李豐琇 馬英杰

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院, 烏魯木齊 830052)

0 引言

蒸散(Evapotranspiration，ET)主要由土壤蒸發(fā)(E)和作物蒸騰(T)組成，是唯一既出現(xiàn)在地表能量平衡又出現(xiàn)在水量平衡中的要素[1]。其不僅在能量循環(huán)和水循環(huán)過程中起著極其重要的作用，也是連接生態(tài)與水文過程的重要紐帶[2]。因此聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and agricultural organization，F(xiàn)AO)利用ET0基于作物系數(shù)法估算農(nóng)田ET[3]。作物系數(shù)法可分為單作物系數(shù)法和雙作物系數(shù)法，雙作物系數(shù)法能夠區(qū)分計算E和T，能評估降雨、灌溉和覆膜等對土壤水分的影響[4]，并且在許多地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。樊引琴等[5]發(fā)現(xiàn)，在地面未被植株完全覆蓋的條件下，雙作物系數(shù)法比單作物系數(shù)法更接近實測值。馮禹等[6]利用葉面積指數(shù)修正雙作物系數(shù)法，計算了黃土高原地區(qū)春玉米ET，并認為該方法可以準(zhǔn)確地估算和區(qū)分ET。仝國棟等[7]將液流法測得的蒸散量和雙作物系數(shù)法計算出的蒸散量進行對比，認為雙作物系數(shù)法是估算桃樹蒸散量的有效方法。宿梅雙等[8]利用稱重式蒸滲儀，校驗了雙作物系數(shù)法模擬噴灌條件下冬小麥和糯玉米的需水規(guī)律，發(fā)現(xiàn)實測值和模擬值吻合良好。李毅等[9]通過單、雙作物系數(shù)法計算礫石覆蓋條件下小麥蒸散量，發(fā)現(xiàn)該模型具有一定適用性。

穩(wěn)定碳同位素技術(shù)是植物生理生態(tài)學(xué)研究中的新方法，其可靠和穩(wěn)定性已得到充分證實[10-14]。陳平等[15]運用穩(wěn)定碳同位素法和莖流計對核桃-菘藍/決明子復(fù)合模式不同生長時期的水分利用效率和耗水量進行了研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合模式比單作系統(tǒng)耗水量少。何春霞等[16]測算了核桃-小麥間作系統(tǒng)和單作小麥不同組分的穩(wěn)定碳同位素組成和核桃樹干液流，并計算出水分利用效率和耗水量，結(jié)果表明單作小麥比間作小麥的總耗水量高。

圖1 小區(qū)布置圖Fig.1 Diagram of plot arrangement

目前，利用雙作物系數(shù)法估算和區(qū)分作物ET的研究，多在濕潤及半濕潤地區(qū)進行，且以水量平衡法、大型稱重式蒸滲儀及莖流計等方法驗證模型在完全覆膜或裸地條件下的準(zhǔn)確性。但在干旱地區(qū)，對部分覆膜滴灌條件下，采用雙作物系數(shù)法估算和區(qū)分作物ET的研究，以及應(yīng)用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)對模型進行驗證的研究仍較少。

本研究于2016年和2017年在新疆阿克蘇地區(qū)開展測坑試驗，通過對部分覆膜滴灌夏玉米的生長指標(biāo)、土壤含水率及葉片穩(wěn)定碳同位素等進行實際觀測，驗證FAO-56雙作物系數(shù)法在新疆阿克蘇地區(qū)的適用性，并對該方法估算和區(qū)分夏玉米ET的模擬結(jié)果進行分析，以期為該地區(qū)農(nóng)田水分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2016年和2017年6—10月在阿克蘇地區(qū)溫宿縣紅旗坡新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林果實驗基地內(nèi)進行(東經(jīng)80°20′，北緯41°16′)。試驗地氣候類型為暖溫干旱氣候，降雨量稀少、蒸發(fā)量大、氣候干燥，光熱資源豐富，年日照2 800～3 000 h，無霜期每年有200～220 d，多年平均降雨量80.4 mm，地下水埋深10 m以上。試驗區(qū)土壤質(zhì)地如表1所示。

表1 試驗區(qū)土壤質(zhì)地Tab.1 Soil texture of experimental plots

1.2 試驗設(shè)計

供試玉米品種為新玉9號。種植在3 m×2.2 m×2 m的無底測坑內(nèi)，采用人工點播，株行配置為(30 cm+40 cm+30 cm+60 cm)×25 cm，采用一膜兩管四行的膜下滴灌灌溉方式，兩行玉米中間布一根滴灌帶，滴頭流量為0.8 L/h，滴頭間距0.1 m。一個測坑內(nèi)共種植8行玉米(圖1)。每個測坑均有1個水表控制灌溉水量(精度為0.001 m3)。

