河北壩上地區(qū)雨養(yǎng)裸燕麥田間蒸散規(guī)律

裴宏偉,張紅娟,王飛梟,王 鑫,沈彥俊,馬 宏

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000； 2. 河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；3. 張家口市農(nóng)業(yè)高效節(jié)水研究所，河北 張家口 075000； 4. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北 石家莊 050021)

水資源匱乏是河北壩上等半干旱地區(qū)作物生長發(fā)育的主要限制因素[1]，同時(shí)也是制約農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵資源要素[2]。蒸散(Evapotranspiration，ET)是水在“土壤-作物-大氣”系統(tǒng)中循環(huán)的重要途徑，也是農(nóng)田水分平衡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3-5]。河北壩上位于河北西北部，處于中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶中部核心區(qū)。該地區(qū)年降雨量普遍低于400 mm，且年內(nèi)分配不均勻、年際變化較大[6]，水資源不足成為限制本地區(qū)農(nóng)牧業(yè)健康發(fā)展的重要資源因素。隨著北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整工作的不斷深入，特別是國家層面對于本地區(qū)發(fā)展高效農(nóng)牧業(yè)的重大戰(zhàn)略需求，裸燕麥作為一種適宜當(dāng)?shù)貧夂颉⒕哂休^高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的糧飼一體作物，成為本地區(qū)發(fā)展高效農(nóng)牧業(yè)的理想作物種類[7-10]。然而，水是農(nóng)業(yè)的命脈，針對北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶寒冷而干旱的氣候條件，如何利用有限的水資源實(shí)現(xiàn)最高作物產(chǎn)量及水分利用效率，已經(jīng)成為本地區(qū)亟待解決的問題。

雨養(yǎng)作物的田間水分消耗主要通過蒸散耗水來完成，因此，精確估算雨養(yǎng)作物田間蒸散量并明析其變化規(guī)律對于作物需水管理、旱情預(yù)測等方面具有重要的理論意義及應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對測定作物蒸散量的方法進(jìn)行了大量研究，如波文比量平衡法[11]、渦度相關(guān)法[12]、遙感法[13]、大孔徑激光閃爍儀法[14-15]和大型稱重式蒸滲儀法[16-17]等。其中，通過大型稱重式蒸滲儀對作物蒸散量的測定深受廣大學(xué)者的關(guān)注，且大型稱重式蒸滲儀法因具有較高的精度，常被用作檢驗(yàn)其他方法所測結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)方法[18-20]。自20世紀(jì)50年代以來，已有許多學(xué)者利用大型稱重式蒸滲儀對不同管理方式下的小麥、玉米、水稻、馬鈴薯等作物的田間蒸散耗水規(guī)律等進(jìn)行了大量的研究[21-26]。但是，目前針對河北壩上地區(qū)雨養(yǎng)條件下裸燕麥的田間蒸散規(guī)律及模擬分析的研究卻鮮有報(bào)道。本文以河北壩上地區(qū)雨養(yǎng)裸燕麥為研究對象，基于參數(shù)優(yōu)化后的RZWQM2模型，對2018、2019年裸燕麥生育期內(nèi)田間蒸散動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行模擬，并通過大型稱重式蒸滲儀測定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對裸燕麥生育期內(nèi)各時(shí)段的田間蒸散量進(jìn)行深入研究，分析土壤水分及氣象因素對蒸散的影響，以期為河北壩上地區(qū)農(nóng)田水分高效管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年和2019年在張家口市農(nóng)業(yè)高效節(jié)水研究所開展。該研究所位于河北省張家口市張北縣(41°15′N，114°7′E，海拔約1 393.3 m)，多年(1960—2018年)平均降雨量385 mm左右，年平均氣溫為3.2℃，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)所需的氣象數(shù)據(jù)由該試驗(yàn)區(qū)所安裝的小型氣象站測定，主要包括平均風(fēng)速(km·d-1)、最高及最低溫度(℃)、平均相對濕度(%)、日照時(shí)數(shù)(h)及降雨量(mm)。土壤含水量由智能測墑系統(tǒng)Insentek Sensor(簡稱“智墑”，東方智感(浙江)科技股份有限公司生產(chǎn))測定，監(jiān)測間隔1 h。

