基于大型蒸滲儀和遺傳算法的受旱玉米蒸發(fā)蒸騰量估算

袁宏偉 崔 毅 蔣尚明 湯廣民 袁先江

(1.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院， 合肥 233088； 2.水利水資源安徽省重點實驗室， 合肥 233088; 3.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室, 天津 300072)

0 引言

夏玉米是淮河流域主要的糧食作物之一，也是最重要的飼料作物。其生育期主要集中在6—9月，期間平均氣溫較高，作物蒸發(fā)蒸騰量大，如遭遇干旱年份，土壤極易出現(xiàn)水分脅迫?；春恿饔蛴捎诘靥幠媳睔夂?、高低緯度和海陸相3種過渡帶的交叉重疊地區(qū)，受季風(fēng)及地形地貌的影響，降水時空分布極不均衡。特定的氣候條件、地理環(huán)境和流域特征，以及人類活動的影響，造成淮河流域歷史上干旱災(zāi)害頻繁，嚴(yán)重威脅著流域糧食生產(chǎn)安全與社會穩(wěn)定[1-2]。尤其是20世紀(jì)90年代以來，干旱的發(fā)生越來越頻繁，并隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，干旱所造成損失越來越嚴(yán)重。1949—2010年的62年間，全流域累計受旱面積1.67億hm2，成災(zāi)面積8 730萬hm2，損失糧食13.96億kg，平均每年有269.8萬hm2農(nóng)作物受旱，140.8萬hm2農(nóng)作物成災(zāi)，造成大面積農(nóng)業(yè)減產(chǎn)、歉收，甚至絕收[3-7]。旱災(zāi)已成為制約流域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的瓶頸。因此，掌握玉米在受旱脅迫下的蒸發(fā)蒸騰規(guī)律，準(zhǔn)確估算受旱脅迫下的蒸發(fā)蒸騰量，對制定合理灌溉制度，提高水分利用效率，保證淮北平原玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義[8-10]。

受旱脅迫下作物蒸發(fā)蒸騰量的估算一直是農(nóng)田灌溉學(xué)科的研究熱點，得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[9,11-13]。有關(guān)作物蒸發(fā)蒸騰量的計算方法主要有空氣動力學(xué)法、波文比-能量平衡法、遙感法等，而采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的作物系數(shù)法具有更廣泛的適用性[14-19]。雙作物系數(shù)法作為其推薦的一種估算作物蒸發(fā)蒸騰量的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，因其易于操作、精度可靠、實用性強，同時可將作物蒸騰量和土壤蒸發(fā)量分離開來，已在世界范圍內(nèi)被普遍采用[20-23]。然而，目前雙作物系數(shù)法多用于無水分脅迫下作物蒸發(fā)蒸騰量的估算，對于受旱脅迫下糧食作物蒸發(fā)蒸騰量的估算研究較少[24-25]。雖然雙作物系數(shù)法會根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣候條件調(diào)整FAO-56的推薦值，但蒸發(fā)蒸騰量估算值與實測值仍有一定偏差[26-27]。參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)的計算方法一般均采用彭曼公式，公式中涉及到太陽輻射的計算，其參數(shù)a、b一般也采用FAO-56推薦值，但是其推薦值并不一定適用于所有地區(qū)，因此也需要根據(jù)實測太陽輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化率定[28-29]。而遺傳算法(Genetic algorithm，GA)只要求優(yōu)化問題是可計算的，便可在搜索空間中進(jìn)行自適應(yīng)全局搜索，且優(yōu)化過程簡單，結(jié)果豐富，特別適合于處理復(fù)雜函數(shù)優(yōu)化、組合優(yōu)化等問題，具有適應(yīng)性強、精度高等特點[30]。

