華北平原40 年夏玉米作物系數(shù)變化及影響因素*

劉梓萌,李璐,李昊天,劉娜,王鴻璽,邵立威

(1.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/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室石家莊 050022;2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049;3.國網(wǎng)河北省電力有限公司營銷服務(wù)中心 石家莊 050035)

華北平原是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū),農(nóng)業(yè)用水占總用水量的70%以上,其中有75%以上來自地下水,導(dǎo)致該地區(qū)地下水超采現(xiàn)象十分嚴(yán)重[1]。由此造成的水資源短缺現(xiàn)象已成為威脅該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大障礙。另外當(dāng)前該地區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率與灌溉水利用效率較低[2],因此準(zhǔn)確估計該區(qū)農(nóng)業(yè)需水量,因地制宜采取相應(yīng)的節(jié)水措施,對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源的高效利用、確保糧食安全發(fā)揮著重要作用[3]。計算作物系數(shù)(Kc)是估計作物需水量等農(nóng)業(yè)灌溉指標(biāo)的基礎(chǔ),準(zhǔn)確計算作物系數(shù)對提高農(nóng)田水分利用率、制定科學(xué)合理的灌溉制度具有重要的現(xiàn)實意義[4]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織出版的FAO56 將作物系數(shù)定義為作物實際蒸散量(ETc)與參考作物蒸散量(ETo)的比值[5]。參考作物蒸散量定義為一種假設(shè)的積極生長、完全遮蔽地面、高度均勻、不缺水的參考綠草蒸散發(fā)速率[6]。雖然FAO56 提出的作物系數(shù)法已經(jīng)在許多地區(qū)和作物中得到驗證,但作物系數(shù)在較長時期內(nèi)如何變化,在不同年份是否穩(wěn)定仍不確定[7]。

作物系數(shù)取決于作物類型及其品種、作物高度、葉片特征、土壤性質(zhì)、氣候條件、灌溉方法等,不同作物會有不同的作物系數(shù),即使是同一種作物由于植被和地表及其他因素的變化,作物系數(shù)在整個生育期也會有所不同[8]。李昊天等[9]研究發(fā)現(xiàn),太行山前平原冬小麥作物系數(shù)并不是穩(wěn)定不變的,而是呈上升趨勢變化。李波等[10]研究指出,70 年間東北地區(qū)春玉米(Zea mays)全生育期作物系數(shù)年際變化呈顯著下降趨勢。Guo 等[7]研究發(fā)現(xiàn),西北地區(qū)12年地膜覆蓋下玉米作物系數(shù)存在年際間變動,變異系數(shù)為12.18%。因此,在不同地區(qū)以及不同管理措施下,需要考慮FAO56 推薦作物系數(shù)是否適用,是否需要根據(jù)該地區(qū)實際情況調(diào)整作物系數(shù)參考值。

華北農(nóng)業(yè)節(jié)水問題一直是我國節(jié)水農(nóng)業(yè)研究的焦點問題[11],優(yōu)化灌溉制度,減少灌溉用水量是農(nóng)田節(jié)水的重要方面[12]。虧缺灌溉被認(rèn)為是對灌溉制度進(jìn)行的合理調(diào)整,在保證作物生長的前提下最大限度提高水分利用效率的方法,近年來已逐漸取代傳統(tǒng)的充分灌溉[13-14]。夏玉米生育期處在雨熱充足的夏季,降水量充足,對夏玉米進(jìn)行虧缺灌溉可減少夏玉米的奢侈耗水和土壤水分無效蒸發(fā)[15]。了解和估算非充分灌溉條件下夏玉米作物系數(shù),對改進(jìn)灌溉方案、提高水分利用效率、保證華北地區(qū)玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

