徐烈輝，牟漢書(shū)，王景才，周明耀*

（1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.淮安市水利局，江蘇 淮安 223005）

0 引 言

農(nóng)業(yè)精細(xì)化和水利信息化的發(fā)展對(duì)灌區(qū)灌溉用水管理提出了更高的要求。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)用水管理的先決條件是對(duì)作物需水量的準(zhǔn)確估算，在此基礎(chǔ)上做出灌溉用水管理的決策和控制，是灌區(qū)灌溉用水管理的技術(shù)核心。傳統(tǒng)作物需水量的估算方法主要為：經(jīng)驗(yàn)公式法、水文學(xué)法和微氣象學(xué)法，上述方法在我國(guó)灌區(qū)灌溉管理中發(fā)揮了重要作用，但針對(duì)灌區(qū)動(dòng)態(tài)用水調(diào)度有一定的局限性[1]。隨著灌區(qū)用水管理日益強(qiáng)調(diào)時(shí)效、準(zhǔn)確性，如何實(shí)時(shí)、精確地獲取灌區(qū)作物日需水量成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的問(wèn)題[2]。

近年來(lái)，隨著紅外遙感測(cè)溫技術(shù)的快速發(fā)展，利用冠層溫度估算作物日需水量呈現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景[3]。其理論基礎(chǔ)是：作物冠層溫度與其能量吸收和釋放過(guò)程有關(guān)，當(dāng)土壤水分供應(yīng)充足時(shí)，作物以潛在速率蒸騰，此時(shí)葉片溫度較低；而當(dāng)土壤水分供應(yīng)不足時(shí)，葉片水勢(shì)降低，氣孔關(guān)閉，抑制蒸騰使冠層溫度上升[4-5]。彭世彰等[6]探討了水稻冠層溫度和土壤水分的關(guān)系，指出隨著土壤含水量增加，冠層溫度呈下降趨勢(shì)，葉水勢(shì)和蒸騰速率上升。白巖等[7]發(fā)現(xiàn)，葡萄液流速率與冠層溫度關(guān)系密切。張立偉等[8]發(fā)現(xiàn)，玉米氣孔導(dǎo)度隨著冠氣溫差增加線性降低，氣孔關(guān)閉作物日需水量減少。冠氣溫差能直接反映作物蒸騰速率，由此眾多學(xué)者通過(guò)冠層溫度建立了作物日需水量估算模型，蔡煥杰等[9]將冬小麥郁閉地面后的日需水量與冠氣溫差建立聯(lián)系，其估值與能量平衡法相比誤差不超過(guò)10%；黃凌旭等[10]通過(guò)采集玉米冠氣溫差并以此建立回歸模型，發(fā)現(xiàn)日需水量估算值絕對(duì)誤差小于0.2 mm/d；彭記永等[11]利用冠層溫度、太陽(yáng)凈輻射構(gòu)建夏玉米日需水量模型，利用葉面積修正該模型后提高了計(jì)算準(zhǔn)確度。冠層溫度和作物日需水量之間存在很大的關(guān)聯(lián)性，冠層溫度上升，葉片氣孔關(guān)閉，日需水量下降，通過(guò)冠層溫度建立作物日需水量回歸模型精度較為理想。但目前研究對(duì)象多集中于旱作物，利用冠層溫度信息直接構(gòu)建水稻日需水量估算模型的研究尚不多見(jiàn)。本文以淮北淮漣灌區(qū)水稻為研究對(duì)象，分析水稻日需水量與冠氣溫差之間的變化規(guī)律，構(gòu)建水稻日需水量估算模型，并以對(duì)應(yīng)時(shí)段葉面積指數(shù)修正該模型，以期為淮北稻作區(qū)灌溉預(yù)報(bào)和動(dòng)態(tài)用水管理提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在淮安市淮陰區(qū)農(nóng)田水利試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)站位于東經(jīng)118°58′1″，北緯33°48′37″，海拔高度8 m，試驗(yàn)土壤為沙壤土，飽和含水率（體積）47.35%，土壤體積質(zhì)量為1.35 g/cm3?；搓巺^(qū)地處北亞熱帶和暖溫帶交界區(qū)，多年平均氣溫14.1 ℃，年平均日照時(shí)間為2 233 h；年均降雨量954.8 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)測(cè)定

