石羊河流域典型畦灌玉米蒸散發(fā)量變化規(guī)律及歸因分析

張霽，楊天一，于海超，李思恩，王月芯，秦淑靜，郭慧，王春雨

石羊河流域典型畦灌玉米蒸散發(fā)量變化規(guī)律及歸因分析

張霽1，楊天一2*，于海超2，李思恩2，王月芯2，秦淑靜2，郭慧2，王春雨2

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河實(shí)驗(yàn)站，甘肅 武威 733009；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083）

【目的】明確石羊河流域典型畦灌玉米蒸散發(fā)量變化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因素?！痉椒ā炕跍u度相關(guān)系統(tǒng)，在2015—2018年于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河試驗(yàn)站對西北典型畦灌玉米蒸散發(fā)量進(jìn)行了連續(xù)觀測?；谄嚓P(guān)分析及結(jié)構(gòu)方程模型分析了玉米蒸散發(fā)量與環(huán)境因子之間的關(guān)系。【結(jié)果】畦灌玉米生育期平均蒸散發(fā)量為524.3 mm，日平均蒸散發(fā)量為3.5 mm/d，生育期內(nèi)日蒸散發(fā)量呈先上升后下降的單峰變化趨勢，在7月達(dá)到峰值。凈輻射量與蒸散發(fā)量之間的相關(guān)性最高，對蒸散發(fā)量影響程度較大的環(huán)境因子為凈輻射量、溫度、飽和水汽壓差。結(jié)構(gòu)方程結(jié)果表明，葉面積指數(shù)作為中間變量與蒸散發(fā)量之間存在正相關(guān)性?！窘Y(jié)論】畦灌玉米生育期內(nèi)日蒸散發(fā)量呈先上升后下降的變化趨勢，凈輻射量、溫度、飽和水汽壓差是對蒸散發(fā)量影響較大的環(huán)境因子。

石羊河流域；畦灌；玉米；蒸散發(fā)量；偏相關(guān)分析；結(jié)構(gòu)方程模型

0 引言

【研究意義】石羊河流域是河西走廊的主要內(nèi)陸流域之一，該地區(qū)水資源供需矛盾突出、生態(tài)環(huán)境退化較為嚴(yán)重[1]。農(nóng)業(yè)用水量占流域總用水量的83.8%。減少農(nóng)業(yè)用水量對于緩解石羊河流域水資源供需矛盾、保證流域內(nèi)水資源可持續(xù)利用具有重要意義。蒸散發(fā)是土壤蒸發(fā)與植株蒸騰的總和，是農(nóng)田水文循環(huán)的重要組成部分，在土壤-植株-大氣系統(tǒng)中具有重要作用[2]。了解石羊河流域典型作物生育期內(nèi)蒸散發(fā)量的變化規(guī)律對于制定合理的農(nóng)業(yè)節(jié)水政策具有重要意義。

【研究進(jìn)展】玉米是石羊河流域的主要農(nóng)作物。張寶珠[3]等發(fā)現(xiàn)，玉米生育期內(nèi)日蒸散發(fā)量會(huì)隨灌溉定額的增大而增大。Xu等[4]發(fā)現(xiàn)，滴灌會(huì)改變土壤水分分布，降低土壤蒸散發(fā)量和根系吸水量。有德寶等[5]基于渦度相關(guān)系統(tǒng)對黑河中游地區(qū)玉米蒸散發(fā)量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)玉米蒸散發(fā)量隨季節(jié)變化的波動(dòng)明顯，且與葉面積指數(shù)密切相關(guān)。渦度相關(guān)法具有測定精度高，物理意義明確的優(yōu)勢，被認(rèn)為是測定蒸散發(fā)量較為合理的方法[6]。同時(shí)，全球通量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)也以渦度相關(guān)法作為主要手段[7]。蒸散發(fā)量會(huì)受到溫度、凈輻射量、土壤含水率等因子的綜合影響。Wu等[8]基于偏最小二乘回歸分析了長時(shí)序蒸散發(fā)量變化規(guī)律，指出太陽輻射量及溫度是導(dǎo)致蒸散發(fā)量增加的主要因素。Chen等[9]通過物理和遙感模型估算了2000—2014年華北平原蒸散發(fā)量的變化特征，結(jié)合去趨勢法及多元回歸分析法，量化了氣候變化對蒸散發(fā)量變化趨勢的影響?！厩腥朦c(diǎn)】盡管前人對蒸散發(fā)量變化規(guī)律開展了一定研究，但仍缺乏針對石羊河流域畦灌玉米蒸散發(fā)量的變化規(guī)律及其歸因分析的研究。

