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        西藏燕麥主要種植區(qū)灌溉定額空間分布及影響因素

        2023-01-31 06:53:30湯鵬程李澤坤張紫森楊禮志
        關(guān)鍵詞:種植區(qū)日照時數(shù)燕麥

        楊 波,湯鵬程,徐 冰,李澤坤,張紫森,楊禮志,張 鈺

        (1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.中國水利水電科學(xué)研究院 牧區(qū)水利科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020;3.西藏自治區(qū)拉薩市曲水縣水利局,西藏 拉薩 850699)

        1 研究背景

        西藏自治區(qū)面積 122.84萬km2,北緯 26°50′—36°53′,東經(jīng) 78°25′—99°06′,約占中國總面積的八分之一,是世界上面積最大、海拔最高的高原,但是隨著自然環(huán)境的變化及人為對天然草地的破壞,天然牧草總體產(chǎn)量在逐年衰減,已經(jīng)遠遠不能滿足西藏畜牧業(yè)的需求[1-3],為此西藏開始大面積種植人工牧草。燕麥作為西藏典型人工牧草之一,在高寒地區(qū)特殊的自然環(huán)境條件下有著獨特的適應(yīng)能力,具有耐寒、產(chǎn)量高、品質(zhì)好的特點。根據(jù)西藏自治區(qū)2020年相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,西藏全區(qū)農(nóng)作物種植面積為23萬hm2,其中燕麥的種植面積就高達3萬hm2,約占種植總面積的1/8[4]。目前,由于西藏水利基礎(chǔ)設(shè)施較內(nèi)地尤為落后,西藏主要種植區(qū)內(nèi)燕麥的生長多依賴地面灌溉和天然降雨[5-7];此外關(guān)于燕麥的相關(guān)研究多關(guān)注栽培和種植等問題,個別學(xué)者通過田間試驗對西藏局部的燕麥需水量、灌溉制度展開研究,徐冰等人在拉薩、當(dāng)雄等地開展田間灌溉試驗,針對西藏高寒地區(qū)燕麥的水分生理特性和耗水規(guī)律展開研究,研究表明:西藏高寒區(qū)的燕麥需水量比其他地區(qū)偏大[8],濕度是影響西藏高寒區(qū)燕麥蒸騰速率的主要因素[9];FAO-56推薦的燕麥作物系數(shù)適用于西藏地區(qū)[10];湯鵬程于2013年在拉薩市郊展開燕麥田間試驗,通過設(shè)置水分梯度開展燕麥的需水量研究,表明西藏高寒牧區(qū)燕麥全生育期需水量為485 mm[11];肖長偉針對拉薩和日喀則下兩個試驗站點共三年的種植、氣象資料,推算得到該地區(qū)燕麥灌溉定額為290 m3/畝[12]。由于西藏燕麥主要種植區(qū)地域遼闊,經(jīng)緯度跨度較大,各地域氣候獨特且復(fù)雜多樣,局部區(qū)域的個別年份研究成果是否能在西藏大部分地區(qū)指導(dǎo)農(nóng)牧民科學(xué)灌溉尚有待驗證。因此,針對以上問題,本文在西藏燕麥主要種植區(qū)選擇28個典型站點通過多年數(shù)據(jù)收集和實地取樣,基于水量平衡法對西藏燕麥主要種植區(qū)在地面灌溉模式下的灌溉定額進行估算,再根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理對研究區(qū)內(nèi)燕麥灌溉定額空間分布特征展開研究,分析其影響因素,以期為西藏自治區(qū)相關(guān)部門對灌溉用水?dāng)?shù)量的管理和全區(qū)灌溉定額的制定提供參考,并指導(dǎo)西藏農(nóng)牧民規(guī)范灌溉。

        2 研究區(qū)域概況

        2.1 研究區(qū)選點根據(jù)西藏地理地貌與氣候特點,在西藏燕麥主要種植區(qū)內(nèi)選取28個典型氣象站點,其地理位置信息如圖1所示(由于藏西的阿里、那曲和日喀則部分地區(qū)海拔較高,氣候寒冷干燥,全年降雨量較少,年平均氣溫在0℃以下,且日夜溫差大,屬于無人區(qū)和典型牧區(qū),并不適宜燕麥的人工播種,因此本研究中不考慮該地區(qū)[13])。收集的氣象數(shù)據(jù)均來源自國家氣象信息中心,時間為1981—2015年(由于部分站點建站較晚,數(shù)據(jù)收集時間為建站后至2015年),數(shù)據(jù)包括日照時數(shù)、日平均溫度、平均濕度、平均風(fēng)速、降雨量等。

