2009–2016 年中国农业大学石羊河实验站玉米日耗水量数据集

马一宁，丁日升，佟玲*，康绍忠，李思恩，杜太生

1.中国农业大学，中国农业水问题研究中心，北京 100083

2.甘肃武威绿洲农业高效用水国家野外科学观测研究站，甘肃武威 733009

引 言

水资源短缺已经成为制约粮食生产的主要障碍[1-3]，农业灌溉约占总用水量的70%，但有约99%的农田用水通过蒸发蒸腾损失[4-5]。蒸发蒸腾机制在作物生长发育中发挥着水分供应通路并为之提供动能的重要作用，不仅决定着农田边界层的状况，也直接关乎区域农作物产量[6-8]。诸多学者针对计算作物耗水量即农田实际蒸散量开展了很多研究。目前确定作物耗水量的主要方法有：土壤水量平衡法[9]、空气动力学法[10-11]、蒸渗仪法[12-14]、遥感法[15-16]、波文比能量平衡法[17]和涡度相关法[18-19]等。各种方法各有利弊，其中蒸渗仪法（Lysimeter）应用较为广泛。蒸渗仪法在使用时将装有土体和植被的容器没于自然土壤中，通过对土体水分进行调控来模拟蒸散过程[20-22]，可分为称重式和非称重式两种。非称重式蒸渗仪通过控制地下水位测定补偿水量，安装简便，价格相对较低。称重式蒸渗仪通过在特别设计的钢结构容器内承装土体，进而对土体的总重量，以及其上种植的相关作物进行称重测量。按结构可分为液压式、机械式、电子称重式等，能够获得更加准确的短期蒸散量数据，但造价相对较高。

目前已发表的蒸渗仪监测数据集主要有两个特点：一是使用小型蒸渗仪获取样地蒸发蒸腾量数据[23-26]，二是提供的数据周期相对较短，多为一年数据[27-29]。而对于田间作物，其耗水规律的研究往往需要多年的数据支撑。逐日的耗水量数据对了解玉米耗水量规律至关重要，可为科学合理地制定灌水定额，提高用水效率提供一定的数据支持。

本数据集提供了中国农业大学石羊河实验站内大型称重式蒸渗仪实测的耗水量、灌溉量和降水量数据，时间分辨率为日尺度，种植作物为玉米，灌溉方式为畦灌，数据范围为2009–2016 年。经过数据处理、质量控制和评估，以日为尺度公开。本文详细介绍数据采集和处理方法，以便于用户更好地使用本数据集，以期为区域农业水资源高效利用提供依据。

1 数据采集和处理方法

1.1 研究区及试验布置

实验于2009–2016 年在中国农业大学石羊河实验站的覆膜玉米试验田进行。实验站位于中国甘肃省武威市凉州区（37°52′20″N，102°50′50″E），地处腾格里沙漠边缘。该地区深居大陆腹地，属于典型的内陆干旱荒漠气候，光热资源非常丰富，全年日照时数达3000 h 以上，无霜期150 d 以上，年均总积温3550 ℃（0 ℃为基准温度），年均气温8 ℃，年均风速1.3 m/s。降水量164 mm，水面蒸发量约2000 mm，地下水位低于25 m。土壤质地以砂壤土为主。

实验测量在玉米测坑中进行，灌溉方式为畦灌，图1 为玉米测验地。站内大型称重式蒸渗仪安装在距离玉米试验田40 m 处东向。蒸渗仪内的土壤为回填壤土，0～2.0 m 深度的平均容重为1.45 g/cm3，田间持水量为0.36 m3/m3，凋萎点含水量为0.16 cm3/cm3。

图1 玉米试验地Figure 1 Maize trial plot

1.2 数据来源

本数据集为中国农业大学石羊河实验站内大型称重式蒸渗仪实测的玉米耗水量数据，时间分辨率为日尺度，灌溉方式为畦灌，数据范围为2009 年4 月22 日至2016 年7 月20 日。站内工作人员严格依据数据处理规范和标准，对数据进行处理分析和质量审核，最终形成符合观测规范的文件。

