華北平原冬小麥農(nóng)田蒸散動態(tài)變化及其影響因子的通徑分析

許俊東,張心如,關(guān)鈞元,王榮英,劉馨

華北平原冬小麥農(nóng)田蒸散動態(tài)變化及其影響因子的通徑分析

許俊東1,張心如2*,關(guān)鈞元1,王榮英1,劉馨2

1. 衡水市氣象局, 河北 衡水 053000 2. 饒陽國家氣候觀象臺, 河北 衡水 053900

針對華北平原冬小麥麥區(qū)，利用中口徑蒸滲儀對冬小麥蒸散ET變化規(guī)律進行研究，通過通徑分析法，確定影響冬小麥農(nóng)田蒸散的直接和間接影響因子。結(jié)果表明：冬小麥全生育期裸地和麥地累積蒸散量分別為136.74 mm和326.26 mm，蒸散強度分別為0.59 mm/d和1.41 mm/d。冬小麥越冬期蒸散量最少，僅占全生育期的5.63%，返青期至灌漿期是麥地蒸散量最大的時期，此時期麥地蒸散量為238.77mm，占總蒸散量的73.19%，蒸散強度為2.49 mm/d，相對裸地增加了2.41倍。各發(fā)育期蒸散強度表現(xiàn)為拔節(jié)期>抽穗開花期>灌漿期>返青起身期>越冬前>成熟期>越冬期。冬小麥日蒸散量變化規(guī)律表現(xiàn)為早晚低、中午高的“單峰型”曲線特征。通徑分析表明，平均相對濕度、日輻射輻照度和日照時數(shù)對麥地蒸散的影響程度最大，日輻射輻照度與日平均氣溫對麥地蒸散的直接作用最大。

冬小麥; 蒸散量; 通徑分析

農(nóng)田作物蒸散是反映作物需水的重要指標，由土壤蒸發(fā)和植物蒸騰組成，是影響地表水量平衡的十分重要的要素[1,2]。華北平原是我國的傳統(tǒng)小麥產(chǎn)區(qū)，其面積和總產(chǎn)在全國均占有優(yōu)勢地位[3]，但由于水資源短缺、灌溉水利用率不高等問題制約著糧食產(chǎn)量的增長[4]。因此準確掌握冬小麥的蒸散量和蒸散強度及變化規(guī)律，從而進行農(nóng)業(yè)用水的合理調(diào)配、提高冬小麥農(nóng)田用水效率，是維持和增加冬小麥產(chǎn)量的必經(jīng)途徑。

前人對華北平原的蒸散進行了一些較為細致的研究，但是對麥地蒸散影響因子的研究較少。據(jù)王鵬濤等[5]研究發(fā)現(xiàn)，影響華北平原蒸散的主導氣象因子依次是日照時數(shù)、風速，而相對濕度和溫度影響較小。Yang JY等[6]研究發(fā)現(xiàn)，影響華北地區(qū)夏玉米蒸散量的主要因子是太陽輻射；影響冬小麥蒸散量變化的主要因子是相對濕度。楊光超等[7]通過分析懷來地區(qū)的土壤蒸發(fā)和玉米農(nóng)田蒸散，發(fā)現(xiàn)影響玉米蒸散的主要因子是凈輻射和土壤水分。為探討各因子對作物蒸散的影響，前人利用不同的方法對氣象因子和蒸散的關(guān)系進行了研究[8-12]，但是利用通經(jīng)分析方法進行探討研究的較少，因此本文利用通徑分析方法對氣象因子與麥地蒸散變化開展具體研究，以進一步明晰華北平原區(qū)麥地蒸散動態(tài)變化規(guī)律及其影響因子。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2020年10月-2021年6月在河北省饒陽國家氣候觀象臺（115°44′35″，38°13′23″）進行。其位于河北省東南部，屬于華北沖積平原的一部分，地勢平坦開闊，站點海拔17.9 m，屬大陸性季風氣候，暖溫帶半干旱區(qū)。氣候特點是冷暖、干濕差異顯著，四季分明，光熱資源充沛，雨量集中，年日照時數(shù)2 486 h，多年平均降水量為464 mm，多年平均氣溫為13.0 ℃。無霜期為201 d。

