基于雙作物系數(shù)法估算晉南地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)蒸散量

趙錦江，馬娟娟，鄭利劍，孫西歡，武朝寶

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省中心灌溉試驗(yàn)站，山西 呂梁 032107）

0 引言

冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作制是晉南地區(qū)的重要種植制度[1]。統(tǒng)計(jì)表明，晉南地區(qū)玉米、小麥種植面積分別占山西省玉米、小麥種植面積的45%和98%[2]。然而，受當(dāng)?shù)亟邓Y源分配的影響，導(dǎo)致輪作中冬小麥灌溉需求較大，而玉米底墑以及補(bǔ)灌也受冬小麥灌溉及水分利用的影響，因此，明確輪作系統(tǒng)的蒸散規(guī)律對(duì)于制定合理的灌溉制度，以確保輪作系統(tǒng)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)至關(guān)重要。作物蒸散（ETc）是農(nóng)田土壤水分平衡的重要環(huán)節(jié)，主要包括土壤蒸發(fā)（E）和植株蒸騰（T）；測(cè)定ETc的方法可分為實(shí)測(cè)法和模型估算法，其中，實(shí)測(cè)法包括微型蒸滲儀-莖流計(jì)法、波文比能量平衡法、渦度相關(guān)法等[3-5]，這類方法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高，但測(cè)量過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且易受外部因素影響而無法保證數(shù)據(jù)的連續(xù)[6]；為彌補(bǔ)實(shí)測(cè)法的不足，各國(guó)學(xué)者便提出多種數(shù)學(xué)模型來估算ETc，以Penman-Monteith（PM），Shuttle-Wallace（SW）模型、以及單作物系數(shù)法和雙作物系數(shù)法為主[7]，并用于玉米、水稻、小麥等多種農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)ETc的估算[8-11]。對(duì)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)而言，前人多采用單作物系數(shù)法對(duì)其ETc進(jìn)行估算。WU 等[12]采用單作物系數(shù)法研究了華北平原冬小麥-夏玉米輪作下灌溉需水量的時(shí)空變化；張碩碩等[13]利用單作物系數(shù)法確定了冬小麥-夏玉米輪作下的作物需水量，并基于此建立水分生產(chǎn)函數(shù)對(duì)冬小麥-夏玉米輪作下灌溉制度進(jìn)行了優(yōu)化；楊天一等[14]通過單作物系數(shù)法確定了華北平原冬小麥-夏玉米輪作下的作物系數(shù)，明確了其耗水規(guī)律，并采用渦度相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了單作物系數(shù)法在當(dāng)?shù)囟←?夏玉米輪作系統(tǒng)的適用性。然而，單作物系數(shù)法雖能估算ETc，卻無法合理拆分E、T；在作物種植過程中，E通常被認(rèn)為是無效耗水，并不參與產(chǎn)量構(gòu)成，而T與作物的生產(chǎn)力直接相關(guān)，明確作物生育期內(nèi)E、T占比，對(duì)于合理分配灌溉以使更多土壤水分用于蒸騰，進(jìn)而優(yōu)化作物水分利用效率至關(guān)重要[15]。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（Food and agricultural organization，F(xiàn)AO）推薦的雙作物系數(shù)法可分別計(jì)算蒸騰和蒸發(fā)，考慮了氣象條件和作物類型，所需參數(shù)較少[16]，計(jì)算簡(jiǎn)便，目前，雙作物系數(shù)法多被用于單一作物ETc的估算和區(qū)分，在冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)中的應(yīng)用較少。為此，本研究將基于FAO 雙作物系數(shù)法結(jié)合晉南地區(qū)2016-2019年間冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)實(shí)測(cè)的田間數(shù)據(jù)，旨在：①以水量平衡法計(jì)算蒸散量為標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估FAO 雙作物系數(shù)法預(yù)測(cè)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)蒸散量的可靠性；②在此基礎(chǔ)上研究輪作系統(tǒng)耗水規(guī)律，對(duì)蒸散進(jìn)行拆分，以期為晉南地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)田間水分管理提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年10月9日-2019年10月1日在山西省臨汾市洪洞縣廣勝寺鎮(zhèn)東安村進(jìn)行（111°46'E 、36°17'N），當(dāng)?shù)睾０?29 m，屬暖溫帶大陸性氣候，年均氣溫12.4 ℃，年均累計(jì)日照時(shí)數(shù)1 982.3 h，年均降雨量439.3 mm，年均蒸發(fā)量1 420.5 mm，無霜期204 d。土壤質(zhì)地為輕壤土，0～100 cm 土層平均容重為1.46 g/cm3、平均田間持水量為35.9%（體積含水量）、平均凋萎含水量為8.8%（體積含水量），地下水埋深4～5 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016-2017年間，冬小麥于2016年10月9日播種，2017年6月14日收獲，供試品種為“濟(jì)麥22”，夏玉米于2017年6月15日播種，2017年9月27日收獲，供試品種為“華農(nóng)887”；2017-2018年間，冬小麥于2017年10月20日播種，2018年6月11日收獲，供試品種為“邯麥16”，夏玉米于2018年6月12日播種，2018年10月8日收獲，供試品種為“縱橫836”；2018-2019年間，冬小麥于2018年10月16日播種，2019年6月13日收獲，供試品種為“良星66”，夏玉米于2019年6月14日播種，2019年10月1日收獲，供試品種為“必祥809”；冬小麥播種量均為375 kg/hm2；夏玉米種植株行距均為60 cm×28 cm。

