冬小麥生育期潛水蒸發(fā)估算模型研究

許 滸，王麗麗，王一杰，周 超，索梅芹，王 健

（1.安徽省（水利部淮委）水利科學研究院水利水資源安徽省重點實驗室，安徽蚌埠233000；2.安徽淮海環(huán)?？萍加邢薰?，安徽蚌埠233000；3.安徽淮河水資源科技有限公司，安徽蚌埠233000；4.河北工程大學，河北邯鄲056021）

0 引言

潛水蒸發(fā)是潛水面處的土壤水分向上運動到非飽和區(qū)造成潛水量消耗的過程，是地下水的主要消耗項之一［1］，也是地下水埋深較淺區(qū)域植物蒸騰和土壤蒸發(fā)的重要水分來源之一［2］，因此研究潛水蒸發(fā)規(guī)律，制定潛水蒸發(fā)量預測方程具有重要意義。目前，國內外學者圍繞潛水蒸發(fā)計算進行了多種研究。如王振龍［3］分析了潛水蒸發(fā)與氣象要素的相關關系，并通過逐日、逐旬參數(shù)擬合得到砂漿黑土和黃潮土的6個潛水蒸發(fā)公式。蘇浩［5］等通過分析鞍山市潛水蒸發(fā)影響因素，用雙因素重復方差分析法比較對潛水蒸發(fā)影響顯著的因素，建立了潛水蒸發(fā)預測模型。劉佩貴［6］等通過計算水面蒸發(fā)與潛水蒸發(fā)的折算系數(shù)，從而建立了不同質地裸土潛水蒸發(fā)的數(shù)學關系表達式；高旭光［7］等通過對凍結作用下不同粒徑土壤中的潛水蒸發(fā)進行研究，并建立了累計潛水蒸發(fā)量與凍結時間的對數(shù)方程；趙運吉［8］采用蒸發(fā)觀測試驗的方法對水稻不同灌溉方式下作物生長期的潛水蒸發(fā)進行研究，得出水稻乳熟期蒸發(fā)量最大且隨著地下水位埋深的增加，潛水蒸發(fā)量減少；李飛［9］等對淮北地區(qū)的潛水蒸發(fā)量進行研究，建立了該區(qū)域月潛水蒸發(fā)量的阿維揚諾夫公式，并用Visual Modflow 建立的地下水數(shù)值模型計算潛水蒸發(fā)量。

許瑩瑩［10］等使用主成分分析的方法，提取出3個主成分，并建立裸地潛水蒸發(fā)多元回歸預測模型。陳軍鋒［11］等研究了不同土壤粒徑在0.5 m 地下水位埋深下潛水蒸發(fā)量和潛水回補量的變化特征和高旭光［12］等研究了凍結氣溫降低過程中3種粒徑土壤中的潛水蒸發(fā)規(guī)律，并擬合了潛水蒸發(fā)量與凍結時間的對數(shù)方程。孟祥軍［13］等研究潛水蒸發(fā)機理、變化規(guī)律等，用擬合公式估算出遼寧省中部地區(qū)不同土質的月潛水蒸發(fā)系數(shù)，進而估算了潛水蒸發(fā)量。以上研究對潛水蒸發(fā)與水面蒸發(fā)和埋深的研究較多，在作物生育期不同埋深潛水蒸發(fā)與各氣象因子的關系擬合方面研究較少。本研究利用五道溝實驗站1991-2020年長系列實測資料，分析冬小麥各生育期潛水蒸發(fā)與水面蒸發(fā)、地表溫度、絕對濕度和氣溫的關系，計算冬小麥生育期與各氣象因子的潛水蒸發(fā)系數(shù)，并擬合各生育期關系曲線。望為研究地下水淺埋區(qū)農作物耗水機理、灌溉制度以及土壤次生鹽堿化等提供理論基礎［14-16］。

1 實驗研究概況

1.1 實驗站概況

五道溝實驗站是淮北平原區(qū)綜合水文實驗站，地處安徽省蚌埠市固鎮(zhèn)縣新馬橋鎮(zhèn)原種場內，占地面積1.4 萬m2，實驗站所在區(qū)域屬暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明。多年平均降雨量944.4 mm，年內分布不均勻，其中6-9月要占63.2%；多年平均氣溫14 ℃，多年平均水面蒸發(fā)量1 050 mm，地下水位變化范圍1～3 m，屬于地下水淺埋區(qū)。種植農作物主要有夏玉米、夏大豆和冬小麥，以一年兩作為主。實驗站土壤類型屬于黃潮土，飽和質量含水率為38%～40%，田間質量持水率為30%左右，適宜作物生長的質量含水率為18%～26%，凋萎質量含水率為10%～13%。實驗站內設有潛水蒸發(fā)、入滲和徑流、土壤水分、蒸散發(fā)、葉面積指數(shù)、氣象、徑流等觀測設備，積累有長系列的實驗觀測資料。

