夏玉米農(nóng)田蒸散量的變化特征及相關(guān)性分析

王 娟，王建林，袁淑立，劉瑞娟，李 鵬，劉家斌

（1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266109；2.中國(guó)科學(xué)院 遺傳與發(fā)育生物研究所，北京 100101；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技服務(wù)中心，山東 青島 266109）

農(nóng)田蒸散(ET)是植被及地面整體向大氣輸送的水汽總通量，它在作物需水量的確定和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物量累積方面具有極其重要的作用［1-2］。水資源匱乏是全球面臨的不容忽視的嚴(yán)峻形勢(shì)，而灌溉在糧食生產(chǎn)方面的作用更加重要，我國(guó)大概有4/5的食物來(lái)自灌溉土地［3］。農(nóng)田水分消耗既是制訂作物灌溉計(jì)劃及灌溉用水的基礎(chǔ)，又是水資源管理、農(nóng)作物種植區(qū)劃分與布局等工作的重要資料［4］。農(nóng)田水分主要通過(guò)植株蒸騰、土壤蒸發(fā)和深層滲漏3種途徑消耗掉［5］，由于深層滲漏量非常小，農(nóng)田耗水量近似等于農(nóng)田蒸散量，它也是農(nóng)田水分消耗的主要部分，據(jù)報(bào)道農(nóng)田中90%以上的農(nóng)業(yè)用水是通過(guò)蒸散消耗掉的［6-7］，因此，對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散量的研究一直是國(guó)際上關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題［8-10］。準(zhǔn)確測(cè)量作物蒸散量，了解作物的蒸散特征，不僅對(duì)研究全球氣候變化和水資源評(píng)價(jià)具有重要的作用，而且對(duì)減少作物生育期的水分消耗、提高水分利用率、水資源有效開(kāi)發(fā)利用和發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［11-13］。

夏玉米是華北平原重要的糧食作物之一，產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的31%［14］。目前，大多數(shù)地區(qū)在夏玉米的種植過(guò)程中依然采用傳統(tǒng)的漫灌方式，這勢(shì)必會(huì)造成灌溉量過(guò)多或過(guò)少的問(wèn)題，不利于玉米的生長(zhǎng)，而且在水資源嚴(yán)重短缺的情況下，無(wú)疑造成了水資源的浪費(fèi)，不利于水資源的可持續(xù)利用。準(zhǔn)確了解夏玉米蒸散量的變化特征對(duì)水資源的利用在理論上和實(shí)際應(yīng)用中都非常重要。因此，本研究利用渦度相關(guān)系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)夏玉米農(nóng)田蒸散特征進(jìn)行分析，并進(jìn)行相關(guān)性分析和擬合分析，以期為作物需水量、農(nóng)業(yè)灌溉等水資源利用提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)站點(diǎn)概況

膠州灣站(120°48′E，36°26′N)位于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技服務(wù)中心試驗(yàn)基地內(nèi)（山東青島膠州），屬于暖溫帶亞濕潤(rùn)地區(qū)。試驗(yàn)地海拔約8 m，地勢(shì)平坦。膠州灣站隸屬于中國(guó)生態(tài)通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，是中國(guó)生態(tài)通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中3個(gè)海灣網(wǎng)站之一，且是山東省內(nèi)繼禹城站之后，專門針對(duì)冬小麥/夏玉米農(nóng)田水分—能量—碳通量進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)的試驗(yàn)站點(diǎn)。本研究利用2018—2020年玉米生長(zhǎng)季的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各生長(zhǎng)季的播種及收獲期見(jiàn)表1。

