楊天一,王 軍,張紅梅,李镕基,張玉翠,沈彥俊**

(1.中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心石家莊 050022;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院 北京 100049;3.河北師范大學(xué)匯華學(xué)院 石家莊 050091;4.河北省供水總站 滄州 062152)

華北平原是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地,該區(qū)域農(nóng)業(yè)用水占地下水總開采量的70%以上。地下水資源長(zhǎng)期超采導(dǎo)致地下水位不斷下降,嚴(yán)重影響該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái),該地區(qū)低需水量作物大幅減少,蔬菜水果等高需水量作物種植面積大幅增加,種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化,研究該地區(qū)典型種植作物的蒸散量特點(diǎn)及變化規(guī)律對(duì)減少農(nóng)業(yè)用水和減緩地下水位下降具有重要意義。蒸散是植株蒸騰與土壤蒸發(fā)之和,是連接地表能量平衡和水循環(huán)的重要紐帶。作物蒸散是農(nóng)業(yè)用水主要消耗項(xiàng),降低蒸散量是減少農(nóng)業(yè)用水的關(guān)鍵。常用的蒸散觀測(cè)方法有蒸滲儀法、基于能量平衡的波文比法、渦度相關(guān)法等,而作物系數(shù)法是聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織提出的基于Penman-Monteith 公式,通過(guò)參考作物蒸散量(ET)及作物系數(shù)()計(jì)算實(shí)際蒸散量的方法,其中作物系數(shù)受到植物類型及種類、種植地區(qū)、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和日照時(shí)長(zhǎng)和土壤水分等氣象因素的影響,計(jì)算不同氣候及灌溉條件下的作物蒸散,需要根據(jù)生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)作物系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

作物系數(shù)法能反映影響作物蒸散的氣候及生理因素,計(jì)算簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng),在國(guó)內(nèi)外不同地區(qū)廣泛應(yīng)用。Kang 等在西北地區(qū)結(jié)合10年的蒸滲儀數(shù)據(jù),對(duì)冬小麥()及玉米()的作物系數(shù)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在生育中期兩種作物的作物系數(shù)最大。Wang 等在關(guān)中平原地區(qū)結(jié)合渦度相關(guān)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定了該地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)作物系數(shù)。Gong 等研究了溫室內(nèi)充分灌溉及虧缺灌溉兩種條件下種植番茄()的作物系數(shù),并提出了考慮土壤水分脅迫及冠層覆蓋度的作物系數(shù)模型。在西北灌溉葡萄()的研究表明,葉面積指數(shù)是預(yù)測(cè)作物系數(shù)較好的指標(biāo)。在華北平原地區(qū),針對(duì)作物系數(shù)及其影響因素也有著一定的研究。Xu 等結(jié)合稱重式蒸滲儀的研究表明,玉米冠層大小會(huì)影響作物系數(shù),冠層大的玉米作物系數(shù)較大,水分利用率較高。一項(xiàng)針對(duì)秸稈覆蓋的滴灌條件下種植的冬小麥的研究表明,在相同灌溉條件下秸稈覆蓋與非覆蓋條件并沒(méi)有明顯改變作物系數(shù)。宿梅雙等結(jié)合稱重式蒸滲儀,對(duì)噴灌條件下的冬小麥及玉米需水量及作物系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定,發(fā)現(xiàn)兩種作物的作物系數(shù)均大于FAO56 建議值,但變化趨勢(shì)相同。韓淑敏等結(jié)合大型稱重式蒸滲儀,分析冬小麥-夏玉米的作物系數(shù),發(fā)現(xiàn)不同年型下冬小麥作物系數(shù)差異不明顯,夏玉米在豐水年作物系數(shù)偏高。張喜英等發(fā)現(xiàn)在華北平原地區(qū)秸稈覆蓋條件下的夏玉米整個(gè)生育期內(nèi)作物系數(shù)平均值在1 左右。李艷梅等借助水量平衡法及Penman-Monteith 修正模型,發(fā)現(xiàn)芹菜()的作物系數(shù)呈移動(dòng)平均函數(shù)變化。苗文芳等結(jié)合莖流計(jì)及微型蒸滲儀確定了棗樹()的作物系數(shù),發(fā)現(xiàn)作物系數(shù)與冠層覆蓋度之間呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。

