河北坝上地区雨养裸燕麦田间蒸散规律

裴宏伟,张红娟,王飞枭,王 鑫,沈彦俊,马 宏

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000； 2. 河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，河北 张家口 075000；3. 张家口市农业高效节水研究所，河北 张家口 075000； 4. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，河北 石家庄 050021)

水资源匮乏是河北坝上等半干旱地区作物生长发育的主要限制因素[1]，同时也是制约农牧业可持续发展的关键资源要素[2]。蒸散(Evapotranspiration，ET)是水在“土壤-作物-大气”系统中循环的重要途径，也是农田水分平衡的关键环节[3-5]。河北坝上位于河北西北部，处于中国北方农牧交错带中部核心区。该地区年降雨量普遍低于400 mm，且年内分配不均匀、年际变化较大[6]，水资源不足成为限制本地区农牧业健康发展的重要资源因素。随着北方农牧交错带农业结构调整工作的不断深入，特别是国家层面对于本地区发展高效农牧业的重大战略需求，裸燕麦作为一种适宜当地气候、具有较高经济价值的粮饲一体作物，成为本地区发展高效农牧业的理想作物种类[7-10]。然而，水是农业的命脉，针对北方农牧交错带寒冷而干旱的气候条件，如何利用有限的水资源实现最高作物产量及水分利用效率，已经成为本地区亟待解决的问题。

雨养作物的田间水分消耗主要通过蒸散耗水来完成，因此，精确估算雨养作物田间蒸散量并明析其变化规律对于作物需水管理、旱情预测等方面具有重要的理论意义及应用价值。当前，国内外学者对测定作物蒸散量的方法进行了大量研究，如波文比量平衡法[11]、涡度相关法[12]、遥感法[13]、大孔径激光闪烁仪法[14-15]和大型称重式蒸渗仪法[16-17]等。其中，通过大型称重式蒸渗仪对作物蒸散量的测定深受广大学者的关注，且大型称重式蒸渗仪法因具有较高的精度，常被用作检验其他方法所测结果的标准方法[18-20]。自20世纪50年代以来，已有许多学者利用大型称重式蒸渗仪对不同管理方式下的小麦、玉米、水稻、马铃薯等作物的田间蒸散耗水规律等进行了大量的研究[21-26]。但是，目前针对河北坝上地区雨养条件下裸燕麦的田间蒸散规律及模拟分析的研究却鲜有报道。本文以河北坝上地区雨养裸燕麦为研究对象，基于参数优化后的RZWQM2模型，对2018、2019年裸燕麦生育期内田间蒸散动态过程进行模拟，并通过大型称重式蒸渗仪测定的试验数据对裸燕麦生育期内各时段的田间蒸散量进行深入研究，分析土壤水分及气象因素对蒸散的影响，以期为河北坝上地区农田水分高效管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年和2019年在张家口市农业高效节水研究所开展。该研究所位于河北省张家口市张北县(41°15′N，114°7′E，海拔约1 393.3 m)，多年(1960—2018年)平均降雨量385 mm左右，年平均气温为3.2℃，属于中温带大陆性季风气候。试验所需的气象数据由该试验区所安装的小型气象站测定，主要包括平均风速(km·d-1)、最高及最低温度(℃)、平均相对湿度(%)、日照时数(h)及降雨量(mm)。土壤含水量由智能测墒系统Insentek Sensor(简称“智墒”，东方智感(浙江)科技股份有限公司生产)测定，监测间隔1 h。

1.2 模型介绍

RZWQM2模型是由美国农业部大平原系统研究所开发，该模型包括土壤化学、土壤物理及土壤微生物的过程，不仅可以较好地模拟作物的生长过程，也能模拟日尺度的土壤蒸发和作物蒸腾。RZWQM2的土壤水平衡模块采用Green-Ampt方程进行土壤水渗透过程的模拟，同时使用Richards方程在不同的土层间重新分配水分。而潜在蒸散发是使用扩展的Shuttleworth-Wallace(S-W)模型来量化裸露或残余覆盖的土壤蒸发和作物蒸腾的每日潜在速率，该方程经过修正，包括空气动力学和能量通量上的地表作物残留动力学。

利用裸燕麦2个完整生育期(2018年和2019年，一年一熟)的实测数据运行S-W模型。所用实测数据包括气象数据(日均最低及最高气温、相对湿度、降雨量、风速等)、作物生长及田间管理数据(株高、叶面积指数、生物量、产量、播种及收获时间、施肥量等)、土壤水分数据、裸燕麦每日田间蒸散量数据以及土壤理化特性参数。

