河北壩上地區雨養裸燕麥田間蒸散規律

裴宏偉,張紅娟,王飛梟,王 鑫,沈彥俊,馬 宏

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000； 2. 河北省水質工程與水資源綜合利用重點實驗室，河北 張家口 075000；3. 張家口市農業高效節水研究所，河北 張家口 075000； 4. 中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心，河北 石家莊 050021)

水資源匱乏是河北壩上等半干旱地區作物生長發育的主要限制因素[1]，同時也是制約農牧業可持續發展的關鍵資源要素[2]。蒸散(Evapotranspiration，ET)是水在“土壤-作物-大氣”系統中循環的重要途徑，也是農田水分平衡的關鍵環節[3-5]。河北壩上位于河北西北部，處于中國北方農牧交錯帶中部核心區。該地區年降雨量普遍低于400 mm，且年內分配不均勻、年際變化較大[6]，水資源不足成為限制本地區農牧業健康發展的重要資源因素。隨著北方農牧交錯帶農業結構調整工作的不斷深入，特別是國家層面對于本地區發展高效農牧業的重大戰略需求，裸燕麥作為一種適宜當地氣候、具有較高經濟價值的糧飼一體作物，成為本地區發展高效農牧業的理想作物種類[7-10]。然而，水是農業的命脈，針對北方農牧交錯帶寒冷而干旱的氣候條件，如何利用有限的水資源實現最高作物產量及水分利用效率，已經成為本地區亟待解決的問題。

雨養作物的田間水分消耗主要通過蒸散耗水來完成，因此，精確估算雨養作物田間蒸散量并明析其變化規律對于作物需水管理、旱情預測等方面具有重要的理論意義及應用價值。當前，國內外學者對測定作物蒸散量的方法進行了大量研究，如波文比量平衡法[11]、渦度相關法[12]、遙感法[13]、大孔徑激光閃爍儀法[14-15]和大型稱重式蒸滲儀法[16-17]等。其中，通過大型稱重式蒸滲儀對作物蒸散量的測定深受廣大學者的關注，且大型稱重式蒸滲儀法因具有較高的精度，常被用作檢驗其他方法所測結果的標準方法[18-20]。自20世紀50年代以來，已有許多學者利用大型稱重式蒸滲儀對不同管理方式下的小麥、玉米、水稻、馬鈴薯等作物的田間蒸散耗水規律等進行了大量的研究[21-26]。但是，目前針對河北壩上地區雨養條件下裸燕麥的田間蒸散規律及模擬分析的研究卻鮮有報道。本文以河北壩上地區雨養裸燕麥為研究對象，基于參數優化后的RZWQM2模型，對2018、2019年裸燕麥生育期內田間蒸散動態過程進行模擬，并通過大型稱重式蒸滲儀測定的試驗數據對裸燕麥生育期內各時段的田間蒸散量進行深入研究，分析土壤水分及氣象因素對蒸散的影響，以期為河北壩上地區農田水分高效管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年和2019年在張家口市農業高效節水研究所開展。該研究所位于河北省張家口市張北縣(41°15′N，114°7′E，海拔約1 393.3 m)，多年(1960—2018年)平均降雨量385 mm左右，年平均氣溫為3.2℃，屬于中溫帶大陸性季風氣候。試驗所需的氣象數據由該試驗區所安裝的小型氣象站測定，主要包括平均風速(km·d-1)、最高及最低溫度(℃)、平均相對濕度(%)、日照時數(h)及降雨量(mm)。土壤含水量由智能測墑系統Insentek Sensor(簡稱“智墑”，東方智感(浙江)科技股份有限公司生產)測定，監測間隔1 h。

1.2 模型介紹

RZWQM2模型是由美國農業部大平原系統研究所開發，該模型包括土壤化學、土壤物理及土壤微生物的過程，不僅可以較好地模擬作物的生長過程，也能模擬日尺度的土壤蒸發和作物蒸騰。RZWQM2的土壤水平衡模塊采用Green-Ampt方程進行土壤水滲透過程的模擬，同時使用Richards方程在不同的土層間重新分配水分。而潛在蒸散發是使用擴展的Shuttleworth-Wallace(S-W)模型來量化裸露或殘余覆蓋的土壤蒸發和作物蒸騰的每日潛在速率，該方程經過修正，包括空氣動力學和能量通量上的地表作物殘留動力學。

利用裸燕麥2個完整生育期(2018年和2019年，一年一熟)的實測數據運行S-W模型。所用實測數據包括氣象數據(日均最低及最高氣溫、相對濕度、降雨量、風速等)、作物生長及田間管理數據(株高、葉面積指數、生物量、產量、播種及收獲時間、施肥量等)、土壤水分數據、裸燕麥每日田間蒸散量數據以及土壤理化特性參數。