作物系數(shù)法雖然有著廣泛應(yīng)用,但其在華北平原的研究仍存在以下的問(wèn)題:1)針對(duì)冬小麥-夏玉米單一農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的研究較多,并且研究時(shí)間距今較長(zhǎng),缺少通過(guò)單作物系數(shù)法對(duì)華北平原地區(qū)多種典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)蒸散規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)綜合的研究,難以對(duì)整個(gè)區(qū)域的耗水管理和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供量化的理論支持;2)梨()是華北平原地區(qū)的主產(chǎn)水果及重要的經(jīng)濟(jì)作物,缺少針對(duì)梨園典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作物系數(shù)變化規(guī)律的研究;3)在本區(qū)域?qū)ψ魑锵禂?shù)法計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證的研究也多采用稱重式蒸滲儀及水平衡法,缺少渦度相關(guān)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在生態(tài)系統(tǒng)尺度對(duì)作物系數(shù)法計(jì)算值進(jìn)行精度驗(yàn)證的研究。本研究結(jié)合田間試驗(yàn)及渦度相關(guān)觀測(cè)方法,研究并驗(yàn)證華北平原地區(qū)冬小麥-夏玉米農(nóng)田、棉田、梨園典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),灌溉作物不同生育期作物系數(shù)及實(shí)際蒸散量的變化規(guī)律,為制定合理的灌溉計(jì)劃,研究不同種植結(jié)構(gòu)下蒸散規(guī)律差異,分析種植結(jié)構(gòu)演變對(duì)區(qū)域耗水的影響,為實(shí)現(xiàn)作物精準(zhǔn)耗水管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

2016-2017年針對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)分別在代表冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)的中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站(河北省欒城區(qū))、代表棉田生態(tài)系統(tǒng)的河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(河北省深州市)和代表梨園生態(tài)系統(tǒng)的趙縣試驗(yàn)基地(河北省趙縣)開展同步試驗(yàn)觀測(cè),各試驗(yàn)站點(diǎn)及渦度相關(guān)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)安裝點(diǎn)地理坐標(biāo)詳細(xì)信息如表1所示。

表1 不同試驗(yàn)站點(diǎn)(農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng))種植作物和土壤性質(zhì)Table 1 Detail information of plants and soil property in different experimental sites(agroecosytems)

3 處試驗(yàn)地均位于半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),其中冬小麥生長(zhǎng)季為2016年10月6日-2017年6月14日,播種品種為‘科農(nóng)199’,行間距25 cm;夏玉米生長(zhǎng)季為2017年6月15日-9月30日,播種品質(zhì)‘鄭單958’,行間距50 cm。棉花生長(zhǎng)季為2017年5月1日-10月25日,種植品種為‘冀棉958’,行距80 cm。梨樹初始生長(zhǎng)期到生育末期為2017年3月1日-10月31日,樹齡25年。冬小麥-夏玉米、棉田和梨樹均為地面灌溉,土壤質(zhì)地均以壤土為主。冬小麥-夏玉米、棉田、梨園3 處試驗(yàn)點(diǎn)在渦度相關(guān)系統(tǒng)通量貢獻(xiàn)區(qū)內(nèi)均地勢(shì)平坦且下墊面單一。根據(jù)作物生長(zhǎng)形態(tài),不同生態(tài)系統(tǒng)各生育期劃分如表2所示。

表2 不同作物生育階段(月-日)劃分Table 2 Division of growth stages(month-day)of crops of different agroecosystems

