三江平原寒地稻田蒸散量估算研究

摘要：基于非稱重式蒸滲儀測定的寒地稻田實際蒸散量，探討波文比能量平衡法和Penman-Monteith參考作物蒸散-作物系數(shù)法（PM-Kc模型）在寒地稻田蒸散量計算中的適用性。結(jié)果表明，波文比能量平衡法估算的蒸散量較實測蒸散量偏低9.1%，但總體有較好的相關(guān)性（R2=0.87）；校正后的PM-Kc模型低估了水稻生長中期和后期的累積ET，但其相對誤差均小于10%，而生長初期，PM-Kc模型得到的累積ET比實測的累積ETa高19.34%，以生長初期為例進(jìn)一步分析PM-Kc模型與實際蒸散ETa的關(guān)系，展現(xiàn)了隨著間隔日數(shù)的增加，RMSE、MAE有降低的趨勢，一致性系數(shù)d有提高的趨勢，PM-Kc模型得到的7日平均模擬實際蒸散與實測蒸散數(shù)據(jù)最為接近。

關(guān)鍵詞：寒地稻田；蒸散；估算；波文比能量平衡法；Penman-Monteith參考作物蒸散-作物系數(shù)法

中圖分類號：S161.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）10-2525-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.019

Abstract： Based on the actual evapotranspiration of cold rice measured by the non-weighing lysimeter， the applicability of the Bowen ratio energy balance method and the Penman-Monteith reference evapotranspiration-crop coefficient method（PM-Kc model） in the estimation of the evapotranspiration of cold rice was discussed. The results showed that the evapotranspiration estimated by the Bowen ratio energy balance method was 9.1% lower than the measured actual evapotranspiration， but overall there was a good correlation between them， with the R2 of 0.87. The corrected PM-Kc model underestimated the cumulative ET of cold rice in the medium-term growth and the late-term growth stage， but the relative error was less than 10%， while the cumulative ET of cold rice in the stage of early growth estimated by the PM-Kc model was 19.34% higher than the measured actual cumulative ET. It was shown that RMSE and MAE decreased while the consistency coefficient increased with the increase of the number of interval days， through the further analysis of the relationship between the estimated evapotranspiration and the measured actual evapotranspiration of cold rice in the stage of early growth. And the 7 days’ average evapotranspiration estimated by PM-Kc model was closest to the measured actual evapotranspiration.

Key words： cold rice fields； evapotranspiration； estimation； bowen ratio energy balance method； Penman-Monteith reference evapotranspirationcrop coefficient model

作物的農(nóng)田蒸散是農(nóng)業(yè)用水的主要組成部分，是一定時段內(nèi)作物蒸騰和土壤棵間蒸發(fā)之和，它與氣象因素、土壤的供水狀況以及作物種類和長勢有關(guān)[1]。準(zhǔn)確估算和模擬植被蒸散可為提高水分利用效率、合理配置水資源及生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)[2-5]。蒸散觀測和蒸散量的估算也是農(nóng)業(yè)節(jié)水研究的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的制定關(guān)鍵是需要準(zhǔn)確測定和估算農(nóng)田的實際蒸散量。三江平原是中國的9大商品糧基地之一，是中國典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，如何有效地利用有限的水資源，滿足農(nóng)作物正常需水是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)面臨的重大問題[6-8]。本研究以三江平原寒地稻田小區(qū)試驗資料為基礎(chǔ)，采用波文比能量平衡法和Penman-Monteith參考作物蒸散-作物系數(shù)法對三江平原寒地稻田蒸散量進(jìn)行了估算，并與非稱重式蒸滲儀測定的稻田蒸散量進(jìn)行比較分析，以期尋找適當(dāng)?shù)姆椒▽θ皆氐咎镎羯⒘窟M(jìn)行估算，為寒地稻田的適時灌溉及灌溉的管理和規(guī)劃設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況與資料來源

