石羊河流域典型畦灌玉米蒸散發量變化規律及歸因分析

張霽，楊天一，于海超，李思恩，王月芯，秦淑靜，郭慧，王春雨

石羊河流域典型畦灌玉米蒸散發量變化規律及歸因分析

張霽1，楊天一2*，于海超2，李思恩2，王月芯2，秦淑靜2，郭慧2，王春雨2

（1.中國農業大學石羊河實驗站，甘肅 武威 733009；2.中國農業大學 水利與土木工程學院，北京 100083）

【目的】明確石羊河流域典型畦灌玉米蒸散發量變化規律及其驅動因素。【方法】基于渦度相關系統，在2015—2018年于中國農業大學石羊河試驗站對西北典型畦灌玉米蒸散發量進行了連續觀測。基于偏相關分析及結構方程模型分析了玉米蒸散發量與環境因子之間的關系。【結果】畦灌玉米生育期平均蒸散發量為524.3 mm，日平均蒸散發量為3.5 mm/d，生育期內日蒸散發量呈先上升后下降的單峰變化趨勢，在7月達到峰值。凈輻射量與蒸散發量之間的相關性最高，對蒸散發量影響程度較大的環境因子為凈輻射量、溫度、飽和水汽壓差。結構方程結果表明，葉面積指數作為中間變量與蒸散發量之間存在正相關性。【結論】畦灌玉米生育期內日蒸散發量呈先上升后下降的變化趨勢，凈輻射量、溫度、飽和水汽壓差是對蒸散發量影響較大的環境因子。

石羊河流域；畦灌；玉米；蒸散發量；偏相關分析；結構方程模型

0 引言

【研究意義】石羊河流域是河西走廊的主要內陸流域之一，該地區水資源供需矛盾突出、生態環境退化較為嚴重[1]。農業用水量占流域總用水量的83.8%。減少農業用水量對于緩解石羊河流域水資源供需矛盾、保證流域內水資源可持續利用具有重要意義。蒸散發是土壤蒸發與植株蒸騰的總和，是農田水文循環的重要組成部分，在土壤-植株-大氣系統中具有重要作用[2]。了解石羊河流域典型作物生育期內蒸散發量的變化規律對于制定合理的農業節水政策具有重要意義。

【研究進展】玉米是石羊河流域的主要農作物。張寶珠[3]等發現，玉米生育期內日蒸散發量會隨灌溉定額的增大而增大。Xu等[4]發現，滴灌會改變土壤水分分布，降低土壤蒸散發量和根系吸水量。有德寶等[5]基于渦度相關系統對黑河中游地區玉米蒸散發量進行了分析，發現玉米蒸散發量隨季節變化的波動明顯，且與葉面積指數密切相關。渦度相關法具有測定精度高，物理意義明確的優勢，被認為是測定蒸散發量較為合理的方法[6]。同時，全球通量監測網絡也以渦度相關法作為主要手段[7]。蒸散發量會受到溫度、凈輻射量、土壤含水率等因子的綜合影響。Wu等[8]基于偏最小二乘回歸分析了長時序蒸散發量變化規律，指出太陽輻射量及溫度是導致蒸散發量增加的主要因素。Chen等[9]通過物理和遙感模型估算了2000—2014年華北平原蒸散發量的變化特征，結合去趨勢法及多元回歸分析法，量化了氣候變化對蒸散發量變化趨勢的影響。【切入點】盡管前人對蒸散發量變化規律開展了一定研究，但仍缺乏針對石羊河流域畦灌玉米蒸散發量的變化規律及其歸因分析的研究。

【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本研究以石羊河流域典型畦灌玉米農田為研究對象，基于渦度相關法研究玉米蒸散發量的變化趨勢，結合偏相關分析及結構方程模型對影響玉米蒸散發量的環境因子進行歸因分析。研究結果可為制定合理的灌溉計劃、保證該地區農業水資源可持續利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

中國農業大學石羊河試驗站位于甘肅省武威市（37?52′ N，102?50′ E）。該地區屬于典型溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫為8.8℃，年平均降水量為174.9 mm，地下水埋深介于40～50 m之間，年平均日照時間＞3 000 h，年平均積溫超過3 350 ℃[10]，土壤田間持水率為0.32 cm3/cm3，2015—2018年玉米生育期內總降水量分別為119.4、115.2、134.2、183.4 mm。2015—2018年玉米生育期起止時間、灌溉量、施氮量如表1所示。