1.2 數(shù)據(jù)采集及計(jì)算方法

2016-2017年不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作物生育期內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)和通量數(shù)據(jù)由3 處試驗(yàn)點(diǎn)安裝的渦度相關(guān)系統(tǒng)獲得,如圖1所示。其中冬小麥-夏玉米試驗(yàn)點(diǎn)渦度相關(guān)系統(tǒng)安裝高度為3.5 m,棉田試驗(yàn)點(diǎn)渦度相關(guān)系統(tǒng)安裝高度為2.0 m,梨園試驗(yàn)點(diǎn)渦度相關(guān)系統(tǒng)安裝高度為6.5 m。各站點(diǎn)風(fēng)速和蒸散量可由三維超聲風(fēng)速儀(CSAT3,Campbell Scientific,USA)和CO/HO 分析儀(LI7500,LICOR,USA)觀測(cè);各站點(diǎn)溫濕度、水汽壓由空氣溫濕度傳感器(HMP155,Vaisala,Finland)觀測(cè)得到,凈輻射和土壤熱通量分別由四分量?jī)糨椛浔?CNR-4,Kipp &Zonen,Netherlands)和土壤熱通量板(HFP01SC,HuKseflux,Netherlands)觀測(cè)得到,土壤含水量由土壤水分傳感器(Hydra Probe Ⅱ,Stevens,USA)測(cè)得。

圖1 渦度相關(guān)系統(tǒng)及土壤水分傳感器布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of eddy covariance system and soil moisture sensors

渦度相關(guān)原始數(shù)據(jù)按照China FLUX 要求進(jìn)行處理,得到原始數(shù)據(jù)后采用野點(diǎn)剔除、傾斜校正、缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,3 個(gè)生態(tài)系統(tǒng)站點(diǎn)渦度相關(guān)系統(tǒng)能量閉合度均大于0.85,能量閉合度較高,測(cè)量結(jié)果處于可信區(qū)間,本研究主要利用渦度相關(guān)系統(tǒng)獲得的實(shí)測(cè)蒸散量進(jìn)行驗(yàn)證,數(shù)據(jù)的具體計(jì)算過(guò)程以及詳細(xì)處理方法見(jiàn)文獻(xiàn)[22-23]。

式中:ET為渦度相關(guān)系統(tǒng)實(shí)測(cè)蒸散量(mm),LE 為潛熱通量(MJ·m·d),λ 為汽化潛熱(2.45 MJ·m)。

單作物系數(shù)法計(jì)算作物實(shí)際蒸散量的公式來(lái)自《FAO Irrigation and Drainage Paper NO.56 Crop Evapotranspiration》(簡(jiǎn)稱“FAO56 手冊(cè)”):

式中:ET為單作物系數(shù)法計(jì)算的作物實(shí)際蒸散量(mm·d),ET為參考作物蒸散量(mm·d),為作物系數(shù),為土壤水分脅迫系數(shù)。參考作物蒸散量(ET)采用Penman-Monteith 公式計(jì)算:

式中:為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率(kPa·℃),為凈輻射(W·m),為土壤熱通量(W·m),為2 m 高風(fēng)速(m·s),為日平均溫度(℃),為飽和水汽壓(kPa),為實(shí)際水汽壓(kPa),為干濕表常數(shù)(0.067 kPa·℃)。

根據(jù)FAO56 手冊(cè)以及相關(guān)文獻(xiàn)[24]確定初始生長(zhǎng)期作物系數(shù)()(表3),生育中期及生育末期作物系數(shù)(和)由式(4)、(5)確定:

式中:和為查表所得作物系數(shù)值(表3);RH為日最低相對(duì)濕度(%);為生育期內(nèi)作物平均最大高度(m),在生育期不同階段分別通過(guò)卷尺進(jìn)行測(cè)量,初始生長(zhǎng)期、快速發(fā)育期、生育中期、生育末期的平均最大株高冬小麥分別取值0.15 m、0.60 m、0.75 m 和0.80 m,夏玉米分別取值0.88 m、2.30 m、2.40 m 和2.40 m,棉花分別取值0.35 m、0.75 m、1.00 m 和1.10 m,梨樹株高取值3.50 m。

表3 不同作物各生育階段查表所得作物系數(shù)(Kc-Tab)取值Table 3 Crop coefficient(Kc-Tab)values of different growth stages of crops