表1 2018—2020年玉米生長(zhǎng)季播種及收獲期

膠州灣站種植的夏玉米品種為鄭單958，種植方式為免耕帶肥，行距為 0.65 m，株距為 0.22 m，肥料為復(fù)合肥 N-P2O5-K2O（22-10-10），施肥量為525 kg/hm2，在小喇叭口期追施尿素 225 kg/hm2。其他田間管理按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理方式進(jìn)行。試驗(yàn)地的土壤為砂漿黑土，pH 值為 6.7，有機(jī)質(zhì)含量為12.65 g/kg，有效氮、速效磷和速效鉀含量分別為100.41、39.80和135.80 mg/kg。試驗(yàn)站采用聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行收獲，作物收割后全部實(shí)現(xiàn)秸稈還田。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本研究所需的水汽通量數(shù)據(jù)由渦度相關(guān)系統(tǒng)測(cè)量獲得。渦度相關(guān)系統(tǒng)安裝于試驗(yàn)地中心的通量塔上（圖1），主要測(cè)量?jī)x器包括：三維超聲風(fēng)速儀(CAST3, Campbell，USA)和紅外開(kāi)路式H2O/CO2氣體分析儀（LI-7500，Licor Inc，USA），分別用來(lái)快速測(cè)量三維風(fēng)速及其脈動(dòng)值、空氣中的水汽含量和CO2濃度。渦度相關(guān)系統(tǒng)安裝在通量塔上2.5 m高度的水平支架上，當(dāng)玉米長(zhǎng)至2 m時(shí)，水平支架高度調(diào)整至3.5 m。

圖1 試驗(yàn)地渦度相關(guān)系統(tǒng)示意圖

1.3 常規(guī)氣象要素觀測(cè)

常規(guī)氣象要素包括：空氣溫濕度、風(fēng)速/風(fēng)向、總輻射、光合有效輻射、凈輻射、降雨量、土壤溫濕度和土壤熱通量等。空氣溫度、濕度由溫濕度傳感器(HMP45C, Campbell Scientific Inc, USA)測(cè)量；總輻射(CM3, Kipp & Zonen, Netherlands)、光合有效輻射(LI190SB，Licor Inc，USA)和凈輻射(CNR1, Kipp and Zonen)安裝在通量塔正南向支架上(高度5 m)。土壤熱通量板(HFP01SC, Hukseflux, Netherlands)安裝在地下5 mm處，用來(lái)測(cè)量土壤熱通量；土壤溫度和濕度由土壤溫度儀(109, Campbell Scientific Inc,USA)和土壤濕度儀(CS616, Campbell Scientific Inc,USA)進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存利用數(shù)據(jù)采集器(CR3000, Campbell Scientific Inc, USA)完成，數(shù)據(jù)采集器安裝在系統(tǒng)控制箱內(nèi)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Eddypro軟件對(duì)渦度相關(guān)系統(tǒng)的10 Hz數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到潛熱通量(LE)(W/m2)的半小時(shí)平均值，經(jīng)過(guò)野點(diǎn)去除，進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)（若缺失數(shù)據(jù)小于2 h，采用線性插值進(jìn)行；若連續(xù)缺失數(shù)據(jù)大于2 h，采用“平均日變化法”進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ)）［15］得到潛熱通量的時(shí)間序列。潛熱通量通過(guò)下式進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為每小時(shí)蒸散量ET (mm/h)，具體計(jì)算公式為：

其中：L為水的汽化潛熱，LE為潛熱通量(W/m2)，ET為每小時(shí)蒸散量(mm/h)。

日蒸散量(mm/d)可以通過(guò)對(duì)小時(shí)蒸散量進(jìn)行求和得到。

利用SPSS軟件進(jìn)行蒸散量與影響因素的相關(guān)性分析，利用Origin 8.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因素時(shí)間變化特征分析

2018—2020年玉米季氣象因素——?dú)鉁?、空氣濕度、凈輻射通量、光合有效輻射、水汽壓差及降雨量（均為日平均值）時(shí)間變化特征如圖2所示。可以看出，2018—2020年試驗(yàn)地氣溫變化規(guī)律相似，3 a來(lái)最高日平均氣溫分別為29.4、30.0和31.3 ℃，玉米季平均氣溫為23.0 ℃；空氣濕度介于38%～89%之間；凈輻射通量平均值為123.8 W/m2，3個(gè)夏玉米季輻射總通量平均值為15142.6 W/m2；光合有效輻射最大值為605 W/m2，2019年最大值略低，為571 W/m2；水汽壓差介于0.15～2.05 kPa之間波動(dòng)?？傮w來(lái)說(shuō)，2018—2020年夏玉米季氣象情況相似，未出現(xiàn)較大變動(dòng)。

