基于雙作物系數的旱作玉米田蒸散估算與驗證

代文雯+李學才

摘 要：蒸散（ET）是地表能量平衡和水量平衡的重要組分，超過90%的農業用水最終以蒸散的形式消耗，因此，農田ET的準確估算對農業節水發展和作物水分生產力提升意義重大。基于此，文章主要從雙作物系數角度出發，對旱作玉米田蒸散進行了估算與驗證，希望能夠提高旱作玉米田的產量。

關鍵詞：旱作玉米田；雙作物系數；蒸散估算；驗證

引言

現如今，水資源緊缺已成為世界關注的問題，現代節水農業指出，減少植物生命過程和給水過程中的無效水量，是提高農業綜合用水效益的關鍵。在徑流和滲漏量很小的情況下，農田蒸散量可大致代表農田實際的耗水量。雙作物系數法能區分土壤蒸發和作物蒸騰，能夠更為精確地計算農田ET，同時也能夠更好地評估降雨、灌溉和覆膜等對土壤水分的影響。

1農田蒸散量概述

農田蒸散量為農田水分平衡的主要支出項，是計劃蓄水、供水，設計防旱、抗旱措施等的重要依據，是鑒定作物水分供應條件的重要指標。影響農田蒸散量的主要因子有：由大氣干燥程度、輻射平衡和風力大小所決定的蒸發勢，土壤供水狀況，以及植被狀況對湍流交換系數的影響等。農田蒸散量以及其中植物蒸騰與棵間蒸發兩部分數量的比例，隨種植、栽培措施和作物生長狀況而變化。在農田調節過程中，可以設置風障和防護林，改變種植方式，來提高農田水分利用率，即消耗單位水分可獲得較多的經濟效益。調節蒸散量的農業措施有灌溉、排水、耕作、覆蓋和噴灑保墑增溫劑等。

2雙作物系數的旱作玉米田蒸散估算與驗證研究

2.1試驗設計及數據采集

試驗地塊采用平作種植，面積為150m×100m（1.5hm2）。試驗站內地勢平坦，下墊面均種植玉米，滿足通量觀測的安裝要求。供試玉米品種為京單951，于2011、2012年每年5月初播種，9月底成熟。確定試驗地塊、播種后，要進行數據采集。利用渦度相關系統，對試驗玉米田ET進行連續監測，通過直接測定和計算下墊面潛熱和顯熱的湍流脈動值求得下墊面ET。

2.2玉米田蒸散量計算

第一，參考作物蒸散量計算。采用FAO-56Penman-Monteith（PM）模型計算ET0。PM模型基于水汽擴散理論和能量平衡方程建立，物理意義明確，FAO將其推薦為ET0計算的標準方法。

第二，玉米田實際蒸散量。實際蒸散量采用FAO推薦的雙作物系數法計算玉米田ET。計算式為：

其中，ET為農田日蒸散量， 為水分脅迫下的作物蒸散量，KeETO 為土壤蒸發量，Kcb 為反應物基礎作物系數等等。Ks 反映根區土壤含水率不足時對作物蒸騰影響的水分系數，Ke 為土壤表面蒸發系數。

2.3評價指標

在農田蒸散試驗過程中，對其進行有效評價能夠保證試驗結果的準確性。目前，人們多采用均方根誤差、平均絕對誤差和決定系數（R2）對雙作物系數法模擬春玉米蒸散的適用性進行分析，其公式如下所示：

式中，Yi 為雙作物系數法模擬的第i 日 值；Xi 為渦度相關系統實測的第i 日標準ET 值；Y 為Yi 的平均值； 為Xi 的平均值；n為數據樣本數量。RMSE和AAE越小，表明模型偏差越小；R2 越接近1表明吻合度越高。

2.4結果與分析

2.4.1玉米各生育階段作物系數計算結果

在農田玉米蒸散估算與驗證試驗中，玉米生長季氣象環境因子的變化與當地環境變化特點相符，雖然太陽輻射呈變小的趨勢，但是其變化并不明顯，平均值約在18.4MJ·m-2·d-1和15.7MJ·m-2·d-1；氣溫平均呈拋物線型變化；相對濕度則有逐漸增大的趨勢，由此說明，該地區玉米生育期內相對濕度變化較大。此外，由試驗資料計算得出玉米各生長階段的作物系數，見表1：

表1玉米各生長階段作物系數計算值

由表可見，水分脅迫條件下基礎作物系數在試驗初期均處于較低水平、在發育期增幅較大、在中期保持較高水平，至后期逐漸減小。作物蒸騰主要通過葉片上的氣孔散失到外界，蒸騰速率主要受葉片大小和濃密程度的影響，而在前期綠葉面積指數（GLAI）幾乎為0，發育期GLAI迅速增大，中期保持在較高水平，到后期又逐漸減小；作物系數（Kc）均呈現相似變化，在初期較小，后逐漸增大，中期保持較高水平，后期又減小。

2.5玉米生長季蒸散量估算及驗證

第一，生育階段。春玉米生長季ET的變化趨勢與Kc相似，基于FAO雙作物系數法計算的春玉米蒸散量（ETFAO）與基于渦度系統實測獲取的蒸散量（ETEC）的對比可以看出，雙作物系數法模擬值無論在每個生育期或全生育期均偏大。

第二，日尺度。圖1為相鄰兩年內春玉米日蒸散量計算值與實測值對比。

圖2相鄰2年內春玉米日蒸散量計算值與實測值對比

由圖可知，ETFAO和ETEC均具有相似的變化趨勢，且ETFAO整體均偏大。ETFAO和ETEC具有較好的一致性，結合誤差指標可以看出，相近兩年的均方根誤差（RMSE）和平均絕對誤差（AAE）分別為0.864和0.678mm？d-1，2012年分別為0.676和0.693mm？d-1，由以上分析可以看出，整體上雙作物系數法模擬春玉米ET有較高的模擬精度，可以作為該地區春玉米作物需水計算的方法。

結束語

目前地球上超過一半陸地處于缺水狀態，ET的準確模擬和區分對水資源的合理分配意義重大。因此，相關技術人員應加大對農田蒸散估算與驗證的研究力度，為提高農作物水分生產力，提升農業節水效果，推動綠色灌溉事業的發展打基礎。

參考文獻：

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作者簡介：

代文雯，女，1988年6月生～，甘肅武威人。

通訊作者：

李學才，男，1963年5月生～，甘肅慶城人，副研究員，主要從事作物遺傳育種、馬鈴薯育種、油菜育種等方面的教學和科研工作endprint