由于冬小麥-夏玉米、棉花生育期內(nèi)均為地面充分灌溉,結(jié)合分析試驗(yàn)期間冬小麥-夏玉米、棉田不同土壤深度土壤體積含水量變化,生育期內(nèi)不存在水分脅迫現(xiàn)象,為1。梨樹生育期內(nèi)不同深度土壤體積含水量變化表明,其生育期內(nèi)存在一定水分脅迫,計(jì)算公式為(6)-(9),最終的計(jì)算結(jié)果如圖2所示,梨樹的水分脅迫現(xiàn)象主要發(fā)生在3月、6月和7月:

圖2 梨樹生育期內(nèi)土壤水分脅迫系數(shù)(Ks)變化Fig.2 Soil water stress coefficients(Ks)during growth period of pear trees

式中:TAW 為根區(qū)總有效土壤水(mm),通過(guò)公式(8)計(jì)算;為根區(qū)消耗水分(mm),通過(guò)公式(7)計(jì)算;RAW 為根區(qū)易被吸收的土壤水量(mm),由公式(9)計(jì)算;θ為第天土壤體積含水量(%),研究中試驗(yàn)點(diǎn)土壤含水量測(cè)定深度均為2 m,其中0～20 cm 每10 cm 測(cè)定1 次,其余深度每20 cm 測(cè)定1 次,逐日土壤含水量數(shù)據(jù)為各深度土壤含水量數(shù)據(jù)均值;為根系深度(m),結(jié)合FAO56 手冊(cè)推薦值,梨樹取值2 m;為不受水分脅迫時(shí)從根區(qū)土壤吸收的土壤有效水量與總有效土壤水的比值,此參數(shù)可通過(guò)查閱FAO56 手冊(cè)確定,梨樹取值0.5;為田間持水量(%),為凋萎系數(shù)(%),具體數(shù)值如表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要?dú)庀笠蜃蛹皡⒖颊羯⒘孔兓?guī)律

結(jié)合式(3)、(4)和(5)可以發(fā)現(xiàn),溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速對(duì)計(jì)算ET及有重要作用,溫度、降水等氣象因子也影響著不同作物生育期內(nèi)的蒸散量。因此需要分析生育期內(nèi)不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不同氣象因子變化規(guī)律。冬小麥-夏玉米生態(tài)系統(tǒng)生育期內(nèi)平均溫度14.0 ℃(圖3a,3b),大于10 ℃積溫為 4653.2 ℃。棉田生態(tài)系統(tǒng)生育期內(nèi)平均溫度22.8 ℃(圖3c),大于10 ℃積溫為 4037.0 ℃。梨園生態(tài)系統(tǒng)生育期內(nèi)平均溫度20.3 ℃(圖3d),大于10 ℃積溫 4785.0 ℃。雖然棉田的平均溫度在3 類生態(tài)系統(tǒng)中最高,但其大于10 ℃積溫水平卻最低,這與3 類生態(tài)系統(tǒng)的生育期日期分布和天數(shù)不同密切相關(guān)。

圖3 不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的作物生育期平均溫度(Ini:初始生長(zhǎng)期;Dev:快速發(fā)育期;Mid:生育中期;End:生育末期)Fig.3 Average temperature of different crops at different growth stages in different agroecosystems(Ini:initial stage;Dev:developing stage;Mid:mid stage;End:end stage)

不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)從初始生長(zhǎng)期到生育末期的降雨量、空氣濕度和風(fēng)速不同,這些氣象因子的變化也會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)及參考作物蒸散量的變化產(chǎn)生影響。如圖4所示,生育期內(nèi)冬小麥-夏玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平均相對(duì)濕度為64%,總降水量358.2 mm;棉田生態(tài)系統(tǒng)平均相對(duì)濕度為73%,總降水量449.9 mm;梨園生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)濕度為66%,總降水量414.9 mm。各生態(tài)系統(tǒng)4 個(gè)生育期內(nèi)平均風(fēng)速為1.1～1.6 m·s。

圖4 不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生育期降水量、平均相對(duì)濕度和風(fēng)速變化Fig.4 Changes of precipitation,average relative humidity and wind speed at different growth stages of corps of different agroecosystems

