邬佳宾，马玉峰，郑和祥，曹雪松

(1.水利部牧区水利科学研究所， 内蒙古 呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区气候中心， 内蒙古 呼和浩特 010051)

作物腾发量的确定对于实现水资源高效利用及农业水资源的调控具有十分重要的意义。腾发量包括地表的蒸发和植物的散发，不仅是地表水量和热量平衡的重要参数，也是区域水循环和地表能量循环的重要组成部分[1]。准确计算作物蒸散量，对分析田间水热分布状况[2]、农田作物栽培和区域水资源合理分配利用具有重要意义[3]。

在此背景下，许多学者开展了对蒸散耗水机理和估算方法的研究，并取得了一些重要成果。对于潜在蒸散发的估算方法应用最广泛的有水量平衡法、辐射能量法、温度法和综合法[4]。联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith公式反映了气候要素的综合影响[5]，考虑了气温、气压、太阳辐射、风速等气象因子，模型的稳定性较好，计算结果准确。同时由于实用性强等特点，很多研究都选用Penman-Monteith公式计算参考作物腾发量，并结合作物系数计算作物实际腾发量[6-7]。国际粮农组织推荐有单作物系数和双作物系数模型，其中双作物系数模型分别估算植株蒸腾和土面蒸发[8-10]，因此对作物实际腾发量的估算更为准确，并在国内外相关研究中广泛应用[11]。通过计算土壤蒸发系数和基础作物系数，用双作物系数方法分别考虑土壤蒸发和植物蒸腾，结果表明这种方法比单一作物系数方法更精确[12]，尤其是当作物不完全覆盖地面时[13]。采用双作物系数法和基于多源模型的利用相邻作物品种的辐射截留技术，对中国西北干旱区制种玉米的蒸散量进行研究，结果表明双作物系数法估算的ET在中期接近作物实测蒸散发值，在初期和发展阶段均高于作物实测蒸散发值[14]。利用双作物系数模型估算间作系统的研究较多[15]，但仍需要针对不同耕作条件下的作物系数进行修正以提高计算精度[16]。

本研究通过田间实测气象数据、株高、叶面积指数、覆膜情况、水分及盐分胁迫等信息对基本作物系数(Kcb)和蒸发系数(Ke)进行了修正，并基于Penman-Monteith模型，采用修正作物系数计算玉米蒸散量。通过对模型计算值与田间实测值的研究，提出适合于覆膜播种、受水盐胁迫等耕作条件下更精确的玉米蒸散量计算方法，并对单作物系数、双作物系数和修正作物系数法计算的玉米需水量进行比较，分析其差异及原因，以期为制定准确的计算玉米需水量提供技术支撑，为制定科学合理的灌溉制度提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于内蒙古自治区杭锦后旗境内，地理位置为东经107°09′，北纬40°55′，地面高程1 035 m。试验区地处半干旱地区，年平均气温6.9℃，多年平均无霜期160 d，年平均日照时数3 189 h，年平均风速在2.7 m/s左右，平均降水量为142.1 mm，年平均蒸发量为2 306.5 mm，属于温带大陆性气候。地下水埋深较浅，多年平均为1.66 m，主要作物有玉米、小麦和葵花。根系层土壤性质如表1所示。

试验区玉米种植品种为巴单3号，玉米田间管理措施及灌溉制度均采用所处灌区现行的管理措施及灌溉制度。试验中灌溉方式采用畦灌，玉米生育期共计灌水5轮，灌水定额为91.2 mm～133.5 mm，灌水量合计为523.8 mm。

表1 研究区土壤性质

1.2 试验设计

试验田的农艺管理措施及田间管理措施与杭锦后旗农户普遍采取的措施基本一致。试验田面积为900 m2。通过田间实测气象数据、株高、叶面积指数、覆膜情况、水分及盐分胁迫等信息对基本作物系数(Kcb)和蒸发系数(Ke)进行了修正，并基于Penman-Monteith模型，采用修正作物系数计算玉米蒸散量。通过对模型计算值与田间实测值的研究，提出适合于覆膜播种、受水盐胁迫等耕作条件下更精确的玉米蒸散量计算方法，并对单作物系数、双作物系数和修正作物系数法计算的玉米需水量进行比较，分析其差异及原因。

1.3 数据采集

1.3.1 气象资料

气象资料由农田全自动微气象站收集，每隔2 h自动采集一次。气象数据包括气温、风速、湿度、辐射、气压、降雨量等各项数据，满足Penman-Monteith模型应用条件。