圖2 2018—2020年膠州灣站氣象因素變化特征

2.2 夏玉米農(nóng)田蒸散特征分析

2.2.1 不同生長(zhǎng)階段夏玉米農(nóng)田蒸散日變化分析 根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)［16］的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將夏玉米生長(zhǎng)季（2018—2020年）劃分為4個(gè)生長(zhǎng)階段進(jìn)行分析，即初期、發(fā)育期、中期和后期。夏玉米4個(gè)生長(zhǎng)階段的蒸散量日變化特征如圖3所示。

圖3 2018—2020年不同階段夏玉米農(nóng)田蒸散量的日變化特征

從圖3可以看出，夏玉米的蒸散量具有明顯的日變化規(guī)律，自18:00開(kāi)始至次日06:00，蒸散量非常小，幾乎接近于零，蒸散量最大值出現(xiàn)在12:00～13:00之間。生長(zhǎng)初期的蒸散量最小，主要是因?yàn)樵撾A段的作物剛播種，基本通過(guò)土壤蒸發(fā)；在生長(zhǎng)中期，玉米生長(zhǎng)旺盛，該階段的葉面積最大，蒸散作用最強(qiáng)，因此，蒸散量的極大值出現(xiàn)在中期；接近收獲期時(shí)，由于作物已經(jīng)成熟，葉子開(kāi)始枯萎，葉面的蒸騰、蒸發(fā)作用比較小，因此蒸散量也開(kāi)始減少。這3 a玉米季的蒸散峰值均出現(xiàn)在13:00左右，為0.7 mm/h，同時(shí)，生長(zhǎng)初期和后期的蒸散峰值并沒(méi)有太大差別?？傊?，不同生長(zhǎng)時(shí)期蒸散量的峰值不同，依次排序?yàn)樯L(zhǎng)中期＞發(fā)育期＞后期＞初期。

2.2.2 夏玉米季日蒸散變化分析 對(duì)2018—2020年間夏玉米生長(zhǎng)季每天的蒸散量進(jìn)行分析，得到夏玉米季農(nóng)田蒸散量的變化特征如圖4所示。夏玉米農(nóng)田的日蒸散量雖有波動(dòng)，但整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。2018—2020年夏玉米生長(zhǎng)期間日蒸散量的最低值為0.1～0.2 mm/d，均出現(xiàn)在生長(zhǎng)初期和后期；夏玉米季日蒸散量的最大值分別為8.83、5.23和5.77 mm/d，出現(xiàn)在夏玉米生長(zhǎng)季的中期（大約在8月中下旬）。2018、2019和2020年夏玉米季農(nóng)田蒸散總量分別為355.6、273.9、290.6 mm；2018—2020年夏玉米的平均日蒸散量分別為2.84、2.21和2.33 mm/d。

圖4 夏玉米季日蒸散量的變化特征

2.2.3 夏玉米蒸散量的相關(guān)性分析 對(duì)夏玉米蒸散量與其影響因素的相關(guān)性進(jìn)行分析，選擇的氣象因素包括氣溫(Ta)、空氣濕度(RH)、凈輻射通量(Rn)、光合有效輻射(PAR)和水汽壓差(VPD)；土壤參數(shù)包括土壤熱通量(G)、土壤溫度(ST)和土壤濕度(SM)（表2）。

表2 夏玉米蒸散量與其影響因素的相關(guān)系數(shù)

表 3 蒸散量與相關(guān)因素的擬合關(guān)系（單變量函數(shù)）

從表2可以看出，夏玉米農(nóng)田的蒸散量與光合有效輻射的相關(guān)性最大，其次為土壤熱通量、凈輻射通量、水汽壓差和空氣溫度，均呈正相關(guān)；蒸散量與空氣濕度呈負(fù)相關(guān)。蒸散量與其他參量的相關(guān)性較小，因此在后面擬合分析中不再討論。

2.2.4 夏玉米蒸散量的擬合分析 為了更好地說(shuō)明蒸散量與其影響因素的關(guān)系，選擇3種單變量函數(shù)進(jìn)行擬合分析，3種函數(shù)分別為：線性關(guān)系(y=ax+b)、指數(shù)關(guān)系(y=aebx)和二次多項(xiàng)式關(guān)系(y=ax2+bx+c)，擬合結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，蒸散量與光合有效輻射、水汽壓差均呈二次多項(xiàng)式關(guān)系；而與凈輻射通量呈線性關(guān)系。蒸散量與其他變量的確定性系數(shù)均小于0.3，說(shuō)明擬合關(guān)系不是很理想。上述函數(shù)中，擬合的確定性系數(shù)均較低，均小于0.6，原因在于使用單變量函數(shù)進(jìn)行擬合，說(shuō)明蒸散量不僅是一個(gè)變量的函數(shù)，其大小還受到多個(gè)變量的影響，因此，在此基礎(chǔ)上，利用雙變量函數(shù)（雙變量指數(shù)函數(shù)和雙變量復(fù)合函數(shù)）對(duì)蒸散量與其影響因素(PAR、VPD和Rn)的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4所示。