由于不同類型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各生育期內(nèi)空氣溫濕度和風(fēng)速等氣象因子存在差異,各生態(tài)系統(tǒng)的ET的變化也各有特點(diǎn)。冬小麥-夏玉米生態(tài)系統(tǒng)初始生長(zhǎng)期到生育末期內(nèi)ET呈現(xiàn)出先上升后下降的單峰趨勢(shì)(圖5a),生育期總ET為939.0 mm(表4),日最大ET為8.2 mm·d,出現(xiàn)在2017年6月10日,日均ET為2.6 mm·d。棉田生態(tài)系統(tǒng)初始生長(zhǎng)期到生育末期ET呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)(圖5b),總ET為673.1 mm(表4),最大ET為7.8 mm·d,出現(xiàn)在2017年5月19日,日均ET為3.8 mm·d。梨園生態(tài)系統(tǒng)初始生長(zhǎng)期到生育末期ET波動(dòng)與冬小麥-夏玉米生態(tài)系統(tǒng)類似,呈現(xiàn)出先上升后下降的單峰趨勢(shì)(圖5c),生育期內(nèi)總ET為880.5 mm(表4),日最大ET為7.3 mm·d,出現(xiàn)在2017年7月8日,日均ET為3.6 mm·d。冬小麥、夏玉米、棉花由于初始生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且外界溫度高,多種因素作用下初始生長(zhǎng)期總ET最大,成熟期由于持續(xù)時(shí)間較短,總ET最小;梨樹在快速發(fā)育期階段總ET最大,初始生長(zhǎng)期最小,冬小麥、夏玉米和棉花3 種作物均在成熟期總ET最小。

表4 不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作物不同生育階段及總參考作物蒸散量Table 4 Reference evapotranspiration(ET0)of different crops at different growth stages and during whole growth stage of different agroecosystemsmm

圖5 不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作物生育期內(nèi)參考蒸散量(ET0)變化(Ini:初始生長(zhǎng)期;Dev:快速發(fā)育期;Mid:生育中期;End:生育末期)Fig.5 Reference evapotranspiration(ET0)variations during growth stages of different agrecosystems(Ini:initial stage;Dev:developing stage;Mid:mid stage;End:end stage)

2.2 不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際蒸散量變化規(guī)律

通過(guò)渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)的作物實(shí)際蒸散量(ET)反映了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)在初始生長(zhǎng)期至生育末期實(shí)際蒸發(fā)與蒸騰量之和。如圖6 和表5所示,在4個(gè)生育期內(nèi),冬小麥-夏玉米、棉田、梨園生態(tài)系統(tǒng)ET分別為701.4 mm、496.5 mm 及763.5 mm,日平均ET分別為2.0 mm·d、2.8 mm·d和3.1 mm·d。冬小麥-夏玉米農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)呈雙峰趨勢(shì),ET在冬小麥生育末期及夏玉米初始生長(zhǎng)期較小。冬小麥生育初期會(huì)經(jīng)歷出苗-越冬兩個(gè)時(shí)期,ET在越冬期呈現(xiàn)下降趨勢(shì),冬小麥日最大ET出現(xiàn)在5月24日,處于生育中期;夏玉米日最大ET出現(xiàn)在8月4日,處于快速發(fā)育期。棉田、梨園農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)日ET峰值都出現(xiàn)在7月,分別處于棉花和梨樹的快速發(fā)育期和生育中期。作物在生育末期生理活性降低,蒸騰作用逐漸下降,ET逐漸降低。

圖6 不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作物生育期內(nèi)實(shí)際蒸散量(ETEC)變化(Ini:初始生長(zhǎng)期;Dev:快速發(fā)育期;Mid:生育中期;End:生育末期)Fig.6 Actual evapotranspiration(ETEC)variations during growth stages of different agrecosystems(Ini:initial stage;Dev:developing stage;Mid:mid stage;End:end stage)

表5 不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作物不同生育階段及總實(shí)際蒸散量Table 5 Actural evapotranspiration of different crops at different growth stages and during whole growth stage of different agroecosystems mm