試驗在中國科學(xué)院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗站農(nóng)田綜合試驗場進(jìn)行。該試驗場位于三江平原腹地。站區(qū)中心地理坐標(biāo)為47.35°N，133.31°E，海拔高度55.6 m，具有溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為1.9 ℃，7月平均氣溫為22.0 ℃，全年最高氣溫為37.0 ℃，最低溫度為-38.0 ℃，無霜期為125 d左右，年降水量為600 mm左右，且主要集中在7～9月，占全年降水量的60%[9]。供試水稻田是1995年由沼澤化草甸開墾而來的耕地，為全年一熟一冬休閑型，屬于寒地稻田，土壤理化性質(zhì)詳見表1。

稻田蒸散通過非稱重式蒸滲儀（有底測坑）進(jìn)行測定，測坑規(guī)格為2 m×2 m，深30 cm，有底測坑底部及四壁用0.06 mm的塑料膜完全圍隔，由于避免了滲漏的影響，測坑內(nèi)的耗水量均是通過蒸散損失掉。每天記錄并測定有底測坑內(nèi)的灌水量，降水量及水層或土壤水分的變化，由水量平衡法即可得到相應(yīng)時段相應(yīng)灌水處理的稻田實測蒸散量。

常規(guī)氣象資料選取2011年整個生長期的農(nóng)田綜合試驗場的上下?lián)Q位式波文比小氣候觀測系統(tǒng)30 min觀測資料。

1.2 研究方法

單作物系數(shù)法是計算作物系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法之一，也稱為作物分段單值平均法[11]。該方法把作物系數(shù)的變化過程概括為幾個階段，根據(jù)各階段植物蒸騰和土壤蒸發(fā)的變化規(guī)律，將描述實際作物表層與參考表層蒸騰與蒸發(fā)作用不同的系數(shù)Kcb和Ke歸結(jié)為一個系數(shù)Kc，即用一個時段平均值表示為該階段的作物系數(shù)，Kc=Kcb+Ke，從而簡化作物系數(shù)的計算過程，使得在灌溉規(guī)劃、設(shè)計和管理中的應(yīng)用更為簡便。

1.2.3 蒸散量估算評估指標(biāo) R2描述了觀測指標(biāo)的整個變異能夠被模型所解釋的比例，R2對異常值是非常敏感的，因此又選擇了另外3個指標(biāo)對估算方法進(jìn)行評估：均方根誤差（RMSE），絕對平均誤差（MAE），一致性指數(shù)（d）。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于波文比能量平衡的三江平原寒地稻田蒸散量的估算

波文比法估算的蒸散量與稻田實測蒸散量的季節(jié)變化對比見圖1。由圖1可知，估算值和實測值季節(jié)變化規(guī)律基本相同，蒸散量波動比較大，特別在水稻生長前期，這主要與前期氣象因子波動較大有關(guān)。但與實測值相比，波文比法估算的蒸散量普遍偏低，波文比法估算的蒸散量在整個生長季的日均值為5.0 mm/d，較實測日均值（5.5 mm/d）偏低9.1%。原因可能是，波文比在測量過程中主要考慮的是能量平衡，主要受太陽凈輻射、氣溫、相對濕度等氣象因子的影響，忽略了空氣動力學(xué)方面的知識，并且沒有考慮到植株的生長情況，并且由于人為觀測原因，實測值本身與實際蒸散量也存在一定的誤差。

圖2為波文比能量平衡法估算的蒸散量（ETbowen）與實測蒸散量（ETa）的相關(guān)關(guān)系情況。估算值與觀測值有較好的相關(guān)性（R2=0.87），RMSE值為0.75 mm/d，MAE值為0.64 mm/d，與觀測值的一致性d為0.79。但估算值總體比實測值低，因此在使用波文比能量平衡法估算三江平原井灌區(qū)蒸散量時應(yīng)該對估算值進(jìn)行一定的修訂。

2.2 基于PM-Kc模型的三江平原寒地稻田蒸散量的估算

FAO56推薦的水稻生長初期、生長中期和后期的作物系數(shù)典型值Kc（Tab）分別為Kcini=1.1，Kcmid=1.2，Kcend=0.9，并要求根據(jù)當(dāng)?shù)氐臐駶欘l率、作物高度和氣候條件對其進(jìn)行修正，修正的公式為：