1.2 試驗方法

選用冬小麥品種“石麥22號”，采用4組中口徑蒸滲儀（型號GQZ-Z2）開展試驗研究，蒸滲儀安置于饒陽國家氣候觀象臺內(nèi)，質(zhì)量5T，靈敏度為0.01 mm，呈圓柱形土柱，直徑1.49 m，深2.6 m，數(shù)據(jù)采集時間步長60 次/h。

蒸滲儀內(nèi)回填土與大田土壤狀況保持一致，蒸滲儀周圍1 m范圍內(nèi)播種冬小麥，且4組蒸滲儀均不作覆膜處理，將4組蒸滲儀進行編號，1號、2號不種植作物，作裸地處理，3號、4號種植冬小麥，2020年10月21日播種，2021年6月10日收獲，種植密度為1.34 kg/hm2，種植密度、灌溉制度在整個生育期內(nèi)均與大田耕作條件一致。

1.3 氣象觀測資料與數(shù)據(jù)分析方法

國家氣候觀象臺內(nèi)配備標準氣象站，可記錄各類完整氣象數(shù)據(jù)：日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、飽和水氣壓、空氣相對濕度、日照時數(shù)以及日平均風速等氣象要素數(shù)據(jù)。距國家氣候觀象臺33 km的衡水農(nóng)業(yè)氣象試驗站副站內(nèi)有輻射儀，自動測量并記錄太陽輻射數(shù)據(jù)。

分別計算4組蒸滲儀每小時的質(zhì)量變化，并對不同的處理分別取平均，得到裸地的小時蒸散量變化和冬小麥的小時蒸散量變化。對于缺失和明顯錯誤的數(shù)據(jù)，則前后數(shù)據(jù)平均，對進行插補量獲得的每小時蒸散量累加得到日蒸散蒸散量。由于冬小麥全生育期內(nèi)降水天數(shù)較少，且大多處于返青期之前，作物蒸散作用較弱，因此將雨天蒸散數(shù)值視為0。

由于各氣象因子之間有較強的相互關(guān)聯(lián)作用，很難通過簡單相關(guān)分析體現(xiàn)單個氣象因子對參考作物蒸散發(fā)的影響程度，因此本文利用通徑分析方法，對各氣象因子和冬小麥農(nóng)田蒸散量進行相關(guān)性分解，確定冬小麥農(nóng)田蒸散的直接和間接影響因子，并準確刻畫其影響程度[13,14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型日麥地蒸散量變化規(guī)律

選取冬小麥晴天（4月8日）和陰天（4月9日）、典型生育期乳熟期（5月27日）進行逐小時蒸散量分布規(guī)律分析。

從圖1、圖2可以看出，麥地蒸散小時分布整體表現(xiàn)為早晚低、中午高的“單峰型”曲線特征，夜間19:00至次日8:00蒸散量趨近于0，且變化幅度較為平穩(wěn)；日間9:00-18:00蒸散量變化較顯著，10:00前后蒸散量明顯增加，12:00-15:00達到最大（晴天最大為0.52 mm/h，陰天最大為0.37 mm/h），隨后蒸散量逐漸降低，在19:00左右接近0。陰天蒸散量相對晴天較少，但變化規(guī)律與晴天幾乎一致。裸地蒸散量變化規(guī)律也與麥地一致，但裸地蒸散量明顯少于麥地蒸散量。

2.2 全生育期麥地蒸散量變化規(guī)律

華北平原冬小麥生長季主要在10月中旬至第二年6月上旬，按照數(shù)據(jù)分析方法處理，得到裸地和麥地逐日蒸散量變化如圖3所示，可知在冬小麥全生育期232 d內(nèi)，裸地累積蒸散量為136.74 mm，蒸散強度為0.59 mm/d；麥地累積蒸散量為326.26 mm，蒸散強度為1.41 mm/d，蒸散強度相對裸地增加了1.39倍。全生育期內(nèi)裸地和麥地蒸散量都表現(xiàn)出前期和后期多，中期少的變化特點，這可能與前期和后期氣溫水平較中期高，輻射強度相對中期強等其它相關(guān)氣象要素有關(guān)。在冬小麥全生育期的前期和后期，麥地的蒸散量均高于裸地蒸散量，中期二者蒸散量接近，這與前期和后期冬小麥存在蒸騰作用，而中期冬小麥蒸騰作用微弱有關(guān)。