本研究基于中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站夏玉米長期定位灌溉試驗,通過長期氣象、土壤含水量及生物量和產(chǎn)量數(shù)據(jù),獲得1980-2018 年夏玉米充分灌溉下的作物系數(shù),分析近40 年間作物系數(shù)的變化規(guī)律及影響因素。同時基于2019-2021年夏玉米不同灌水試驗,計算并分析夏玉米充分灌溉與非充分灌溉條件下作物系數(shù)變化及影響因素,為確定夏玉米作物系數(shù)和制定合理灌溉制度提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本研究利用在中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站(簡稱“欒城站”)進(jìn)行的長期定位灌溉試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。欒城站位于華北平原北部(37°53′N,114°41′E;海拔50 m),屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候區(qū),光熱資源豐富。作物種植模式為冬小麥(Triticum aestivum)和夏玉米一年兩熟,一般在10 月初播種冬小麥,并在次年6 月10 日左右收獲,冬小麥?zhǔn)斋@后立即播種夏玉米。采用曹永強(qiáng)等[4]的方法劃分夏玉米生育期,6 月中旬至7 月初為初始生長期(播種-拔節(jié)期),7 月初至7 月末為快速發(fā)育期(拔節(jié)-大喇叭口期),8 月初至8 月末為生育中期(大喇叭口-灌漿初期),9 月初至9 月末為生育后期(灌漿-成熟期),9 月底收獲。受季風(fēng)氣候影響,華北平原降水分配極不均勻,約70%的降水集中于夏玉米生長季,1980-2021 年夏玉米生長季多年平均降水量為313 mm,夏玉米需水量在400 mm 以上[16],在夏玉米季灌溉1 次水,可維持玉米穩(wěn)產(chǎn)[17]。試驗地點以地下水為主要灌溉水源。試驗地點2 m 土壤剖面0～90 cm土層主要為壤土,90 cm 以下土壤為黏壤土。0～200 cm土壤剖面平均田間持水量為35.6% (體積含水率),凋萎系數(shù)為13.1% (體積含水率),土壤pH 為8.0。

1.2 試驗設(shè)計

明確作物系數(shù)年際變化的影響因素可為準(zhǔn)確確定作物需水量提供依據(jù)。本研究依托欒城站長期定位灌溉試驗設(shè)置冬小麥、夏玉米生育期不灌水、灌水1 次、灌水2 次、灌水3 次、灌水4 次和灌水5次6 個處理,每個處理設(shè)置4 次重復(fù),試驗小區(qū)隨機(jī)排列,各小區(qū)面積為4 m×10 m。每個小區(qū)之間及試驗地周邊用2 m 寬的保護(hù)行隔開,保護(hù)行不灌水,減少相鄰小區(qū)之間水分影響。選取最高產(chǎn)量灌溉處理為充分灌水處理進(jìn)行作物系數(shù)(Kc)計算。

為研究夏玉米作物系數(shù)隨不同灌水處理的變化,選擇近3 年(2019-2021 年) 3 個灌水處理進(jìn)行分析。3 個灌水處理分別為只灌溉出苗水(I1);出苗水+大喇叭口期進(jìn)行灌水(I2);在I2 水平上根據(jù)夏玉米降水情況,后期再增加一次灌水(I3)。灌水通過低壓管道輸水至每個小區(qū),低壓管道安裝水表,控制每個小區(qū)的灌水量。每次灌水75 mm。本研究認(rèn)為I1 為缺水灌溉處理,I2 和I3 根據(jù)不同生長季的降水情況,可作為充分供水處理。

長期定位灌溉試驗的田間管理除灌水外,與當(dāng)?shù)卮筇锕芾泶胧┮恢?。在試驗開始時,冬小麥和夏玉米地上部分秸稈在收獲后全部從田間移出。20 世紀(jì)80 年代中期,冬小麥?zhǔn)崭詈蟮慕斩挶涣粼谔镩g,從90 年代中期開始,兩季作物的秸稈都還田。1980-2021 年夏玉米生長季田間管理措施變化如表1 所示。冬小麥?zhǔn)斋@后實施免耕播種夏玉米,行距設(shè)置為等行距60 cm,密度一般為5～6 株·m-2。

1.3 測定項目

1.3.1 氣象因素

利用欒城站標(biāo)準(zhǔn)氣象站獲取氣象數(shù)據(jù),包括日最低溫度、最高溫度、平均溫度、相對濕度、降水量、10 m 高度風(fēng)速和日照時數(shù)。根據(jù)FAO56 提供的公式[6]將10 m 高度風(fēng)速轉(zhuǎn)為2 m 高度風(fēng)速。

1.3.2 土壤含水量

試驗期間用3 種方式監(jiān)測土壤含水量變化。夏玉米播種前、各生育期及收獲后均采用土鉆取土烘干法測定0～200 cm 土壤剖面不同土層(每20 cm 為一層)土壤重量含水量(g·g-1),乘以相應(yīng)土層土壤容重獲得體積含水量。1986 年開始,在每個小區(qū)安裝深度為2 m 的鋁管,間隔7～10 d 用中子儀測定0～200 cm 土壤剖面不同土層(每20 cm 為一層)土壤體積含水率(其中1986-2010 年,中子儀型號為 IH-Ⅱ,Cambridge,UK;2011 年后中子儀型號為503DR,CPN International Inc.,USA)。每次測定前對中子儀測定數(shù)值進(jìn)行校正。2019-2021 年夏玉米生長季,每個處理選擇一個小區(qū)安裝2 m 埋深的智墑儀(ET200,東方智感科技股份有限公司,中國),以每10 cm 為一層連續(xù)測定土壤體積含水率,測定數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸并遠(yuǎn)程下載。

