基于雙作物系數(shù)的旱作玉米田蒸散估算與驗證

代文雯+李學(xué)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(nóng)業(yè)用水最終以蒸散的形式消耗，因此，農(nóng)田ET的準(zhǔn)確估算對農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展和作物水分生產(chǎn)力提升意義重大?；诖?，文章主要從雙作物系數(shù)角度出發(fā)，對旱作玉米田蒸散進(jìn)行了估算與驗證，希望能夠提高旱作玉米田的產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：旱作玉米田；雙作物系數(shù)；蒸散估算；驗證

引言

現(xiàn)如今，水資源緊缺已成為世界關(guān)注的問題，現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)綜合用水效益的關(guān)鍵。在徑流和滲漏量很小的情況下，農(nóng)田蒸散量可大致代表農(nóng)田實(shí)際的耗水量。雙作物系數(shù)法能區(qū)分土壤蒸發(fā)和作物蒸騰，能夠更為精確地計算農(nóng)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(nóng)田蒸散量概述

農(nóng)田蒸散量為農(nóng)田水分平衡的主要支出項，是計劃蓄水、供水，設(shè)計防旱、抗旱措施等的重要依據(jù)，是鑒定作物水分供應(yīng)條件的重要指標(biāo)。影響農(nóng)田蒸散量的主要因子有：由大氣干燥程度、輻射平衡和風(fēng)力大小所決定的蒸發(fā)勢，土壤供水狀況，以及植被狀況對湍流交換系數(shù)的影響等。農(nóng)田蒸散量以及其中植物蒸騰與棵間蒸發(fā)兩部分?jǐn)?shù)量的比例，隨種植、栽培措施和作物生長狀況而變化。在農(nóng)田調(diào)節(jié)過程中，可以設(shè)置風(fēng)障和防護(hù)林，改變種植方式，來提高農(nóng)田水分利用率，即消耗單位水分可獲得較多的經(jīng)濟(jì)效益。調(diào)節(jié)蒸散量的農(nóng)業(yè)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(shù)的旱作玉米田蒸散估算與驗證研究

2.1試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)采集

試驗地塊采用平作種植，面積為150m×100m（1.5hm2）。試驗站內(nèi)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集。利用渦度相關(guān)系統(tǒng)，對試驗玉米田ET進(jìn)行連續(xù)監(jiān)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(kuò)散理論和能量平衡方程建立，物理意義明確，F(xiàn)AO將其推薦為ET0計算的標(biāo)準(zhǔn)方法。

第二，玉米田實(shí)際蒸散量。實(shí)際蒸散量采用FAO推薦的雙作物系數(shù)法計算玉米田ET。計算式為：

其中，ET為農(nóng)田日蒸散量， 為水分脅迫下的作物蒸散量，KeETO 為土壤蒸發(fā)量，Kcb 為反應(yīng)物基礎(chǔ)作物系數(shù)等等。Ks 反映根區(qū)土壤含水率不足時對作物蒸騰影響的水分系數(shù)，Ke 為土壤表面蒸發(fā)系數(shù)。

2.3評價指標(biāo)

在農(nóng)田蒸散試驗過程中，對其進(jìn)行有效評價能夠保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)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(shù)（R2）對雙作物系數(shù)法模擬春玉米蒸散的適用性進(jìn)行分析，其公式如下所示：

式中，Yi 為雙作物系數(shù)法模擬的第i 日 值；Xi 為渦度相關(guān)系統(tǒng)實(shí)測的第i 日標(biāo)準(zhǔn)ET 值；Y 為Yi 的平均值； 為Xi 的平均值；n為數(shù)據(jù)樣本數(shù)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(jié)果與分析

2.4.1玉米各生育階段作物系數(shù)計算結(jié)果

在農(nóng)田玉米蒸散估算與驗證試驗中，玉米生長季氣象環(huán)境因子的變化與當(dāng)?shù)丨h(huán)境變化特點(diǎn)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(qū)玉米生育期內(nèi)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(shù)，見表1：

表1玉米各生長階段作物系數(shù)計算值

由表可見，水分脅迫條件下基礎(chǔ)作物系數(shù)在試驗初期均處于較低水平、在發(fā)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(shù)（GLAI）幾乎為0，發(fā)育期GLAI迅速增大，中期保持在較高水平，到后期又逐漸減?。蛔魑锵禂?shù)（Kc）均呈現(xiàn)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(shù)法計算的春玉米蒸散量（ETFAO）與基于渦度系統(tǒng)實(shí)測獲取的蒸散量（ETEC）的對比可以看出，雙作物系數(shù)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(nèi)春玉米日蒸散量計算值與實(shí)測值對比。

圖2相鄰2年內(nèi)春玉米日蒸散量計算值與實(shí)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(jié)合誤差指標(biāo)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(shù)法模擬春玉米ET有較高的模擬精度，可以作為該地區(qū)春玉米作物需水計算的方法。

結(jié)束語

目前地球上超過一半陸地處于缺水狀態(tài)，ET的準(zhǔn)確模擬和區(qū)分對水資源的合理分配意義重大。因此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)加大對農(nóng)田蒸散估算與驗證的研究力度，為提高農(nóng)作物水分生產(chǎn)力，提升農(nóng)業(yè)節(jié)水效果，推動綠色灌溉事業(yè)的發(fā)展打基礎(chǔ)。

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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(xué)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(xué)和科研工作endprint