圖 3 2020-2021年度麥地和裸地全生育期日尺度蒸散量變化

由表2可知，冬小麥越冬期蒸散量最少，僅占全生育期蒸散量的5.63%，這是由于越冬期間冬小麥基本停止生長，蒸騰作用微弱；自返青期起至灌漿期結(jié)束，是麥地蒸散量最大的時期，占麥地總蒸散量的73.19%，此時期冬小麥生長旺盛，植被覆蓋度高，麥地和裸地蒸散強度差距明顯，裸地為0.73 mm/d，麥地為2.49 mm/d，相對裸地增加了2.41倍。其中灌漿期蒸散量最多，占總蒸散量的25.72%。

表 1 2020-2021年度冬小麥各生育階段裸地蒸散特征

表 2 2020-2021年度冬小麥各生育階段麥地蒸散特征

圖4為2020-2021年冬小麥各生育期蒸散強度變化情況，由圖中冬小麥各生育期的蒸散強度分布情況可知，苗期至越冬期作物矮小，麥地蒸散主要以棵間蒸發(fā)為主，裸地蒸散強度為0.48 mm/d，麥地蒸散強度為0.63 mm/d，總體較為接近。自冬小麥返青起身期開始，氣溫逐步升高，植株生長發(fā)育進程加快，蒸騰量明顯增加，麥地和裸地之間表現(xiàn)出明顯的區(qū)別，返青起身期裸地的蒸散強度為0.78 mm/d，麥地的蒸散強度為1.36 mm/d，相對裸地增加了73.74%；拔節(jié)期是冬小麥關(guān)鍵發(fā)育期，此時期冬小麥快速發(fā)育，葉面完全展開，是冬小麥蒸散旺盛期，蒸散強度在此階段達到峰值，此階段裸地蒸散強度為0.42 mm/d，冬小麥蒸散強度為4.37 mm/d，相對裸地增加9.49倍；抽穗開花期是冬小麥生長階段另一個重要階段，此時植株逐漸進入生殖成熟階段，此時期裸地蒸散強度為0.61 mm/d，麥地蒸散強度為3.79 mm/d，相對裸地增加了4.53倍；隨著冬小麥進入灌漿期，籽粒逐漸成熟，葉片開始衰退，生理活動減弱，蒸散量隨之降低，2種處理在灌漿期的蒸散強度分別為0.82和3.00 mm/d，麥地相對裸地增加了2.51倍；進入成熟期后，葉片枯黃，幾乎喪失蒸騰作用，麥地蒸散以棵間蒸發(fā)為主，此時裸地蒸散強度為0.65 mm/d，麥地蒸散強度為0.83 mm/d，二者較為接近。

圖 4 2020-2021年度冬小麥生育期蒸散強度變化

2.3 麥地蒸散量影響因子通徑分析

以日照時數(shù)（SS）、日輻射輻照度（S）、日平均氣溫（TMEAN）、日最高氣溫（TMAX）、日最低氣溫（TMIN）、平均相對濕度（RH）、平均風速（V）、平均水汽壓（E）作為影響麥地蒸散ET的影響因子，應(yīng)用通徑分析法分析3月1日至6月9日各影響因子對冬小麥蒸散的影響程度。

表3為正常灌溉下麥地蒸散變化影響因子的通徑分析，由此合成ET變化通徑分析圖，如圖5所示。由表3可以看出，各項因子直接和間接作用對ET的貢獻，各個影響因子對ET的影響程度（相關(guān)系數(shù)）由大到小依次為RH、S、SS、TMAX、TMEAN、V、E、TMIN，其中RH對麥地蒸散的限制作用最顯著，S、SS對麥地蒸散的促進作用最顯著。