1.3.3 夏玉米生物量、產(chǎn)量和葉面積指數(shù)

夏玉米主要生育期各小區(qū)取2～4 株玉米進(jìn)行生物量和葉面積指數(shù)的測定,用卷尺測定每一片葉子的長度和寬度,使用經(jīng)驗系數(shù)進(jìn)行校正,獲得玉米葉面積,結(jié)合密度測定,計算葉面積指數(shù);用生物量和產(chǎn)量計算收獲指數(shù)。2019-2021 年從夏玉米苗期到收獲期,每隔10～20 d 在各小區(qū)分別選取夏玉米4 株,定時測定葉面積變化,通過面積和密度計算葉面積指數(shù)(LAI)的動態(tài)變化過程。

1.4 計算項目

1.4.1 參考作物蒸散量(ETo)

采用1998 年聯(lián)合國糧農(nóng)組織修正后的Penmen-Monteith 公式[6]計算夏玉米生育期和不同生育階段的參考作物蒸散量。參考作物蒸散量定義為面積大、高度均勻、生長旺盛、完全遮蔽地面且供水充分的綠色草地(反射率為0.23,高度為0.12 m,表面空氣阻力為 70 s·m-1)蒸散量[18]。具體計算公式為:

式中: ETo為參考作物蒸散量,mm·d-1;Rn代表作物表面的凈輻射,MJ·m-2·d-1;G為土壤熱通量,MJ·m-2·d-1;γ是濕度計常數(shù);T為2 m 高處日平均溫度,℃;u2代表2 m 高處平均風(fēng)速,m·s-1;es為飽和水汽壓,kPa;ea為實際水汽壓,kPa;Δ代表飽和水汽壓曲線的斜率,kPa·℃-1。

利用CropWater 軟件輸入日最低溫度、最高溫度、相對濕度、日照時數(shù)和2 m 高度的風(fēng)速計算日參考作物蒸散量。10 m 高度風(fēng)速轉(zhuǎn)2 m 高度風(fēng)速的計算公式如下[6]:

式中:u2為地表2 m 高處的風(fēng)速,m·s-1;uz為地表以上Zm 高處的風(fēng)速,m·s-1;Z為地表以上測量風(fēng)速的高度,m。

1.4.2 夏玉米作物系數(shù)(Kc)

作物系數(shù)定義為作物不同生育階段或全生育期的實際蒸散量與同時段參考作物蒸散量的比值。利用充分供水下獲得的蒸散量計算的作物系數(shù)可用于常規(guī)定義的作物系數(shù)。而在缺水條件下獲得的作物實際蒸散量與參考作物蒸散量的比值為針對特定條件下的作物系數(shù)。作物系數(shù)具體計算公式為:

式中:Kc為作物系數(shù)(不缺水條件),Kcact為缺水條件下的作物系數(shù),ETc為不缺水條件下夏玉米不同生育時期和全生育期的作物需水量,ETo為夏玉米不同生育時期和全生育期參考作物蒸散量,ETcact為缺水條件下夏玉米不同生育時期和全生育期實際蒸散量。

1.4.3 作物不同生育期和全生育期實際蒸散量(ETcact)

利用水量平衡法計算夏玉米不同處理全生育期及不同生育階段的蒸散量:

式中: ETcact為不同生育階段或全生育期的實際蒸散量,充分供水條件下的ETcact等于ETc;P為降水量,mm;I為灌水量,mm;SWD 為0～200 cm 根層土壤水分消耗量,mm;CR 為土壤毛管上升至根區(qū)的水量,mm;R為地表徑流,mm;D為根區(qū)土壤水分下滲量,mm。由于試驗地1980-2021 年地下水埋深為15～40 m,故毛管上升水量可以忽略不計;小區(qū)四周均設(shè)置有保護(hù)行且起壟封閉,作物生育期內(nèi)降雨和灌水沒有形成地表徑流,故R為0。由于玉米的平均最大根深約為140～160 cm,因此將土壤水分從160 cm 向下移出根區(qū)的土壤水分定義為根層滲漏量D。根據(jù)達(dá)西定律,利用土壤深度160 cm 至180 cm 之間的水勢梯度計算:

式中:k為土壤導(dǎo)水率,Δh為160 cm 與180 cm 之間的土壤水勢差,Δz為兩層土壤的深度差。土壤水勢由基質(zhì)勢和重力勢確定,基質(zhì)勢利用試驗點建立的土壤水分特征曲線獲得[19]。非飽和導(dǎo)水率(k)通過飽和導(dǎo)水率(ks)與土壤含水量(θ)的指數(shù)關(guān)系進(jìn)行計算:

