西藏燕麦主要种植区灌溉定额空间分布及影响因素

杨 波，汤鹏程，徐 冰，李泽坤，张紫森，杨礼志，张 钰

（1．内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2．中国水利水电科学研究院 牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020；3．西藏自治区拉萨市曲水县水利局，西藏 拉萨 850699）

1 研究背景

西藏自治区面积 122．84万km2，北纬 26°50′—36°53′，东经 78°25′—99°06′，约占中国总面积的八分之一，是世界上面积最大、海拔最高的高原，但是随着自然环境的变化及人为对天然草地的破坏，天然牧草总体产量在逐年衰减，已经远远不能满足西藏畜牧业的需求[1-3]，为此西藏开始大面积种植人工牧草。燕麦作为西藏典型人工牧草之一，在高寒地区特殊的自然环境条件下有着独特的适应能力，具有耐寒、产量高、品质好的特点。根据西藏自治区2020年相关数据统计，西藏全区农作物种植面积为23万hm2，其中燕麦的种植面积就高达3万hm2，约占种植总面积的1/8[4]。目前，由于西藏水利基础设施较内地尤为落后，西藏主要种植区内燕麦的生长多依赖地面灌溉和天然降雨[5-7]；此外关于燕麦的相关研究多关注栽培和种植等问题，个别学者通过田间试验对西藏局部的燕麦需水量、灌溉制度展开研究，徐冰等人在拉萨、当雄等地开展田间灌溉试验，针对西藏高寒地区燕麦的水分生理特性和耗水规律展开研究，研究表明：西藏高寒区的燕麦需水量比其他地区偏大[8]，湿度是影响西藏高寒区燕麦蒸腾速率的主要因素[9]；FAO-56推荐的燕麦作物系数适用于西藏地区[10]；汤鹏程于2013年在拉萨市郊展开燕麦田间试验，通过设置水分梯度开展燕麦的需水量研究，表明西藏高寒牧区燕麦全生育期需水量为485 mm[11]；肖长伟针对拉萨和日喀则下两个试验站点共三年的种植、气象资料，推算得到该地区燕麦灌溉定额为290 m3/亩[12]。由于西藏燕麦主要种植区地域辽阔，经纬度跨度较大，各地域气候独特且复杂多样，局部区域的个别年份研究成果是否能在西藏大部分地区指导农牧民科学灌溉尚有待验证。因此，针对以上问题，本文在西藏燕麦主要种植区选择28个典型站点通过多年数据收集和实地取样，基于水量平衡法对西藏燕麦主要种植区在地面灌溉模式下的灌溉定额进行估算，再根据统计学原理对研究区内燕麦灌溉定额空间分布特征展开研究，分析其影响因素，以期为西藏自治区相关部门对灌溉用水数量的管理和全区灌溉定额的制定提供参考，并指导西藏农牧民规范灌溉。

2 研究区域概况

2．1 研究区选点根据西藏地理地貌与气候特点，在西藏燕麦主要种植区内选取28个典型气象站点，其地理位置信息如图1所示（由于藏西的阿里、那曲和日喀则部分地区海拔较高，气候寒冷干燥，全年降雨量较少，年平均气温在0℃以下，且日夜温差大，属于无人区和典型牧区，并不适宜燕麦的人工播种，因此本研究中不考虑该地区[13]）。收集的气象数据均来源自国家气象信息中心，时间为1981—2015年（由于部分站点建站较晚，数据收集时间为建站后至2015年），数据包括日照时数、日平均温度、平均湿度、平均风速、降雨量等。

图1 西藏31个区域典型站点位置

2．2 灌溉分区基于 《西藏农业气候资源区划》和罗红英在2007年发表的 《西藏青稞灌溉定额的空间分布规律》对西藏燕麦主要种植区划分为4个典型气候区，分别为高原温带（半）湿润区、高原温带半干旱区、高原温凉（半）湿润区和高原温凉干旱区[13-14]，具体结果如表1所示，其中选择林芝、日喀则、那曲、定日为以上4个区域各自的典型代表站。

表1 西藏燕麦灌溉分区表

3 分区燕麦灌溉用水定额计算

3．1 燕麦灌溉定额的确定根据研究区特点，采用水量平衡法计算研究区内燕麦灌溉定额[8-9，11]。计算公式如下：

式中：ET为需（耗）水量，mm；P为某一时段有效降水量，mm；I为某一时段的灌溉量，mm；ΔSWS为土壤贮水量变化量，mm；Q为地下水的补给量和渗漏量，mm；因所选研究区整体地下水位埋深皆大于3 m，且多年耕作层土壤厚度不足30 cm，同时耕作层以下多为砂砾、砾石，而且砂砾、砾石层与耕作层存在一层黏性极大的胶泥土作为隔水层，故本研究中忽略地下水的影响[8]。为了符合灌溉实际并方便计算，本文自燕麦播种后每15天递推水量平衡公式，得到单次燕麦灌溉定额，最后作和得到燕麦生育期内累计灌溉定额。