2016年和2017年試驗中，為保證出苗，均在玉米播種前對所有測坑漫灌1次，6月20日統(tǒng)一播種。試驗根據(jù)定灌水周期(W1、W2、W3)和變灌水周期(W4、W5)共設(shè)置5個處理，每處理3次重復(fù)，隨機布置在15個測坑內(nèi)。各處理的施肥方式一致。

2016年7月20日開始滴灌試驗， 9月14日停水，10月14日收獲，其中W1、W2、W3的灌水周期均為8 d，灌水定額分別為45、37.5、30 mm，灌溉定額分別為316、256、196 mm；W4、W5的灌水周期分別為10、6 d，灌水定額分別為49.5、30 mm，灌溉定額均為256 mm。

2017年7月23日開始滴灌試驗，9月1日因水泵故障停水，10月3日收獲，其中W1、W2、W3的灌水周期均為8 d，分別按照120%ET(每個灌水周期內(nèi)的ET按照ET=KcET0計算獲得，其中各生育期內(nèi)作物系數(shù)Kc值參照梁文清[17]的研究成果)、100%ET和80%ET進行灌溉，灌溉定額分別為181、151、121 mm；W4、W5的灌水周期分別為10、6 d，均按照100%ET進行灌溉，灌溉定額均為151 mm。由于各處理在2017年比2016年少灌1～2次水，導(dǎo)致2017年比2016年灌溉量減少。

1.3 測定項目及方法

1.3.1土壤含水率

土壤體積含水率通過TRIME管式TDR系統(tǒng)測定，每小區(qū)布置3根TRIME管，分別位于兩滴灌帶中間、玉米旁和行間。每次灌水前測一次，遇降雨時加測，測試深度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm、60～70 cm、70～80 cm、80～90 cm、90～100 cm，共10層。

1.3.2氣象數(shù)據(jù)

試驗區(qū)所有氣象數(shù)據(jù)從距離試驗測坑300 m處的氣象站(Watchdog)獲得，包括太陽能輻射、溫度、相對濕度、風(fēng)速、大氣壓強和降雨量等。數(shù)據(jù)每1 h記錄一次，存儲在記錄儀中，以便定期下載。

1.3.3穩(wěn)定碳同位素和植物耗水量

于玉米6葉期、12葉期、吐絲期、灌漿期和成熟期5個時期，待各處理作物所選定葉片的水分生理指標(biāo)測定完畢后，采摘各處理同一位置處無病蟲害且色澤相對一致葉片，在70℃干燥箱內(nèi)干燥48 h，粉碎過80目篩，樣品密封保存后，送實驗室用于測定δ13C值并計算WUE。根據(jù)文獻[10-14,18-22]等所述方法，應(yīng)用試驗所測數(shù)據(jù)計算夏玉米單位面積的實際耗水量。

1.3.4生理指標(biāo)

(1)株高：分別于夏玉米拔節(jié)期、喇叭口期、吐絲期、灌漿期和成熟期，對每個處理取地上部植株3株，用直尺測定株高。

(2)干物質(zhì)量：分別于夏玉米拔節(jié)期、喇叭口期、吐絲期、灌漿期和成熟期，對每個處理取地上部植株3株，分別按葉、莖、穗在105℃殺青，80℃干燥至恒定質(zhì)量后進行稱量。

1.4 雙作物系數(shù)法

運用FAO-56中的雙作物系數(shù)法計算試驗地夏玉米的蒸散量，公式為

ETc=(KsKcb+Ke)ET0

(1)

式中ETc——作物蒸散量，mm

ET0——參考作物蒸散量，mm

Kcb——基礎(chǔ)作物系數(shù)

Ke——土壤蒸發(fā)系數(shù)

Ks——水分脅迫系數(shù)

ET0根據(jù)氣象數(shù)據(jù)由Penman-Monteith公式計算[3]，Kcb和Ks的計算過程參考FAO-56方法[3]。

土壤蒸發(fā)系數(shù)(Ke)可以用來描述作物蒸散量ETc中的土壤蒸發(fā)部分，一般表示為

Ke=Kr(Kc(max)-Kcb)≤fewKc(max)

(2)

