涌泉根灌下陕北山地苹果作物系数确定与蒸散量估算

2022-05-19费良军尹永乐李中杰彭有亮

水资源与水工程学报 2022年2期

李哲，费良军，尹永乐，李中杰，刘腾，郝琨，彭有亮

(1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048； 2.榆林市乡村振兴规划发展指导中心，陕西榆林 719000)

1 研究背景

陕北地区属于温带干旱半干旱大陆性季风气候，全年干旱少雨，水资源严重短缺。陕北地区的产业用水结构中，农业用水占比最大，占总用水量的59%[1]。目前陕北大部分地区农业采取格田灌溉和畦灌，灌水量不易控制，水分利用效率低下。井灌区(包括定边县、靖边县、榆阳区、神木市、府谷县过度开采浅层地下水，致使当地水资源面临枯竭。陕北黄土高原地区是陕西优质苹果产地之一，水资源短缺和用水浪费严重制约了当地苹果产业的发展，节水灌溉在陕北地区具有极大的潜力[2-3]。

农田水分大部分因作物蒸散发和深层渗漏而消耗散失。涌泉根灌作为新型节水灌溉技术，将少量灌溉水直接输送至作物根部，在适宜的出水流量或压力水头下可以有效避免灌溉水向土壤深层的渗漏散失[4]。因此，涌泉根灌技术下农田水分的主要消耗为作物蒸散发。

蒸散量是灌溉决策的重要参数，可以通过田间测定和理论计算两种方法确定，作物系数法是最常用、最经典的理论计算方法[5]。作物系数可以表征作物自身生物学特性及土壤耕作方式、灌水水平等对蒸散量的影响[6]。叶面积指数是反映作物群体质量的主要生长指标之一，叶片作为植物光合、蒸腾作用等关键生理过程的主要载体，决定着作物吸收太阳辐射进行蒸腾作用的强度，直接影响作物对光能的截获，进而影响蒸腾速率的变化，对作物蒸散发有着十分重要的作用[7]。有研究表明，植株叶面积变化对蒸散发的影响程度明显大于气候变化对蒸散发的影响程度，气候因素通过植被间接对蒸散发产生较强的影响[8]。陕北地区地貌复杂，干旱频发，山地苹果常因缺水而减产。因此，可以结合作物系数建立一种通过叶面积指数和气象因素估算陕北山地苹果蒸散量的模型，借助模型掌握当地苹果不同生育时期的动态耗水规律，这对当地苹果的节水增产具有十分重要的意义。

利用水量平衡法制定灌溉制度，需要根据作物系数曲线对不同生育期的作物蒸散量进行估算[9]，目前的研究常用叶面积指数为变量构建作物系数曲线。研究表明黄土高原地区涌泉根灌下枣树作物系数与叶面积指数为二次抛物线关系[10]，龚道枝等[11]发现苹果树亦有同样的规律。Yan等[12]基于双作物系数法探究了基本作物系数与叶面积指数之间的回归关系。王贺垒等[13]以华北设施茄子为研究对象，发现作物系数与叶面积指数之间存在线性关系并建立了华北设施茄子蒸散量估算模型，模型验证表明模拟值与实际值吻合度较好。蒸散发是一个复杂过程，仅定量给出作物的作物系数与蒸散量是不够的，建立蒸散量模型，实现作物动态耗水模拟才是亟需解决的关键问题。目前，有关陕北地区涌泉根灌下蒸散量估算模型的研究鲜见报道，本文通过作物系数曲线建立蒸散量估算模型，以期实现陕北山地苹果不同生育时期的精准灌溉，从而提高涌泉根灌灌溉水利用效率，并为开展陕北山地苹果灌溉预报提供参考。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验于2019年4-10月在陕西省榆林市子洲县清水沟现代生态农业示范园区(37°27′N，110°02′E，海拔1 020 m)进行，该示范区属于温带半干旱性气候，多年平均降水量为408.8 mm，多年平均气温为9.2 ℃，年均日照时数为2 632.9 h，无霜期为170 d。示范园区0～120 cm土层土壤质地为砂壤土，田间持水量为21.74%(质量含水率)，平均土壤容重为1.415 g/cm3。

供试苹果树品种为7年生矮化“寒富”，南北方向种植，株行距为3 m×2 m(1 667株/hm2)。本试验将苹果树主要全物候期分为萌芽展叶期(4月6日-4月29日)、开花坐果期(4月30日-5月20日)、果实膨大期(5月21日-9月16日)和果实成熟期(9月17日-10月8日)4个时期。

