肖然 朱永华 吕海深

摘要：为了更加准确地估算淮北平原夏玉米（Zea mays L.）蒸散量，基于安徽省蚌埠市五道沟水文试验站实测的叶面积指数数据，对FAO双作物系数法中的基础作物系数（Kcb）和土面蒸发系数（Ke）的计算方法进行改进;并以2016、2017两年基于蒸渗仪实测的夏玉米蒸散量对FAO双作物系数法和改进双作物系数法的估算结果的准确性进行评估。结果表明，改进双作物系数法在夏玉米各生长阶段及全生育期的估算结果准确性都高于FAO双作物系数法;改进双作物系数法在夏玉米拔节期至抽雄期的蒸散量计算中改进效果最为明显。说明改进双作物系数法更适用于淮北平原夏玉米蒸散量的估算。

关键词：夏玉米（Zea mays L.）;叶面积指数;作物系数法;作物蒸散量;淮北平原

中图分类号：S513         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）09-0033-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.008           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： In order to estimate the crop evapotranspiration of summer maize（Zea mays L.） in Huaibei plain more accurately， the calculate methods of the basal crop coefficient（Kcb） and the soil evaporation coefficient（Ke） in FAO dual crop coefficient approach were improved using the leaf area index data， which was measured by summer maize experiment in Wudaogou Hydrology Experimental Station in Bengbu city，Anhui province. Then the accuracy of the estimated results by FAO and improved dual crop coefficient approach was evaluated by comparing the estimated values and the observation values which were obtained by lysimeters. The results showed that the accuracy of the improved dual crop coefficient approach was higher than that of FAO dual crop coefficient approach in all growth stages and the whole growth period of summer maize. The improved dual crop coefficient approach was the most effective in the evapotranspiration calculation of summer maize between jointingstage and tasseling stage. The improved dual crop coefficient approach was more suitable for the estimation of evapotranspiration of summer maize in Huaibei plain.

Key words： summer maize（Zea mays L.）; leaf area index; crop coefficient approach; crop evapotranspiration; Huaibei plain

蒸散作為惟一在地表能量平衡和水量平衡中都出现的因素，是连接生态与水文过程的重要纽带，也是制定农田灌溉计划的关键环节[1]。目前 60%～70%的地表降水会通过蒸散返回大气[2]，且超过90%的农业用水最终以蒸散的形式消耗[3，4]，因此农田蒸散量的准确估算对区域灌溉制度的制定和作物水分生产力提升的意义重大[5，6]。

FAO双作物系数法能划分作物蒸腾量和土壤蒸发量，在制定精细农业灌溉方案时广泛应用，然而其准确性仍有很大提高空间，一方面不同地区的自然条件和种植方式等因素差异较大，原本的修正方式在不同地区的适用性不同;另一方面FAO双作物系数法中的基础作物系数（Kcb）曲线只由确定的3个节点然后线性插值得到，对作物生长过程处理有所简化，会带来一定误差。针对上述两点不足，引入叶面积指数（LAI）对FAO双作物系数法中Kcb和土面蒸发系数（Ke）的修正方式进行改进。LAI能够反映作物生长和下垫面状况，其大小对净辐射在土壤表面和作物冠层的分布影响较大，而净辐射是蒸发和蒸腾能量的主要来源，据此改进计算可得到更贴合作物实际生长状况的Kcb曲线和更好地模拟作物覆盖程度的Ke。已有一些相关研究，如冯禹等[7]引入LAI动态修正FAO双作物系数法，以山西省寿阳县为研究区，进行半湿润区旱作玉米蒸散量的估算，发现修正后的双作物系数法能很好地估算玉米蒸散量;闫浩芳等[8]引入LAI和土壤含水率改进FAO双作物系数法，以江苏省镇江市为研究区，进行湿润区温室黄瓜蒸散量的估算，也取得了良好效果。目前在湿润区和半湿润区的过渡带淮北平原，还未有相关研究。

淮北平原是中国重要的粮食生产基地，降水量年际年内分布不均，旱涝灾害频发，需制定科学精确的灌排方案以保证水资源的充分利用和农作物产量。夏玉米是当地主要农作物之一。因此，本试验以安徽省蚌埠市为研究区，基于2016、2017年在五道沟水文试验站进行的夏玉米种植试验观测数据，对FAO双作物系数法（以下简称FAO法）进行改进，然后采用改进双作物系数法（以下简称改进法）对研究区夏玉米蒸散量进行估算。

1  材料与方法

1.1  研究区域概况

试验在安徽省蚌埠市五道沟镇水文试验站（117°21′E，33°09′N）进行。该站位于淮北平原南部，属暖温带湿润季风气候区，多年平均气温为15.4 ℃，多年平均降水量为926.3 mm，降水量年际间波动较大且年内分布不均，多集中在夏季，旱涝灾害频发。