基于此，本研究依托新馬橋農(nóng)水綜合試驗站6臺大型稱重式蒸滲儀，設(shè)置不同組合受旱試驗方案，開展玉米受旱脅迫專項灌溉試驗，對不同受旱脅迫下玉米蒸發(fā)蒸騰規(guī)律進(jìn)行分析，在雙作物系數(shù)法估算無受旱脅迫下玉米蒸發(fā)蒸騰量的基礎(chǔ)上，采用遺傳算法對相關(guān)作物系數(shù)進(jìn)行率定，并以受旱脅迫下玉米蒸發(fā)蒸騰量的估算結(jié)果進(jìn)行驗證，旨在探討連續(xù)、組合受旱情況下玉米蒸發(fā)蒸騰量的響應(yīng)及復(fù)水后的適應(yīng)補償機(jī)制，構(gòu)建基于雙作物系數(shù)和遺傳算法的受旱脅迫下玉米蒸發(fā)蒸騰量估算方法，以期為區(qū)域制定合理灌溉制度以及降低農(nóng)業(yè)旱災(zāi)損失風(fēng)險提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年6—10月在安徽省水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院新馬橋農(nóng)水綜合試驗站進(jìn)行，該站位于淮北平原中南部，海拔19.7 m(33°09′N，117°22′E)，屬半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量917 mm，6—9月的降雨量約占全年總雨量的60%～70%，蒸發(fā)量916 mm，地下水埋深在1.0～3.0 m范圍內(nèi)變動，多年平均氣溫15.0℃。試驗區(qū)土壤為淮北平原區(qū)典型的砂姜黑土，其表層0～20 cm土壤中砂粒占3.12%、粉粒占68.8%、粘粒占28%(體積百分比)，土壤容重1.36 g/cm3，田間持水率38.1%(體積含水率)，凋萎點含水率16.6%(體積含水率)，該土質(zhì)地粘重，結(jié)構(gòu)不良，土體堅實，裂隙發(fā)育，土壤保水性能差，易干旱。

1.2 試驗設(shè)計

玉米受旱脅迫下蒸發(fā)蒸騰試驗依托新馬橋農(nóng)水灌溉試驗站內(nèi)6臺大型稱重式蒸滲儀開展，規(guī)格為2 m×2 m×2.3 m，每臺蒸滲儀均布設(shè)有防雨棚完全隔絕降雨，試驗過程中土壤水分完全受人工灌水控制。試驗玉米品種為隆平206，于2017年6月16日播種，當(dāng)年10月8日收獲，全生育期115 d，結(jié)合試驗玉米實際生長記錄，將全生育期劃分為苗期(6月16日—7月18日，共33 d)、拔節(jié)期(7月19日—8月3日，共16 d)、抽雄吐絲期(8月4—21日，共18 d)和灌漿成熟期(8月22日—10月8日，共48 d)4個生育階段。試驗控制因素為生育階段的土壤含水率，設(shè)置不同的土壤含水率下限，根據(jù)試驗站多年受旱脅迫灌溉試驗確定不旱、輕旱和中旱3個水平土壤含水率下限，分別為70%、55%和45%(指土壤含水率占田間持水率的百分比)，具體試驗實施情況見表1。每個蒸滲儀小區(qū)內(nèi)施復(fù)合肥300 g、尿素120 g，玉米種植密度為20株/坑，每個測坑分4行。為更加符合實際灌溉情況，當(dāng)試驗小區(qū)土壤含水率達(dá)到相應(yīng)控制下限時定量灌水至田間持水率。此外，各處理除水分管理外，其他管理方式完全一致，保證玉米正常生長發(fā)育，沒有病蟲害影響。

表1 試驗實施情況Tab.1 Experiment implementation situation

1.3 試驗數(shù)據(jù)采集

(1)氣象資料

采用位于試驗站距離地面2 m高度的自動氣象站(WS-STD1型，英國DELT-T公司)，測定2 m高處的平均風(fēng)速(u2，m/s)、平均氣溫(T，℃)、相對濕度(Rh，%)、太陽總輻射(Rs，MJ/(m2·d))等氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)每5 s采集一次，每1 h記錄在數(shù)據(jù)采集器中。