1.3 试验方法

供试裸燕麦品种为坝莜1号，种植方式为条播，裸燕麦分别于2018年6月15日和2019年6 月5日播种， 2018年9月23日和2019年9月11日收获，播种密度为450万株·hm-2，种植行距25 cm，播种深度4 cm。裸燕麦在种植前施入复合肥90 kg·hm-2作为底肥,作物生长期间没有追肥，其他田间管理方式与当地保持一致，裸燕麦2018—2019年生育期见表1。整个生育期内的降雨量分别为146.5 mm和252.8 mm。

表1 裸燕麦生育期(m-d)

裸燕麦种植区域安装有大型称重式蒸渗仪，该蒸渗仪由一个不锈钢铁箱(长×宽×高为2 m×2 m×2.3 m)组成，精度为32 g(约为0.01 mm水层的深度)，其填土土壤物理参数见表2。裸燕麦生育期内，在不进行灌溉处理的条件下每间隔30 min称取填土重量1次。此外，由于蒸渗仪底部无渗漏液出流，故可根据特定时间段内的土体质量变化计算出田间蒸散量。样方内土壤含水率依据在蒸渗仪内安装的智能测墒系统进行物联网自动实时监测[27]，并每间隔7 d左右对裸燕麦的叶面积、株高及生物量进行一次人工测定。

表2 裸燕麦试验区土壤物理参数

1.4 模型评价方法

对RZWQM2模型模拟结果采用绝对平均误差(MAE)、决定系数(R2)和一致性指数(d)进行评价，计算公式：

(1)

(2)

(3)

2 结果与分析

2.1 裸燕麦田间蒸散量模拟动态过程分析

雨养条件下，2018年和2019年裸燕麦田间蒸散量总体拟合趋势呈现“单峰型”曲线(图1)，且实测值与模拟值均在孕穗期达到最大，实测最大值分别为7.2 mm和7.7 mm，模拟值的最大值为6.6 mm和7.0 mm，偏低了8.33%、9.09%(图1)；从表3可以看出，2018年和2019年裸燕麦田间蒸散量模拟结果较好，决定系数(R2)分别为0.71和0.68，一致性指数(d)分别为0.65和0.63，绝对平均误差(MAE)分别为1.11 mm·d-1和1.19 mm·d-1; 2018年裸燕麦生育期内总蒸散量的模拟值为358.73 mm，相比实测总蒸散量高了10.19 mm，而2019年模拟总蒸散量相对实测总蒸散量低了69.5 mm(表4)。

图1 RZWQM2模型对裸燕麦田间蒸散量模拟分析Fig.1 Analysis of evapotranspiration quantity simulation in naked oat field by RZWQM2 model

表3 裸燕麦田间蒸散模拟值与实测值的模拟结果统计分析

表4 裸燕麦生育期内田间蒸散、降雨量及土壤水分变化

2018年和2019年都在生育期前期和后期拟合较好，而在中期拟合偏差相对较大，可能是因为在裸燕麦生育期的前后期，田间蒸散量都较小，而裸燕麦中期为作物生长旺盛阶段，日均蒸散量较大，在同样大小的相对误差情况下，使得在数值上体现出裸燕麦生育期前后期绝对偏差较小，而在生育期中期出现绝对偏差增大的情况。

2.2 裸燕麦生育期内田间蒸散特征

由图2可以看出，裸燕麦整个生育期内孕穗期的日蒸散量最大，而在播种～出苗期的日蒸散量最小，出苗期后日蒸散量呈现逐渐增加的趋势，在孕穗期达到峰值，在开花期～成熟期日蒸散量又逐步下降。

图2 裸燕麦生育期内田间蒸散量与降雨变化特征Fig.2 Characteristics of evapotranspiration and rainfall during the growth period of naked oat

2018年和2019年裸燕麦生育期内逐日蒸散量的变化特征(表5)表明，拔节期～开花期出现日蒸散量最大值，分别为7.20 mm·d-1和7.67 mm·d-1，这一时段日蒸散量平均值分别为4.50 mm·d-1和4.35 mm·d-1；播种期～出苗期日均蒸散量最小值分别为0.10 mm·d-1和0.25 mm·d-1,该时段的日蒸散量平均值分别为0.53 mm·d-1和0.52 mm·d-1；当裸燕麦在开花期～成熟期时，由于作物达到成熟而吸收水分较少，使得日均蒸散量也随之减小，其逐日平均蒸散量分别为1.98 mm·d-1和 2.54 mm·d-1。

