顧 南，張建云，劉翠善，王振龍，王國慶

（1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；4.水利部應(yīng)對氣候變化研究中心，江蘇 南京 210029；5.安徽?。ㄋ炕次┧茖W(xué)研究院五道溝水文水資源實驗站，安徽 蚌埠 233000）

地下水是生態(tài)系統(tǒng)中重要水源之一，其水位波動會直接影響作物耗水量的變化[1]。作物耗水量包括消耗于作物蒸騰、土壤蒸發(fā)與作物組織的水量[2]。由于作物組織消耗的水量占總耗水量比例極小，可忽略不計，一般用蒸散量（作物蒸騰和土壤蒸發(fā)之和）衡量耗水量的變化。

作物耗水量的研究具有地域性，不同生長區(qū)域作物的耗水過程對地下水埋深的響應(yīng)及驅(qū)動因子存有差異[3?5]。解析地下水對作物耗水影響的研究多在地下水深埋區(qū)展開。在地下水深埋區(qū)，深根型作物蒸散耗水量較大。在額濟(jì)納綠洲，地下水對胡楊的蒸散發(fā)起調(diào)節(jié)作用，胡楊林的耗水也持續(xù)引起地下水位下降[6]。在鄂爾多斯盆地，沙柳蒸散發(fā)對地下水的利用率約20%～40%，當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.15 m時，沙柳無法消耗地下水[7]。根系淺的作物主要消耗土壤水，對深埋區(qū)地下水的利用效率低。在法屬圭亞那熱帶森林，地下水埋深大時，藤本植物因根系淺，比樹木更能有效捕捉土壤表層水分[8]。由于地下水與地表水的交互頻繁，淺埋區(qū)內(nèi)作物的耗水水源、耗水量等特征與深埋區(qū)內(nèi)特征有差異，但是地下水埋深對作物耗水影響的相關(guān)研究鮮有報道[9?10]。

淮北平原屬地下水淺埋區(qū)，地下水埋深在1～3 m變化?；幢逼皆鳛樾←湚夂蜻m宜生長區(qū)，常年種植小麥面積在1.5×104km2以上[11]。前人對淮北平原冬小麥耗水機理的研究主要集中在土壤水分、地下水埋深、養(yǎng)分等因素對小麥潛水蒸發(fā)、生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響等方面[12?15]?；幢逼皆叵滤裆顚Χ←満乃康挠绊懷芯咳蕴幱谔接戨A段。本研究以地下水埋深為控制變量，在安徽省五道溝水文水資源實驗站開展砂姜黑土區(qū)冬小麥耗水機理研究，以期揭示淺埋區(qū)地下水埋深對小麥耗水過程的影響，為淺埋區(qū)水資源管理、植被建設(shè)和當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

淮北平原東接江蘇，南臨淮河，西與河南毗鄰，北與山東接壤，包括阜陽、宿州、淮北、淮南、蚌埠、亳州6個市27個縣（區(qū)），全區(qū)總面積3.7×104km2，其中平原占總面積的98.0%。

淮北平原屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，地處南北氣候過渡帶。年均降水量900 mm，降水量年際變化大，年內(nèi)分布極不均衡。年均氣溫15.1 ℃，年均日照時數(shù)1 729.4 h，年均相對濕度73%?；幢逼皆敖谕练植紡V泛，約占耕地面積的56%。作物以小麥、玉米、大豆等農(nóng)作物為主[16]。由于冬季干旱少雨，凍融期主要集中在12—翌年2月，凍土厚度較薄[13]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

試驗區(qū)為五道溝水文水資源實驗站，位于安徽省蚌埠市新馬橋鎮(zhèn)原種場。土壤含水率和蒸散量通過大型稱重式蒸滲儀測量。蒸滲儀內(nèi)裝有砂姜黑土原狀土，其原理如圖1所示。蒸滲儀依據(jù)馬氏瓶原理構(gòu)建，通過水平衡器控制地下水埋深。蒸滲儀內(nèi)地表以下不同深度埋有土壤水分傳感器，底端設(shè)有壓力傳感器。測量要素包括：10 cm處土壤水分，1 h /次；10，30 cm處地溫，1 h /次；作物蒸散量，10 min /次；潛水蒸發(fā)量和入滲量，10 min /次。氣象數(shù)據(jù)源于蒸滲儀南側(cè)2 m高處高精度氣象站，測量要素包括：氣溫、濕度、太陽輻射、凈輻射、氣壓、風(fēng)速和雨量，10 min/次。氣象場內(nèi)放置E601型蒸發(fā)器，早晚8點人工觀測水面蒸發(fā)量。

