李 榮，段喜明，張寶忠，周青云

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山西 晉中 030801; 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038)

0 引 言

作物蒸散量(ETc)作為能量平衡及水循環(huán)的重要組成部分，由作物蒸騰(Tc)和土壤蒸發(fā)(E)組成[1]。Tc直接影響作物生產(chǎn)力，E不直接參與產(chǎn)量構(gòu)成[2]。因此，準(zhǔn)確區(qū)分作物E和Tc的分配占比關(guān)系，提高ETc估算精度是進(jìn)一步優(yōu)化灌溉用水、合理施肥的關(guān)鍵[6,7]。目前，較為常用的方法有Penman-Monteith模型、Shuttle-Wallace模型、雙作物系數(shù)法等[3-5]。Penman-Monteith模型不能有效區(qū)分Tc和E；Shuttle-Wallace模型參數(shù)較多且用于稀疏植被，一些參數(shù)的測(cè)量影響模型估算精度；雙作物系數(shù)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算時(shí)只需考慮氣象條件和作物類型，還可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整相關(guān)參數(shù)，因此許多專家學(xué)者在作物蒸散量研究中運(yùn)用雙作物系數(shù)法。張彥群等[8]在膜下滴灌條件下，利用修正雙作物系數(shù)法估算蒸騰研究玉米節(jié)水機(jī)理。劉春偉等[9]研究作物系數(shù)法及FAO-56PM模型估算蒸騰。肖然等[11]研究認(rèn)為修正雙作物系數(shù)法能更好地估算蒸發(fā)蒸騰量。在玉米生產(chǎn)中，施肥量影響作物耗水和產(chǎn)量[9,10]，盲目大量施肥不僅造成肥料損失嚴(yán)重和水資源浪費(fèi)，降低了經(jīng)濟(jì)效益，又對(duì)生態(tài)環(huán)境有負(fù)面影響[12]。郭金金等[13]在研究不同施氮量對(duì)玉米生長(zhǎng)及氮素吸收利用中得出結(jié)論，玉米產(chǎn)量隨著施氮量的增加先增大后減小，在尿素?fù)交炀忈尩蕰r(shí)收獲最大。安江勇等[14]研究表明不同施肥量對(duì)玉米品質(zhì)及產(chǎn)量有顯著影響，根據(jù)不同玉米品種合理施肥能增加玉米的產(chǎn)量、促進(jìn)養(yǎng)分吸收并改善品質(zhì)，但超過(guò)一定施肥量后玉米品質(zhì)和產(chǎn)量逐漸降低。目前大多研究為蒸發(fā)蒸騰量與水分利用效率的關(guān)系或施肥量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，不同施肥量與作物蒸發(fā)蒸騰總量及其分量關(guān)系研究較少。

本研究中，運(yùn)用修正雙作物系數(shù)法估算夏玉米全生育期蒸發(fā)蒸騰量，并分析不同施肥量下，夏玉米E和Tc的分配占比關(guān)系，旨在為北京大興區(qū)夏玉米農(nóng)田精準(zhǔn)施肥提供一定理論依據(jù)及實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院(北京)大興試驗(yàn)基地進(jìn)行，該試驗(yàn)區(qū)地處北緯39°37.25′，東經(jīng)116°25.51′的北京市南部大興區(qū)。該區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，春冬干旱少雨，年平均氣溫12 ℃左右，全年水面蒸發(fā)量1 800 mm以上，多年平均降水量約540 mm，試驗(yàn)基地土壤為沙壤土，占地約4 hm2，田間持水量為33.4%左右。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)供試夏玉米品種為“紀(jì)元168”，于2018年6月15日播種，9月24日收獲，種植密度6 萬(wàn)株/hm2(株行距30 cm×55 cm)，分12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積56 m2。夏玉米整個(gè)生育期內(nèi)施肥2次，基肥施復(fù)合肥(總養(yǎng)分為45%，N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)，8月8日追施尿素。施肥設(shè)置4個(gè)水平，每次施肥量為0、225、338、450 kg/hm2，即N1、N2、N3、N4。每種施肥量設(shè)置3次重復(fù)。生育期內(nèi)降水基本能滿足夏玉米需水，故各處理除播前灌水60 mm以保證出苗外，整個(gè)生育期內(nèi)均不再進(jìn)行灌溉，其他田間管理措施一致。