為了形成冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)不同的水分供應(yīng)狀況，試驗(yàn)以冬小麥-夏玉米生育期內(nèi)灌水次數(shù)為變量設(shè)置不同試驗(yàn)處理，2016-2017 和2017-2018年各自設(shè)置4 個(gè)處理，分別為W1（冬小麥生育期灌水4 次、夏玉米生育期灌水2 次）、W2（冬小麥生育期灌水3次、夏玉米生育期灌水1次）、W3（冬小麥生育期灌水2 次、夏玉米生育期灌水1 次）、W4（不灌水），2018-2019年設(shè)置3 個(gè)處理，分別為W1（冬小麥生育期灌水3次、夏玉米生育期灌水2 次）、W2（冬小麥生育期灌水2 次、夏玉米生育期灌水2次）、W3（夏玉米生育期灌水1次），單次灌水定額為750 m3/（hm2·次），每個(gè)處理3 次重復(fù)，共33 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)17.6 m，寬3.78 m，面積為66.5 m2，隨機(jī)排列，采用井水進(jìn)行灌溉，水表控制灌水量，灌水方式與當(dāng)?shù)乇３忠恢?，采用畦灌，各處理具體灌水日期見表1。

表1 試驗(yàn)期間各處理灌水日期及灌水量Tab.1 Irrigation date and irrigation amount of each treatment during the experiment

1.3 指標(biāo)測(cè)定及方法

1.3.1 氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)

通過園區(qū)內(nèi)的氣象站自動(dòng)采集氣象數(shù)據(jù)，觀測(cè)項(xiàng)目包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、降水量等。

1.3.2 土壤含水量

土壤含水量每隔10 d 測(cè)定一次，并于灌水前后、降雨后加測(cè)，測(cè)試深度為0～100 cm（20 cm一層）。

1.3.3 生長(zhǎng)指標(biāo)

冬小麥株高和葉面積在其初期始末各測(cè)定一次，之后每10 d左右測(cè)定一次，夏玉米株高、葉面積在夏玉米生育期間每隔10 d左右測(cè)定一次。

1.3.4 耗水量

冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)耗水量采用水量平衡法計(jì)算[17]。

1.4 雙作物系數(shù)法

雙作物系數(shù)法將作物系數(shù)Kc分為基礎(chǔ)作物系數(shù)Kcb和土壤蒸發(fā)系數(shù)Ke兩部分，因此可分別計(jì)算植物蒸騰和土壤蒸發(fā)，采用FAO推薦公式計(jì)算[18]：

式中：ETc為蒸發(fā)蒸騰量，mm；T為蒸騰量，mm；E為蒸發(fā)量，mm；Ks為水分脅迫系數(shù)；Kcb為基礎(chǔ)作物系數(shù)；Ke為土壤蒸發(fā)系數(shù)；ET0為參考蒸發(fā)蒸騰量，mm。