1.3 观测仪器设施

用高精度的大型称重式蒸渗仪测定玉米的每日耗水量情况。高精度大型称重式蒸渗仪由西安碧水环境新技术有限公司研制，型号为BSI-L08W。图2 为大型称重式蒸渗仪地上和地下结构示意图，蒸渗仪箱体为立方体，规格为2.0 m×2.0 m×2.3 m，箱底至以上0.3 m 为反滤层。箱体铁板高出土柱表面0.12 m，箱内土面与箱外地面齐平。蒸渗仪通过杠杆平衡原理经过4 次转换后利用高精度天平称量重量变化，精度可达到0.2 kg（0.04 mm）。蒸渗仪土壤在周边分层取土，过5.0 mm 筛子后按0.1 m 分层回填，距离地面0～0.8 m 深度土壤容重为1.4 g/cm3，1.2～2.0 m 深度土壤容重为1.5 g/cm3。

图2 大型称重式蒸渗仪数据显示屏(a)和地下结构示意图(b)Figure 2 Data display (a) and schematic diagram of the underground structure (b) of the weighting lysimeter

蒸渗仪主要由4 部分组成：主体、称重、排水、数据采集系统。主体系统指装有非饱和土柱的箱体，被底座支撑。称重系统将箱体（土箱和土体等）经过4 次杠杆平衡转换后用德国Sartorius 电子天平称量，精度0.1 g。通过增减砝码使得天平保持平衡，直接测量土体水重的变化量。排水系统由主体系统底部开设的排水小口以及接水容器组成，在排水口安装传感器实时监测排水量，精度为50 mm。数据采集控制系统由工业计算机和采集软件组成。

1.4 数据采集

蒸渗仪每小时采集一次数据。在每次开始采集数据的前两分钟进行预采集，控制中心向称重系统发出称重信号，随即称重系统开始工作。以一小时内前后的差值作为该时段蒸渗仪测得的土体水量的变化量。通过仪器内部换算，系统自动保存所测得数据，图3 为仪器数据输出界面。

图3 仪器数据输出界面Figure 3 Instrument data output interface

在获取蒸渗仪所测数据后，由小时尺度数据累加获得日尺度数据。通过结合当日内的降水量和灌溉量以获取最终玉米试验田的耗水量数据。降水量由站内气象站测得，灌溉量由水表记录。通过同一时间段内的降水量、灌溉量和蒸渗仪实测数据可得到该时段的玉米耗水量数据（公式1）。

式中，E为玉米日耗水量（mm）；Ei′为第i小时的蒸渗仪观测值（mm），i为一日内24 小时（i=1,2, 3,…, 24）；P为降水量（mm）；I为灌溉量（mm）。

2 数据样本描述

通过对数据进行整理分析形成本数据集，命名为：2009–2016 年中国农业大学石羊河实验站玉米日耗水量数据集.xlsx。内含1 个数据表，命名为“蒸渗仪”，由4 列（即：测定日期、玉米日耗水量E、灌溉量I和降水量P）、共1323 行组成（表1）。

表1 数据样本展示Table 1 Sample data

“蒸渗仪”监测时间为2009 年4 月22 日至2016 年7 月20 日，具体监测年份及监测起始终止日期见表2。数据集的种植作物为玉米，灌溉方式为畦灌。

表2 大型称重式蒸渗仪监测时间Table 2 Monitoring dates for the weighting lysimeter

3 数据质量控制和评估

影响蒸渗仪测定值的因素包括安装位置、种植密度、作物长势、叶面积等，因此有必要对蒸渗仪测定的蒸散量进行数据可靠性分析。已有研究对试验站内大型称重式蒸渗仪监测数据的可靠性进行分析，结果表明该蒸渗仪测定结果具有一定的可靠性[30-32]。

受不可控制因素影响，本数据集存在少量的数据缺失情况。当小时数据缺失，根据参考作物蒸发蒸腾量（ET0）和作物系数（Kc）计算得到当日作物蒸发蒸腾量（ETc）（公式2 和公式3）[33]，同时结合缺失数据前后ETc的变化趋势进行插补。