式中Kc(max)——灌溉或降雨后Kc的最大值

Kr——土壤衰減系數(shù)

few——土壤表層裸露和濕潤部分的百分比

式(2)中的Kc(max)和Kr兩個參數(shù)，計算過程已在FAO-56中詳細給出[3]，本文不再贅述。

由于本試驗為局部覆膜，故土壤蒸發(fā)系數(shù)的計算由膜孔蒸發(fā)和裸土蒸發(fā)兩部分構(gòu)成，根據(jù)覆膜和不覆膜的面積比例關(guān)系，本文構(gòu)建了計算Ke的表達式

(3)

式中Ke1——膜孔蒸發(fā)系數(shù)

Ke2——裸土蒸發(fā)系數(shù)

Ke1和Ke2分別通過式(2)計算得出。但在用式(2)計算few時，由于本試驗是局部覆膜滴灌條件，因此few的計算公式為

(4)

式中fc——植被覆蓋占表層土壤面積的比例

fw——土壤表面的濕潤比例

在計算Ke2時，式(4)中的fw取1。在計算Ke1時，由于在覆膜條件下還應(yīng)考慮通過膜孔蒸發(fā)的量，因此，式(4)中的fw表達式為

fw=αNAh/Atotal

(5)

式中α——膜孔有效面積系數(shù)

N——膜孔數(shù)量

Ah——單個膜孔的面積，m2

Atotal——小區(qū)覆膜總面積，m2

1.5 統(tǒng)計參數(shù)

采用回歸系數(shù)(b)[23]、一致性指數(shù)(d)[23]及均方根誤差(RMSE)[23]來檢驗?zāi)Ｐ偷哪M效果，其中b和d值越接近于1，表明模擬值和實測值吻合度越高，RMSE越小，模型偏差越小。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙作物系數(shù)法參數(shù)率定

運用2016年夏玉米的試驗數(shù)據(jù)進行參數(shù)校正，2017年的試驗數(shù)據(jù)進行模型驗證。各參數(shù)見表2。

根據(jù)以上參數(shù)運用雙作物系數(shù)法，對2016年夏玉米蒸散量進行模擬，模型模擬的蒸散量與基于水量平衡法計算出5個處理各灌水周期的作物蒸散量對比如圖2a所示。實測與模擬蒸散量(ET)之間對比統(tǒng)計結(jié)果詳見表3。

表2 雙作物系數(shù)法計算夏玉米蒸散參數(shù)Tab.2 Parameters for dual crop coefficient approach to estimate summer maize evapotranspiration

由圖2a可知，5個處理的ET實測值與模擬值基本落在1∶1線范圍內(nèi)，決定系數(shù)R2=0.75。由表3可知，2016年5個處理夏玉米ET均方根誤差RMSE的變化范圍在6.95～10.66 mm，回歸系數(shù)b在0.91～1.06內(nèi)變化，擬合度d的變化范圍在0.98～0.99，擬合效果較優(yōu)。

圖2 2016年和2017年ET模擬值與實測值擬合相關(guān)圖Fig.2 Fitting correlation diagrams of observed and simulated evapotranspiration in 2016 and 2017

年份處理RMSE/mmbdW18.12 0.93 0.99 W27.52 0.91 0.99 2016W37.59 0.92 0.99 W46.95 0.99 0.99 W510.66 1.06 0.98 W14.59 1.03 0.99 W211.37 1.06 0.89 2017W312.56 1.06 0.86 W410.15 1.12 0.99 W511.75 1.03 1.00

2.2 模型驗證

2.2.1基于水量平衡法的模型驗證

將調(diào)試后的模型參數(shù)代入雙作物系數(shù)模型中，計算2017年5個處理各灌水周期的作物蒸散量(ET)，并與實測蒸散量進行對比，圖2b為2017年夏玉米ET的實測值和模擬值擬合相關(guān)圖，誤差統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

驗證結(jié)果顯示，率定后的模型可以很好地模擬試驗區(qū)夏玉米生育期內(nèi)的ET。從圖2b可以看出，生育期內(nèi)夏玉米ET實測值和模擬值基本落在1∶1線范圍內(nèi)，決定系數(shù)R2為0.73。各處理生育期內(nèi)ET實測值和模擬值的RMSE為4.59～12.56 mm，b為1.03～1.12，d為0.86～1.00。以上結(jié)果說明，參數(shù)校驗后的模型可以較好地模擬試驗區(qū)內(nèi)夏玉米生育期內(nèi)蒸散量變化過程。

2.2.2基于穩(wěn)定碳同位素技術(shù)的模型驗證

圖3為運用穩(wěn)定碳同位素法計算2017年5個處理夏玉米各生育期實測和模擬作物蒸騰量擬合相關(guān)圖，誤差統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