(2)土壤含水率

0～40 cm土層土壤含水率由人工取土測定，40、60、80 cm土層土壤含水率由蒸滲儀內(nèi)埋設(shè)的土壤水分傳感器測定，最終取0～60 cm土層土壤含水率的平均值。土壤含水率平均5～7 d測定一次，土壤水分消耗較大的生育階段加測。

(3)蒸發(fā)蒸騰量

玉米實際蒸發(fā)蒸騰量由試驗站內(nèi)大型稱重式蒸滲儀測定，型號為QYZS-201，共6臺，每臺面積2 m×2 m=4 m2，深2.3 m，質(zhì)量約15 t，測定精度為0.02 mm，用采集系統(tǒng)自動收集和記錄數(shù)據(jù)，時間間隔為1 h，日蒸發(fā)蒸騰量由24 h數(shù)據(jù)累計得到。

(4)灌水量

不同處理下的灌水量I(mm)為

I=1 000(θFC-θi)Zr

(1)

式中θFC——蒸發(fā)層土壤田間持水率，m3/m3

θi——灌水前測定的土壤含水率，m3/m3

Zr——計劃濕潤層深度，取0.6 m

灌水量通過管道首部的水表控制。

1.4 基于遺傳算法的Angstrom公式參數(shù)率定

1.4.1Angstrom公式及參考作物蒸發(fā)蒸騰量計算方法

Angstrom公式最早是由埃斯川姆于1922年提出的，后由左大康等將此公式引入我國[28-29]。公式為

Rs=(a+bS)Ra

(2)

式中S——日照百分率, 即實際和理論日照時數(shù)之比

Ra——大氣邊緣太陽輻射，MJ/(m2·d)

a、b——經(jīng)驗系數(shù)，反映外空輻射通過大氣層過程中的衰減特征

大氣邊緣太陽輻射是指到達(dá)大氣上界的太陽輻射，其分布和變化不受大氣影響，主要受日地距離、太陽高度角和白晝長度的影響，本文采用日天文輻射總量代表。

參考作物蒸發(fā)蒸騰量采用Penman-Montieth公式計算，即

(3)

其中

Rn=(1-α)Rs-Rn1

(4)

式中ET0——參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d

Rn——作物表面的凈輻射量，MJ/(m2·d)

G——土壤熱通量，MJ/(m2·d)

es——飽和水氣壓，kPa

ea——實際水氣壓，kPa

Δ——飽和水壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃

γ——干濕表常數(shù)

α——參照作物反射率，取0.23

Rn1——凈長波輻射，MJ/(m2·d)

式(3)、(4)中其他變量的計算公式可參見SL 13—2015《灌溉試驗規(guī)范》。

1.4.2參數(shù)率定方法

本文參數(shù)率定方法選用最小二乘法與遺傳算法。最小二乘法為相關(guān)研究中比較通用的系數(shù)率定方法，本文根據(jù)大氣邊緣太陽輻射Ra和實測Rs、S，通過最小二乘回歸擬合式(2)，即得到a、b的率定值。

以經(jīng)驗系數(shù)a、b為優(yōu)化變量，以新馬橋試驗站實測Rs/Ra和日照百分率S為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解，最終得到基本適用于淮北平原的a、b值，具體過程為

(5)

(6)

式中Xi——第i日日照百分率S

Yi——第i日實測太陽總輻射與大氣邊緣太陽輻射比值(Rs/Ra)

n——日太陽總輻射數(shù)據(jù)個數(shù)

1.5 基于雙作物系數(shù)和遺傳算法的玉米蒸發(fā)蒸騰量估算方法

采用雙作物系數(shù)法計算玉米蒸發(fā)蒸騰量，其表達(dá)式為[31]

ETc=(KsKcb+Ke)ET0

(7)

