鄔佳賓，馬玉峰，鄭和祥，曹雪松

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

作物騰發(fā)量的確定對(duì)于實(shí)現(xiàn)水資源高效利用及農(nóng)業(yè)水資源的調(diào)控具有十分重要的意義。騰發(fā)量包括地表的蒸發(fā)和植物的散發(fā)，不僅是地表水量和熱量平衡的重要參數(shù)，也是區(qū)域水循環(huán)和地表能量循環(huán)的重要組成部分[1]。準(zhǔn)確計(jì)算作物蒸散量，對(duì)分析田間水熱分布狀況[2]、農(nóng)田作物栽培和區(qū)域水資源合理分配利用具有重要意義[3]。

在此背景下，許多學(xué)者開(kāi)展了對(duì)蒸散耗水機(jī)理和估算方法的研究，并取得了一些重要成果。對(duì)于潛在蒸散發(fā)的估算方法應(yīng)用最廣泛的有水量平衡法、輻射能量法、溫度法和綜合法[4]。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式反映了氣候要素的綜合影響[5]，考慮了氣溫、氣壓、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速等氣象因子，模型的穩(wěn)定性較好，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。同時(shí)由于實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，很多研究都選用Penman-Monteith公式計(jì)算參考作物騰發(fā)量，并結(jié)合作物系數(shù)計(jì)算作物實(shí)際騰發(fā)量[6-7]。國(guó)際糧農(nóng)組織推薦有單作物系數(shù)和雙作物系數(shù)模型，其中雙作物系數(shù)模型分別估算植株蒸騰和土面蒸發(fā)[8-10]，因此對(duì)作物實(shí)際騰發(fā)量的估算更為準(zhǔn)確，并在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中廣泛應(yīng)用[11]。通過(guò)計(jì)算土壤蒸發(fā)系數(shù)和基礎(chǔ)作物系數(shù)，用雙作物系數(shù)方法分別考慮土壤蒸發(fā)和植物蒸騰，結(jié)果表明這種方法比單一作物系數(shù)方法更精確[12]，尤其是當(dāng)作物不完全覆蓋地面時(shí)[13]。采用雙作物系數(shù)法和基于多源模型的利用相鄰作物品種的輻射截留技術(shù)，對(duì)中國(guó)西北干旱區(qū)制種玉米的蒸散量進(jìn)行研究，結(jié)果表明雙作物系數(shù)法估算的ET在中期接近作物實(shí)測(cè)蒸散發(fā)值，在初期和發(fā)展階段均高于作物實(shí)測(cè)蒸散發(fā)值[14]。利用雙作物系數(shù)模型估算間作系統(tǒng)的研究較多[15]，但仍需要針對(duì)不同耕作條件下的作物系數(shù)進(jìn)行修正以提高計(jì)算精度[16]。

本研究通過(guò)田間實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)、株高、葉面積指數(shù)、覆膜情況、水分及鹽分脅迫等信息對(duì)基本作物系數(shù)(Kcb)和蒸發(fā)系數(shù)(Ke)進(jìn)行了修正，并基于Penman-Monteith模型，采用修正作物系數(shù)計(jì)算玉米蒸散量。通過(guò)對(duì)模型計(jì)算值與田間實(shí)測(cè)值的研究，提出適合于覆膜播種、受水鹽脅迫等耕作條件下更精確的玉米蒸散量計(jì)算方法，并對(duì)單作物系數(shù)、雙作物系數(shù)和修正作物系數(shù)法計(jì)算的玉米需水量進(jìn)行比較，分析其差異及原因，以期為制定準(zhǔn)確的計(jì)算玉米需水量提供技術(shù)支撐，為制定科學(xué)合理的灌溉制度提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)杭錦后旗境內(nèi)，地理位置為東經(jīng)107°09′，北緯40°55′，地面高程1 035 m。試驗(yàn)區(qū)地處半干旱地區(qū)，年平均氣溫6.9℃，多年平均無(wú)霜期160 d，年平均日照時(shí)數(shù)3 189 h，年平均風(fēng)速在2.7 m/s左右，平均降水量為142.1 mm，年平均蒸發(fā)量為2 306.5 mm，屬于溫帶大陸性氣候。地下水埋深較淺，多年平均為1.66 m，主要作物有玉米、小麥和葵花。根系層土壤性質(zhì)如表1所示。

試驗(yàn)區(qū)玉米種植品種為巴單3號(hào)，玉米田間管理措施及灌溉制度均采用所處灌區(qū)現(xiàn)行的管理措施及灌溉制度。試驗(yàn)中灌溉方式采用畦灌，玉米生育期共計(jì)灌水5輪，灌水定額為91.2 mm～133.5 mm，灌水量合計(jì)為523.8 mm。