各影響因子對ET的直接影響中，S的直接作用最大（直接通徑系數(shù)為0.685），TMEAN次之（直接通徑系數(shù)為0.662），且體現(xiàn)為促進作用，V的直接作用最小（直接通徑系數(shù)為0.057）。通過分析各個間接通徑系數(shù)發(fā)現(xiàn)，SS對ET的間接作用最大（間接通徑系數(shù)之和為1.013），體現(xiàn)為促進作用，RH次之（間接通徑系數(shù)之和為-0.554），體現(xiàn)為限制作用。

表 3 麥地蒸散變化影響因子的通徑分析

圖 5 麥地蒸散變化通徑分析圖

3 結(jié)論

（1）麥地蒸散量典型日變化規(guī)律表現(xiàn)為早晚低、中午高的“單峰型”曲線特征，其中19:00至次日8:00蒸散量明顯較低且接近0；日間9:00-18:00蒸散量變化較顯著，在12:00-15:00達到最大，陰天與晴天變化規(guī)律一致，但相對晴天較少，裸地與麥地變化規(guī)律一致，但相對麥地較少；

（2）華北平原冬小麥全生育期裸地的蒸散量為136.74 mm，麥地蒸散量為326.26 mm，全生育期蒸散變化規(guī)律明顯，二者都表現(xiàn)出前期和后期高、中期低的“馬鞍型”曲線特征，麥地在前期和后期蒸散量均高于裸地，這與前期和后期冬小麥存在明顯蒸騰作用有關(guān)。冬小麥各生育階段蒸散強度為拔節(jié)期>抽穗開花期>灌漿期>返青起身期>越冬前>成熟期>越冬期；

（3）通徑分析表明，在華北平原影響麥地蒸散的各氣象因子中平均相對濕度、日輻射輻照度和日照時數(shù)對麥地蒸散的影響程度最大，其中平均相對濕度對麥地蒸散的限制作用最顯著，日輻射輻照度、日照時數(shù)對麥地蒸散的促進作用最顯著。影響因子中日輻射輻照度與日平均氣溫對麥地蒸散的直接作用最大，并且對麥地蒸散的影響體現(xiàn)在促進作用上。日照時數(shù)與平均相對濕度對麥地蒸散的間接作用最大，日照時數(shù)對麥地蒸散的間接影響主要體現(xiàn)在促進作用上，而平均相對濕度則主要體現(xiàn)在限制作用上。

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Dynamic Change of Evapotranspiration of Winter Wheat Farmland in North China Plain and Passage Analysis of Influencing Factors

XU Jun-dong1, ZHANG Xin-ru2*, GUAN Jun-yuan1, WANG Rong-ying1, LIU Xin2

1.053000,2.053900,

The evapotranspiration dynamic law of Winter Wheat in the North China Plain was studied by means of mid-bore transpiration meter, and the correlation between ET and various influencing factors of winter wheat transpiration was discussed by means of path analysis method. The results showed that the accumulated evapotranspiration of bare land and wheat field during the whole growth period of winter wheat was 136.74 mm and 326.26 mm respectively, and the daily average evaporation was 0.59 mm/d and 1.41 mm/d respectively. The evapotranspiration of Winter Wheat during wintering period is the least, accounting for 5.63% of the whole growth period. The period from rejuvenation period to grouting period is the period in which the evaporation of winter wheat is the largest, accounting for 238.77mm, accounting for 73.19% of the total water consumption. The evaporation intensity is 2.49mm/d, which increases by 2.41 times compared with bare land. The evapotranspiration intensity of each development stage was as follows: jointing stage > heading and flowering stage > grouting stage > turning green and rising stage > before wintering > maturing stage > wintering period. The variation regularity of daily evapotranspiration of winter wheat is characterized by a "single peak" curve with low morning and evening and high noon. Path analysis showed that the average relative humidity, daily radiation irradiance and sunshine hours had the greatest impact on winter wheat farmland evapotranspiration, and the daily radiation irradiance and daily average temperature had the greatest direct effect on winter wheat farmland evapotranspiration.

Winter wheat; evapotranspiration; passage analysis

S512.1+1

A

1000-2324(2022)02-0209-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.02.005

2021-10-24

2021-12-04

許俊東(1988-),男,本科,工程師,研究方向:農(nóng)業(yè)氣象. E-mail:xujundong1988@126.com

Author for correspondence. E-mail:zhangxinru163@163.com