        圖1 西藏31個區(qū)域典型站點位置

        2.2 灌溉分區(qū)基于 《西藏農(nóng)業(yè)氣候資源區(qū)劃》和羅紅英在2007年發(fā)表的 《西藏青稞灌溉定額的空間分布規(guī)律》對西藏燕麥主要種植區(qū)劃分為4個典型氣候區(qū),分別為高原溫帶(半)濕潤區(qū)、高原溫帶半干旱區(qū)、高原溫涼(半)濕潤區(qū)和高原溫涼干旱區(qū)[13-14],具體結(jié)果如表1所示,其中選擇林芝、日喀則、那曲、定日為以上4個區(qū)域各自的典型代表站。

        表1 西藏燕麥灌溉分區(qū)表

        3 分區(qū)燕麥灌溉用水定額計算

        3.1 燕麥灌溉定額的確定根據(jù)研究區(qū)特點,采用水量平衡法計算研究區(qū)內(nèi)燕麥灌溉定額[8-9,11]。計算公式如下:

        式中:ET為需(耗)水量,mm;P為某一時段有效降水量,mm;I為某一時段的灌溉量,mm;ΔSWS為土壤貯水量變化量,mm;Q為地下水的補給量和滲漏量,mm;因所選研究區(qū)整體地下水位埋深皆大于3 m,且多年耕作層土壤厚度不足30 cm,同時耕作層以下多為砂礫、礫石,而且砂礫、礫石層與耕作層存在一層黏性極大的膠泥土作為隔水層,故本研究中忽略地下水的影響[8]。為了符合灌溉實際并方便計算,本文自燕麥播種后每15天遞推水量平衡公式,得到單次燕麥灌溉定額,最后作和得到燕麥生育期內(nèi)累計灌溉定額。

        3.1.1 有效降雨量 有效降雨量的計算見式(2);通過經(jīng)驗頻率法對所選區(qū)域不同降雨量下的年份進行排頻,選擇年降雨量符合規(guī)定水文年型的年份作為典型年。把50%保證率下的降雨年份作為中等水文年,75%保證率下的降雨年份作為干旱年[11,14-15]。

        式中:P0為單次有效降雨量,mm;P為單次降雨量,mm;λ為降雨有效利用系數(shù),本次研究中單次降雨P(guān)<2 mm視為無效降雨,降雨系數(shù)為0;2 mm≤P≤50 mm,有效利用系數(shù)為1;當(dāng)P>50 mm時,有效利用系數(shù)為 0.8[11,14-15]。

        3.1.2 土壤貯水量變化量 燕麥生育期內(nèi)土壤貯水量變化量可按下式(3)計算[8-12]:

        式中:ΔSWS為所選時段的土壤貯水量變化量,mm;W1和W2為所選時段初末的土壤貯水量;H為所選時段的土壤計劃濕潤層深度,m;n為所選時段計劃濕潤層內(nèi)土壤孔隙率,%;θmax和θ為所選時段內(nèi)允許的土壤最大含水率和最小含水率(最大含水率一般取田間持水率,%)。

        各地土壤水分參數(shù)主要取決于當(dāng)?shù)氐耐寥李愋?,由于西藏自治區(qū)整體面積遼闊,相同氣候分區(qū)下土壤種類繁多,因此選擇區(qū)域內(nèi)耕作面積比例最大的土壤作為本區(qū)域土壤,分區(qū)下的土壤水分參數(shù)主要以羅紅英對西藏劃分的土壤參數(shù)作為參考[14,16],其中那曲和澤當(dāng)?shù)耐寥绤?shù)通過實地取樣確定,得到4個代表站的土壤參數(shù)如見表2所示;生育期計劃濕潤層深度和適宜含水率上下限通過實際調(diào)查得到,具體見表3。

        表2 分區(qū)下的土壤水分參數(shù)

        表3 西藏燕麥生育期計劃濕潤層深度和適宜含水率上下限

        3.1.3 作物需水量

        (1)參照作物騰發(fā)量

        參照騰發(fā)量ET0采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的 Penman-Monteith方法計算[8-12、17]。

        (2)作物系數(shù)

        由于所選區(qū)域面積遼闊,土壤、氣象數(shù)據(jù)差異較大,而且大部分地區(qū)缺少作物系數(shù)修正所需的實測土壤、作物、氣象數(shù)據(jù),因此結(jié)合FAO-56推薦和趙世昌在當(dāng)雄縣所修正的燕麥,燕麥各生育階段的作物系數(shù)分別為 Kcini(Tap)=1.06、Kcmid(Tap)=1.15、Kcend(Tap)=0.25[10]。

