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塔里木河下游枣树根灌需水量与灌溉制度研究



全 文 :西北农业学报 2014,23(11):92-99
Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica  doi:10.7606/j.issn.1004-1389.2014.11.016
网络出版日期:2014-11-27
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/doi/10.7606/j.issn.1004-1389.2014.11.016.html
塔里木河下游枣树根灌需水量与灌溉制度研究
收稿日期:2013-11-20  修回日期:2014-03-27
基金项目:中国科学院科技支新工程(XBXJ-2011-023)。
第一作者:马文艺,男,硕士研究生,研究方向为节水灌溉。E-mail:1582912491@qq.com
通信作者:杜虎林,教授级高工,主要从事干旱区水文水资源、节水灌溉研究。E-mail:duhulin.999@sina.com
马文艺1,2,杜虎林1,史学斌3
(1.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所,兰州 730000;2.中国科学院大学,北京 100049;
3.新疆生产建设兵团农二师水利局,新疆库尔勒 841000)
摘 要 为研究塔里木河下游枣树根灌需水量与灌溉制度,在不干涉当地灌溉习惯的前提下,于2012-2013
年在塔里木河下游红枣生态经济林开展灌溉试验,采用TDR测定红枣生长期不同土层土壤体积含水量。结
果表明,各灌溉周期前期土壤体积含水量的消退集中于20cm土层,后期土壤体积含水量的消退集中于80cm
土层,40~60cm是土壤体积含水量的稳定层,可保证红枣正常生长;红枣生长期的实际日耗水量呈先增大后
减小再增大的变化趋势,整个红枣生长期实际耗水量为639.26mm;参照当地管理者灌溉习惯和根灌条件下
土壤体积含水量消退特征,制定红枣根灌灌溉管理制度。
关键词 土壤体积含水量;耗水规律;灌溉制度;根灌
中图分类号 S274.1   文献标志码 A     文章编号 1004-1389(2014)11-0092-08
Water Demand and Irrigation Scheduling of Root-zone Irrigation
for Jujube Tree in the Downstream Area of Tarim River
MA Wenyi 1,2,DU Hulin1 and SHI Xuebin3
(1.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,
Lanzhou 730000,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Bureau of Water Resources
on the 2nd Farming Division,Xinjiang Production and Construction Corp,Korla Xinjiang 841000,China)
Abstract To study the jujube water requirements and irrigation system by root irrigation,irrigation
experiments were carried out in the jujube eco-economic forest of downstream area of Tarim river in
2012and 2013.Soil volumetric water content in different soil layers during growing season were de-
termined by TDR.The results showed that,in each irrigation cycle,the fade away of 20cm soil mois-
ture content was obvious in the early,the fade away of 80cm soil moisture content was obvious in the
late,and 40-60cm soil moisture stabilization layer ensured jujube growing wel.Actual daily water
consumption presented an increasing and then decreases and then increasing trend during the growing
stages,the actual water consumption for jujube growing is 639.26mm.Folowing local irrigation
habits and referring to soil moisture subside features of root irrigation,root irrigation management
system has been developed.