【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究以石羊河流域典型畦灌玉米農(nóng)田為研究對象，基于渦度相關(guān)法研究玉米蒸散發(fā)量的變化趨勢，結(jié)合偏相關(guān)分析及結(jié)構(gòu)方程模型對影響玉米蒸散發(fā)量的環(huán)境因子進(jìn)行歸因分析。研究結(jié)果可為制定合理的灌溉計(jì)劃、保證該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河試驗(yàn)站位于甘肅省武威市（37?52′ N，102?50′ E）。該地區(qū)屬于典型溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫為8.8℃，年平均降水量為174.9 mm，地下水埋深介于40～50 m之間，年平均日照時(shí)間＞3 000 h，年平均積溫超過3 350 ℃[10]，土壤田間持水率為0.32 cm3/cm3，2015—2018年玉米生育期內(nèi)總降水量分別為119.4、115.2、134.2、183.4 mm。2015—2018年玉米生育期起止時(shí)間、灌溉量、施氮量如表1所示。

表1 玉米生育期、灌溉量及施氮量

1.2 數(shù)據(jù)采集及計(jì)算方法

1.2.1 氣象因子、土壤含水率及蒸散發(fā)量

2015—2018年玉米生育期內(nèi)的氣象因子和蒸散發(fā)量均由試驗(yàn)站內(nèi)的渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測獲得。能量閉合度是評價(jià)通量數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，本研究中玉米日尺度能量閉合率為77%，處于合理區(qū)間，因此渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測的通量數(shù)據(jù)可用。土壤含水率采用試驗(yàn)站內(nèi)的土壤濕度傳感器（CS616, USA）采集，于地表以下20、40、60、80、100 cm深度處埋設(shè)濕度傳感器。用于數(shù)據(jù)分析的土壤含水率數(shù)據(jù)為同一時(shí)刻各深度處土壤含水率的平均值。凈輻射量和土壤熱通量數(shù)據(jù)分別由四分量凈輻射表（CNR-4, Kipp & Zonen, Netherlands）和土壤熱通量板（HFP01SC, HuKseflux, Netherlands）觀測獲得。渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測的原始數(shù)據(jù)按照China FLUX要求進(jìn)行處理，得到原始數(shù)據(jù)后采用野點(diǎn)剔除、傾斜校正、缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)的具體計(jì)算過程及處理方法詳見文獻(xiàn)[11]。

1.2.2 偏相關(guān)分析

采用偏相關(guān)分析揭示蒸散發(fā)量與環(huán)境因子之間的相關(guān)性，具體方法詳見文獻(xiàn)[12]。

1.2.3 結(jié)構(gòu)方程模型

基于結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）構(gòu)建環(huán)境因子與蒸散發(fā)量之間的路徑分析模型，具體方法詳見文獻(xiàn)[13]。采用3個(gè)指標(biāo)檢驗(yàn)SEM的精度，分別為：（卡方自由度比，比值小于3為可接受）；（調(diào)整擬合優(yōu)度指數(shù)，數(shù)值小于1為可接受）；（近似均方根誤差，數(shù)值接近于0表示效果良好）。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子變化規(guī)律

2015—2018年，玉米生育期內(nèi)的風(fēng)速在0.6～5.8 m/s之間波動(dòng)，日平均風(fēng)速為1.6 m/s。溫度在7.2～27.7 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，日平均溫度為19.4 ℃。相對濕度在4.3%～86.9%范圍內(nèi)波動(dòng)，試驗(yàn)期間內(nèi)日平均相對濕度為40.9%。飽和水汽壓差在0.3～3.1 kPa范圍內(nèi)波動(dòng)，日平均飽和水汽壓差為1.5 kPa（表2）。

表2 試驗(yàn)期內(nèi)主要環(huán)境因子統(tǒng)計(jì)參數(shù)

2.2 蒸散發(fā)量變化規(guī)律

由圖1可知，在2015—2018年4個(gè)完整生育期內(nèi)，玉米日蒸散發(fā)量變化規(guī)律相似，總體均呈先上升后下降的趨勢。2015—2018年玉米生育期內(nèi)總蒸散發(fā)量分別為575.4、483.4、550.2、488.2 mm，4 a平均值為524.3 mm。2015—2018年玉米生育期內(nèi)日平均蒸散發(fā)量分別為3.9、3.5、3.8、3.1 mm/d，4 a日平均值為3.5 mm/d，2015年玉米生育期內(nèi)總蒸散發(fā)量及日平均蒸散發(fā)量最大。