冬小麥、夏玉米、棉花、梨樹4 種作物分別在初始生長(zhǎng)期、快速發(fā)育期、生育中期、快速發(fā)育期總ET達(dá)最大值。冬小麥初始生長(zhǎng)期包含出苗期和越冬期,經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng),總ET較大(表5)。梨樹在生育初期葉片較少以及外界溫度低,ET較低。冬小麥作物初始生長(zhǎng)期ET占生育期內(nèi)總比重最大,為31.1%;夏玉米、梨樹快速發(fā)育期ET占生育期內(nèi)總比重最大,分別為45.0%、46.5%;棉花在生育中期ET占全生育期的47.5%。

2.3 單作物系數(shù)法計(jì)算作物實(shí)際蒸散量變化規(guī)律

渦度相關(guān)法測(cè)定作物蒸散量需要假設(shè)和安裝儀器并需要對(duì)儀器進(jìn)行定期維護(hù),而作物系數(shù)法獲取蒸散量可以基于研究區(qū)內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)和已知的作物系數(shù)通過(guò)計(jì)算得到,適用于對(duì)有氣象資料但沒(méi)有實(shí)際觀測(cè)設(shè)備的作物種植區(qū)進(jìn)行灌溉用水的指導(dǎo)。結(jié)合不同試驗(yàn)點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)和株高數(shù)據(jù),得到試驗(yàn)期間不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)初始生長(zhǎng)期到生育末期的作物系數(shù)()。本研究給出了不同作物快速發(fā)育期的,如表6所示。在生育中期,除冬小麥外,不同作物的均低于FAO56 推薦值(表3),生育末期棉花、梨樹明顯高于FAO56 推薦值(表3)。借助單作物系數(shù)法計(jì)算得到不同作物生育期內(nèi)實(shí)際蒸散量變化規(guī)律如圖7所示。冬小麥-夏玉米、棉田、梨園生態(tài)系統(tǒng)初始生長(zhǎng)期到生育末期單作物系數(shù)法計(jì)算的實(shí)際蒸散量(ET)分別為694.3 mm、472.2 mm、825.7 mm。單作物系數(shù)法計(jì)算所得冬小麥-夏玉米、棉花、梨樹生育期內(nèi)實(shí)際蒸散量變化趨勢(shì)與渦度相關(guān)實(shí)測(cè)蒸散變化趨勢(shì)相同。冬小麥種植期間于2017年5月19日ET達(dá)到最大值7.0 mm·d,此時(shí)處于生育中期;夏玉米種植期間于2017年8月4日ET達(dá)最大值5.6 mm·d,處于快速發(fā)育期(圖7a)。棉田生態(tài)系統(tǒng)于2017年7月14日ET達(dá)最大值6.5 mm·d,此時(shí)處于快速發(fā)育期(圖7b);梨園生態(tài)系統(tǒng)達(dá)最大日實(shí)際蒸散量7.4 mm·d時(shí)處于生育中期(圖7c)。

圖7 不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生育期內(nèi)作物系數(shù)法計(jì)算的實(shí)際蒸散量(ETa-FAo)變化(Ini:初始生長(zhǎng)期;Dev:快速發(fā)育期;Mid:生育中期;End:生育末期)Fig.7 Calculated actural evapotranspiration(ETa-FAO)variations during crop growth stages of different agroecosystems(Ini:initial stage;Dev:developing stage;Mid:mid stage;End:end stage)

表6 不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作物不同生育階段平均作物系數(shù)Table 6 Average crop coefficient(Kc)in different growth stages of crops in different agroecosystems

2.4 單作物系數(shù)法與渦度相關(guān)系統(tǒng)所得蒸散量對(duì)比驗(yàn)證

為檢驗(yàn)所得到的作物系數(shù)是否適用于計(jì)算本區(qū)域不同生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際蒸散量,本研究將單作物系數(shù)法計(jì)算得到的實(shí)際蒸散量與渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。冬小麥-夏玉米、棉田和梨園農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生育期內(nèi)實(shí)際蒸散量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.80 和0.82,決定系數(shù)分別為0.82、0.65 和0.67(＜0.01,圖8)。冬小麥-夏玉米生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際蒸散量計(jì)算值(694.3 mm)與實(shí)測(cè)值(701.4 mm)之間相差1.0%,棉田生態(tài)系統(tǒng)生育期內(nèi)實(shí)際蒸散量計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏低4.9%,梨園生態(tài)系統(tǒng)計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏高8.1%。單作物系數(shù)法在計(jì)算冬小麥-夏玉米生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際蒸散量時(shí)精度最佳,計(jì)算梨園生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際蒸散量的精度低于冬小麥-夏玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)及棉田生態(tài)系統(tǒng)。梨園生態(tài)系統(tǒng)蒸散量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值在快速發(fā)育期相差9.2%,偏離最大。出現(xiàn)這種狀況可能與的選擇有關(guān),FAO56 手冊(cè)推薦的作物系數(shù)并不能適用于所有地區(qū),后續(xù)需要提高單作物系數(shù)法計(jì)算梨園生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際蒸散量的精度。