式中:α為一個無因次常數(shù)(α=14.5),θs為土層飽和體積含水量,θ為土壤體積含水量,θd為風(fēng)干土體積含水量[20]。

1.4.4 水分脅迫系數(shù)(Ks)的4 種計算方法

在缺水條件下農(nóng)田蒸散量受土壤水分供給影響,低于潛在蒸散量,作物系數(shù)小于充分供水條件下的作物系數(shù)[21]。作物系數(shù)受土壤水分虧缺的影響程度可通過水分脅迫系數(shù)(Ks)表示。在有土壤水分脅迫時,利用充分供水條件下獲取的作物系數(shù),結(jié)合土壤水分脅迫系數(shù),計算實際蒸散量,具體公式為:

式中: ETcact為缺水條件下的實際蒸散量,ETo為參考作物蒸散量,Ks為水分脅迫系數(shù),Kc為充分供水條件下的作物系數(shù)。在沒有發(fā)生水分虧缺時,Ks=1。

土壤水分對作物的有效性不僅取決于土壤含水量的多少,還取決于作物根系在土壤中的分布。為了探究土壤水分對作物的有效性如何受土壤含水量和根系分布的影響,本文采用4 種方法計算缺水條件下的水分脅迫系數(shù),比較不同方法計算結(jié)果在定量化土壤水分對作物系數(shù)影響方面的準(zhǔn)確性。

不考慮作物根系分布的影響,僅利用缺水條件下土壤相對含水量和土壤有效含水量計算水分脅迫系數(shù),計算夏玉米不同生育時期所用的土層深度分別為: 生育初期根深為0～40 cm,快速發(fā)育期根深為0～60 cm,生育中期根深為0～80 cm,生育后期根深為0～100 cm。計算方法如下:

式中:Ks1為利用土壤相對含水量計算得到的水分脅迫系數(shù),Ks2為利用土壤有效含水量計算得到的水分脅迫系數(shù),SWC 為實際土壤含水量,FC 為田間持水量,WP 為凋萎濕度。

考慮到夏玉米不同生育時期和全生育期根系分布對不同層次土壤水分對作物有效性的影響,利用Gerwitz 等[22]提出的方法模擬夏玉米不同生育時期和全生育期各土層相對根長密度,具體公式為:

式中: RLDz為z深度的根長密度;RLDmax為根層土壤中最大根長密度,一般表層土壤RLD 最大;δ為根系分布系數(shù);Z為土壤深度;Zr為最大根深。根據(jù)試驗地點觀測情況,夏玉米根系分布系數(shù)δ可取3[23]。代表Z深度根長密度與最大根長密度的比值,反映土壤深度Z的根系相對量。根據(jù)夏玉米不同生育時期根深實測結(jié)果,用播種后的天數(shù)進(jìn)行擬合。播后天數(shù)小于40 d,均按照40 cm 的土壤深度計算,大于40 d 后,根深為播后天數(shù)[23]。

以20 cm 為一個根層,將夏玉米根系劃分為5 個不同的土層(即0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm),使用公式(12)計算各土層相對根長密度之和,具體公式為:

式中:L代表各土層根長密度之和;Zi代表不同根層深度;n代表不同生育時期總根層數(shù)。

利用各個根層相對根長密度占總土層相對根長密度的比值和土壤水分含量計算水分脅迫系數(shù),具體公式如下:

式中:Ks3為利用土壤相對含水量和相對根長密度訂正的水分脅迫系數(shù),Ks4為利用土壤有效含水量和相對根長密度訂正的水分脅迫系數(shù),i代表不同土層,SWCi、FCi、WPi分別代表第i個土層的實際土壤含水量、田間持水量和凋萎濕度。

1.5 統(tǒng)計分析

通過計算近40 年間夏玉米生長季實際蒸散量(ETc)、參考作物蒸散量(ETo)和作物系數(shù)(Kc)的平均值與變異系數(shù)(CV),分析其各自的年際變化,采用相同處理多個重復(fù)取平均值進(jìn)行分析。利用線性回歸,分析氣象因素、ETo、ETc、Kc和產(chǎn)量隨時間的變化;并利用相關(guān)分析,研究產(chǎn)量、ETc、ETo和Kc等的相關(guān)關(guān)系,使用SPSS 26 和Microsoft Excel 2021軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 近40 年夏玉米生育期氣象條件和參考作物蒸散量變化趨勢

