夏玉米在充分供水條件下不同生育期作物系數研究

劉 艷，劉新生，周孟霖，李軍偉，吳志彬

(1.咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，西安 710014；3.西安航空制動科技有限公司，西安 710065；4.93313部隊氣象臺，長春 130111)

夏玉米是陜西關中地區的主要糧食作物，生育期一般在6月中旬至9月下旬，而干旱多發生于7月上旬至8月下旬(拔節—開花期)[1]。在作物生長季節，如果土壤干旱缺水，作物生理需水得不到滿足，有機體就不能正常生長發育，產量就會受到抑制[2]，因此制約夏玉米產量形成的主要因子是干旱缺水。計算夏玉米整個生育期的蒸發蒸騰量是提高水資源利用率、實現有效灌溉十分重要的理論依據[3-4]。農田蒸發蒸騰是發生在土壤、植被、大氣系統之間的連續過程，是農作物生長發育至關重要的水分供應和能量來源，且決定著農田邊界層的狀況[5-6]。蒸發蒸騰量的測定方法主要有：空氣動力學法、遙感法、土壤水量平衡法、蒸滲儀法、渦度相關法和波文比能量平衡法[7]。而蒸滲儀的類型主要分三種[8]：非稱重式、飄浮式、稱重式。國外學者在20世紀60年代開始使用蒸滲儀直接測定植物的蒸發蒸騰量。Howell等[9]研究了蒸發蒸騰量與產量、水分利用率之間的關系。Benli等[10]利用蒸滲儀測定的數據為標準，研究了紫花苜蓿的蒸發蒸騰量和作物系數之間的關系。國內學者也廣泛應用蒸滲儀來準確測定蒸發蒸騰量。黃子琛等[11]利用蒸滲儀分別測定了不同地區的小麥和夏玉米全生育期的逐日蒸發蒸騰量。梁文清等[12]也開展了夏玉米蒸發蒸騰作用及作物系數的研究。前人的研究發現在不同地區玉米生育期內需水量或耗水量不盡相同；當夏玉米的生長供水條件不同時，估算的作物系數也會隨土壤供水條件發生變化。劉艷等[13]利用氣象資料和Penman-Monteith公式計算了咸陽地區的參考蒸散量，分析了參考蒸散量變化特征及主要的敏感性氣象因子。本研究在前期研究基礎上，利用大型稱重式蒸滲儀在咸陽地區對夏玉米充分供水條件下的農田蒸散量進行試驗監測，以期準確估算咸陽地區夏玉米最大耗水量和作物系數，從而為制定灌溉計劃和水資源合理開發利用提供理論依據。

1 試驗設計和方法

1.1 試驗設計

該試驗于2014年6—10月在陜西省咸陽農業氣象科學研究所進行，該地區位于關中平原中部(108°43′E，34°24′N)，海拔472.8 m，屬于暖溫帶半干旱季風氣候，年平均降雨量530.8 mm，年蒸發量1 493.7 mm，年日照時數2 129.3 h，糧食種植以冬小麥和夏玉米一年兩熟為主。

試驗采用蘭州干旱氣象研究所研制的LG型稱重式蒸滲儀，試驗地面積為25 m×25 m，土質為中壤土。試驗過程中維持土壤在玉米全生育期處于充分供水條件，即20 cm土層相對濕度監測值始終維持在75%以上。試驗時蒸滲儀內和大田的田間管理方式完全一致，保證蒸滲儀內植株的數量、玉米的生理生態特征與器外大田作物一致，且無病蟲害影響。

供試玉米品種為中科11號，雜交、中熟，于2014年6月17日播種，2014年10月13日收獲，種植方式為穴播，種植密度65 000 莖/hm2，實收單產9 480 kg/hm2。蒸滲儀4 m2面積內實收產量9 513 kg/hm2。根據玉米實際生長記錄，記錄玉米生育期情況(見表1)。

表1 2014年咸陽地區夏玉米各生育期情況

1.2 觀測方法

(1)氣象資料：數據取自距離試驗田30 m的咸陽秦都國家基本氣象站(57048站)，主要有日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日照時數、日降雨量、10 m風速等氣象數據。

(2)蒸發蒸騰量ET：玉米實際蒸發蒸騰量由試驗站內LG型稱重式蒸滲儀測定，蒸散面積2.0 m×2.0 m=4.0 m2，深2.8 m，測量精度為0.01 mm，由系統自動采集和存儲數據，采集數據為正點前后2 min內最大值、平均值、最小值，采集數據間隔1 h。

(3)土壤含水量：土壤含水量采用TDR土壤水分自動測量系統監測。玉米全生育期灌溉3次，分別為2014年7月16日、7月29日和8月18日，總灌溉量166.0 mm。

1.3 參考蒸散量ET0的計算

采用FAO提出的Penman-Monteith[14]方程計算ET0，

(1)

式中：ET0為參考蒸散量(mm/d)；Rn為作物表面凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量密度[MJ/(m2·d)]；T為2 m高處日平均氣溫(℃)；u2為2 m高處風速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；?為干濕表常數(kPa/℃)。

1.4 作物系數Kc的計算

作物系數Kc的定義為實際蒸發蒸騰量與作物參考蒸散量之比，以下式表示。

(2)