1.3 莖流測(cè)定和蒸騰量Tr計(jì)算

從夏玉米生長(zhǎng)中期(8月初)開(kāi)始到夏玉米成熟收獲，在各處理中選取長(zhǎng)勢(shì)良好，莖稈葉片均無(wú)損壞的夏玉米植株，安裝Dynamax公司的Flow32A-1K包裹式莖流計(jì)，傳感器型號(hào)為SGB25。安裝前先去掉玉米底部枯黃的老葉，將傳感器安裝于玉米的莖干基部，距離土壤表面約10 cm處，對(duì)植株進(jìn)行莖流監(jiān)測(cè)。為減小傳感器工作持續(xù)加熱對(duì)玉米莖稈損傷和防止外部包裹的泡沫吸水導(dǎo)致傳感器損壞及玉米不定根生長(zhǎng)對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量的影響，每隔1周左右或下大雨之后將傳感器拆下晾干，當(dāng)天按照順序安裝回原位置。原始莖流數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器(CR1000，Campbell Scientific，美國(guó))每隔15 min 計(jì)算一組平均值，并存儲(chǔ)輸出。通過(guò)將原始數(shù)據(jù)與玉米莖稈橫截面積、鞘傳導(dǎo)率等參數(shù)進(jìn)行重計(jì)算得到0.25 h的單株水平的莖流速率qi，其中夏玉米的莖流密度以純水密度(1.0×103kg/m3)計(jì)。

莖流測(cè)定日蒸騰量Tr可由下式計(jì)算[15]：

Qj=0.25 ∑qi

(1)

Tr=∑Qj/(10A)

(2)

式中：Qj為夏玉米單株日蒸騰量，cm3/d；qi為0.25 h的單株水平的莖流速率，g/h；Tr為夏玉米測(cè)定蒸騰量，mm/d；A為樣地面積，cm2。

1.4 FAO-56PM法計(jì)算蒸散量ETc-F

蒸散量ETc-F可由下式計(jì)算：

ETc-F=KcET0

(3)

式中：ETc-F為作物蒸散量，mm/d；Kc為作物系數(shù)(FAO56分冊(cè)的推薦值)；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d。

ET0的計(jì)算公式如下[8,16]：

(4)

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；Rn為2 m高度處凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；T為2 m高處的日平均氣溫，℃；u2為2 m高處的風(fēng)速，m/s；es-ea為飽和水汽壓差，kPa。

1.5 修正雙作物系數(shù)法計(jì)算ETc

試驗(yàn)中，要獲得夏玉米全生育期的蒸騰量，需要用雙作物系數(shù)法估算(FAO分冊(cè)中介紹)。

雙作物系數(shù)法計(jì)算作物蒸騰量的公式為：

Tc=KsKcbET0

(5)

式中：Tc為作物蒸騰量，mm/d；Ks為水分脅迫系數(shù)，本試驗(yàn)中夏玉米生長(zhǎng)季為夏季，雨量充足，播前充分灌水，未涉及土壤水分虧缺，所以Ks為1；Kcb為基礎(chǔ)作物系數(shù)。

夏玉米全生育期可分為4個(gè)生長(zhǎng)階段：生長(zhǎng)初期，快速生長(zhǎng)期，生長(zhǎng)中期，生長(zhǎng)后期。各生育階段之間的Kcb可以通過(guò) FAO56 分冊(cè)的推薦值，即Kcbini(生長(zhǎng)初期)、Kcbmid(快速生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)中期)和Kcbend(生長(zhǎng)后期)之間的線性插值得到，需要根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笠蜃诱{(diào)整：

Kcb=Kcb(Tab)+[0.04(u2-2)-

(6)

式中：Kcb(Tab)為FAO56分冊(cè)推薦值[15]；RHmin為日最小相對(duì)濕度，%；h為冠層平均高度，m。

本試驗(yàn)中，以生長(zhǎng)中后期的夏玉米莖流實(shí)測(cè)值計(jì)算得到的日蒸騰量Tr為基準(zhǔn)，根據(jù)式(7)對(duì)Kcbmid進(jìn)行修正，得到修正的中期基礎(chǔ)作物系數(shù)Kcbmid-a。同理得到修正后的后期基礎(chǔ)作物系數(shù)Kcbend-a。即：

Kcbmid-a=Tr/ET0

(7)

各個(gè)生育期之間的Kcb可由Kcbini、Kcbmid-a和Kcbend-a線性插值得到。從而得到夏玉米全生育期的蒸騰量Tc，結(jié)合土壤蒸發(fā)E的實(shí)測(cè)值，得到全生育期的夏玉米蒸發(fā)蒸騰量ETc。