圖1 為1980-2018 年夏玉米生長季主要?dú)庀笠蛩氐哪觌H變化。最高溫度、最低溫度呈上升趨勢,相對濕度變化趨勢不明顯。相較于溫度和相對濕度,風(fēng)速和日照時數(shù)年際間變動幅度較大,近40 年總體呈下降趨勢。

圖1 1980—2018 年夏玉米生長季氣象因素年際變化Fig.1 Variation of meteorological factors during the growth seasons of summer maize from 1980 to 2018

由氣象因素決定的夏玉米生長季參考作物蒸散量近40 年的變化趨勢如圖2 所示,總體增加趨勢不顯著,年際間存在波動,多年平均值為419.3 mm,變化范圍為362.3～481.4 mm,變異系數(shù)為6.54%。參考作物蒸散量受風(fēng)速和日照時數(shù)年際變化影響,呈現(xiàn)較大的年際波動。

圖2 1980—2018 年夏玉米生長季參考作物蒸散量(ETo)年際變化Fig.2 Variation of reference crop evapotranspiration (ETo) during the growth seasons of summer maize from 1980 to 2018

2.2 近40 年充分供水夏玉米產(chǎn)量和實際蒸散量變化

圖3 為1980-2018 年夏玉米產(chǎn)量和實際蒸散量的年際變化及相關(guān)關(guān)系。得益于品種更新和管理措施改善,40 年間夏玉米產(chǎn)量呈持續(xù)增長,平均每年產(chǎn)量增幅為0.11 t·hm-2,2000 年之后增長速率趨于平緩。夏玉米實際蒸散量在年際間波動變化,多年平均值為379.7 mm,變異系數(shù)為9.7%。1980-2005 年夏玉米實際蒸散量年際間變化幅度較小,2005 年之后隨著玉米產(chǎn)量年際間變化幅度增大,實際蒸散量在年際間也呈現(xiàn)較大波動。夏玉米實際蒸散量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)。在大多數(shù)年份,作物蒸散量高,夏玉米產(chǎn)量也較高,主要是由于作物蒸騰潛力增加,氣孔阻力降低,利于光合速率提升,進(jìn)而增加作物生物量積累,產(chǎn)量增加。

圖3 1980—2018 年夏玉米產(chǎn)量與實際蒸散量年際變化及相關(guān)關(guān)系Fig.3 Variation and correlation analysis of summer maize yield and actual evapotranspiration from 1980 to 2018

2.3 近40 年充分供水條件下夏玉米作物系數(shù)的變化

近40 年夏玉米作物系數(shù)年際變化如圖4 所示,夏玉米作物系數(shù)存在較明顯的年際變化,作物系數(shù)最小值出現(xiàn)在2015 年(0.63),最大值出現(xiàn)在2012 年(1.17),多年平均值為0.91,季節(jié)變異系數(shù)為12.36%。近40 年作物系數(shù)的變化大于參考作物蒸散量和實際蒸散量的變化。

圖4 1980—2018 年夏玉米作物系數(shù)年際變化Fig.4 Variation of crop coefficient of summer maize from 1980 to 2018

夏玉米生育期作物系數(shù)與實際蒸散量及參考作物蒸散量的相關(guān)關(guān)系如圖5 所示。顯著性分析表明,夏玉米作物系數(shù)與參考作物蒸散量呈顯著負(fù)相關(guān)、與實際蒸散量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。參考作物蒸散量的變化受氣象因素影響,不同氣象因素的共同作用使得參考作物蒸散量在年際間變化幅度較小,但仍在一些年份出現(xiàn)顯著增加或顯著降低現(xiàn)象。夏玉米實際蒸散量不僅受氣象因素影響,也受作物長勢影響。40 年間夏玉米年際作物系數(shù)變化在產(chǎn)量較低的2000 年前年際間波動小,隨著產(chǎn)量增加呈增加趨勢;近年來產(chǎn)量維持在較高水平,但較高的產(chǎn)量年際波動及相應(yīng)的耗水量變化導(dǎo)致年際作物系數(shù)變化較大。

圖5 1980—2018 年夏玉米作物系數(shù)與參考作物蒸散量和實際蒸散量的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation analysis of crop coefficient,reference crop evapotranspiration and actual evapotranspiration during the growth seasons of summer maize from 1980 to 2018

