改進(jìn)ＦＡＯ雙作物系數(shù)法估算夏玉米蒸散量

肖然 朱永華 呂海深

摘要：為了更加準(zhǔn)確地估算淮北平原夏玉米（Zea mays L.）蒸散量，基于安徽省蚌埠市五道溝水文試驗(yàn)站實(shí)測(cè)的葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)FAO雙作物系數(shù)法中的基礎(chǔ)作物系數(shù)（Kcb）和土面蒸發(fā)系數(shù)（Ke）的計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn);并以2016、2017兩年基于蒸滲儀實(shí)測(cè)的夏玉米蒸散量對(duì)FAO雙作物系數(shù)法和改進(jìn)雙作物系數(shù)法的估算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，改進(jìn)雙作物系數(shù)法在夏玉米各生長(zhǎng)階段及全生育期的估算結(jié)果準(zhǔn)確性都高于FAO雙作物系數(shù)法;改進(jìn)雙作物系數(shù)法在夏玉米拔節(jié)期至抽雄期的蒸散量計(jì)算中改進(jìn)效果最為明顯。說明改進(jìn)雙作物系數(shù)法更適用于淮北平原夏玉米蒸散量的估算。

關(guān)鍵詞：夏玉米（Zea mays L.）;葉面積指數(shù);作物系數(shù)法;作物蒸散量;淮北平原

中圖分類號(hào)：S513? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）09-0033-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.008? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： In order to estimate the crop evapotranspiration of summer maize（Zea mays L.） in Huaibei plain more accurately， the calculate methods of the basal crop coefficient（Kcb） and the soil evaporation coefficient（Ke） in FAO dual crop coefficient approach were improved using the leaf area index data， which was measured by summer maize experiment in Wudaogou Hydrology Experimental Station in Bengbu city，Anhui province. Then the accuracy of the estimated results by FAO and improved dual crop coefficient approach was evaluated by comparing the estimated values and the observation values which were obtained by lysimeters. The results showed that the accuracy of the improved dual crop coefficient approach was higher than that of FAO dual crop coefficient approach in all growth stages and the whole growth period of summer maize. The improved dual crop coefficient approach was the most effective in the evapotranspiration calculation of summer maize between jointingstage and tasseling stage. The improved dual crop coefficient approach was more suitable for the estimation of evapotranspiration of summer maize in Huaibei plain.

Key words： summer maize（Zea mays L.）; leaf area index; crop coefficient approach; crop evapotranspiration; Huaibei plain

蒸散作為惟一在地表能量平衡和水量平衡中都出現(xiàn)的因素，是連接生態(tài)與水文過程的重要紐帶，也是制定農(nóng)田灌溉計(jì)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。目前 60%～70%的地表降水會(huì)通過蒸散返回大氣[2]，且超過90%的農(nóng)業(yè)用水最終以蒸散的形式消耗[3，4]，因此農(nóng)田蒸散量的準(zhǔn)確估算對(duì)區(qū)域灌溉制度的制定和作物水分生產(chǎn)力提升的意義重大[5，6]。

FAO雙作物系數(shù)法能劃分作物蒸騰量和土壤蒸發(fā)量，在制定精細(xì)農(nóng)業(yè)灌溉方案時(shí)廣泛應(yīng)用，然而其準(zhǔn)確性仍有很大提高空間，一方面不同地區(qū)的自然條件和種植方式等因素差異較大，原本的修正方式在不同地區(qū)的適用性不同;另一方面FAO雙作物系數(shù)法中的基礎(chǔ)作物系數(shù)（Kcb）曲線只由確定的3個(gè)節(jié)點(diǎn)然后線性插值得到，對(duì)作物生長(zhǎng)過程處理有所簡(jiǎn)化，會(huì)帶來一定誤差。針對(duì)上述兩點(diǎn)不足，引入葉面積指數(shù)（LAI）對(duì)FAO雙作物系數(shù)法中Kcb和土面蒸發(fā)系數(shù)（Ke）的修正方式進(jìn)行改進(jìn)。LAI能夠反映作物生長(zhǎng)和下墊面狀況，其大小對(duì)凈輻射在土壤表面和作物冠層的分布影響較大，而凈輻射是蒸發(fā)和蒸騰能量的主要來源，據(jù)此改進(jìn)計(jì)算可得到更貼合作物實(shí)際生長(zhǎng)狀況的Kcb曲線和更好地模擬作物覆蓋程度的Ke。已有一些相關(guān)研究，如馮禹等[7]引入LAI動(dòng)態(tài)修正FAO雙作物系數(shù)法，以山西省壽陽縣為研究區(qū)，進(jìn)行半濕潤(rùn)區(qū)旱作玉米蒸散量的估算，發(fā)現(xiàn)修正后的雙作物系數(shù)法能很好地估算玉米蒸散量;閆浩芳等[8]引入LAI和土壤含水率改進(jìn)FAO雙作物系數(shù)法，以江蘇省鎮(zhèn)江市為研究區(qū)，進(jìn)行濕潤(rùn)區(qū)溫室黃瓜蒸散量的估算，也取得了良好效果。目前在濕潤(rùn)區(qū)和半濕潤(rùn)區(qū)的過渡帶淮北平原，還未有相關(guān)研究。