2.2 试验设计

试验设3个灌水水平，分别为高水H1((85%～100%)θf，θf为田间持水量)、中水H2((70%～85%)θf)和低水H3((55%～70%)θf)，共3个处理，每个处理设置3个重复，每个重复包括3颗树。试验过程中采用Trime-TDR土壤水分仪测量土壤水分，当试验区的土壤含水率达到处理设置的灌水下限时进行灌水，灌水至土壤含水量达到处理设置的上限。采用涌泉根灌灌溉方式，灌水器出水设计流量为3 L/h，水头高度保持在0.4～0.9 m。整个试验过程3个处理H1、H2、H3分别灌水12、7和6次，累计灌水量分别为134.36、69.86和45.83 mm。

2.3 测定项目及方法

(1)气象资料：利用试验区附近全自动气象站进行实时监测，每隔1 min监测一次，每30 min记录一次。自动测定试验区降水量、空气相对湿度、太阳辐射、风速、风向、气压等气象指标。

(2)土壤含水率：为确定灌水定额和计算苹果4个生育阶段以及全物候期的蒸散量，本试验采用Trime-TDR土壤水分仪测定土壤水分，测定土层深度为0～80 cm，每10 cm土层深度测定一次，共8层。不定期采用烘干法对测定结果进行校正。

(3)叶面积指数(LAI)：采用LAI-2200叶面积指数仪从4月13日-10月1日测定苹果树叶面积指数。

2.4 作物蒸散量、耗水模数和蒸散强度

作物蒸散量(evapotranspiration,ET)由水量平衡方程进行计算：

ET=Pr+U+I-D-S-ΔW

(1)

式中：Pr为各时段内有效降水量，mm；U为地下水补给量，mm，试验区位于黄土高原地区，地下水埋深在40 m以下，故地下水补给量可以忽略不计，即U=0；I为时段内灌水量，mm；D为深层渗漏量，mm，由于涌泉根灌出水设计流量为3 L/h，不存在深层渗漏问题，故深层渗漏量可忽略不计，即D=0；S为地表径流量，mm，试验期间地面并未有地表径流产生，即S=0； ΔW为时段内0～80 cm土层土壤储水量变化，mm。

因此公式(1)可以简化为：

ET=Pr+I-ΔW

(2)

公式(2)中ΔW和I的计算公式如下：

ΔW=∑(θi2-θi1)Hi

(3)

I=0.1y·H·p(θmax-θmin)/η

(4)

式中：θi2，θi1分别为计算时段结束和开始第i层的土壤体积含水率，%；Hi为第i层土层厚度，mm；I为土壤含水率达到田间持水率下限时开始灌水的单次灌水量，mm；y为土壤容重，g/cm3；H为计划湿润层深度，m，本试验取0.8 m；p为计划湿润比，本试验取0.3(体积比)；θmax，θmin分别为设置的土壤含水率上限和下限，%；η为灌溉水利用系数，本试验取0.95。

蒸散强度为蒸散量ET(mm)与蒸散天数T(d)的比值；耗水模数为某阶段蒸散量(mm)与全物候期内蒸散量(mm)的百分比。

2.5 参考作物蒸散量(ET0)

宋妮等[14]研究发现，FAO(Food and Agriculture Organization of the United Nations)在1998年推荐的Penman-Monteith公式较其他计算模型具有较高的精度和稳定性。故选用Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量ET0：

(5)

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm；Rn为净辐射量，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率，kPa/℃；y为湿度计常数，kPa/℃；T为空气平均温度，℃；u2为地面2 m高处的风速，m/s；es为空气饱和水汽压，kPa；ea为空气实际水汽压，kPa。

2.6 作物系数(KC)

(6)

式中：KC为作物系数；ET为作物蒸散量，mm；ET0为参考作物蒸散量，mm。

2.7 数据处理

采用Excel 2013软件进行数据统计分析和作图，用SPSS 25软件进行回归分析和方差分析(analysis of variance, ANOVA)，多重比较采用Duncan法(α=0.05)。

3 结果与分析

3.1 陕北山地苹果物候期内参考作物蒸散量变化规律

2019年物候期内陕北山地苹果日参考作物蒸散量变化及有效降水量分布如图1所示。由图1可知，在苹果整个物候期内，ET0值呈中间高，两端低的变化趋势。在萌芽展叶期至开花坐果期，ET0呈缓慢增大趋势，在5月26日达到了物候期内峰值7.51 mm；在果实膨大初期，由于温度和辐射强度较高，ET0值总体保持在较高水平；而在果实膨大期中期至果实成熟期，试验地区降水量逐渐增多，受到当地降水或阴沉天气的影响，ET0值开始逐渐减小，于10月7日降至物候期内最低值2.44 mm。

图1 陕北山地苹果物候期内日参考作物蒸散量变化及有效降水量分布(2019年)