圖1 試驗(yàn)期內(nèi)玉米蒸散發(fā)量變化

由圖2可知，4月玉米總蒸散發(fā)量最小，多年平均值為8.9 mm；7月玉米總蒸散發(fā)量最大，多年平均值為174.1 mm。

圖2 試驗(yàn)期內(nèi)玉米月平均蒸散發(fā)量

2.3 蒸散發(fā)量與環(huán)境因子之間的偏相關(guān)分析

表3為玉米蒸散發(fā)量與風(fēng)速、溫度、土壤含水率、飽和水汽壓差及凈輻射量之間的偏相關(guān)系數(shù)。各環(huán)境因子對玉米蒸散發(fā)量的影響程度在不同年份間存在差異。在所有年份，凈輻射量均是對蒸散發(fā)量影響最大的環(huán)境因子。綜合2015—2018年玉米生育期可以發(fā)現(xiàn)，凈輻射量與蒸散發(fā)量之間的相關(guān)性最大，偏相關(guān)系數(shù)為0.75；溫度與蒸散發(fā)量之間的相關(guān)性次之，偏相關(guān)系數(shù)為0.53；風(fēng)速與蒸散發(fā)量之間的相關(guān)性最小，偏相關(guān)系數(shù)為-0.01。綜合考慮2015—2018年觀測數(shù)據(jù)，各環(huán)境因子對蒸散發(fā)量的影響程度由高到低依次為：凈輻射量、溫度、飽和水汽壓差、土壤含水率、風(fēng)速。

表3 蒸散發(fā)量與環(huán)境因子之間的偏相關(guān)系數(shù)

注“**”表示＜0.01；“*”表示＜0.05。

2.4 蒸散發(fā)量與環(huán)境因子之間的結(jié)構(gòu)方程模型

圖3為環(huán)境因子與蒸散發(fā)量之間的SEM（=0.785，=0.814，=0.07）。各因子對蒸散發(fā)量的影響程度由大到小分別為：凈輻射量＞葉面積指數(shù)＞溫度＞飽和水汽壓差＞風(fēng)速＞土壤含水率。結(jié)合2.3的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，除了作物生理因子外，凈輻射量、溫度、飽和水汽壓差是對玉米蒸散發(fā)量影響最大的前3個(gè)環(huán)境因子，凈輻射量對蒸散發(fā)量的影響程度最高。

圖3 環(huán)境因子與蒸散發(fā)量之間的結(jié)構(gòu)方程模型

3 討論

畦灌覆膜玉米農(nóng)田是石羊河流域的典型農(nóng)田類型，研究此類農(nóng)田蒸散發(fā)量的變化規(guī)律對于該地區(qū)的節(jié)水政策實(shí)施、種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。表4匯總了以往文獻(xiàn)中西北地區(qū)幾個(gè)典型玉米種植試驗(yàn)的生育期蒸散發(fā)量。結(jié)合本研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，石羊河流域武威地區(qū)的玉米生育期總蒸散發(fā)量通常高于500 mm。文獻(xiàn)[14-15]中的蒸散發(fā)量與本研究結(jié)果存在較大差異，這與試驗(yàn)位置及年份的差異有關(guān)。

表4 西北地區(qū)玉米蒸散發(fā)量相關(guān)研究調(diào)研

作物蒸散發(fā)量受溫度、土壤含水率、凈輻射量及作物自身生理活性影響[16-19]。本研究中，畦灌覆膜玉米生育期總蒸散發(fā)量在483.4～575.4 mm范圍內(nèi)波動(dòng)，結(jié)合相同時(shí)期降水量的變化可以發(fā)現(xiàn)，僅依靠降水無法滿足玉米生長所需水分。以往研究多采用偏相關(guān)分析探討環(huán)境因子對參考作物蒸散發(fā)量的影響[18-20]。本研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)期內(nèi)蒸散發(fā)量與凈輻射量之間的相關(guān)性最大，這與張靜等[21]研究結(jié)論相似。

