西北地區(qū)冬小麥騰發(fā)量估算模型適用性評(píng)價(jià)

張福娟，崔寧博, , 3*，趙璐，蔡煥杰，胡笑濤，張念，肖璐，虎海波，楊德文

(1. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100； 3. 南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610066； 4. 四川省攀枝花農(nóng)林科學(xué)研究院，四川 攀枝花 617061)

準(zhǔn)確估算作物騰發(fā)量(ET)對(duì)提升灌溉水有效利用率、區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置具有重要意義.前人依據(jù)作物的生長環(huán)境、氣候條件和管理特征提出了ET的估算模型，其中包括基于輻射法的Priestley-Taylor(PT)模型[1]和基于參考作物騰發(fā)量(ET0)的作物系數(shù)模型[2].PT模型所需參數(shù)較少，因而在估算ET中有著較為廣泛的應(yīng)用；作物系數(shù)模型是FAO-56推薦計(jì)算作物需水量的方法，該模型考慮了不同地區(qū)作物系數(shù)的差異性，在各地區(qū)ET計(jì)算中表現(xiàn)出較強(qiáng)的普適性.研究表明這2種模型對(duì)西北地區(qū)作物全生育期ET的估算精度較高，DING等[3]基于修正的PT模型對(duì)西北干旱地區(qū)2個(gè)生長季玉米的ET進(jìn)行模擬，其R2可達(dá)0.96.ZHAO等[4]采用Shuttleworth-Wallace(S-W)模型和雙作物系數(shù)模型模擬西北干旱地區(qū)葡萄的ET，發(fā)現(xiàn)雙作物系數(shù)模型擬合度更高.李毅等[5]利用單雙作物系數(shù)模型估算西北地區(qū)不同砂石覆蓋條件下冬小麥需水量，其R2均在0.7以上.但目前2種模型在西北地區(qū)冬小麥分生育期ET估算的應(yīng)用相對(duì)較少.

騰發(fā)是地表水分平衡中的重要組成部分，分析不同影響因子與ET的相關(guān)關(guān)系有助于研究作物耗水規(guī)律.ZHANG等[6]分析了夏玉米葉片、植物蒸騰作用以及農(nóng)田ET的變化，提出多尺度ET與其氣象控制因素之間的關(guān)系，為夏玉米ET變化規(guī)律提供了理論依據(jù).XU等[7]基于氣象觀測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)分別研究了ET對(duì)氣象因子和作物長勢的響應(yīng)規(guī)律，認(rèn)為作物覆蓋度的變化是影響作物年際ET的主要因素.同時(shí)，研究表明由于各種傳統(tǒng)作物模型輸入?yún)?shù)存在差異，其模擬精度也會(huì)不同[8]，因此分析各生育期影響因子與ET的相關(guān)程度對(duì)模型的適用性評(píng)價(jià)必不可少.

文中冬小麥實(shí)際ET由田間的大型稱重式蒸滲儀自動(dòng)測定，同時(shí)根據(jù)冬小麥生長情況將每年冬小麥全生育期劃分為4個(gè)分生育期，在對(duì)不同生育期ET與其影響因子進(jìn)行相關(guān)分析基礎(chǔ)上，采用作物系數(shù)模型和改進(jìn)的PT模型分別估算冬小麥各生育期ET，分析不同估算方法的精度差異，提出不同生育期模擬ET的最優(yōu)模型，為西北地區(qū)冬小麥的灌溉制度制定與高效用水管理提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2011—2014年3個(gè)冬小麥生長季在西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行.站點(diǎn)處于關(guān)中地區(qū)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具體位置為108.4oE，34.3oN，海拔521 m.站內(nèi)地形平坦，土壤質(zhì)地疏松.1 m土層平均田間持水量為28%，凋萎含水率為14%(以上均為體積含水率)，平均干容重為1.44 g/cm3.從播種至收獲冬小麥全生育期內(nèi)降水量2011—2012年為278.8 mm，2012—2013年為207.4 mm，2013—2014年為294.0 mm.