式中ETc——作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d

Ks——土壤水分脅迫系數(shù)，反映根區(qū)土壤含水率對作物蒸騰的影響，0

Kcb——基礎(chǔ)作物系數(shù)，是表土干燥而根區(qū)土壤平均含水率滿足蒸騰要求時ETc與ET0的比值

Ke——土面蒸發(fā)系數(shù)，反映灌溉或降雨后因表土濕潤致使土面蒸發(fā)強度短期內(nèi)增加對ETc產(chǎn)生的影響

1.5.1基礎(chǔ)作物系數(shù)確定

FAO建議先將玉米整個生育期劃分為初始生長期、快速發(fā)育期、生育中期和成熟期4個生育階段，再分別計算初始生長期、生長中期和成熟期3個階段的Kcb單點值，即Kcbini、Kcbmid和Kcbend，中間值采用線性插值得到[31]。根據(jù)相關(guān)研究并結(jié)合本試驗玉米實際生長狀況，確定各生育階段長度見表2，F(xiàn)AO-56推薦的標(biāo)準(zhǔn)狀況下玉米各生育階段的基礎(chǔ)作物系數(shù)分別為Kcbini=0.15，Kcbmid=1.15，Kcbend=0.50。當(dāng)Rhmin不是45%或風(fēng)速不是2 m/s時，大于0.45的Kcbmid和Kcbend需進(jìn)行修正，即

表2 FAO生育階段劃分及各階段u2、Rhmin和h的平均值Tab.2 Growth stages divided by FAO method and means of u2, Rhmin and h at each stage

Kcb(Adj)=Kcb(Tab)+[0.04(u2-2)-

(8)

式中Kcb(Tab)、Kcb(Adj)——FAO-56推薦和根據(jù)試驗站氣候條件調(diào)整后的作物生育期基礎(chǔ)作物系數(shù)

h——玉米生育期的平均株高，m

1.5.2土面蒸發(fā)系數(shù)計算

棵間及冠層內(nèi)土壤的蒸發(fā)量受土壤表層可接受能量和大氣蒸發(fā)力的控制。降雨或灌溉后，土面蒸發(fā)強度達(dá)到峰值，隨著表土變干，土面蒸發(fā)強度迅速下降，Ke表示為[31]

Ke=min(Kr(Kcmax-Kcb)，fewKcmax)

(9)

(10)

Tew=1 000(θFC-0.5θWP)Ze

(11)

Rew=8+0.08Cl

(12)

(13)

few=min(1-fc，fw)

(14)

(15)

式中Kr——土壤蒸發(fā)衰減系數(shù)[20]

Kcmax——灌溉或降雨后作物系數(shù)上限

few——沒有被作物冠層覆蓋并在降雨或灌溉后被充分濕潤的土壤面積占總面積的比例

De,i-1——降雨或灌溉日到上一個計算日的累計土壤蒸發(fā)量，mm

Rew——大氣蒸發(fā)力控制階段土壤蒸發(fā)量,mm

Tew——在一個干旱周期內(nèi)土壤中可通過表層蒸發(fā)的最大水量，mm

Ze——土壤蒸發(fā)層深度，結(jié)合FAO推薦值和試驗土壤實際情況，取0.1 m

θWP——蒸發(fā)層土壤凋萎點含水率，m3/m3

Cl——蒸發(fā)層土壤中的粘粒體積分?jǐn)?shù)，本地砂姜黑土0～10 cm土層的粘粒體積分?jǐn)?shù)取值為25.42%

fc——玉米冠層的有效覆蓋系數(shù)[21]

fw——降雨或灌溉后地表充分濕潤面積比，本試驗灌水方式為漫灌，fw=1.0[31]

Kcmin——干燥裸土條件下作物系數(shù)下限，本文取0.15[31]

Ke計算過程中，需要根據(jù)蒸發(fā)土層逐日水量平衡方程計算De,i[20]，即

(16)

其中

Ei=KeET0

(17)

式中Pi——第i日的降雨量，mm

Roi——第i日降雨徑流量，mm

Ii——第i日灌水量，mm

Ei——第i日土壤平均蒸發(fā)量，mm

Tew,i——第i日植株從無作物覆蓋且充分濕潤地表獲得的蒸騰量，mm

Dpe,i——第i日表層土壤滲漏量，mm

Tew,i可忽略不計[31]，由于試驗條件控制，Pi、Roi、Dpe,i均為0。

1.5.3土壤水分脅迫系數(shù)計算

土壤水分脅迫系數(shù)計算公式為[31]