Key words Soil volumetric water content;Water consumption regularity;Irrigation system;Root
irrigation
  塔里木河流域蒸发强烈,降水稀少,年降水量
约为107mm,年水面蒸发潜力达1 400~2 000
mm[1]。塔里木河是该区域主要的水源,但因管
理不当等原因[2],流域来水量呈现逐渐减少的趋
势[3]。随着各用水单元需水量的日益增加更加剧
了需水矛盾,造成了塔里木河流域可利用水资源
紧缺的严峻形势。
红枣是塔里木河下游主要经济作物之一,该
地区红枣种植以漫灌为主,灌溉定额达15 000~
18 000m3/hm2,这种灌溉方式造成了水资源的极
度浪费[4]。
根灌是依托传统滴灌系统设施,采用导水管
将灌溉水分直接输送至植物根系土壤层,以实现
灌溉水分低蒸发损失、甚至无水分蒸发损失的节
水技术[5-6]。该技术在塔里木公路防护林试验中
取得了很好的效果,较地面滴灌节水30%以上。
史学斌等[7]、鲍忠文等[8]在塔里木河下游进行的
根灌与滴灌蒸发试验表明,根灌技术将水分直接
输送至一定深度的土壤层,可以有效缓解表层土
壤体积含水量的增加,缓解表层土壤蒸发量,土壤
蒸发损失量仅为滴灌条件下的1/2,是一种比滴
灌更节水的灌溉方式。
本研究依托塔里木河下游绿洲农田系统建立
的红枣根灌试验区,在不干涉红枣管理者灌溉习
惯的前提下开展红枣灌溉试验。采用TDR土壤
水分测定仪,以0.5h为间隔,不间断监测红枣生
长期土壤体积含水量的动态变化,用自架的微型
气象站监测气象条件变化,分析红枣在整个生长
期的耗水规律,通过灌溉试验揭示根灌较漫灌的
节水特性,并依据当地农户灌溉管理经验制定红
枣根灌节水灌溉制度。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验区位于新疆生产建设兵团农二师三十三
团所辖乌鲁克镇(87°06′E,40°47′N,海拔855~
863m)东南8km的红枣生态经济林。该红枣生
态经济林所种枣树为6年生骏枣和灰枣,由当地
农户承包,共4hm2,行距1.5m,株间距0.5m,
其中试验区面积0.44hm2,灌溉主要依托塔里木
河河水和卡拉水库水。该地区属暖温带大陆性荒
漠气候,光照充足,降水稀少,蒸发强烈,昼夜温差
大,年平均降水量44.6mm,年平均蒸发量2 378
mm,年日照2 975.7h,年平均气温10.8℃,年平
均湿度50%,以东南风为主[9-10]。试验地位于塔
里木河下游冲积平原,属第四纪全新世沉积母
质[9-10]。地下水为埋深较浅(约1.4m)的微弱咸
水或咸水。试验区土壤颗粒组成及体积质量见
表1。
1.2 土壤体积含水量的测定
TDR是通过测定土壤的相对介电常数,从而
间接获得土壤体积含水量的一种测定方法[11],该
方法可以快速测定土壤体积含水量,受土壤类型
影响较小,不损坏土体,适合于表层和剖面的重复
连续测定,分辨率高,精度高[12]。采用TDR法测
定土壤体积含水量,TDR布置于红枣试验地田
间,探头采用横插式埋于20、40、60、80和100cm
的土壤垂直剖面。采样间隔为0.5h。
表1 土壤颗粒组成和体积质量
Table 1 Soil particle composition and volumic mass density
土层深度/cm
Soil depth
砂粒含量/%
Sand content
粘粒含量/%
Clay content
粉粒含量/%
Silt content
体积质量/(g/cm3)
Volumic mass
土壤类型
Soil type
10  96.39  3.20  0.40  1.46 砂土Sand soil
20  95.74  3.74  0.53  1.49
30  98.93  1.06  0  1.46
40  97.47  2.53  0  1.48
42.5  97.34  2.14  0.53 -
50  47.00  42.00  11.00  1.39 粘壤土Clay loam
60  56.12  31.07  12.84  1.33
70  39.61  51.87  8.54  1.60
80  81.73  15.74  2.53  1.54 砂壤土Sandy loam
90  90.20  9.80  0  1.51
100  87.47  12.53  0  1.48
