東北地區春玉米生長季農田蒸散量動態變化及其影響因子*

郭春明，任景全，張鐵林，于 海

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東北地區春玉米生長季農田蒸散量動態變化及其影響因子*

郭春明1，任景全1**，張鐵林2，于 海2

（1.吉林省氣象科學研究所，長春 130062；2.吉林省榆樹市農業氣象試驗站，榆樹 130400）

利用大型稱重式蒸滲儀對東北春玉米田蒸散量的觀測結果，分析玉米生長季蒸散量的分布特征及其影響因子。結果表明：東北春玉米生長季（播種-成熟）農田蒸散量為362.3mm，日平均蒸散量為2.6mm·d-1。從各生育期的分布情況看，播種-七葉期蒸散量較小，日平均蒸散量為1.4mm·d-1，占全生育期的11.7%；七葉期開始，日平均蒸散量逐漸增加，在大喇叭口-抽雄期達到最大，為4.3mm·d-1；抽雄-乳熟期總蒸散量最大，為97.2mm，占生長季蒸散量的26.8%。從月蒸散量分布看，7-8月累積蒸散量達207.0mm，占5-9月蒸散量的54.5%；5、6和9月蒸散量較少，分別占5-9月總蒸散量的11.6%、19.6%和14.3%。從逐小時蒸散量變化看，蒸散量日變化表現為早晚低、中午高的“單峰型”曲線特征。蒸散量與葉面積指數、太陽輻射、5cm地溫、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫存在顯著的線性正相關關系，與空氣相對濕度和飽和差間呈顯著的二次函數關系。葉面積指數是影響春玉米農田蒸散最主要的生物因子，5cm地溫和太陽輻射是最主要的環境驅動因子。

春玉米；蒸散；FAO；蒸滲儀；東北地區

蒸散是地表水分平衡中的重要組成部分，農田蒸散是農田水資源優化配置和影響農田水資源利用率的重要因素。蒸散不僅影響植物的生長發育與產量，還影響大氣環流，起到調節氣候的作用[1]。蒸散過程是土壤-植物-大氣系統內連續而復雜的過程，備受廣泛關注[2]。蒸散量也是干旱監測的重要指標[3]，研究蒸散量的變化規律及其影響因子對干旱的監測和影響評估是十分必要的。國外許多學者對不同作物農田的蒸散規律進行了研究[4-5]。López等[6]利用蒸滲儀研究了西班牙中部半干旱地區葡萄園的蒸散規律。Goyal等[7]研究得出氣溫是印度干旱區蒸散的主要影響因子，其次是飽和水汽壓。國內學者也研究了中國不同地區玉米農田蒸散規律及影響因子[8-10]。張強等[11-12]估算了半干旱區實際蒸散量與FAO推薦作物系數值計算的蒸散量之間的差異，得出修訂后作物系數值計算的蒸散量更接近實際蒸散量，為研究干旱條件下估算蒸散量提供了很好的思路和方法。還有研究得出，在典型干旱區土壤水分滿足條件下，太陽輻射是蒸散的主要環境控制因子；而當土壤水分缺乏時，土壤濕度條件對蒸散的影響更為顯著[13]。Kang等[14]研究認為，葉面積指數與半干旱區夏玉米農田蒸散有密切關系。

東北地區緯度較高，氣候變化響應明顯，是國家重要的商品糧基地和世界三大黃金玉米帶之一。近年來，在自然與人類的共同影響下，干旱等自然災害頻發，對農業造成很大影響。曾麗紅等[15-16]研究表明，東北地區近60a來蒸散總體表現為較小幅度的增幅，氣溫上升和氣候干化是影響蒸散的最重要因子。這些研究結果是基于氣象數據經公式計算而來，與農田生態系統的實際蒸散有較大差異，并不能較好地反映東北地區春玉米農田蒸散的實際變化規律。利用高精度的大型稱重式蒸滲儀測定農田生態系統蒸散是最為有效的方法之一，鑒于此，利用大型稱重式蒸滲儀開展東北地區春玉米農田蒸散規律及其影響因子試驗研究，可為蒸散在干旱監測技術中的應用提供數據支持，指導東北地區春玉米農田在干旱時進行合理灌溉。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2013年在吉林省榆樹市農業氣象試驗站進行。該地區（126o31′E、44o51′N，海拔196m）屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同季，降水主要集中于夏季，多年平均氣溫4.6℃，年平均降水量575.2mm，年平均日照時數2561.9h。研究區域下墊面平坦均勻，土壤為黑土。蒸滲儀（甘肅產）安置于試驗地的中央，其精度為0.1mm·d-1，靈敏度0.01mm·h-1，可以觀測蒸散的日變化。為防止地下水位較深和出現長時間干旱，將蒸滲儀有效蒸散面積設計為4.0m2，土柱深為2.5m，另在土柱下設有0.3m上細下粗的礫石層，土柱加礫石層總深度為2.8m。考慮圓形鋼桶受力狀況優于矩形鋼桶，將蒸滲儀形狀設計為圓形。為提高觀測精度和靈敏度，選用300kg懸臂梁式傳感器，其結構簡單，安裝維修方便，環境適應能力強。采用最大負荷9000kg、外徑325mm、高度500mm的新型強力彈簧，使其工作范圍處于最佳線性狀態。蒸滲儀內春玉米種植和田間管理措施均與周圍試驗區域一致。供試春玉米品種為鄭單958，于2013年5月播種，9月成熟，種植密度為50000株·hm-2。

