曹雪松，李和平，鄭和祥，王 軍，馮亞陽

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010018)

0 引 言

水資源不足是中國北方干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素[1,2]。節(jié)水灌溉是節(jié)約水資源、提高農(nóng)業(yè)用水效率的重要手段[3]。作物需水量是制定流域規(guī)劃，地區(qū)水利規(guī)劃及灌排工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和農(nóng)田灌排實(shí)施的基本依據(jù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中占有重要地位[4]。因此，準(zhǔn)確地確定一個地區(qū)的作物需水量是十分必要的。我國是一個水資源相對缺乏的國家，年用水量約為5 560 億m3，農(nóng)業(yè)用水占72%左右[5]，由于工業(yè)發(fā)展和城市擴(kuò)大對所需水量大幅度增加，到21世紀(jì)中葉，估計(jì)農(nóng)業(yè)用水的比例將降至50%左右。然而，我國水資源平均利用率僅為40%，發(fā)達(dá)國家為80%～90%，單方水生產(chǎn)能力僅為發(fā)達(dá)國家的42.5%～50%[6]，因此對農(nóng)業(yè)用水采用必要的節(jié)水措施勢在必行。

近年來，隨著現(xiàn)代節(jié)水技術(shù)的快速發(fā)展，地埋滴灌技術(shù)在紫花苜蓿種植上有了較好的應(yīng)用，但提水的動力都是使用電能。考慮到限制灌溉面積進(jìn)一步增加的因素，無外乎地區(qū)水資源的短缺和灌溉能源動力的短缺，以致使灌溉問題長期得不到解決。隨著太陽能提水技術(shù)和現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)的不斷發(fā)展，利用太陽能光伏提水地埋滴灌在西北干旱、半干旱地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景，對節(jié)約能源和水資源有著十分重要的意義。這些地區(qū)有著十分豐富的太陽能資源，特別是西北地區(qū)，全年平均日照時間3 000 h以上，平均年總輻射量1510 kWh/m2以上[7]。將這些可再生的豐富的太陽能資源與西北地區(qū)有限的水資源結(jié)合起來開展太陽能提水節(jié)水灌溉，使這些地區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善、糧食的增產(chǎn)以及畜牧業(yè)的發(fā)展再次成為可能，這也將會是今后發(fā)展節(jié)水灌溉的趨勢。

與噴灌和地面灌溉不同，地埋滴灌屬于局部灌溉，因此地埋滴灌條件下作物需水規(guī)律有其特殊性。J E Ayars，C J Phene等[8]研究總結(jié)了地下滴灌在番茄、甜玉米、紫花苜蓿上的應(yīng)用，結(jié)果顯示地下滴灌不僅能夠提高作物產(chǎn)量，而且能夠提高水分利用率。作物系數(shù)是確定作物需水量和制定灌溉制度的重要依據(jù)，2006年陳鳳等[9]對陜西楊凌冬小麥和夏玉米的蒸發(fā)蒸騰與作物系數(shù)進(jìn)行了研究； 2010年趙娜娜等[10]在北京大興區(qū)試驗(yàn)基地對夏玉米作物系數(shù)的計(jì)算與耗水量進(jìn)行了研究；2011年李久生等[11]在內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗試驗(yàn)基地對干旱區(qū)玉米滴灌的需水規(guī)律進(jìn)行了研究。目前針對太陽能光伏提水地埋滴灌紫花苜蓿的研究鮮有報(bào)道，本文旨在利用太陽能光伏提水地埋滴灌紫花苜蓿條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對單作物系數(shù)法和雙作物系數(shù)法計(jì)算的作物需水量進(jìn)行比較，分析其差異性和原因，以便為準(zhǔn)確地計(jì)算太陽能光伏提水地埋滴灌紫花苜蓿條件下的作物需水量及制定科學(xué)合理的灌溉制度提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市鄂托克前旗昂素鎮(zhèn)哈日根圖嘎查巴圖巴雅爾節(jié)水示范戶進(jìn)行。鄂托克前旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西南端，海拔1 300～1 400 m，東經(jīng)106°30′～108°30′，北緯37°38′～38°45′，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，年平均氣溫7.9 ℃，年平均降水量261 mm，年平均蒸發(fā)量2 498 mm，年平均風(fēng)速2.6 m/s，年平均日照時數(shù)2 958 h；年平均無霜期171 d，最大凍土層深度1.54 m。對試驗(yàn)區(qū)0～40 cm深土壤進(jìn)行了室內(nèi)顆粒分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明土壤容重為1.62 g/cm3，比重為2.71，確定土壤類型為砂土。利用環(huán)刀在試驗(yàn)區(qū)取原狀土，進(jìn)行了田間持水量室內(nèi)測定，并與田間的測定結(jié)果進(jìn)行對比，確定了試驗(yàn)區(qū)0～40 cm土層的田間持水量為22.86%。采用HOBO地下水位自動測定儀(美國)測定試驗(yàn)區(qū)地下水水位變化，確定了試驗(yàn)區(qū)地下水埋深在1.2～2.0 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按灌水定額不同設(shè)置3個處理，分別稱之為高水分處理(30 mm)、中水分處理(22.5 mm)和低水分處理(15 mm)，每個處理的尺寸為5 m×5 m,每個處理設(shè)置3次重復(fù)，為了避免每個處理相互之間的影響，每個處理之間設(shè)置2 m寬的隔離帶，相同處理不同重復(fù)之間相距1 m。試驗(yàn)處理周圍種植的均為紫花苜蓿。每個處理灌水日期和灌水次數(shù)相同，灌水周期均為4～5 d，遇降雨時，灌水日期順延，灌水日期根據(jù)中水分處理的適宜含水率下限計(jì)算確定，每次灌水的灌水量采用水表計(jì)量。各處理的灌水日期與灌水量列入表1。