·39·11期 马文艺等:塔里木河下游枣树根灌需水量与灌溉制度研究
1.3 气象资料的获取
气象数据采用PC-4气象数据自动采集系统
采集,采集间隔为0.5h,每项数据包含温度、湿
度、露点温度、瞬时风速、风向、2min平均风速、
10min平均风速、雨量、蒸发和辐射。
1.4 枣树耗水规律计算
红枣在整个生长期的耗水规律可以通过水量
平衡原理进行分析。根据《灌溉试验规范》(SL13
-2004)中的水量平衡计算公式计算各物侯期的
耗水量[13]。水量平衡计算公式:ET1-2=10 H(θ1
-θ2)+M+P+K-C,式中:ET1-2为计算时段内
红枣田间耗水量(单位为 mm),H 为计划湿润层
厚度(单位为cm),θ1 和θ2为土壤在时段初和时段
末的体积含水率,M 为时段内的灌水量或灌水定
额(单位为mm),P为时段内有效降雨量(单位为
mm),K 为时段内地下水补给量(单位为 mm),C
为时段内排水量(单位为mm)。
实测数据表明,除受灌水影响之外,1m处土
壤体积含水量未增加,可认为试验区不存在地下
水补给。试验过程又无排水,K和C均可忽略不
计。试验地区年均降水量44.6mm,年均蒸发量
2 378.4mm,降水对土壤含水率无明显影响,P
可忽略不计。故水量平衡计算公式可简化为:
ET1-2=10 H(θ1-θ2)+M0 据此可计算红枣各生
长阶段的耗水量。
1.5 红枣生长期的划分
参考魏光辉[4]的研究结果并结合监测结果,
划分该地区红枣生长期,以便科学合理的分阶段
计算红枣耗水量和作物系数(表2)。
2 结果与分析
2.1 不同土层土壤体积含水量历时变化
由图1可知,距地面20cm和80cm土壤体
积含水量的变化趋势基本一致,均在灌水后1~
2d达到最大值,而后降低趋势趋于平缓。但在
9月停灌后,20cm 土壤体积含水量变化平缓,
80cm土壤体积含水量下降明显。在40cm 和
60cm土壤体积含水量的变化趋势基本一致,在
灌水后1~2d,土壤体积含水量达到最大值,而后
呈较为平缓的下降趋势,9月停灌后呈较为明显
的下降趋势。100cm土壤体积含水量无明显变
化。分析红枣生长期土壤体积含水量的变化发
现,土壤水分的消退主要集中在20cm和80cm
土层,40cm和60cm土层土壤水分消退不明显。
40~60cm土层相对稳定的土壤体积含水量保证
了红枣的正常生长。0~80cm土层剖面土壤平
均体积含水量最低为31.43%。红枣是耐旱植
物,生长期间的最低土壤体积含水量可以作为根
灌灌溉制度的参考。
2.2 红枣不同生长期耗水量与耗水强度
采用FAO-56报告[14]推荐的蒙曼公式法计
算红枣不同生长期参考作物蒸散发量,在红枣萌
芽期、抽枝展叶期和初花期参考作物蒸发量约为
表2  红枣物侯期
Table 2 Phonological stages of jujube
序号
Serial
number
物侯期
Growth
stage
日期
Date
1 萌芽期Germination stage  04-01-04-20
2 抽枝展叶期Recovery stage  04-21-05-20
3 初花期Initial-bloom stage  05-21-06-15
4 盛花期Ful-bloom stage  06-16-06-30
5 幼果期 Young fruit stage  07-01-07-20
6 果实膨大期Fruit expanding stage  07-21-09-20
7 成熟期 Mature stage  09-21-10-20
图1 2012年红枣生长期不同土层土壤体积含水量历时变化
Fig.1 Volumetric water content of soil at different depths during jujube growing season in 2012
·49· 西 北 农 业 学 报 23卷
2~4mm;在红枣盛花期以及幼果期,参考作物蒸
发量约为4~7mm;在果实膨大期以及成熟期,
参考作物蒸发量约为2~4mm。
根据简化后的水量平衡计算公式计算红枣生
长期日耗水量变化(图2)。结果表明,红枣整个
生长期日耗水量变化波动较大,但整体上呈先增
大后减小再增大的“双峰曲线”形式。由表3可
知,红枣整个生长期的耗水强度表现为:盛花期>
成熟期>果实膨大期>初花期>幼果期>抽枝展
叶期>萌芽期;生长期耗水量表现为:果实膨大期
>成熟期>初花期>幼果期>抽枝展叶期>盛花
