冬小麥―夏玉米作物蒸散量及其水熱關(guān)系研究

張東霞 秦安振

（1河南省焦作水文水資源勘測(cè)局，454003，河南焦作；2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，453002，河南新鄉(xiāng)）

華北地區(qū)水資源短缺，發(fā)展集約化、自動(dòng)化和精量化節(jié)水灌溉技術(shù)是減輕華北地區(qū)水資源壓力的重要措施之一。作物蒸散量（ETc）是農(nóng)田作物水分消耗的主要形式，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)ETc是作物實(shí)時(shí)耗水估算及灌溉預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)[1]。目前，對(duì)ETc的估計(jì)有2種途徑：一是通過獲取歷史氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合Penman-Monteith模型和Priestley-Taylor模型等估算參考ETc，再乘以作物系數(shù)來估算ETc[2]；二是通過土壤墑情監(jiān)測(cè)儀的連續(xù)監(jiān)測(cè)，利用水量平衡法獲得ETc[3]。

已有研究表明，ETc與表層土壤含水量呈顯著線性相關(guān)關(guān)系[4]，并基于此利用遙感影像反演了陸地植被指數(shù)與表層含水量的關(guān)系，進(jìn)一步估算了區(qū)域ETc[5]。然而，單一線性方程并未充分考慮其他影響因素，尤其是土壤溫度對(duì)ETc的影響。以往研究[6]表明，土壤溫度下降會(huì)使農(nóng)田小氣候氣溫下降，顯著降低棵間蒸發(fā)速率和蒸散速率。在低溫環(huán)境下，即使土壤水分充足，實(shí)際ETc也會(huì)顯著低于單一蒸散量―土壤水分線性方程的估算值[7]；類似地，在土壤墑情條件較差時(shí)，即使氣溫升高，實(shí)際ETc也可能處于較低水平[8]。張力等[9]通過研究冬小麥―夏玉米ETc對(duì)氣象因子的敏感性發(fā)現(xiàn)，ETc與土壤溫度呈顯著指數(shù)相關(guān)關(guān)系，二者對(duì)溫度的敏感系數(shù)分別為0.54和1.15。ETc與不同土層含水量的關(guān)系也不同，夏玉米ETc與0～30cm土壤含水量呈顯著線性相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)達(dá)0.75[10]，而與60～100cm土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且對(duì)ETc變異的貢獻(xiàn)率降低至30%以下[11]。方彥杰等[12]在研究春玉米ETc與土壤水分的關(guān)系中也得出了相似的結(jié)論。在美國(guó)中部大平原玉米ETc與表層土壤（0～10cm）水分存在相關(guān)性，決定系數(shù)達(dá)0.65[13]。然而，上述研究?jī)H闡述了單一土層土壤水分或溫度與ETc的關(guān)系，關(guān)于冬小麥―夏玉米ETc與0～30cm土層土壤水分與溫度協(xié)同關(guān)系的研究鮮見報(bào)道。綜上所述，ETc的估算應(yīng)充分考慮土壤墑情和溫度的協(xié)同效應(yīng)[14]，建立土壤水分―溫度―蒸散量協(xié)同方程，減少依賴單一因子估算ETc時(shí)的誤差。本研究旨在為基于遙感農(nóng)田表層土壤含水量和溫度的ETc估算等相關(guān)研究提供理論參考[15-16]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

2019年10月至2020年10月在河南省許昌市灌溉試驗(yàn)站（113°24'E，34°76'N，海拔73m）開展田間試驗(yàn)。試驗(yàn)以冬小麥―夏玉米為研究對(duì)象，以中心支軸噴灌為載體，采用氣象數(shù)據(jù)估算ETc及土壤水分、溫度連續(xù)監(jiān)測(cè)方法，研究ETc與土壤水分和溫度的協(xié)同關(guān)系。試驗(yàn)區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫14.7°C，年降水量546mm，年日照時(shí)數(shù)2280h。2019-2020年小麥季降水量202mm，玉米季為567mm；小麥季平均氣溫11.4°C，玉米季為25.7°C。試驗(yàn)期主要?dú)庀笠財(cái)?shù)據(jù)見表1。試驗(yàn)區(qū)0～60cm土層的土壤容重為1.39g/cm3、全氮1.28g/kg、全磷1.71g/kg、有機(jī)質(zhì)20.3g/kg。

表1 許昌灌溉試驗(yàn)站2019-2020年冬小麥―夏玉米生育期氣象要素Table 1 Meteorological data in winter wheat-summer maize cropping system in 2019-2020 at Xuchang Irrigation Experiment Station