2.4 不同水分脅迫系數(shù)計算方法對夏玉米蒸散預(yù)測結(jié)果的影響

利用2019-2021 年夏玉米充分供水條件下的觀測數(shù)據(jù),分析了夏玉米不同生育期作物系數(shù)變化(圖6)。2019-2021 年夏玉米全生育期作物系數(shù)符合FAO56 作物系數(shù)基本變化規(guī)律,在生長初期,夏玉米葉面積較小,蒸散主要以土壤蒸發(fā)為主,受降水影響變動較大,這一階段的作物系數(shù)較低。在快速生長期,隨著作物生長發(fā)育,作物葉面積指數(shù)逐漸增大,作物蒸騰作用占主導(dǎo),作物系數(shù)在這一階段呈線性增加,在生育中期達(dá)到最大并保持相對穩(wěn)定。在生育后期,隨著夏玉米的成熟、葉片的衰老以及環(huán)境因素的變化,植物蒸騰降低,作物系數(shù)也呈下降趨勢。夏玉米生育期作物系數(shù)變化主要受葉面積指數(shù)變化的影響,與葉面積指數(shù)變化規(guī)律基本一致。

圖6 2019—2021 年充分灌水條件下夏玉米生育期作物系數(shù)變化Fig.6 Variation of crop coefficient of summer maize under full irrigation during different growth stages from 2019 to 2021

3 年平均結(jié)果顯示,充分供水條件下夏玉米生育初期、中期和生長結(jié)束點作物系數(shù)分別為0.18、0.89 和0.81,FAO56 規(guī)定的玉米生育初期、中期和后期作物系數(shù)分別為0.3、1.2 和0.6。生育初期和生育中期作物系數(shù)低于FAO 規(guī)定值,這可能與夏玉米種植在秸稈覆蓋條件下有關(guān),特別是生育初期作物系數(shù)受秸稈覆蓋影響最大;生育后期作物系數(shù)高于FAO 規(guī)定值,主要原因可能與華北夏玉米生育期短,灌漿期直至收獲,夏玉米依然保持旺盛生長有關(guān)。

2019-2021 年缺水灌溉條件下夏玉米各生育時期水分脅迫系數(shù)的動態(tài)變化如圖7 所示。生育前期夏玉米因播種時的灌水,較少受水分脅迫影響;隨著夏玉米的生長發(fā)育,作物受到水分脅迫的程度增加;夏玉米生育中期和生育后期,由于葉面積指數(shù)較高,光合作用旺盛,后期降水較少,土壤水分被持續(xù)利用,灌水次數(shù)少的處理作物受到較為嚴(yán)重的水分脅迫。同一生育時期不同年份,土壤水分脅迫系數(shù)(Ks)存在明顯差異,2020-2021 年生育前期和快速生長期Ks高于2019 年,生育中期和生育后期Ks低于2019年,該現(xiàn)象與作物全生育期降水分布差異有關(guān)。利用土壤水分狀況和相對根長密度訂正的作物系數(shù)與僅利用土壤水分狀況(土壤相對含水量和土壤有效含水量)訂正的作物系數(shù)差異不明顯。但各年份不同生育時期水分脅迫系數(shù)Ks1和Ks3明顯高于Ks2和Ks4,尤其在作物生育后期,差值可達(dá)0.2 左右。

圖7 基于不同訂正方法的夏玉米水分脅迫系數(shù)在各生育時期的動態(tài)變化Fig.7 Dynamic changes of water stress coefficients of summer maize at different growth stages calculated by different correction methods

為了比較不同方法估算的水分脅迫系數(shù)精度,利用公式(8)計算夏玉米實際蒸散量。圖8 為各年份不同生育時期基于水分脅迫系數(shù)估算的夏玉米不同生育時期和全生育期實際蒸散量,結(jié)果顯示不同水分脅迫系數(shù)計算所得實際蒸散量與各年份不同生育時期實測值存在明顯差異。

圖8 2019—2021 年根據(jù)不同水分脅迫系數(shù)計算所得夏玉米不同生育期實際蒸散量Fig.8 Actual evapotranspiration during different growth stages of summer maize calculated from 2019 to 2021 according to different water stress coefficients