期>萌芽期。萌芽期塔里木地区气温较低,枣树
的叶子没有展开,植物蒸发蒸腾量较小,耗水强度
与耗水量都较低;抽枝展叶期与初花期,气温开始
升高,太阳辐射增强,枣树树叶开始完全打开,蒸
发蒸腾耗水量增加,红枣耗水强度与耗水量在增
加;盛花期和幼果期枣树生长旺盛,太阳辐射强
烈,蒸发蒸腾量较大,耗水强度也较大;果实膨大
期和成熟期时间跨度较大,红枣耗水量最大,依照
农户管理经验,在这一时期灌水量和灌水强度较
其他生长期大,耗水强度也较大。在果实成熟期,
气温明显下降,枣树新梢也停止生长,这个时期水
分消耗量较少,为控制枣树的品质,应该控制灌水
量[15]。红枣整个生长期的耗水量为639.26mm。
2.3 漫灌与根灌的灌水效率对比分析
2013年红枣生长期共灌水7次,选择前4次
的灌水进行对比分析。第1次灌水于4月4日进
行,春灌,为大水漫灌,灌水量为250mm;第2次
灌水于5月4日进行,为漫灌,灌水量为250mm;
6月15日进行第3次灌水,为根灌,灌水量为
120mm;7月21日进行第4次灌水,为根灌,灌
水量为120mm。4次灌溉均为过量灌溉。灌溉
前后土壤体积含水量的对比见图3。
土壤水分增量计算公式:W=∑Hi(θr-θo),
式中:W 为土壤水分增量(单位为mm);Hi为第i
层土层厚(本研究中为200mm),θr为第i层土层
灌后土壤体积含水量,θo 为第i层土层灌前土壤
体积含水量。
通过计算土壤水分增量可知,第1次灌水后
1m土层土壤体积含水量增加109.8mm,灌水效
率为43.92%;第2次灌水后1m土层土壤体积
含水量增加48.4mm,灌水效率为19.36%;第3
次灌水后1m 土层土壤体积含水量增加90.8
mm,灌水效率为75.67%。第1次漫灌为春灌,
是红枣经历整个冬季的无灌水时期,土壤体积含
水量处于很低的水平,灌水利用效率为43.92%;
而第2次漫灌灌水利用效率仅有19.36%,是因
为第2次漫灌前土壤含水量较第1次高,而漫灌
图2 2012年红枣生长期日耗水量变化
Fig.2 Daily water consumption during jujube growing stages in 2012
表3 红枣不同生长期耗水量
Table 3 Jujube water consumption at different growth stages
生长期
Growth
period
萌芽期
Germination
stage
抽枝展叶
Recovery
stage
初花期
Initial-bloom
stage
盛花期
Ful-bloom
stage
幼果期
Young
fruit stage
果实膨大
Fruit expanding
stage
成熟期
Mature
stage
总计
Total
耗水强度/(mm/d)
Water-consuming intensity 1.26  2.03  3.14  4.86  3.13  3.49  4.43 -
耗水量/mm
Water-consumption 25.24  62.09  81.54  52.09  62.63  216.1  138.76  639.26
·59·11期 马文艺等:塔里木河下游枣树根灌需水量与灌溉制度研究
属于过量灌溉,土壤水分达到饱和土壤体积含水
量就不会再增加。第3次和第4次为根灌,灌水
效率分别为75.67%和30.00%,高于第2次漫
灌,为保证与红枣生态林的土壤墒情一致,实行过
量灌溉,灌水效率并未达到预期的90%以上。
2.4 根灌灌后土壤体积含水量的变化过程
2013年6月15日14:00进行根灌灌水试
验,6月16日9:30停灌,灌水19.5h,灌水定额
120mm。整个灌水周期土壤体积含水量变化见
图4。分析可知,在整个灌水周期内,40cm 和
60cm土壤体积含水量变化不明显,但土壤体积
含水量均高于40%,可保证红枣生长的正常水分
需求。灌溉周期的前期,即6月16日至6月26
日,土壤水分的消退主要集中在20cm土层,此时
20cm土层土壤体积含水量消退至29.1%,之后
不再降低且有略微的上升;灌溉周期的后期,即6
月26日至7月21日,土壤水分的消退主要集中
在80cm土层,此时1m土层土壤体积含水量并
未增加,实测过程中发现枣树的根系分布在
0~40cm土层。这说明红枣生长首先利用表层土
A.4月4日4April;B.5月4日4May;C.6月15日15June;D.7月21日21July
