馬一寧，丁日升，佟玲*，康紹忠，李思恩，杜太生

1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京 100083

2.甘肅武威綠洲農(nóng)業(yè)高效用水國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅武威 733009

引 言

水資源短缺已經(jīng)成為制約糧食生產(chǎn)的主要障礙[1-3]，農(nóng)業(yè)灌溉約占總用水量的70%，但有約99%的農(nóng)田用水通過蒸發(fā)蒸騰損失[4-5]。蒸發(fā)蒸騰機(jī)制在作物生長發(fā)育中發(fā)揮著水分供應(yīng)通路并為之提供動能的重要作用，不僅決定著農(nóng)田邊界層的狀況，也直接關(guān)乎區(qū)域農(nóng)作物產(chǎn)量[6-8]。諸多學(xué)者針對計(jì)算作物耗水量即農(nóng)田實(shí)際蒸散量開展了很多研究。目前確定作物耗水量的主要方法有：土壤水量平衡法[9]、空氣動力學(xué)法[10-11]、蒸滲儀法[12-14]、遙感法[15-16]、波文比能量平衡法[17]和渦度相關(guān)法[18-19]等。各種方法各有利弊，其中蒸滲儀法（Lysimeter）應(yīng)用較為廣泛。蒸滲儀法在使用時將裝有土體和植被的容器沒于自然土壤中，通過對土體水分進(jìn)行調(diào)控來模擬蒸散過程[20-22]，可分為稱重式和非稱重式兩種。非稱重式蒸滲儀通過控制地下水位測定補(bǔ)償水量，安裝簡便，價格相對較低。稱重式蒸滲儀通過在特別設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)容器內(nèi)承裝土體，進(jìn)而對土體的總重量，以及其上種植的相關(guān)作物進(jìn)行稱重測量。按結(jié)構(gòu)可分為液壓式、機(jī)械式、電子稱重式等，能夠獲得更加準(zhǔn)確的短期蒸散量數(shù)據(jù)，但造價相對較高。

目前已發(fā)表的蒸滲儀監(jiān)測數(shù)據(jù)集主要有兩個特點(diǎn)：一是使用小型蒸滲儀獲取樣地蒸發(fā)蒸騰量數(shù)據(jù)[23-26]，二是提供的數(shù)據(jù)周期相對較短，多為一年數(shù)據(jù)[27-29]。而對于田間作物，其耗水規(guī)律的研究往往需要多年的數(shù)據(jù)支撐。逐日的耗水量數(shù)據(jù)對了解玉米耗水量規(guī)律至關(guān)重要，可為科學(xué)合理地制定灌水定額，提高用水效率提供一定的數(shù)據(jù)支持。

本數(shù)據(jù)集提供了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河實(shí)驗(yàn)站內(nèi)大型稱重式蒸滲儀實(shí)測的耗水量、灌溉量和降水量數(shù)據(jù)，時間分辨率為日尺度，種植作物為玉米，灌溉方式為畦灌，數(shù)據(jù)范圍為2009–2016 年。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量控制和評估，以日為尺度公開。本文詳細(xì)介紹數(shù)據(jù)采集和處理方法，以便于用戶更好地使用本數(shù)據(jù)集，以期為區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源高效利用提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 研究區(qū)及試驗(yàn)布置

實(shí)驗(yàn)于2009–2016 年在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河實(shí)驗(yàn)站的覆膜玉米試驗(yàn)田進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)站位于中國甘肅省武威市涼州區(qū)（37°52′20″N，102°50′50″E），地處騰格里沙漠邊緣。該地區(qū)深居大陸腹地，屬于典型的內(nèi)陸干旱荒漠氣候，光熱資源非常豐富，全年日照時數(shù)達(dá)3000 h 以上，無霜期150 d 以上，年均總積溫3550 ℃（0 ℃為基準(zhǔn)溫度），年均氣溫8 ℃，年均風(fēng)速1.3 m/s。降水量164 mm，水面蒸發(fā)量約2000 mm，地下水位低于25 m。土壤質(zhì)地以砂壤土為主。

實(shí)驗(yàn)測量在玉米測坑中進(jìn)行，灌溉方式為畦灌，圖1 為玉米測驗(yàn)地。站內(nèi)大型稱重式蒸滲儀安裝在距離玉米試驗(yàn)田40 m 處東向。蒸滲儀內(nèi)的土壤為回填壤土，0～2.0 m 深度的平均容重為1.45 g/cm3，田間持水量為0.36 m3/m3，凋萎點(diǎn)含水量為0.16 cm3/cm3。

圖1 玉米試驗(yàn)地Figure 1 Maize trial plot

1.2 數(shù)據(jù)來源

本數(shù)據(jù)集為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河實(shí)驗(yàn)站內(nèi)大型稱重式蒸滲儀實(shí)測的玉米耗水量數(shù)據(jù)，時間分辨率為日尺度，灌溉方式為畦灌，數(shù)據(jù)范圍為2009 年4 月22 日至2016 年7 月20 日。站內(nèi)工作人員嚴(yán)格依據(jù)數(shù)據(jù)處理規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析和質(zhì)量審核，最終形成符合觀測規(guī)范的文件。