(18)

其中

Raw=pTaw

(19)

Taw=1 000(θFC-θWP)Zr

(20)

式中Dr——玉米根系層中消耗的水量，mm

Taw——根系中的總有效水量[31]，mm

Raw——根系中易被吸收利用的水量，mm

p——在發(fā)生水分脅迫之前能從根系層中消耗的水量與土壤總有效水量的比值，取0.55[31]

Ks計算過程中，需要根據(jù)土壤逐日水量平衡方程計算Dr,i[31]，即

Dr,i=Dr,i-1-(Pi-Roi)-Ii-Cri+ETc,i+Dpi

(21)

式中Cri——第i日土壤毛管上升水量，mm

Dpi——第i日深層土壤滲漏量，mm

本試驗無地下水補給，Cr=0，深層滲漏量Dp由蒸滲儀地下室輸水管道實測。

1.5.4基于遺傳算法的作物系數(shù)率定

在雙作物系數(shù)法估算無受旱脅迫下(CK)玉米蒸發(fā)蒸騰量的基礎(chǔ)上，以基礎(chǔ)作物系數(shù)Kcbini、Kcbmid、Kcbend和作物系數(shù)上限Kcmax為優(yōu)化變量，以CK處理玉米全生育期內(nèi)逐日蒸發(fā)蒸騰量估算值與實測值的絕對誤差和最小為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法[30]進(jìn)行優(yōu)化求解，最終得到符合試驗站當(dāng)?shù)赜衩讓嶋H生長的作物系數(shù)，為

(22)

式中Xj——無受旱脅迫下(CK處理)雙作物系數(shù)法估算的第j日玉米蒸發(fā)蒸騰量，mm

Yj——對應(yīng)CK處理蒸滲儀實測的第j日玉米蒸發(fā)蒸騰量，mm

m——全生育期時間，共115 d

2 結(jié)果與分析

2.1 受旱脅迫下玉米蒸發(fā)蒸騰量特征分析

依據(jù)不同受旱處理下蒸滲儀實測的玉米蒸發(fā)蒸騰數(shù)據(jù)，分析各生育階段不同受旱脅迫下蒸發(fā)蒸騰量變化，如圖1和圖2所示。由圖1、2可知，玉米各生育階段蒸發(fā)蒸騰量在不同受旱脅迫下變化趨勢基本相同，苗期蒸發(fā)蒸騰量較小，拔節(jié)期呈上升趨勢，抽雄吐絲期處于較高水平，灌漿成熟期開始下降。由于不同處理當(dāng)期或前期受旱脅迫不同，使得各階段蒸發(fā)蒸騰量出現(xiàn)差異。

圖1 無受旱脅迫下玉米各生育階段實測蒸發(fā)蒸騰量Fig.1 Measured maize evapotranspiration in whole growth period under no drought stress

圖2 受旱脅迫下玉米各生育階段實測蒸發(fā)蒸騰量Fig.2 Measured maize evapotranspiration at each growth stage under drought stress

圖2a中，苗期CK、T2和T1分別為不旱、輕旱、輕旱，3種處理下玉米苗期蒸發(fā)蒸騰量變化趨勢基本相同，但CK的蒸發(fā)蒸騰量略高于T1和T2，CK、T2和T1的日均蒸發(fā)蒸騰量分別為2.361、2.130、2.128 mm，相同處理間基本無差別，輕旱比對照減少了9.83%；同樣，圖2b中，拔節(jié)期T2、T1分別為輕旱和中旱，拔節(jié)期前期各處理間基本無差別，拔節(jié)期中后期中旱處理與對照間差別出現(xiàn)擴(kuò)大且較為明顯，拔節(jié)期全期輕旱和對照間差別不明顯，T1的蒸發(fā)蒸騰量比不旱處理CK少14.35%，T2少3.87%。以上分析表明，苗期輕旱對玉米生長當(dāng)期和后期生長均不造成明顯影響，苗期和拔節(jié)期連續(xù)輕旱對玉米生長的影響亦不明顯，受旱處理下的玉米蒸發(fā)蒸騰量相對不旱會有所減少，且中旱處理的減少程度比較顯著，說明水分虧缺會減小玉米蒸發(fā)蒸騰量，缺水越多減小越嚴(yán)重。

