紫花苜蓿耗水规律研究

紫花苜蓿耗水规律研究方法

刘爱红，孙洪仁，谢 勇，孙雅源，刘治波，丁 宁

（1.中国农业大学草地研究所，北京 100193；2.四川农业大学动物科技学院草业科学系，四川雅安

625014） 11*2121

摘要：为了给紫花苜蓿耗水规律研究方法的选择提供依据，本文首先系统介绍了紫花苜蓿耗水规律的主要内容（耗水量、需水量、耗水强度、需水强度、耗水系数和水分利用效率）及其相互关系，得出了耗水量和需水量是紫花苜蓿耗水规律研究关键点的结论；然后对耗水量和需水量的研究方法进行了归纳、分类和评述，结论为：田间测定法真实，但精确度偏低，在地下水位低、土壤含水量测定取样深度足够深时可以考虑采用；小型称重式蒸渗仪法代表性差，但设施投入成本低，适宜于进行比较研究；大型称重式蒸渗仪法代表性好，精确度高，但设施投入成本高、建设难度大，适宜于经济实力较强的单位采用；大型非称重式蒸渗仪法，代表性好，精确度较高，设施投入成本及建设难度适中，为我国作物耗水规律研究的标准方法，建议采用；彭曼—蒙特斯（Penman-Monteith ）公式法可以用于估算耗水规律的部分内容——需水量和需水强度，不需建造试验设施，不需复杂的设备，利用一般气象资料计算出参照作物腾发量，结合作物系数即可获得需水量的估计值，精确度可以接受，应用价值较高；波文比—能量平衡法和遥感法已被用于农田蒸散量研究，在紫花苜蓿耗水规律研究中有望得到应用。

关键词：紫花苜蓿；耗水规律；研究方法；蒸渗仪；Penman-Monteith 公式；

耗水规律是作物合理灌溉、产量预测和灌溉工程设计的基础，亦是水资源不足条件下对其进行合理配置（种植业与其它产业之间及种植业内部各种作物之间）的前提。紫花苜蓿

，研究其耗水规律（Medicago sativa L.）为全球最重要的栽培牧草，被誉为“牧草之王”

[1，2]。紫花苜蓿耗水规律的研究方法较多，不同方法之间差别较大，各有所长。具有重要意义

本文在对紫花苜蓿耗水规律的主要内容及其相互关系进行系统介绍的基础上，对紫花苜蓿耗水规律研究关键点——耗水量和需水量的研究方法进行了归纳、分类和评述，旨在为紫花苜蓿耗水规律研究方法的选择提供依据。

1 耗水规律的主要内容

1.1 耗水量 耗水量（water consumption）是在植物生产过程中植物蒸腾(transpiration )、土壤蒸发（evaporation ）、植物表面蒸发及构建植物体（有机质的合成原料，细胞液和胞间液的组分等）消耗的水分数量之和，亦称蒸腾蒸发量、腾发量、蒸散量（evapotranspiration ，

3[3]ET ），其常用单位为mm、m、t等。

1.2 需水量 需水量（water requirement）属于耗水量的一个特例，是在健康无病、养分充足、土壤水分状况最佳、大面积栽培条件下，植物经过正常生长发育，在给定的生长环境

[3]下获得高产情形下的耗水量。

1.3 耗水强度 耗水强度（water consumption rate）是单位面积的植物群体在单位时间内

32[1]的耗水量，亦称蒸散强度（evapotranspiration rate），常用单位为mm/d或m /(d.hm) 。

1.4 需水强度 需水强度（water requirement rate）属于耗水强度的一个特例，是单位面

32[1]积的植物群体在单位时间内的需水量，常用单位亦为mm/d或m /(d.hm) 。

1.5 耗水系数 耗水系数（water consumption coefficient）是植物耗水量与生物产量（干物质）或经济产量（植物可收获的、具有经济价值并作为主要生产目标部分的产量；对于牧草而言，经济产量为含水量14%的干草产量）之比值，其中耗水量、生物产量、经济产

[3]量的单位为同级质量单位,无量纲。

1.6 水分利用效率 水分利用效率（water use efficiency）是单位面积土地上植物消耗单位

水量所形成的生物产量（干物质）或经济产量，常用单位为kg/(mm.hm) 。

2 耗水规律主要内容之间的关系

2.1 耗水强度与耗水量

耗水强度等于耗水量与生长天数的比值。

WCR=WC/T---------------------------------------------(1)