本次試驗(yàn)以當(dāng)?shù)卮笠?guī)模推廣的水稻品種“徽兩優(yōu)898”作為供試材料，試驗(yàn)設(shè)1 個(gè)處理，共3 次重復(fù)。根據(jù)試驗(yàn)站節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用情況及相應(yīng)試驗(yàn)資料，灌溉方式選定為淺濕灌溉，各生育期土壤水分控制指標(biāo)如表1 所示。利用試驗(yàn)站原有3 個(gè)相鄰的2 m×2 m×2 m 測(cè)坑作為測(cè)桶放置坑，測(cè)坑上方布置有防雨棚架。在每個(gè)測(cè)坑中心埋置1 個(gè)面積為35 cm×35 cm，深度為50 cm 的有底方形測(cè)桶，每個(gè)測(cè)桶栽插3 株水稻，測(cè)桶地上部分為10 cm，測(cè)桶內(nèi)土壤采自測(cè)坑，且與測(cè)坑地表持平，測(cè)桶內(nèi)外水稻灌溉管理方式相同。測(cè)桶外另置一稍大于測(cè)桶的套筒，減少土壤或水分附著對(duì)測(cè)桶質(zhì)量稱量的影響；套筒較測(cè)桶高5 cm，以防止地表水流入測(cè)桶。受試水稻生育期為6 月10 日—10 月20 日，共計(jì)133 d，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)階段為水稻拔節(jié)孕穗期（2018 年8 月4—29 日）、抽穗開(kāi)花期（2018年8 月30 日—9 月18 日）和成熟期（2018 年9 月19 日—10 月10 日），此時(shí)作物冠層基本覆蓋地面。

表1 水稻淺濕灌溉各生育階段灌溉調(diào)控指標(biāo) Table 1 Irrigation control index of rice shallow-wet irrigation at different growth stages

試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目為水稻冠層溫度、水稻日需水量以及空氣溫度等氣象信息，方法以定點(diǎn)觀測(cè)為主。

水稻日需水量：測(cè)定方法為稱質(zhì)量法，通過(guò)德產(chǎn)賽多利斯4-150ll 型平臺(tái)秤，精度為5 g（換算成水層深度約為0.04 mm），每天早上08:00 定時(shí)秤量桶的質(zhì)量，并換算成前1 天的水稻日需水量，若發(fā)生降雨，則打開(kāi)降雨棚架。

冠層溫度：采用TYD-5A 型紅外溫度測(cè)量系統(tǒng)24 h 連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)水稻冠層溫度，探頭安裝高度為1.5 m，布置在測(cè)桶上方，每15 min 采集1 次數(shù)據(jù)。由于13:00—15:00 的冠氣溫差最能反映水稻的生理狀況[12]，因此試驗(yàn)采用14:00 的冠氣溫差進(jìn)行分析。為減少該時(shí)段風(fēng)速和云晴陰翳變化對(duì)冠層溫度采集的影響，14:00 前后15 min 采集3 次冠層溫度，取平均值。

水稻葉面積指數(shù)：葉面積指數(shù)（LAI）采集方法為人工測(cè)量，在試驗(yàn)階段每隔7 d 測(cè)算1 次桶內(nèi)水稻葉面積指數(shù)。

土壤含水率：當(dāng)測(cè)桶無(wú)水層時(shí)，采用土壤水分速測(cè)儀（TSC II）每天早上08:00 測(cè)定桶內(nèi)土壤水分狀況。

氣象資料：淮安市淮陰區(qū)農(nóng)田水利試驗(yàn)站測(cè)定與冠層溫度同步的空氣溫度、風(fēng)速、大氣壓強(qiáng)、日照時(shí)間、濕度以及降雨等氣象數(shù)據(jù)據(jù)。