圖2c中，苗期、拔節(jié)期和抽雄吐絲期輕旱的處理T2，整個抽雄吐絲期的蒸發(fā)蒸騰量比CK少10.63%，苗期輕旱、拔節(jié)期和抽雄吐絲期中旱的處理T1，其抽雄吐絲期的蒸發(fā)蒸騰量則比對照減少了32.65%。圖2d中，苗期、拔節(jié)期和抽雄吐絲期輕旱，灌漿成熟期中旱的處理T2，其整個灌漿成熟期的蒸發(fā)蒸騰量比對照少11.90%；苗期輕旱、拔節(jié)期和抽雄吐絲期中旱，灌漿成熟期不旱的處理T1，其整個灌漿成熟期的蒸發(fā)蒸騰量比對照少14.16%。以上分析表明，拔節(jié)期和抽雄吐絲期連續(xù)受旱較重時會嚴(yán)重減少玉米的蒸發(fā)蒸騰量，且其對玉米生長的抑制作用不止影響其處理當(dāng)期，后期恢復(fù)正常灌溉后抑制作用依然存在，說明拔節(jié)期和抽雄吐絲期連續(xù)中度受旱已對玉米生長造成永久脅迫。

2.2 Angstrom公式參數(shù)率定及優(yōu)選

基于新馬橋試驗站內(nèi)自動氣象站2011—2016年的實測逐日太陽總輻射和日照百分?jǐn)?shù)，分別利用最小二乘法和遺傳算法率定得到Angstrom公式中的經(jīng)驗系數(shù)a、b。為更好評價上述兩組率定參數(shù)及FAO推薦參數(shù)的適宜性，完成參數(shù)優(yōu)選，采用平均誤差、平均絕對誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)以及相關(guān)系數(shù)4個統(tǒng)計指標(biāo)進(jìn)行評價[17]。率定的參數(shù)及3組不同經(jīng)驗系數(shù)的Rs計算值與實測值的對比分析如表3所示。

表3 不同經(jīng)驗系數(shù)a和b下的Rs計算值與實測值的對比分析Tab.3 Comparison analysis between calculated and observed Rs values based on different a and b

由表3可以看出，采用FAO推薦的經(jīng)驗系數(shù)a、b得到的Rs計算值的平均誤差、平均絕對誤差、均方根誤差均顯著大于基于最小二乘法和遺傳算法率定a、b參數(shù)計算得到的Rs。當(dāng)經(jīng)驗系數(shù)a、b取0.253、0.320時，太陽日總輻射計算值和實測值的相關(guān)系數(shù)最大且平均誤差和平均絕對誤差均最小，表明采用遺傳算法擬合的經(jīng)驗系數(shù)a=0.253、b=0.320可以比較有效地估算淮北平原的太陽輻射，且優(yōu)于最小二乘法的率定結(jié)果。另外表3中數(shù)據(jù)也表明，利用FAO建議值計算淮北平原的太陽輻射，要明顯偏高于真實值，平均可高出實測值的23.38%。

Penman-Montieth公式計算ET0時也會受到經(jīng)驗系數(shù)a、b的影響，利用新馬橋試驗站2011—2016年的逐日氣象數(shù)據(jù)，分別采用FAO建議值的經(jīng)驗系數(shù)a=0.25、b=0.5以及優(yōu)選的經(jīng)驗系數(shù)a=0.253、b=0.320計算ET0。選取FAO建議值時，2011—2016年內(nèi)日均ET0為2.48 mm，選取優(yōu)選參數(shù)時，日均ET0為2.07 mm?？梢钥闯?，F(xiàn)AO建議值計算的ET0明顯高于優(yōu)選參數(shù)計算的ET0，前者可比后者增大19.8%。

