江苏中医药稿件信息
肖 然，朱永华，苟琪琪，崔晨韵
（河海大学 水文水资源学院 江苏 南京 210098）
摘要：为了更加准确地估算淮北平原夏玉米蒸散量（
），采用在安徽蚌埠五道沟水文试验站进行的夏玉米蒸渗仪试验中实测的叶面积指数（LAI）数据，对FAO双作物系数法中的基础作物系数（
）和土壤蒸发系数（
）的计算方法进行改进；分别用FAO双作物系数法和改进双作物系数法对夏玉米
进行估算，并以2016、2017两年基于蒸渗仪实测的夏玉米
对两种方法的估算结果准确性进行评估。结果表明：改进双作物系数法在夏玉米各生长阶段及全生育期的估算结果准确性都高于FAO双作物系数法；改进双作物系数法在夏玉米拔节-抽雄期的蒸散量计算中改进效果最为明显。说明改进双作物系数法更适用于淮北平原夏玉米蒸散量的估算。
关键字：淮北平原；叶面积指数；作物系数法；作物蒸散量；夏玉米
中图分类号：S161 文献标志码：A
0引言
蒸散作为唯一在地表能量平衡和水量平衡中都出现的因素，是连接生态与水文过程的重要纽带，也是制定农田灌溉计划的关键环节[1]。目前 60%~70%的地表降水会通过蒸散返回大气[2]，且超过 90% 的农业用水最终以蒸散的形式消耗[3-4]，因此农田蒸散量的准确估算对区域灌溉制度制定和作物水分生产力提升意义重大[5-6]。
淮北平原是我国重要的粮食生产基地，降水量年际年内分布不均，旱涝灾害频发，需制定科学精确的灌排方案以保证水资源的充分利用和农作物产量。夏玉米是当地主要农作物之一，常用作物系数法对其蒸散量进行估算。
FAO双作物系数法能划分作物蒸腾量和土壤蒸发量，在制定精细农业灌溉方案时广泛应用，然而其准确性仍有很大提高空间，一方面不同地区的自然条件和种植方式等因素差异较大，原本的修正方式在不同地区的适用性不同；另一方面FAO双作物系数法中的基础作物系数
曲线只由确定三个节点然后线性插值得到，对作物生长过程处理有所简化，会带来一定误差。
针对上述两点不足，引入LAI对FAO双作物系数法中
和
的修正方式进行改进，LAI 能够反映作物生长和下垫面状况，其大小对净辐射在土壤表面和作物冠层的分布影响较大，而净辐射是蒸发和蒸腾能量的主要来源，据此改进计算得到更贴合作物实际生长状况的
曲线将和更好地模拟作物覆盖程度的
。已有一些相关研究，如，冯禹等[7]引入LAI动态修正FAO双作物系数法，以山西省寿阳县为研究区，进行半湿润区旱作玉米蒸散量的估算，发现修正后的双作物系数法能很好地估算玉米蒸散量；闫浩芳等[8]引入LAI和土壤含水率改进FAO双作物系数法，以江苏省镇江市为研究区，进行湿润区温室黄瓜蒸散量的估算，也取得了良好效果。目前在湿润区和半湿润区的过渡带淮北平原，还未有相关研究。
因此，本文以安徽省蚌埠市为研究区，基于2016、2017年在五道沟水文试验站进行的夏玉米种植试验观测数据，对FAO双作物系数法进行改进，然后采用改进双作物系数法对研究区夏玉米蒸散量进行估算。
1材料与方法
1.1研究区域概况
试验在安徽省蚌埠五道沟水文试验站（117°21′E，33°09′N）进行，该站位于淮北平原南部，属暖温带湿润季风气候区，多年平均气温为15.4 ℃，多年平均降水量为926.3 mm，降水量年际间波动较大且年内分布不均，多集中在夏季，旱涝灾害频发。
试验区土壤为砂礓黑土，土壤质地为粉砂质黏壤土，平均田间持水率为38.89 %，凋萎含水率为21.5 %，土壤质地粘重，结构不良，土体坚实，土壤保水性能差，易干旱。
1.2试验设计
试验在大型称重式蒸渗仪中进行，型号为QYZS-201，共4台，规格为2 m×2 m ×2.3 m，质量约15 t，测定精度为0.02 mm。
2016年于6月23日播种，9月30日收获，2017年于6月16日播种，9月28日收获。种植密度为6株/
，出苗后视情况进行补苗，品种为联创808，两年的全生育期分别为100 d和105 d。播种前进行小麦秸秆全量还田，生育期内喷灌两次，尿素和专用肥（NPK复合肥）各施肥40 kg。
1.3数据来源
1.3.1气象资料
本研究所用气象数据来源于中国气象数据网地面资料，涉及的气象因素包括气温、风速、气压、日照等。