淮北平原是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，降水量年際年內(nèi)分布不均，旱澇災(zāi)害頻發(fā)，需制定科學(xué)精確的灌排方案以保證水資源的充分利用和農(nóng)作物產(chǎn)量。夏玉米是當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物之一。因此，本試驗(yàn)以安徽省蚌埠市為研究區(qū)，基于2016、2017年在五道溝水文試驗(yàn)站進(jìn)行的夏玉米種植試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)FAO雙作物系數(shù)法（以下簡(jiǎn)稱FAO法）進(jìn)行改進(jìn)，然后采用改進(jìn)雙作物系數(shù)法（以下簡(jiǎn)稱改進(jìn)法）對(duì)研究區(qū)夏玉米蒸散量進(jìn)行估算。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)在安徽省蚌埠市五道溝鎮(zhèn)水文試驗(yàn)站（117°21′E，33°09′N）進(jìn)行。該站位于淮北平原南部，屬暖溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為15.4 ℃，多年平均降水量為926.3 mm，降水量年際間波動(dòng)較大且年內(nèi)分布不均，多集中在夏季，旱澇災(zāi)害頻發(fā)。

試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為粉沙質(zhì)黏壤土，平均田間持水率為38.89%，凋萎含水率為21.5%，土壤質(zhì)地黏重，結(jié)構(gòu)不良，土體堅(jiān)實(shí)，土壤保水性能差，易干旱。

1.2? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在大型稱重式蒸滲儀中進(jìn)行，型號(hào)為QYZS-201，共4臺(tái)，規(guī)格為2 m×2 m×2.3 m，質(zhì)量約15 t，測(cè)定精度為0.02 mm。

2016年于6月23日播種，9月30日收獲;2017年于6月16日播種，9月28日收獲。種植密度為6株/m2，出苗后視情況進(jìn)行補(bǔ)苗，品種為聯(lián)創(chuàng)808，兩年的全生育期分別為100、105 d。播種前進(jìn)行小麥秸稈全量還田，生育期內(nèi)噴灌兩次，尿素和專用復(fù)合肥（N、P、K養(yǎng)分各20%）各施用1 000 kg/hm2。

1.3? 數(shù)據(jù)來源

1）氣象資料。研究所用氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)地面資料，涉及的氣象因素包括氣溫、風(fēng)速、氣壓、日照等。

2）株高和葉面積指數(shù)。在夏玉米全生育期內(nèi)每周測(cè)量玉米的葉面積和株高，用卷尺量取株高，用毫米方格紙讀取葉面積。結(jié)合蒸滲儀的實(shí)際植株密度，計(jì)算葉面積指數(shù)。

3）夏玉米實(shí)際蒸散量。夏玉米實(shí)際蒸散量數(shù)據(jù)由采集系統(tǒng)自動(dòng)收集和記錄，時(shí)間間隔為1 h，日蒸散量由24 h數(shù)據(jù)累計(jì)得到。

1.4? 改進(jìn)雙作物系數(shù)法

雙作物系數(shù)法計(jì)算作物蒸散量（ETc）。

式中，Ks是土壤水分脅迫系數(shù);Kcb是基礎(chǔ)作物系數(shù);Ke是土壤蒸發(fā)系數(shù);ET0是參考作物蒸散量（mm），采用Penman-Montieth公式計(jì)算得到[9]。

1.4.1? 對(duì)基礎(chǔ)作物系數(shù)的改進(jìn)? 在改進(jìn)雙作物系數(shù)法中，對(duì)基礎(chǔ)作物系數(shù)（Kcb）的改進(jìn)通過引入由LAI計(jì)算的冠層覆蓋系數(shù)（Kcc）來實(shí)現(xiàn)[7]，Kcb和Kcc的計(jì)算分別見式（2）、式（3）。

式中，Kc，min是裸土最小作物系數(shù)，本次取值為0.1[7];kk是輻射的冠層衰減系數(shù)，取值為0.7[7];Kcb，full是作物完全覆蓋地表時(shí)的最大基礎(chǔ)作物系數(shù)值，計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[10]。