針對圖8 中水分脅迫系數(shù)計算所得實際蒸散量與各年份不同生育時期實測值存在明顯差異的情況,利用2019-2021 年不同生育時期和全生育期計算水分脅迫系數(shù)的平均值來預(yù)測水分虧缺條件下多年平均蒸散量,并與2019-2021 年夏玉米不同生育時期所測實際蒸散量平均值進(jìn)行比較,根據(jù)各生育時期和全生育期實際蒸散量差異百分?jǐn)?shù)平均值表示其準(zhǔn)確程度(表2)。結(jié)果顯示計算所得夏玉米各生育時期實際蒸散量準(zhǔn)確性較差,其差異最高可達(dá)30%。但4 種水分脅迫系數(shù)計算所得全生育期實際蒸散量準(zhǔn)確性均較高,計算值與實測值差異最小約為1.7%,根據(jù) 4 種水分脅迫系數(shù)計算夏玉米全生育期實際蒸散量的精確度排序為:Ks2＞Ks1＞Ks4＞Ks3。說明本研究所建立的4 種水分脅迫系數(shù)不適用于精確預(yù)測不同生育時期的作物系數(shù),而更適用于預(yù)測一段時間內(nèi)缺水灌溉條件下夏玉米全生育期平均作物系數(shù)。利用土壤水分狀況計算的水分脅迫系數(shù)的精確度高于同時期利用土壤水分狀況及相對根長密度得到的水分脅迫系數(shù)。

3 討論

3.1 1980—2018 年參考作物蒸散量和實際蒸散量變化及影響因素

本研究發(fā)現(xiàn),1980-2018 年試驗地點夏玉米參考作物蒸散量呈現(xiàn)年際間較大的波動趨勢,多年平均值為419.3 mm。參考作物蒸散量反映大氣綜合蒸散能力,取決于當(dāng)?shù)貧夂驐l件[24]。Hulme 等[25]認(rèn)為全球氣溫升高將導(dǎo)致參考作物蒸散量增加;段春鋒等[26]發(fā)現(xiàn)風(fēng)速是西北地區(qū)參考作物蒸散量變化的主導(dǎo)因子,太陽輻射和氣溫次之;李楠等[27]研究指出,參考作物蒸散量與溫度、風(fēng)速和日照時數(shù)呈正相關(guān),與相對濕度呈負(fù)相關(guān);Cohen 等[28]發(fā)現(xiàn)以色列1964-1998 年水汽壓差和風(fēng)速同時增加,但參考作物蒸散量無明顯變化。本研究試驗地點的溫度和濕度在近40 年間變化較小,因此風(fēng)速和日照時數(shù)的年際間變動是造成參考作物蒸散量年際變化的主要因素。

充分供水條件下,近40 年間夏玉米實際蒸散量多年平均值為379.7 mm。王琳娜等[29]在華北平原估算的玉米季實際蒸散量為260～480 mm,莫興國等[30]得出的華北平原玉米季大部分區(qū)域蒸散量為360～420 mm,與本研究結(jié)果相似。本研究顯示40 年間夏玉米實際蒸散量在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定,隨著產(chǎn)量潛力的提升,夏玉米產(chǎn)量受天氣條件的影響增大,導(dǎo)致年際產(chǎn)量波動增加,進(jìn)而導(dǎo)致年際耗水量變化增大。40年間夏玉米實際蒸散量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,但還無法全部解釋年際間的變化。這可能是由于作物實際蒸散量受多種因素影響,如天氣、作物品種、土壤、管理等[31]。

3.2 作物系數(shù)的穩(wěn)定性

作物系數(shù)與參考作物蒸散量和實際蒸散量呈顯著相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果顯示,由于參考作物蒸散量與實際蒸散量存在年際間波動,因此作物系數(shù)在年際間表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。雷志棟等[32]研究表明,作物系數(shù)的年際變異性可歸因于氣象因子的影響;Kuo 等[33]和Attri 等[34]指出,在潮濕或半濕潤地區(qū),當(dāng)?shù)刈魑锵禂?shù)低于FAO56 值;Rajan 等[35]和Bezerra 等[36]發(fā)現(xiàn),在干旱或亞干旱氣候條件下,與FAO56 提出的作物系數(shù)值相比,試驗推導(dǎo)的作物系數(shù)值通常較小;Zhang 等[37]認(rèn)為,氣候變化引起的氣象變量的任何變化都會影響到蒸散發(fā),進(jìn)而影響到作物系數(shù)。

除氣候條件外,陳玉民[38]研究表明,作物系數(shù)受產(chǎn)量、葉面積指數(shù)、土壤水分等條件的影響,呈現(xiàn)出年際間不穩(wěn)定的特點,這與本文研究結(jié)果一致。本研究近40 年夏玉米平均作物系數(shù)為0.91,低于梁文清[39]研究中估算的陜西地區(qū)夏玉米全生育期多年平均作物系數(shù)(0.95),高于李波等[10]得出的東北地區(qū)全生育期春玉米平均作物系數(shù)(0.79),這說明作物系數(shù)因當(dāng)?shù)貧夂蚝凸芾硪蛩氐牟煌a(chǎn)生差異。本研究中夏玉米多年作物系數(shù)波動區(qū)間為0.6～1.2,變異系數(shù)為12.36%。Guo 等[7]基于12 年春玉米作物系數(shù)的研究得出,西北地區(qū)覆膜春玉米的變異系數(shù)為12%;Kang 等[40]從10 年的研究數(shù)據(jù)中得出,玉米作物系數(shù)的變異系數(shù)為8%。這些研究均表明了在一定生產(chǎn)條件下作物系數(shù)的穩(wěn)定性,根據(jù)當(dāng)?shù)靥镩g試驗確定的實際作物系數(shù)可用于當(dāng)?shù)刈魑镄韬乃难芯恐小?/p>