1.2 氣象數(shù)據(jù)與作物指標(biāo)測定

冬小麥生長季逐日氣象數(shù)據(jù)由相鄰氣象站測得，主要包括最高氣溫Tmax、最低氣溫Tmin、平均溫度T、降雨量P、日照時(shí)數(shù)n、相對(duì)濕度RH以及10 m處的最大風(fēng)速u等，太陽凈輻射Rn通過實(shí)測日照時(shí)數(shù)計(jì)算得到，2011—2014年冬小麥生育期內(nèi)逐日氣象要素變化情況見圖1.在生長過程中，逐日對(duì)冬小麥的株高h(yuǎn)、覆蓋度fc進(jìn)行觀測和記錄，確定冬小麥的播種、越冬、返青、抽穗、乳熟和收獲日期；逐時(shí)對(duì)20～100 cm厚土層的土壤含水率進(jìn)行記錄.

冬小麥ET由2個(gè)大型稱重式蒸滲儀自動(dòng)測定.測定時(shí)間間隔為1 h/次，將1 d內(nèi)各時(shí)段測量值累加得到日騰發(fā)量值.大型稱重式蒸滲儀表面積為6.67 m2，蒸滲儀量程為 0～6 t(±1%)，靈敏度小于150 g，試驗(yàn)期間冬小麥均為充分灌溉水平.

圖1 2011—2014年冬小麥生育期內(nèi)逐日氣象要素變化規(guī)律

1.3 冬小麥生育期劃分

根據(jù)2011—2014年冬小麥實(shí)際生長狀況，將每年冬小麥全生育期劃分為4個(gè)分生育期，從播種至返青為Ⅰ期，返青至抽穗為Ⅱ期，抽穗至乳熟為Ⅲ期，乳熟至收獲為Ⅳ期，具體劃分情況見表1.由于冬小麥所經(jīng)歷的越冬期較長，在越冬期土壤凍結(jié)，土壤蒸發(fā)和作物蒸騰都很小，因此將越冬期劃入Ⅰ期.

表1 各年份冬小麥生育期劃分情況

1.4 單作物系數(shù)模型

1.4.1 參考作物騰發(fā)量

采用單作物系數(shù)模型計(jì)算冬小麥ET的公式為

ET=KcET0，

(1)

式中：Kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物騰發(fā)量，文中采用FAO-56中的Penman-Monteith公式計(jì)算，即

(2)

其中：Rn為冠層表面的凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T2為2 m處高度的平均溫度；VPD為飽和水汽壓差，kPa；u2為2 m處的風(fēng)速，m/s；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃.

1.4.2 單作物系數(shù)的確定

FAO-56作物需水量計(jì)算指南推薦的冬小麥不同生育期的作物系數(shù)為Kcini=0.7，Kcmid=1.15，Kcend=0.25，作物系數(shù)需要依據(jù)不同生育期的土壤水分和氣象因子進(jìn)行修正.根據(jù)楊凌當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，分別對(duì)Kcini，Kcmid和Kcend進(jìn)行修正.

Kcini的修正方法見參考文獻(xiàn)[2]，當(dāng)日最低相對(duì)濕度的平均值不等于45%或u2不等于2 m/s時(shí)，采用式(3)對(duì)Kcmid和Kcend進(jìn)行修正，即

Kc=Kc(tab)+[0.04(u2-2)-0.004(RHmin-45)](h/3)0.3，

(3)

式中：h為相應(yīng)生育期內(nèi)冬小麥平均高度，m；u2為2 m高度處日平均風(fēng)速，1 m/s≤u2≤6 m/s；RHmin為最低相對(duì)濕度的平均值，20%≤RH≤80%；

1.5 雙作物系數(shù)模型

采用雙作物系數(shù)模型，分別計(jì)算充分供水條件下冬小麥蒸騰量和土壤蒸發(fā)量.其計(jì)算公式為

ET=(Kcb+Ke)ET0，

(4)

式中：Kcb為基礎(chǔ)作物系數(shù)；Ke為土壤蒸發(fā)系數(shù).

1.5.1 基礎(chǔ)作物系數(shù)的確定

FAO-56推薦的冬小麥不同生育期的基礎(chǔ)作物系數(shù)為Kcbini=0.15，Kcbmid=1.10，Kcbend=0.15，當(dāng)RHmin的平均值不等于45%或u2不等于2 m/s時(shí)，采用式(3)對(duì)Kcbmid和Kcbend進(jìn)行修正.