1.3 試驗方法

供試裸燕麥品種為壩莜1號，種植方式為條播，裸燕麥分別于2018年6月15日和2019年6 月5日播種， 2018年9月23日和2019年9月11日收獲，播種密度為450萬株·hm-2，種植行距25 cm，播種深度4 cm。裸燕麥在種植前施入復合肥90 kg·hm-2作為底肥,作物生長期間沒有追肥，其他田間管理方式與當地保持一致，裸燕麥2018—2019年生育期見表1。整個生育期內的降雨量分別為146.5 mm和252.8 mm。

表1 裸燕麥生育期(m-d)

裸燕麥種植區域安裝有大型稱重式蒸滲儀，該蒸滲儀由一個不銹鋼鐵箱(長×寬×高為2 m×2 m×2.3 m)組成，精度為32 g(約為0.01 mm水層的深度)，其填土土壤物理參數見表2。裸燕麥生育期內，在不進行灌溉處理的條件下每間隔30 min稱取填土重量1次。此外，由于蒸滲儀底部無滲漏液出流，故可根據特定時間段內的土體質量變化計算出田間蒸散量。樣方內土壤含水率依據在蒸滲儀內安裝的智能測墑系統進行物聯網自動實時監測[27]，并每間隔7 d左右對裸燕麥的葉面積、株高及生物量進行一次人工測定。

表2 裸燕麥試驗區土壤物理參數

1.4 模型評價方法

對RZWQM2模型模擬結果采用絕對平均誤差(MAE)、決定系數(R2)和一致性指數(d)進行評價，計算公式：

(1)

(2)

(3)

2 結果與分析

2.1 裸燕麥田間蒸散量模擬動態過程分析

雨養條件下，2018年和2019年裸燕麥田間蒸散量總體擬合趨勢呈現“單峰型”曲線(圖1)，且實測值與模擬值均在孕穗期達到最大，實測最大值分別為7.2 mm和7.7 mm，模擬值的最大值為6.6 mm和7.0 mm，偏低了8.33%、9.09%(圖1)；從表3可以看出，2018年和2019年裸燕麥田間蒸散量模擬結果較好，決定系數(R2)分別為0.71和0.68，一致性指數(d)分別為0.65和0.63，絕對平均誤差(MAE)分別為1.11 mm·d-1和1.19 mm·d-1; 2018年裸燕麥生育期內總蒸散量的模擬值為358.73 mm，相比實測總蒸散量高了10.19 mm，而2019年模擬總蒸散量相對實測總蒸散量低了69.5 mm(表4)。

圖1 RZWQM2模型對裸燕麥田間蒸散量模擬分析Fig.1 Analysis of evapotranspiration quantity simulation in naked oat field by RZWQM2 model

表3 裸燕麥田間蒸散模擬值與實測值的模擬結果統計分析

表4 裸燕麥生育期內田間蒸散、降雨量及土壤水分變化

2018年和2019年都在生育期前期和后期擬合較好，而在中期擬合偏差相對較大，可能是因為在裸燕麥生育期的前后期，田間蒸散量都較小，而裸燕麥中期為作物生長旺盛階段，日均蒸散量較大，在同樣大小的相對誤差情況下，使得在數值上體現出裸燕麥生育期前后期絕對偏差較小，而在生育期中期出現絕對偏差增大的情況。

2.2 裸燕麥生育期內田間蒸散特征

由圖2可以看出，裸燕麥整個生育期內孕穗期的日蒸散量最大，而在播種～出苗期的日蒸散量最小，出苗期后日蒸散量呈現逐漸增加的趨勢，在孕穗期達到峰值，在開花期～成熟期日蒸散量又逐步下降。

圖2 裸燕麥生育期內田間蒸散量與降雨變化特征Fig.2 Characteristics of evapotranspiration and rainfall during the growth period of naked oat

2018年和2019年裸燕麥生育期內逐日蒸散量的變化特征(表5)表明，拔節期～開花期出現日蒸散量最大值，分別為7.20 mm·d-1和7.67 mm·d-1，這一時段日蒸散量平均值分別為4.50 mm·d-1和4.35 mm·d-1；播種期～出苗期日均蒸散量最小值分別為0.10 mm·d-1和0.25 mm·d-1,該時段的日蒸散量平均值分別為0.53 mm·d-1和0.52 mm·d-1；當裸燕麥在開花期～成熟期時，由于作物達到成熟而吸收水分較少，使得日均蒸散量也隨之減小，其逐日平均蒸散量分別為1.98 mm·d-1和 2.54 mm·d-1。