试验区土壤质地为粉沙质黏壤土，平均田间持水率为38.89%，凋萎含水率为21.5%，土壤质地黏重，结构不良，土体坚实，土壤保水性能差，易干旱。

1.2  试验设计

试验在大型称重式蒸渗仪中进行，型号为QYZS-201，共4台，规格为2 m×2 m×2.3 m，质量约15 t，测定精度为0.02 mm。

2016年于6月23日播种，9月30日收获;2017年于6月16日播种，9月28日收获。种植密度为6株/m2，出苗后视情况进行补苗，品种为联创808，两年的全生育期分别为100、105 d。播种前进行小麦秸秆全量还田，生育期内喷灌两次，尿素和专用复合肥（N、P、K养分各20%）各施用1 000 kg/hm2。

1.3  数据来源

1）气象资料。研究所用气象数据来源于中国气象数据网地面资料，涉及的气象因素包括气温、风速、气压、日照等。

2）株高和叶面积指数。在夏玉米全生育期内每周测量玉米的叶面积和株高，用卷尺量取株高，用毫米方格纸读取叶面积。结合蒸渗仪的实际植株密度，计算叶面积指数。

3）夏玉米实际蒸散量。夏玉米实际蒸散量数据由采集系统自动收集和记录，时间间隔为1 h，日蒸散量由24 h数据累计得到。

1.4  改进双作物系数法

双作物系数法计算作物蒸散量（ETc）。

式中，Ks是土壤水分胁迫系数;Kcb是基础作物系数;Ke是土壤蒸发系数;ET0是参考作物蒸散量（mm），采用Penman-Montieth公式计算得到[9]。

1.4.1  对基础作物系数的改进  在改进双作物系数法中，对基础作物系数（Kcb）的改进通过引入由LAI计算的冠层覆盖系数（Kcc）来实现[7]，Kcb和Kcc的计算分别见式（2）、式（3）。

式中，Kc，min是裸土最小作物系数，本次取值为0.1[7];kk是辐射的冠层衰减系数，取值为0.7[7];Kcb，full是作物完全覆盖地表时的最大基础作物系数值，计算方法详见参考文献[10]。

1.4.2  对土壤蒸发系数的改进  对土壤蒸发系数（Ke）的改进通过采用LAI表示的作物覆盖率（fc）计算Ke中的裸露湿润土壤表面比例（few）来实现，Ke、few、fc计算分别见式（4）、式（5）、式（6）。

式中，Kr为土壤蒸发衰减系数;Kc，max为Kc的最大值;1-fc为裸露土壤平均比值;fw为降雨湿润土壤表面平均比值。

1.5  误差评价指标

分别采用决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（AAE）对两种方法估算的夏玉米蒸散量进行误差评价。

R2反映估算值和实测值相关的密切程度，R2越接近于1，相关性越好;RMSE和AAE都表示估算值和实测值之间的偏差，RMSE对异常值更加敏感，而AAE主要反映估算值和实测值的数值接近程度，RMSE和AAE越小，计算结果越准确。

2  结果与分析

FAO双作物系数法根据对地面覆盖程度将作物生长划分为4个阶段，本试验在改进双作物系数法中，作物生长阶段采用在试验地实际观测的夏玉米生长期，分别为播种期至拔节期、拔节期至抽雄期、抽雄期至灌浆期和灌浆期至成熟期。2016年夏玉米4个生长阶段分别为20、37、12、31 d;2017年夏玉米4个生长阶段分别为20、38、14、33 d。

图1是用FAO法和改进法估算得出的夏玉米蒸散量与实测值对比，从图1可以看出，改进法的估算结果比FAO法的更为贴近实测值，这种优势在播种后25～50 d最為明显;且改进法对较大值和较小值的模拟情况也优于FAO法，这一点在2017年表现得更明显;2016年的夏玉米蒸散量变化较为平稳而2017年变化幅度更大，波动也更频繁，改进法在波峰波谷处的模拟准确度高于FAO法。

表1和表2分别是2016年和2017年两种方法估算结果与误差对比。从全生育期来看，两个年份改进法估算结果的R2都比FAO法的更接近于1，而其RMSE和AAE都小于FAO法的，说明在估算研究区夏玉米蒸散量总值方面改进法比FAO法更适合。从各生长阶段来看，改进法的优势在拔节期至抽雄期最明显（改进法的RMSE和AAE比FAO法减小最多），在抽雄期至灌浆期和灌浆期至成熟期次之，在播种期至拔节期最不明显。这是因为在播种期至拔节期植株很小，不管是FAO法和改进法估算出的作物蒸腾量都非常小，蒸散量主要由土面蒸发量构成;而拔节期至抽雄期是作物生长最旺盛的阶段，作物蒸散量变化最大，与FAO法相比，改进法获得的作物系数曲线更接近实际情况，所以在这一阶段改进法的优势体现得最为明显。