式（1）中WCR 为耗水强度，单位为mm/d；WC 为耗水量，单位为mm；T 为时间，单位为d。

2.2 需水强度与需水量

需水强度等于需水量与生长天数的比值。

WRR=WR/T---------------------------------------------(2)

式（2）中WRR 为需水强度，单位为mm/d；WR 为需水量，单位为mm；T 为时间，单位为d。

2.3 耗水系数与耗水量

耗水系数等于耗水量与生物产量（干物质）或经济产量的比值。

WCC b = WC/Yb ------------------------------------------------（3）

WCC e = WC/Ye ------------------------------------------------（4）

式（3）、（4）中WCC b 和WCC e 分别为生物产量耗水系数和经济产量耗水系数,无量纲；WC 为耗水量，单位为t；Y b 和Y e 分别为生物产量（干物质）和经济产量，单位为t。

2.4 水分利用效率与耗水量

水分利用效率等于生物产量（干物质）或经济产量与耗水量的比值。

WUE b =Ybph /WC ----------------------------------------------(5)

WUE e =Yeph /WC ----------------------------------------------(6)

式（5）和（6）中WUE b 、WUE e 分别为生物产量和经济产量水分利用效率，单位为2[1]kg/( hm2.mm) ；Y bph 和Y eph 分别为1 公顷草地的生物产量（干物质）和经济产量，单位

2为kg/hm；WC 为耗水量，单位为mm 。

由2.1～2.4不难看出，牧草耗水规律研究的关键点在于耗水量和需水量。只要获得了该二项数值，结合生长天数就可以计算出耗水强度和需水强度；结合产草量就可以计算出耗水系数和水分利用效率。

3 紫花苜蓿耗水量和需水量的研究方法

3.1 田间测定法

在田间自然条件下依据土壤水分平衡方程直接测算作物耗水量和需水量，土壤水分平衡方程为：

ET=P+I+U-D-R-ΔW ——————————————————————（7）

式（7）中：ET为测定时段内耗水量或需水量，P为测定时段内降雨量，I为测定时段内灌溉量，U为测定时段内进入根系层的毛管上升水量，D为测定时段内流出根系层的深层渗漏量，R为测定时段内地表径流量，ΔW 为测定时段末期与始期土壤根系层贮水量之差，单位皆为mm 。

利用田间测定法研究紫花苜蓿耗水规律的历史比较悠久。采用田间测定法，Jackson

[4]（1960）在澳大利亚艾丽斯斯普林斯进行了紫花苜蓿耗水规律研究；李跃进等（1990）在

[5] 仇化民等内蒙古南部黄土丘陵区和林格尔县研究了紫花苜蓿全生育期耗水量和耗水强度；

（1993）在甘肃黄土高原定西、通渭、西峰和华池研究了紫花苜蓿全生育期耗水量；李代

[7]琼等（1996）在陕北黄土丘陵区安塞县研究了峁顶和川地紫花苜蓿耗水量。尹雁峰（1997）

[8]在河北南皮县研究了紫花苜蓿需水量；李玉山（2002）在陕北黄土丘陵区长武县研究了紫

[9]花苜蓿的生长季、非生长季和全年耗水量；范文波等（2003）在新疆石河子垦区对紫花苜

[10]蓿各生育阶段和全生育期的耗水量和耗水强度进行了研究；孟林等（2003）北京市顺义区

[11]三高农业示范园区研究了不同灌溉量对紫花苜蓿耗水规律的影响。

田间测定法的优势在于环境真实，代表性好，且无需建造测定装置，成本低。但由于地表径流（R），尤其是毛管上升水（U）、深层渗漏量（D）及侧向渗透等测定较为困难，常常被忽略不计，因此测定结果准确度差。由于精度不高，测定的时间间隔常为十天以上。