相比偏相關(guān)分析，SEM能判別多因子之間的相互作用，確定各因子的影響強(qiáng)度。以往研究基于SEM法對冬小麥-夏玉米[22]、大棗[23]及水稻[24]蒸散發(fā)量進(jìn)行了歸因分析，但對覆膜畦灌玉米蒸散發(fā)量變化的歸因尚不明確。相比以往站點(diǎn)尺度蒸散發(fā)量的歸因分析，本研究建立SEM所用的觀測序列較長（4 a觀測期），具有較好的代表性。本研究在SEM初始設(shè)置中將葉面積指數(shù)設(shè)置為中間變量，其與蒸散發(fā)量之間的相關(guān)性較大，這與Zhao等[25]研究結(jié)論一致。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，土壤含水率、田間管理措施、灌溉及施肥等因素均會(huì)對蒸散發(fā)量產(chǎn)生影響，因此在后續(xù)研究中有必要進(jìn)一步增加與蒸散發(fā)量相關(guān)的環(huán)境變量。

4 結(jié)論

1）石羊河流域覆膜畦灌玉米生育期平均總蒸散發(fā)量為524.3 mm，日平均蒸散發(fā)量為3.5 mm/d，生育期內(nèi)日蒸散發(fā)量呈先上升后下降的單峰變化趨勢，在7月達(dá)到峰值。

2）凈輻射量與蒸散發(fā)量之間的相關(guān)性最大，相關(guān)性由大到小依次為凈輻射量＞溫度＞飽和水汽壓差＞土壤含水率＞風(fēng)速。

3）葉面積指數(shù)作為中間變量與蒸散發(fā)量呈正相關(guān)。凈輻射量、溫度、飽和水汽壓差為對蒸散發(fā)量影響較大的環(huán)境因子。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在的利益沖突）

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Evapotranspiration Variation and Attribution Analysis of Maize Field under Typical Border Irrigation in Shiyang River Basin

ZHANG Ji1,YANG Tianyi2*,YU Haichao2,LI Sien2,WANG Yuexin2,QIN Shujing2,GUO Hui2,WANG Chunyu2

(1. Shiyanghe River Experimental Station, China Agricultural University, Wuwei 733009, China; 2. College of Water Resources and Civil Engineering,China Agricultural University, Beijing 100083, China)

【Objective】Field evapotranspiration is the main consumption item of agricultural water. It is of great significance to clarify the evapotranspiration amount of crops during the growth period.【Method】Based on eddy correlation system, the evapotranspiration of maize field under typical border irrigation in northwest China was continuously observed at Shiyanghe Experimental Station, China Agricultural University from 2015 to 2018. Based on the partial correlation analysis and structural equation model, the relationship between evapotranspiration and meteorological factors during the growth period was analyzed.【Result】During the experiment period, the average evapotranspiration during the growing period of maize field under border irrigation was 524.3 mm, and the average daily evapotranspiration was 3.5 mm/d. The daily evapotranspiration showed a single-peak trend of rising to decreasing and reached its peak in July. Based on the analysis of the relationship between evapotranspiration and environmental factors during the experiment period, it can be seen that the correlation between net radiation and evapotranspiration is the largest, and the top three factors influencing the degree of environmental factors are net radiation, temperature and saturated vapor pressure difference. Based on the structural equation model (SEM), it was found that there was a positive correlation between leaf area index () as an intermediate variable and evapotranspiration, and net radiation, temperature and saturated vapor pressure difference were still the three environmental factors that had the greatest influence on evapotranspiration.【Conclusion】This study can provide a scientific basis for studying typical field evapotranspiration in Northwest China and understanding the impact of environmental change on crop evapotranspiration.

Shiyang River basin; border irrigation; maize; evapotranspiration; partial correlation analysis; structural equation mode

1672 - 3317（2023）09 - 0019 - 06

S565.1；S274

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022656

張霽, 楊天一, 于海超, 等. 石羊河流域典型畦灌玉米蒸散發(fā)量變化規(guī)律及歸因分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(9): 19-24.

ZHANG Ji, YANG Tianyi, YU Haichao, et al. Evapotranspiration Variation and Attribution Analysis of Maize Field under Typical Border Irrigation in Shiyang River Basin[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(9): 19-24.

2022-11-21

2023-07-11

2023-09-15

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFD1900801）

張霽（1975-），男，甘肅古浪人。工程師，主要從事水利科研、節(jié)水灌溉、水土保持、河湖管理等研究。E-mail: 393050318@qq.com

楊天一（1996-），男，河北石家莊人。主要從事作物高效節(jié)水及農(nóng)田通量觀測研究。E-mail: yangtianyi@ms.sjziam.ac.cn

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：韓 洋