从表1和表2还可以看出，两个生育期内FAO法的估算结果在各生长阶段都低估了夏玉米蒸散量，而改进法除在播种期至拔节期出现低估外，在其他3个生长阶段都高估了夏玉米蒸散量。FAO法低估的原因主要由作物品种差异造成，FAO-56所推荐的玉米最大株高为2 m，而本试验中玉米的最大株高平均在3 m左右;改进法在灌浆期至成熟期高估的原因主要是植物生长末期叶片蒸腾能力下降，试验过程中发现在玉米进入成熟期后，有些叶片虽未凋萎但已部分变黄，以LAI估算这些叶片的蒸腾量就会高于实测值。改进法在播种期至拔节期的低估和在拔节期至抽雄期、抽雄期至灌浆期的高估未能明确具体原因，有待进一步探究。

3  小结

本试验基于安徽省蚌埠市五道沟水文试验站2016、2017年夏玉米蒸渗仪试验实测的LAI数据对FAO双作物系数法进行改进，并采用蒸渗仪实测的夏玉米蒸散量对FAO法和改进法的估算结果进行验证，结论如下。

1）改进双作物系数法能更为准确地估算淮北平原夏玉米全生育期蒸散量总值。夏玉米全生育期蒸散量2016、2017年实测值分别为422.77、405.19 mm;改进双作物系数法的估算值、R2、RMSE、AAE分别为438.22 mm、0.93、0.49 mm/d、0.10 mm/d（2016年）和415.93 mm、0.85、0.67 mm/d、0.10 mm/d（2017年）;FAO双作物系数法的估算值、R2、RMSE、AAE分别为374.70 mm、0.73、0.82 mm/d、0.49 mm/d（2016年）和362.40 mm、0.66、1.21 mm/d、0.41 mm/d（2017年）。

2）改进双作物系数法在各生长阶段也都能更准确地估算夏玉米蒸散量。相较于FAO双作物系数法，改进双作物系数法在拔节期至抽雄期的改进效果最为明显，在抽雄期至灌浆期和灌浆期至成熟期次之，在播种期至拔节期最不明显。

3）对改进法在播种期至拔节期低估夏玉米蒸散量，在拔节期至抽雄期和抽雄期至灌浆期都高估夏玉米蒸散量的原因有待进一步研究明确。

淮北平原主要农作物为冬小麦和夏玉米，改进双作物系数法对冬小麦蒸散量估算的适用性还需要更多试验验证。

参考文献：

[1] 张宝忠，许  迪，刘  钰，等.多尺度蒸散发估测与时空尺度拓展方法研究进展[J].农业工程学报，2015，31（6）：8-16.

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[3] DING R S，KANG S Z，ZHANG Y Q，et al. Partitioning evapotranspiration into soil evaporation and transpiration using a modified dual crop coefficient model in irrigated maize field with ground-mulching[J].Agricultural water management，2013， 127：85-96.

[4] RANA G，KATERJI N. Measurement and estimation of actual evapotranspiration in the field under mediterranean climate：A review[J].European journal of agronomy，2000，13：125-153.

[5] 梅旭荣，康绍忠，于  强，等.协同提升黄淮海平原作物生产力与农田水分利用效率途径[J].中国农业科学，2013，46（6）：1149-1157.

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[7] 冯  禹，崔宁博，龚道枝，等.基于叶面积指数改进双作物系数法估算旱作玉米蒸散[J].农业工程学报，2016，32（9）：90-98.

[8] 闫浩芳，毋海梅，张  川，等.基于修正双作物系数模型估算温室黄瓜不同季节腾发量[J].农业工程学报，2018，34（15）：117-125.

[9] ALLEN R G，PEREIRAL L S，RAES D，et al. Crop evapotranspiration：Guidelines for computing crop water requirements[M].Rome：FAO irrigation and drainage paper，1998.56.

[10] 刘  琦，龚道枝，郝卫平，等.利用AquaCrop模型模拟旱作覆膜春玉米耗水和产量[J].灌溉排水学报，2015，34（6）：54-61.

收稿日期：2019-01-25

基金项目：国家自然科学基金项目（2016YFA0601504;41571015;41371049）

作者简介：肖  然（1993-），女，河北唐山人，在读硕士研究生，研究方向为生态水文与水环境保护，（电话）13317115622（电子信箱）2454260651@qq.com;通信作者，朱永华（1970-），女，教授，博士，主要从事生态水文与水环境保护研究，（电子信箱）zhuyonghua@hhu.edu.cn。