表4 蒸散量與影響因素的回歸關(guān)系（雙變量函數(shù)）

從表4可以看出，雙變量函數(shù)擬合時(shí)，確定性系數(shù)較單變量函數(shù)大，說(shuō)明雙變量函數(shù)的擬合效果優(yōu)于單變量函數(shù)。雙變量函數(shù)中雙變量復(fù)合函數(shù)擬合的確定性系數(shù)普遍大于雙變量指數(shù)函數(shù)，因此，雙變量復(fù)合函數(shù)的擬合效果優(yōu)于雙變量指數(shù)函數(shù)。從擬合數(shù)據(jù)中可以得到，蒸散量與VPD和Rn的雙變量復(fù)合函數(shù)擬合效果最好，其函數(shù)關(guān)系為：

3 結(jié)論與討論

準(zhǔn)確獲得作物蒸散量對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水的精準(zhǔn)管理、減少灌溉用水量具有重要意義。本研究利用膠州灣站2018—2020年渦度相關(guān)系統(tǒng)獲得的通量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，對(duì)夏玉米農(nóng)田的蒸散量進(jìn)行了分析，得到夏玉米農(nóng)田蒸散量的變化特征，通過(guò)對(duì)其與主要影響因素的相關(guān)性分析和擬合分析，得到了蒸散量與主要影響因素的函數(shù)關(guān)系。得出如下主要結(jié)論：

（1）夏玉米的蒸散量具有明顯的日變化規(guī)律。蒸散量最大值出現(xiàn)在12:00～13:00之間，2018—2020年夏玉米季蒸散峰值出現(xiàn)在13:00左右，為0.7 mm/h。夏玉米在不同生長(zhǎng)階段的蒸散量峰值不同，依次排序?yàn)樯L(zhǎng)中期＞發(fā)育期＞后期＞初期，整個(gè)生育期呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)，這一結(jié)論與楊天一等［17］的研究結(jié)果相同。

（2）對(duì)夏玉米蒸散量與其影響因素的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：夏玉米農(nóng)田的蒸散量與光合有效輻射的相關(guān)性最大，其次為土壤熱通量、凈輻射通量、水汽壓差和空氣溫度，均呈正相關(guān)；蒸散量與空氣濕度呈負(fù)相關(guān)，與閆妍等［18］的研究結(jié)果相同。蒸散量與其他變量的相關(guān)性較小。

（3）利用單變量函數(shù)對(duì)蒸散量與其影響因素進(jìn)行擬合，結(jié)果表明：蒸散量與光合有效輻射、水汽壓差均呈二次多項(xiàng)式關(guān)系；而與凈輻射通量呈線性關(guān)系，確定性系數(shù)為0.59，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陳露等［19］的研究結(jié)果（0.25）。蒸散量與其他變量的確定性系數(shù)均小于0.3，說(shuō)明擬合關(guān)系不理想。單變量函數(shù)的擬合效果整體不佳，確定性系數(shù)小于0.6。利用雙變量函數(shù)對(duì)蒸散量與其影響因素進(jìn)行擬合，結(jié)果表明：雙變量函數(shù)的擬合效果優(yōu)于單變量函數(shù)。且雙變量復(fù)合函數(shù)的擬合效果優(yōu)于雙變量指數(shù)函數(shù)。從擬合數(shù)據(jù)中可以得到，蒸散量與VPD和Rn的雙變量復(fù)合函數(shù)擬合效果最好。

本文利用渦度相關(guān)系統(tǒng)對(duì)2018—2020年間夏玉米農(nóng)田進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，得到夏玉米農(nóng)田的蒸散量變化特征，并對(duì)其影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析及擬合分析，以期對(duì)未來(lái)田間用水計(jì)劃、灌溉等水資源利用提供一定的參考。