3.3 水分虧缺對實際作物系數(shù)的影響

作物系數(shù)是農(nóng)業(yè)水管理中優(yōu)化灌溉水分生產(chǎn)力和設(shè)計灌溉調(diào)度的關(guān)鍵變量[41],灌溉水量影響作物生長和蒸散[42],灌溉水量不足造成的水分虧缺直接導(dǎo)致作物系數(shù)的降低[43]。FAO56 推薦的夏玉米初期、中期、后期作物系數(shù)分別為0.3、1.2、0.6,與本研究近3 年的結(jié)果存在一定差異,主要原因是本研究中夏玉米是在冬小麥?zhǔn)斋@后秸稈覆蓋條件下獲得的。Patil 等[44]研究表明,相比于不覆蓋處理,覆蓋可以降低22%的作物蒸散量,秸稈覆蓋減少了土壤蒸發(fā),特別是在葉面積較低的前期和中期,土壤蒸發(fā)降低幅度大,因此本研究獲得的夏玉米生育初期和中期作物系數(shù)均低于FAO56 推薦值,而生育后期作物系數(shù)均高于推薦值。這表明華北夏玉米生育期較短,灌漿后期夏玉米依然維持較旺盛的生長,蒸散耗水量降低幅度小,作物系數(shù)沒有明顯下降趨勢。很多研究顯示不同作物生育階段的作物系數(shù)存在一定區(qū)域性[9]。Wang 等[45]認(rèn)為,計算出的作物系數(shù)還受ETc測量方法的影響,因此比較不同測量方法計算作物系數(shù)的精度還需要進(jìn)一步研究。

Allen 等[6]認(rèn)為作物系數(shù)主要受根區(qū)土壤水分的影響。在缺水灌溉條件下,本文利用土壤水分含量和相對根長密度建立了4 種水分脅迫系數(shù)計算公式,通過對夏玉米實際蒸散量的調(diào)整,比較預(yù)測值與真實值的吻合程度。本文研究結(jié)果表明,4 種水分脅迫系數(shù)均可用來預(yù)測夏玉米全生育期作物系數(shù),其中利用土壤有效水分含量計算所得水分脅迫系數(shù)的精確度最高,這與黃夢琪[46]發(fā)現(xiàn)的可以通過對根層有效含水量的測定來推導(dǎo)土壤水分脅迫系數(shù)研究結(jié)果較為一致,但本文計算的水分脅迫系數(shù)所預(yù)測的不同年份各生育時期夏玉米實際蒸散量還存在一定誤差,后期需要調(diào)整。任何灌溉計劃、土壤水預(yù)測都把土壤含水量作為一項基本輸入數(shù)據(jù)[47]。土壤含水量受氣候條件、土壤類型、土壤質(zhì)地等因素的影響[47]。當(dāng)這些條件保持一致時,在該區(qū)可以用虧缺灌溉處理的土壤水分狀態(tài)和充分供水條件下的作物系數(shù)得到虧缺灌溉處理下的作物系數(shù)。

4 結(jié)論

作物系數(shù)的準(zhǔn)確性是區(qū)域作物用水和耗水研究的重要因素,本研究結(jié)果顯示作物系數(shù)受作物生長條件的影響,存在一定年際波動。本研究顯示試驗地點近40 年間溫度和濕度相對穩(wěn)定,平均風(fēng)速和日照時數(shù)的年際變化導(dǎo)致了參考作物蒸散量的年際變化。作物系數(shù)多年平均值為0.91,變異系數(shù)為12.36%,總體保持年際間穩(wěn)定。夏玉米在充分供水條件下40 年產(chǎn)量顯著增加,實際蒸散量與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。缺水條件下的作物系數(shù)可以通過水分虧缺訂正系數(shù)獲取,使用虧缺灌溉處理的土壤含水量建立水分脅迫系數(shù)計算公式,對充分灌溉夏玉米各生育時期和全生育期實際蒸散量進(jìn)行訂正,全生育期實際蒸散量訂正值與實測值最為接近,不同生育時期實際蒸散量訂正值與實測值存在誤差較大。