按照FAO 劃分標(biāo)準(zhǔn)，將冬小麥和夏玉米劃分為初期（Ⅰ）、發(fā)育期（Ⅱ）、中期（Ⅲ）、后期（Ⅳ），具體劃分狀況如表2所示。

表2 冬小麥-夏玉米生育階段劃分Tab.2 Growth stage division of winter wheat and summer maize

1.4.1 參考作物蒸散量

本文采用FAO-56推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算ET0[19]。

1.4.2 基礎(chǔ)作物系數(shù)

FAO 推薦冬小麥和夏玉米初期、中期、后期Kcb值分別為0.15、1.1、0.15 和0.15、1.15、0.5，發(fā)育期Kcb通過線性插值得到，在中期和后期當(dāng)Kcb值大于0.45時(shí)采用下式進(jìn)行修正：

式中：Kcbtable為FAO-56 給出的推薦值；RHmin為日平均最小相對(duì)濕度，采用FAO-56 推薦公式計(jì)算[18]，%；h為各生育階段平均株高，m。

1.4.3 水分脅迫系數(shù)計(jì)算

Ks為水分脅迫系數(shù)，反映根區(qū)土壤含水率不足時(shí)對(duì)作物蒸騰的影響，生長(zhǎng)周期內(nèi)水分充足時(shí)水分脅迫系數(shù)為1；本文采用下式進(jìn)行計(jì)算[20]：

式中：Ks為水分脅迫系數(shù)；θi為土壤含水量；θw為凋萎含水量；θf為田間持水量。

1.4.4 土壤蒸發(fā)系數(shù)

土壤蒸發(fā)系數(shù)采用下述公式計(jì)算[21]：

式中：Ke為土壤蒸發(fā)系數(shù)；Kcmax為Kc的最大值；Kr為土壤蒸發(fā)衰減系數(shù)；few為裸露濕潤(rùn)土壤表面比例；hc為各生育階段最大株高，m；1-fc為裸露土壤平均比值；fw為降雨濕潤(rùn)土壤表面平均比值，本試驗(yàn)取1。

Kr為與表層土壤累積蒸發(fā)深度相關(guān)的蒸發(fā)減小系數(shù)，當(dāng)De,i-1

式中：De,i-1為截止到第i-1 天的累積蒸發(fā)深度，mm；TEW為土壤表層的可蒸發(fā)深度，mm；REW為土壤表面易蒸發(fā)的水量，mm；Ze為蒸發(fā)層深度，取值0.1 m；TEW與REW的取值和土壤性質(zhì)及可蒸發(fā)的土壤表面深度相關(guān)，本試驗(yàn)區(qū)土壤為砂壤土，TEW和REW分別取20 mm 和8 mm[17]；θi為實(shí)際土壤含水量，θw為凋萎含水量。

本文采用葉面積指數(shù)（LAI）修正的公式計(jì)算fc[22]，

1.5 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用RMSE（均方根誤差）、RRMSE（相對(duì)均方根誤差）、MAE（平均絕對(duì)誤差）、RBIAS（相對(duì)偏差）、NSE（納什效率系數(shù)）、d（一致性指數(shù)）作為模型效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。RMSE、RRMSE、RBIAS、MAE越接近于0，模擬效果越好，NSE和d越接近于1，模擬效果越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要?dú)庀笠蜃蛹皡⒖甲魑镎羯⒘孔兓?guī)律

圖1 為冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)生育期內(nèi)日平均氣溫（Tmean）、日平均相對(duì)濕度（RHmean）、凈輻射（Rn）以及參考作物蒸散量（ET0）的變化趨勢(shì)。如圖1所示，在整個(gè)輪作系統(tǒng)中，2016-2017、2017-2018、2018-2019年間的逐日平均氣溫均呈現(xiàn)出先降低后升高、之后再降低的變化趨勢(shì)，日平均最高氣溫分別為31、30.1、30.4 ℃，均出現(xiàn)于夏玉米Ⅱ期（發(fā)育期）。

圖1 2016-2019年間冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)生育期內(nèi)日平均氣溫Tmean、日平均相對(duì)濕度RHmean、凈輻射Rn、參考作物蒸散ET0變化Fig.1 Changes of daily mean temperature Tmean,daily mean relative humidity RHmean,net radiation Rn and reference crop evapotranspiration ET0 during the growth period of winter wheat-summer maize rotation system from 2016 to 2019