圖1 蒸滲儀原理圖Fig.1 Schematic diagram of the weighing lysimeter

1.3 試驗與方法

（1）試驗方案與生育階段劃分

2017—2020年，試驗通過大型稱重式蒸滲儀開展。以砂姜黑土區(qū)典型作物冬小麥蒸散量為研究對象。試驗期間未進(jìn)行灌溉，小麥依靠天然降水補給。蒸滲儀內(nèi)控制地下水埋深為0.5，1.0，2.0，3.0 m。

參考聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織推薦作物時段劃分表[17]，并結(jié)合淮北平原物候資料，將冬小麥生育期劃分為初期、發(fā)育期、中期和后期，具體時段見表1。初期指作物生長前期，地表基本無植被覆蓋；發(fā)育期指初期結(jié)束到地面基本被植被覆蓋；中期指地表充分覆蓋到作物成熟；后期指生育晚期，即中期結(jié)束到收獲。

表1 不同地下水埋深下冬小麥生育階段的劃分Table 1 The partition of wheat growth stages at various groundwater levels

（2）作物蒸散量

蒸滲儀底部壓力傳感器測量蒸滲儀重量的變化表示該時段的作物蒸散量，測量頻率為10 min/次。由于蒸滲儀會受到外界環(huán)境干擾和系統(tǒng)影響，原始數(shù)據(jù)需經(jīng)過缺失值插補、異常點識別和平滑數(shù)據(jù)處理，以此消除噪聲和減少異常數(shù)據(jù)，得到更為精確的小時尺度蒸散量，累加后得到日尺度蒸散量產(chǎn)品。

（3）統(tǒng)計指標(biāo)與方法

文中主要使用的統(tǒng)計指標(biāo)與方法包括方差、變異系數(shù)、相關(guān)系數(shù)、歸一化處理和聚類分析。

方差用于描述數(shù)據(jù)的離散程度：

式中：S2—方差；

xi—樣本數(shù)據(jù)，i=1,2,···,n；

—樣本序列平均值；

n—樣本個數(shù)。

變異系數(shù)用于消除測量尺度和量綱影響并衡量數(shù)據(jù)的離散程度：

式中：Cv—變異系數(shù)；

S—樣本序列標(biāo)準(zhǔn)差；

—樣本序列平均值。

相關(guān)系數(shù)用于描述兩個變量之間的相關(guān)程度：

式中：r—相關(guān)系數(shù)；

xi、yi—樣本數(shù)據(jù)，i=1,2,···,n；

、—樣本序列平均值；

n—樣本個數(shù)。

歸一化處理用于消除不同類型測量尺度和量綱影響：

式中：x,—歸一化后數(shù)據(jù)；

x—待歸一化數(shù)據(jù)；

xmin—樣本序列中最小值；

xmax—樣本序列中最大值。

選擇應(yīng)用廣泛的k-means算法進(jìn)行聚類分析。原理是將給定的樣本序列劃分為k個簇，使得簇內(nèi)點與點的距離盡可能小，簇之間的距離盡可能大。

假定劃分k個簇（C1,C2,C3,···,Ck），劃分時總目標(biāo)為平方誤差和最小，即：

式中：E—平方誤差和；

x—樣本數(shù)據(jù);

Ci—第i個簇，i=1,2,···,k；

μi—簇Ci的聚類中心；

k—簇的個數(shù)。

具體計算步驟見文獻(xiàn)[18]。

2 結(jié)果與分析

2017—2020年利用五道溝實驗站大型稱重式蒸滲儀群開展冬小麥試驗，測量同期氣象數(shù)據(jù)，模擬不同地下水埋深（0.5，1.0，2.0，3.0 m）冬小麥蒸散量的變化過程。

2.1 不同地下水埋深下冬小麥生長季蒸散變化

不同小麥生育期內(nèi)氣象特征各不相同，表2展示了試驗期間部分氣象因子的變化。氣象環(huán)境是引起蒸散量變化的主要原因之一[18?19]。 對比不同埋深下小麥蒸散量在全生育期的分布（圖2），初期、發(fā)育期、中期和后期的蒸散量占全生育期蒸散量的比例分別為23.76%、27.62%、27.87%、21.87%。初期和發(fā)育期為生長前期，占比最大值均在地下水埋深為 3.0 m 。而中期占比最大值出現(xiàn)在地下水埋深 1.0 m，后期最大值在地下水埋深 2.0 m。不同生育階段內(nèi)最大占比對應(yīng)的地下水埋深存在差異，這與各生育階段內(nèi)小麥的根系生長、對包氣帶內(nèi)水分的消耗量等因素相關(guān)[13,19]。