1.5.2 土壤蒸發(fā)系數(shù)的確定

當(dāng)土壤水分含量較低，蒸發(fā)能力較弱時(shí)，Ke值很小甚至為零.Ke計(jì)算公式為

Ke=Kr(Kcmax-Kcb)≤fewKcmax，

(5)

式中：Kcmax，Kr分別為降雨或灌溉后作物系數(shù)的最大值和由累積蒸發(fā)水深決定的表層土壤蒸發(fā)衰減系數(shù)；few為發(fā)生棵間蒸發(fā)的土壤占全部土壤的比例.式中各參數(shù)的確定方法見參考文獻(xiàn)[2].

1.6 Priestley-Taylor模型

Priestley和Taylor于1972年對(duì)PM模型進(jìn)行簡化，并提出了著名的Priestley-Taylor模型[1]，即

(6)

式中：α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；λ為氣化潛熱，取2.45 MJ/kg.

α取值受環(huán)境和作物因素等條件影響，文中通過實(shí)測資料提出適用于西北地區(qū)冬小麥的模型系數(shù)α[9].

(7)

(8)

(9)

得到各年份PT模型計(jì)算冬小麥不同生育期的模型系數(shù)α′i.2011—2012年各生育期的模型系數(shù)α′1，α′2，α′3，α′4分別為0.76，1.05，1.45，0.44，2012—2013年的α′1，α′2，α′3，α′4分別為1.11，1.06，1.12，0.51，2013—2014年的α′1，α′2，α′3，α′4分別為1.12，1.02，1.15，1.35.

1.7 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

選用均方根誤差RMSE、平均絕對(duì)誤差MAE、納什系數(shù)NSE和決定系數(shù)R2，并將其統(tǒng)一到整體評(píng)價(jià)指標(biāo)(global performance indicator，GPI)評(píng)價(jià)模型的精度[8]，具體公式為

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥全生育期ET變化情況分析

由大型蒸滲儀實(shí)測的2011—2014年冬小麥全生育期ET變化情況見圖2.由圖2可知，3個(gè)年度冬小麥Ⅰ期(播種—返青)的ET較低，且在一定水平范圍內(nèi)波動(dòng)，Ⅱ期(返青—抽穗)和Ⅲ期(抽穗—乳熟)ET逐漸增大，前2年冬小麥Ⅳ期(乳熟—收獲)ET均呈減小趨勢，最后1年ET在該生育期先增后減.3個(gè)年度冬小麥全生育期內(nèi)日均騰發(fā)量分別為1.43，1.57，1.75 mm/d，其中2011—2012年冬小麥Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ期的日均騰發(fā)量分別為0.53，0.96，4.30，1.75 mm/d，2012—2013年分別為0.69，2.07，3.53，0.98 mm/d，2013—2014年分別為0.71，1.97，3.75，4.47 mm/d.

圖2 2011—2014年冬小麥生育期內(nèi)ET變化情況

2.2 各生育期騰發(fā)量與影響因子相關(guān)性分析

冬小麥各分生育期及全生育期ET與影響因子的相關(guān)性分析結(jié)果見表2.表2顯示，Ⅰ期日照時(shí)數(shù)n、溫度T、相對(duì)濕度RH等氣象因子與ET的相關(guān)程度明顯高于株高h(yuǎn)、覆蓋度fc等作物因子，說明Ⅰ期氣象因子對(duì)冬小麥ET起主導(dǎo)作用；Ⅱ期n，T與ET的相關(guān)系數(shù)分別為0.712，0.766，h，fc與ET的相關(guān)系數(shù)分別為0.578，0.530，且均達(dá)到極顯著水平(p<0.01)，表明氣象因子和作物因子對(duì)冬小麥Ⅱ期ET均有較大影響；Ⅲ期ET與n的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.836，與T和RH的相關(guān)系數(shù)也在0.600以上，而h，fc與ET的相關(guān)系數(shù)不足0.200，且未達(dá)到極顯著水平，表明Ⅲ期冬小麥ET的主要驅(qū)動(dòng)因子和Ⅰ期同為氣象因子；Ⅳ期n，T與ET的相關(guān)程度明顯降低，只有RH與ET的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了極顯著水平，而fc與ET的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.749，可以看出在Ⅳ期氣象因子對(duì)ET的作用明顯減弱，作物因子對(duì)ET驅(qū)動(dòng)加強(qiáng)；除RH和風(fēng)速u，全生育期中各影響因子與ET的相關(guān)系數(shù)均在0.500以上，說明全生育期冬小麥ET對(duì)多種因子的響應(yīng)程度相當(dāng).GONG等[10]基于稱重式蒸滲儀分析了溫室滴灌番茄ET的變化特征，發(fā)現(xiàn)在初期ET與土壤含水率有密切聯(lián)系，在中后期葉面積指數(shù)對(duì)ET的影響更大，這說明不同作物在各生育期土壤條件和生長情況發(fā)生變化時(shí)，主要驅(qū)動(dòng)因子也會(huì)發(fā)生改變.