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

冬小麥品種為新麥26，2019年10月15日播種，2020年6月1日收獲；小麥行距12cm，基本苗數(shù)2.25×106株/hm2。夏玉米品種為登海605，2020年6月5日播種，9月30日收獲；玉米株距30cm，行距50cm，定苗后種植密度為6.75×104株/hm2。冬小麥的施氮量為180kg N/hm2，夏玉米為300kg N/hm2，其中，60%在播種前基施，40%在小麥、玉米拔節(jié)期追施；小麥季和玉米季磷肥施用量均為180kg P2O5/hm2，鉀肥施用量均為55kg K2O/hm2，播種前作為基肥一次性施入。

采用噴灌系統(tǒng)對(duì)作物進(jìn)行灌溉，灌溉均勻度達(dá)90%以上。試驗(yàn)采用不完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。在冬小麥―夏玉米不同生育期設(shè)置4種水分下限處理（表2）。為保證出苗率，播種后測(cè)墑補(bǔ)灌，灌至田間持水量。出苗后，作物生育期內(nèi)的灌溉依據(jù)智墑水分儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的土壤墑情下限值進(jìn)行?？偪刂扑戆惭b于水泵出水口，用于計(jì)量灌溉量。根據(jù)田間調(diào)查，小麥生育期為苗期2019年10月15日–11月15日，越冬期2019年11月15日-2020年2月25日，返青拔節(jié)期2020年2月25日-4月15日，開花孕穗期2020年4月15日-5月5日，灌漿期2020年5月5日-5月20日，成熟期2020年5月20日-6月1日。玉米生育期為苗期2020年6月5日-6月25日，拔節(jié)期2020年6月25日-7月15日，大喇叭口期2020年7月15日-8月5日，吐絲期2020年8月5日-8月20日，灌漿期2020年8月20日-9月15日，成熟期2020年9月15日-9月30日。

表2 冬小麥―夏玉米種植模式啟動(dòng)灌溉的土壤水分（田間持水量，V/V）下限Table 2 Lower soil moisture limits(field holding capacity,V/V)for initiating irrigation in winter wheat-summer maize cropping system %

1.3 土壤含水量和溫度

采用管式TDR儀（TRIME―PICO―IPH）和“智墑”土壤水分、溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[東方智感（浙江）科技股份有限公司]聯(lián)合測(cè)定土壤含水量和溫度。每隔5d用管式TDR儀測(cè)定土壤含水量1次，測(cè)定時(shí)每隔10cm測(cè)定1次，測(cè)定深度為100cm；“智墑”土壤水分、溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每隔60min自動(dòng)記錄1次土壤含水量和溫度數(shù)據(jù)，并自動(dòng)保存，系統(tǒng)探頭埋設(shè)位置分別為10、20、30、40、60、70、80、90和100cm處。

1.4 參考作物蒸散量預(yù)測(cè)

采用聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織推薦的Penman-Monteith公式[16]計(jì)算參考作物蒸散量（crop evapotranspiration，ET0，mm），計(jì)算公式：

式中，ET0為日參考作物蒸散量（mm/d），Rn為凈輻射量[MJ/(m2·d)]，G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]，取值0；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率（kPa/℃）；γ為濕度計(jì)常數(shù)，取值0.066kPa/℃；T為空氣日平均溫度（℃）；u2為地面2m高處風(fēng)速（m/s），計(jì)算公式見湯鵬程等[18]文獻(xiàn)；es為空氣飽和水汽壓（kPa）；ea為空氣實(shí)際水汽壓（kPa）。

1.5 作物蒸散量估算

作物蒸散量（crop evapotranspiration，ETc，mm）的計(jì)算采用目前最常用的作物系數(shù)法[19]，即通過某時(shí)段（i）的參考作物需水量（ET0i）和作物系數(shù)（Kci）確定某種作物的ETci[20]，表達(dá)式：

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019軟件處理數(shù)據(jù)，用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及方差分析，用Original 8.0 Pro對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥―夏玉米0～100cm土壤水分變化

不同灌溉處理冬小麥―夏玉米0～30cm的土壤含水量（SWC）變異幅度較大，30～100cm較小，變化趨勢(shì)較一致（圖1）。冬小麥播種至拔節(jié)期，4個(gè)處理0～30cm平均SWC為19.1%～21.7%。拔節(jié)后，灌溉處理對(duì)小麥10cm處SWC有顯著影響。拔節(jié)至成熟期I3和I4處理10cm處SWC最高，為18.8%，較I1和I2處理提高11%～52%；I1處理10～30cm的SWC最低，平均為15.1%。拔節(jié)至成熟期各處理30～100cm的SWC為19.5%～21.0%，處理間差異不顯著。這表明，井灌區(qū)冬小麥SWC變異主要集中在0～30cm土層。玉米季除苗期外，降水量充沛，除蒙頭水外，并未進(jìn)行灌溉。玉米季4個(gè)處理0～100cm的SWC為24.3%～25.1%，處理間差異不顯著。