1.2 數據觀測

氣象資料從距離試驗田100m的榆樹農業氣象試驗站觀測場獲得，包括逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、降水量、日照時數、5cm地溫等氣象要素數據。太陽輻射值根據Angstrom[17]公式和逐日日照時數計算，飽和差根據FAO[18]推薦方法計算。按《農業氣象觀測規范》[19]測定玉米出苗、三葉、七葉、拔節、抽雄、開花、乳熟和成熟的日期，并測定相應生育期的葉面積指數。在玉米播種-成熟期，對試驗區域的玉米田每旬逢8日觀測0-50cm土層按10cm分層的土壤重量含水率，根據相應分層的土壤田間持水量，換算為土壤相對濕度。在2013年春玉米生長季（播種-成熟）內，榆樹站自然降水完全滿足玉米生長發育所需的土壤水分條件，無灌溉。春玉米生長季土壤相對濕度見圖1。

1.3 蒸散量的測定及相關分析

蒸散量由水量平衡法計算得出，計算式為

ETc=P﹢△W﹣R （1）

蒸散量既有其自身變化規律，又與外界環境密切相關，所以只有環境因子與蒸散變化顯著相關，又隨時間發生顯著變化，才可能成為影響蒸散變化的因子。本文采用完全相關系數法[20-21]分析春玉米農田蒸散的主要影響因子，即

QC=| C1·C2| （2）

式中，QC為蒸散量與某影響因子的完全相關系數，C1和C2分別表示蒸散量與影響因子和該影響因

子與時間的相關系數，C1和C2通過小于0.01顯著水平的臨界值時，QC的計算才有意義。

1.4 FAO蒸散量計算方法

采用FAO[18]推薦的單值作物系數法計算蒸散量，計算式為

ETc-FAO=Kc×ET0（3）

式中，ETc-FAO為FAO推薦方法計算的蒸散量（mm），Kc為FAO推薦的玉米作物系數修訂值，FAO推薦玉米初始生長期、發育中期和發育末期作物系數值分別為0.30、1.20和0.60，本文根據FAO作物系數修正公式結合研究區氣候情況將作物系數推薦值修訂為0.30、1.09和0.59；ET0為參考作物蒸散量（mm），采用FAO的Penman-Monteith公式[18]計算。

2 結果與分析

2.1 春玉米生長季農田蒸散量與FAO計算值對比

根據FAO[18]推薦的作物生育階段劃分方法，將春玉米全生育期分為初始生長期、快速發育期、發育中期、發育末期4個階段進行實測蒸散量與FAO計算值的比較。采用絕對誤差（MRE）、相對誤差（MRE）和均方根誤差（RMSE）3個指數進行對比評價[22-24]。由表1可見，快速發育期和發育末期實測蒸散量與FAO計算值的誤差較小，其中發育末期MRE為5.4%，RMSE值為0.86，誤差最小，快速發育期MRE值為10.4%；初始生長期和發育中期MRE值分別為18.2%和16.5%，誤差較大；全生育期MAE值為46.9mm，MRE值為12.9%，誤差較大。

表1 春玉米農田蒸散量與FAO計算值對比分析

2.2 春玉米生長季農田蒸散量分布特點

2.2.1 蒸散量隨生育期分布

利用逐日蒸散量與5cm地溫的擬合關系對缺失數據進行插補，春玉米生長季農田蒸散量隨生育期分布結果見表2。由表可見，觀測期間春玉米整個生長季的蒸散總量為362.3mm，而此期的降水量為542.8mm，降水量大于實際蒸散量，降水能夠滿足玉米生長需求。從各生育期的分布情況看，播種-七葉期蒸散量較小，日平均蒸散量為1.4mm·d-1，占全生育期的11.7%；七葉期開始，隨著氣溫升高，玉米植株旺盛生長，植株蒸騰量增加，蒸散量逐漸增加，七葉-拔節和拔節-大喇叭口期日平均蒸散量分別為2.7mm·d-1和2.3mm·d-1；日平均蒸散量在大喇叭口-抽雄期達到最大，為4.3mm·d-1；抽雄-乳熟期總蒸散量最大，為97.2mm，占生長季蒸散量的26.8%。隨著玉米逐漸成熟，生理活動減弱，蒸散量緩慢減小，乳熟-成熟期日平均蒸散量為2.4mm·d-1。