式中，ETc为当日作物蒸发蒸腾量（mm·d-1）；Kc为作物系数；ET0为参考作物蒸发蒸腾量（mm·d-1）；T 为2 m 处的日平均气温（℃）；u2为冠层上方2 m 处的风速（m·s-1）；Δ 为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率（kPa/℃）；Rn为太阳净辐射（MJ·m-2·d-1）；G 为土壤热通量（MJ·m-2·d-1）；es为饱和水汽压（kPa）；ea为实际水汽压（kPa）；es-ea为饱和水汽压差（kPa）；γ为湿度计常数（kPa/℃）。

玉米生育前期、中期和后期的Kc参考FAO-56 提供的作物系数参考值[33]。

除此之外，试验站内相关研究员进行了数据观测和采集的专业培训，可以有效依据各标准规范，并结野外实际情况，严格参照仪器操作、数据采集等标准流程和规范进行实际操作。试验站内相关仪器设施均会定期进行检查与维护，以保证仪器设备的正常运行和测定结果的可用性与准确性。

4 数据价值

蒸渗仪作为测定农田蒸腾蒸发的标准仪器，在农田水文研究上已应用百余年[34]。目前，蒸渗仪在农田水文上的应用主要有3 个方面[35-37]：（1）测定作物蒸腾量，以研究作物耗水规律；（2）测定土壤水向下的渗漏量，以研究土壤水量平衡和地下水补给情况；（3）通过连接传感器或与其他仪器一起使用，测定土壤水中各化学成分的含量，以研究化肥、农药或重金属等物质对土壤水和地下水的影响。大型称重式蒸渗仪可以在一定程度上消除尺度影响与边界效应；同时，能测定一段时间内的作物蒸腾蒸发量，在提高测定精度上更具优势。因此，其获得的数据在农田水文领域具有较高的研究价值。而以往所公开发表的农田蒸发蒸腾量时间序列相对较短，缺乏长期观测数据[23-29]。基于此，本数据集提供了中国农业大学石羊河实验站2009–2016 年玉米逐日耗水量，并上传了同期的灌溉量和降水量数据。以期为西北旱区玉米需水规律探索提供参考，同时为水资源的合理配置和发展高效节水农业提供可靠的数据支持。

5 数据使用方法和建议

本数据集提供了2009–2016 年中国农业大学石羊河实验站玉米日耗水量数据集，可作为探索农田系统作物耗水量变化，了解作物需水及耗水规律的基础数据。数据格式为.xlsx，可使用EXCEL 或者WPS 打开使用。

为尊重知识产权、保障数据作者和数据服务提供者的权益，请数据使用者在基于本数据所产生的研究成果中明确标注数据作者和数据来源，同时将可公开成果电子版发送至电子邮箱tongling2001@cau.edu.cn，请将邮件标题设为“中国科学数据发表成果”。

数据作者分工职责

马一宁（1996—），女，吉林省长春人，博士研究生，研究方向为农业节水与水资源可持续利用。主要承担工作：观测系统的长期连续运行、数据质量控制与整合。

丁日升（1979—），男，内蒙古察右后旗人，博士，教授，研究方向农田水热传输机理与作物耗水监测与模拟。主要承担工作：野外观测数据的采集，仪器标定、校正。

佟玲（1979—），女，辽宁省大石桥人，博士，教授，研究方向为农业节水与水资源可持续利用。主要承担工作：数据处理与质量控制。

康绍忠（1962—），男，湖南省桃源人，博士，教授，研究方向为农业高效用水与水资源研究。主要承担工作：观测系统的总体运行和数据集的整体架构。

李思恩（1982—），男，湖北省荆州人，博士，教授，研究方向为灌溉排水新技术与理论。主要承担工作：数据处理与分析。

杜太生（1975—），男，山东省东阿人，博士，教授，研究方向为农业节水和水资源高效利用研究。主要承担工作：野外观测方法与技术指导。