圖2 各生育階段不同地下水埋深下冬小麥蒸散量占比雷達(dá)圖Fig.2 Radar map of wheat evapotranspiration ratio at four groundwater levelsduring four growth stages

表2 試驗期間不同地下水埋深下關(guān)鍵氣象要素變化Table 2 Growthseasonal change of key meteorological elements atfour groundwater levels

全生育期內(nèi)各埋深（0.5，1.0，2.0，3.0 m）小麥蒸散量依次為510.50，499.33，567.88，727.88 mm，土壤水與地下水交換量（潛水蒸發(fā)量-潛水入滲量）依次為130.00，150.88，70.91，?20.77 mm，0～20 cm土層蓄水量依次為?52.29，?58.15，?31.97，?35.13 mm。小麥蒸散對降水的利用率（降水量/蒸散量）為 22.74%、58.04%、20.40%、35.69%。地下水埋深 3.0 m時，小麥蒸散發(fā)以消耗土壤水為主，對降水利用率較高。地下水埋深 0.5，1.0，2.0 m 時，小麥蒸散發(fā)同時消耗土壤水和地下水。尤其在地下水埋深 1.0 m時，潛水蒸發(fā)量最大，表層土壤蒸發(fā)也最大，對降水的利用率也達(dá)到最大。此外，1.0 m埋深對地下水消耗量相對較大，這可能與淮北平原區(qū)小麥生長的最適埋深相關(guān)[19?20]。

為進(jìn)一步探索不同生育階段土壤水分對小麥耗水機理的影響，以旬為時間步長，以地表以下10 cm處土壤含水率表示地表土壤水分的變化，繪制不同地下水埋深下小麥地表土壤水分變化過程線。為消除不同蒸滲儀埋設(shè)土壤水分傳感器的系統(tǒng)誤差，將土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，見圖3。地下水埋深為0.5，1.0，2.0，3.0 m時，表層含水率的方差依次為：0.26，0.25，0.25，0.18。地下水埋深3.0 m時，表層土壤水分變幅顯著小于其他三種埋深。地下水埋深較深，潛水運動距離相對較長，地下深層土壤水和地下水不能及時向上運移補給表層水分。此外，小麥根系長度最長約達(dá)2.0 m，當(dāng)?shù)叵滤裆罱抵?.0 m時，根系提水作用及吸水速率減緩，故表層土壤水分對外界環(huán)境的響應(yīng)延遲[21?22]。地下水埋深為0.5，1.0，2.0，3.0 m時，土壤水分與小麥蒸散量的相關(guān)系數(shù)依次為?0.42，?0.69，?0.53，?0.43。表層土壤水是蒸散發(fā)的主要來源，在地下水埋深1.0，2.0 m時，表層土壤水對蒸散貢獻(xiàn)率相對更高。

圖3 不同地下水埋深下全生育期冬小麥地表土壤水分變化過程Fig.3 Change of standardized topsoil moisture during wheat seasonsat four groundwater levels

冬小麥的日蒸散量變化過程見圖4。各地下水埋深間蒸散量相關(guān)系數(shù)均達(dá) 0.72以上，這表明蒸散發(fā)的日變化過程是小麥生長內(nèi)在因子和大氣要素綜合影響的結(jié)果，即使播種時間不一，但受小麥內(nèi)在生長驅(qū)動，蒸散量的趨勢大致相似。生長初期，氣溫較低，田間基本無植被覆蓋，小麥耗水量少；發(fā)育初期，小麥返青基本結(jié)束，而后開始拔節(jié)，耗水量逐漸增加并出現(xiàn)該階段的耗水峰值；中期，小麥處于孕穗、灌漿狀態(tài)，耗水量增大并達(dá)到全生育期耗水峰值；后期，小麥接近成熟，耗水量逐漸減少。此外，地下水埋深 3.0 m，生長初期的小麥蒸散量在 2～4 mm/d變化，稍大于其余三種埋深。這與不同生育階段小麥蒸散量在全生育期內(nèi)分配的結(jié)論相一致。

圖4 不同地下水埋深下冬小麥蒸散量變化過程線Fig.4 The change of wheat evapotranspiration at four groundwater levels

