阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿需水规律与灌溉定额

孙洪仁，杨晓洁，吴雅娜，刘 琳，沈 月(中国农业大学草地研究所,北京 100193)

阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿需水规律与灌溉定额

孙洪仁，杨晓洁，吴雅娜，刘 琳，沈 月
(中国农业大学草地研究所,北京 100193)

为了给阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿(Medicagosativa)灌溉提供科学依据，利用1984-2013年30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，研究了阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿需水规律和灌溉定额。结果表明，阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿第1茬、第2茬、第3茬、第4茬、生长季、非生长季和全年需水量分别为221、187、169、179、755、70和825 mm，需水强度分别为4.3、4.7、4.1、2.5、3.7、0.4和2.3 mm·d-1，灌溉需水量分别为194、118、66、131、508、56和564 mm，灌溉定额分别为228、139、78、154、598、66和664 mm。

彭曼-蒙特斯公式；参照作物蒸散强度；参照作物蒸散量；需水量；需水强度；有效降水；灌溉需水量

科学灌溉是紫花苜蓿(Medicagosativa)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]、内蒙古锡林浩特[11]、呼和浩特[12]、乌审旗[13]、甘肃临泽[14]、新疆福海[15]、石河子[16]和渭干河-库车河三角洲[17]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[1，18]；探讨了北京通州[3]、甘肃临泽[14]、新疆石河子[16]、福海[19]和北屯[20]的紫花苜蓿灌溉定额。

内蒙古赤峰阿鲁科尔沁旗拥有优质高产喷灌紫花苜蓿草地5万hm2，被中国畜牧业协会授予“中国草都”称号。阿鲁科尔沁旗至今尚未开展紫花苜蓿需水规律和灌溉定额研究。本研究拟利用阿鲁科尔沁旗30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，揭示阿鲁科尔沁旗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，旨为阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿科学灌溉提供依据。

1 材料与方法

1.1 气象数据

阿鲁科尔沁旗1984-2013年30年逐旬平均气象数据，包括日照时数、最高气温、最低气温、相对湿度、风速和降水量等由内蒙古赤峰阿鲁科尔沁旗气象局提供。

1.2 参照作物蒸散强度和参照作物蒸散量

利用阿鲁科尔沁旗1984-2013年30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[21][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)

式中:ET0为参照作物蒸散强度(mm·d-1)，Rn为作物表面净辐射[MJ·(m2·d)-1]，G为土壤热通量密度[MJ·(m2·d)-1]，T为2 m高处日平均气温(℃)，u2为2 m高处风速(m·s-1)，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·℃-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)[21]计算紫花苜蓿需水量。

WR=ETrc×Kc

(2)

式中: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[21]。

阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿生长季确定为4月11日-10月31日，非生长季确定为11月1日-4月10日。第1-4茬的生长期依次确定为4月11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-10月31日。

1.4 紫花苜蓿需水强度

利用紫花苜蓿需水量和生长期(或非生长期)，采用式(3)计算紫花苜蓿需水强度。

WRR=WR÷T

(3)

式中:WRR为需水强度(mm·d-1)，WR为作物需水量(mm)，T为生产阶段(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[22]。

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)

式中:IQ为灌溉定额(mm)，IR为灌溉需水量(mm)，IE为灌溉效率(%)，阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿灌溉效率确定为85%。

2 结果与分析

2.1 阿鲁科尔沁旗参照作物蒸散强度

阿鲁科尔沁旗1984-2013年30年平均参照作物蒸散强度为2.77 mm·d-1。阿鲁科尔沁旗参照作物蒸散强度旬际差异巨大，1月上旬最小，仅0.38 mm·d-1，5月下旬最大，高达5.65 mm·d-1，相差近15倍(图1)。阿鲁科尔沁旗参照作物蒸散强度旬际变化规律总体上呈单峰曲线，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月略有波动)。