表1 試驗(yàn)各處理的灌水日期與灌水量 mm

太陽能光伏提水設(shè)備型號為GFJ-3P；太陽能板每塊50 W，共66塊；水泵型號為QS15-26型潛水泵，額定電壓380 V，額定電流6 A，額定功率3.0 kW。試驗(yàn)均采用以色列生產(chǎn)的貼片式滴灌帶：滴灌帶的壁厚0.4 mm，流量1.2 L/h，滴頭間距0.3 m；每條滴灌帶控制2行紫花苜蓿，滴灌帶間距60 cm，埋設(shè)深度為20 cm。

1.3 太陽能光伏提水原理及試驗(yàn)裝置

太陽能電池板接收太陽輻射將光能轉(zhuǎn)換為電能，并帶動水泵工作將水從水源提出，輸送至地埋滴灌系統(tǒng)進(jìn)行灌溉。試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 太陽能提水試驗(yàn)裝置示意圖

1.4 氣象要素觀測

試驗(yàn)區(qū)設(shè)有HOBOU30型農(nóng)田氣象站，在作物生育期內(nèi)對氣溫、降雨量、風(fēng)速、相對濕度、氣壓、風(fēng)向等要素進(jìn)行了觀測。紫花苜蓿全生育期內(nèi)的降雨日期和有效降雨量列入表2。

表2 紫花苜蓿全生育期內(nèi)的降雨日期和有效降雨量 mm

2 紫花苜蓿需水量的計(jì)算與分析

2.1 地埋滴灌紫花苜蓿耗水量計(jì)算

(1)紫花苜蓿耗水量采用下式計(jì)算：

ETa=P+I-ΔW-Q

(1)

式中：ETa為各時段內(nèi)耗水量，mm；P為相應(yīng)時段內(nèi)的有效降水量，mm；I為相應(yīng)時段內(nèi)的灌水量，mm；ΔW為相應(yīng)時段內(nèi)的土壤貯水變化量，mm；Q為相應(yīng)時段內(nèi)的下邊界水分通量，mm。

(2)水分生產(chǎn)率(Wa)。水分生產(chǎn)率指作物消耗單位水量的產(chǎn)出，其值等于作物產(chǎn)量與作物凈耗水量之比值。作物水分生產(chǎn)率采用下式計(jì)算：

(2)

式中：Wa為水分生產(chǎn)率，kg/m3；Y為作物產(chǎn)量，kg/hm2；其他符號同上。

2.2 作物需水規(guī)律

2.2.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算

參考作物蒸發(fā)蒸騰量采用FAO-56推薦的 Penman-Monteith法計(jì)算[12]：

(3)

式中：ET0為參照騰發(fā)速率， mm/d；Rn為作物表面上的凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為2 m高處日平均氣溫，℃；u2為2 m高處的風(fēng)速，m/s；es為飽合水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線的傾率；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃。

