樱花灌溉用水中真实作物系数的计算方法

王小军，易小兵

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635)

樱花是著名的木本观赏花卉，属于蔷薇科(Rosaceae)李亚科(Pmnusoidea)樱属(Cerasus)，世界各地广泛栽培[1- 2]。樱花类植物主产于温带和亚热带，“中国红”品种是由云南樱和福建山樱杂交选育而来的，花色最鲜艳的品种[3]，花期为2月中至3月中，适宜在亚热带地区种植。在南方，由于气温暖和的影响，花开时间有所提前，花谢之后结出细小的果实，7月份成熟，11月上旬叶片脱落[4]。而对于樱花灌溉需水量计算和根据其生育期内耗水规律进行的田间试验和研究较少，需要投入大量人力、物力且实验周期长，在具体灌溉实践中，如何确定较为合理的灌水量就是一个现实问题，因此，非实验性方法的确定具有重要的生产意义。在此可借鉴作物灌溉需水量计算的方法，利用常规的气象资料能够计算出作物的参照作物腾发量[5]，而作物系数为作物最大腾发量与参照作物腾发量的比值，如果确定特定条件下的作物系数，就可以通过定义求出最大腾发量(即需水量)，进而为利用所在地气象数据来指导灌溉提供可能。

作物系数实际上是一种作物在特定条件下特定区域实验的结果，FAO- 56表中提供的在特定标准条件下的作物系数，是指在半湿润气候区(空气温度约45%，风速约2m/s)供水充足、管理良好、生长正常、大面积高产的作物条件。它有一定代表性，但受作物品种、地域、气象、土壤、耕作条件、灌溉方式、生育年限等因素影响，是一个综合表征作物的需水量状况的相对变量。所以在实际指导节水灌溉中的作物系数计算是一个关键点，即如何能够随时随地根据自动的方法计算出具体区域、特定作物、特定气候环境中的作物系数，土壤有效储水能力及作物耗水动态值，根据耗水动态最大值的某个比例作为设计能力来实现灌溉系统，根据动态值来调整控制，从而达到设计优化、控制优化灌溉的目的[6- 7]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域分别位于广东省梅州兴宁市宁塘镇圳背村兴东生态园，为典型的丘陵地形。研究区域位于北纬24°12′7″，东经115°45′23″，高程为154.32m，属南亚与中亚热带过渡气候，年平均气温20.4℃，年平均降水量1540.3mm，年平均日照时数2009.8h。土壤质地为砂壤土，面积约60亩，灌区水源以池塘水为主。试验选择3年以上树龄长势基本的中国红品种，地径约4cm、树高约2m，株行距为4m×4m。

表1 试验点土壤理化参数表

1.2 观测项目

气象指标主要有降雨量、蒸发量、温度、湿度、日照及风速等[8]，气象数据采用临近气象站的观测资料，均为实时记录，记录时间间隔为1h。土壤水分观测采用云智能土壤墒情监测仪(“智墒”)和TRIME-IPH土壤水分仪测定，定点定时观测根层土壤含水率，结合两根TDR测管作为重复对比[8]。仪器布设在距树30cm处、测深1.4m、测量土层10cm一层，所测得的土壤含水率为体积含水率。土壤水分记录时间间隔为1h，与气象观测频次相对应。

1.3 计算方法

(1)作物蒸发蒸腾量计算模型：

ETc=ks·kc·ET0

(1)

式中，ETc—作物蒸发蒸腾量，即需水量，mm、mm/d；ET0—参考作物蒸发蒸腾量，mm、mm/d；kc—作物系数；ks—土壤水分修正系数。kc为kc、ks的一个综合变量(真实作物系数)。

通过现场试验资料，即可确定反映特定条件下的真实作物系数Kc。

(2)参考作物蒸发蒸腾量计算采用联合国粮农组织(FAO)推荐的改进型彭曼公式，即彭曼-蒙太斯(Penman-Monteith)方法。

(2)

式中，Δ—温度-饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa/℃；ea—平均饱和水汽压，kPa；ed—实际水汽压，kPa；Rn—净辐射，MJ/(m2·d)；G—土壤热通量，MJ/(m2·d)；γ—湿度计常数，kPa/℃；T—平均气温，℃；U2—2m高处风速，m/s。

(3)作物蒸发蒸腾量根据水量平衡原理的计算公式如下：

(3)