2.2 阿鲁科尔沁旗参照作物蒸散量

2.2.1 阿鲁科尔沁旗逐旬参照作物蒸散量 阿鲁科尔沁旗1984-2013年30年平均旬参照作物蒸散量为28 mm。阿鲁科尔沁旗参照作物蒸散量旬际差异巨大，1月上旬最小，仅4 mm，5月下旬最大，高达62 mm，相差约15倍(表1)。阿鲁科尔沁旗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)。

图1 阿鲁科尔沁旗参照作物蒸散强度旬际变化动态Fig. 1 The inter-ten-days dynamic change of reference crop evapotranspiration rate in Ar Horqin Banner

注：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别表示上、中、下旬。

Note: Ⅰ, Ⅱ, and Ⅲ indicate early-month, middle-month, and late-month, respectively.

表1 阿鲁科尔沁旗1984-2013年平均逐旬、逐月参照作物蒸散量(mm)Table 1 The mean reference crop evapotranspiration(mm) from 1984 to 2013 every ten-days and month in Ar Horqin Banner

2.2.2 阿鲁科尔沁旗逐月参照作物蒸散量 阿鲁科尔沁旗1984-2013年30年平均月参照作物蒸散量为85 mm。阿鲁科尔沁旗参照作物蒸散量月际差异巨大，1月最小，仅14 mm，5月最大，高达163 mm，相差超过10倍(表1)。阿鲁科尔沁旗参照作物蒸散量月际变化规律为自1月至5月逐月升高，5月至12月逐月降低。

2.2.3 阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿不同生产阶段参照作物蒸散量 阿鲁科尔沁旗1984-2013年30年平均全年参照作物蒸散量略高于1 000 mm，其中生长季占比82.7%，非生长季占比17.3%；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 阿鲁科尔沁旗参照作物蒸散量年际动态 阿鲁科尔沁旗参照作物蒸散量年际差异巨大，1986、1991和1992年不足900 mm，依次为897、892和874 mm，2001、2009和2010年超过1 100 mm，分别为1 120、1 187和1 158 mm，高低相差超过300 mm(图2)。除1994年外，1984-1999年皆低于1 000 mm，16年平均年参照作物蒸散量为950 mm；2000-2013年皆高于1 000 mm，14年平均年参照作物蒸散量为1 086 mm；两个阶段相差136 mm。

2.3 阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿需水量

阿鲁科尔沁旗都1984-2013年30年平均紫花苜蓿生长季和全年需水量分别为755和825 mm；生长季占比91.5%，非生长季占比8.5%；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)。

2.4 阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿需水强度

阿鲁科尔沁旗1984-2013年30年平均紫花苜蓿生长季和全年需水强度分别为3.7和2.3 mm·d-1；生长季远高于非生长季，相差近10倍；生长季第2茬需水强度最高，第1茬次之，第3茬再次之，第4茬最低，明显低于前3茬(表2)。

2.5 阿鲁科尔沁旗降水量和有效降水量

阿鲁科尔沁旗1984-2013年30年平均全年降水量和有效降水量分别约为348和261 mm，其中生长季占比约为94.8%，非生长季占比约为5.2%；生长季第3茬降水量和有效降水量最高，第2茬次之，第4茬再次之，第1茬最低，高低相差近4倍(表2)。

表2 阿鲁科尔沁旗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 reference crop evapotranspiration, water requirement, water requirement rate, precipitation, effective precipitation, irrigation requirement, and irrigation quota of alfalfa for different production phase in Ar Horqin Banner

图2 阿鲁科尔沁旗参考作物蒸散量年际变化动态Fig. 2 The inter-annual dynamic change of reference crop evapotranspiration in Ar Horqin Banner

2.6 阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿灌溉需水量

阿鲁科尔沁旗在1984-2013年30年间，其平均紫花苜蓿生长季灌溉需水量接近510 mm，全年超过560 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4茬次之，第2茬再次之，第3茬最低，高低相差近3倍(表2)。

2.7 阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿适宜灌溉定额

阿鲁科尔沁旗1984-2013年30年平均紫花苜蓿生长季适宜灌溉定额接近600 mm，全年超过660 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4茬次之，第2茬再次之，第3茬最低，高低相差近3倍(表2)。