1.4.2? 對(duì)土壤蒸發(fā)系數(shù)的改進(jìn)? 對(duì)土壤蒸發(fā)系數(shù)（Ke）的改進(jìn)通過采用LAI表示的作物覆蓋率（fc）計(jì)算Ke中的裸露濕潤(rùn)土壤表面比例（few）來實(shí)現(xiàn)，Ke、few、fc計(jì)算分別見式（4）、式（5）、式（6）。

式中，Kr為土壤蒸發(fā)衰減系數(shù);Kc，max為Kc的最大值;1-fc為裸露土壤平均比值;fw為降雨濕潤(rùn)土壤表面平均比值。

1.5? 誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)

分別采用決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）和平均絕對(duì)誤差（AAE）對(duì)兩種方法估算的夏玉米蒸散量進(jìn)行誤差評(píng)價(jià)。

R2反映估算值和實(shí)測(cè)值相關(guān)的密切程度，R2越接近于1，相關(guān)性越好;RMSE和AAE都表示估算值和實(shí)測(cè)值之間的偏差，RMSE對(duì)異常值更加敏感，而AAE主要反映估算值和實(shí)測(cè)值的數(shù)值接近程度，RMSE和AAE越小，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確。

2? 結(jié)果與分析

FAO雙作物系數(shù)法根據(jù)對(duì)地面覆蓋程度將作物生長(zhǎng)劃分為4個(gè)階段，本試驗(yàn)在改進(jìn)雙作物系數(shù)法中，作物生長(zhǎng)階段采用在試驗(yàn)地實(shí)際觀測(cè)的夏玉米生長(zhǎng)期，分別為播種期至拔節(jié)期、拔節(jié)期至抽雄期、抽雄期至灌漿期和灌漿期至成熟期。2016年夏玉米4個(gè)生長(zhǎng)階段分別為20、37、12、31 d;2017年夏玉米4個(gè)生長(zhǎng)階段分別為20、38、14、33 d。

圖1是用FAO法和改進(jìn)法估算得出的夏玉米蒸散量與實(shí)測(cè)值對(duì)比，從圖1可以看出，改進(jìn)法的估算結(jié)果比FAO法的更為貼近實(shí)測(cè)值，這種優(yōu)勢(shì)在播種后25～50 d最為明顯;且改進(jìn)法對(duì)較大值和較小值的模擬情況也優(yōu)于FAO法，這一點(diǎn)在2017年表現(xiàn)得更明顯;2016年的夏玉米蒸散量變化較為平穩(wěn)而2017年變化幅度更大，波動(dòng)也更頻繁，改進(jìn)法在波峰波谷處的模擬準(zhǔn)確度高于FAO法。

表1和表2分別是2016年和2017年兩種方法估算結(jié)果與誤差對(duì)比。從全生育期來看，兩個(gè)年份改進(jìn)法估算結(jié)果的R2都比FAO法的更接近于1，而其RMSE和AAE都小于FAO法的，說明在估算研究區(qū)夏玉米蒸散量總值方面改進(jìn)法比FAO法更適合。從各生長(zhǎng)階段來看，改進(jìn)法的優(yōu)勢(shì)在拔節(jié)期至抽雄期最明顯（改進(jìn)法的RMSE和AAE比FAO法減小最多），在抽雄期至灌漿期和灌漿期至成熟期次之，在播種期至拔節(jié)期最不明顯。這是因?yàn)樵诓シN期至拔節(jié)期植株很小，不管是FAO法和改進(jìn)法估算出的作物蒸騰量都非常小，蒸散量主要由土面蒸發(fā)量構(gòu)成;而拔節(jié)期至抽雄期是作物生長(zhǎng)最旺盛的階段，作物蒸散量變化最大，與FAO法相比，改進(jìn)法獲得的作物系數(shù)曲線更接近實(shí)際情況，所以在這一階段改進(jìn)法的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)得最為明顯。

從表1和表2還可以看出，兩個(gè)生育期內(nèi)FAO法的估算結(jié)果在各生長(zhǎng)階段都低估了夏玉米蒸散量，而改進(jìn)法除在播種期至拔節(jié)期出現(xiàn)低估外，在其他3個(gè)生長(zhǎng)階段都高估了夏玉米蒸散量。FAO法低估的原因主要由作物品種差異造成，F(xiàn)AO-56所推薦的玉米最大株高為2 m，而本試驗(yàn)中玉米的最大株高平均在3 m左右;改進(jìn)法在灌漿期至成熟期高估的原因主要是植物生長(zhǎng)末期葉片蒸騰能力下降，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)在玉米進(jìn)入成熟期后，有些葉片雖未凋萎但已部分變黃，以LAI估算這些葉片的蒸騰量就會(huì)高于實(shí)測(cè)值。改進(jìn)法在播種期至拔節(jié)期的低估和在拔節(jié)期至抽雄期、抽雄期至灌漿期的高估未能明確具體原因，有待進(jìn)一步探究。