圖1 2019-2020年冬小麥–夏玉米0～100cm土壤水分動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Variations in 0-100cm soil water content in winter wheat-summer maize cropping system in 2019-2020

2.2 冬小麥–夏玉米0～100cm土壤溫度變化

冬小麥播種至返青期30～100cm平均土壤溫度（Ts）顯著高于0～30cm，返青至成熟期0～30cm的Ts逐漸升高，高于30～100cm的地溫（表3）。夏玉米生育期0～30cm的Ts均高于30～100cm。小麥季地表最低Ts出現(xiàn)在越冬期，為2.7°C；最高Ts出現(xiàn)在成熟期，為26.3°C；玉米季地表最低Ts出現(xiàn)在成熟期，為 19.9°C；最高 Ts出現(xiàn)在抽雄期，為 29.4°C。在冬小麥出苗至返青期，I3和I4處理0～30cm土層Ts平均為8.8°C，較同時(shí)期I1和I2處理提高了16%～25%。I3處理返青至成熟期的Ts最高，為15.3°C，較同時(shí)期I1、I2和I4處理提高了15%～27%。玉米季I1處理 0～30cm 的Ts最高，為 27.3°C，較其他3個(gè)處理提高4%～14%。

表3 2019-2020年冬小麥―夏玉米生育期TsTable 3 Tsduring the growth periods of winter wheat-summer maize in 2019-2020 °C

2.3 冬小麥―夏玉米作物蒸散量變化

冬小麥ETc在播種到越冬前較穩(wěn)定，平均為1.71mm/d，在越冬期降至最低，平均為0.66mm/d（表4）。返青期后，隨著氣溫升高，ETc逐漸升高，在小麥灌漿中期達(dá)到最大。I1、I2、I3和I4處理ETc最大值分別為4.67、5.60、5.14和6.41mm/d。返青至成熟期，I1、I2、I3和I4處理平均ETc分別為3.48、4.02、4.25和4.71mm/d。夏玉米ETc由苗期逐漸升高，在拔節(jié)期、大喇叭口期和抽雄吐絲期呈現(xiàn)多峰曲線變化趨勢(shì)。自灌漿期開始，ETc逐漸下降。玉米ETc最大值發(fā)生在I2處理的抽雄吐絲期，為7.06mm/d。

表4 2019-2020年冬小麥―夏玉米各生育期平均ETc的動(dòng)態(tài)變化Table 4 Average ETcduring the growth periods of winter wheat-summer maize in 2019-2020 mm/d

2.4 冬小麥―夏玉米ETc與0～30cm土壤水分、溫度的多元線性關(guān)系

回歸分析結(jié)果（表5）表明，冬小麥―夏玉米的ETc與0～30cm的Ts和SWC呈極顯著多元線性相關(guān)關(guān)系（P＜0.001）。其中，小麥季Ts和SWC對(duì)ETc的決定系數(shù)（R2）為0.744～0.839，高于玉米季的R2（0.648～0.752），表明玉米季ETc受其他因子的影響較大。從小麥季Ts對(duì)ETc的影響權(quán)重來看，20cm的Ts權(quán)重（0.459～6.275）顯著高于10和30cm（0.232～3.827），而0cm Ts的影響權(quán)重最?。?.049～0.470），顯著低于10～30cm；小麥季20和30cm的SWC對(duì)ETc的影響權(quán)重相近，但明顯高于10cm。玉米季SWC對(duì)ETc的權(quán)重均小于0.070，說明SWC不是影響玉米ETc變異的主要因子，而玉米季Ts對(duì)ETc的權(quán)重則明顯大于SWC的權(quán)重，表明玉米季Ts對(duì)ETc的貢獻(xiàn)較大。

表5 冬小麥―夏玉米ETc與0～30cm Ts及SWC的多元線性回歸Table 5 Multiple linear regression among ETc,Tsand SWC in 0-30cm soil layers for winter wheat and summer maize

