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1、东北地区春玉米生长季农田蒸散量动态变化及其影响因子郭春明;任景全;张铁林;于海【摘 要】利用大型称重式蒸渗仪对东北春玉米田蒸散量的观测结果,分析玉米生长 季蒸散量的分布特征及其影响因子.结果表明:东北春玉米生长季(播种-成熟)农田蒸 散量为362.3mm,日平均蒸散量为2.6mmd-1.从各生育期的分布情况看，播种-七 叶期蒸散量较小，日平均蒸散量为1.4mmd-1,占全生育期的11.7%;七叶期开始，日 平均蒸散量逐渐增加，在大喇叭口-抽雄期达到最大，为4.3mmd-1;抽雄-乳熟期总 蒸散量最大，为97.2mm,占生长季蒸散量的26.8%.从月蒸散量分布看,7-8月累积 蒸散量达207.0
2、mm,占5-9月蒸散量的54.5%;5、6和9月蒸散量较少，分别占5-9 月总蒸散量的 11.6%、19.6%和 14.3%.从逐小时蒸散量变化看,蒸散量日变化表 现为早晚低、中午高的“单峰型”曲线特征.蒸散量与叶面积指数、太阳辐射、5cm 地温、平均气温、最高气温、最低气温存在显著的线性正相关关系,与空气相 对湿度和饱和差间呈显著的二次函数关系.叶面积指数是影响春玉米农田蒸散最主 要的生物因子,5cm地温和太阳辐射是最主要的环境驱动因子.期刊名称】中国农业气象年(卷),期】2016(037)004【总页数】8页(P400-407)【关键词】春玉米;蒸散;FAO;蒸渗仪;东北地区作 者】 郭春
3、明;任景全;张铁林;于海【作者单位】吉林省气象科学研究所,长春 130062;吉林省气象科学研究所,长春 130062;吉林省榆树市农业气象试验站,榆树 130400;吉林省榆树市农业气象试验 站,榆树 130400【正文语种】中文蒸散是地表水分平衡中的重要组成部分，农田蒸散是农田水资源优化配置和影响农 田水资源利用率的重要因素。蒸散不仅影响植物的生长发育与产量，还影响大气环 流，起到调节气候的作用1。蒸散过程是土壤-植物-大气系统内连续而复杂的过 程，备受广泛关注2。蒸散量也是干旱监测的重要指标3，研究蒸散量的变化规 律及其影响因子对干旱的监测和影响评估是十分必要的。国外许多学者对不同作物
4、农田的蒸散规律进行了研究4-5L6pez等6利用蒸渗仪研究了西班牙中部半干 旱地区葡萄园的蒸散规律。Goyal等7研究得出气温是印度干旱区蒸散的主要影 响因子，其次是饱和水汽压。国内学者也研究了中国不同地区玉米农田蒸散规律及 影响因子8-10。张强等11-12估算了半干旱区实际蒸散量与FAO推荐作物系数 值计算的蒸散量之间的差异，得出修订后作物系数值计算的蒸散量更接近实际蒸散 量，为研究干旱条件下估算蒸散量提供了很好的思路和方法。还有研究得出，在典 型干旱区土壤水分满足条件下，太阳辐射是蒸散的主要环境控制因子；而当土壤水 分缺乏时，土壤湿度条件对蒸散的影响更为显著13。Kang等14研究认为，
5、叶 面积指数与半干旱区夏玉米农田蒸散有密切关系。东北地区纬度较高，气候变化响应明显，是国家重要的商品粮基地和世界三大黄金 玉米带之一。近年来，在自然与人类的共同影响下，干旱等自然灾害频发，对农业 造成很大影响。曾丽红等15-16研究表明，东北地区近60a来蒸散总体表现为较 小幅度的增幅，气温上升和气候干化是影响蒸散的最重要因子。这些研究结果是基 于气象数据经公式计算而来，与农田生态系统的实际蒸散有较大差异，并不能较好 地反映东北地区春玉米农田蒸散的实际变化规律。利用高精度的大型称重式蒸渗仪 测定农田生态系统蒸散是最为有效的方法之一，鉴于此，利用大型称重式蒸渗仪开 展东北地区春玉米农田蒸散规律及