2016-2017、2017-2018、2018-2019年間輪作系統(tǒng)的平均氣溫分別為13.2、13.2、12.7 ℃，大于10 ℃的有效積溫分別為4 178.5、4 479.2、4 171.7 ℃；此外，冬小麥生育期內(nèi)的日平均氣溫低于夏玉米生育期內(nèi)的日平均氣溫，二者分別為8.8 ℃和23.6 ℃、9.1 ℃和22.7 ℃、7.8 ℃和23.3 ℃。日平均相對(duì)濕度呈鋸齒狀波動(dòng)，2016-2017、2017-2018、2018-2019年間輪作系統(tǒng)整體平均相對(duì)濕度分別為77%、75.1%、80.1%，累計(jì)降雨量分別為593.4、399.3、310.7 mm（圖2）。凈輻射變化趨勢(shì)與平均氣溫相似，在夏玉米發(fā)育期凈輻射達(dá)到最大，2016-2017、2017-2018、2018-2019年Rn峰值分別為22.3、20.9、20.6 W/m2。

圖2 2016-2019年間冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)生育期內(nèi)降雨量Fig.2 Rainfall during the growing period of winter wheat-summer maize rotation system from 2016 to 2019

受Tmean、RHmean、Rn等氣象因子影響，各時(shí)期ET0變化規(guī)律存在差異。在整個(gè)輪作系統(tǒng)生育期內(nèi)，ET0變化趨勢(shì)為單峰型曲線，在冬小麥生長(zhǎng)初期，溫度較低，太陽輻射較小，ET0處于較低水平，2016-2017、2017-2018、2018-2019年分別為0.83、0.75、1.10 mm/d，隨著溫度升高和太陽輻射增強(qiáng)，ET0又逐漸增大，在夏玉米發(fā)育期達(dá)到最大值，為7.2、8.0、7.5 mm/d，之后ET0又逐漸下降。整個(gè)輪作系統(tǒng)生育期總ET0分別為886、968.5、948.7 mm，冬小麥和夏玉米各自ET0占比分別為51%和49%、55%和45%、54%和46%。

2.2 模型的校準(zhǔn)及驗(yàn)證

運(yùn)用2016-2018年所有試驗(yàn)處理的田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和水量平衡法計(jì)算蒸散量對(duì)雙作物系數(shù)法進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的主要參數(shù)取值見表3。

表3 雙作物系數(shù)法主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of double crop coefficient method

根據(jù)確定后的上述參數(shù)，運(yùn)用雙作物系數(shù)法對(duì)冬小麥-夏玉米實(shí)際蒸散量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并以2018-2019年水量平衡法計(jì)算蒸散量為標(biāo)準(zhǔn)，與預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，雙作物系數(shù)法的模擬值與水量平衡法的實(shí)測(cè)值呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性。2016-2018年冬小麥和夏玉米蒸散量實(shí)測(cè)值與模擬值的R2分別為0.86 和0.84，2018-2019年實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的R2分別為0.84和0.8。其余誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見表4。

圖3 2016-2019年冬小麥-夏玉米蒸散量實(shí)測(cè)值和模擬值擬合圖Fig.3 Fitted plots of measured and simulated evapotranspiration values of winter wheat-summer maize from 2016 to 2019

如表4所示，校準(zhǔn)年冬小麥蒸散量實(shí)測(cè)值和模擬值的RMSE為0.50 mm/d，RRMSE為0.20，MAE為0.40 mm/d，RBIAS為-0.05，NSE為0.89，d為0.97；校準(zhǔn)年夏玉米蒸散量實(shí)測(cè)值和模擬值的RMSE為0.60 mm/d，RRMSE為0.13，MAE為0.48 mm/d，RBIAS為0.01，NSE為0.93，d為0.98；驗(yàn)證年冬小麥蒸散量實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的RMSE為0.58 mm/d，RRMSE為0.24，MAE為0.49 mm/d，RBIAS為-0.1，NSE為0.85，d為0.96；驗(yàn)證年夏玉米蒸散量實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的RMSE為0.56 mm/d，RRMSE為0.17，MAE為0.46 mm/d，RBIAS為0.10，NSE為0.85，d為0.96。