圖8 不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際蒸散量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相關(guān)性驗(yàn)證Fig.8 Verification of correlation between measured(ETEC)and calculated(ETa-FAO)actural evapotranspiration of different agroecosystems

3 討論

華北平原地區(qū)針對(duì)果樹實(shí)際蒸散量以及作物系數(shù)的研究較少,此前很少有確定梨樹作物系數(shù)的研究。本研究證明了在該地區(qū)通過(guò)單作物系數(shù)法計(jì)算典型梨園生態(tài)系統(tǒng)蒸散量的可行性,并確定了試驗(yàn)點(diǎn)梨園生態(tài)系統(tǒng)不同生育階段的作物系數(shù)。單作物系數(shù)法計(jì)算的梨樹實(shí)際蒸散量比實(shí)測(cè)蒸散量偏高61.9 mm,占實(shí)測(cè)值的8.1%,這部分誤差不僅來(lái)自作物系數(shù)的計(jì)算,還有一部分原因可能與土壤水分脅迫系數(shù)有關(guān),后續(xù)研究可以從這兩個(gè)方面進(jìn)一步提高單作物系數(shù)法計(jì)算梨園等果樹生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際蒸散量的精度。

針對(duì)同一農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),本研究的是在FAO56手冊(cè)作物系數(shù)推薦值基礎(chǔ)上加入了針對(duì)研究區(qū)的氣象因子校正,因此與推薦值相比存在差異,尤其是在棉花和梨園的生育中期。Li 等的研究也出現(xiàn)了類似情況,其研究的西北春玉米作物系數(shù)在生育中期及生育末期均高于FAO56 推薦值。FAO56 手冊(cè)推薦的作物系數(shù)僅為參考值,不同區(qū)域的作物系數(shù)值與生育期內(nèi)氣候及作物生長(zhǎng)的差異有關(guān)。

作物系數(shù)的變化會(huì)受到多方面因素的影響。作物類型不同,初始生長(zhǎng)期到生育末期的生理特性和物候特征等均存在差異,這些都會(huì)影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際蒸散量,最終體現(xiàn)在作物系數(shù)的差異;而參考蒸散量受氣象因素的影響,試驗(yàn)期內(nèi)冬小麥-夏玉米、棉花和梨樹的初始生長(zhǎng)期到生育末期所處季節(jié)不同,風(fēng)速、溫濕度等氣象因子存在差異,作物的生理特性也有所不同,所以作物系數(shù)也會(huì)有相應(yīng)差異,這與以往的許多研究是相似的。針對(duì)玉米的研究顯示,冠層較大的玉米相比冠層較小的玉米在初始生長(zhǎng)期至生育末期有更高的實(shí)際蒸散量。此外,地表植被覆蓋度也是影響作物實(shí)際蒸散量的重要因素,冬小麥、夏玉米、棉花3 種農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),生育初期由于播種后植被覆蓋度較小,植株蒸騰作用較弱,此時(shí)農(nóng)田實(shí)際蒸散主要為土壤蒸發(fā),實(shí)際蒸散量較小。此外,相同生育期由于所處季節(jié)不同,不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)間日均實(shí)際蒸散量也會(huì)存在較大差異。如夏玉米、棉花初始生長(zhǎng)期溫度較高,輻射較大,日均實(shí)際蒸散量大于冬小麥、梨樹農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生育期長(zhǎng)度也會(huì)影響實(shí)際蒸散量的數(shù)值。