表1 玉米生育期、灌溉量及施氮量

1.2 數據采集及計算方法

1.2.1 氣象因子、土壤含水率及蒸散發量

2015—2018年玉米生育期內的氣象因子和蒸散發量均由試驗站內的渦度相關系統觀測獲得。能量閉合度是評價通量數據質量的重要標準，本研究中玉米日尺度能量閉合率為77%，處于合理區間，因此渦度相關系統觀測的通量數據可用。土壤含水率采用試驗站內的土壤濕度傳感器（CS616, USA）采集，于地表以下20、40、60、80、100 cm深度處埋設濕度傳感器。用于數據分析的土壤含水率數據為同一時刻各深度處土壤含水率的平均值。凈輻射量和土壤熱通量數據分別由四分量凈輻射表（CNR-4, Kipp & Zonen, Netherlands）和土壤熱通量板（HFP01SC, HuKseflux, Netherlands）觀測獲得。渦度相關系統觀測的原始數據按照China FLUX要求進行處理，得到原始數據后采用野點剔除、傾斜校正、缺失數據插補等方法對數據進行處理，數據的具體計算過程及處理方法詳見文獻[11]。

1.2.2 偏相關分析

采用偏相關分析揭示蒸散發量與環境因子之間的相關性，具體方法詳見文獻[12]。

1.2.3 結構方程模型

基于結構方程模型（SEM）構建環境因子與蒸散發量之間的路徑分析模型，具體方法詳見文獻[13]。采用3個指標檢驗SEM的精度，分別為：（卡方自由度比，比值小于3為可接受）；（調整擬合優度指數，數值小于1為可接受）；（近似均方根誤差，數值接近于0表示效果良好）。

2 結果與分析

2.1 環境因子變化規律

2015—2018年，玉米生育期內的風速在0.6～5.8 m/s之間波動，日平均風速為1.6 m/s。溫度在7.2～27.7 ℃范圍內波動，日平均溫度為19.4 ℃。相對濕度在4.3%～86.9%范圍內波動，試驗期間內日平均相對濕度為40.9%。飽和水汽壓差在0.3～3.1 kPa范圍內波動，日平均飽和水汽壓差為1.5 kPa（表2）。

表2 試驗期內主要環境因子統計參數

2.2 蒸散發量變化規律

由圖1可知，在2015—2018年4個完整生育期內，玉米日蒸散發量變化規律相似，總體均呈先上升后下降的趨勢。2015—2018年玉米生育期內總蒸散發量分別為575.4、483.4、550.2、488.2 mm，4 a平均值為524.3 mm。2015—2018年玉米生育期內日平均蒸散發量分別為3.9、3.5、3.8、3.1 mm/d，4 a日平均值為3.5 mm/d，2015年玉米生育期內總蒸散發量及日平均蒸散發量最大。

圖1 試驗期內玉米蒸散發量變化

由圖2可知，4月玉米總蒸散發量最小，多年平均值為8.9 mm；7月玉米總蒸散發量最大，多年平均值為174.1 mm。

圖2 試驗期內玉米月平均蒸散發量

2.3 蒸散發量與環境因子之間的偏相關分析

表3為玉米蒸散發量與風速、溫度、土壤含水率、飽和水汽壓差及凈輻射量之間的偏相關系數。各環境因子對玉米蒸散發量的影響程度在不同年份間存在差異。在所有年份，凈輻射量均是對蒸散發量影響最大的環境因子。綜合2015—2018年玉米生育期可以發現，凈輻射量與蒸散發量之間的相關性最大，偏相關系數為0.75；溫度與蒸散發量之間的相關性次之，偏相關系數為0.53；風速與蒸散發量之間的相關性最小，偏相關系數為-0.01。綜合考慮2015—2018年觀測數據，各環境因子對蒸散發量的影響程度由高到低依次為：凈輻射量、溫度、飽和水汽壓差、土壤含水率、風速。

表3 蒸散發量與環境因子之間的偏相關系數

注“**”表示＜0.01；“*”表示＜0.05。

2.4 蒸散發量與環境因子之間的結構方程模型

圖3為環境因子與蒸散發量之間的SEM（=0.785，=0.814，=0.07）。各因子對蒸散發量的影響程度由大到小分別為：凈輻射量＞葉面積指數＞溫度＞飽和水汽壓差＞風速＞土壤含水率。結合2.3的結果可以發現，除了作物生理因子外，凈輻射量、溫度、飽和水汽壓差是對玉米蒸散發量影響最大的前3個環境因子，凈輻射量對蒸散發量的影響程度最高。

圖3 環境因子與蒸散發量之間的結構方程模型

3 討論

畦灌覆膜玉米農田是石羊河流域的典型農田類型，研究此類農田蒸散發量的變化規律對于該地區的節水政策實施、種植結構優化具有重要意義。表4匯總了以往文獻中西北地區幾個典型玉米種植試驗的生育期蒸散發量。結合本研究結果可以發現，石羊河流域武威地區的玉米生育期總蒸散發量通常高于500 mm。文獻[14-15]中的蒸散發量與本研究結果存在較大差異，這與試驗位置及年份的差異有關。