3? 小結(jié)

本試驗(yàn)基于安徽省蚌埠市五道溝水文試驗(yàn)站2016、2017年夏玉米蒸滲儀試驗(yàn)實(shí)測(cè)的LAI數(shù)據(jù)對(duì)FAO雙作物系數(shù)法進(jìn)行改進(jìn)，并采用蒸滲儀實(shí)測(cè)的夏玉米蒸散量對(duì)FAO法和改進(jìn)法的估算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論如下。

1）改進(jìn)雙作物系數(shù)法能更為準(zhǔn)確地估算淮北平原夏玉米全生育期蒸散量總值。夏玉米全生育期蒸散量2016、2017年實(shí)測(cè)值分別為422.77、405.19 mm;改進(jìn)雙作物系數(shù)法的估算值、R2、RMSE、AAE分別為438.22 mm、0.93、0.49 mm/d、0.10 mm/d（2016年）和415.93 mm、0.85、0.67 mm/d、0.10 mm/d（2017年）;FAO雙作物系數(shù)法的估算值、R2、RMSE、AAE分別為374.70 mm、0.73、0.82 mm/d、0.49 mm/d（2016年）和362.40 mm、0.66、1.21 mm/d、0.41 mm/d（2017年）。

2）改進(jìn)雙作物系數(shù)法在各生長(zhǎng)階段也都能更準(zhǔn)確地估算夏玉米蒸散量。相較于FAO雙作物系數(shù)法，改進(jìn)雙作物系數(shù)法在拔節(jié)期至抽雄期的改進(jìn)效果最為明顯，在抽雄期至灌漿期和灌漿期至成熟期次之，在播種期至拔節(jié)期最不明顯。

3）對(duì)改進(jìn)法在播種期至拔節(jié)期低估夏玉米蒸散量，在拔節(jié)期至抽雄期和抽雄期至灌漿期都高估夏玉米蒸散量的原因有待進(jìn)一步研究明確。

淮北平原主要農(nóng)作物為冬小麥和夏玉米，改進(jìn)雙作物系數(shù)法對(duì)冬小麥蒸散量估算的適用性還需要更多試驗(yàn)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張寶忠，許? 迪，劉? 鈺，等.多尺度蒸散發(fā)估測(cè)與時(shí)空尺度拓展方法研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（6）：8-16.

[2] 連晉姣，黃明斌，李杏鮮，等.夏季黑河中游綠洲樣帶蒸散量遙感估算[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（15）：120-129.

[3] DING R S，KANG S Z，ZHANG Y Q，et al. Partitioning evapotranspiration into soil evaporation and transpiration using a modified dual crop coefficient model in irrigated maize field with ground-mulching[J].Agricultural water management，2013， 127：85-96.

[4] RANA G，KATERJI N. Measurement and estimation of actual evapotranspiration in the field under mediterranean climate：A review[J].European journal of agronomy，2000，13：125-153.

[5] 梅旭榮，康紹忠，于? 強(qiáng)，等.協(xié)同提升黃淮海平原作物生產(chǎn)力與農(nóng)田水分利用效率途徑[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，46（6）：1149-1157.

[6] 石小虎，蔡煥杰，趙麗麗，等.基于SIMDualKc模型估算非充分灌水條件下溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（22）：131-138.

[7] 馮? 禹，崔寧博，龔道枝，等.基于葉面積指數(shù)改進(jìn)雙作物系數(shù)法估算旱作玉米蒸散[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（9）：90-98.

[8] 閆浩芳，毋海梅，張? 川，等.基于修正雙作物系數(shù)模型估算溫室黃瓜不同季節(jié)騰發(fā)量[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（15）：117-125.

[9] ALLEN R G，PEREIRAL L S，RAES D，et al. Crop evapotranspiration：Guidelines for computing crop water requirements[M].Rome：FAO irrigation and drainage paper，1998.56.

[10] 劉? 琦，龔道枝，郝衛(wèi)平，等.利用AquaCrop模型模擬旱作覆膜春玉米耗水和產(chǎn)量[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2015，34（6）：54-61.

收稿日期：2019-01-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016YFA0601504;41571015;41371049）

作者簡(jiǎn)介：肖? 然（1993-），女，河北唐山人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水文與水環(huán)境保護(hù)，（電話）13317115622（電子信箱）2454260651@qq.com;通信作者，朱永華（1970-），女，教授，博士，主要從事生態(tài)水文與水環(huán)境保護(hù)研究，（電子信箱）zhuyonghua@hhu.edu.cn。