基于修正作物系數模型半干旱區玉米騰發量估算

鄔佳賓，馬玉峰，鄭和祥，曹雪松

(1.水利部牧區水利科學研究所， 內蒙古 呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區氣候中心， 內蒙古 呼和浩特 010051)

作物騰發量的確定對于實現水資源高效利用及農業水資源的調控具有十分重要的意義。騰發量包括地表的蒸發和植物的散發，不僅是地表水量和熱量平衡的重要參數，也是區域水循環和地表能量循環的重要組成部分[1]。準確計算作物蒸散量，對分析田間水熱分布狀況[2]、農田作物栽培和區域水資源合理分配利用具有重要意義[3]。

在此背景下，許多學者開展了對蒸散耗水機理和估算方法的研究，并取得了一些重要成果。對于潛在蒸散發的估算方法應用最廣泛的有水量平衡法、輻射能量法、溫度法和綜合法[4]。聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith公式反映了氣候要素的綜合影響[5]，考慮了氣溫、氣壓、太陽輻射、風速等氣象因子，模型的穩定性較好，計算結果準確。同時由于實用性強等特點，很多研究都選用Penman-Monteith公式計算參考作物騰發量，并結合作物系數計算作物實際騰發量[6-7]。國際糧農組織推薦有單作物系數和雙作物系數模型，其中雙作物系數模型分別估算植株蒸騰和土面蒸發[8-10]，因此對作物實際騰發量的估算更為準確，并在國內外相關研究中廣泛應用[11]。通過計算土壤蒸發系數和基礎作物系數，用雙作物系數方法分別考慮土壤蒸發和植物蒸騰，結果表明這種方法比單一作物系數方法更精確[12]，尤其是當作物不完全覆蓋地面時[13]。采用雙作物系數法和基于多源模型的利用相鄰作物品種的輻射截留技術，對中國西北干旱區制種玉米的蒸散量進行研究，結果表明雙作物系數法估算的ET在中期接近作物實測蒸散發值，在初期和發展階段均高于作物實測蒸散發值[14]。利用雙作物系數模型估算間作系統的研究較多[15]，但仍需要針對不同耕作條件下的作物系數進行修正以提高計算精度[16]。

本研究通過田間實測氣象數據、株高、葉面積指數、覆膜情況、水分及鹽分脅迫等信息對基本作物系數(Kcb)和蒸發系數(Ke)進行了修正，并基于Penman-Monteith模型，采用修正作物系數計算玉米蒸散量。通過對模型計算值與田間實測值的研究，提出適合于覆膜播種、受水鹽脅迫等耕作條件下更精確的玉米蒸散量計算方法，并對單作物系數、雙作物系數和修正作物系數法計算的玉米需水量進行比較，分析其差異及原因，以期為制定準確的計算玉米需水量提供技術支撐，為制定科學合理的灌溉制度提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于內蒙古自治區杭錦后旗境內，地理位置為東經107°09′，北緯40°55′，地面高程1 035 m。試驗區地處半干旱地區，年平均氣溫6.9℃，多年平均無霜期160 d，年平均日照時數3 189 h，年平均風速在2.7 m/s左右，平均降水量為142.1 mm，年平均蒸發量為2 306.5 mm，屬于溫帶大陸性氣候。地下水埋深較淺，多年平均為1.66 m，主要作物有玉米、小麥和葵花。根系層土壤性質如表1所示。

試驗區玉米種植品種為巴單3號，玉米田間管理措施及灌溉制度均采用所處灌區現行的管理措施及灌溉制度。試驗中灌溉方式采用畦灌，玉米生育期共計灌水5輪，灌水定額為91.2 mm～133.5 mm，灌水量合計為523.8 mm。

表1 研究區土壤性質

1.2 試驗設計

試驗田的農藝管理措施及田間管理措施與杭錦后旗農戶普遍采取的措施基本一致。試驗田面積為900 m2。通過田間實測氣象數據、株高、葉面積指數、覆膜情況、水分及鹽分脅迫等信息對基本作物系數(Kcb)和蒸發系數(Ke)進行了修正，并基于Penman-Monteith模型，采用修正作物系數計算玉米蒸散量。通過對模型計算值與田間實測值的研究，提出適合于覆膜播種、受水鹽脅迫等耕作條件下更精確的玉米蒸散量計算方法，并對單作物系數、雙作物系數和修正作物系數法計算的玉米需水量進行比較，分析其差異及原因。

1.3 數據采集

1.3.1 氣象資料

氣象資料由農田全自動微氣象站收集，每隔2 h自動采集一次。氣象數據包括氣溫、風速、濕度、輻射、氣壓、降雨量等各項數據，滿足Penman-Monteith模型應用條件。

