基于雙作物系數(shù)法的新疆覆膜滴灌夏玉米蒸散量估算

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(jì)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(shí)測值。馮禹等[6]利用葉面積指數(shù)修正雙作物系數(shù)法，計(jì)算了黃土高原地區(qū)春玉米ET，并認(rèn)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(jì)算出的蒸散量進(jìn)行對比，認(rèn)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(yàn)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(shí)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(jì)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(shí)[10-14]。陳平等[15]運(yùn)用穩(wěn)定碳同位素法和莖流計(jì)對核桃-菘藍(lán)/決明子復(fù)合模式不同生長時(shí)期的水分利用效率和耗水量進(jìn)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(jì)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(jìn)行，且以水量平衡法、大型稱重式蒸滲儀及莖流計(jì)等方法驗(yàn)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(jìn)行驗(yàn)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(yàn)，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(jìn)行實(shí)際觀測，驗(yàn)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(jìn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)基地內(nèi)進(jìn)行(東經(jīng)80°20′，北緯41°16′)。試驗(yàn)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(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地如表1所示。

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

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(diǎn)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(gè)測坑內(nèi)共種植8行玉米(圖1)。每個(gè)測坑均有1個(gè)水表控制灌溉水量(精度為0.001 m3)。

2016年和2017年試驗(yàn)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(yàn)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(gè)處理，每處理3次重復(fù)，隨機(jī)布置在15個(gè)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(yàn)， 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(yàn)，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(gè)灌水周期內(nèi)的ET按照ET=KcET0計(jì)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(jìn)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(jìn)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(xiàng)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(shí)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(yàn)區(qū)所有氣象數(shù)據(jù)從距離試驗(yàn)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(qiáng)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(gè)時(shí)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(shí)驗(yàn)室用于測定δ13C值并計(jì)算WUE。根據(jù)文獻(xiàn)[10-14,18-22]等所述方法，應(yīng)用試驗(yàn)所測數(shù)據(jù)計(jì)算夏玉米單位面積的實(shí)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(gè)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(gè)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(jìn)行稱量。

1.4 雙作物系數(shù)法

運(yùn)用FAO-56中的雙作物系數(shù)法計(jì)算試驗(yàn)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(jì)算[3]，Kcb和Ks的計(jì)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(gè)參數(shù)，計(jì)算過程已在FAO-56中詳細(xì)給出[3]，本文不再贅述。

由于本試驗(yàn)為局部覆膜，故土壤蒸發(fā)系數(shù)的計(jì)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(jì)算Ke的表達(dá)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(jì)算得出。但在用式(2)計(jì)算few時(shí)，由于本試驗(yàn)是局部覆膜滴灌條件，因此few的計(jì)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(jì)算Ke2時(shí)，式(4)中的fw取1。在計(jì)算Ke1時(shí)，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(dá)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(gè)膜孔的面積，m2

Atotal——小區(qū)覆膜總面積，m2

1.5 統(tǒng)計(jì)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(yàn)?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(shí)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(yùn)用2016年夏玉米的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)校正，2017年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。各參數(shù)見表2。

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

表2 雙作物系數(shù)法計(jì)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(gè)處理的ET實(shí)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(gè)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(shí)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(yàn)證

2.2.1基于水量平衡法的模型驗(yàn)證

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

驗(yàn)證結(jié)果顯示，率定后的模型可以很好地模擬試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(yàn)后的模型可以較好地模擬試驗(yàn)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(yàn)證

圖3為運(yùn)用穩(wěn)定碳同位素法計(jì)算2017年5個(gè)處理夏玉米各生育期實(shí)測和模擬作物蒸騰量擬合相關(guān)圖，誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

圖3 2017年作物蒸騰量模擬值與實(shí)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(yàn)證結(jié)果顯示，率定后的模型可以很好地模擬試驗(yàn)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(shí)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(yàn)后的模型可以較好地模擬試驗(yàn)區(qū)內(nèi)夏玉米生育期內(nèi)蒸騰量的變化過程，同時(shí)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(shí)測蒸散量與模擬值之間的對比和驗(yàn)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(gè)處理的實(shí)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(shí)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)。可以看出，在兩個(gè)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(gè)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(dá)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(yùn)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(jì)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(gè)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(dá)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(dá)100%時(shí)，E達(dá)最小值。2016—2017年，整個(gè)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(gè)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(shí)測值均較為一致。

(2)運(yùn)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%。