3.2 小型称重式蒸渗仪法

小型蒸渗仪通常圆筒状，直径十厘米至数十厘米不等，深数十厘米至1米左右。标准圆

22形测筒横截面积不宜小于0.30m ，其它形状测筒不宜小于0.36m 。筒底设孔，筒内水分超出

土壤持水能力时，自底孔渗出。制造测筒的材料，取决于计划使用的年限。使用时间短（三年以下）者可以用镀锌铁皮、铝皮、塑料等制作，使用时间长（三年以上）者需采用钢板、玻璃板、玻璃钢板等。对金属测筒要涂漆进行防锈蚀处理，并把筒壁涂上白色涂料。筒内填上原状土或按自然层次分层填土。分层填土须提前一个月左右进行，填土后浇水，使筒内土壤趋于紧实，并观测土壤容重、饱和含水率与田间持水量，使其接近田间情况。土面距筒顶10cm ，筒内按设计要求种植牧草及从事农业操作与安排灌溉措施。在田间埋设无底套筒，套筒直径稍大于测筒，将测筒置于套筒内。若测筒较多，亦可用砖或钢筋混凝土分排修建测筒放置坑，把筒置于坑内，筒间距以便于操作为度。测筒的土面应与农田田面齐平。测筒可用吊秤或台秤称重。

通常每旬设为一个测定周期，每个周期测定3个单日行内质量蒸散量。测定前给蒸渗仪灌水至田间持水量，渗漏2 d后开始测定，连续4 d于每日之17～18时称重。相邻2次称重之差即为日行内质量蒸散量。3个单日平均值代表该旬日均行内质量蒸散量。一个测定周期中，若遇降雨则暂停测定，雨后2 d进行补测。

计算公式为： [6]

ET = 10×ET m / S ——————————————————————（8）

式（8）中ET 为耗水量或需水量，单位mm ；ET m 为质量蒸散量，单位g ；S 为蒸渗仪上口面积，单位cm 2。

采用小型称重式蒸渗仪法，陈凤林和刘文清（1982）在内蒙古锡林浩特研究了生长第1年紫花苜蓿不同年度的需水规律[12]；孙洪仁（2004）在北京平原区研究了建植当年紫花苜蓿

[13，14]的需水规律、耗水系数和水分利用效率；孙洪仁（2006）在北京平原区研究一年生和

[15]二年生紫花苜蓿水分利用效率和耗水系数的差异。

小型称重式蒸渗仪法的优势是仪器设备简单，成本低廉，易于实施。但筒内水分热量调节较难，植株代表性稍差。小型称重式蒸渗仪测定结果的准确性存在争议，有些人对该法表示怀疑，有人还专门做过小型称重式蒸渗仪与大型称重式蒸渗仪的对比试验。

3.3 大型称重式蒸渗仪法

大型称重式蒸渗仪主要包括蒸渗仪，称重系统和主机系统三部分。大型蒸渗仪通常为圆柱形或立方体形，底部设渗漏孔，与盛水容器相连。蒸渗仪底部是埋设好的称重装置。由于蒸渗仪重量的变化会使称重杠杆产生位移，主机系统将位移变化量转变为重量。计算公式 为：

ET = E 1﹣E 2﹢P ﹣I﹣D———————————————————（9）

式（9）中，ET 为耗水量或需水量，E 1、E 2分别为蒸渗仪测定时段始、末重量折算水深， P 和W 分别为测定时段内的降水量和灌溉水量，D 为测定时段内土壤水分渗漏量，单位皆为mm 。

采用大型称重式蒸渗仪法，Wright （1988）在美国爱达荷州开展了紫花苜蓿的需水量和

[16]需水强度的研究；杨启国等（2003）在甘肃定西研究了刈割对紫花苜蓿耗水量和耗水强度

[17]的影响。

大型称重式蒸渗仪可以获得逐日耗水量值，精确度可以达到0.02mm。世界气象组织（WMO ）指出，大型称重式蒸渗仪对其内部土柱环面积与土壤表面积之比敏感，故推荐最

[18]小直径2m，深度1.5m 。位于中国科学院禹城综合试验站内，建成于1991年2月底的大型

称重式蒸渗仪可以同时测定蒸发蒸腾量和地下水对土壤水的补给量，实际测量精度可达

[19]0.016mm 。孙强等将现代计算机测控技术运用在大型称重式蒸渗仪中，使其在结构、精度

[20]和功能上有了重大改进和提高。

该方法优点是结果准确，精确度高，可获得以日为单位的动态数据，代表性较好。但仪器设备复杂，建造难度大，建造成本高。在苜蓿耗水规律研究中应用尚不是很多。

3.4 大型非称重式蒸渗仪法

大型非称重式蒸渗仪法又称坑测法。通常采用有底测坑，除上部外，底部和四周皆与环境阻断水热交换，利用混凝土或其他隔水材料把蒸渗仪底部及四周与外界环境隔离开，将毛管上升水控制为零，同时配备渗漏排水装置。测坑应为矩形或正方形。测坑面积1至数平方

