戴欣鈺，劉聰，李琪，德吉卓瑪，吳東麗

（1江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044；2南京信息工程大學(xué)，南京 210044；3中國氣象局氣象探測中心，北京 100081）

0 引言

隨著全球氣候變暖，極端天氣事件頻繁發(fā)生，干旱成為了影響農(nóng)作物生長發(fā)育的主要氣象災(zāi)害[1]。在中國，干旱有北重南輕的特點，北方更易發(fā)生農(nóng)業(yè)干旱[2-4]。北方地區(qū)是玉米的主要生產(chǎn)區(qū)之一，玉米播種面積達到了全國的26.6%，年產(chǎn)量約占全國的30%[5]，對保障全國糧食安全起著重要作用。長期干旱將會導(dǎo)致玉米減產(chǎn)，而引起干旱的主要原因是缺乏持續(xù)性降水導(dǎo)致作物水分虧缺，另外土壤特性和人類活動等也會對干旱產(chǎn)生影響[6-7]。

目前，用于表征農(nóng)業(yè)干旱的指標有許多，比如土壤相對濕度(Rsm)[8-9]、標準化降水指數(shù)(SPI)[10-11]、水分虧缺指數(shù)(CWDI)[12-13]、降水距平百分率(PA)[14-15]等。PA 和SPI只考慮了降水，并沒有考慮土壤底墑、作物生長發(fā)育等問題；Rsm在測定過程中可能存在誤差，會影響準確性[16]；而CWDI充分考慮了氣象、土壤、作物三者對干旱的作用，能真實地反映水分虧缺程度與干旱情況[17]。但是因為實際蒸散數(shù)據(jù)獲取的問題，CWDI 常用潛在蒸散量[18]進行計算，與實際狀況還是有一定偏差的。

大孔徑閃爍儀(LAS)是一種基于“閃爍”概念的通量觀測儀器，可以實現(xiàn)在光程路徑上公里級尺度水熱通量的連續(xù)觀測[19]。目前利用LAS主要進行水熱通量計算及變化研究，如馬迪等[20]利用大孔徑閃爍儀觀測數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)通過混合對流法計算感熱通量的方法更適用于戈壁地區(qū)。黃天宇等[21]利用LAS獲得的科爾沁梯級生態(tài)帶水熱通量數(shù)據(jù)，探討了水熱通量與環(huán)境因子之間的關(guān)系。但是利用LAS 觀測系統(tǒng)反演得到的實際蒸散數(shù)據(jù)進行干旱研究的案例還比較少。因此，本研究旨在利用LAS觀測系統(tǒng)獲得的春玉米實際蒸散量代替潛在蒸散量，并與CWDI 相結(jié)合，修訂CWDI的干旱等級，探索LAS在干旱指標領(lǐng)域的應(yīng)用，以期為合理制定灌溉制度，采取相應(yīng)的防旱抗旱措施提供新的手段和依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究區(qū)域為河北省張家口市懷來縣，該地處于河北省西北部，地理位置約在115°E，40°N，屬于中溫帶半干旱區(qū)，氣候為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，陽光充足，雨熱同季，晝夜溫差較大。歷年平均日照時數(shù)3027 h，年平均氣溫9.1℃，全年降水量約396 mm，其中60%的降水集中在7—9 月。該地區(qū)氣候和土壤條件適合種植玉米，基本為一年一熟。