1.2 模型介紹

RZWQM2模型是由美國農(nóng)業(yè)部大平原系統(tǒng)研究所開發(fā)，該模型包括土壤化學(xué)、土壤物理及土壤微生物的過程，不僅可以較好地模擬作物的生長過程，也能模擬日尺度的土壤蒸發(fā)和作物蒸騰。RZWQM2的土壤水平衡模塊采用Green-Ampt方程進(jìn)行土壤水滲透過程的模擬，同時(shí)使用Richards方程在不同的土層間重新分配水分。而潛在蒸散發(fā)是使用擴(kuò)展的Shuttleworth-Wallace(S-W)模型來量化裸露或殘余覆蓋的土壤蒸發(fā)和作物蒸騰的每日潛在速率，該方程經(jīng)過修正，包括空氣動(dòng)力學(xué)和能量通量上的地表作物殘留動(dòng)力學(xué)。

利用裸燕麥2個(gè)完整生育期(2018年和2019年，一年一熟)的實(shí)測數(shù)據(jù)運(yùn)行S-W模型。所用實(shí)測數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)(日均最低及最高氣溫、相對濕度、降雨量、風(fēng)速等)、作物生長及田間管理數(shù)據(jù)(株高、葉面積指數(shù)、生物量、產(chǎn)量、播種及收獲時(shí)間、施肥量等)、土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)、裸燕麥每日田間蒸散量數(shù)據(jù)以及土壤理化特性參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)方法

供試裸燕麥品種為壩莜1號，種植方式為條播，裸燕麥分別于2018年6月15日和2019年6 月5日播種， 2018年9月23日和2019年9月11日收獲，播種密度為450萬株·hm-2，種植行距25 cm，播種深度4 cm。裸燕麥在種植前施入復(fù)合肥90 kg·hm-2作為底肥,作物生長期間沒有追肥，其他田間管理方式與當(dāng)?shù)乇３忠恢?，裸燕?018—2019年生育期見表1。整個(gè)生育期內(nèi)的降雨量分別為146.5 mm和252.8 mm。

表1 裸燕麥生育期(m-d)

裸燕麥種植區(qū)域安裝有大型稱重式蒸滲儀，該蒸滲儀由一個(gè)不銹鋼鐵箱(長×寬×高為2 m×2 m×2.3 m)組成，精度為32 g(約為0.01 mm水層的深度)，其填土土壤物理參數(shù)見表2。裸燕麥生育期內(nèi)，在不進(jìn)行灌溉處理的條件下每間隔30 min稱取填土重量1次。此外，由于蒸滲儀底部無滲漏液出流，故可根據(jù)特定時(shí)間段內(nèi)的土體質(zhì)量變化計(jì)算出田間蒸散量。樣方內(nèi)土壤含水率依據(jù)在蒸滲儀內(nèi)安裝的智能測墑系統(tǒng)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測[27]，并每間隔7 d左右對裸燕麥的葉面積、株高及生物量進(jìn)行一次人工測定。

表2 裸燕麥試驗(yàn)區(qū)土壤物理參數(shù)

1.4 模型評價(jià)方法

對RZWQM2模型模擬結(jié)果采用絕對平均誤差(MAE)、決定系數(shù)(R2)和一致性指數(shù)(d)進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算公式：

(1)

(2)

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 裸燕麥田間蒸散量模擬動(dòng)態(tài)過程分析

雨養(yǎng)條件下，2018年和2019年裸燕麥田間蒸散量總體擬合趨勢呈現(xiàn)“單峰型”曲線(圖1)，且實(shí)測值與模擬值均在孕穗期達(dá)到最大，實(shí)測最大值分別為7.2 mm和7.7 mm，模擬值的最大值為6.6 mm和7.0 mm，偏低了8.33%、9.09%(圖1)；從表3可以看出，2018年和2019年裸燕麥田間蒸散量模擬結(jié)果較好，決定系數(shù)(R2)分別為0.71和0.68，一致性指數(shù)(d)分別為0.65和0.63，絕對平均誤差(MAE)分別為1.11 mm·d-1和1.19 mm·d-1; 2018年裸燕麥生育期內(nèi)總蒸散量的模擬值為358.73 mm，相比實(shí)測總蒸散量高了10.19 mm，而2019年模擬總蒸散量相對實(shí)測總蒸散量低了69.5 mm(表4)。