表1 研究區(qū)土壤性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田的農(nóng)藝管理措施及田間管理措施與杭錦后旗農(nóng)戶普遍采取的措施基本一致。試驗(yàn)田面積為900 m2。通過(guò)田間實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)、株高、葉面積指數(shù)、覆膜情況、水分及鹽分脅迫等信息對(duì)基本作物系數(shù)(Kcb)和蒸發(fā)系數(shù)(Ke)進(jìn)行了修正，并基于Penman-Monteith模型，采用修正作物系數(shù)計(jì)算玉米蒸散量。通過(guò)對(duì)模型計(jì)算值與田間實(shí)測(cè)值的研究，提出適合于覆膜播種、受水鹽脅迫等耕作條件下更精確的玉米蒸散量計(jì)算方法，并對(duì)單作物系數(shù)、雙作物系數(shù)和修正作物系數(shù)法計(jì)算的玉米需水量進(jìn)行比較，分析其差異及原因。

1.3 數(shù)據(jù)采集

1.3.1 氣象資料

氣象資料由農(nóng)田全自動(dòng)微氣象站收集，每隔2 h自動(dòng)采集一次。氣象數(shù)據(jù)包括氣溫、風(fēng)速、濕度、輻射、氣壓、降雨量等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，滿足Penman-Monteith模型應(yīng)用條件。

1.3.2 田間試驗(yàn)觀測(cè)

試驗(yàn)田取土后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤相關(guān)物理性質(zhì)的測(cè)定，土壤水分特征曲線采用壓力薄膜儀法實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，土壤水?dāng)U散率采用水平土柱吸滲法測(cè)定。玉米生育期土壤含水率采用烘干法及TDR法聯(lián)合觀測(cè)，土壤鹽分采用摻雜法測(cè)定，土壤基質(zhì)勢(shì)采用負(fù)壓表型張力計(jì)進(jìn)行測(cè)量每周實(shí)地取樣測(cè)定一次，灌前、灌后及較大降雨后加測(cè)。采用田口量水堰對(duì)灌溉水進(jìn)行量測(cè)，有效降雨量則在氣象站實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上考慮作物冠層截留確定。玉米生育期田間水循環(huán)中各個(gè)水分的觀測(cè)和計(jì)算滿足水量平衡分析要求，通過(guò)水量平衡法確定玉米實(shí)際蒸散發(fā)。

1.3.3 玉米生長(zhǎng)指標(biāo)觀測(cè)

玉米植株高度，莖粗、葉片數(shù)目、葉面積等生育指標(biāo)采用定株觀測(cè)，每?jī)芍芰繙y(cè)記錄一次。全生育期對(duì)玉米物候期進(jìn)行觀測(cè)并記錄，玉米成熟后測(cè)定其產(chǎn)量數(shù)據(jù)。為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用2004年—2005年兩年田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

1.4 基于水量平衡法的玉米實(shí)際騰發(fā)量

按照水量平衡原理,可以得到以水量平衡為基礎(chǔ)的計(jì)算玉米實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量的公式：

ETc=I+P-ΔW+G-D

(1)

式中:ΔW為根系層土壤水變化量,mm；I為灌水量,mm；P為降水,mm；G為地下水補(bǔ)給量,mm；D為土壤水滲漏量,mm；ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量,mm。

水量平衡方程中，灌溉水量、降水量及土壤水變化量通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到，地下水補(bǔ)給量和土壤水滲漏量則通過(guò)實(shí)測(cè)田間土壤非飽和導(dǎo)水率和土水勢(shì)，利用達(dá)西公式計(jì)算得到。通過(guò)水量平衡法即可計(jì)算得到玉米實(shí)際騰發(fā)量。

1.5 模型描述

1.5.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量

參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)的計(jì)算方法很多,本文采用國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的Penman-Monteith公式對(duì)ET0進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中:Rn為凈輻射,MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量,MJ/(m2·d)；γ為濕度計(jì)常數(shù),kPa/℃；T為2 m高度處日平均溫度,℃；ea為氣溫T下的飽和水汽壓,kPa；ed為實(shí)際水汽壓,kPa；u2為2 m高處的風(fēng)速,m/s；Δ為氣溫T下的飽和水汽壓與溫度的關(guān)系曲線的斜率,kPa/℃。

1.5.2 不同方法下玉米實(shí)際騰發(fā)量計(jì)算

根據(jù)作物系數(shù)的不同確定方法，玉米實(shí)際騰發(fā)量可以采用單作物系數(shù)法、雙作物系數(shù)法和修正作物系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式分別如式(3)—式(5)所示。

ETc=Kc·ET0

(3)

ETc=(Kcb+Ke)ET0

(4)

ETc=(Ks1Ks2Kcb+Ke)ET0

(5)