Kc=Kc（Tab）+[0.04（u2-2）-0.004（RHmin-45）]（h/3）0.3

式中，RHmin為計算時段內(nèi)每日最小相對濕度的平均值，20%

利用校正的Kc值與PM-Kc模型得到2011年模擬ET與實測ET比較的結(jié)果見表3。除了2011年生長初期以外，PM-Kc模型低估了不同生育期觀測的累積的ET為5.87%～9.18%，其差值小于10%。而2011年的生長初期，PM-Kc方法得到的累積ET比實測累積的ETa高19.34%，這可能與插秧后一周稻田未灌水而使土壤含水量較低蒸發(fā)降低，以及6月溫度較低產(chǎn)生低溫冷害造成蒸騰降低而使實際ETa較小有關(guān)，說明在水分受到限制并且受低溫影響的水田Penman-Monteith模型模擬的結(jié)果誤差較大，需要進(jìn)一步調(diào)整模型需要的參數(shù)，以便更準(zhǔn)確預(yù)測水分脅迫和冷害環(huán)境脅迫下的實際的蒸散。

以2011年生長初期為例，進(jìn)一步分析PM-Kc模型與實際蒸散ETa的關(guān)系，展現(xiàn)了隨觀測平均間隔天數(shù)的增加模型估算值與觀測值更加接近的趨勢（表4）。2011年均以PM-Kc模型模擬的七日蒸散平均為最好，PM-Kc模型七日平均值與觀測值相關(guān)性最好（R2=0.71），與觀測值一致性最好（d=0.75），并且有最低的誤差（RMSE及MAE值分別為1.01 mm/d，1.05 mm/d）。PM-Kc模型五日平均值排名第二，PM-Kc模型3日平均值排名第三，最后是PM-Kc模型一日平均值。因此，PM-Kc模型七日平均蒸散估算效果最好，其次是PM-Kc模型五日平均，PM-Kc模型三日和一日平均值與實測值誤差較大，最差。

3 小結(jié)與討論

農(nóng)田蒸散量的實測難度很大，而在缺乏足夠氣象資料、土壤數(shù)據(jù)和作物生理學(xué)參數(shù)情況下，尋找簡便、可行的方法計算田間蒸散量，可以為制定合理灌溉制度提供可靠的定量化的理論支持。不同農(nóng)田蒸散量估算方法在不同氣候區(qū)、不同農(nóng)藝管理條件下的估算效果也是不盡相同的[10-15]。本研究探討了波文比能量平衡法和Penman-Monteith參考作物蒸散-作物系數(shù)法在寒地稻田蒸散量計算中的適用性。

波文比能量平衡法估算的蒸散量較實測蒸散量偏低9.1%，但總體有較好的相關(guān)性（R2=0.87），RMSE值為0.75 mm/d，MAE值為0.64 mm/d，與觀測值的一致性指數(shù)d為0.79。結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐寥篮痛髿鉅顩r對Penman-Monteith參考作物蒸散-作物系數(shù)法中的Kc值作了調(diào)整，利用校正的Kc值與Penman-Monteith模型得到的估算ET與實測ET比較的結(jié)果表明，PM-Kc模型低估了2011年水稻生長中期和后期的累積ET，但其相對誤差均小于10%，而2011年的生長初期，由于水分脅迫和冷害環(huán)境脅迫，PM-Kc模型得到的累積ET比實測的累積ETa高19.34%，這說明在某些天氣條件下，估算值與實測值有較大的偏差，這與陳四龍[16]的研究結(jié)果一致；以2011年生長初期為例進(jìn)一步分析PM-Kc模型與實際蒸散ETa的關(guān)系，展現(xiàn)了隨著間隔日數(shù)的增加，RMSE、MAE有降低的趨勢，一致性系數(shù)有提高的趨勢，PM-Kc模型得到的七日平均模擬實際蒸散與實測蒸散數(shù)據(jù)最為接近，這表明可采用Penman-Monteith方程與校正的作物系數(shù)Kc得到的蒸散五日或七日平均值代表三江平原寒地稻田生育期內(nèi)的實際蒸散量，這對于簡化寒地稻田水量平衡研究以及在水稻生產(chǎn)中評估和改善水分管理實踐具有重要意義。

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