1.2 數(shù)據(jù)來源

實際蒸散量數(shù)據(jù)通過以大孔徑閃爍儀為核心的觀測系統(tǒng)獲得。在研究區(qū)域內(nèi)分別安裝了2 臺型號為BLS450和ZZLAS的大孔徑閃爍儀(LAS)，觀測點的經(jīng)緯度為115.7880° E，40.3491° N，海拔高度為480 m。LAS的有效高度是14 m，光徑長度為1870 m。LAS原始數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)同步用數(shù)據(jù)采集器(CR3000，Campbell，USA)記錄。選用2019 和2021 年的觀測數(shù)據(jù)（2020 年缺測數(shù)據(jù)較多），同期的氣象數(shù)據(jù)、土壤濕度數(shù)據(jù)和春玉米地面觀測資料來源于河北省懷來縣氣象站。根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，將春玉米劃分5 個生育階段，分別為播種—出苗期（4 月中旬—5 月上旬）、出苗—拔節(jié)期（5月中旬—6月中旬）、拔節(jié)—抽雄期（6月下旬—7 月中旬）、抽雄—乳熟期（7 月下旬—8 月中旬）、乳熟—成熟期（8月下旬—9月中旬）。

1.3 研究方法

1.3.1 大孔徑閃爍儀測量原理大孔徑閃爍儀是由一個接收端和一個發(fā)射端組成的，兩者相隔一定距離，在距離地面一定高度的位置安裝[22]。發(fā)射端發(fā)射出一定直徑和波長的波束后，通過觀測路徑，受到大氣中濕度、溫度、風(fēng)速、氣壓等因素影響后，最終通過接收端來接收。接收端在收到受大氣影響的波束后，通過觀測到的空氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)來計算溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時依據(jù)莫寧-奧布霍夫相似理論并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，采用逐次迭代方法計算顯熱通量(H)，在求出H后，根據(jù)地表能量平衡方程，利用余項法可以獲得潛熱通量(LE)[23]，最終得到實際的蒸散量。

1.3.2 土壤相對濕度指標土壤相對濕度是直接反映土壤水分狀況的重要指標。在春玉米不同生育階段，由于作物生長對水分的需求不同，土壤相對濕度的下限范圍有所不同[24]。并且不同土壤質(zhì)地的田間持水能力不同以及春玉米各生育階段根系生長程度對水分的敏感性也存在差異，因此還需要根據(jù)不同的土壤質(zhì)地對干旱等級標準進行調(diào)整。本研究以河北省懷來縣為研究區(qū)域，根據(jù)河北省懷來縣土壤類型并結(jié)合氣象行業(yè)標準《北方春玉米干旱等級QX/T 259—2015》[25]，列出了基于土壤相對濕度(R)的春玉米不同生育階段的干旱等級指標（表1）。

表1 基于土壤相對濕度(R)的春玉米干旱等級指標%

1.3.3 修訂的水分虧缺指數(shù)(RCWDI)

（1）修訂的不同生育期水分虧缺指數(shù)(KRCWDI)計算。計算公式如式(1)所示。

式中，KRCWDI為修訂的春玉米某生育階段水分虧缺指數(shù)(%)；IRCWDS,i為生育階段內(nèi)第i旬修訂的累計水分虧缺指數(shù)(%)；n為某生育階段內(nèi)包含的總旬?dāng)?shù)。

（2）修訂的累計水分虧缺指數(shù)(IRCWDS,i)計算。由于水分虧缺指數(shù)具有累計效應(yīng)會對后期作物生長發(fā)育產(chǎn)生影響，從某個生育期開始的第一天算起，向作物生長前期推算50 d，10 d為一旬，共5旬，來計算水分虧缺指數(shù)。

該生育期某一天修訂的水分虧缺指數(shù)計算公式如式(2)所示。

式中，RCWDIj、RCWDIj-1、RCWDIj-2、RCWDIj-3、RCWDIj-4分別代表第j旬（過去1～10 d）與前4 旬的修訂的水分虧缺指數(shù)(%)；a、b、c、d、e分別為各旬的權(quán)重系統(tǒng)，a=0.3；b=0.25；c=0.2；d=0.15；e=0.1[26]。

（3）修訂的水分虧缺指數(shù)(RCWDIj)計算。計算公式如式(3)所示。

式中，Pj為第j旬的累計降水量(mm)；ETc,j為第j旬的累計作物實際蒸散量(mm)，本研究中由大孔徑閃爍儀的觀測數(shù)據(jù)反演得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水、蒸發(fā)的旬際變化