        (3)作物需水量

        采用作物系數(shù)法計算作物需水量[13,16]。

        3.2 空間分布圖繪制方法本文選擇 “克里金插值法”繪制空間分布圖,所選數(shù)據(jù)需滿足正態(tài)分布,因此需進行預(yù)處理,預(yù)處理結(jié)果見表4。本文變異系數(shù)皆在35%內(nèi),數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定,滿足 “克里金插值法”應(yīng)用條件[18]?;?“ArcGIS10.0”軟件,利用上述28個典型站的海拔及經(jīng)緯度等數(shù)據(jù),生成西藏所選區(qū)域的矢量分布圖,再采用 “普通克里金插值法”,繪制西藏燕麥主要種植區(qū)的灌溉定額空間分布圖和其影響因子空間分布圖。

        表4 燕麥灌溉定額及影響因素正態(tài)分布統(tǒng)計表

        4 結(jié)果與分析

        4.1 典型年燕麥灌溉定額根據(jù)上述公式,通過分析1981—2015年數(shù)據(jù)資料,估算四個典型代表站的燕麥灌溉定額,得出50%(中等水文年)、75%(干旱水文年)降雨頻率下的燕麥灌溉定額,結(jié)果見圖2。

        圖2 不同降雨年份下典型代表站燕麥灌溉定額

        圖2表明在50%水文年下,林芝、那曲、日喀則、定日的燕麥生育期灌溉定額在60~264 mm之間變化,75%水文年下的燕麥灌溉定額在118~309 mm之間變化。相同水文年下,灌溉定額大小排序為林芝<那曲<日喀則<定日。根據(jù)圖3可知:導(dǎo)致燕麥灌溉定額數(shù)值差異較大的主要原因為:林芝地區(qū)多年平均降雨量、平均溫度、相對濕度較大,年降雨量最小值在300 mm以上,日平均溫度可達8℃以上;日均ET0和日照時數(shù)較小,日均ET0最小值為2.38 mm,平均日照時數(shù)最小值則為4.5 h。而定日地區(qū)則呈現(xiàn)與之相反的趨勢:降雨偏小、溫度偏低、相對濕度較小,ET0較大、日照時間較長;因此兩個地區(qū)的燕麥灌溉定額分別呈現(xiàn)兩個極值。

        圖3 典型代表站1981—2010年氣象及ET0數(shù)據(jù)

        4.2 燕麥灌溉定額空間分布規(guī)律西藏燕麥主要種植區(qū)的多年平均灌溉定額空間分布見圖4(由于50%和75%水文年的空間分布大體相似,本文只給出了50%水文年下的燕麥灌溉定額空間分布圖)。

        圖4 西藏燕麥主要種植區(qū)灌溉定額空間分布圖

        可以清晰看出:在50%水文年下,藏中至藏東地區(qū)的燕麥灌溉定額呈現(xiàn)先遞減后遞增的趨勢,變化區(qū)間為56~265 mm。林芝、波密等地為灌溉定額的極小值,灌溉定額約為60 mm,藏中的拉孜、定日等地區(qū)和藏東的左貢為極大值,灌溉定額皆在230 mm以上。

        4.3 燕麥灌溉定額影響因素西藏燕麥主要種植區(qū)的灌溉定額受土壤、氣候條件的共同影響,本文主要從參考作物蒸發(fā)量(ET0)、降雨量兩個直接影響因素,平均溫度、日照時數(shù)和相對濕度三個間接影響因素進行分析[19]。

        4.3.1 直接影響因素 西藏燕麥主要種植區(qū)的灌溉定額與直接影響因素ET0、降雨量的回歸模型見表5,可知,ET0和降雨量的 R2統(tǒng)計值分別為 0.152和 0.515;F檢驗值分別為 4.661和 27.619。

        表5 西藏燕麥灌溉定額與直接影響因素的回歸模型

        50%水文年下燕麥生育期降雨量等值線圖見圖5。如圖所示,相同水文年下的生育期降雨量分布極不均勻,藏中向藏東呈先遞增后遞減的趨勢。50%水文年下的降雨峰值主要集中在西藏東部:波密、米林、林芝、嘉黎等地燕麥生育期內(nèi)降雨量皆在500 mm以上;藏中的定日、拉孜地區(qū)降雨量則不足300 mm。燕麥灌溉定額與降雨量呈負相關(guān)關(guān)系。通過數(shù)據(jù)分析得知:在豐水年下,藏東的部分地區(qū)(波密、米林、林芝、察隅等地)若雨季來臨較早,則不需要人工灌溉,依靠天然降雨即可滿足燕麥生長需求。