圖1 RZWQM2模型對裸燕麥田間蒸散量模擬分析Fig.1 Analysis of evapotranspiration quantity simulation in naked oat field by RZWQM2 model

表3 裸燕麥田間蒸散模擬值與實(shí)測值的模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

表4 裸燕麥生育期內(nèi)田間蒸散、降雨量及土壤水分變化

2018年和2019年都在生育期前期和后期擬合較好，而在中期擬合偏差相對較大，可能是因?yàn)樵诼阊帑溕诘那昂笃?，田間蒸散量都較小，而裸燕麥中期為作物生長旺盛階段，日均蒸散量較大，在同樣大小的相對誤差情況下，使得在數(shù)值上體現(xiàn)出裸燕麥生育期前后期絕對偏差較小，而在生育期中期出現(xiàn)絕對偏差增大的情況。

2.2 裸燕麥生育期內(nèi)田間蒸散特征

由圖2可以看出，裸燕麥整個(gè)生育期內(nèi)孕穗期的日蒸散量最大，而在播種～出苗期的日蒸散量最小，出苗期后日蒸散量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在孕穗期達(dá)到峰值，在開花期～成熟期日蒸散量又逐步下降。

圖2 裸燕麥生育期內(nèi)田間蒸散量與降雨變化特征Fig.2 Characteristics of evapotranspiration and rainfall during the growth period of naked oat

2018年和2019年裸燕麥生育期內(nèi)逐日蒸散量的變化特征(表5)表明，拔節(jié)期～開花期出現(xiàn)日蒸散量最大值，分別為7.20 mm·d-1和7.67 mm·d-1，這一時(shí)段日蒸散量平均值分別為4.50 mm·d-1和4.35 mm·d-1；播種期～出苗期日均蒸散量最小值分別為0.10 mm·d-1和0.25 mm·d-1,該時(shí)段的日蒸散量平均值分別為0.53 mm·d-1和0.52 mm·d-1；當(dāng)裸燕麥在開花期～成熟期時(shí)，由于作物達(dá)到成熟而吸收水分較少，使得日均蒸散量也隨之減小，其逐日平均蒸散量分別為1.98 mm·d-1和 2.54 mm·d-1。

表5 裸燕麥各生育期田間蒸散情況

2.3 不同天氣下裸燕麥田間逐時(shí)蒸散量變化分析

選取了裸燕麥孕穗期的兩種典型天氣(多云7月9日和晴天7月15日)對逐時(shí)蒸散量的變化規(guī)律進(jìn)行分析。裸燕麥田不同天氣條件下蒸散量的變化整體呈現(xiàn)早晚變低、中午左右增高的“單峰型”曲線(圖3)。在晴天和多云都表現(xiàn)為06∶00左右蒸散量開始逐漸增大，而兩種不同天氣達(dá)到峰值的時(shí)間不同，晴天峰值出現(xiàn)在15∶00左右，蒸散量達(dá)到了0.73 mm；多云天氣則在12∶00左右蒸散量達(dá)到最大，最大為0.58 mm，可能是因?yàn)樵诙嘣铺鞖庀抡鐣r(shí)分不會出現(xiàn)裸燕麥氣孔關(guān)閉，與晴天相比出現(xiàn)峰值較早，在峰值過后蒸散量開始降低，到20∶00左右蒸散量開始接近于零，其多云夜間平均蒸散量為0.03 mm；晴天由于正午時(shí)刻氣溫較高使得裸燕麥出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉, 降低了蒸散量。多云和晴天兩種不同天氣的逐時(shí)蒸散量變化過程表明，裸燕麥田間蒸散量主要在白天，而在夜間蒸散量較低，趨近于零且相對穩(wěn)定，由于夜間溫度和濕度較低，因此蒸散量較小。

圖3 裸燕麥田典型日蒸散量變化Fig.3 Variation of typical daily evapotranspirationin naked oat field