式中，ET1-2—阶段蒸发蒸腾量，mm；i—土壤层次号数；n—土壤层次总数目；Hi—第i层土壤的厚度，cm；Wi1—第i层土壤在时段初始的含水率(体积含水率)；Wi2—第i层土壤在时段末的含水率(体积含水率)；M—时段内的灌水量，mm；P—时段内的降水量，mm；K—时段内的地下水补给量，mm；C—时段内的排水量(地表排水与下层排水之和)，mm。

试验的作物蒸发蒸腾量以每小时作为一个计算时段，在该时段内不灌水，故M=0；由于试验区地下水埋藏深度在6m以下，无地下水补给量，因此K=0；根据己有的土壤含水率数据可知土壤含水率在深度100cm以下基本无变化[9]，故C=0；因此，式(3)可化简为：

(4)

将实际的土壤体积含水率值带入式(4)进行樱花树作物蒸发蒸腾量的计算，真实作物系数Kc值根据式(1)来确定。

2 结果分析

2.1 樱花树生育期内土壤水分变化分析

樱花喜欢阳光，喜欢温暖、湿润的气候环境，生长季应为其提供充足的水分；同时怕水淹，怕积水。它对土壤的要求不严，深厚肥沃的砂质壤土生长最好；根系较浅，耐盐碱土，有一定的耐寒和耐旱力。通过2017—2018年连续观测，实时记录了樱花树在整个观测期每天的土壤含水率变化，土壤平均水分动态变化在全生育期较为规律，在花期之后的5—7月因降水量较多，各深度的土壤含水量总体较高(10cm处平均为33.8%)，随着生育期的推进，在秋末落叶后土壤含水率逐渐减小，12月落叶期达到最小(10cm处平均为4.1%)，之后因灌水影响，从1—4月均保持在一个较高的含水率水平上(10cm处平均为24.7%)。樱花生育期内不同代表深度的土壤含水率日均变化如图1所示。

图1 樱花生育期内不同深度的土壤含水率日均变化图

因为樱花的根系主要分布于20cm以内的表土层，由图1可以看出，土壤含水率变化较大的土层范围主要为0～30cm，尤其是0～10cm土层的土壤含水率受蒸发、降水等变化量的影响最明显，全观测期土壤含水率平均变化幅度为30.8%，100mm土壤含水率变化最小，平均变化幅度为18.9%。各层土壤水分变化趋势呈较强的一致性，变化幅度较均衡，这说明土壤含水率主要是受土壤质地水分入渗的影响，各层土壤水分的吸收利用具有相同的规律。

2.2 樱花树不同深度的土壤耗水分析

樱花树各个生育阶段的降雨量数据来自当地气象站，樱花树耗水量为地面蒸发量和植株蒸腾量之和，根系从土壤中吸收的大部分水分通过植株蒸腾消耗掉，所以土壤含水率变化量也可间接反映植株蒸腾量的大小。

试验记录了同一时点各层土壤含水率的空间分布，以分析不同土壤质地下土层深度范围内的土体储水能力。因土壤保水能力较差，土壤储水能力除了50cm处较小外，其他各层相差不大。如图2所示。

水分的管理要根据樱花生理用水需要进行。樱花根系主要分布于表土层，根据动态测试，0～40cm根系占总根系的60%，需水主要来源于该部分土体中的水分。如图3所示。

2.3 樱花树的真实作物系数分析

为了保证樱花树正常萌芽及开花，在1月需要补充灌溉，10月底樱花已经开始落叶，水分对樱花的生长影响不大[10- 11]。在樱花树生长各个阶段，受气候及樱花树生物学特性的综合影响，真实作物系数Kc由小到大，再由大到小，总体上表现为单峰特征，主要在3—6月，正好对应花期和生叶需水高峰期。6月份为峰值，达到2.83，此时樱花树叶面积最大、生长最为旺盛、蒸发蒸腾大，而春秋季生长期则较低，受落叶和秋季修剪疏枝、改善树冠的影响，从9月份急剧下降，1月份最低，为0.46。如图4所示。

图4 樱花ET0和Kc各月分布特征

3 结论与讨论

樱花生育期内的需水量可通过试验获取，但实测资料的地区分布和时间系列均十分有限，不能反映具体生境的真实值。而基于实时观测数据推算真实作物系数，进而根据当地当年实时气象数据分析，该方法比较简单方便，是指导农作物灌溉实践的有效方法，有利于在灌溉试验和生产实际中推广应用。

同时，气象资料以最接近作物生长地为宜，以免代表性不足，土壤水分观测深度要依据根系吸水分布而定，尽量包含绝大部分根系所在土层，以及考虑节水灌溉方式、不充分灌溉状况下规律的不同，这些也是需要考虑和进一步研究和改进的内容。