2.2 不同地下水埋深下典型日冬小麥蒸散強度變化

水文氣象要素對小麥蒸散量的影響較大。全生育期內(nèi)小麥逐日蒸散量與氣象因子相關(guān)性，見表3。假定相關(guān)系數(shù)小于0.3時兩者基本不相關(guān)。對小麥蒸散量影響較大的氣象要素依次為：太陽輻射、凈輻射、土壤熱通量、平均氣溫和空氣濕度（統(tǒng)稱關(guān)鍵氣象因子）。大氣壓力和風(fēng)速對其影響較弱。三項輻射因子和氣溫均對蒸散量正向驅(qū)動，空氣濕度反之，與王勝[23]的研究結(jié)論一致。水面蒸發(fā)量綜合反映了天氣特征及蒸發(fā)能力[24?27]，不同地下水埋深下蒸散量與水面蒸發(fā)的變化一致。選擇地面以下10，30 cm處地溫反映地表的熱量情況，結(jié)果表明地表溫度的升高引起蒸散量的增加，且10 cm處地溫對蒸散的正向驅(qū)動大于30 cm處。在地下水埋深淺時（地下水位<3.0 m）地表與蒸散發(fā)的相關(guān)性較強。

表3 不同地下水埋深下全生育期冬小麥蒸散量與水文氣象要素相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between wheat evapotranspiration and hydrometeorological factors in the whole growth period at four groundwater levels

基于小麥蒸散量與氣象因子的相關(guān)性分析，太陽輻射與蒸散量的相關(guān)系數(shù)最大。以三季小麥生長期內(nèi)太陽輻射量為統(tǒng)計樣本，通過k-means算法聚類（圖5），將小麥生長期內(nèi)太陽輻射分為 3類（類別名?聚類中心/（W/m2）?劃分區(qū)間/（W/m2））：強太陽輻射?218.68?（122.53,322.82]、弱太陽輻射?121.57?（60.60,122.53]、微弱太陽輻射?49.88?[6.31,60.60]。

圖5 冬小麥試驗期間太陽輻射變化過程Fig.5 Dailychange of solar radiation during wheat season

以每類的聚類中心為圓心，逐漸向外發(fā)散尋找典型日，以各地下水埋深典型日之間氣象環(huán)境相似為結(jié)束標(biāo)記。選定的典型日如下：

（1）強太陽輻射：地下水埋深0.5，2.0 mm時，生長季內(nèi)選擇2020年4月26日為典型日，當(dāng)天輻射量為218.54 W/m2；地下水埋深1.0 m時，生長季內(nèi)選擇2018年4月29日為典型日，當(dāng)天輻射量為219.59 W/m2；地下水埋深3.0 m時，生長季內(nèi)選擇2019年4月17日為典型日，當(dāng)天輻射量為228.73 W/m2。

（2）弱太陽輻射：地下水埋深0.5，2.0 m時，生長季內(nèi)選擇2020年2月18日為典型日，當(dāng)天輻射量為輻射量133.79 W/m2；地下水埋深1.0 m時，生長季內(nèi)選擇2018年2月25日為典型日，當(dāng)天輻射量為119.64 W/m2；地下水埋深3.0 m時，生長季內(nèi)選擇2019年9月25日為典型日，當(dāng)天輻射量為121.50 W/m2。

（3）微弱太陽輻射：地下水埋深0.5，2.0 m時，生長季內(nèi)選擇2019年12月20日為典型日，當(dāng)天輻射量為50.75 W/m2；地下水埋深1.0 m時，生長季內(nèi)選擇2017年12月23日為典型日，當(dāng)天輻射量為43.81 W/m2；地下水埋深3.0 m時，生長季內(nèi)選擇2018年11月30日為典型日，當(dāng)天輻射量為52.84 W/m2。

各類典型日的氣象要素雷達(dá)圖和小麥蒸散強度變化過程見圖6，描繪時段為當(dāng)日20:00—翌日20:00。氣象要素雷達(dá)圖展示了各類典型日內(nèi)關(guān)鍵氣象因子的分布，各類典型日間大氣環(huán)境相似。三類典型日內(nèi)不同地下水埋深的蒸散強度變化規(guī)律一致，隨太陽輻射由強到微弱，典型日內(nèi)平均蒸散強度依次為0.30，0.07，0.03 mm/h。蒸散強度與太陽輻射強度呈正相關(guān)。蒸散峰歷時（指蒸散強度由起漲至峰值再回落到起漲狀態(tài)所經(jīng)歷的時間）依次為5:00—20:00、7:00—17:00和9:00—17:00，強輻射日內(nèi)蒸散峰持續(xù)時長明顯大于弱輻射日。強輻射日和弱輻射日內(nèi)各埋深峰值均約 12:00出現(xiàn)，但微弱輻射日內(nèi)地下水埋深3.0 m時，峰值則明顯滯后，約13:00出現(xiàn)，其余埋深均約12:00出現(xiàn)。這可能因為當(dāng)太陽輻射較強時，包氣帶厚度對蒸散強度峰值出現(xiàn)時間的影響較小；當(dāng)太陽輻射較弱時，地下水埋深過大、包氣帶過厚會阻滯能量的傳輸，致使蒸散強度峰值滯后。