2.4 裸燕麥各生育期日均蒸散量變化特征分析

裸燕麥各生育期的日均蒸散量(圖4)表現(xiàn)為：孕穗期>開花期>成熟期>拔節(jié)期>出苗期。出苗期裸燕麥蒸散量小于其他生育期，在本研究中因出苗期葉面積較小而未對其進(jìn)行觀測。在拔節(jié)期隨著氣溫和葉面積指數(shù)的逐漸增大，日均蒸散量也較出苗期增大，日均蒸散量為1.65 mm·d-1。隨著裸燕麥的生長發(fā)育，土壤的蒸發(fā)增大，土壤水分也較拔節(jié)期降低，而裸燕麥在孕穗期的葉面積指數(shù)大于拔節(jié)期，葉面積指數(shù)為4.66，因而蒸散量較大，孕穗期內(nèi)裸燕麥日均蒸散量達(dá)到5.41 mm·d-1，是整個(gè)生育期中蒸散量最大的階段；經(jīng)過孕穗期的蒸散及大量耗水，土壤含水率降低，因而土壤蒸發(fā)也降低，但因葉面積指數(shù)的增大(LAI=5.07)，裸燕麥的蒸騰量增加，對土壤蒸發(fā)的降低進(jìn)行了彌補(bǔ)，因此其日均蒸散量也相對較大，日均蒸散量為4.91 mm·d-1，相比孕穗期減少了9.24%；而在成熟期葉面積指數(shù)相比孕穗期減少了45%，且該生育期作物逐漸成熟，作物所需水分逐漸減小，因而日均蒸散量減小。在裸燕麥整個(gè)生育期日均蒸散量變化趨勢與指示作物生長狀況的葉面積指數(shù)高度一致，同時(shí)受到氣溫等環(huán)境因子的影響(圖4)。在裸燕麥生育初期，由于植株較小(葉面積指數(shù)不足1.5)且氣溫較低，日均蒸散量較低；在裸燕麥生長旺盛的孕穗期和開花期，裸燕麥生長加快，葉面積指數(shù)迅速增加(4.66～5.07)，日均蒸散量均顯著高于前期；到裸燕麥成熟階段，葉片的蒸騰能力減弱，加上土壤濕度和氣溫逐漸降低，因此日均蒸散量相比孕穗期和開花期有明顯下降。

圖4 裸燕麥各生育期日均蒸散量、葉面積指數(shù)、土壤含水率及氣溫Fig.4 Daily evapotranspiration, leaf area index, soil moisturecontent and temperature of naked oat at each growth stage

3 結(jié) 論

研究基于大型稱重式蒸滲儀及RZWQM2模型對河北壩上地區(qū)2018年和2019年雨養(yǎng)裸燕麥田間蒸散進(jìn)行測定及模擬，探討了河北壩上地區(qū)裸燕麥整個(gè)生育期和典型日田間蒸散特征，并結(jié)合其土壤水分、作物產(chǎn)量、葉面積指數(shù)、氣溫及降雨等因素進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)RZWQM2模型在通過擴(kuò)展的S-W ET模型對2018年和2019年裸燕麥生育期內(nèi)前后期田間蒸散量的擬合程度表現(xiàn)較好，而在中期擬合相差較大；2018、2019年決定系數(shù)(R2)分別為0.71和0.68，平均絕對誤差(MAE)分別為1.11 mm·d-1和1.19 mm·d-1, 且整體的模擬結(jié)果及趨勢與實(shí)測結(jié)果較為一致，均表現(xiàn)為先增大后減小的態(tài)勢。

2)2018年和2019年裸燕麥生育期內(nèi)，田間蒸散量總體呈現(xiàn)先升高后降低的“單峰型”特征曲線，其變化趨勢與葉面積指數(shù)變化表現(xiàn)為一致的態(tài)勢，日均蒸散量0.52～5.41 mm·d-1，孕穗期日均蒸散量達(dá)到最大，分別為5.02 mm·d-1和5.41 mm·d-1。

3)不同天氣條件下逐時(shí)蒸散量分析表明，裸燕麥田間逐時(shí)蒸散量基本呈現(xiàn)為早晚較低、中午較高的“單峰型”曲線，多云和晴天下的逐時(shí)蒸散變化趨勢一致，蒸散都主要集中在白天，但多云天氣下蒸散量較低。