3 讨论与结论

3.1 紫花苜蓿需水量

本研究结果表明，阿鲁科尔沁旗1984-2013年30年平均紫花苜蓿生长季和全年需水量分别为755和825 mm。该结果明显高于内蒙古锡林浩特[11]、呼和浩特[12]、河北坝上地区[7-10]、甘肃临泽内部绿洲[14]和新疆石河子[16]，低于内蒙古乌审旗[13]、甘肃临泽边缘绿洲[14]、新疆福海[15]和渭干河-库车河三角洲[17]，与北京[2-4]、河北沧州[5]和山东禹城[6]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，阿鲁科尔沁旗1984-2013年30年平均紫花苜蓿生长季和全年需水强度分别为3.7和2.3 mm·d-1。该结果在国内介于各地研究结果之间[2-5,7-12,14-17]，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，阿鲁科尔沁旗1984-2013年30年平均紫花苜蓿生长季和全年灌溉需水量分别为508和564 mm。该结果明显高于北京[2-3]。主要原因在于阿鲁科尔沁旗降水量明显低于北京，而两地紫花苜蓿需水量较接近。

3.4 紫花苜蓿灌溉定额

本研究表明，阿鲁科尔沁旗1984-2013年30年平均紫花苜蓿生长季和全年适宜灌溉定额分别为598和664 mm。该结果明显高于北京通州[3]，明显低于新疆福海[19]和北屯[20]，略高于甘肃临泽内部绿洲[14]。明显高于北京通州的主要原因在于阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿需水量高于北京通州，而降水量低于北京通州；明显低于新疆福海和北屯的主要原因在于阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿需水量低于新疆福海和北屯，而降水量高于新疆福海和北屯；略高于甘肃临泽内部绿洲的主要原因在于阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿需水量明显高于甘肃临泽内部绿洲，而降水量仅略高于甘肃临泽内部绿洲。

阿鲁科尔沁旗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。

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(责任编辑 武艳培)

Water requirement regularity and irrigation quota of alfalfa in Ar Horqin Banner

Sun Hong-ren， Yang Xiao-jie， Wu Ya-na， Liu Lin， Shen Yue
(Institute of Grassland Science，China Agricultural University，Beijing 100193)

To provide a scientific basis for alfalfa irrigation in Ar Horqin Banner, 30 years of meteorological data (from 1984 to 2013) and the FAO Penman-Monteith equation were employed to study the water requirement regularity and irrigation quota of alfalfa. The results showed that the water requirement of alfalfa for the first to fourth harvests, growing season, non-growing season, and full year in Ar Horqin Banner were 221, 187, 169, 179, 755, 70, and 825 mm, respectively. The water requirement rates were 4.3, 4.7, 4.1, 2.5, 3.7, 0.4, and 2.3 mm·d-1, respectively. The irrigation requirements were 194, 118, 66, 131, 508, 56, and 564 mm, respectively. The irrigation quotas were 228, 139, 78, 154, 598, 66, and 664 mm, respectively.

Penman-Monteith equation; reference crop evapotranspiration rate; reference crop evapotranspiration; water requirement; water requirement rate; effective precipitation; irrigation requirement

Sun Hong-ren E-mail:sunhongren@cau.edu.cn

2016-09-05 接受日期：2016-11-11

农业部公益性行业项目“苜蓿高效种植技术研究与示范”(201403048);国家现代农业产业技术体系建设项目“现代牧草产业技术体系建设”(CARS-35)

孙洪仁(1965-)，男，吉林怀德人，副教授，硕士，研究方向为牧草与作物水肥管理。E-mail:sunhongren@cau.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0464

S816;S541+.107

A

1001-0629(2017)06-1272-06

孙洪仁，杨晓洁，吴雅娜，刘琳，沈月.阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿需水规律与灌溉定额.草业科学,2017,34(6)：1272-1277.

Sun H R,Yang X J,Wu Y N,Liu L,Shen Y.Water requirement regularity and irrigation quota of alfalfa in Ar Horqin Banner.Pratacultural Science，2017,34(6)：1272-1277.