6、其影响因子试验研究，可为蒸散在干旱监测技术 中的应用提供数据支持，指导东北地区春玉米农田在干旱时进行合理灌溉。试验于2013年在吉林省榆树市农业气象试验站进行。该地区（126 o31E、 44o51N,海拔196m ）属温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同季，降水主要 集中于夏季，多年平均气温4.6工，年平均降水量575.2mm，年平均日照时数 2561.9h。研究区域下垫面平坦均匀，土壤为黑土。蒸渗仪（甘肃产）安置于试验 地的中央，其精度为0.1mmd-1,灵敏度0.01mmh-1,可以观测蒸散的日变化。 为防止地下水位较深和出现长时间干旱，将蒸渗仪有效蒸散面积设计为4.0m2 , 土柱深为
7、2.5m，另在土柱下设有0.3m上细下粗的砾石层，土柱加砾石层总深度 为2.8m。考虑圆形钢桶受力状况优于矩形钢桶，将蒸渗仪形状设计为圆形。为提 高观测精度和灵敏度，选用 300kg 悬臂梁式传感器，其结构简单，安装维修方便， 环境适应能力强。采用最大负荷9000kg、外径325mm、高度500mm的新型强 力弹簧，使其工作范围处于最佳线性状态。蒸渗仪内春玉米种植和田间管理措施均 与周围试验区域一致。供试春玉米品种为郑单958 ，于2013年5月播种， 9月成 熟，种植密度为50000株hm-2。气象资料从距离试验田100m的榆树农业气象试验站观测场获得，包括逐日平均 气温、最高气温、最低气温
8、、相对湿度、降水量、日照时数、5cm地温等气象要 素数据。太阳辐射值根据Angstrom17 公式和逐日日照时数计算，饱和差根据 FAO18推荐方法计算。按农业气象观测规范19测定玉米出苗、三叶、七叶、 拔节、抽雄、开花、乳熟和成熟的日期，并测定相应生育期的叶面积指数。在玉米 播种-成熟期，对试验区域的玉米田每旬逢8日观测0-50cm 土层按10cm分层的 土壤重量含水率，根据相应分层的土壤田间持水量，换算为土壤相对湿度。在2013年春玉米生长季（播种-成熟）内，榆树站自然降水完全满足玉米生长发育 所需的土壤水分条件，无灌溉。春玉米生长季土壤相对湿度见图1。 蒸散量由水量平衡法计算得出，计算式
9、为ETc二P+W-R（1）式中，为某时段的实测蒸散量（mm）;P为该时段的降水量（mm）;W为时 段初蒸渗仪重量与时段末所测蒸渗仪重量之差（mm）; R为该时段的渗漏量 （mm）。蒸散量既有其自身变化规律，又与外界环境密切相关，所以只有环境因子与蒸散变 化显著相关，又随时间发生显著变化，才可能成为影响蒸散变化的因子。本文采用 完全相关系数法20-21分析春玉米农田蒸散的主要影响因子，即QC=| C1C2|（ 2 ）式中，QC为蒸散量与某影响因子的完全相关系数，C1和C2分别表示蒸散量与影 响因子和该影响因子与时间的相关系数，C1和C2通过小于0.01显著水平的临界值时，QC的计算 才有意义。采
10、用FA018推荐的单值作物系数法计算蒸散量，计算式为ETc-FAO二 KcxETO（ 3 ）式中，ETc-FAO为FAO推荐方法计算的蒸散量（mm）,Kc为FAO推荐的玉米 作物系数修订值，FAO推荐玉米初始生长期、发育中期和发育末期作物系数值分 别为0.30、1.20和0.60,本文根据FAO作物系数修正公式结合研究区气候情况 将作物系数推荐值修订为0.30、1.09和0.59 ; ET0为参考作物蒸散量（mm）, 采用 FAO 的 Penman-Monteith 公式18计算。根据FAO18推荐的作物生育阶段划分方法，将春玉米全生育期分为初始生长期、 快速发育期、发育中期、发育末期 4 个
11、阶段进行实测蒸散量与 FAO 计算值的比较 采用绝对误差（MRE）、相对误差（MRE ）和均方根误差（RMSE ） 3个指数进行 对比评价22-24。由表1可见，快速发育期和发育末期实测蒸散量与FAO计算 值的误差较小，其中发育末期MRE为5.4%，RMSE值为0.86，误差最小，快速 发育期MRE值为10.4% ；初始生长期和发育中期MRE值分别为18.2%和16.5%， 误差较大；全生育期MAE值为46.9mm，MRE值为12.9%，误差较大。2.2.1 蒸散量随生育期分布利用逐日蒸散量与5cm地温的拟合关系对缺失数据进行插补，春玉米生长季农田 蒸散量随生育期分布结果见表2。由表可见，观测