根據(jù)春玉米的生育期（4—9月），從播種—出苗階段開始，按旬為單位，將2021年的降水量、蒸散量的旬次值進行擬合，得到結(jié)果如圖1所示。

圖1 降水量、蒸散量的旬次變化

圖1 表明，研究區(qū)內(nèi)降水量在旬次序列上呈線性變化，且呈顯著上升趨勢，其線性方程為：降水量P=2.1891t+3.13，P=0.041＜0.05通過了0.05水平顯著性檢驗，并且降水量主要集中在6月下旬—7月中旬，7月降水量達到峰值，為103.1 mm。蒸散量在旬次序列上呈拋物線變化，其擬合方程為：蒸散量(T)=-0.2711t2+4.5365t+28.427，P=0.027＜0.05通過了0.05水平顯著性檢驗。

2.2 降水量與蒸散量差值的累積值隨時間變化關(guān)系

河北省懷來縣歷史上曾多次遭受干旱，不同時間的干旱涉及范圍大小和旱情輕重程度存在不同。由圖2 可以看出，研究區(qū)內(nèi)2021 年4—6 月降水量較少，降水量與實際蒸散量差值的累積值一直呈下降趨勢，此時研究區(qū)域處于較嚴重干旱狀態(tài)，干旱脅迫會抑制作物根系生長。當(dāng)7月、8月、9月降水量較大時，降水量與蒸散量差值的累積值曲線有明顯的波動，先呈上升趨勢后下降，也可以說明該階段降水量大于蒸散量，降水的增加會引起土壤水分含量的波動，有利于作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量的增加。

圖2 降水量與蒸散量差值累積值的時間變化

2.3 土壤相對濕度判斷春玉米干旱等級

計算2021年懷來縣春玉米各生育期內(nèi)20 cm土層的土壤相對濕度平均值，并根據(jù)表1 進行干旱等級判斷，結(jié)果見表2。

表2 2021年春玉米土壤相對濕度指標及干旱等級

2.4 修訂的春玉米水分虧缺指數(shù)干旱等級劃分

本研究利用大孔徑閃爍儀觀測系統(tǒng)得到的實際蒸散量代替潛在蒸散量，計算了修訂的水分虧缺指數(shù)(RCWDI)。然后根據(jù)研究區(qū)內(nèi)土壤相對濕度得到的2021 年懷來春玉米不同生育期的實際干旱等級（表2），和RCWDI 值進行比對，并結(jié)合實際情況，得到了懷來縣春玉米RCWDI 干旱等級如表3 所示。從表3可以看出，利用RCWDI 將春玉米的干旱等級劃分為無旱、輕旱、中旱、重旱、特旱5個等級。

表3 基于RCWDI的春玉米干旱等級%

根據(jù)表3 的干旱等級范圍，通過計算RCWDI 值，得到了基于RCWDI的研究區(qū)2021年春玉米不同生育期的干旱等級（表4）。從表4可以看出，研究區(qū)春玉米播種—出苗期、出苗—拔節(jié)期降水量較少，蒸發(fā)作用消耗的水分不能及時得到補充，因此春玉米該生育期的長時間處于重旱狀態(tài)下；進入6月之后，隨著降水量的增加，干旱情況得到了有效的緩解，因此春玉米拔節(jié)—抽雄期、抽雄—乳熟期處于輕旱狀態(tài)；乳熟—成熟期處于無旱狀態(tài)。

表4 2021年春玉米RCWDI及干旱等級

2.5 干旱等級指標適用效果驗證

對比表4和表2的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，除了抽雄—乳熟期以外，其他4個生育期用土壤相對濕度和RCWDI得到的干旱等級是一致的，說明RCWDI 是比較符合懷來縣春玉米的干旱情況的。為了進一步研究RCWDI的適用性，利用2019 年的相關(guān)數(shù)據(jù)進行了驗證，結(jié)果見表5（基于土壤相對濕度）和表6（基于RCWDI）。