1.3.2株高和叶面积指数
在生育期内每周进行人工测量玉米的叶面积和株高，用卷尺量取株高，用毫米方格纸读取叶面积。结合蒸渗仪的实际植株密度，计算叶面积指数。
1.3.3实际夏玉米蒸散量
实际蒸散量由采集系统自动收集和记录数据，时间间隔为1 h，日蒸散量由24 h数据累计得到。
1.4改进双作物系数法
双作物系数法计算
的公式见式（1）：
(1)
其中，
是土壤水分胁迫系数；
是基础作物系数；
是土壤蒸发系数；
是参考作物蒸散量（mm），采用Penman-Montieth公式计算得到[9]。
1.4.1对基础作物系数
的改进
在改进双作物系数法中，对基础作物系数
的改进通过引入由LAI计算的冠层覆盖系数
来实现[7]，
和
的计算分别见式（2）、（3）所示。
(2)
(3)
是裸土最小作物系数，取值为0.1[7]；
是辐射的冠层衰减系数，取值为0.7[7]；
是作物完全覆盖地表时的最大基础作物系数值，计算方法详见参考文献[10]。
1.4.2对土壤蒸发系数
的改进
对土壤蒸发系数
的改进通过采用LAI表示的作物覆盖率
计算
中的裸露湿润土壤表面比例
来实现，
、
、
计算分别见式（4）、（5）、（6）所示。
(4)
(5)
(6)
其中，
为土壤蒸发衰减系数；
为
的最大值；
为裸露土壤平均比值；
为降雨湿润土壤表面平均比值。
1.5误差评价指标
分别采用决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（AAE）对两种方法估算的夏玉米蒸散量进行误差评价。
(7)
(8)
(9)
其中，
为夏玉米蒸散量估算值（mm）; 
为夏玉米蒸散量实测值（mm）；
和
是对应项平均值（mm）；m是计算天（d）。
R2反映估算值和实测值相关的密切程度， R2越接近于1说明相关性越好；RMSE和AAE都表示估算值和实测值之间的偏差，RMSE对异常值更加敏感，而AAE主要反映估算值和实测值的数值接近程度，RMSE和AAE越小，说明计算结果越准确。
FAO双作物系数法中，根据对地面覆盖程度将作物生长划分为四个阶段，本文在改进双作物系数法中，作物生长阶段采用在试验地实际观测的夏玉米生长期，分别为播种-拔节期、拔节-抽雄期、抽雄-灌浆期和灌浆-成熟期。2016年夏玉米四个生长阶段分别为20 d，37 d，12 d和31 d；2017年夏玉米四个生长阶段分别为20 d，38 d，14 d和33 d。
图1是用FAO双作物系数法和改进双作物系数法估算得出的夏玉米
与实测值对比，从图上来看，改进双作物系数法的估算结果比FAO双作物系数法的更为贴近实测值，这种优势大致在播种后第25 d到第50 d之内最为明显；且改进双作物系数法对较大值和较小值的模拟情况也优于FAO双作物系数法，这一点在2017年表现得更明显；2016年的夏玉米
变化较为平稳而2017年变化幅度更大，波动也更频繁，改进法在波峰波谷处的模拟准确度高于FAO双作物系数法。
a.2016年 b.2017年
注：FAO法指FAO双作物系数法，改进法指改进双作物系数法
图1 FAO法和改进法对夏玉米蒸散量的估算值与观测值对比
Fig1. Comparison between the estimated value of the FAO or improved double crop coefficient approach and the observed value of summer maize evapotranspiration
表1和表2分别是2016年和2017年两种方法估算结果与误差对比。从全生育期来看，两个年份改进双作物系数法估算结果的R2都比FAO双作物系数法的更接近于1，而其RMSE和AAE都小于FAO双作物系数法的，说明在估算研究区夏玉米
总值方面改进双作物系数法更适合。从各生长阶段来看，改进双作物系数法的优势在拔节-抽雄期最明显(其RMSE和AAE比FAO双作物系数法减小最多)，在抽雄-灌浆期和灌浆-成熟期次之，在播种-拔节期最不明显。这是因为在播种-拔节期植株很小，两种方法估算出的作物蒸腾量都非常小，蒸散量主要由土面蒸发量构成；而拔节-抽雄期是作物生长最旺盛的阶段，作物蒸散量变化最大，与FAO双作物系数法相比，改进双作物系数法获得的作物系数曲线更接近实际情况，所以在这一阶其优势体现得最为明显。