1.3 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

為驗(yàn)證模型的可靠性和精度，計(jì)算實(shí)測(cè)值與模擬值之間的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)，指標(biāo)包括：決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE、相對(duì)誤差RE和一致性指數(shù)d。其中RMSE、RE越小，R2和d 越接近于1，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)性越好。通過(guò)文獻(xiàn)[9-11]可知，利用冠層溫度估算作物日需水量，通常計(jì)算結(jié)果的R2大于0.85，RE≤10%，一致性指數(shù)d≥0.90，說(shuō)明該模型精度滿足灌溉用水管理要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻日需水量模型參數(shù)分析

利用2018 年8 月9 日—9 月22 采集到的水稻日需水量、冠氣溫度以及太陽(yáng)凈輻射量等信息進(jìn)行相關(guān)性分析（樣本數(shù)45），結(jié)果如圖1、表2 所示。由表2 可知，實(shí)測(cè)水稻日需水量ETd與太陽(yáng)凈輻射量Rn、飽和水汽壓差（es-ed）、14:00 瞬時(shí)冠層溫度Tc、日平均冠層溫度Tca、14:00 瞬時(shí)空氣溫度Ta以及日平均空氣溫度Taa均表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性，而與冠氣溫差Tc-Ta表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性。在Tc、Ta、Tca和Taa的4 個(gè)溫度參數(shù)中，Tc與ETd的相關(guān)性最高（0.706）。Tca的相關(guān)性較Tc弱，而Taa相關(guān)性較Ta的相關(guān)性強(qiáng)，說(shuō)明冠層溫度在14:00 瞬時(shí)與水稻生理活動(dòng)聯(lián)系較為密切，日平均氣溫較14:00 瞬時(shí)空氣溫度對(duì)水稻蒸騰作用的影響更強(qiáng)。

從圖1（a）可以發(fā)現(xiàn)，Rn綜合反映了氣溫、日照時(shí)間長(zhǎng)等氣象要素，因此相關(guān)系數(shù)最高（0.918），隨著Rn的增加，ETd也逐漸增大，二者表現(xiàn)出顯著的線性變化關(guān)系。ETd與Tc-Ta的相關(guān)系數(shù)僅低于Rn，r=-0.884，這是由于冠氣溫差直接反應(yīng)了作物蒸騰作用的強(qiáng)弱；ETd總體上隨著Tc-Ta的增大而減小，Tc-Ta致在-5～3℃范圍內(nèi)（見(jiàn)圖1（b））。由圖1（c）可知，ETd與（es-ed）呈顯著正相關(guān)性，這與（es-ed）表現(xiàn)水稻蒸發(fā)面水分運(yùn)移梯度有關(guān)。比較圖1（d）、圖1（e）發(fā)現(xiàn)14:00 瞬時(shí)Tc比Ta的相關(guān)性高，二者與ETd均呈指數(shù)關(guān)系。該測(cè)站風(fēng)速基本保持在0～3 m/s，與ETd的關(guān)系并不明顯，這與測(cè)站附近建筑物干擾有關(guān)。

表2 實(shí)測(cè)水稻日需水量ETd 與氣象因子相關(guān)性分析結(jié)果 Table 2 Correlation analysis results between measured daily water requirement (ETd) and the meteorological factors

圖1 實(shí)測(cè)水稻日需水量ETd 與氣象因子相關(guān)關(guān)系 Fig.1 The correlation curves between measured rice daily water requirement (ETd) and the meteorological factors

飽和水汽壓差與冠氣溫差存在線性關(guān)系[13]，作者根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（樣本數(shù)45）發(fā)現(xiàn)二者表現(xiàn)出較明顯的負(fù)線性變化關(guān)系，r=-0.727，且14:00 瞬時(shí)冠氣溫差與水稻日需水量的相關(guān)性高于飽和水汽壓差，可以認(rèn)為冠氣溫差包含飽和水汽壓差對(duì)水稻日需水量的影響，表明太陽(yáng)凈輻射和14:00 瞬時(shí)冠氣溫差是影響該灌區(qū)水稻日需水量的關(guān)鍵因子。