3．1．1 有效降雨量 有效降雨量的计算见式（2）；通过经验频率法对所选区域不同降雨量下的年份进行排频，选择年降雨量符合规定水文年型的年份作为典型年。把50%保证率下的降雨年份作为中等水文年，75%保证率下的降雨年份作为干旱年[11，14-15]。

式中：P0为单次有效降雨量，mm；P为单次降雨量，mm；λ为降雨有效利用系数，本次研究中单次降雨P＜2 mm视为无效降雨，降雨系数为0；2 mm≤P≤50 mm，有效利用系数为1；当P＞50 mm时，有效利用系数为 0．8[11，14-15]。

3．1．2 土壤贮水量变化量 燕麦生育期内土壤贮水量变化量可按下式（3）计算[8-12]：

式中：ΔSWS为所选时段的土壤贮水量变化量，mm；W1和W2为所选时段初末的土壤贮水量；H为所选时段的土壤计划湿润层深度，m；n为所选时段计划湿润层内土壤孔隙率，%；θmax和θ为所选时段内允许的土壤最大含水率和最小含水率（最大含水率一般取田间持水率，%）。

各地土壤水分参数主要取决于当地的土壤类型，由于西藏自治区整体面积辽阔，相同气候分区下土壤种类繁多，因此选择区域内耕作面积比例最大的土壤作为本区域土壤，分区下的土壤水分参数主要以罗红英对西藏划分的土壤参数作为参考[14，16]，其中那曲和泽当的土壤参数通过实地取样确定，得到4个代表站的土壤参数如见表2所示；生育期计划湿润层深度和适宜含水率上下限通过实际调查得到，具体见表3。

表2 分区下的土壤水分参数

表3 西藏燕麦生育期计划湿润层深度和适宜含水率上下限

3．1．3 作物需水量

（1）参照作物腾发量

参照腾发量ET0采用联合国粮农组织（FAO）推荐的 Penman-Monteith方法计算[8-12、17]。

（2）作物系数

由于所选区域面积辽阔，土壤、气象数据差异较大，而且大部分地区缺少作物系数修正所需的实测土壤、作物、气象数据，因此结合FAO-56推荐和赵世昌在当雄县所修正的燕麦，燕麦各生育阶段的作物系数分别为 Kcini（Tap）＝1．06、Kcmid（Tap）＝1．15、Kcend（Tap）＝0．25[10]。

（3）作物需水量

采用作物系数法计算作物需水量[13，16]。

3．2 空间分布图绘制方法本文选择 “克里金插值法”绘制空间分布图，所选数据需满足正态分布，因此需进行预处理，预处理结果见表4。本文变异系数皆在35%内，数据趋于稳定，满足 “克里金插值法”应用条件[18]。基于 “ArcGIS10．0”软件，利用上述28个典型站的海拔及经纬度等数据，生成西藏所选区域的矢量分布图，再采用 “普通克里金插值法”，绘制西藏燕麦主要种植区的灌溉定额空间分布图和其影响因子空间分布图。

表4 燕麦灌溉定额及影响因素正态分布统计表

4 结果与分析

4．1 典型年燕麦灌溉定额根据上述公式，通过分析1981—2015年数据资料，估算四个典型代表站的燕麦灌溉定额，得出50%（中等水文年）、75%（干旱水文年）降雨频率下的燕麦灌溉定额，结果见图2。

图2 不同降雨年份下典型代表站燕麦灌溉定额

图2表明在50%水文年下，林芝、那曲、日喀则、定日的燕麦生育期灌溉定额在60～264 mm之间变化，75%水文年下的燕麦灌溉定额在118～309 mm之间变化。相同水文年下，灌溉定额大小排序为林芝＜那曲＜日喀则＜定日。根据图3可知：导致燕麦灌溉定额数值差异较大的主要原因为：林芝地区多年平均降雨量、平均温度、相对湿度较大，年降雨量最小值在300 mm以上，日平均温度可达8℃以上；日均ET0和日照时数较小，日均ET0最小值为2．38 mm，平均日照时数最小值则为4．5 h。而定日地区则呈现与之相反的趋势：降雨偏小、温度偏低、相对湿度较小，ET0较大、日照时间较长；因此两个地区的燕麦灌溉定额分别呈现两个极值。

图3 典型代表站1981—2010年气象及ET0数据

4．2 燕麦灌溉定额空间分布规律西藏燕麦主要种植区的多年平均灌溉定额空间分布见图4（由于50%和75%水文年的空间分布大体相似，本文只给出了50%水文年下的燕麦灌溉定额空间分布图）。

图4 西藏燕麦主要种植区灌溉定额空间分布图

可以清晰看出：在50%水文年下，藏中至藏东地区的燕麦灌溉定额呈现先递减后递增的趋势，变化区间为56～265 mm。林芝、波密等地为灌溉定额的极小值，灌溉定额约为60 mm，藏中的拉孜、定日等地区和藏东的左贡为极大值，灌溉定额皆在230 mm以上。