綜上可知，F(xiàn)AO建議的經(jīng)驗參數(shù)a、b值并不適用于淮北平原太陽總輻射Rs和參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0的計算，計算值較實測值偏大，會過大估計參考作物蒸發(fā)蒸騰量，不利于節(jié)水，而利用遺傳算法率定得到的經(jīng)驗系數(shù)a、b值更適用于淮北地區(qū)。

2.3 基于雙作物系數(shù)和遺傳算法的玉米蒸發(fā)蒸騰量估算結(jié)果與分析

2.3.1無受旱脅迫下玉米蒸發(fā)蒸騰量估算結(jié)果

由圖3可看出，玉米苗期前半段的蒸發(fā)蒸騰量較小，苗期后半段開始顯著增加，拔節(jié)期和抽雄吐絲期均保持在一個較高的水平，灌漿成熟期逐漸降低，日蒸發(fā)蒸騰量峰值出現(xiàn)在拔節(jié)期后期和抽雄吐絲期。苗期、拔節(jié)期、抽雄吐絲期、灌漿成熟期日平均蒸發(fā)蒸騰量分別為2.130、4.024、5.373、2.726 mm。蒸發(fā)蒸騰變化過程符合玉米實際生長過程，苗期后期、拔節(jié)期、抽雄吐絲期和灌漿成熟期前期是玉米營養(yǎng)生長和生殖生長最旺盛的時期，對水分需求量大，灌漿成熟期后期玉米的葉開始萎蔫變黃，蒸騰強度顯著降低，日蒸發(fā)蒸騰量不斷減小。

圖3 無受旱脅迫下玉米全生育期實測和估算蒸發(fā)蒸騰量Fig.3 Measured and estimatedmaize evapotranspiration in whole growth period under no drought stress

由圖3可看出，兩種方法估算的玉米全生育期內(nèi)蒸發(fā)蒸騰量變化趨勢與實測結(jié)果基本一致，但GA估算的蒸發(fā)蒸騰量明顯大于FAO-56。結(jié)合表4中無受旱脅迫下玉米各生育階段及全生育期蒸發(fā)蒸騰量實測與估算結(jié)果，F(xiàn)AO-56各生育階段蒸發(fā)蒸騰量的估算誤差，除苗期外其他生育階段RMSE、MAE均大于GA，GA全生育期RMSE和MAE分別為1.39 mm和0.97 mm，比對應(yīng)的FAO-56小6.74%和8.23%，說明GA的估算結(jié)果比FAO-56更接近實測值，以GA優(yōu)化得到的作物系數(shù)進(jìn)行雙作物系數(shù)法估算與實際情況的擬合效果更好。

表4 無受旱脅迫下雙作物系數(shù)法估算玉米蒸發(fā)蒸騰量擬合誤差Tab.4 Fitting error of estimated maize evapotranspiration under no drought stress based on dual crop coefficient approach mm

對比FAO-56推薦并經(jīng)試驗站氣候條件調(diào)整和GA優(yōu)化后的Kcbini、Kcbmid、Kcbend、Kcmax作物系數(shù)值(詳細(xì)計算過程見1.5節(jié))，F(xiàn)AO-56為0.150、1.058、0.413和1.119，GA為0.150、1.090、0.152和1.400?？煽闯觯凑帐?8)調(diào)整后的基礎(chǔ)作物系數(shù)Kcb與FAO-56推薦值(0.150、1.150、0.500)相比變化很小。與FAO-56相比，GA得到的Kcbmid和Kcmax值均明顯增大，Kcbend則有明顯減小，Kcbini無變化，但GA的雙作物系數(shù)法Kc明顯較大，這與圖4中無受旱脅迫下實測和估算的雙作物系數(shù)法變化一致，故根據(jù)式(7)計算得到的蒸發(fā)蒸騰量大。說明FAO-56推薦的作物系數(shù)比當(dāng)?shù)赜衩讓嶋H情況小。綜上，GA優(yōu)化得到的作物系數(shù)更加符合當(dāng)?shù)赜衩椎膶嶋H生長情況，在此基礎(chǔ)上采用雙作物系數(shù)法可更精確地估算玉米蒸發(fā)蒸騰量。