表4 2016-2019年間冬小麥-夏玉米蒸散實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Tab.4 Comparison of measured and simulated evapotranspiration values of winter wheat-summer maize from 2016 to 2019

由此可見，雙作物系數(shù)法預(yù)測(cè)冬小麥-夏玉米蒸散量具有較高精度，可作為晉南地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)作物需水量的預(yù)測(cè)方法。

2.3 雙作物系數(shù)法模擬冬小麥-夏玉米蒸散變化

2.3.1 總蒸散量及各階段蒸散量

圖4 為雙作物系數(shù)法預(yù)測(cè)下2016-2019年間冬小麥-夏玉米全生育期、各生育階段實(shí)際蒸散量。由圖4 可知，2016-2017、2017-2018 和2018-2019年間冬小麥全生育期蒸散量分別為330.98～526.22、288.44～439.82 和264.18～370.28 mm，夏玉米分別為382.11～519.67、407.46～474.61 和261.76～346.99 mm。隨著灌水次數(shù)的減少，冬小麥、夏玉米蒸散量整體表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，2016-2018年間，W1 處理冬小麥、夏玉米全生育期蒸散量均為最大，W4 處理蒸散量最低，僅為W1 處理的63.9%、73.1%和65.6%、71.1%；2018-2019年間，W1、W2處理蒸散量相當(dāng)，W3 處理蒸散量最小，冬小麥為264.18 mm、夏玉米為261.76 mm。

圖4 2016-2019年間冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)全生育期、各生育階段蒸散量Fig.4 Evapotranspiration in the whole growth period and each growth stage of the winter wheat-summer maize rotation system from 2016 to 2019

就各生育階段而言，無論冬小麥還是夏玉米，各處理發(fā)育期實(shí)際蒸散量在4 個(gè)時(shí)期中均為最大，2016-2017、2017-2018、2018-2019年間冬小麥各處理發(fā)育期蒸散量占各自總蒸散量的比例分別為31%～40%、42%～51%、33%～45%，夏玉米各處理發(fā)育期蒸散量占各自總蒸散量的比例分別為34%～42%、46%～58%、37%～40%，主要原因是發(fā)育期為作物的快速生長(zhǎng)期，耗水強(qiáng)度較大。

2.3.2 冬小麥-夏玉米蒸散區(qū)分

由于各處理蒸散變化規(guī)律相似，故選W1 處理進(jìn)行展示。圖5 為雙作物系數(shù)法模擬下2016-2019年間冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)W1處理E、T及ETc變化規(guī)律。

如圖5所示，在冬小麥生長(zhǎng)初期，E相對(duì)較大，2016-2017、2017-2018 和2018-2019年間初期日均土壤蒸發(fā)量分別為0.85、0.91 和0.83 mm/d；在冬小麥發(fā)育期E逐漸下降，到中期葉面積指數(shù)達(dá)到最大，土壤裸露最小，E降至最低，分別為0.31、0.36 和0.29 mm/d；冬小麥后期葉面積指數(shù)逐漸減小，土壤裸露程度升高，同時(shí)受高溫和強(qiáng)輻射影響，E又迅速升高；冬小麥后期銜接夏玉米生長(zhǎng)初期，該時(shí)段內(nèi)E一直維持較高水平，分別為3.53、3.28 和3.26 mm/d；隨著玉米植株快速生長(zhǎng)，冠層覆蓋變大，E又逐漸降漸降低，直到后期又略有升高。T變化趨勢(shì)與E相反，生長(zhǎng)初期和后期較低，在發(fā)育期和中期維持較高水平。ETc變化趨勢(shì)為雙峰型曲線，在冬小麥和夏玉米生長(zhǎng)初期和后期較低，在發(fā)育期和中期較高，2016-2017、2017-2018、2018-2019年冬小麥和夏玉米各自生育期內(nèi)的ETcmax分別為5.75、6.47、6.49 mm/d 和7.45、6.48、7.74 mm/d。

圖5 2016-2019年間冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)W1處理E、T、ETc變化Fig.5 Changes of E、T and ETc in Winter-summer maize rotation system W1 from 2016 to 2019