2.2.2 單作物系數(shù)法計(jì)算

FAO-56中可查到某種作物在標(biāo)準(zhǔn)條件下的作物系數(shù)。所謂的標(biāo)準(zhǔn)條件是指無病蟲害，具有最優(yōu)水土條件，施肥量適宜，在給定氣候條件下能獲全收成的大面積作物系數(shù)。FAO-56建議把作物的生育周期劃分為4個階段：生長初期、發(fā)育期、生長中期和生長后期。從FAO-56中查得紫花苜蓿的不同生育期作物系數(shù)分別為：Kcini= 0.40,Kcmid= 1.20,Kcend= 1.15。

由于試驗(yàn)區(qū)氣候、水土等條件與標(biāo)準(zhǔn)條件下不同，需要對推薦的作物系數(shù)進(jìn)行修正。在生長初期，ET0=3.09 mm/d，從FAO中可得修正后的作物系數(shù)為Kcini= 0.42, 推薦的Kcmid和Kcend需要按下式進(jìn)行修正:

Kcmid=Kcmid(推薦)+

(4)

Kcend=Kcend(推薦)+

(5)

式中：u2為作物生長中、后期2 m高處的日平均風(fēng)速，m/s；RHmin為作物生長中、后期的日最小相對濕度，%；h為作物生長中、后期的平均株高，m。

2.2.3 雙作物系數(shù)法計(jì)算

雙作物系數(shù)法是把Kc分成兩個系數(shù)來表示，一個表征作物蒸騰，即基礎(chǔ)作物系數(shù)(Kcb)，另一個是表征土壤蒸發(fā)的系數(shù)(Ke)，因此有：

ETc=(Kcb+Ke)ET0

(6)

FAO-56推薦的紫花苜蓿各階段的基礎(chǔ)作物系數(shù)分別為Kcbini= 0.30,Kcbmid= 1.15,Kcbend= 1.10。當(dāng)中、后期的最小相對濕度的平均值RHmin≠ 45%,2 m高處的日平均風(fēng)速u2≠ 2.0 m/s,并且Kcbend≥0.45時,推薦的Kcbmid和Kcbend需要按下式進(jìn)行修正:

(7)

式中：u2為作物生長中、后期2 m高處的日平均風(fēng)速，m/s；RHmin為作物生長中、后期的日最小相對濕度，%；h為作物生長中、后期的平均株高，m。

土壤蒸發(fā)系數(shù)(Ke)則是用來描述ETc中的土壤蒸發(fā)部分，當(dāng)土壤表面由于降雨或者灌溉較濕潤時，Ke達(dá)到最大；當(dāng)土壤表面干燥時，由于土壤表面沒有可用于蒸發(fā)的水分，Ke值很小甚至為零。Ke值用下式計(jì)算：

Ke=Kr(Kcmax-Kcb)≤fewKcmax

(8)

Kcmax=max({1.2+[0.04(u2-2)-

0.004(RHmin-45)](h/3)0.3},(Kcb+0.05))

(9)

式中：Kcmax是任何種有作物地表的騰發(fā)的上限；Kr是土壤蒸發(fā)減小系數(shù)；few是裸露與濕潤土壤表面的比值。

其中few可用下式計(jì)算：

few=min(1-fc,fw)

(10)

土壤蒸發(fā)減小系數(shù)Kr是隨著蒸發(fā)水量增加而下降，分為2個階段：能量限制階段和蒸發(fā)遞減階段。在第一階段，Kr為1；第二階段，Kr按下式計(jì)算：

(11)

TEW=1 000(θFC-0.5θWP)Ze

(12)

式中：TEW為表層土壤在完全濕潤時可供蒸發(fā)水量的最大深度， mm，取為10 mm；REW為第一階段末的蒸發(fā)累計(jì)深度，mm，取為6 mm；De,i-1為計(jì)算前一天末土壤表層蒸發(fā)量的累積深度， mm；θFC為田間持水率，m3/m3；θWP為凋萎含水率，m3/m3；Ze為蒸發(fā)深度，一般取0.10～0.15 m，本文取0.10 m。

作物覆蓋的土壤面積比fc隨作物葉面積指數(shù)增加而上升，在沒有實(shí)測資料時可用下式進(jìn)行計(jì)算：

(13)