2.2 水稻冠氣溫差日變化規(guī)律

2018 年實(shí)測(cè)水稻冠氣溫差日變化規(guī)律如圖2 所示。由圖2 可知，水稻不同生育期冠氣溫差在1 d 內(nèi)表現(xiàn)為先增加后減小的規(guī)律。早晨太陽(yáng)輻射較弱，空氣溫度和冠層溫度均較小，此時(shí)冠氣溫差多為負(fù)值；隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，冠層溫度和空氣溫度均有不同程度的增加，且冠層溫度的上升速度明顯快于空氣溫度，水稻冠氣溫差一般在12:00—14:00 前后達(dá)到最大，此時(shí)冠氣溫差一般為正值；之后隨著太陽(yáng)輻射的減少，冠氣溫差逐步變小。其變化規(guī)律因水稻生育期不同而異。

比較圖2（a）、圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，水稻在抽穗期（9 月10 日）、成熟期（10 月1 日）的變化范圍分別在-3.7～1.3、-1.4～2.9 ℃之間。隨著水稻生育期的延續(xù)，冠氣溫差有逐漸上升的趨勢(shì)，這與水稻進(jìn)入成熟期，同時(shí)太陽(yáng)輻射減少、溫度降低造成水稻植株蒸騰減弱有關(guān)。

圖2 水稻不同生育期冠氣溫差日變化 Fig.2 Diurnal variation of canopy-air temperature difference in different growth stages of rice

式中：ET1為模型估算水稻日需水量（mm/d）；Rn太陽(yáng)凈輻射（MJ/（m2·d））；Tc-Ta為冠氣溫差（℃）；a0、a1、a2均為系數(shù)。

2.3.2 基于LAI 的水稻日需水量修正模型

上述模型僅考慮了氣象要素對(duì)水稻日需水量的影響，但植株本身的生長(zhǎng)發(fā)育狀況同樣會(huì)對(duì)日需水量產(chǎn)生影響，因此有必要對(duì)水稻群落進(jìn)行數(shù)學(xué)描述來(lái)修正該模型。葉面積指數(shù)（LAI）可以定量描述群體水平上葉片密度的變化，其對(duì)水稻騰發(fā)的影響主要包括2 個(gè)方面：一是LAI 越大，單位面積上氣孔數(shù)目越多，植株蒸騰量大；二是LAI 越大，棵間蒸發(fā)量越小，二者互為消長(zhǎng)。有關(guān)學(xué)者認(rèn)為作物因素可由葉面積指數(shù)全部表達(dá)，且為一次函數(shù)[14]，得到水稻日需水量的修正形式：

2.3 水稻日需水量模型構(gòu)建

2.3.1 基于冠氣溫差的水稻日需水量模型

根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，模型輸入?yún)?shù)選定為太陽(yáng)凈輻射和冠氣溫差?？紤]到二者與水稻日需水量為線性關(guān)系，估算模型結(jié)構(gòu)為：

式中：ET2為修正后水稻日需水量（mm/d），b0、b1分別為系數(shù)，其余各項(xiàng)意義同前。

在生態(tài)學(xué)中，Logistic 方程被廣泛用來(lái)模擬種群動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律，且同一作物在不同的生長(zhǎng)環(huán)境下生長(zhǎng)曲線大體相似，國(guó)內(nèi)學(xué)者將該模型用來(lái)模擬作物干物質(zhì)量增長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，其積分形式如式（4）所示[15]。2018 年8 月6 日—10 月2 日采集的葉面積指數(shù)（樣本數(shù)7）構(gòu)建了擬合模型，擬合結(jié)果如表3 所示。

式中：LAI 為水稻葉面積指數(shù)擬合值；t 為栽插天數(shù)（d）；LAImax為實(shí)測(cè)水稻葉面積指數(shù)最大值；c0、c1、c2為葉面積擬合參數(shù)。

表3 水稻葉面積指數(shù)參數(shù)擬合結(jié)果 Table 3 Fitting parameters of rice leaf area index

2.3.3 水稻日需水量模型參數(shù)估計(jì)

將2018 年8 月9 日―9 月22 日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及擬合葉面積指數(shù)輸入上述2 個(gè)模型中進(jìn)行回歸分析，參數(shù)估計(jì)值見(jiàn)表4。其中a0是Rn的系數(shù)，為正值；a1是Tc-Ta的系數(shù)，為負(fù)值，這與相關(guān)性分析結(jié)果吻合。從表4 可知，2 個(gè)模型的F 檢驗(yàn)值均大于臨界值，且p＜0.01，因此用上述2 個(gè)模型計(jì)算水稻日需水量大體上是可行的。