1.3.2 田間試驗觀測

試驗田取土后帶回實驗室進行土壤相關物理性質的測定，土壤水分特征曲線采用壓力薄膜儀法實驗室測定，土壤水擴散率采用水平土柱吸滲法測定。玉米生育期土壤含水率采用烘干法及TDR法聯合觀測，土壤鹽分采用摻雜法測定，土壤基質勢采用負壓表型張力計進行測量每周實地取樣測定一次，灌前、灌后及較大降雨后加測。采用田口量水堰對灌溉水進行量測，有效降雨量則在氣象站實測基礎上考慮作物冠層截留確定。玉米生育期田間水循環中各個水分的觀測和計算滿足水量平衡分析要求，通過水量平衡法確定玉米實際蒸散發。

1.3.3 玉米生長指標觀測

玉米植株高度，莖粗、葉片數目、葉面積等生育指標采用定株觀測，每兩周量測記錄一次。全生育期對玉米物候期進行觀測并記錄，玉米成熟后測定其產量數據。為了使結果更加準確，實驗數據采用2004年—2005年兩年田間試驗數據的平均值。

1.4 基于水量平衡法的玉米實際騰發量

按照水量平衡原理,可以得到以水量平衡為基礎的計算玉米實際蒸發蒸騰量的公式：

ETc=I+P-ΔW+G-D

(1)

式中:ΔW為根系層土壤水變化量,mm；I為灌水量,mm；P為降水,mm；G為地下水補給量,mm；D為土壤水滲漏量,mm；ETc為作物蒸發蒸騰量,mm。

水量平衡方程中，灌溉水量、降水量及土壤水變化量通過試驗實測得到，地下水補給量和土壤水滲漏量則通過實測田間土壤非飽和導水率和土水勢，利用達西公式計算得到。通過水量平衡法即可計算得到玉米實際騰發量。

1.5 模型描述

1.5.1 參考作物蒸發蒸騰量

參考作物蒸發蒸騰量(ET0)的計算方法很多,本文采用國內外應用最為普遍的Penman-Monteith公式對ET0進行計算：

(2)

式中:Rn為凈輻射,MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量,MJ/(m2·d)；γ為濕度計常數,kPa/℃；T為2 m高度處日平均溫度,℃；ea為氣溫T下的飽和水汽壓,kPa；ed為實際水汽壓,kPa；u2為2 m高處的風速,m/s；Δ為氣溫T下的飽和水汽壓與溫度的關系曲線的斜率,kPa/℃。

1.5.2 不同方法下玉米實際騰發量計算

根據作物系數的不同確定方法，玉米實際騰發量可以采用單作物系數法、雙作物系數法和修正作物系數法進行計算，計算公式分別如式(3)—式(5)所示。

ETc=Kc·ET0

(3)

ETc=(Kcb+Ke)ET0

(4)

ETc=(Ks1Ks2Kcb+Ke)ET0

(5)

式中:ETc為作物蒸發蒸騰量,mm/d；Kc為綜合作物系數；Kcb為基礎作物系數；Ke為土壤蒸發系數；Ks1為水分脅迫系數；Ks2為鹽分脅迫系數。

相關計算過程在FAO 56中詳細給出，本文不再贅述。

2 結果與討論

2.1 基于水量平衡的玉米實際蒸散發

基于田間試驗和水分平衡方法獲取的田間水分各分量和玉米實際蒸散發及田間水分各分量如表2所示。

表2 基于田間水量平衡方法的玉米實際蒸散發 單位：mm

由表2可知，玉米四個生育階段苗期-拔節、拔節-抽雄、抽雄-灌漿、灌漿-成熟所對應的實際蒸散發分別為101.6 mm、154.0 mm、194.3 mm和133.5 mm，隨著玉米生長發育，玉米實際蒸散發表現出“低—高—低”的變化規律。玉米全生育期合計蒸散量為583.4 mm，其構成包括灌溉水523.8 mm，有效降水65.6 mm，水分滲漏60.5 mm，消耗土壤水分54.6 mm。玉米全生育期有效降水累計為65.6 mm。由于所處灌區地下水位較淺，平均僅為1.66 m，因此根系層水分滲漏與地下水補給則表現出相互交換的趨勢。表中第四列數據反映出其根層滲漏水量與地下水補給量變化規律，當補給量大于滲漏量時，該項數值為正值，反之則為負值，全生育期累計滲漏量為60.5 mm。表中最后一類數據為根層土壤儲水量的變化，數值為負表明時段末土壤儲水量小于時段初土壤儲水量，土壤含水率及儲水量均呈現出下降趨勢，全生育期利用根層土壤儲水量54.5 mm。