根据FAO对Penman-monteith公式的解释，ET0可由辐射项ETrp和空气动力学项ETop两项构成，即：

ET0=ETrp+ETop

(7)

ETrp和ETop分别表示太阳辐射和蒸发表面上方大气的对流、紊流和干燥程度对参考作物蒸散量的影响，二者的比例受当地的地理和气候影响，随着时间的变化而变化[15]。陕北山地苹果ET0及其构成如表1所示。由表1可见，在苹果萌芽展叶期，ETrp对ET0影响权重小于ETop，占参考作物蒸散量的44.26%，随着生育期阶段的推进，试验区日照逐渐强烈，ETrp在ET0中的占比逐渐大于ETop，并在果实膨大期占比增至最大。ETrp在开花坐果期、果实膨大期、果实成熟期分别占参考作物蒸散量的52.94%、56.17%和49.84%，全物候期ETrp总占比为53.47%。ETrp和ETop的动态变化主要受当地气候气象条件影响，陕北地区降水量小，风沙大，日照强度高，因此陕北山地苹果ETrp在全物候期内大部分时间占参考作物蒸散量的百分比均大于ETop。

表1 陕北山地苹果各生育阶段ET0及其构成 mm

3.2 不同灌水处理对陕北山地苹果物候期内各阶段蒸散量的影响

陕北山地苹果各生育阶段不同灌水处理下的蒸散量、作物系数、蒸散强度和耗水模数如表2所示。

表2 陕北山地苹果各生育阶段不同灌水处理下的蒸散量、作物系数、蒸散强度和耗水模数

由表2可以看出：(1)蒸散量表现为：在果树同一生育期内，H1>H2>H3处理；在不同生育期下比较相同处理，则果实膨大期>萌芽展叶期>果实成熟期>开花坐果期。全物候期不同处理下陕北山地苹果的蒸散量在483.03～540.10 mm之间。(2)蒸散强度表现为：在果树同一生育期内，H1>H2>H3处理。在果树萌芽展叶期和开花坐果期，蒸散强度均在3 mm/d以下，进入果实膨大期，蒸散强度迅速增大，耗水模数在75%以上，同时H1处理达到峰值3.72 mm/d，其后逐渐减少，在果实成熟期降至1.83 mm/d。全物候期不同处理下陕北山地苹果的蒸散强度在2.61～2.92 mm/d之间。(3)从作物系数来看，相同生育期内H1处理均大于H2、H3处理，灌水量对作物系数有较大影响，任意时期的亏水均会减小该时期的作物系数；作物系数在开花坐果期H3处理下为最小值0.28，在果实膨大期H1处理下为最大值0.83，全物候期内平均作物系数为0.61。

3.3 不同灌水处理对叶面积指数的影响

图2为陕北山地苹果不同灌水处理叶面积指数LAI随时间变化曲线。

图2 陕北山地苹果不同灌水处理叶面积指数随时间变化曲线

由图2可知，不同灌水处理下陕北山地苹果叶面积指数变化趋势大体相似，各处理叶面积指数均呈现先缓慢增大、再快速增大、最后缓慢减小的过程。总体表现为：果树在萌芽展叶期生长发育缓慢；开花坐果期至果实膨大期前期，叶面积指数平均生长速度最快；果实膨大期后期至果实成熟期，试验区平均气温逐渐下降，树体养分大部分被果实吸收，作物新陈代谢趋缓，果树体内水分减少，叶片张力相应减弱，叶片收缩，叶片间隙增大，叶面积指数呈现缓慢减小趋势。另外，不同灌水处理的果树叶面积指数差异较为显著。同一时间段H1处理的叶面积指数均大于H2、H3处理，表明苹果树的叶面积指数随灌水量的增大而增大，良好的水分条件更有利于苹果树冠层发育。果树叶面积指数在5月5日-7月24日增大速度最快，H1、H2和H3处理的日均增大速率分别为0.032、0.027和0.032。在8月8日-10月6日，H3处理的叶面积指数减小速度最快，日均减小速率为0.015，表明水分亏缺对苹果树生长后期冠层生长的影响较大。

3.4 作物系数与叶面积指数之间的关系

叶片作为植株蒸腾的基本表面对蒸腾作用的影响极为复杂。随着植株生长，植物冠层发育逐渐变化，地表透光率亦发生改变，株间土壤蒸发也会受到影响。作物蒸散量与叶面积指数和叶片性状有关，作物系数的过程线很大程度上受叶面积指数和叶片性状的影响[16]。分析作物系数与叶面积指数之间的关系，可将作物系数动态改进。本文根据实测数据建立了陕北山地苹果不同灌水处理下物候期内各生育阶段的作物系数KC与该时段平均叶面积指数LAI的回归关系式，如图3所示。

