，IR为灌溉需水量(mm)，WR为作物需水量(mm)，Pe为有效降水量(mm)，P为降水量(mm)；σ为有效降水系数，无量纲，本研究取值为0.75[24]。

1.6 紫花苜蓿灌溉定额

利用紫花苜蓿灌溉需水量和灌溉效率，采用式⑤计算紫花苜蓿灌溉定额。

IQ=IR÷IE

⑤

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

榆阳区紫花苜蓿灌溉效率确定为85%。

2 结果与分析

2.1 榆阳区参照作物蒸散强度

榆阳区1996-2015年20年平均参照作物蒸散强度为3.00 mm·d-1。榆阳区参照作物蒸散强度旬际差异巨大，1月上旬最小，仅0.67 mm·d-1，6月上旬最大，高达5.74 mm·d-1，相差超过8倍(图1)。榆阳区参照作物蒸散强度旬际变化规律呈单峰曲线，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。

图1 榆阳区参照作物蒸散强度旬际变化动态Fig.1 The inter-ten-day dynamic changes of evapotranspiration of reference crop in Yuyang district

2.2 榆阳区参照作物蒸散量

2.2.1榆阳区逐旬参照作物蒸散量 榆阳区1996-2015年20年平均旬参照作物蒸散量为30.4 mm。榆阳区参照作物蒸散量旬际差异巨大，1月上旬最小，仅6.7 mm，5月下旬最大，高达61 mm，相差达9倍(表1)。榆阳区参照作物蒸散量旬际变化规律大体上为自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月略有波动)。

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

2.2.2榆阳区逐月参照作物蒸散量 榆阳区1996-2015年20年平均月参照作物蒸散量为91.3 mm。榆阳区参照作物蒸散量月际差异巨大，1月最小，仅23 mm，6月最大，高达164 mm，相差达7倍(表1)。榆阳区参照作物蒸散量月际变化规律为自1月至6月逐月升高，6月至12月逐月降低。

2.2.3榆阳区紫花苜蓿不同生产阶段参照作物蒸散量 榆阳区1996-2015年20年平均全年参照作物蒸散量为1095 mm，其中生长季占比83.1%，非生长季占比16.9%；生长季第1茬参考作物蒸散量最高，第2、3茬逐渐降低，第4茬略微升高(表2)。

2.2.4榆阳区参照作物蒸散量年际动态 榆阳区参照作物蒸散量年际差异巨大，1996和2003年不足950 mm， 2005、2006和2013-2015年超过1150 mm，高低相差超过250 mm(图2)。1996-2003年皆低于1100 mm，8年平均年参照作物蒸散量为1026 mm；除2009-2012年略低外，2004-2015年皆高于1100 mm，12年平均年参照作物蒸散量为1142 mm；两个阶段相差116 mm。

图2 榆阳区参照作物蒸散量年际变化动态Fig.2 The inter-annual dynamic changes of evapotranspiration of reference crop in Yuyang district

2.3 榆阳区紫花苜蓿需水量

榆阳区1996-2015年20年平均紫花苜蓿生长季和全年需水量分别为819和893 mm；生长季占比91.7%，非生长季占比8.3%；生长季第1茬需水量最高，第2、3茬逐渐降低，第4茬略微回升(表2)。

表2 榆阳区紫花苜蓿不同生产时期参照作物蒸散量、需水量、需水强度、降水量、有效降水量、灌溉需水量和灌溉定额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 榆阳区紫花苜蓿需水强度

榆阳区1996-2015年20年平均紫花苜蓿生长季和全年需水强度分别为3.7和2.5 mm·d-1；生长季远高于非生长季，相差逾7倍；生长季第2茬需水强度最高，第3茬次之，第1茬再次之，第4茬最低，明显低于前3茬(表2)。

2.5 榆阳区降水量和有效降水量

榆阳区1996-2015年20年平均全年降水量和有效降水量分别约为409和307 mm，其中生长季占比约为95%，非生长季占比约为5%；生长季第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 榆阳区紫花苜蓿灌溉需水量

榆阳区1996-2015年20年平均紫花苜蓿生长季灌溉需水量接近530 mm，全年超过580 mm；生长季占比约为90%，非生长季占比约为10%；生长季第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 榆阳区紫花苜蓿适宜灌溉定额

榆阳区1996-2015年20年平均紫花苜蓿生长季适宜灌溉定额超过620 mm，全年接近690 mm；生长季占比约为90%，非生长季占比约为10%；生长季第1茬灌溉定额最高，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 讨论与结论

3.1 紫花苜蓿需水量

本研究表明，榆阳区1996-2015年20年平均紫花苜蓿生长季和全年需水量分别为819和893 mm。该结果明显高于河北坝上地区[7-10]、内蒙古阿鲁科尔沁旗[11]、锡林浩特[12]、呼和浩特[13]、鄂托克前旗[15]、甘肃临泽内部绿洲[16]和新疆石河子[18]，低于内蒙古乌审旗[14]、甘肃临泽边缘绿洲[16]和渭干河―库车河三角洲[19]，与北京[2-4]、河北沧州[5]、山东禹城[6]和新疆福海[17]较为接近。在世界范围内则属于低值[1]。

3.2 紫花苜蓿需水强度

本研究表明，榆阳区1996-2015年20年平均紫花苜蓿生长季和全年需水强度分别为3.7和2.5 mm·d-1。该结果在国内介于各地研究结果之间[2-5,7-13,16-19]，在世界范围内则属于低值[1]。

3.3 紫花苜蓿灌溉需水量

本研究表明，榆阳区1996～2015年20年平均紫花苜蓿生长季和全年灌溉需水量分别为529和586 mm。该结果明显高于北京[2-3]，略高于内蒙古阿鲁科尔沁旗[11]。明显高于北京的原因在于榆阳区降水量明显低于北京，而两地紫花苜蓿需水量较为接近。榆阳区需水量和降水量皆高于内蒙古阿鲁科尔沁旗，但两地需水量差距略大于降水量差距，因而导致榆阳区灌溉需水量略高于内蒙古阿鲁科尔沁旗。

3.4 紫花苜蓿灌溉定额

本研究表明，榆阳区1996-2015年20年平均紫花苜蓿生长季和全年适宜灌溉定额分别为622和689 mm。该结果明显高于北京通州[3]和新疆石河子[21]，明显低于新疆福海[22]和北屯[23]，略高于内蒙古阿鲁科尔沁旗[11]和甘肃临泽内部绿洲[17]。明显高于北京通州的原因在于榆阳区紫花苜蓿需水量高于北京通州，而降水量低于北京通州。明显高于新疆石河子的原因有二：一是榆阳区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为节水的地下滴灌。明显低于新疆福海和北屯的主要原因在于榆阳区降水量高于新疆福海和北屯，而紫花苜蓿需水量与新疆福海和北屯较为接近。略高于内蒙古阿鲁科尔沁旗的原因如前所述，为榆阳区灌溉需水量略高于内蒙古阿鲁科尔沁旗。略高于甘肃临泽内部绿洲的主要原因在于榆阳区紫花苜蓿需水量明显高于甘肃临泽内部绿洲。

榆阳区紫花苜蓿生产实践中，大多数企业的灌溉定额为500 mm左右，明显低于适宜灌溉定额。这是紫花苜蓿干草单产与理论产量存在较大差距，尚未实现15 t·hm-2的主要原因之一。