1.3 觀測儀器設(shè)施

用高精度的大型稱重式蒸滲儀測定玉米的每日耗水量情況。高精度大型稱重式蒸滲儀由西安碧水環(huán)境新技術(shù)有限公司研制，型號為BSI-L08W。圖2 為大型稱重式蒸滲儀地上和地下結(jié)構(gòu)示意圖，蒸滲儀箱體為立方體，規(guī)格為2.0 m×2.0 m×2.3 m，箱底至以上0.3 m 為反濾層。箱體鐵板高出土柱表面0.12 m，箱內(nèi)土面與箱外地面齊平。蒸滲儀通過杠桿平衡原理經(jīng)過4 次轉(zhuǎn)換后利用高精度天平稱量重量變化，精度可達(dá)到0.2 kg（0.04 mm）。蒸滲儀土壤在周邊分層取土，過5.0 mm 篩子后按0.1 m 分層回填，距離地面0～0.8 m 深度土壤容重為1.4 g/cm3，1.2～2.0 m 深度土壤容重為1.5 g/cm3。

圖2 大型稱重式蒸滲儀數(shù)據(jù)顯示屏(a)和地下結(jié)構(gòu)示意圖(b)Figure 2 Data display (a) and schematic diagram of the underground structure (b) of the weighting lysimeter

蒸滲儀主要由4 部分組成：主體、稱重、排水、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主體系統(tǒng)指裝有非飽和土柱的箱體，被底座支撐。稱重系統(tǒng)將箱體（土箱和土體等）經(jīng)過4 次杠桿平衡轉(zhuǎn)換后用德國Sartorius 電子天平稱量，精度0.1 g。通過增減砝碼使得天平保持平衡，直接測量土體水重的變化量。排水系統(tǒng)由主體系統(tǒng)底部開設(shè)的排水小口以及接水容器組成，在排水口安裝傳感器實(shí)時監(jiān)測排水量，精度為50 mm。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)由工業(yè)計(jì)算機(jī)和采集軟件組成。

1.4 數(shù)據(jù)采集

蒸滲儀每小時采集一次數(shù)據(jù)。在每次開始采集數(shù)據(jù)的前兩分鐘進(jìn)行預(yù)采集，控制中心向稱重系統(tǒng)發(fā)出稱重信號，隨即稱重系統(tǒng)開始工作。以一小時內(nèi)前后的差值作為該時段蒸滲儀測得的土體水量的變化量。通過儀器內(nèi)部換算，系統(tǒng)自動保存所測得數(shù)據(jù)，圖3 為儀器數(shù)據(jù)輸出界面。

圖3 儀器數(shù)據(jù)輸出界面Figure 3 Instrument data output interface

在獲取蒸滲儀所測數(shù)據(jù)后，由小時尺度數(shù)據(jù)累加獲得日尺度數(shù)據(jù)。通過結(jié)合當(dāng)日內(nèi)的降水量和灌溉量以獲取最終玉米試驗(yàn)田的耗水量數(shù)據(jù)。降水量由站內(nèi)氣象站測得，灌溉量由水表記錄。通過同一時間段內(nèi)的降水量、灌溉量和蒸滲儀實(shí)測數(shù)據(jù)可得到該時段的玉米耗水量數(shù)據(jù)（公式1）。

式中，E為玉米日耗水量（mm）；Ei′為第i小時的蒸滲儀觀測值（mm），i為一日內(nèi)24 小時（i=1,2, 3,…, 24）；P為降水量（mm）；I為灌溉量（mm）。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析形成本數(shù)據(jù)集，命名為：2009–2016 年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河實(shí)驗(yàn)站玉米日耗水量數(shù)據(jù)集.xlsx。內(nèi)含1 個數(shù)據(jù)表，命名為“蒸滲儀”，由4 列（即：測定日期、玉米日耗水量E、灌溉量I和降水量P）、共1323 行組成（表1）。

表1 數(shù)據(jù)樣本展示Table 1 Sample data

“蒸滲儀”監(jiān)測時間為2009 年4 月22 日至2016 年7 月20 日，具體監(jiān)測年份及監(jiān)測起始終止日期見表2。數(shù)據(jù)集的種植作物為玉米，灌溉方式為畦灌。

表2 大型稱重式蒸滲儀監(jiān)測時間Table 2 Monitoring dates for the weighting lysimeter

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

影響蒸滲儀測定值的因素包括安裝位置、種植密度、作物長勢、葉面積等，因此有必要對蒸滲儀測定的蒸散量進(jìn)行數(shù)據(jù)可靠性分析。已有研究對試驗(yàn)站內(nèi)大型稱重式蒸滲儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行分析，結(jié)果表明該蒸滲儀測定結(jié)果具有一定的可靠性[30-32]。

