夏玉米在充分供水條件下不同生育期作物系數(shù)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(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710014；3.西安航空制動(dòng)科技有限公司，西安 710065；4.93313部隊(duì)氣象臺(tái)，長(zhǎng)春 130111)

夏玉米是陜西關(guān)中地區(qū)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(fā)生于7月上旬至8月下旬(拔節(jié)—開花期)[1]。在作物生長(zhǎng)季節(jié)，如果土壤干旱缺水，作物生理需水得不到滿足，有機(jī)體就不能正常生長(zhǎng)發(fā)育，產(chǎn)量就會(huì)受到抑制[2]，因此制約夏玉米產(chǎn)量形成的主要因子是干旱缺水。計(jì)算夏玉米整個(gè)生育期的蒸發(fā)蒸騰量是提高水資源利用率、實(shí)現(xiàn)有效灌溉十分重要的理論依據(jù)[3-4]。農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰是發(fā)生在土壤、植被、大氣系統(tǒng)之間的連續(xù)過程，是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要的水分供應(yīng)和能量來源，且決定著農(nóng)田邊界層的狀況[5-6]。蒸發(fā)蒸騰量的測(cè)定方法主要有：空氣動(dòng)力學(xué)法、遙感法、土壤水量平衡法、蒸滲儀法、渦度相關(guān)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(xué)者在20世紀(jì)60年代開始使用蒸滲儀直接測(cè)定植物的蒸發(fā)蒸騰量。Howell等[9]研究了蒸發(fā)蒸騰量與產(chǎn)量、水分利用率之間的關(guān)系。Benli等[10]利用蒸滲儀測(cè)定的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，研究了紫花苜蓿的蒸發(fā)蒸騰量和作物系數(shù)之間的關(guān)系。國內(nèi)學(xué)者也廣泛應(yīng)用蒸滲儀來準(zhǔn)確測(cè)定蒸發(fā)蒸騰量。黃子琛等[11]利用蒸滲儀分別測(cè)定了不同地區(qū)的小麥和夏玉米全生育期的逐日蒸發(fā)蒸騰量。梁文清等[12]也開展了夏玉米蒸發(fā)蒸騰作用及作物系數(shù)的研究。前人的研究發(fā)現(xiàn)在不同地區(qū)玉米生育期內(nèi)需水量或耗水量不盡相同；當(dāng)夏玉米的生長(zhǎng)供水條件不同時(shí)，估算的作物系數(shù)也會(huì)隨土壤供水條件發(fā)生變化。劉艷等[13]利用氣象資料和Penman-Monteith公式計(jì)算了咸陽地區(qū)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(chǔ)上，利用大型稱重式蒸滲儀在咸陽地區(qū)對(duì)夏玉米充分供水條件下的農(nóng)田蒸散量進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，以期準(zhǔn)確估算咸陽地區(qū)夏玉米最大耗水量和作物系數(shù)，從而為制定灌溉計(jì)劃和水資源合理開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)于2014年6—10月在陜西省咸陽農(nóng)業(yè)氣象科學(xué)研究所進(jìn)行，該地區(qū)位于關(guān)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(fēng)氣候，年平均降雨量530.8 mm，年蒸發(fā)量1 493.7 mm，年日照時(shí)數(shù)2 129.3 h，糧食種植以冬小麥和夏玉米一年兩熟為主。

試驗(yàn)采用蘭州干旱氣象研究所研制的LG型稱重式蒸滲儀，試驗(yàn)地面積為25 m×25 m，土質(zhì)為中壤土。試驗(yàn)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(duì)濕度監(jiān)測(cè)值始終維持在75%以上。試驗(yàn)時(shí)蒸滲儀內(nèi)和大田的田間管理方式完全一致，保證蒸滲儀內(nèi)植株的數(shù)量、玉米的生理生態(tài)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(hào)，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(shí)收單產(chǎn)9 480 kg/hm2。蒸滲儀4 m2面積內(nèi)實(shí)收產(chǎn)量9 513 kg/hm2。根據(jù)玉米實(shí)際生長(zhǎng)記錄，記錄玉米生育期情況(見表1)。

表1 2014年咸陽地區(qū)夏玉米各生育期情況

1.2 觀測(cè)方法

(1)氣象資料：數(shù)據(jù)取自距離試驗(yàn)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(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、日降雨量、10 m風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)。

(2)蒸發(fā)蒸騰量ET：玉米實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量由試驗(yàn)站內(nèi)LG型稱重式蒸滲儀測(cè)定，蒸散面積2.0 m×2.0 m=4.0 m2，深2.8 m，測(cè)量精度為0.01 mm，由系統(tǒng)自動(dòng)采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)為正點(diǎn)前后2 min內(nèi)最大值、平均值、最小值，采集數(shù)據(jù)間隔1 h。

(3)土壤含水量：土壤含水量采用TDR土壤水分自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。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(jì)算

采用FAO提出的Penman-Monteith[14]方程計(jì)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(fēng)速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；?為干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

1.4 作物系數(shù)Kc的計(jì)算

作物系數(shù)Kc的定義為實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量與作物參考蒸散量之比，以下式表示。