4．3 燕麦灌溉定额影响因素西藏燕麦主要种植区的灌溉定额受土壤、气候条件的共同影响，本文主要从参考作物蒸发量（ET0）、降雨量两个直接影响因素，平均温度、日照时数和相对湿度三个间接影响因素进行分析[19]。

4．3．1 直接影响因素 西藏燕麦主要种植区的灌溉定额与直接影响因素ET0、降雨量的回归模型见表5，可知，ET0和降雨量的 R2统计值分别为 0．152和 0．515；F检验值分别为 4．661和 27．619。

表5 西藏燕麦灌溉定额与直接影响因素的回归模型

50%水文年下燕麦生育期降雨量等值线图见图5。如图所示，相同水文年下的生育期降雨量分布极不均匀，藏中向藏东呈先递增后递减的趋势。50%水文年下的降雨峰值主要集中在西藏东部：波密、米林、林芝、嘉黎等地燕麦生育期内降雨量皆在500 mm以上；藏中的定日、拉孜地区降雨量则不足300 mm。燕麦灌溉定额与降雨量呈负相关关系。通过数据分析得知：在丰水年下，藏东的部分地区（波密、米林、林芝、察隅等地）若雨季来临较早，则不需要人工灌溉，依靠天然降雨即可满足燕麦生长需求。

图5 50%水文年下燕麦生育期降雨量等值线图

4．3．2 间接影响因素 西藏燕麦主要种植区的灌溉定额、燕麦生育期内ET0与间接影响因素：平均温度、相对湿度和日照时数的回归模型见表6。由表6可知，西藏燕麦主要种植区的灌溉定额主要受间接影响因素中日照时数与相对湿度的影响，燕麦灌溉定额与日照时数、相对湿度的R2统计值为别为0．462、0．194，F检验值为别为 22．306、6．239；燕麦生育期内 ET0与相对湿度、日照时数的 R2统计值为别为 0．525、0．255，F检验值为别为 30．846、8．876（由于平均温度对 ET0、燕麦灌溉定额的影响较小，因此本文未给出平均温度等值线图）。

表6 西藏燕麦灌溉定额与间接影响因素的回归模型

50%水文年下燕麦生育期日均日照时数等值线图见图6。如图所示，相同水文年下的日照时数自藏中向藏东呈现递减趋势。平均日照时数的差异主要由于研究区经纬度变化幅度较大，所选区域经度差值可达15°，纬度差值可达7°。在燕麦生育期内，日照时数相对较长的地区为藏中的定日、申扎等地，多年平均日照时数可达到8 h以上，而东部的波密、察隅、米林等地则不足4 h。日照时数是导致燕麦灌溉定额空间分布不均的主要影响因素，也是影响燕麦生育期内ET0数值波动的因素之一。

图6 50%水文年下燕麦生育期日均日照时数等值线图

50%水文年下燕麦生育期日均相对湿度等值线图见图7。相同水文年下的相对湿度自藏中向藏东呈现先递增后递减的趋势，相对湿度与燕麦灌溉定额、ET0皆呈负相关分布。在燕麦生育期内，相对湿度较小的地区为中部的当雄、申扎、拉孜等地区，约为50%，林芝、米林地区为相对湿度较大地区，约为80%；各地区相对湿度的变化是影响研究区ET0的数值差异的最大因素，也间接导致了燕麦灌溉定额的空间分布不均匀。

图7 50%水文年下燕麦生育期日均相对湿度等值线图

5 结论

（1）西藏燕麦主要种植区的灌溉定额空间分布极不均匀，藏中至藏东地区的呈现先递减后递增的趋势，在56～265 mm之间变化，东部的波密、林芝等地为研究区内极小值，中部的拉孜、定日、左贡等地为研究区内极大值。本文的研究成果可以科学指导西藏农牧民进行燕麦的灌溉，但灌水时间要随着燕麦的实际生长情况和当地的降雨情况进行判定，同时也要注意灌水次数和单次灌水量，燕麦不同生育期内的水分生长需求并不一致，在燕麦的需水关键期进行适当的灌水才可实现稳定的增产效果。

（2）降雨量是直接影响西藏燕麦主要种植区灌溉定额的主要因素，降雨量与燕麦灌溉定额呈负相关分布，在50%水文年下研究区内生育期平均降雨量在267～552 mm之间变化，西藏东部区域降雨量明显大于其他区域，尤其是林芝、波密、米林、察隅等地在燕麦生育期内降雨较为集中，且多为夜雨，通过对数据的推算，个别年份下无需灌溉仍不会影响燕麦的生长发育；ET0对燕麦灌溉定额的影响较小，ET0与其呈正相关分布。

（3）其他气象因素对燕麦灌溉定额影响的显著性关系为：日照时数＞相对湿度＞平均温度；其中日照时数对燕麦灌溉定额的影响最大，与燕麦灌溉定额呈正相关关系。