表5 裸燕麥各生育期田間蒸散情況

2.3 不同天氣下裸燕麥田間逐時蒸散量變化分析

選取了裸燕麥孕穗期的兩種典型天氣(多云7月9日和晴天7月15日)對逐時蒸散量的變化規律進行分析。裸燕麥田不同天氣條件下蒸散量的變化整體呈現早晚變低、中午左右增高的“單峰型”曲線(圖3)。在晴天和多云都表現為06∶00左右蒸散量開始逐漸增大，而兩種不同天氣達到峰值的時間不同，晴天峰值出現在15∶00左右，蒸散量達到了0.73 mm；多云天氣則在12∶00左右蒸散量達到最大，最大為0.58 mm，可能是因為在多云天氣下正午時分不會出現裸燕麥氣孔關閉，與晴天相比出現峰值較早，在峰值過后蒸散量開始降低，到20∶00左右蒸散量開始接近于零，其多云夜間平均蒸散量為0.03 mm；晴天由于正午時刻氣溫較高使得裸燕麥出現“午休”現象，導致氣孔關閉, 降低了蒸散量。多云和晴天兩種不同天氣的逐時蒸散量變化過程表明，裸燕麥田間蒸散量主要在白天，而在夜間蒸散量較低，趨近于零且相對穩定，由于夜間溫度和濕度較低，因此蒸散量較小。

圖3 裸燕麥田典型日蒸散量變化Fig.3 Variation of typical daily evapotranspirationin naked oat field

2.4 裸燕麥各生育期日均蒸散量變化特征分析

裸燕麥各生育期的日均蒸散量(圖4)表現為：孕穗期>開花期>成熟期>拔節期>出苗期。出苗期裸燕麥蒸散量小于其他生育期，在本研究中因出苗期葉面積較小而未對其進行觀測。在拔節期隨著氣溫和葉面積指數的逐漸增大，日均蒸散量也較出苗期增大，日均蒸散量為1.65 mm·d-1。隨著裸燕麥的生長發育，土壤的蒸發增大，土壤水分也較拔節期降低，而裸燕麥在孕穗期的葉面積指數大于拔節期，葉面積指數為4.66，因而蒸散量較大，孕穗期內裸燕麥日均蒸散量達到5.41 mm·d-1，是整個生育期中蒸散量最大的階段；經過孕穗期的蒸散及大量耗水，土壤含水率降低，因而土壤蒸發也降低，但因葉面積指數的增大(LAI=5.07)，裸燕麥的蒸騰量增加，對土壤蒸發的降低進行了彌補，因此其日均蒸散量也相對較大，日均蒸散量為4.91 mm·d-1，相比孕穗期減少了9.24%；而在成熟期葉面積指數相比孕穗期減少了45%，且該生育期作物逐漸成熟，作物所需水分逐漸減小，因而日均蒸散量減小。在裸燕麥整個生育期日均蒸散量變化趨勢與指示作物生長狀況的葉面積指數高度一致，同時受到氣溫等環境因子的影響(圖4)。在裸燕麥生育初期，由于植株較小(葉面積指數不足1.5)且氣溫較低，日均蒸散量較低；在裸燕麥生長旺盛的孕穗期和開花期，裸燕麥生長加快，葉面積指數迅速增加(4.66～5.07)，日均蒸散量均顯著高于前期；到裸燕麥成熟階段，葉片的蒸騰能力減弱，加上土壤濕度和氣溫逐漸降低，因此日均蒸散量相比孕穗期和開花期有明顯下降。

圖4 裸燕麥各生育期日均蒸散量、葉面積指數、土壤含水率及氣溫Fig.4 Daily evapotranspiration, leaf area index, soil moisturecontent and temperature of naked oat at each growth stage

3 結 論

研究基于大型稱重式蒸滲儀及RZWQM2模型對河北壩上地區2018年和2019年雨養裸燕麥田間蒸散進行測定及模擬，探討了河北壩上地區裸燕麥整個生育期和典型日田間蒸散特征，并結合其土壤水分、作物產量、葉面積指數、氣溫及降雨等因素進行分析，得出以下結論：

1)RZWQM2模型在通過擴展的S-W ET模型對2018年和2019年裸燕麥生育期內前后期田間蒸散量的擬合程度表現較好，而在中期擬合相差較大；2018、2019年決定系數(R2)分別為0.71和0.68，平均絕對誤差(MAE)分別為1.11 mm·d-1和1.19 mm·d-1, 且整體的模擬結果及趨勢與實測結果較為一致，均表現為先增大后減小的態勢。

2)2018年和2019年裸燕麥生育期內，田間蒸散量總體呈現先升高后降低的“單峰型”特征曲線，其變化趨勢與葉面積指數變化表現為一致的態勢，日均蒸散量0.52～5.41 mm·d-1，孕穗期日均蒸散量達到最大，分別為5.02 mm·d-1和5.41 mm·d-1。

3)不同天氣條件下逐時蒸散量分析表明，裸燕麥田間逐時蒸散量基本呈現為早晚較低、中午較高的“單峰型”曲線，多云和晴天下的逐時蒸散變化趨勢一致，蒸散都主要集中在白天，但多云天氣下蒸散量較低。