图3 2013年4次灌水前后土壤体积含水量变化分析
Fig.3 Analysis of soil volumetric water content before and after four times of irrigation in 2013
图4 2013年6月15日根灌后土壤体积含水量变化分析
Fig.4 Analysis of soil volumetric water content after root irrigation on June 15,2013
·69· 西 北 农 业 学 报 23卷
壤水分,而后通过毛管力作用利用深层土壤水分。
6月15日灌水前0~80cm土层剖面的土壤平均
体积含水量为32.15%;灌水35d后,即下次灌水
前,0~80cm土层剖面的土壤平均体积含水量为
32.75%,均要高于该土层剖面2012年红枣正常
生长期的最低土壤体积含水量(31.43%),这说明
根灌灌水定额120mm 可以满足红枣正常生长
35d的需求。
2.5 红枣根灌灌溉制度
2.5.1 红枣根灌需水量 如需确定红枣林的灌
水量需先确定红枣的实际需水量。2012年全年
红枣正常生长的实际耗水量可认为是红枣的实际
需水量。
根灌是将水分直接灌溉到植物根系区域,可
以最大程度地减少水面蒸发耗水。采取“少量多
灌”的灌溉方式,也可最大程度地减少深层渗漏。
因此,红枣生长期实际需水量即可认为红枣根灌
灌水量(表3)。
2.5.2 红枣根灌灌溉周期 灌溉周期计算公式:
T=M/ETa,式中:T 为灌溉周期(单位为d),M
为灌溉定额(单位为 m3/hm2),ETa 为日耗水量
(单位为 m3/hm2)。在研究中发现,考虑漫灌灌
溉的人力物力成本以及研究区域的供水情况,枣
树管理者灌溉周期约为20d。由图4可知,在根
灌灌水定额120mm 时可以满足红枣正常生长
35d的水分需求。为保证红枣正常生长,并进一
步减少深层渗漏,并参考当地供水情况(约20d
供水1次),采用“少量多灌”的灌溉方式,将现有
的灌水定额和灌水周期均乘以3/5,认为灌溉定额
为72mm时可以满足红枣正常生长21d的水分
需求。
2.5.3 红枣根灌节水灌溉制度 2012年试验红
枣生态经济林中的红枣为嫁接第4年的骏枣和灰
枣,为掌握灌溉规律,不干涉当地管理者的灌溉方
法,在试验过程中,记录农户灌水规律、灌水量等
参数,见表4。
  根据红枣实际耗水规律、红枣管理者的灌溉
规律和2013年根灌土壤体积含水量变化,制定红
枣根灌节水灌溉制度(表5)。红枣整个生长期总
共灌水9次,灌水量1 004mm。其中,4月进行
春季漫灌,灌水定额250mm;红枣抽枝展叶期、
初花盛花期和座果期分别灌水1次、2次和2次,
灌水周期20d,灌水定额72mm;果实膨大期需
充分灌水以满足果实生长,灌水2次,灌水周期
20d,灌水定额72mm;11月进行冬季漫灌。
表4 2012年红枣生态经济林灌溉管理规律
Table 4 Irrigation management rules of jujube eco-economic forest in 2012
灌水时期
Growth stage
灌水时间
Irrigation time
灌水次数
Times
周期/d
Period
定额/mm
Quota
萌芽期Germination stage  4月 April  1 - 250
抽枝展叶期Recovery stage  5月 May  1  20  250
初花盛花期Initial-bloom and Ful-bloom stage  6月June  2  20  250
坐果期Young fruit stage  7月July  2  20  250
果实膨大期Fruit expanding stage  8月 Augest  2  20  250
成熟期 Mature stage 9
月至10月
Form September to Octobe 0 - 0
休眠期Dormant stage  11月 November  1 - 250
总计Total  9 - 2 250
表5 红枣根灌节水灌溉制度
Table 5 Jujube root-zone irrigation system
灌水时期
Growth stage
灌水时间
Irrigation time
灌水次数
Times
周期/d
Period
定额/mm
Quota
萌芽期Germination stage  4月 April  1 - 250