2.3.2受旱脅迫下玉米蒸發(fā)蒸騰量估算結(jié)果

以GA率定的4個作物系數(shù)運用雙作物系數(shù)法估算2種受旱脅迫下玉米蒸發(fā)蒸騰量，并與FAO-56推薦值的估算結(jié)果進(jìn)行對比，見表5。由表5可看出，2種受旱處理全生育期蒸發(fā)蒸騰估算量均低于實測值，其中T2更為明顯，除苗期外其余各階段均低于實測值，全生育期比實測少8.46%，說明本文估算方法總體低估了玉米蒸發(fā)蒸騰量。用于驗證的2個處理全生育期RMSE、 MAE均值分別為1.60、1.18 mm，但是全生育期MRE分別為4.99%和8.46%，均值為6.73%，整體估算效果雖然沒有無受旱脅迫下的好，但仍優(yōu)于FAO-56推薦值的估算結(jié)果。但是遺傳算法能否提升受旱脅迫下玉米蒸發(fā)蒸騰量估算精度，尚需長序列的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。

圖4 無受旱脅迫下玉米全生育期實測和估算作物系數(shù)Fig.4 Measured and estimatedmaize crop coefficient in whole growth period under no drought stress

表5 受旱脅迫下雙作物系數(shù)法估算玉米蒸發(fā)蒸騰量驗證誤差Tab.5 Validation error of estimated maize evapotranspiration under drought stress based on dual crop coefficient approach

3 結(jié)論

(1)玉米營養(yǎng)生長期內(nèi)連續(xù)的輕微受旱脅迫可能會刺激玉米適應(yīng)性機(jī)能，復(fù)水后各項生理功能恢復(fù)正常，但較為嚴(yán)重的水分虧缺會明顯減弱適應(yīng)能力，合理的水分虧缺范圍是保證玉米適應(yīng)能力得以充分發(fā)揮的重要因素。

(2)較重的受旱脅迫不僅會使玉米當(dāng)期的蒸發(fā)蒸騰量減少，而且會產(chǎn)生累積效應(yīng)，將這種脅迫影響傳遞到之后的生育階段，相同受旱程度對玉米生殖生長階段影響更為明顯，且隨著脅迫程度的加重更易造成永久脅迫。

(3)通過遺傳算法率定得出的a、b值可有效提高ET0計算的準(zhǔn)確性；但由于新馬橋試驗站位于淮北平原南部，因而單以此數(shù)據(jù)率定所得a、b值并不能做到精確覆蓋整個淮北平原，后期還需在平原北部和中部地區(qū)的灌溉試驗站增設(shè)自動氣象站，以此增加淮北平原太陽總輻射數(shù)據(jù)的觀測范圍和率定精度。

(4)以雙作物系數(shù)估算無受旱脅迫下玉米蒸發(fā)蒸騰量為基礎(chǔ)，采用遺傳算法率定得到基礎(chǔ)作物系數(shù)Kcbini、Kcbmid、Kcbend以及作物系數(shù)上限Kcmax分別為0.150、1.090、0.152和1.400，以此作物系數(shù)運用雙作物系數(shù)法估算無受旱脅迫下全生育期蒸發(fā)蒸騰量的均方根誤差RMSE和平均絕對誤差MAE分別為1.39 mm和0.97 mm，比對應(yīng)的FAO-56小6.74%和8.23%，說明GA的估算結(jié)果比FAO-56更接近實測值，以GA優(yōu)化得到的作物系數(shù)進(jìn)行雙作物系數(shù)法估算與實際情況的擬合效果更優(yōu)；受旱脅迫下全生育期蒸發(fā)蒸騰量估算精度要差于未受旱的估算結(jié)果，遺傳算法能否提升受旱脅迫下玉米蒸發(fā)蒸騰量估算精度，尚需長序列的試驗數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的驗證。