式中：Kcmin為沒有地表覆蓋的干燥土壤的最小作物系數(shù)，一般取0.15～0.20，本文取0.15。

3 結(jié)果與討論

3.1 太陽能光伏提水地埋滴灌紫花苜蓿耗水量計(jì)算結(jié)果分析

表3是按式(1)計(jì)算出的不同水分處理下的耗水量。表中數(shù)據(jù)表明，高水分處理的耗水量最大，為477.2 mm，其次是中水分處理，為454.1 mm，低水分處理的耗水量最小，為418.4 mm。隨著灌水量的增加，耗水量也隨之增加。從低水分處理到高水分處理，灌水量增加了一倍，耗水量增加了14.05%，由此可知一次性灌水不宜過多，紫花苜蓿適宜采用中水分處理(22.5 mm)的灌水定額。

表3 不同水分處理下紫花苜蓿的耗水量計(jì)算結(jié)果 mm

圖2為不同水分處理下第二茬紫花苜蓿株高在生育期內(nèi)的變化情況。從圖2中可以看出，低水分處理的株高明顯低于其他處理。如7月30日第二茬收獲時高、中、低水分處理下的株高分別為52、46和36 cm，高水分處理的株高分別比中、低水分處理的高出13.04%和44.44%。因此灌水量從中水分處理(22.5 mm)提高到高水分處理(30 mm)對株高影響不太明顯，但當(dāng)灌水量從中水分處理(22.5 mm)降到低水分處理(15 mm)時，紫花苜蓿的植株高度顯著降低，隨之產(chǎn)量也大幅下降。第一、三茬紫花苜蓿株高在生育期內(nèi)也有相同的變化趨勢。

表4為不同水分處理下的紫花苜蓿的產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率，對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以看出由低水分處理到中水分處理，再到高水分處理，紫花苜蓿總產(chǎn)量分別增加33.75%和37.58%，可知影響紫花苜蓿產(chǎn)量的主要因素是灌水。低、中、高水分處理下紫花苜蓿水分生產(chǎn)率分別為1.73、2.14和2.11 kg/m3，可知中水分處理下紫花苜蓿水分生產(chǎn)率最大。

圖2 不同水分處理下第二茬紫花苜蓿株高在生育期內(nèi)的變化情況

處理耗水量/mm產(chǎn)量/(kg·hm-2)第一茬第二茬第三茬總產(chǎn)量水分生產(chǎn)率/(kg·m-3)高水分477．23304．53862．5289810065．02．11中水分454．13055．53864．027819700．52．14低水分418．42281．52757．022147252．51．73

3.2 太陽能光伏提水地埋滴灌紫花苜蓿 分析

圖3是用單、雙作物系數(shù)法計(jì)算出的地埋滴灌紫花苜蓿作物需水量與田間實(shí)測值在全生育期的逐日變化過程(圖3中P+I表示的是降雨和灌溉)。從圖中可以看出，紫花苜蓿全生育期的作物需水量很不均衡，第二茬紫花苜蓿需水量最大，第一茬和第三茬需水量相對較小，但兩者相差不大。經(jīng)過圖中計(jì)算出的ETC與實(shí)測值進(jìn)行比較表明，全生育期大多數(shù)情況下用雙作物系數(shù)法計(jì)算出的紫花苜蓿蒸發(fā)蒸騰量ETC值和實(shí)測值比較接近，變化趨勢亦相同，而用單作物系數(shù)法計(jì)算出的紫花苜蓿蒸發(fā)蒸騰量ETC值和實(shí)測值存在一定的偏差。由于實(shí)測值會受偶然因素的干擾，圖3中個別實(shí)測值與計(jì)算值相比波動較大，計(jì)算值則比較穩(wěn)定。在生長初期，用單、雙作物系數(shù)法計(jì)算的ETC值比實(shí)測值稍低；在其他三個生長階段，計(jì)算的ETC值和實(shí)測值很接近，特別是在發(fā)育期和生長中期，用雙作物系數(shù)法計(jì)算的ETC值與實(shí)測值吻合得更好。