抽枝展叶期Recovery stage  5月 May  1  20  72
初花盛花期Initial-bloom and Ful-bloom stage  6月June  2  20  72
坐果期Young fruit stage  7月July  2  20  72
果实膨大期Fruit expanding stage 8
月 Augest
9月至10月Form September to Octobe2  20  72
成熟期 Mature stage  11月 November  0 - 0
休眠期Dormant stage  4月 April  1 - 250
总计Total - 9 - 1 004
·79·11期 马文艺等:塔里木河下游枣树根灌需水量与灌溉制度研究
3 结论与讨论
2012年在不干预红枣生态林管理方式的前
提下,运用TDR实时监测分析大水漫灌条件下
红枣整个生长期耗水规律。结果表明,在漫灌条
件下,红枣整个生长期的耗水规律呈现先增大后
减小再增大的“双峰曲线”变化趋势,这与彭曼公
式模拟算出的“单峰曲线”结果不一致,也与杨慧
慧等[16]的研究结果不符,这是因为红枣生长期的
耗水强度和耗水量与灌水强度和灌水量有关,灌
水强度和灌水量增加红枣的耗水强度也会增
加[16-17],而在当地农户的管理方式下,红枣生长后
期灌水强度和灌水量均较大。红枣整个生长期的
耗水强度表现为:盛花期>成熟期>果实膨大期
>初花期>幼果期>抽枝展叶期>萌芽期;生长
期耗水量表现为:果实膨大期>成熟期>初花期
>幼果期>抽枝展叶期>盛花期>萌芽期。整个
生长期耗水639.26mm。
红枣生长期间不同土层土壤体积含水量的消
退具有明显差异。其中,试验地42.5~60cm因
存在一层持水性能较好的黏壤土层,土壤体积含
水量消退不明显,这是土壤体积含水量的稳定层,
保证红枣的正常生长。在灌溉周期前期,红枣生
长耗水主要集中在20cm土层;而在灌溉后期,尤
其是在停灌一段时间以后,土壤体积含水量的消
退主要集中在80cm土层。
分析灌溉过程的灌水效率可知,2013年4月
份春灌的灌水效率为43.92%,而2013年5月份
的漫灌灌水效率仅有19.36%,说明漫灌的灌水
效率很低,在一定程度上已造成塔里木地区水资
源的浪费。2013年6月进行根灌,是过量灌溉,
可以维持枣树正常生长,灌水效率为75.67%。
根据红枣实际耗水规律和根灌条件下土壤体
积含水量变化规律,并尊重红枣管理者的灌溉习
惯,制定了红枣根灌节水灌溉制度。红枣整个生
长期共灌水9次,灌水量1 004mm。其中,4月
进行春灌,灌水定额250mm;红枣抽枝展叶期、
盛花期和做果期分别灌水1次、2次和2次,灌水
周期20d,灌水定额72mm;果实膨大期需充分
灌水以满足果实生长,灌水2次,灌水周期20d,
灌水定额 72 mm;11月进行冬灌,灌水定额
250mm。
由于研究时间较短,研究过程中的限制性因
素如灌水周期等较多,本研究所制定的根灌灌溉
制度仅能作为参考,灌溉制度还需根据红枣长年
的根灌灌溉情况及生长情况进行调整。根灌是在
原有滴灌系统的基础上,利用导水管直接将水肥
灌溉至作物根系土层,可以降低土壤蒸发失水,提
高水肥的利用效率。根灌技术在塔里木防护林的
试验与应用中取得了很好的效果,在红枣经济林
的应用处于试验阶段,需要进一步研究其节水节
肥和增产效果。
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SI词头
因数 英文名称 中文名称 符号
1024  yotta 尧[它] Y
1021  zetta 泽[它] Z
1018  eza 艾[可萨] E
1015  peta 拍[它] P
1012  tera 太[拉] T
109 giga 吉[伽] G
106 mega 兆 M
103 kilo 千 k
102 hecto 百 h
101 deca 十 da
10-1  deci 分 d
10-2  centi 厘 c
10-3  mili 毫 m
10-6  micro 微 μ
10-9  nano 纳[诺] n
10-12  pico 皮[可] p
10-15  femto 飞[母托] f
10-18  atto 阿[托] a
10-21  zepto 仄[普托] z
10-24  yocto 幺[科托] y
·99·11期 马文艺等:塔里木河下游枣树根灌需水量与灌溉制度研究