2米，标准测坑面积不宜小于4m 。测坑深度通常1至2米。测坑内装土深度宜在0.8～2.0m

范围内，应超出作物根层深度0.1～0.2m。测坑内土层下面应设滤层（由上至下为细沙、粗沙、碎石），厚20cm 以上。滤层底部应设侧向排水管，管上应设可以调节、控制、测定底部渗漏量的装置。测坑的坑壁在地面以上部分应为薄壁，壁顶总面积不应超过坑内土壤表面积的5%。向测坑或测筒中灌水的设施，应能使其中土壤湿润均匀，能调节、控制、测定水量。附近不应有影响气流正常运动的障碍物，周围应种植与测坑或测筒内同类的作物，其宽度应

[21]不小于20m 。

依据土壤水分平衡方程确定耗水量。计算公式为：

ET=P+I-D-ΔW ———————————————————（10）

式（10）中：ET为测定时段内耗水量或需水量，P为测定时段内降雨量，I为测定时段内灌溉量， D为测定时段内流出根系层的深层渗漏量，ΔW 为测定时段末期与始期土壤根系层贮水量之差，单位皆为mm 。

降雨量可从当地气象部门获得，或通过安装自动气象站获得。灌溉量可用水表测量，或用具有刻度的水桶计量。渗漏水可采用水桶收集，用量筒测定。

土壤含水量测定方法包括烘干法、中子仪法、时域反射仪（TDR）法和FDR 法。烘干法是经典的标准方法，具有测定结果准确、仪器设备成本低等优点，但是过程麻烦、效率低、不便于动态监测。中子仪法只需在测量时将探头放入预先埋设好的导管内，测量过程不用取样，测量快速简便，但存在表层测定误差大和辐射污染问题。时域反射仪（TDR）法已成为

[22]当今世界上的主流方法，TDR具有快速准确、连续测定等优点，但仪器设备成本高。频域

反射仪（FDR）法应用历史较短，除测定精度略低（但完全可以满足耗水规律研究需求）外，具有TDR 法的一切优点，方便、快速、不扰动土壤，可在同一地点进行多次测量。而且具有更广的工作频率范围，测量水分的范围宽，不受滞后影响，准确性不受测量时间精度的影响。还可与自动记录系统和计算机连接，被越来越多地用于自动、连续地定点监测土壤的动态含

[23]水量。

采用大型非称重式蒸渗仪法，Samnis （1981）在美国新墨西哥州研究了充分和亏缺灌溉

[24]对紫花苜蓿耗水规律的影响。赵淑银（1996）在内蒙古呼和浩特研究了刈割对紫花苜蓿需

水规律的影响。李桂荣（2003）在河北沧州研究生长第1和2年紫花苜蓿的耗水规律。

[27，28]。 孙洪仁等（2008）、马令法等（2009）在河北坝上地区研究紫花苜蓿的耗水规律

该法测定结果比较准确，代表性较好，建造成本适中，为耗水规律研究的标准方法。

3.5 彭曼—蒙特斯（Penman-Monteith ）公式法

FAO 推荐的彭曼—蒙特斯（Penman-Monteith ）公式用于估算作物需水量。作物需水量ET 通过参照作物腾发量ET 0和作物系数k C 求得，计算公式为：

ET = ETo ×k c

参照作物腾发量为一种假想的参照作物冠层的腾发速率。假设作物高度为0.12m，固定的页面阻力为70s/m，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全遮盖地面而不缺水的绿色草地的蒸腾和蒸发量。统一化、标准化的Penman-Monteith 公式为：

[25][26]