从表1、表2中还可以看出，两个生育期内FAO双作物系数法的估算结果在各生长阶段都低估了夏玉米
，而改进双作物系数法除在播种-拔节期出现低估外，在其他三个生长阶段都高估了夏玉米
。FAO双作物系数法低估的原因主要由作物品种差异造成，FAO双作物系数法中所推荐的玉米最大株高为2 m，而本次试验中玉米的最大株高平均在3 m左右；改进双作物系数法在灌浆-成熟期高估的原因主要是夏玉米在这个生长阶段的后期，蒸腾能力迅速下降，而我们实测的LAI变化并不能反映出这一点，结果导致估算的蒸腾量大于实际值。改进双作物系数法在播种-拔节期的低估和在拔节-抽雄期和抽雄-灌浆期的高估未能明确具体原因，有待进一步探究。
表1 2016年FAO法和改进法估算结果与误差指标
Tab.1 Estimated values of summer maize evapotranspiration in 2016 by FAO and improved double crop coefficient approach and error indexes
|
|
生长 阶段 |
实测值/mm |
估算值/mm |
误差指标 |
||
|
R2 |
RMSE /(mm·d-1) |
AAE /(mm·d-1) |
||||
|
FAO法 |
播种-拔节期 |
47.94 |
42.40 |
0.85 |
0.27 |
0.28 |
|
拔节-抽雄期 |
163.94 |
142.85 |
0.69 |
0.57 |
0.57 |
|
|
抽雄-灌浆期 |
70.37 |
64.94 |
0.69 |
0.53 |
0.45 |
|
|
灌浆-成熟期 |
134.35 |
123.50 |
0.71 |
1.10 |
0.35 |
|
|
全生育期 |
422.77 |
374.70 |
0.73 |
0.82 |
0.49 |
|
|
改进法 |
播种-拔节期 |
47.94 |
43.82 |
0.92 |
0.28 |
0.21 |
|
拔节-抽雄期 |
163.94 |
170.06 |
0.84 |
0.41 |
0.17 |
|
|
抽雄-灌浆期 |
70.37 |
74.91 |
0.81 |
0.40 |
0.38 |
|
|
灌浆-成熟期 |
134.35 |
144.08 |
0.89 |
0.49 |
0.35 |
|
|
全生育期 |
422.77 |
438.22 |
0.93 |
0.49 |
0.10 |
|
注：FAO法指FAO双作物系数法，改进法指改进双作物系数法
表2 2017年FAO法和改进法估算结果与误差指标
Tab.2 Estimated values of summer maize evapotranspiration in 2017 by FAO and improved double crop coefficient approach and error indexes
|
|
生长 阶段 |
实测值/mm |
估算值/mm |
误差指标 |
||
|
R2 |
RMSE /(mm·d-1) |
AAE /(mm·d-1) |
||||
|
FAO法 |
播种-拔节期 |
65.83 |
58.58 |
0.43 |
0.89 |
0.36 |
|
拔节-抽雄期 |
173.21 |
152.80 |
0.54 |
1.13 |
0.54 |
|
|
抽雄-灌浆期 |
78.36 |
72.67 |
0.72 |
1.28 |
0.41 |
|
|
灌浆-成熟期 |
87.69 |
78.34 |
0.50 |
1.36 |
0.28 |
|
|
全生育期 |
405.19 |
362.40 |
0.66 |
1.21 |
0.41 |
|
|
改进法 |
播种-拔节期 |
65.83 |
61.88 |
0.71 |
| |