試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)際作物系數(shù)應(yīng)結(jié)合該地情況確定并進(jìn)行驗(yàn)證,本研究中渦度相關(guān)系統(tǒng)實(shí)測(cè)蒸散量與作物系數(shù)法計(jì)算的蒸散量及日均蒸散量變化趨勢(shì)具有較高的一致性。通過(guò)單作物系數(shù)法計(jì)算作物蒸散量這種方法在華北平原各典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)均具有較好的適用性且精度較高,應(yīng)用于冬小麥-夏玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)效果最好。由于渦度相關(guān)系統(tǒng)造價(jià)昂貴,對(duì)安裝點(diǎn)下墊面要求嚴(yán)格且需要后續(xù)維護(hù),難以實(shí)現(xiàn)針對(duì)所有農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際蒸散量的觀測(cè),而調(diào)整后的作物系數(shù)更適于本區(qū)域幾類主要生態(tài)系統(tǒng)的作物蒸散量計(jì)算,所以基于作物系數(shù)法計(jì)算不同作物的實(shí)際蒸散量可以實(shí)現(xiàn)大范圍的應(yīng)用,同時(shí)由于方法較簡(jiǎn)單,其對(duì)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉管理具有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

作物實(shí)際蒸散量可以量化生態(tài)系統(tǒng)在作物各生育期內(nèi)的耗水情況,準(zhǔn)確地獲得不同生育期的蒸散量,有助于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水的精準(zhǔn)管理,以減少灌溉用水、達(dá)到節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的目的。本研究通過(guò)單作物系數(shù)法,結(jié)合氣象及土壤數(shù)據(jù),得到華北平原典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作物系數(shù)修正值,利用Penman-Monteith公式計(jì)算得出參考作物蒸散量,結(jié)合土壤水分脅迫系數(shù)的計(jì)算,本研究得到了各典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)初始生長(zhǎng)期至生育末期的實(shí)際蒸散量,并與渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)得到的實(shí)際蒸散量進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證,得到以下結(jié)論:

1)典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不同作物初始生長(zhǎng)期、快速發(fā)育期、生育中期和生育末期作物系數(shù),冬小麥分別為0.60、0.88、1.07 和0.72,夏玉米分別為0.46、0.76、1.01 和0.80,棉花分別為0.34、0.71、1.07 和0.78,梨樹分別為0.81、0.91、1.02 和0.96。

2)華北平原渦度相關(guān)系統(tǒng)實(shí)測(cè)冬小麥-夏玉米、棉田和梨園典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)初始生長(zhǎng)期至生育末期實(shí)際蒸散量分別為701.4 mm、496.5 mm 和763.5 mm,單作物系數(shù)法計(jì)算的蒸散量分別為694.3 mm、472.2 mm和825.7 mm,4 種作物實(shí)際蒸散量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值在初始生長(zhǎng)期至生育末期均呈現(xiàn)出先上升后下降的單峰變化,實(shí)際蒸散量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值在初始生長(zhǎng)期至生育末期變化趨勢(shì)相同。

3)單作物系數(shù)法計(jì)算所得實(shí)際蒸散量與實(shí)測(cè)蒸散量之間相關(guān)系數(shù)均大于0.80,呈極顯著相關(guān)。冬小麥-夏玉米、棉田和梨園農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生育期內(nèi)實(shí)際總蒸散量計(jì)算值相比實(shí)測(cè)值分別低1.0%、低4.9%和高8.1%。

本研究基于單作物系數(shù)法計(jì)算所得的實(shí)際蒸散量可以準(zhǔn)確地反映華北平原典型灌溉冬小麥-夏玉米農(nóng)田、棉田和果園農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際蒸散量,與渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)相比,通過(guò)本研究給定的作物系數(shù)可以更簡(jiǎn)單地得到本區(qū)域主要農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際耗水情況,可為制定合理的灌溉計(jì)劃,分析不同種植結(jié)構(gòu)下蒸散規(guī)律差異及種植結(jié)構(gòu)演變對(duì)區(qū)域耗水的影響,實(shí)現(xiàn)作物精準(zhǔn)耗水管理提供科學(xué)依據(jù)。