表5 裸燕麦各生育期田间蒸散情况

2.3 不同天气下裸燕麦田间逐时蒸散量变化分析

选取了裸燕麦孕穗期的两种典型天气(多云7月9日和晴天7月15日)对逐时蒸散量的变化规律进行分析。裸燕麦田不同天气条件下蒸散量的变化整体呈现早晚变低、中午左右增高的“单峰型”曲线(图3)。在晴天和多云都表现为06∶00左右蒸散量开始逐渐增大，而两种不同天气达到峰值的时间不同，晴天峰值出现在15∶00左右，蒸散量达到了0.73 mm；多云天气则在12∶00左右蒸散量达到最大，最大为0.58 mm，可能是因为在多云天气下正午时分不会出现裸燕麦气孔关闭，与晴天相比出现峰值较早，在峰值过后蒸散量开始降低，到20∶00左右蒸散量开始接近于零，其多云夜间平均蒸散量为0.03 mm；晴天由于正午时刻气温较高使得裸燕麦出现“午休”现象，导致气孔关闭, 降低了蒸散量。多云和晴天两种不同天气的逐时蒸散量变化过程表明，裸燕麦田间蒸散量主要在白天，而在夜间蒸散量较低，趋近于零且相对稳定，由于夜间温度和湿度较低，因此蒸散量较小。

图3 裸燕麦田典型日蒸散量变化Fig.3 Variation of typical daily evapotranspirationin naked oat field

2.4 裸燕麦各生育期日均蒸散量变化特征分析

裸燕麦各生育期的日均蒸散量(图4)表现为：孕穗期>开花期>成熟期>拔节期>出苗期。出苗期裸燕麦蒸散量小于其他生育期，在本研究中因出苗期叶面积较小而未对其进行观测。在拔节期随着气温和叶面积指数的逐渐增大，日均蒸散量也较出苗期增大，日均蒸散量为1.65 mm·d-1。随着裸燕麦的生长发育，土壤的蒸发增大，土壤水分也较拔节期降低，而裸燕麦在孕穗期的叶面积指数大于拔节期，叶面积指数为4.66，因而蒸散量较大，孕穗期内裸燕麦日均蒸散量达到5.41 mm·d-1，是整个生育期中蒸散量最大的阶段；经过孕穗期的蒸散及大量耗水，土壤含水率降低，因而土壤蒸发也降低，但因叶面积指数的增大(LAI=5.07)，裸燕麦的蒸腾量增加，对土壤蒸发的降低进行了弥补，因此其日均蒸散量也相对较大，日均蒸散量为4.91 mm·d-1，相比孕穗期减少了9.24%；而在成熟期叶面积指数相比孕穗期减少了45%，且该生育期作物逐渐成熟，作物所需水分逐渐减小，因而日均蒸散量减小。在裸燕麦整个生育期日均蒸散量变化趋势与指示作物生长状况的叶面积指数高度一致，同时受到气温等环境因子的影响(图4)。在裸燕麦生育初期，由于植株较小(叶面积指数不足1.5)且气温较低，日均蒸散量较低；在裸燕麦生长旺盛的孕穗期和开花期，裸燕麦生长加快，叶面积指数迅速增加(4.66～5.07)，日均蒸散量均显著高于前期；到裸燕麦成熟阶段，叶片的蒸腾能力减弱，加上土壤湿度和气温逐渐降低，因此日均蒸散量相比孕穗期和开花期有明显下降。

图4 裸燕麦各生育期日均蒸散量、叶面积指数、土壤含水率及气温Fig.4 Daily evapotranspiration, leaf area index, soil moisturecontent and temperature of naked oat at each growth stage

3 结 论

研究基于大型称重式蒸渗仪及RZWQM2模型对河北坝上地区2018年和2019年雨养裸燕麦田间蒸散进行测定及模拟，探讨了河北坝上地区裸燕麦整个生育期和典型日田间蒸散特征，并结合其土壤水分、作物产量、叶面积指数、气温及降雨等因素进行分析，得出以下结论：

1)RZWQM2模型在通过扩展的S-W ET模型对2018年和2019年裸燕麦生育期内前后期田间蒸散量的拟合程度表现较好，而在中期拟合相差较大；2018、2019年决定系数(R2)分别为0.71和0.68，平均绝对误差(MAE)分别为1.11 mm·d-1和1.19 mm·d-1, 且整体的模拟结果及趋势与实测结果较为一致，均表现为先增大后减小的态势。

2)2018年和2019年裸燕麦生育期内，田间蒸散量总体呈现先升高后降低的“单峰型”特征曲线，其变化趋势与叶面积指数变化表现为一致的态势，日均蒸散量0.52～5.41 mm·d-1，孕穗期日均蒸散量达到最大，分别为5.02 mm·d-1和5.41 mm·d-1。

3)不同天气条件下逐时蒸散量分析表明，裸燕麦田间逐时蒸散量基本呈现为早晚较低、中午较高的“单峰型”曲线，多云和晴天下的逐时蒸散变化趋势一致，蒸散都主要集中在白天，但多云天气下蒸散量较低。