受不可控制因素影響，本數(shù)據(jù)集存在少量的數(shù)據(jù)缺失情況。當(dāng)小時數(shù)據(jù)缺失，根據(jù)參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ET0）和作物系數(shù)（Kc）計(jì)算得到當(dāng)日作物蒸發(fā)蒸騰量（ETc）（公式2 和公式3）[33]，同時結(jié)合缺失數(shù)據(jù)前后ETc的變化趨勢進(jìn)行插補(bǔ)。

式中，ETc為當(dāng)日作物蒸發(fā)蒸騰量（mm·d-1）；Kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量（mm·d-1）；T 為2 m 處的日平均氣溫（℃）；u2為冠層上方2 m 處的風(fēng)速（m·s-1）；Δ 為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率（kPa/℃）；Rn為太陽凈輻射（MJ·m-2·d-1）；G 為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實(shí)際水汽壓（kPa）；es-ea為飽和水汽壓差（kPa）；γ為濕度計(jì)常數(shù)（kPa/℃）。

玉米生育前期、中期和后期的Kc參考FAO-56 提供的作物系數(shù)參考值[33]。

除此之外，試驗(yàn)站內(nèi)相關(guān)研究員進(jìn)行了數(shù)據(jù)觀測和采集的專業(yè)培訓(xùn)，可以有效依據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并結(jié)野外實(shí)際情況，嚴(yán)格參照儀器操作、數(shù)據(jù)采集等標(biāo)準(zhǔn)流程和規(guī)范進(jìn)行實(shí)際操作。試驗(yàn)站內(nèi)相關(guān)儀器設(shè)施均會定期進(jìn)行檢查與維護(hù)，以保證儀器設(shè)備的正常運(yùn)行和測定結(jié)果的可用性與準(zhǔn)確性。

4 數(shù)據(jù)價值

蒸滲儀作為測定農(nóng)田蒸騰蒸發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，在農(nóng)田水文研究上已應(yīng)用百余年[34]。目前，蒸滲儀在農(nóng)田水文上的應(yīng)用主要有3 個方面[35-37]：（1）測定作物蒸騰量，以研究作物耗水規(guī)律；（2）測定土壤水向下的滲漏量，以研究土壤水量平衡和地下水補(bǔ)給情況；（3）通過連接傳感器或與其他儀器一起使用，測定土壤水中各化學(xué)成分的含量，以研究化肥、農(nóng)藥或重金屬等物質(zhì)對土壤水和地下水的影響。大型稱重式蒸滲儀可以在一定程度上消除尺度影響與邊界效應(yīng)；同時，能測定一段時間內(nèi)的作物蒸騰蒸發(fā)量，在提高測定精度上更具優(yōu)勢。因此，其獲得的數(shù)據(jù)在農(nóng)田水文領(lǐng)域具有較高的研究價值。而以往所公開發(fā)表的農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰量時間序列相對較短，缺乏長期觀測數(shù)據(jù)[23-29]?；诖?，本數(shù)據(jù)集提供了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河實(shí)驗(yàn)站2009–2016 年玉米逐日耗水量，并上傳了同期的灌溉量和降水量數(shù)據(jù)。以期為西北旱區(qū)玉米需水規(guī)律探索提供參考，同時為水資源的合理配置和發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集提供了2009–2016 年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河實(shí)驗(yàn)站玉米日耗水量數(shù)據(jù)集，可作為探索農(nóng)田系統(tǒng)作物耗水量變化，了解作物需水及耗水規(guī)律的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為.xlsx，可使用EXCEL 或者WPS 打開使用。

為尊重知識產(chǎn)權(quán)、保障數(shù)據(jù)作者和數(shù)據(jù)服務(wù)提供者的權(quán)益，請數(shù)據(jù)使用者在基于本數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的研究成果中明確標(biāo)注數(shù)據(jù)作者和數(shù)據(jù)來源，同時將可公開成果電子版發(fā)送至電子郵箱tongling2001@cau.edu.cn，請將郵件標(biāo)題設(shè)為“中國科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)表成果”。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

馬一寧（1996—），女，吉林省長春人，博士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)節(jié)水與水資源可持續(xù)利用。主要承擔(dān)工作：觀測系統(tǒng)的長期連續(xù)運(yùn)行、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與整合。

丁日升（1979—），男，內(nèi)蒙古察右后旗人，博士，教授，研究方向農(nóng)田水熱傳輸機(jī)理與作物耗水監(jiān)測與模擬。主要承擔(dān)工作：野外觀測數(shù)據(jù)的采集，儀器標(biāo)定、校正。

佟玲（1979—），女，遼寧省大石橋人，博士，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)節(jié)水與水資源可持續(xù)利用。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制。

康紹忠（1962—），男，湖南省桃源人，博士，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)高效用水與水資源研究。主要承擔(dān)工作：觀測系統(tǒng)的總體運(yùn)行和數(shù)據(jù)集的整體架構(gòu)。

李思恩（1982—），男，湖北省荊州人，博士，教授，研究方向?yàn)楣喔扰潘录夹g(shù)與理論。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)處理與分析。

杜太生（1975—），男，山東省東阿人，博士，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)節(jié)水和水資源高效利用研究。主要承擔(dān)工作：野外觀測方法與技術(shù)指導(dǎo)。