1.3.2 田间试验观测

试验田取土后带回实验室进行土壤相关物理性质的测定，土壤水分特征曲线采用压力薄膜仪法实验室测定，土壤水扩散率采用水平土柱吸渗法测定。玉米生育期土壤含水率采用烘干法及TDR法联合观测，土壤盐分采用掺杂法测定，土壤基质势采用负压表型张力计进行测量每周实地取样测定一次，灌前、灌后及较大降雨后加测。采用田口量水堰对灌溉水进行量测，有效降雨量则在气象站实测基础上考虑作物冠层截留确定。玉米生育期田间水循环中各个水分的观测和计算满足水量平衡分析要求，通过水量平衡法确定玉米实际蒸散发。

1.3.3 玉米生长指标观测

玉米植株高度，茎粗、叶片数目、叶面积等生育指标采用定株观测，每两周量测记录一次。全生育期对玉米物候期进行观测并记录，玉米成熟后测定其产量数据。为了使结果更加准确，实验数据采用2004年—2005年两年田间试验数据的平均值。

1.4 基于水量平衡法的玉米实际腾发量

按照水量平衡原理,可以得到以水量平衡为基础的计算玉米实际蒸发蒸腾量的公式：

ETc=I+P-ΔW+G-D

(1)

式中:ΔW为根系层土壤水变化量,mm；I为灌水量,mm；P为降水,mm；G为地下水补给量,mm；D为土壤水渗漏量,mm；ETc为作物蒸发蒸腾量,mm。

水量平衡方程中，灌溉水量、降水量及土壤水变化量通过试验实测得到，地下水补给量和土壤水渗漏量则通过实测田间土壤非饱和导水率和土水势，利用达西公式计算得到。通过水量平衡法即可计算得到玉米实际腾发量。

1.5 模型描述

1.5.1 参考作物蒸发蒸腾量

参考作物蒸发蒸腾量(ET0)的计算方法很多,本文采用国内外应用最为普遍的Penman-Monteith公式对ET0进行计算：

(2)

式中:Rn为净辐射,MJ/(m2·d)；G为土壤热通量,MJ/(m2·d)；γ为湿度计常数,kPa/℃；T为2 m高度处日平均温度,℃；ea为气温T下的饱和水汽压,kPa；ed为实际水汽压,kPa；u2为2 m高处的风速,m/s；Δ为气温T下的饱和水汽压与温度的关系曲线的斜率,kPa/℃。

1.5.2 不同方法下玉米实际腾发量计算

根据作物系数的不同确定方法，玉米实际腾发量可以采用单作物系数法、双作物系数法和修正作物系数法进行计算，计算公式分别如式(3)—式(5)所示。

ETc=Kc·ET0

(3)

ETc=(Kcb+Ke)ET0

(4)

ETc=(Ks1Ks2Kcb+Ke)ET0

(5)

式中:ETc为作物蒸发蒸腾量,mm/d；Kc为综合作物系数；Kcb为基础作物系数；Ke为土壤蒸发系数；Ks1为水分胁迫系数；Ks2为盐分胁迫系数。

相关计算过程在FAO 56中详细给出，本文不再赘述。

2 结果与讨论

2.1 基于水量平衡的玉米实际蒸散发

基于田间试验和水分平衡方法获取的田间水分各分量和玉米实际蒸散发及田间水分各分量如表2所示。

表2 基于田间水量平衡方法的玉米实际蒸散发 单位：mm

由表2可知，玉米四个生育阶段苗期-拔节、拔节-抽雄、抽雄-灌浆、灌浆-成熟所对应的实际蒸散发分别为101.6 mm、154.0 mm、194.3 mm和133.5 mm，随着玉米生长发育，玉米实际蒸散发表现出“低—高—低”的变化规律。玉米全生育期合计蒸散量为583.4 mm，其构成包括灌溉水523.8 mm，有效降水65.6 mm，水分渗漏60.5 mm，消耗土壤水分54.6 mm。玉米全生育期有效降水累计为65.6 mm。由于所处灌区地下水位较浅，平均仅为1.66 m，因此根系层水分渗漏与地下水补给则表现出相互交换的趋势。表中第四列数据反映出其根层渗漏水量与地下水补给量变化规律，当补给量大于渗漏量时，该项数值为正值，反之则为负值，全生育期累计渗漏量为60.5 mm。表中最后一类数据为根层土壤储水量的变化，数值为负表明时段末土壤储水量小于时段初土壤储水量，土壤含水率及储水量均呈现出下降趋势，全生育期利用根层土壤储水量54.5 mm。