上式中：ET 0为参照作物腾发量(mm); Rn 为作物表面的净辐射量(MJ/m2/d);G为土壤热通量(MJ/m2/d);u 2为2m 高处的日平均风速(m/s);e s 为饱和水汽压(KPa);ea 为实际水汽压(KPa);Δ

[29]为饱和水汽压与温度曲线的斜率(KPa/℃);γ为干湿表常数(KPa/℃)。

作物系数由两部分组成：

k c = ks k cb + ke

式中：k cb 为基本作物系数，是表面干燥而根区土壤平均含水率满足作物蒸腾时ETC /ET0 的比值；k s 为水分胁迫系数，反映根区土壤含水率不足时对作物蒸腾的影响；k e 为土面蒸发系数，

在无水分胁反映灌溉或降雨后因表土湿润致使土面蒸发强度短期内增加对ETc 产生的影响。

迫条件下，k c = kcb + ke 。在无水分胁迫条件下，可利用分段单值平均法来计算作物系数。

[30]许翠平等人采用此方法推算了北京地区紫花苜蓿的灌溉定额。

Penman-Monteith 公式被FAO 定为计算参照腾发量ET 0的首选方法，是因为这一方法以能量平衡和水汽扩散理论为基础，既考虑了作物的生理特征，又考虑了空气动力学参数的变化，

[31]具有较充分的理论依据和较高的计算精度。

该法使用一般气象资料即可计算参照作物腾发量,不需建造试验设施，不需复杂的设备，精确度可以接受，实际应用价值较高。

3.6 波文比—能量平衡法

依据表面能量平衡方程,Bowen (1926)提出,在一给定表面,分配给显热的能量(H)与分配给蒸发的(λE)能量的比值,相对是常数,波文比β的公式是:

式中,K H 、K W 分别为温度、湿度的湍流交换系数, C p 为空气比定压热容，аθ和аθ分别为2个观测高度上的位温与湿度差，аZ 为观测高度差。目前在估算波文比时,均假设K H =KW ,即

[32]将上式简化为:

表面能量平衡方程为：Rn=λE+H+G

式中Rn 为到达地表面的净辐射通量;G 为土壤热通量; λE 为汽化潜热通量; λ为水的汽化潜热系数;H 为显热输送通量。

将波文比和能量方程联立得：

λE= （Rn ﹣G ）／(1﹢β)

H=( Rn﹣G) ／(1+1／β)

该方法优点是所需实测参数少,只需测量温、湿梯度2个参数，计算方法简单，不需要知道有关蒸散面空气动力学特性方面的信息，但对环境要求苛刻，国外有学者研究表明，平流热交换会对测定结果的准确性产生影响。许多学者利用这种方法研究植被以上感热和潜热通量，和测量森林蒸散。因此应用于苜蓿蒸散研究是可能的。

3.7 遥感法

遥感方法主要是根据热量平衡余项模式求取蒸散量。利用热红外遥感的多时信息获取不同时刻的表温度,从而求得土壤热通量,以此表达土壤湿度状况,并结合净辐射资料,推算大面积潜热通量与蒸散值。Brown 和Rosenberg (1985)根据能量平衡、作物阻抗原理建立的作物阻抗—蒸散模型,成为热红外遥感温度应用到作物蒸散模型的理论基础。近年来,应用高分辨率光谱辐射计研究植被光谱的动态变化、植被光谱与覆盖率及叶面指数的关系,为建立遥

[32]刘培君等研制的土壤水分遥感光谱法着眼于土壤水分与感农田蒸散模型提供了基本依据。

光谱的直接关系。对植被的影响,则拟采用遥感估算光学植被盖度,分解复合象元的原理,可排除植被的光谱信息,提取土壤水分的光谱信息。具体过程为利用近红外波段和低波长波段的光谱反射率差值可以提取植被信息,差值较大的为作物,差值较小的是裸土,负值可能是水体或湿土。

对大范围的调查对象，遥感法比传统调查方法不仅大大缩短了时间,而且节省大量的人力和财力，从而大大降低了调查费用;卫星遥感调查具有较强的超脱性和抗干扰性,能避免人为干扰。此方法在监测农田土壤水分变化的研究中得到应用，用于苜蓿耗水量的研究也是有可能的。

参考文献（略）