表4 西北地區玉米蒸散發量相關研究調研

作物蒸散發量受溫度、土壤含水率、凈輻射量及作物自身生理活性影響[16-19]。本研究中，畦灌覆膜玉米生育期總蒸散發量在483.4～575.4 mm范圍內波動，結合相同時期降水量的變化可以發現，僅依靠降水無法滿足玉米生長所需水分。以往研究多采用偏相關分析探討環境因子對參考作物蒸散發量的影響[18-20]。本研究發現，試驗期內蒸散發量與凈輻射量之間的相關性最大，這與張靜等[21]研究結論相似。

相比偏相關分析，SEM能判別多因子之間的相互作用，確定各因子的影響強度。以往研究基于SEM法對冬小麥-夏玉米[22]、大棗[23]及水稻[24]蒸散發量進行了歸因分析，但對覆膜畦灌玉米蒸散發量變化的歸因尚不明確。相比以往站點尺度蒸散發量的歸因分析，本研究建立SEM所用的觀測序列較長（4 a觀測期），具有較好的代表性。本研究在SEM初始設置中將葉面積指數設置為中間變量，其與蒸散發量之間的相關性較大，這與Zhao等[25]研究結論一致。在實際生產過程中，土壤含水率、田間管理措施、灌溉及施肥等因素均會對蒸散發量產生影響，因此在后續研究中有必要進一步增加與蒸散發量相關的環境變量。

4 結論

1）石羊河流域覆膜畦灌玉米生育期平均總蒸散發量為524.3 mm，日平均蒸散發量為3.5 mm/d，生育期內日蒸散發量呈先上升后下降的單峰變化趨勢，在7月達到峰值。

2）凈輻射量與蒸散發量之間的相關性最大，相關性由大到小依次為凈輻射量＞溫度＞飽和水汽壓差＞土壤含水率＞風速。

3）葉面積指數作為中間變量與蒸散發量呈正相關。凈輻射量、溫度、飽和水汽壓差為對蒸散發量影響較大的環境因子。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）

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Evapotranspiration Variation and Attribution Analysis of Maize Field under Typical Border Irrigation in Shiyang River Basin

ZHANG Ji1,YANG Tianyi2*,YU Haichao2,LI Sien2,WANG Yuexin2,QIN Shujing2,GUO Hui2,WANG Chunyu2

(1. Shiyanghe River Experimental Station, China Agricultural University, Wuwei 733009, China; 2. College of Water Resources and Civil Engineering,China Agricultural University, Beijing 100083, China)

【Objective】Field evapotranspiration is the main consumption item of agricultural water. It is of great significance to clarify the evapotranspiration amount of crops during the growth period.【Method】Based on eddy correlation system, the evapotranspiration of maize field under typical border irrigation in northwest China was continuously observed at Shiyanghe Experimental Station, China Agricultural University from 2015 to 2018. Based on the partial correlation analysis and structural equation model, the relationship between evapotranspiration and meteorological factors during the growth period was analyzed.【Result】During the experiment period, the average evapotranspiration during the growing period of maize field under border irrigation was 524.3 mm, and the average daily evapotranspiration was 3.5 mm/d. The daily evapotranspiration showed a single-peak trend of rising to decreasing and reached its peak in July. Based on the analysis of the relationship between evapotranspiration and environmental factors during the experiment period, it can be seen that the correlation between net radiation and evapotranspiration is the largest, and the top three factors influencing the degree of environmental factors are net radiation, temperature and saturated vapor pressure difference. Based on the structural equation model (SEM), it was found that there was a positive correlation between leaf area index () as an intermediate variable and evapotranspiration, and net radiation, temperature and saturated vapor pressure difference were still the three environmental factors that had the greatest influence on evapotranspiration.【Conclusion】This study can provide a scientific basis for studying typical field evapotranspiration in Northwest China and understanding the impact of environmental change on crop evapotranspiration.

Shiyang River basin; border irrigation; maize; evapotranspiration; partial correlation analysis; structural equation mode

1672 - 3317（2023）09 - 0019 - 06

S565.1；S274

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022656

張霽, 楊天一, 于海超, 等. 石羊河流域典型畦灌玉米蒸散發量變化規律及歸因分析[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(9): 19-24.

ZHANG Ji, YANG Tianyi, YU Haichao, et al. Evapotranspiration Variation and Attribution Analysis of Maize Field under Typical Border Irrigation in Shiyang River Basin[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(9): 19-24.

2022-11-21

2023-07-11

2023-09-15

國家重點研發計劃項目（2022YFD1900801）

張霽（1975-），男，甘肅古浪人。工程師，主要從事水利科研、節水灌溉、水土保持、河湖管理等研究。E-mail: 393050318@qq.com

楊天一（1996-），男，河北石家莊人。主要從事作物高效節水及農田通量觀測研究。E-mail: yangtianyi@ms.sjziam.ac.cn

@《灌溉排水學報》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協議

責任編輯：韓 洋