2.2 基于不同作物系数玉米腾发量计算

单作物系数法将作物蒸腾和土壤蒸发的影响统一考虑。对于常规的灌溉规划、基本灌溉制度确定以及大多数水平衡研究，单作物系数法比用独立使用作物蒸腾系数和土壤蒸发系数的双作物系数法更加适宜和方便。双作物系数法以日为计算单元，较单作物系数计算更为复杂且计算量较大，但是双作物系数将作物蒸腾系数和土壤蒸发系数区分开，使得作物蒸散过程机理得以体现。修正作物系数首先考虑地膜对玉米蒸腾量的影响，依照试验田传统种植管理习惯，玉米种植时往往采用覆膜播种。地膜的主要作用是减小土壤表层的水分蒸发，地膜覆盖下作物的蒸腾量与无覆膜作物相比蒸腾量平均增加10%～30%，土壤的蒸发量则减少了50%～80%，因此作物系数平均减小10%～30%[16]。此外修正作物系数考虑了土壤水分、盐分胁迫，并对作物系数进行了修正。采用地面灌溉后，土壤较为湿润时，土壤水分具有较高的势能，容易被玉米根系所吸收。随着土壤变得干燥，土壤水分势能降低到一定程度，玉米发生水分胁迫现象，为了表达水分胁迫对玉米腾发量的影响，引入水分胁迫系数Ks1对作物系数进行修正。由于研究区地处轻度盐碱化地区，土壤溶液中的盐分减少了土壤中玉米可利用的有效水量，从而使得玉米腾发量降低。因此引入盐分胁迫系数Ks2对作物系数进行修正，来反映盐分胁迫对于玉米腾发量的影响，盐分胁迫系数计算过程及相关参数取值来源于FAO 56。经计算，单作物系数、双作物系数、修正作物系数三种玉米作物系数的计算结果如图1所示。

图1 玉米生育期作物系数变化图

由作物系数图1可见，玉米生育期作物系数基本上表现为四个阶段，其中玉米生育初期，作物系数较小且比较均一，随着玉米生长发育，进入生育前期后作物系数逐渐增加，直至玉米进入生育中期，作物系数保持在一个较高水平且变化不大，玉米进入生育后期，作物系数逐渐下降直至收获。作物系数的走势反映了玉米全生育期腾发量的变化趋势，也符合玉米生长发育规律。基于作物系数就可以计算玉米实际腾发量，结果如图2所示。

根据不同计算方法得到玉米作物系数与参考作物腾发量，就可以计算出玉米全生育期的逐日腾发量。图2展示了玉米全生育期ET0及不同作物系数方法下计算得到的玉米腾发量，三种方法得到的玉米腾发量变化均随玉米生长发育呈现出先增加后下降的趋势。

图2 玉米腾发量变化图

2.3 玉米实际腾发量与计算值的比较

按照玉米生育阶段将生育期划分为四个阶段，分别是苗期—拔节、拔节—抽雄、抽雄—灌浆、灌浆—成熟，对应每个阶段的腾发量及不同作物系数计算值如表3所示。

表3 玉米实际腾发量与计算值的比较

根据水量平衡法计算结果，玉米全生育期腾发量共计583.4 mm，苗期—拔节、拔节—抽雄、抽雄—灌浆、灌浆—成熟四个生育阶段的腾发量分别为101.6 mm、154.0 mm、194.3 mm和133.5 mm。水量平衡法作为最经典的分析方法，由此得到的玉米腾发量认为就是玉米的实际腾发量。在苗期—拔节、拔节—抽雄两个玉米生育前期，单作物系数法低估了玉米腾发量，误差分别为-13.1%、-30.2%；而双作物系数法则高估了玉米腾发量，误差分别为9.2%、6.3%；修正作物系数法则较为准确的计算了玉米腾发量，其误差仅为0.9%和0.8%。抽雄—灌浆、灌浆—成熟为玉米生育中后期，三种作物系数法均不同程度的高估了玉米腾散量，其中修正作物系数法估算误差最小，精度最高。从玉米全生育期分析，单作物系数法和双作物系数法对玉米腾散量的估算误差为6.6%和8.1%，而修正作物系数估算误差仅为1.9%，且玉米各生育阶段计算误差均小于3%。可见修正作物系数法较为准确的估算了半干旱区玉米腾发量。

3 结 论

水量平衡法分析结果及三种不同作物系数法的计算结果均表明，玉米腾散量变化呈现出前期逐渐增加，中期较为稳定，后期逐渐下降的趋势。水量平衡法中，根层渗漏量与地下水补给量的此消彼长说明在浅地下水位灌区，地下水与土壤水有着频繁的交换，灌溉初期产生的渗漏水可能在后期土壤干旱时通过地下水补给的形式为作物所利用。

修正作物系数法可以较为准确估算玉米各生育阶段及整个生育期的腾发量，各生育结算计算误差均低于3%，整个生育期的计算精度达到1.9%，其计算精度优于单作物系数法和双作物系数法。修正作物系数法考虑了作物田间管理措施和农田实际情况对玉米腾发量的影响，例如地膜覆盖、水盐胁迫等因素，因此具有较强的计算机理，也更加贴合实际况，计算精度也更为理想。