2.2 基于不同作物系數玉米騰發量計算

單作物系數法將作物蒸騰和土壤蒸發的影響統一考慮。對于常規的灌溉規劃、基本灌溉制度確定以及大多數水平衡研究，單作物系數法比用獨立使用作物蒸騰系數和土壤蒸發系數的雙作物系數法更加適宜和方便。雙作物系數法以日為計算單元，較單作物系數計算更為復雜且計算量較大，但是雙作物系數將作物蒸騰系數和土壤蒸發系數區分開，使得作物蒸散過程機理得以體現。修正作物系數首先考慮地膜對玉米蒸騰量的影響，依照試驗田傳統種植管理習慣，玉米種植時往往采用覆膜播種。地膜的主要作用是減小土壤表層的水分蒸發，地膜覆蓋下作物的蒸騰量與無覆膜作物相比蒸騰量平均增加10%～30%，土壤的蒸發量則減少了50%～80%，因此作物系數平均減小10%～30%[16]。此外修正作物系數考慮了土壤水分、鹽分脅迫，并對作物系數進行了修正。采用地面灌溉后，土壤較為濕潤時，土壤水分具有較高的勢能，容易被玉米根系所吸收。隨著土壤變得干燥，土壤水分勢能降低到一定程度，玉米發生水分脅迫現象，為了表達水分脅迫對玉米騰發量的影響，引入水分脅迫系數Ks1對作物系數進行修正。由于研究區地處輕度鹽堿化地區，土壤溶液中的鹽分減少了土壤中玉米可利用的有效水量，從而使得玉米騰發量降低。因此引入鹽分脅迫系數Ks2對作物系數進行修正，來反映鹽分脅迫對于玉米騰發量的影響，鹽分脅迫系數計算過程及相關參數取值來源于FAO 56。經計算，單作物系數、雙作物系數、修正作物系數三種玉米作物系數的計算結果如圖1所示。

圖1 玉米生育期作物系數變化圖

由作物系數圖1可見，玉米生育期作物系數基本上表現為四個階段，其中玉米生育初期，作物系數較小且比較均一，隨著玉米生長發育，進入生育前期后作物系數逐漸增加，直至玉米進入生育中期，作物系數保持在一個較高水平且變化不大，玉米進入生育后期，作物系數逐漸下降直至收獲。作物系數的走勢反映了玉米全生育期騰發量的變化趨勢，也符合玉米生長發育規律。基于作物系數就可以計算玉米實際騰發量，結果如圖2所示。

根據不同計算方法得到玉米作物系數與參考作物騰發量，就可以計算出玉米全生育期的逐日騰發量。圖2展示了玉米全生育期ET0及不同作物系數方法下計算得到的玉米騰發量，三種方法得到的玉米騰發量變化均隨玉米生長發育呈現出先增加后下降的趨勢。

圖2 玉米騰發量變化圖

2.3 玉米實際騰發量與計算值的比較

按照玉米生育階段將生育期劃分為四個階段，分別是苗期—拔節、拔節—抽雄、抽雄—灌漿、灌漿—成熟，對應每個階段的騰發量及不同作物系數計算值如表3所示。

表3 玉米實際騰發量與計算值的比較

根據水量平衡法計算結果，玉米全生育期騰發量共計583.4 mm，苗期—拔節、拔節—抽雄、抽雄—灌漿、灌漿—成熟四個生育階段的騰發量分別為101.6 mm、154.0 mm、194.3 mm和133.5 mm。水量平衡法作為最經典的分析方法，由此得到的玉米騰發量認為就是玉米的實際騰發量。在苗期—拔節、拔節—抽雄兩個玉米生育前期，單作物系數法低估了玉米騰發量，誤差分別為-13.1%、-30.2%；而雙作物系數法則高估了玉米騰發量，誤差分別為9.2%、6.3%；修正作物系數法則較為準確的計算了玉米騰發量，其誤差僅為0.9%和0.8%。抽雄—灌漿、灌漿—成熟為玉米生育中后期，三種作物系數法均不同程度的高估了玉米騰散量，其中修正作物系數法估算誤差最小，精度最高。從玉米全生育期分析，單作物系數法和雙作物系數法對玉米騰散量的估算誤差為6.6%和8.1%，而修正作物系數估算誤差僅為1.9%，且玉米各生育階段計算誤差均小于3%。可見修正作物系數法較為準確的估算了半干旱區玉米騰發量。

3 結 論

水量平衡法分析結果及三種不同作物系數法的計算結果均表明，玉米騰散量變化呈現出前期逐漸增加，中期較為穩定，后期逐漸下降的趨勢。水量平衡法中，根層滲漏量與地下水補給量的此消彼長說明在淺地下水位灌區，地下水與土壤水有著頻繁的交換，灌溉初期產生的滲漏水可能在后期土壤干旱時通過地下水補給的形式為作物所利用。

修正作物系數法可以較為準確估算玉米各生育階段及整個生育期的騰發量，各生育結算計算誤差均低于3%，整個生育期的計算精度達到1.9%，其計算精度優于單作物系數法和雙作物系數法。修正作物系數法考慮了作物田間管理措施和農田實際情況對玉米騰發量的影響，例如地膜覆蓋、水鹽脅迫等因素，因此具有較強的計算機理，也更加貼合實際況，計算精度也更為理想。