表2 春玉米生育期實測蒸散量和降水量分布

2.2.2 蒸散量逐月分布

東北地區春玉米生長季主要為5-9月，蒸散量的逐月分布對于估算無生育期資料地區的蒸散量有重要意義。將每日蒸散量按月份進行累加，分析春玉米農田逐月蒸散量的動態變化（圖2）。由圖2可見，5-9月蒸散量為380.1mm，其中，7-8月為高蒸散期，蒸散量較多，累積蒸散量達207.0mm，占5-9月蒸散量的54.5%；5、6和9月為低蒸散期，蒸散量較少，分別占總蒸散量的11.6%、19.6%和14.3%。7-8月是玉米生長的主要時期，葉片已完全展開，植株蒸騰增大，蒸散量較高。5月植株矮小，蒸散以土壤蒸發為主，蒸散量較少。6月玉米處在拔節-抽雄期，還未達到植株生長的盛期。9月玉米發育接近成熟，葉片逐漸衰退，植株蒸騰減小，玉米農田蒸散降低。

2.2.3 典型日蒸散量逐小時分布

春玉米農田蒸散量不僅與植株生長有關，還與天氣條件有密切關系，蒸散量的逐小時分布特征可以很好地對此予以說明。從高蒸散期和低蒸散期中分別選擇晴天（8月6日和5月16日）和陰天（8月8日和5月29日）進行全天蒸散規律分析（圖3）。從圖3a可知，高蒸散期晴天的日變化表現為早晚低、中午高的“單峰型”曲線特征。夜間蒸散較低，接近0，變化平穩；日間蒸散變化顯著，9：00左右蒸散量迅速增大，在正午前后達到最大值（0.59mm·h-1），隨后蒸散量逐漸減小，直至21：00左右接近0。陰天蒸散日變化規律與晴天一致，但蒸散量較少，曲線變化平緩，最大值為0.21mm·h-1。低蒸散期（圖3b）晴天和陰天日蒸散規律與高蒸散期均一致，但晴天日蒸散峰值（0.43mm·h-1）較高蒸散期低，陰天蒸散變化則不穩定，但是在中午仍有較高的蒸散值。說明春玉米農田逐小時蒸散特征在遵循本身周期性變化的同時，還受到蒸散時期和天氣的共同影響。

2.3 春玉米生長季農田蒸散量的影響因子分析

將春玉米七葉、拔節、大喇叭口、抽雄、開花、乳熟期觀測得到的葉面積指數與相應生育期的日平均蒸散量進行線性擬合（圖4），兩者存在顯著的線性關系（P<0.05），R2為0.728。將春玉米生長季逐日氣象要素與逐日蒸散量進行線性擬合和曲線估計可知（圖4），蒸散量與太陽輻射、5cm地溫、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均存在顯著的線性正相關關系（P<0.05），其中，與5cm地溫的R2值最大，為0.404，其它R2值較小；蒸散量與相對濕度和飽和差間呈顯著的二次函數關系，雖然R2值較小，但方程均通過0.05水平的顯著性檢驗，與樣本量較大有關。

將觀測得到的春玉米生長季逐日氣象要素分別與逐日蒸散量進行單一因子的完全相關分析，結果見表3。由表中可見，春玉米生長季農田蒸散量與葉面積指數、5cm地溫和太陽輻射呈顯著的相關關系，其中與葉面積指數的完全相關系數最大，為0.75；與5cm地溫和太陽輻射次之，均為0.11；與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度和飽和差均無顯著的完全相關關系。綜合表明，葉面積指數是影響春玉米農田蒸散最主要的生物因子，太陽輻射和5cm地溫是最主要的環境驅動因子。

表3 春玉米農田日蒸散量與影響因子的完全相關系數

注：**、*分別表示相關系數通過0.01、0.05水平的顯著性檢驗，-表示QC不存在。

Note：**is P<0.01,*is P<0.05, - indicates that QC is not exist. C1is relevant to evapotranspiration, C2is relevant to time, QC is complete correlation coefficient.