(2)

2 結(jié)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(gè)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(xiàn)多雨—干旱—多雨的特點(diǎn)。日照時(shí)數(shù)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(shí)段均偏多?？傊?014年夏玉米生育期(6—10月)呈現(xiàn)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(yàn)時(shí)段各生育階段氣象要素值

2.2 夏玉米蒸發(fā)蒸騰規(guī)律

由表3可以看出，夏玉米全生育期實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量(ET)為599.9 mm，而Changming Liu等[15]研究表明在補(bǔ)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(qū)測(cè)得夏玉米耗水量為447 mm，該試驗(yàn)結(jié)論可認(rèn)為是陜西關(guān)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(xiàn)低—高—低的變化規(guī)律，抽雄—乳熟期的ET最大，占全生育期的33.2%；拔節(jié)—收獲階段的ET占全生育期的81.3%；整個(gè)生育期日平均ET為5.0 mm/d，拔節(jié)—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(qū)玉米全生育期日耗水量最高可達(dá)5.33 mm/d基本一致。

2.3 夏玉米蒸發(fā)蒸騰量與參考蒸散量對(duì)比分析

對(duì)比分析試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)夏玉米逐日蒸發(fā)蒸騰量(ET)與參考蒸散量(ET0)的變化趨勢(shì)(見圖1)，可以看出夏玉米全生育期內(nèi)日ET0的峰值為8.6 mm，出現(xiàn)在7月18日(拔節(jié)—抽雄期)，而日ET的峰值為14.9 mm，出現(xiàn)在8月3日(拔節(jié)—抽雄期)。

表3 2014年咸陽夏玉米試驗(yàn)時(shí)段各生育期實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量變化

圖1 2014年咸陽夏玉米試驗(yàn)時(shí)段蒸發(fā)蒸騰量與參考蒸散量的逐日變化趨勢(shì)

將夏玉米各生育期的ET與ET0進(jìn)行線性擬合(見圖2)，發(fā)現(xiàn)全生育期、播種—三葉、拔節(jié)—抽雄、抽雄—乳熟階段兩者存在極顯著的線性關(guān)系(p<0.01)，但乳熟—收獲階段兩者的相關(guān)性不高。結(jié)合圖1、2可以看出ET與ET0的逐日變化趨勢(shì)傾向率除三葉—七葉期以外，其余時(shí)間段呈現(xiàn)出一致性，相關(guān)性最好的出現(xiàn)在抽雄—乳熟期；在夏玉米拔節(jié)之前(7月17日以前)，ET0大于ET，說明此階段玉米生長(zhǎng)發(fā)育所需水分相對(duì)較少，拔節(jié)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(jìn)入生長(zhǎng)需水高峰期。

圖2 2014年咸陽夏玉米試驗(yàn)時(shí)段各生育期蒸發(fā)蒸騰量與參考蒸散量的關(guān)系(直線為擬合線)

2.4 夏玉米不同生育期作物系數(shù)

表4為根據(jù)公式(2)計(jì)算得到的充分供水條件下夏玉米不同生育期的作物系數(shù)Kc，可以看出，播種—三葉、三葉—七葉、七葉—拔節(jié)三個(gè)生育期內(nèi)作物系數(shù)都小于1，拔節(jié)以后作物系數(shù)大于1并且逐漸增大，乳熟—收獲期達(dá)到最大，而這一結(jié)果與全生育期內(nèi)植被覆蓋度逐漸提高、植株高度增長(zhǎng)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(yàn)時(shí)段不同生育期作物系數(shù)

3 結(jié)論與討論

(1)本研究是在陜西省咸陽農(nóng)業(yè)氣象科學(xué)研究所試驗(yàn)地段對(duì)夏玉米充分供水條件下的農(nóng)田蒸散量進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，并利用Penman-Monteith公式，結(jié)合分析咸陽地區(qū)夏玉米最大耗水量及其不同生育期作物系數(shù)，得出以下結(jié)論。在足水條件下，測(cè)得夏玉米在關(guān)中試驗(yàn)地段全生育期耗水量599.9 mm。夏玉米在2014年試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)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(guān)中地區(qū)在充分供水條件下的夏播玉米各生育期作物系數(shù)分別為：0.64，0.76，0.80，1.38，1.47，1.58。相對(duì)世界糧農(nóng)組織推薦的玉米初始生長(zhǎng)期、快速發(fā)育期、生育中期三個(gè)階段，本文按夏玉米作物的生育期給出其作物系數(shù)更精細(xì)。

(2)僅對(duì)2014年陜西省咸陽農(nóng)業(yè)氣象科學(xué)研究所試驗(yàn)地段數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，在時(shí)間及地區(qū)上具有一定的特殊性，而作物系數(shù)的確定還受土壤、當(dāng)?shù)貧夂蚝蜕a(chǎn)管理方式等諸多因素影響；因此還需要對(duì)咸陽夏玉米不同生育期的作物系數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)序列研究。但該研究測(cè)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(shù)具有一定的參考和借鑒作用。