雙作物系數(shù)法可明確作物生育期內(nèi)E、T的分配狀況。表5 為雙作物系數(shù)法計(jì)算2016-2019年間冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)W1處理各生育階段E、T分配結(jié)果。如表5所示，在冬小麥和夏玉米生長(zhǎng)初期，土壤蒸發(fā)占比最大，冬小麥E/ETc為80.7%～85.4%，夏玉米為83%～87.9%；之后土壤蒸發(fā)占比逐漸降低，并在中期達(dá)到最小，此時(shí)冬小麥E/ETc為6.6%～8.7%，夏玉米為5%～7.3%；到生長(zhǎng)后期土壤蒸發(fā)占比又有所回升。其余處理各生育期階段E/ETc變化與W1 處理相似，其中，冬小麥各處理初期、發(fā)育期、中期、后期E/ETc為83.3%～81.9%、13.7%～26.2%、6.1%～13.4%、32.3～54.8%，夏玉米各處理E/ETc為85%～88.7%、20%～37.4%、4%～7.6%、

表5 2016-2019年間冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)W1各生育階段處理E、T分配Tab.5 E and T allocation at each growth stage in W1 treatment of winter wheat-summer maize rotation system from 2016 to 2019

19.4%～35.4%。

表6 為2016-2019年間冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)各處理全生育期內(nèi)E、T狀況。如表6所示，2016-2019年間，隨著灌水次數(shù)的減少，冬小麥及夏玉米的蒸騰量均出現(xiàn)降低，2016-2017 和2017-2018年間，W4 處理冬小麥、夏玉米蒸騰量較W1 處理分別降低53.7%、28.1%和47.1%和34.4%；2018-2019年間，W3 處理冬小麥、夏玉米蒸騰量較W1 處理分別降低38%和20.4%。與蒸騰相比，土壤蒸發(fā)變化幅度相對(duì)較小，但除2016-2017年W1 處理冬小麥由于灌水較多，并伴隨著較多降雨可能出現(xiàn)了深層滲漏外，其余情況均在灌水次數(shù)最少時(shí)土壤蒸發(fā)也達(dá)到最小，而隨著灌水次數(shù)的減少，E/ETc則整體表現(xiàn)出升高趨勢(shì)。全生育期E/ETc，冬小麥為27.3%～46.4%，夏玉米為29.3%～44.2%。全生育期E和T總量范圍，冬小麥為117.82～178.17 mm 和146.36～382.79 mm，夏玉米為101.75～206.68 mm和160.01～335.74 mm。

表6 2016-2019年間冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)各處理全生育期E、T分配Tab.6 E and T allocation during the whole growth period of each treatment in the winter wheat-summer maize rotation system from 2016 to 2019

3 討論

準(zhǔn)確估算作物蒸散量有助于合理規(guī)劃農(nóng)業(yè)用水量。本文以水量平衡法計(jì)算值為標(biāo)準(zhǔn)，率定和驗(yàn)證了雙作物系數(shù)法估算晉南地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)蒸散量的可靠性。結(jié)果表明，雙作物系數(shù)法模擬值與實(shí)測(cè)值R2為0.80～0.86，RMSE為0.5～0.6 mm/d，MAE 為0.4～0.49 mm/d，證明其模擬冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)蒸散有較高精度，可為晉南地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)作物需水量計(jì)算提供參考。通過參數(shù)校準(zhǔn)，本文得到晉南地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)初期、發(fā)育期、中期和后期的平均基礎(chǔ)作物系數(shù)Kcb，冬小麥為0.2、0.59、0.98、0.15，夏玉米為0.14、0.69、1.24、0.56；其中，冬小麥和夏玉米初期以及中期的Kcb值與敬峰等在冬小麥、李豐琇等在夏玉米中的研究結(jié)論基本一致，然而，相比于其冬小麥后期Kcb為0.3，夏玉米后期Kcb為0.87 的結(jié)論[11,23]，本文所得結(jié)果偏低，這是由于輪作制度下，在前茬作物后期，后茬作物需要盡快種植，因此冬小麥和夏玉米通常在不完全干燥時(shí)就被收獲，這可能是導(dǎo)致其后期Kcb相比單一種植時(shí)較低的原因[24]。