1.2 資料選取與實驗方法

本文選取的是五道溝實驗站1991-2020年大型地中蒸滲儀0.3 m2口徑的黃潮土種植冬小麥時期實測資料，地下水位埋深控制在0.2、0.4、0.6、1.0、2.0、3.0、4.0 m、5 cm，為每日8∶00 觀測。氣象資料選取1991-2020年冬小麥生育期間日水面蒸發(fā)（E601）、地表溫度、絕對濕度（觀測高度2 m）、氣溫（觀測高度2 m）等氣象因子實測資料，每日8∶00，14∶00，20∶00觀測3次。試驗在自然環(huán)境條件下進行。本研究利用五道溝實驗站1991-2020年長期觀測資料，將冬小麥全生育期分成4 個階段（分別為出苗-分蘗期、分蘗-越冬期、返青-拔節(jié)期和抽穗成熟期），主要分析了潛水蒸發(fā)與水面蒸發(fā)、地表溫度、絕對濕度和氣溫的關系，計算了冬小麥各生育期與各氣象因子的潛水蒸發(fā)系數(shù)，并擬合了各生育期曲線方程。

2 冬小麥生育期實測潛水蒸發(fā)量的變化特征

不同埋深下冬小麥多年平均潛水蒸發(fā)量變化過程如圖1所示。從圖1 可知，2月下旬之前為冬小麥出苗-分蘗期和分蘗-越冬期，潛水蒸發(fā)量較小，變化趨勢較平穩(wěn)，主要是因為氣溫低，莖葉發(fā)育緩慢，需水量較小；2月下旬至4月下旬為返青-拔節(jié)期，氣溫升高，冬小麥生長加快，莖葉增長快，為需水高峰期，在5月上旬之前，小麥處于抽穗期，小麥開花，開始授粉，此時處于第二個需水高峰期；5月中下旬，小麥成熟，作物的生理活動減弱，需水量小，潛水蒸發(fā)出現(xiàn)減小趨勢；冬小麥各生育期潛水蒸發(fā)都隨埋深的增加而減少，超過3 m 以后減小幅度更大。主要是因為地下水埋深較淺時，潛水面的水分向上運動補充土壤水的速度較快。

圖1 不同潛水埋深下冬小麥生育期內多年平均潛水蒸發(fā)變化過程線Fig.1 Variation process line of annual average phreatic water evaporation during the growth period of Winter Wheat under different phreatic depths

3 冬小麥生育期潛水蒸發(fā)分別與各氣象要素特征分析及關系擬合

3.1 冬小麥生育期潛水蒸發(fā)與各氣象因子的相關分析

用SPSS 軟件對冬小麥生育期不同埋深潛水蒸發(fā)量與各氣象因子進行相關分析，結果見表1。由表1 可知，在冬小麥整個生育期間，不同埋深潛水蒸發(fā)量與4 個氣象因子均在0.01 水平上顯著相關（相關系數(shù)均達到0.7 以上）。因此本文逐個分析潛水蒸發(fā)量與各氣象因子的關系，并對其進行曲線擬合。

表1 冬小麥生育期不同埋深潛水蒸發(fā)量與各氣象要素相關系數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of correlation coefficient between phreatic water evaporation and meteorological elements at different depths in winter wheat growth period

3.2 水面蒸發(fā)、地表溫度、絕對濕度和氣溫與潛水蒸發(fā)變化特征及關系擬合

3.2.1 水面蒸發(fā)、地表溫度、絕對濕度和氣溫與潛水蒸發(fā)變化特征

不同埋深條件下潛水蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量隨時間的變化過程如圖2所示。由圖2 可知，在2月下旬之前，水面蒸發(fā)大于潛水蒸發(fā)，主要是因為冬小麥處于出苗-分蘗和分蘗-越冬期需水量較??；在2月下旬之后，冬小麥處于返青-拔節(jié)期，水面蒸發(fā)和潛水蒸發(fā)均出現(xiàn)明顯增加趨勢，4月上旬為冬小麥需水高峰期，埋深1 m 以淺潛水蒸發(fā)大于水面蒸發(fā)。水面蒸發(fā)與潛水蒸發(fā)具有相似的曲線變化。

圖2 冬小麥生育期間潛水蒸發(fā)與水面蒸發(fā)變化過程線Fig.2 Variation process line of phreatic water evaporation and water surface evaporation during winter wheat growing period

不同埋深條件下潛水蒸發(fā)量與地表溫度隨時間的變化過程如圖3所示。由圖3 可知，10月份到12月份，隨著地溫的減小，潛水蒸發(fā)量也逐漸減小；12月到2月，地溫較低，土壤結冰，潛水蒸發(fā)變化比較平穩(wěn)；2月下旬之后，氣溫回升，地溫升高，不同土層潛水蒸發(fā)出現(xiàn)上升趨勢。