表2 冬小麥各生育期騰發(fā)量與影響因子相關(guān)性分析結(jié)果

2.3 各生育期經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M精度分析

以大型蒸滲儀實(shí)測ET為標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比不同模型在各生育期的模擬精度，其結(jié)果見表3.由表可知，全生育期雙作物系數(shù)模型的RMSE，MAE和NSE分別為0.551 5，0.364 8 mm/d和0.896 4，R2為0.902 2，GPI排名第1；單作物系數(shù)模型的RMSE，MAE和NSE分別為0.711 5，0.487 7 mm/d和0.827 6，R2為0.828 1；PT模型的RMSE，MAE和NSE分別為0.893 6，0.591 6 mm/d和0.728 0，R2為0.734 0，模擬精度與作物系數(shù)模型相比較差.PT模型的輸入?yún)?shù)主要為T，n和RH等氣象參數(shù)，并未考慮作物長勢和土壤含水率變化對(duì)ET的影響.經(jīng)驗(yàn)系數(shù)α雖然經(jīng)過實(shí)測資料的修正，但在各生育期α仍為靜態(tài)參數(shù).DING等[6]基于葉面積指數(shù)、土壤水分和覆蓋度等對(duì)ET的影響建立了改進(jìn)后的PT模型，實(shí)現(xiàn)了α的動(dòng)態(tài)化，其模擬精度明顯提高，作物系數(shù)模型本身就考慮了不同生育期冬小麥生長情況和土壤水分含量的動(dòng)態(tài)變化，因此模擬效果更好.

從表3可看出，Ⅰ期各模型的模擬精度較全生育期明顯下降，雙作物系數(shù)模型的R2，NSE分別為0.511 8，0.500 0，模擬精度仍最高；單作物系數(shù)模型和PT模型的R2，NSE均在0.500 0以下，其中單作物系數(shù)模型的R2僅為0.239 3，表明單作物系數(shù)模型雖然在全生育期中總體模擬效果較好，但在Ⅰ期并不適用.冬小麥Ⅰ期含有較長時(shí)間的越冬期，由圖1可知，在越冬期間Rn和T均呈下降趨勢，冬小麥生長緩慢、覆蓋度較低，騰發(fā)以土壤蒸發(fā)為主，雙作物系數(shù)模型能區(qū)分土壤蒸發(fā)和作物蒸騰，相比單作物系數(shù)模型模擬效果更佳.

Ⅱ，Ⅲ期，雙作物系數(shù)模型的R2分別為0.821 6，0.854 3，RMSE分別為0.540 9，0.828 8 mm/d，單作物系數(shù)模型和PT模型的R2分別在0.700 0，0.600 0以上，且均達(dá)到極顯著水平，可見3個(gè)模型在冬小麥生長發(fā)育期和生長旺盛期模擬效果較好.由表2和圖1可知，Ⅱ，Ⅲ期冬小麥ET與n，T和RH的相關(guān)系數(shù)較Ⅰ期明顯增大，Rn和T在冬小麥快速生長期呈上升趨勢，葉片氣孔導(dǎo)度亦隨之逐漸升高，氣象因子對(duì)冬小麥ET的驅(qū)動(dòng)作用增強(qiáng)，因?yàn)?個(gè)模型都考慮了氣象因子對(duì)ET的影響，所以在Ⅱ，Ⅲ期模擬效果較為穩(wěn)定.