圖3 2017年作物蒸騰量模擬值與實測值擬合相關(guān)圖Fig.3 Fitting correlation diagrams of observed and simulated transpiration in 2017

處理RMSE/mmbdW117.83 1.14 0.98 W222.621.230.97W314.211.140.98W418.020.910.98W525.440.820.97

驗證結(jié)果顯示，率定后的模型可以很好地模擬試驗區(qū)夏玉米生育期內(nèi)作物蒸騰量。從圖3和表4可看出，生育期內(nèi)夏玉米實測和模擬作物蒸騰量的擬合度較好，決定系數(shù)R2為0.91，RMSE為14.21～25.44 mm，b為0.82～1.23，d為0.97～0.98。以上結(jié)果說明，參數(shù)校驗后的模型可以較好地模擬試驗區(qū)內(nèi)夏玉米生育期內(nèi)蒸騰量的變化過程，同時也可表明穩(wěn)定碳同位素技術(shù)在分析干旱區(qū)夏玉米騰發(fā)量的有效性。

通過2016年和2017年夏玉米實測蒸散量與模擬值之間的對比和驗證表明：雙作物系數(shù)法可以比較準(zhǔn)確地模擬新疆阿克蘇地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)作物蒸散量和蒸騰量，在該地區(qū)具有一定的適用性。

2.3 夏玉米蒸散變化

如表5所示，綜合5個處理的實測結(jié)果表明，2016年和2017年雙作物系數(shù)法在快速生長期和生長后期均低估了ET，在生長中期高估了ET。夏玉米生長中期的耗水量最大，約占全生育期的40%左右，其次是快速生長期，其耗水量約占全生育期的35%左右。

表5 夏玉米各生長階段ET實測值和模擬值對比Tab.5 Comparison of observed and simulated ET for maize at each growth stage mm

圖4 夏玉米生育期ET、T和E變化Fig.4 Seasonal variations of evapotranspiration, evaporation and transpiration during summer maize growing seasons

2.4 夏玉米蒸散區(qū)分

圖4為夏玉米生育期ET、T和E變化情況(以W1處理為例)?？梢钥闯觯趦蓚€生長季，估算ET均有較為相似的變化趨勢。在作物生長初期，ET均相對較小，隨著作物的生長逐漸變大，在作物生長中期增長至較高水平，在后期逐漸減小。在2個生長季估算T的變化趨勢與ET的變化趨勢較為一致，在初期均較小，在發(fā)育期呈增長趨勢，至中期達到最大，在后期呈現(xiàn)降低趨勢。然而E的變化規(guī)律與T相比呈相反的變化趨勢，即在初期的變幅較大，隨著作物的生長，至中期后逐漸變小，后期較中期的變化趨勢不大。

運用雙作物系數(shù)可以分別推求出棵間蒸發(fā)量(E)和葉面蒸騰量(T)，從而可以計算出作物生育期內(nèi)葉面蒸騰占作物蒸散量比例(T/ET)和棵間蒸發(fā)占蒸散量比例(E/ET)，見表6(由于篇幅有限，本文以處理W1為例)。2016—2017年夏玉米各個生育階段E和T的變化趨勢一致。在作物生長初期，T較小，隨著作物的生長，葉面積指數(shù)變大，T隨之變大，至中期達到最大值，在后期呈下降趨勢。而E和T的變化趨勢正好相反，在初期E最大，隨著作物的生長，植株覆蓋地表程度逐漸變大，至中期覆蓋度達100%時，E達最小值。2016—2017年，整個生育期內(nèi)T/ET分別為78.67%和76.03%，E/ET分別為21.33%和23.97%。

表6 夏玉米各生育階段T、E、T/ET及E/ET變化Tab.6 Changes of T, E, T/ET and E/ET of summer maize in different growth periods

3 結(jié)論

(1)雙作物系數(shù)法能夠較為準(zhǔn)確估算夏玉米各生育期ET，綜合5個處理，2016年和2017年RMSE均在10 mm左右；回歸系數(shù)b均約為1；一致性指數(shù)d分別在0.98～0.99和0.86～1范圍內(nèi)，與實測值均較為一致。

(2)運用雙作物系數(shù)法可以較為準(zhǔn)確地區(qū)分夏玉米ET，覆膜條件下，2016年和2017年全生育期內(nèi)估算土壤蒸發(fā)量分別占ET的21.33%和23.97%；估算作物蒸騰量分別占ET的78.67%和76.03%。