        圖5 50%水文年下燕麥生育期降雨量等值線圖

        4.3.2 間接影響因素 西藏燕麥主要種植區(qū)的灌溉定額、燕麥生育期內(nèi)ET0與間接影響因素:平均溫度、相對濕度和日照時數(shù)的回歸模型見表6。由表6可知,西藏燕麥主要種植區(qū)的灌溉定額主要受間接影響因素中日照時數(shù)與相對濕度的影響,燕麥灌溉定額與日照時數(shù)、相對濕度的R2統(tǒng)計值為別為0.462、0.194,F(xiàn)檢驗值為別為 22.306、6.239;燕麥生育期內(nèi) ET0與相對濕度、日照時數(shù)的 R2統(tǒng)計值為別為 0.525、0.255,F(xiàn)檢驗值為別為 30.846、8.876(由于平均溫度對 ET0、燕麥灌溉定額的影響較小,因此本文未給出平均溫度等值線圖)。

        表6 西藏燕麥灌溉定額與間接影響因素的回歸模型

        50%水文年下燕麥生育期日均日照時數(shù)等值線圖見圖6。如圖所示,相同水文年下的日照時數(shù)自藏中向藏東呈現(xiàn)遞減趨勢。平均日照時數(shù)的差異主要由于研究區(qū)經(jīng)緯度變化幅度較大,所選區(qū)域經(jīng)度差值可達15°,緯度差值可達7°。在燕麥生育期內(nèi),日照時數(shù)相對較長的地區(qū)為藏中的定日、申扎等地,多年平均日照時數(shù)可達到8 h以上,而東部的波密、察隅、米林等地則不足4 h。日照時數(shù)是導(dǎo)致燕麥灌溉定額空間分布不均的主要影響因素,也是影響燕麥生育期內(nèi)ET0數(shù)值波動的因素之一。

        圖6 50%水文年下燕麥生育期日均日照時數(shù)等值線圖

        50%水文年下燕麥生育期日均相對濕度等值線圖見圖7。相同水文年下的相對濕度自藏中向藏東呈現(xiàn)先遞增后遞減的趨勢,相對濕度與燕麥灌溉定額、ET0皆呈負相關(guān)分布。在燕麥生育期內(nèi),相對濕度較小的地區(qū)為中部的當(dāng)雄、申扎、拉孜等地區(qū),約為50%,林芝、米林地區(qū)為相對濕度較大地區(qū),約為80%;各地區(qū)相對濕度的變化是影響研究區(qū)ET0的數(shù)值差異的最大因素,也間接導(dǎo)致了燕麥灌溉定額的空間分布不均勻。

        圖7 50%水文年下燕麥生育期日均相對濕度等值線圖

        5 結(jié)論

        (1)西藏燕麥主要種植區(qū)的灌溉定額空間分布極不均勻,藏中至藏東地區(qū)的呈現(xiàn)先遞減后遞增的趨勢,在56~265 mm之間變化,東部的波密、林芝等地為研究區(qū)內(nèi)極小值,中部的拉孜、定日、左貢等地為研究區(qū)內(nèi)極大值。本文的研究成果可以科學(xué)指導(dǎo)西藏農(nóng)牧民進行燕麥的灌溉,但灌水時間要隨著燕麥的實際生長情況和當(dāng)?shù)氐慕涤昵闆r進行判定,同時也要注意灌水次數(shù)和單次灌水量,燕麥不同生育期內(nèi)的水分生長需求并不一致,在燕麥的需水關(guān)鍵期進行適當(dāng)?shù)墓嗨趴蓪崿F(xiàn)穩(wěn)定的增產(chǎn)效果。

        (2)降雨量是直接影響西藏燕麥主要種植區(qū)灌溉定額的主要因素,降雨量與燕麥灌溉定額呈負相關(guān)分布,在50%水文年下研究區(qū)內(nèi)生育期平均降雨量在267~552 mm之間變化,西藏東部區(qū)域降雨量明顯大于其他區(qū)域,尤其是林芝、波密、米林、察隅等地在燕麥生育期內(nèi)降雨較為集中,且多為夜雨,通過對數(shù)據(jù)的推算,個別年份下無需灌溉仍不會影響燕麥的生長發(fā)育;ET0對燕麥灌溉定額的影響較小,ET0與其呈正相關(guān)分布。

        (3)其他氣象因素對燕麥灌溉定額影響的顯著性關(guān)系為:日照時數(shù)>相對濕度>平均溫度;其中日照時數(shù)對燕麥灌溉定額的影響最大,與燕麥灌溉定額呈正相關(guān)關(guān)系。

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