表3 冬小麥各生育期不同模型的ET模擬精度

Ⅳ期，雙作物系數(shù)模型的R2，NSE分別為0.799 1，0.792 1，單作物系數(shù)模型的R2，NSE分別為0.671 6，0.652 5，說明單雙作物系數(shù)模型在覆蓋度較大時(shí)，模擬精度無明顯差異；PT模型的R2僅為0.270 8，NSE為0.159 8，精度明顯低于作物系數(shù)模型.根據(jù)Ⅳ期冬小麥ET與影響因子的相關(guān)分析，ET與fc相關(guān)程度較高，n，T等對(duì)ET的作用明顯減弱，導(dǎo)致以氣象因子為主要輸入?yún)?shù)的PT模型精度發(fā)生改變.此外，PT模型沒有考慮RH的影響，由圖1可知，在小麥生育后期RH維持在較高水平，這可能造成該模型估算結(jié)果存在較大偏差.圖3為全生育期模擬騰發(fā)量與實(shí)測騰發(fā)量的對(duì)比，圖中n為樣本數(shù)量.

圖3 冬小麥全生育期模擬騰發(fā)量與大型蒸滲儀實(shí)測騰發(fā)量的對(duì)比

圖3表明全生育期各模型模擬ETm(Model ET)和實(shí)測ETs(Measured ET)的線性關(guān)系較好，但3個(gè)模型模擬值都偏小.單作物系數(shù)模型雖采用了氣象和作物因子，可土壤條件和地表情況不在研究范圍內(nèi)，將土壤蒸發(fā)和作物蒸騰看作同一涌源造成了模擬誤差.雙作物系數(shù)模型的模擬結(jié)果在很大程度上取決于Ke，3個(gè)年度經(jīng)過修正后的Kcbmid和Kcbend均低于FAO-56作物需水指南中的推薦值，這可能是雙作物系數(shù)模型估算結(jié)果偏小的原因.土壤蒸發(fā)主要與T，Rn有關(guān)，當(dāng)冬小麥處于快速生長期時(shí)，生理活動(dòng)不斷增強(qiáng)，氣孔導(dǎo)度隨溫度上升而增大，ET以植株蒸騰為主；到了生育后期小麥葉片逐漸枯黃，需水量有所減少，但此時(shí)地面覆蓋度較大，土壤蒸發(fā)并不明顯，因此在土壤蒸發(fā)較弱時(shí)PT模型可能會(huì)低估作物蒸騰作用而導(dǎo)致模擬ET偏小.同時(shí)本研究在對(duì)PT模型進(jìn)行改進(jìn)時(shí)并未考慮到不同生育期氣候、土壤水分和作物狀態(tài)變化對(duì)α變異性的影響，這也會(huì)使模擬值和實(shí)測值存在一定偏差.

3 結(jié) 論

1) Ⅰ期和Ⅲ期n，T，RH等氣象因子是冬小麥ET的主導(dǎo)因子，其相關(guān)系數(shù)均在0.4以上；在Ⅳ期冬小麥ET與n，T的相關(guān)系數(shù)不足0.3，與fc的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.749，作物因子主導(dǎo)騰發(fā)；而冬小麥全生育期和Ⅱ期ET與n，T，h和fc的相關(guān)系數(shù)變化范圍為0.5～0.7，ET對(duì)氣象因子和作物因子的響應(yīng)程度相當(dāng).

2) 雙作物系數(shù)模型在各生育期的模擬效果最好，可將其作為西北地區(qū)估算冬小麥ET的推薦模型.Ⅰ期單作物系數(shù)模型模擬精度低于PT模型，在其他生育期單作物系數(shù)模型GPI排名均高于PT模型.全生育期和Ⅱ，Ⅲ期PT模型的R2均在0.600 0以上，在ET與氣象因子相關(guān)程度較大時(shí)可采用PT模型模擬ET.

3) 不同模型模擬精度因各生育期ET的驅(qū)動(dòng)因子發(fā)生變化而存在差異.Ⅱ，Ⅳ期當(dāng)ET對(duì)h，fc等作物因子響應(yīng)程度較大時(shí)，作物系數(shù)模型的估算效果較好.而Ⅰ，Ⅲ期當(dāng)n，T等氣象因子為ET的主導(dǎo)因子時(shí)，Priestley-Taylor模型模擬精度明顯提高.