表5 2019年春玉米土壤相對濕度指標及干旱等級

表6 2019年春玉米RCWDI及干旱等級

對比表5和表6可以看出，播種—出苗期、拔節(jié)—抽雄期、抽雄—乳熟期、乳熟—成熟期的干旱等級是相同的，但出苗—拔節(jié)期干旱等級存在一定的差異。與土壤相對濕度得到的干旱情況相相比，準確度達到了80%，結(jié)果是符合研究區(qū)實際情況的，進一步說明RCWDI及其干旱等級是適用的。

3 結(jié)論與討論

通過分析2021 年河北省懷來縣春玉米生育期內(nèi)降水量、蒸散量與旬次的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)降水量主要集中在6 月下旬—7 月中旬，7 月降水量達到峰值，為103.1 mm，呈線性上升趨勢；蒸散量在旬次序列上呈拋物線變化。隨著時間變化，降水量與蒸散量的差值累積值在出苗—拔節(jié)期一直增大，說明蒸散量大于降水量，拔節(jié)期是玉米需水量最大的生長階段，同時也是關(guān)鍵的生長期。如果遭受干旱，玉米的顆粒充實度會下降，進而影響產(chǎn)量[27-28]。

本研究利用大孔徑閃爍儀(LAS)觀測系統(tǒng)獲得的實際蒸散量數(shù)據(jù)代替潛在蒸散量計算修訂的水分虧缺指數(shù)(RCWDI)后，原有的干旱等級標準是不適用的，因此本研究區(qū)利用土壤相對濕度得到實際干旱等級，對CWDI 的干旱等級重新進行了調(diào)整，得到了基于RCWDI春玉米干旱等級，并利用調(diào)整后的干旱等級對研究區(qū)內(nèi)春玉米不同生育期的干旱情況進行了評估，結(jié)果基本符合研究區(qū)的實際情況。但是2019 年春玉米出苗—拔節(jié)期根據(jù)RCWDI 劃分干旱等級為輕旱，而根據(jù)土壤相對濕度來劃分干旱等級為重旱；2021年春玉米抽雄—乳熟期根據(jù)RCWDI劃分干旱等級為輕旱，按照土壤相對濕度來劃分等級為重旱。其原因可能是因為降水對土壤相對濕度測量精度造成的影響，也可能是土壤水分蒸發(fā)太快，或者是土壤水分滯后性對當(dāng)前土壤相對濕度的測量值造成偏小的誤差。

干旱等級指標是用來評估春玉米干旱情況的量化標準。其中，土壤相對濕度干旱等級指標簡便實用，可以直接反映出作物水分供給情況[29]。但目前土壤水分觀測范圍小，不適宜大范圍作物的干旱監(jiān)測，而利用大孔徑閃爍儀可以解決觀測尺度的問題。CWDI干旱等級指標比較容易獲得，應(yīng)用比較廣泛，但在計算CWDI時，用的是潛在蒸散量，與實際情況還是有一定的偏差。本研究基于LAS 獲取的實際蒸散量對CWDI 進行修訂，并重新劃定了干旱等級范圍，結(jié)果顯示修訂的水分虧缺指數(shù)(RCWDI)及其干旱等級是具有較好的適用性的。但本研究僅考慮降水量這一單獨要素與春玉米實際蒸散量作對比來判斷干旱程度，雖然降水量是影響春玉米干旱的主要原因之一，但是其他環(huán)境影響因素比如溫度、日照時數(shù)以及灌水量等[30]對春玉米的需水量起著同樣重要的作用，因此，在后續(xù)還需要利用更多的數(shù)據(jù)包括不同的地區(qū)數(shù)據(jù)，不同類型的數(shù)據(jù)對春玉米干旱等級進行調(diào)整，還需要考慮是否有其他因素干擾，由此來提高春玉米干旱監(jiān)測和評估的精確程度。