12、期间春玉米整个生长季的蒸散总 量为362.3mm，而此期的降水量为542.8mm，降水量大于实际蒸散量，降水能 够满足玉米生长需求。从各生育期的分布情况看，播种-七叶期蒸散量较小，日平 均蒸散量为1.4mmd-1,占全生育期的11.7% ;七叶期开始，随着气温升高，玉 米植株旺盛生长，植株蒸腾量增加，蒸散量逐渐增加，七叶-拔节和拔节-大喇叭口 期日平均蒸散量分别为2.7mmd-1和2.3mmd-1 ;日平均蒸散量在大喇叭口-抽 雄期达到最大，为4.3mmd-1 ；抽雄-乳熟期总蒸散量最大，为97.2mm，占生长 季蒸散量的 26.8%。随着玉米逐渐成熟，生理活动减弱，蒸散量缓慢减小，乳熟- 成
13、熟期日平均蒸散量为2.4mmd-1。2.2.2 蒸散量逐月分布 东北地区春玉米生长季主要为5-9月，蒸散量的逐月分布对于估算无生育期资料 地区的蒸散量有重要意义。将每日蒸散量按月份进行累加，分析春玉米农田逐月蒸 散量的动态变化（图2）。由图2可见,5-9月蒸散量为380.1mm，其中，7-8 月为高蒸散期，蒸散量较多，累积蒸散量达207.0mm,占5-9月蒸散量的54.5% ; 5、6和9月为低蒸散期，蒸散量较少，分别占总蒸散量的11.6%、19.6%和 14.3%。7-8 月是玉米生长的主要时期，叶片已完全展开，植株蒸腾增大，蒸散量 较高。5月植株矮小，蒸散以土壤蒸发为主，蒸散量较少。6月玉
14、米处在拔节-抽 雄期，还未达到植株生长的盛期。9 月玉米发育接近成熟，叶片逐渐衰退，植株蒸 腾减小，玉米农田蒸散降低。2.2.3 典型日蒸散量逐小时分布 春玉米农田蒸散量不仅与植株生长有关，还与天气条件有密切关系，蒸散量的逐小 时分布特征可以很好地对此予以说明。从高蒸散期和低蒸散期中分别选择晴天（8 月6 日和 5 月 16 日）和阴天（8 月8 日和 5月 29 日）进行全天蒸散规律分析（图3）。从图3a可知，高蒸散期晴天的日变化表现为早晚低、中午高的“单峰 型”曲线特征。夜间蒸散较低，接近0，变化平稳；日间蒸散变化显著，9：00 左 右蒸散量迅速增大，在正午前后达到最大值（0.59mmh-
15、1），随后蒸散量逐渐减 小，直至21：00左右接近0。阴天蒸散日变化规律与晴天一致，但蒸散量较少， 曲线变化平缓，最大值为0.21mmh-1。低蒸散期（图3b）晴天和阴天日蒸散规 律与高蒸散期均一致，但晴天日蒸散峰值（0.43mmh-1）较高蒸散期低，阴天蒸 散变化则不稳定，但是在中午仍有较高的蒸散值。说明春玉米农田逐小时蒸散特征 在遵循本身周期性变化的同时，还受到蒸散时期和天气的共同影响。将春玉米七叶、拔节、大喇叭口、抽雄、开花、乳熟期观测得到的叶面积指数与相 应生育期的日平均蒸散量进行线性拟合（图4） ，两者存在显著的线性关系（Pv0.05）,R2为0.728。将春玉米生长季逐日气象要素与
16、逐日蒸散量进行线性 拟合和曲线估计可知（图4）,蒸散量与太阳辐射、5cm地温、平均气温、最高 气温、最低气温均存在显著的线性正相关关系（Pv0.05 ），其中，与5cm地温的 R2值最大，为0.404，其它R2值较小；蒸散量与相对湿度和饱和差间呈显著的 二次函数关系，虽然R2值较小，但方程均通过0.05水平的显著性检验，与样本 量较大有关。将观测得到的春玉米生长季逐日气象要素分别与逐日蒸散量进行单一因子的完全相 关分析，结果见表3。由表中可见，春玉米生长季农田蒸散量与叶面积指数、 5cm 地温和太阳辐射呈显著的相关关系，其中与叶面积指数的完全相关系数最大，为0.75；与 5cm 地温和太阳辐射次之，均为0.11；与平均气温、最高气温、最低气 温、相对湿度和饱和差均无显著的完全相关关系。综合表明，叶面积指数是影响春 玉米农田