2 結果與分析

2.1 夏玉米全生育期的氣候分析

夏玉米于2014年6月17日播種，10月14日收獲，全生育期共119 d。生育期間最高氣溫41.0 ℃，最低氣溫3.1 ℃，平均氣溫23.4 ℃，平均氣溫與常年相比偏高0.4 ℃，除抽雄—乳熟平均氣溫偏低0.1 ℃外，整個生育期氣溫均偏高。生育期降水量433.9 mm，與常年同期相比偏多47%，降雨呈現多雨—干旱—多雨的特點。日照時數795.1 h，與常年同期比較，除播種—三葉、乳熟—收獲分別偏少0.2 h、19.8 h外，其余時段均偏多?？傊?，2014年夏玉米生育期(6—10月)呈現出降雨充沛、熱量偏豐的氣候年景(表2)。

表2 2014年咸陽夏玉米試驗時段各生育階段氣象要素值

2.2 夏玉米蒸發蒸騰規律

由表3可以看出，夏玉米全生育期實際蒸發蒸騰量(ET)為599.9 mm，而Changming Liu等[15]研究表明在補充灌概水分保證適宜條件下，夏玉米生育期耗水量年平均大致為423 mm；晉凡生等[16]等在晉中地區測得夏玉米耗水量為447 mm，該試驗結論可認為是陜西關中半干旱條件下夏播玉米最大需水量。

夏玉米在全生育期過程中，各生育期ET呈現低—高—低的變化規律，抽雄—乳熟期的ET最大，占全生育期的33.2%；拔節—收獲階段的ET占全生育期的81.3%；整個生育期日平均ET為5.0 mm/d，拔節—抽雄的日平均ET最大(8.3 mm/d)，這與Kang Shaozhong等[17]研究表明西北地區玉米全生育期日耗水量最高可達5.33 mm/d基本一致。

2.3 夏玉米蒸發蒸騰量與參考蒸散量對比分析

對比分析試驗時段內夏玉米逐日蒸發蒸騰量(ET)與參考蒸散量(ET0)的變化趨勢(見圖1)，可以看出夏玉米全生育期內日ET0的峰值為8.6 mm，出現在7月18日(拔節—抽雄期)，而日ET的峰值為14.9 mm，出現在8月3日(拔節—抽雄期)。

表3 2014年咸陽夏玉米試驗時段各生育期實際蒸發蒸騰量變化

圖1 2014年咸陽夏玉米試驗時段蒸發蒸騰量與參考蒸散量的逐日變化趨勢

將夏玉米各生育期的ET與ET0進行線性擬合(見圖2)，發現全生育期、播種—三葉、拔節—抽雄、抽雄—乳熟階段兩者存在極顯著的線性關系(p<0.01)，但乳熟—收獲階段兩者的相關性不高。結合圖1、2可以看出ET與ET0的逐日變化趨勢傾向率除三葉—七葉期以外，其余時間段呈現出一致性，相關性最好的出現在抽雄—乳熟期；在夏玉米拔節之前(7月17日以前)，ET0大于ET，說明此階段玉米生長發育所需水分相對較少，拔節以后ET0小于ET，特別是抽雄—乳熟期ET0明顯偏小，主要是夏玉米進入生長需水高峰期。

圖2 2014年咸陽夏玉米試驗時段各生育期蒸發蒸騰量與參考蒸散量的關系(直線為擬合線)

2.4 夏玉米不同生育期作物系數

表4為根據公式(2)計算得到的充分供水條件下夏玉米不同生育期的作物系數Kc，可以看出，播種—三葉、三葉—七葉、七葉—拔節三個生育期內作物系數都小于1，拔節以后作物系數大于1并且逐漸增大，乳熟—收獲期達到最大，而這一結果與全生育期內植被覆蓋度逐漸提高、植株高度增長及葉面積增大隨之耗水量增大相吻合。

表4 2014年咸陽夏玉米試驗時段不同生育期作物系數

3 結論與討論

(1)本研究是在陜西省咸陽農業氣象科學研究所試驗地段對夏玉米充分供水條件下的農田蒸散量進行試驗監測，并利用Penman-Monteith公式，結合分析咸陽地區夏玉米最大耗水量及其不同生育期作物系數，得出以下結論。在足水條件下，測得夏玉米在關中試驗地段全生育期耗水量599.9 mm。夏玉米在2014年試驗時間段內從播種到收獲共119 d，日平均ET為5.0 mm/d。抽雄—乳熟期的ET最大，占全生育期的33.2%。陜西關中地區在充分供水條件下的夏播玉米各生育期作物系數分別為：0.64，0.76，0.80，1.38，1.47，1.58。相對世界糧農組織推薦的玉米初始生長期、快速發育期、生育中期三個階段，本文按夏玉米作物的生育期給出其作物系數更精細。

(2)僅對2014年陜西省咸陽農業氣象科學研究所試驗地段數據進行了研究，在時間及地區上具有一定的特殊性，而作物系數的確定還受土壤、當地氣候和生產管理方式等諸多因素影響；因此還需要對咸陽夏玉米不同生育期的作物系數進行長序列研究。但該研究測出的夏玉米全生育期耗水量及充分供水條件下不同生育期的作物系數具有一定的參考和借鑒作用。