圖3 冬小麥生育期間潛水蒸發(fā)與地表溫度變化過程線Fig.3 Variation of phreatic water evaporation and surface temperature during the growth of Winter Wheat

絕對濕度反應的是每立方米空氣中所含水蒸氣的質量。不同埋深條件下潛水蒸發(fā)量和絕對濕度隨時間的變化過程見圖4所示。由圖4 可知，絕對濕度和不同埋深潛水蒸發(fā)在冬小麥生育期間變化都表現(xiàn)出先減小保持平穩(wěn)到逐漸增大的趨勢，10月到12月隨時間逐漸減小，1月到2月變化趨勢較平穩(wěn)；2月到5月呈現(xiàn)增加趨勢，在5月上旬，潛水蒸發(fā)量減小。

圖4 冬小麥生育期間潛水蒸發(fā)與地表溫度變化過程線Fig.4 Variation process line of phreatic water evaporation and surface temperature during the growth of Winter Wheat

根據(jù)氣溫和不同埋深條件下潛水蒸發(fā)資料繪制出隨時間的變化過程，見圖5所示。由圖5 可知，氣溫變化與潛水蒸發(fā)量變化趨勢大致相同，當氣溫減小時，不同埋深潛水蒸發(fā)量減??；當氣溫增大時，不同埋深潛水蒸發(fā)量增大。在1 m埋深以淺，氣溫對潛水蒸發(fā)量影響較大。

圖5 冬小麥生育期間潛水蒸發(fā)與氣溫變化過程線Fig.5 Variation process line of phreatic water evaporation and temperature during winter wheat growing period

3.2.2 水面蒸發(fā)、地表溫度、絕對濕度和氣溫與潛水蒸發(fā)的量化關系

根據(jù)1991年10月-2020年5月冬小麥生育期間潛水蒸發(fā)、水面蒸發(fā)、地表溫度、絕對濕度和氣溫實際觀測資料，得到不同生育期不同埋深的潛水蒸發(fā)系數(shù)B1、B2、B3、B4（潛水蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的比值，潛水蒸發(fā)量與地表溫度的比值，潛水蒸發(fā)量與絕對濕度比值，潛水蒸發(fā)量與氣溫比值），見表2。

表2 冬小麥生育期不同埋深潛水蒸發(fā)系數(shù)結果表Tab.2 Results of phreatic water evaporation coefficient at different depths in winter wheat growth period

3.2.3 潛水蒸發(fā)系數(shù)與埋深的曲線擬合

以潛水蒸發(fā)系數(shù)作為因變量，埋深作為自變量，對不同埋深潛水蒸發(fā)系數(shù)和埋深進行曲線擬合。對于潛水蒸發(fā)系數(shù)B1來說，冬小麥出苗-分蘗期指數(shù)函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達到0.991 6，其他生育期，多項式擬合效果最好，擬合精度達到0.987 4。對于潛水蒸發(fā)系數(shù)B2來說，冬小麥出苗-分蘗期指數(shù)函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達到0.990 7，其他生育期，使用多項式函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達到0.988 5。對于潛水蒸發(fā)系數(shù)B3來說，冬小麥出苗-分蘗期使用指數(shù)函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達到0.991 1，其他生育期多項式函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達到0.987 0。對于潛水蒸發(fā)系數(shù)B4來說，冬小麥出苗-分蘗期指數(shù)函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達0.990 8；其他生育期多項式函數(shù)擬合效果最好，擬合精度達0.980 2。冬小麥不同生育期潛水蒸發(fā)系數(shù)與埋深擬合方程、適用范圍及擬合精度見表3。

表3 冬小麥各生育期潛水蒸發(fā)系數(shù)與埋深擬合曲線結果Tab.3 Fitting curve results of phreatic evaporation coefficient and buried depth of winter wheat at different growth stages

4 結 語

本文構建了基于4個氣象因子的潛水蒸發(fā)系數(shù)與埋深的擬合關系，其中出苗-分蘗期指數(shù)函數(shù)擬合效果最好，其他生育期二項式函數(shù)擬合效果最好，R2均達到0.89 以上，擬合精度較高，可用于淮北地區(qū)黃潮土冬小麥生育期間潛水 蒸發(fā)計算。

本文針對淮北平原北部黃潮土種植冬小麥時的潛水蒸發(fā)進行了研究，對其他地區(qū)不同土壤、不同作物潛水蒸發(fā)計算有待進一步研究?！?/p>

致謝：本文得到“河北省水資源高效利用工程技術研究中心”的幫助，在此表示感謝！