式中:ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量,mm/d；Kc為綜合作物系數(shù)；Kcb為基礎(chǔ)作物系數(shù)；Ke為土壤蒸發(fā)系數(shù)；Ks1為水分脅迫系數(shù)；Ks2為鹽分脅迫系數(shù)。

相關(guān)計(jì)算過(guò)程在FAO 56中詳細(xì)給出，本文不再贅述。

2 結(jié)果與討論

2.1 基于水量平衡的玉米實(shí)際蒸散發(fā)

基于田間試驗(yàn)和水分平衡方法獲取的田間水分各分量和玉米實(shí)際蒸散發(fā)及田間水分各分量如表2所示。

表2 基于田間水量平衡方法的玉米實(shí)際蒸散發(fā) 單位：mm

由表2可知，玉米四個(gè)生育階段苗期-拔節(jié)、拔節(jié)-抽雄、抽雄-灌漿、灌漿-成熟所對(duì)應(yīng)的實(shí)際蒸散發(fā)分別為101.6 mm、154.0 mm、194.3 mm和133.5 mm，隨著玉米生長(zhǎng)發(fā)育，玉米實(shí)際蒸散發(fā)表現(xiàn)出“低—高—低”的變化規(guī)律。玉米全生育期合計(jì)蒸散量為583.4 mm，其構(gòu)成包括灌溉水523.8 mm，有效降水65.6 mm，水分滲漏60.5 mm，消耗土壤水分54.6 mm。玉米全生育期有效降水累計(jì)為65.6 mm。由于所處灌區(qū)地下水位較淺，平均僅為1.66 m，因此根系層水分滲漏與地下水補(bǔ)給則表現(xiàn)出相互交換的趨勢(shì)。表中第四列數(shù)據(jù)反映出其根層滲漏水量與地下水補(bǔ)給量變化規(guī)律，當(dāng)補(bǔ)給量大于滲漏量時(shí)，該項(xiàng)數(shù)值為正值，反之則為負(fù)值，全生育期累計(jì)滲漏量為60.5 mm。表中最后一類數(shù)據(jù)為根層土壤儲(chǔ)水量的變化，數(shù)值為負(fù)表明時(shí)段末土壤儲(chǔ)水量小于時(shí)段初土壤儲(chǔ)水量，土壤含水率及儲(chǔ)水量均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，全生育期利用根層土壤儲(chǔ)水量54.5 mm。

2.2 基于不同作物系數(shù)玉米騰發(fā)量計(jì)算

單作物系數(shù)法將作物蒸騰和土壤蒸發(fā)的影響統(tǒng)一考慮。對(duì)于常規(guī)的灌溉規(guī)劃、基本灌溉制度確定以及大多數(shù)水平衡研究，單作物系數(shù)法比用獨(dú)立使用作物蒸騰系數(shù)和土壤蒸發(fā)系數(shù)的雙作物系數(shù)法更加適宜和方便。雙作物系數(shù)法以日為計(jì)算單元，較單作物系數(shù)計(jì)算更為復(fù)雜且計(jì)算量較大，但是雙作物系數(shù)將作物蒸騰系數(shù)和土壤蒸發(fā)系數(shù)區(qū)分開(kāi)，使得作物蒸散過(guò)程機(jī)理得以體現(xiàn)。修正作物系數(shù)首先考慮地膜對(duì)玉米蒸騰量的影響，依照試驗(yàn)田傳統(tǒng)種植管理習(xí)慣，玉米種植時(shí)往往采用覆膜播種。地膜的主要作用是減小土壤表層的水分蒸發(fā)，地膜覆蓋下作物的蒸騰量與無(wú)覆膜作物相比蒸騰量平均增加10%～30%，土壤的蒸發(fā)量則減少了50%～80%，因此作物系數(shù)平均減小10%～30%[16]。此外修正作物系數(shù)考慮了土壤水分、鹽分脅迫，并對(duì)作物系數(shù)進(jìn)行了修正。采用地面灌溉后，土壤較為濕潤(rùn)時(shí)，土壤水分具有較高的勢(shì)能，容易被玉米根系所吸收。隨著土壤變得干燥，土壤水分勢(shì)能降低到一定程度，玉米發(fā)生水分脅迫現(xiàn)象，為了表達(dá)水分脅迫對(duì)玉米騰發(fā)量的影響，引入水分脅迫系數(shù)Ks1對(duì)作物系數(shù)進(jìn)行修正。由于研究區(qū)地處輕度鹽堿化地區(qū)，土壤溶液中的鹽分減少了土壤中玉米可利用的有效水量，從而使得玉米騰發(fā)量降低。因此引入鹽分脅迫系數(shù)Ks2對(duì)作物系數(shù)進(jìn)行修正，來(lái)反映鹽分脅迫對(duì)于玉米騰發(fā)量的影響，鹽分脅迫系數(shù)計(jì)算過(guò)程及相關(guān)參數(shù)取值來(lái)源于FAO 56。經(jīng)計(jì)算，單作物系數(shù)、雙作物系數(shù)、修正作物系數(shù)三種玉米作物系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 玉米生育期作物系數(shù)變化圖