3 討論

以往的研究[21]表明，黃淮地區(qū)冬小麥降水量遠(yuǎn)低于蒸散量，生長(zhǎng)季缺水量為150～250mm。因此，冬小麥季需要補(bǔ)充灌溉3～4次，總灌溉量約200mm。本研究中，冬小麥季降水量為202mm，小麥缺水量約250mm，全生育期進(jìn)行了4次灌溉。玉米播種前，由于冬小麥生育后期耗水量不斷增加，0～30cm的SWC降至13%左右[22]，需要及時(shí)灌溉蒙頭水才能滿足玉米的出苗要求，這與劉戰(zhàn)東等[23]研究結(jié)果一致。本研究通過分析冬小麥–夏玉米全生育期土壤墑情和溫度動(dòng)態(tài)，得出冬小麥季土壤水分和溫度的變異主要發(fā)生在0～30cm土層，不同灌溉處理30cm以下溫度和水分的變化差異不顯著。本研究認(rèn)為，0～30cm土層是引起黃淮南部作物土壤貯水量和土壤溫度變化的主體，該土層SWC和Ts是作物ETc變化的主要貢獻(xiàn)者。該研究結(jié)果與方彥杰等[12]在西北春玉米中的研究結(jié)果一致。董朝陽等[24]研究了北方地區(qū)不同等級(jí)干旱對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響，得出土壤墑情變異主要集中在0～50cm，與本研究得出的0～30cm土層不同，其原因是由于上述研究基于河北北部的試驗(yàn)，其降水量較黃淮南部少30%左右，導(dǎo)致作物根系下扎較深，水分吸收層也隨之加深。侯慧芝等[25]研究了西北黃土高原半干旱區(qū)全膜覆蓋小麥土壤溫度變化，發(fā)現(xiàn)不同作物土壤溫度變異主要集中在0～25cm，與本研究的結(jié)果基本一致。

在研究ETc與SWC的關(guān)系中，田建柯等[26]發(fā)現(xiàn)土壤水分充足可顯著促進(jìn)ETc，ETc與SWC呈顯著正相關(guān)關(guān)系。也有研究[27]表明，相對(duì)濕度、風(fēng)速、土壤溫度和作物類型等對(duì)ETc有顯著影響。其中，以Ts對(duì)ETc的影響最大，權(quán)重系數(shù)達(dá)0.40[28]。由于土壤溫度下降會(huì)顯著降低棵間蒸發(fā)速率，從而顯著降低了ETc。在低溫環(huán)境下，即使土壤水分較充足，ETc也較低[7]；Qin 等[3]發(fā)現(xiàn)，夏玉米 ETc與 0～30cm的SWC呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與本研究結(jié)果相似。本研究在以往研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮了0～30cm土層SWC、Ts與ETc的多元線性關(guān)系，揭示了黃淮南部井灌區(qū)冬小麥―夏玉米ETc與0～30cm土層SWC、Ts的協(xié)同關(guān)系。從Ts對(duì)ETc的影響權(quán)重來看，20cm的Ts顯著高于10和30cm，而表層Ts的影響權(quán)重最小，為0.049～0.470，顯著低于10～30cm；小麥季20和30cm的SWC對(duì)ETc的影響權(quán)重顯著高于10cm。玉米季各處理Ts的權(quán)重以10、20或30cm為主，地表Ts的權(quán)重最小。玉米季I2、I3和I4處理SWC對(duì)ETc的權(quán)重影響均小于0.07，說明SWC不是影響玉米ETc變異的主要因子。玉米季I1處理SWC的影響權(quán)重與小麥季I1處理的相似，表明小麥季干旱處理對(duì)玉米季ETc仍存在延續(xù)性影響，這與Qin等[22]的研究結(jié)果相似。通過研究各土層Ts和SWC對(duì)ETc的影響，表明不同土層水熱環(huán)境對(duì)ETc有顯著影響。未來還需要繼續(xù)開展定位試驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證本研究結(jié)果。

4 結(jié)論

通過對(duì)冬小麥―夏玉米生長(zhǎng)季SWC和Ts的連續(xù)監(jiān)測(cè)，認(rèn)為0～30cm土層是黃淮南部作物土壤貯水量和土壤溫度變化的主體。ETc與SWC、Ts之間的多元線性關(guān)系表明，0～30cm土層SWC和Ts是作物ETc變化的主要貢獻(xiàn)者。ETc值的估算方程應(yīng)當(dāng)充分考慮土壤墑情和溫度的協(xié)同效應(yīng)，建立土壤水分–溫度–蒸散量協(xié)同方程，可減少單一模型在估算ETc時(shí)的誤差。另外，SWC和Ts對(duì)ETc的影響程度還因作物年際生長(zhǎng)季節(jié)而變化。