3 結論與討論

（1）東北地區春玉米發育末期實測蒸散量與FAO計算值誤差最小，MRE值為5.4%。春玉米全生育期蒸散量為362.3mm。播種-七葉期蒸散量較小，占全生育期的11.7%；日平均蒸散量在大喇叭口-抽雄期達到最大，為4.3mm·d-1；抽雄-乳熟期總蒸散量最大，為97.2mm，占生長季蒸散量的26.8%。7-8月是高蒸散期，累積蒸散量達207.0mm，占5-9月蒸散量的54.5%。春玉米農田逐小時蒸散變化表現為早晚低、中午高的“單峰型”曲線特征，蒸散量在遵循本身周期性變化的同時，還受到蒸散時期和天氣的共同影響。

（2）蒸散量與葉面積指數、太陽輻射、5cm地溫、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫存在顯著的線性正相關關系（P<0.05），與相對濕度和飽和差間呈顯著的二次函數關系。葉面積指數與蒸散量的完全相關系數最大，是影響春玉米農田蒸散最主要的生物因子，5cm地溫和太陽輻射是最主要的環境驅動因子。

王菱等[25]研究認為，8月是黃淮海玉米農田蒸散的高峰期，王宇等[26]研究得出雨養玉米在7月蒸散量最大，表明玉米農田在7-8月是高蒸散期，此時期玉米正處在抽雄-乳熟的生長旺盛階段，植株蒸騰量大，這與本文結論一致。春玉米農田蒸散逐小時變化表現為早晚低、中午高的“單峰型”曲線特征，與黃土高原春小麥農田蒸散的逐小時變化規律一致[27-28]。陰天蒸散逐時變化規律與晴天一致，但蒸散量較低，曲線變化平緩。太陽輻射是最大的能量來源，使大量的液態水變為水汽，促使蒸散增加。晴天太陽輻射較強，能為蒸散提供充足的驅動力，陰天太陽輻射較弱，蒸散驅動力降低，導致蒸散量減小。蒸散強度受作物本身生長狀況（葉面積指數）、蒸散物質來源（土壤水分）和蒸散能量驅動力（太陽輻射）共同影響[29]。有研究表明，玉米生長季植株蒸騰與蒸散量的比值為70%左右，而葉面積指數是影響植株蒸騰的重要因子，進而影響蒸散量[30]。

本試驗觀測的蒸散數據還可作為蒸發、蒸散的實測“標準量”，用來評估其它蒸散測定方法或估算模式，從而為農田灌溉管理、抗旱減災服務提供科學依據。但本文也存在試驗數據年限較短，計算蒸散量時未區分土壤蒸發和植株蒸騰等不足，還需在今后的研究中利用多年觀測數據進行更全面深入的研究。

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Dynamic Change of Evapotranspiration and Influenced Factors in the Spring Maize Field in Northeast China

GUO Chun-ming1, REN Jing-quan1, ZHANG Tie-lin2, YU Hai2

(1.Institute of Meteorological Science of Jilin Province, Changchun 130062, China;2.Yushu Agrometeorological Station of Jilin Province, Yushu 130400)

Using the observed data of large-scale weighing lysimeter, the distribution characteristics and influenced factors of evapotranspiration(ETc) in the spring maize field were analyzed. The results showed that the total ETcwas 362.3mm and the mean diurnal evapotranspiration was 2.6mm·d-1during the whole growth period. From the distribution of the growth period, ETcwas low during the sowing to seven leaves stage, which the mean diurnal evapotranspiration was 1.4mm·d-1and accounted for 11.7% of the whole growth period. It rose rapidly since the seven leaves stage, reached the maximum from big flare to heading stage(4.3mm·d-1). The ETcfrom heading to milk maturity was 97.2mm and the percentage was 26.8% of the whole growth period. From the distribution of the month, the ETcfrom July to August was 207.0mm which accounted for 54.5% from May to September, but the ETcof May, June and September were low, and the percentage was 11.6%, 19.6% and 14.3%, respectively. From hourly change of the evapotranspiration, it could be graphed as a line with a single-peak which occurred around noon with lower evapotranspiration observed in the morning and evening. The ETcincreased significant linearly with increases in leaf area index, solar radiation, 5cm soil temperature, mean air temperature, maximum air temperature and minimum air temperature, while it responded to changes in relative humidity and vapor deficit in a quadratic curve manner with a pattern of first increased and then decreased. Leaf area index was the major biological factors and the 5cm soil temperature and solar radiation were the major environmental factors for evapotranspiration.

Spring maize; Evapotranspiration; FAO; Large-scale weighing lysimeter; Northeast China

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.04.003

2015-11-24

通訊作者。E-mail：renjingquan1988@126.com

公益性行業（氣象）科研專項“蒸滲計在氣象觀測中的應用試驗研究”（GYHY201106043）；公益性行業（氣象）科研專項“東北地區春玉米農業氣象指標體系研究”（GYHY201206018）

郭春明（1962-），高級工程師，主要從事農業氣象研究工作。E-mail：Gch8188@sina.com