由作物系數(shù)圖1可見(jiàn)，玉米生育期作物系數(shù)基本上表現(xiàn)為四個(gè)階段，其中玉米生育初期，作物系數(shù)較小且比較均一，隨著玉米生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)入生育前期后作物系數(shù)逐漸增加，直至玉米進(jìn)入生育中期，作物系數(shù)保持在一個(gè)較高水平且變化不大，玉米進(jìn)入生育后期，作物系數(shù)逐漸下降直至收獲。作物系數(shù)的走勢(shì)反映了玉米全生育期騰發(fā)量的變化趨勢(shì)，也符合玉米生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律?；谧魑锵禂?shù)就可以計(jì)算玉米實(shí)際騰發(fā)量，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)不同計(jì)算方法得到玉米作物系數(shù)與參考作物騰發(fā)量，就可以計(jì)算出玉米全生育期的逐日騰發(fā)量。圖2展示了玉米全生育期ET0及不同作物系數(shù)方法下計(jì)算得到的玉米騰發(fā)量，三種方法得到的玉米騰發(fā)量變化均隨玉米生長(zhǎng)發(fā)育呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)。

圖2 玉米騰發(fā)量變化圖

2.3 玉米實(shí)際騰發(fā)量與計(jì)算值的比較

按照玉米生育階段將生育期劃分為四個(gè)階段，分別是苗期—拔節(jié)、拔節(jié)—抽雄、抽雄—灌漿、灌漿—成熟，對(duì)應(yīng)每個(gè)階段的騰發(fā)量及不同作物系數(shù)計(jì)算值如表3所示。

表3 玉米實(shí)際騰發(fā)量與計(jì)算值的比較

根據(jù)水量平衡法計(jì)算結(jié)果，玉米全生育期騰發(fā)量共計(jì)583.4 mm，苗期—拔節(jié)、拔節(jié)—抽雄、抽雄—灌漿、灌漿—成熟四個(gè)生育階段的騰發(fā)量分別為101.6 mm、154.0 mm、194.3 mm和133.5 mm。水量平衡法作為最經(jīng)典的分析方法，由此得到的玉米騰發(fā)量認(rèn)為就是玉米的實(shí)際騰發(fā)量。在苗期—拔節(jié)、拔節(jié)—抽雄兩個(gè)玉米生育前期，單作物系數(shù)法低估了玉米騰發(fā)量，誤差分別為-13.1%、-30.2%；而雙作物系數(shù)法則高估了玉米騰發(fā)量，誤差分別為9.2%、6.3%；修正作物系數(shù)法則較為準(zhǔn)確的計(jì)算了玉米騰發(fā)量，其誤差僅為0.9%和0.8%。抽雄—灌漿、灌漿—成熟為玉米生育中后期，三種作物系數(shù)法均不同程度的高估了玉米騰散量，其中修正作物系數(shù)法估算誤差最小，精度最高。從玉米全生育期分析，單作物系數(shù)法和雙作物系數(shù)法對(duì)玉米騰散量的估算誤差為6.6%和8.1%，而修正作物系數(shù)估算誤差僅為1.9%，且玉米各生育階段計(jì)算誤差均小于3%?？梢?jiàn)修正作物系數(shù)法較為準(zhǔn)確的估算了半干旱區(qū)玉米騰發(fā)量。

3 結(jié) 論

水量平衡法分析結(jié)果及三種不同作物系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果均表明，玉米騰散量變化呈現(xiàn)出前期逐漸增加，中期較為穩(wěn)定，后期逐漸下降的趨勢(shì)。水量平衡法中，根層滲漏量與地下水補(bǔ)給量的此消彼長(zhǎng)說(shuō)明在淺地下水位灌區(qū)，地下水與土壤水有著頻繁的交換，灌溉初期產(chǎn)生的滲漏水可能在后期土壤干旱時(shí)通過(guò)地下水補(bǔ)給的形式為作物所利用。

修正作物系數(shù)法可以較為準(zhǔn)確估算玉米各生育階段及整個(gè)生育期的騰發(fā)量，各生育結(jié)算計(jì)算誤差均低于3%，整個(gè)生育期的計(jì)算精度達(dá)到1.9%，其計(jì)算精度優(yōu)于單作物系數(shù)法和雙作物系數(shù)法。修正作物系數(shù)法考慮了作物田間管理措施和農(nóng)田實(shí)際情況對(duì)玉米騰發(fā)量的影響，例如地膜覆蓋、水鹽脅迫等因素，因此具有較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)理，也更加貼合實(shí)際況，計(jì)算精度也更為理想。