圖6 典型日氣象要素雷達(dá)圖和小麥蒸散強度變化過程Fig.6 Changeof meteorological elements and the hourly process of wheat evapotranspirationin the typical days

3 討論

地下水埋深對作物耗水的影響不僅體現(xiàn)在耗水量，還包括耗水來源的差異?；幢逼皆瓕俚叵滤疁\埋區(qū)，小麥生長同時利用土壤水和地下水。但當(dāng)?shù)叵滤裆罱抵?.0 m以下，在越冬階段，小麥基本僅使用土壤水，地下水消耗量接近0。這與王振龍等[13,19]在五道溝實驗站利用地中蒸滲儀群觀測潛水蒸發(fā)量所得結(jié)果一致：砂姜黑土區(qū)地下水埋深超過2.5 m時，潛水蒸發(fā)量接近0，即對地下水消耗量為0。王晶晶[22]利用穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)分析華北平原冬小麥水分利用策略：全生育期小麥蒸騰耗水集中在0～40 cm表層土壤水，苗期主要消耗10～20 cm處土壤水。蒸散發(fā)是作物蒸騰與土壤蒸發(fā)兩種失水過程的結(jié)合?；幢逼皆←湼禍\，若經(jīng)歷持續(xù)干旱，地下水埋深下降后，地下水對上層土壤水和根系的補給量均較小，小麥主要消耗表層土壤水。若暴雨過后，地下水埋深抬升過高，受澇時間過長會嚴(yán)重影響小麥的生長，根系吸水能力受損[25]。

作物耗水與地下水埋深的關(guān)系研究在干旱地區(qū)開展較多。這種關(guān)系不僅局限于地下水埋深對作物耗水的單向影響，還包括兩者間雙向影響。地下水埋深對作物耗水起調(diào)節(jié)作用，而作物耗水也會引起地下水位持續(xù)下降[20,24]。干旱地區(qū)作物主要消耗淺層地下水，占總蒸散量比重很大[2]。該比重會隨地下水埋深變淺、氣候干旱而增大。當(dāng)干旱持續(xù)較長，淺層根系作物會因水分虧缺而暫時缺失活性、蒸騰減少，表層土壤主要消耗于蒸發(fā)；深層根系會依據(jù)土壤水分的變化不斷向下索取水分[21]。作物蒸散發(fā)與地下水間的關(guān)系多呈非線性關(guān)系。同時，在多個研究中都發(fā)現(xiàn)存在臨界深度，使得大于該深度時地下水對蒸騰沒有貢獻(xiàn)[2,24?27]。在干旱地區(qū)，地下水位多通過水位井動態(tài)監(jiān)測，以地下水位的變化或土壤水分模擬蒸散量。本試驗是利用定埋深的大型稱重式蒸滲儀監(jiān)測作物蒸散量。蒸滲儀作為目前國際上測量蒸散量較為精準(zhǔn)的儀器，在單向比較地下水埋深對蒸散量的影響研究中有一定的優(yōu)勢，但本試驗中蒸滲儀因地下水位無法動態(tài)變化不能進(jìn)行反向蒸散量對地下水埋深影響的研究。故后續(xù)在淮北平原可結(jié)合大田水井與蒸滲儀試驗相結(jié)合的形式討論地下水埋深與蒸散量的雙向關(guān)系。

4 結(jié)論

（1）小麥生育階段初期和中期各埋深耗水占比差異較大，發(fā)育期和后期各埋深間耗水占比差距較小。小麥生育階段初期和發(fā)育期占比最大值均出現(xiàn)在地下水埋深3.0 m時，中期占比最大值出現(xiàn)在地下水埋深1.0 m，后期最大值出現(xiàn)在地下水埋深2.0 m。

（2）地下水埋深0.5，1.0，2.0 m時，小麥蒸散主要消耗土壤水和地下水，表層土壤水對地下水埋深1.0，2.0 m蒸散相對貢獻(xiàn)率更高。地下水埋深3.0 m蒸散主要消耗土壤水，其表層土壤水分對外界氣象環(huán)境的響應(yīng)存在明顯滯后。

（3）太陽輻射、凈輻射和土壤熱通量對小麥蒸散影響較大。依據(jù)與蒸散發(fā)關(guān)聯(lián)最密切的太陽輻射劃分強/弱/微弱三類典型日。隨太陽輻射由強到微弱，每類典型日內(nèi)平均蒸散強度依次減小、蒸散峰逐漸延遲、蒸散峰歷時的時長顯著減小。