通过对叶面积指数和作物系数进行相关性分析，显著性P<0.05，相关系数r=0.835，表明陕北山地苹果叶面积指数与作物系数之间存在显著正相关关系。由图3回归分析可以看出，陕北山地苹果作物系数与叶面积指数存在较好的指数关系，拟合关系式为：KC=0.2614e0.2931LAI，决定系数R2=0.699 2，P<0.01，表明叶面积指数可有效表征作物系数。

图3 陕北山地苹果作物系数与叶面积指数之间的关系

3.5 涌泉根灌下陕北山地苹果蒸散量估算模型与误差分析

通过叶面积指数表征作物系数，综合Penman-Monteith公式，可利用叶面积指数和气象因素建立陕北山地苹果实际蒸散量模型：

ET=ET0×0.2614e0.2931LAI

(8)

为了验证在不同灌水处理条件下所建立模型的正确性与适用性，通过比较水量平衡方程得到的实际蒸散量值ETs与模型的模拟值ETm来进行定量评价分析。模型采用水文模型常用的纳什效率系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,NSE)和总量平衡系数(R)进行评估[17]，误差分析采用平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)和相对误差绝对值(absolute relative error,ARE)进行定量评价，评价结果如表3所示。

表3 蒸散量模拟值与实际值误差分析的各评价指标值

表3中，NSE可以直观地反映出蒸散量模拟值ETm与水量平衡方程所得的实际值ETs之间拟合程度的优劣，经对比实际值ETs与模拟值ETm，所建模型的NSE接近于1，表明模型的模拟结果极好，可信度高；R值为ETm与ETs两者总量的比值，R值为0.883，接近于1，表明ETm总量与ETs总量相近；ARE值较小，且MAPE值为2.170，表明模型模拟结果的误差较小，且ETm较ETs平均仅偏离2.170%。

综上所述，所建立的模型可以较好地利用叶面积指数与气象因素模拟涌泉根灌下陕北山地苹果的蒸散量。

4 讨论

党宏忠等[18]研究表明，黄土高原地区苹果蒸散量表现为果实膨大期最大，占果树整个耗水生育周期的41%～51%，其后依次为果实成熟期、幼果形成期、花期与萌芽期。而本研究发现，陕北山地苹果蒸散量表现为萌芽展叶期大于开花坐果期，且陕北山地苹果2019年果实膨大期蒸散量占全生育期的79%，远大于党宏忠等[18]的研究结果。形成此差异的原因可能是本研究在开花坐果期内并无降水，萌芽展叶期有效降水量为55.4 mm，故萌芽展叶期蒸腾蒸发量大于开花坐果期，耗水量较大。果实膨大期耗水模数大是由于生育期划分的不同，本研究中的果实膨大期划分时长较长，故该时期累计蒸散量大，耗水模数高。

参考作物蒸散量ET0是计算作物系数所必需的指标。胡永翔等[19]研究表明，黄土高原地区绝大部分时间参考作物蒸散量的构成表现为ETrp所占百分比大于ETop所占百分比，该研究结论与本文一致。这种现象的形成与黄土高原地区气候特征有关，试验区属于温带半干旱性气候，果树物候期内光照充足，干燥少雨，太阳辐射因素对ET0的影响大于空气动力学因素。曹辉等[20]以南疆矮砧密植苹果为研究对象，发现在果实膨大期、果实成熟期和开花坐果期的作物系数分别在0.59～1.49，0.55～1.22，0.53～1.20之间，该结论与本研究略有差异。本研究所得出的陕北山地苹果在各生育期的作物系数范围均小于曹辉等[20]的研究结论，其原因可能是与南疆密植的种植方式、灌水技术和灌水量的不同有关，涌泉根灌技术相较于地表滴灌仅湿润地下作物根部土壤，地表土壤依然干燥，因而土壤日蒸发量偏低，导致作物系数偏小[21]。有研究表明作物系数随灌水定额的增大而增大[22]，本研究灌水定额较小也是导致作物系数偏小的原因。

云文丽等[23]研究表明作物叶面积指数与作物系数之间存在较好的指数关系，该研究结果与本文一致。本文基于指数回归关系建立了陕北山地苹果涌泉根灌下的蒸散量估算模型，经过误差分析，模型NSE为0.946，较郑珍等[24]、王贺垒等[13]用不同方式建立的蒸散量模型的NSE均有所提高，模型估算准确。本研究模型是在灌溉条件下建立的，而降水对蒸散量有一定的影响，后续研究将结合多年实测数据建立蒸散量估算模型来进一步提高模型的准确性与应用实践性。