2.4 水稻日需水量模型評(píng)價(jià)

2018 年水稻生育期連續(xù)15 d（9 月23 日—10 月7 日）日需水量的模擬值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)如圖3所示。從圖3 可知，隨著生育期的延續(xù)，實(shí)測(cè)值與模擬值均呈下降趨勢(shì)，修正模型的殘差更集中于0 軸附近。9 月26 日、10 月2 日2 個(gè)估算模型誤差均較大，可能是因?yàn)? 月26 日、10 月2 日均為陰雨天氣，冠層溫度與大氣溫度十分接近，因而水稻日需水量估算值出現(xiàn)較大誤差。

表4 水稻日需水量估算模型參數(shù)估計(jì)值 Table 4 Estimated parameters of rice daily water requirement estimation model

圖3 水稻日需水量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比 Fig.3 Comparison of simulated and measured values of rice daily water requirement

表5 為不同模型精度評(píng)價(jià)結(jié)果。

表5 水稻日需水量估算模型評(píng)價(jià)結(jié)果 Table 5 Evaluation results of rice daily water requirement estimation model

由表5 可知，2 個(gè)模型的決定系數(shù)R2均在0.85以上；修正模型的均方根誤差RMSE為0.183 mm/d，較原模型低0.116 mm/d；修正模型相對(duì)誤差RE為5.07%，較原模型減少3.19%；修正模型的一致性指數(shù)d 也較原模型高，可見(jiàn)通過(guò)水稻葉面積指數(shù)建立的修正模型在精度評(píng)價(jià)上總體優(yōu)于原模型。

3 討 論

研究表明水稻日需水量和冠氣溫差呈負(fù)相關(guān)，這與李麗等[16]、魏征等[17]研究結(jié)果類似，主要原因是：冠氣溫差與土壤含水量、水稻蒸騰速率之間為反比關(guān)系，隨著水稻冠氣溫差的上升，蒸騰速率下降，水稻日需水量也隨之降低。閆苗祥等[18]研究表明對(duì)水稻日需水量影響最大的因素為太陽(yáng)凈輻射，這與本次研究的結(jié)論相吻合。

Jackson 等[19]通過(guò)冠氣溫差建立冬小麥日需水量回歸模型，其估算值與田測(cè)法相比誤差不超過(guò)15%。研究通過(guò)Logistic 函數(shù)模擬水稻葉面積指數(shù)，得出的日需水量修正模型相對(duì)誤差為5.07%，表明通過(guò)冠氣溫差結(jié)合葉面積指數(shù)獲取水稻日需水量信息是可行的，修正后水稻日需水量估算模型可指導(dǎo)當(dāng)?shù)毓鄥^(qū)實(shí)時(shí)用水管理。

本試驗(yàn)以定點(diǎn)觀測(cè)為主，由于下墊面條件的物理特性和水平非均勻性，可能與實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)存在偏差。近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，大面積獲取作物冠層溫度和葉面積指數(shù)信息已日趨成熟[20]，結(jié)合水稻日需水量估算模型，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確反映灌區(qū)水稻日需水量信息，呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

1）水稻日需水量與太陽(yáng)凈輻射和冠氣溫差均具有較好的相關(guān)性；水稻日需水量與太陽(yáng)凈輻射呈正線性相關(guān)，與冠氣溫差呈負(fù)線性相關(guān)；冠氣溫差隨著生育期延續(xù)從-3.7～1.3 ℃增加到-1.4～2.9 ℃。

2）選擇太陽(yáng)凈輻射量和冠氣溫差作為水稻日需水量模型的輸入?yún)?shù)，并引入葉面積指數(shù)對(duì)原模型進(jìn)行修正。修正模型相對(duì)誤差為5.07%，均方根誤差為0.183 mm/d，修正模型計(jì)算精度較高，可指導(dǎo)灌區(qū)實(shí)時(shí)用水管理。