圖3 紫花苜蓿全生育期單、雙作物系數(shù)計(jì)算的ETC與實(shí)測ETC

表5分別是用單、雙作物系數(shù)法計(jì)算出來的地埋滴灌紫花苜蓿不同生育階段作物需水量和實(shí)測值的絕對偏差以及相對偏差。從表中可以看出，用雙作物系數(shù)法比單作物系數(shù)法得出的作物需水量更加接近實(shí)測值，第一茬、第二茬和第三茬的絕對偏差分別是6.71、-3.05和3.73 mm，相對偏差分別為4.72%、-1.82%和2.51%，而用單作物系數(shù)法計(jì)算出來的作物需水量與實(shí)測值相比偏差相對較大，從全生育期來講，用雙作物系數(shù)法計(jì)算出來的ETC值更加接近田間實(shí)測值，說明雙作物系數(shù)法可以更好的描述地埋滴灌紫花苜蓿條件下降雨或者灌溉后ETC的變化。根據(jù)FAO-56 推薦的Penman-Monteith法以及單、雙作物系數(shù)法對地埋滴灌紫花苜蓿需水量的計(jì)算結(jié)果，確定了研究區(qū)地埋滴灌紫花苜蓿全生育期的作物需水量為460 mm左右，其中第二茬作物需水量最大，第一茬和第三茬作物需水量較小，但兩者相差不大。

表5 單、雙作物系數(shù)法根據(jù)修正值計(jì)算的作物需水量與實(shí)測值比較

4 結(jié)論與建議

(1)通過將FAO提供的作物系數(shù)進(jìn)行修正，用單、雙作物系數(shù)法分別對研究區(qū)紫花苜蓿的需水量進(jìn)行計(jì)算，并且與作物實(shí)測的騰發(fā)量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，用雙作物系數(shù)法計(jì)算的作物需水量更切合實(shí)際，建議采用雙作物系數(shù)法計(jì)算該地區(qū)紫花苜蓿的作物需水量。

(2)研究區(qū)作物耗水量主要取決于灌水量，耗水量隨著灌水量的增加而增大，當(dāng)灌水量從260.4 mm增加到506.9 mm(增加94.7%)時，作物耗水量從418.4 mm增加到477.2 mm(增加14.1%)。

(3)紫花苜蓿的株高和產(chǎn)量都隨灌水量的增加而增大。低水分處理與中水分處理相比(灌水量從260.4 mm增加到386.9 mm，增加48.6%)，產(chǎn)量從7 252.5 kg/hm2增加到9 700.5 kg/hm2，增加33.8%；中水分處理與高水分處理相比(灌水量從386.9 mm增加到506.9 mm，增加31.0%)，產(chǎn)量從9 700.5 kg/hm2增加到10 065 kg/hm2，增加3.8%。從節(jié)水并且獲得高產(chǎn)的角度出發(fā)，建議采用中水分處理(22.5 mm)的灌溉制度，即灌水定額控制在22.5 mm左右，灌水周期4～5 d，遇到降水時灌水日期順延，整個生育期的需水量為460 mm。

5 存在問題

(1)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)對天氣的依賴性較強(qiáng)。在晴天太陽輻射較強(qiáng)時，太陽能電池發(fā)電充足，水泵運(yùn)行時間較長，抽水量較大，能夠滿足滴灌需求。而在多云或者陰天時，太陽能電池發(fā)電不足以滿足水泵的工作需要。

(2)地埋滴灌作為一種非充分灌溉方式，其灌水均勻性是影響灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)，并最終影響水分生產(chǎn)率和紫花苜蓿產(chǎn)量。因此有必要開展太陽能光伏提水地埋滴灌紫花苜蓿灌水均勻性研究。

(3)由于紫花苜蓿屬于多年生牧草，其不同生長階段的根系層分布也不同，因此有必要對滴灌帶不同埋設(shè)深度做進(jìn)一步的研究。

(4)由于地埋滴灌是將滴灌帶埋于地下，土壤顆粒有可能進(jìn)入滴頭處導(dǎo)致滴灌帶滴頭堵塞，從而影響灌水的均勻性，因此地埋滴灌的堵塞問題有待進(jìn)一步研究。

(5)為了使紫花苜蓿得到高產(chǎn)，在其生長的不同階段可以使用一定的肥料，將肥料隨滴灌帶直接作用于紫花苜蓿根系部位，實(shí)現(xiàn)水肥一體化，有待做進(jìn)一步的研究。

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