本文研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥、夏玉米蒸散量和蒸騰量均隨灌水次數(shù)的減少而降低，這與閆世程等[25]在夏玉米中的研究結(jié)論相似，而土壤蒸發(fā)量雖然在灌水最少時(shí)也達(dá)到最低，但總體而言變化幅度相對(duì)較小，王子申等[26]也發(fā)現(xiàn)充分灌溉和非充分灌溉對(duì)土壤蒸發(fā)的影響相對(duì)較小。2016-2019年間，冬小麥全生育期蒸散量為264.18～526.22 mm，夏玉米為261.76～519.67 mm，冬小麥和夏玉米發(fā)育期蒸散量在各自生育期中占比最大，分別為31%～51%和34%～58%，在初期和后期較小，這和楊天一等[14]在華北平原小麥-玉米系統(tǒng)中研究結(jié)果基本一致，但和馮禹等[27]在旱作玉米研究中發(fā)現(xiàn)中期為玉米耗水最高時(shí)期不符，考慮一方面是由于本研究中作物存在灌水，而馮禹等為旱作玉米，另一方面由于生育期劃分差異所致。此外，不同品系的玉米冠層尺寸存在差異，冠層較大的玉米相比冠層較小的玉米擁有更大的蒸散[28]。本文得出，隨著灌水次數(shù)的減少，冬小麥和夏玉米E/ETc整體表現(xiàn)為升高趨勢(shì)，這可能是由于水分不足會(huì)影響作物生長(zhǎng)，導(dǎo)致作物群體密度低從而減弱植株蒸騰，同時(shí)地表覆蓋程度降低也會(huì)增加土壤蒸發(fā)。冬小麥全生育期內(nèi)E/ETc為27.3%～46.4%，這高于Zhao等[29]發(fā)現(xiàn)的29%，但Sun 等[30]在冬小麥的研究中發(fā)現(xiàn)，在不遭受水分脅迫時(shí)，E/ETc為30%～35%，在遭受高度水分脅迫時(shí)，E/ETc升高至38%～56%；夏玉米全生育期E/ETc為29.3%～44.2%，與前人的研究結(jié)論相似[27,31]。在冬小麥和夏玉米生長(zhǎng)初期，由于植株矮小，覆蓋度低，土壤蒸發(fā)占比很大，約80%以上的土壤水分以蒸發(fā)的形式消耗，至中期葉面積指數(shù)達(dá)到最大，土壤裸露最小，此時(shí)土壤蒸發(fā)僅占6.2%～13.4%、4.0%～7.6%，這和kang 等[32]在冬小麥和夏玉米的研究中發(fā)現(xiàn)初期蒸發(fā)占比為90.25%和78.38%、中期為10.18%和10.05%的結(jié)論相似。

4 結(jié)論

（1）雙作物系數(shù)法模擬晉南地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)蒸散具有較高精度，R2為0.80～0.86，RMSE為0.50～0.60 mm/d，MAE為0.40～0.49 mm/d，可為晉南地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)作物需水量計(jì)算提供參考。

（2）晉南地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)不同作物初期、發(fā)育期、中期和后期的平均基礎(chǔ)作物系數(shù)（Kcb），冬小麥為0.20、0.59、0.98 和0.15，夏玉米為0.14、0.69、1.24 和0.56；平均土壤蒸發(fā)系數(shù)（Ke），冬小麥為1.24、0.63、0.07、0.42，夏玉米為0.78、0.45、0.06、0.46。

（3）冬小麥全生育期ETc為264.18～526.22 mm，夏玉米全生育期ETc為261.76～519.67 mm；發(fā)育期蒸散量在全生育期占比最大，冬小麥為31%～51%，夏玉米為34%～58%；隨著灌水次數(shù)的減少，冬小麥、夏玉米蒸散量和蒸騰量均降低，土壤蒸發(fā)量在灌水最少時(shí)也達(dá)到最低，且E/ETc隨灌水次數(shù)的減少而逐漸升高，冬小麥全生育期E/ETc為27.3%～46.4%，夏玉米為29.3%～44.2%；此外，冬小麥和夏玉米生長(zhǎng)初期約80%以上土壤水分以蒸發(fā)形式消耗，之后逐漸降低，到中期土壤蒸發(fā)占比最小，冬小麥為6.1%～13.4%，夏玉米為4%～7.6%，在生長(zhǎng)后期有所升高。