1.6 土壤蒸發(fā)量E的測(cè)定

采用聚氯乙烯(PVC)管(內(nèi)桶直徑10 cm，壁厚0.4 cm，高17 cm)自制微型蒸發(fā)器(MLS)，由套桶和內(nèi)桶組成，套桶直徑略大于內(nèi)桶外徑，高度與內(nèi)桶相同，選取試驗(yàn)田中央位置，將內(nèi)桶打入并鉆取原狀土，底部削平，用紗布封底，然后將內(nèi)桶與套桶一起放入土孔。每日17∶00取出，利用電子天平(精度0.01 kg)稱量后放回，2次稱量結(jié)果之差即為蒸發(fā)水量損失[7]。通過(guò)式(8)計(jì)算得到土壤蒸發(fā)量E。

(8)

式中：E為土壤蒸發(fā)量，mm/d；M1、M2分別為連續(xù)2 d蒸發(fā)器的重量，g；r為蒸發(fā)器半徑，cm；10為單位轉(zhuǎn)換因子。

1.7 其他氣象因子的測(cè)定

太陽(yáng)輻射、空氣溫濕度和風(fēng)速等氣象因素由安裝于試驗(yàn)站的渦度相關(guān)系統(tǒng)(Campbell Scientific Inc，USA)及小型氣象站每隔30 min自動(dòng)測(cè)取。

1.8 作物生長(zhǎng)指標(biāo)及產(chǎn)量測(cè)定

(1)株高、莖粗和葉面積指數(shù)(LAI)的測(cè)定。每個(gè)小區(qū)選取3株具有代表性的植株，每5 d人工測(cè)量一次。

(2)產(chǎn)量的測(cè)定。每個(gè)小區(qū)選取1 m2樣方進(jìn)行考種，并測(cè)定百粒重。采用Duncan多重比較法對(duì)株高、莖粗、LAI和產(chǎn)量等進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米全生育期ETc的估算

圖1 莖流測(cè)定蒸騰量Tr與ET0

圖2 莖流測(cè)定蒸騰量Tr與ETc-F

圖3 不同施肥量下莖流測(cè)定Tr、E之和與ETc-F相關(guān)關(guān)系

表1 莖流測(cè)定Tr、E之和與ETc-F的一元線性模型相關(guān)關(guān)系

從圖4中可以看出，ETc-F在夏玉米生長(zhǎng)初期明顯低于雙作物系數(shù)法計(jì)算的ETc，結(jié)合圖2可知，ETc-F在前期低估了土壤蒸發(fā)量E，生長(zhǎng)初期夏玉米植株低矮，葉面積較小，試驗(yàn)田土壤裸露較多，太陽(yáng)輻射直接照射到田間裸土，導(dǎo)致土壤蒸發(fā)量E升高，而夏玉米實(shí)際植株蒸騰量Tc低于土壤蒸發(fā)量E值，因此，生長(zhǎng)初期夏玉米ETc主要表現(xiàn)為土壤蒸發(fā)量E。而到了快速生長(zhǎng)期和中期，2種計(jì)算方法得到的ETc、ETc-F都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，由于FAO推薦的Kcb值從0.15增加到1.15，其計(jì)算值明顯上升，ETc-F高于ETc值，ETc更加接近于實(shí)測(cè)值。生長(zhǎng)后期，2種計(jì)算方法得到的日蒸散量ETc、ETc-F值相對(duì)接近，ETc-F介于不同施肥量的夏玉米ETc率定值之間。

圖4 不同施肥量夏玉米率定后ETc與ETc-F

2.2 不同施肥量對(duì)夏玉米蒸騰量Tc的影響

圖5為夏玉米全生育期不同施肥量的蒸騰量Tc?？梢钥闯觯煌侍幚硭降南挠衩渍趄v量Tc在各個(gè)生長(zhǎng)階段有所差別，總體上生長(zhǎng)初期和生長(zhǎng)后期均低于生長(zhǎng)中期，這是由于生長(zhǎng)初期，夏玉米植株剛剛出苗，株高、葉面積等較小，生長(zhǎng)較為緩慢，植株蒸騰量較低。生長(zhǎng)中期，夏玉米正處于拔節(jié)、抽穗、灌漿等生長(zhǎng)旺盛期，隨著植株株高、葉面積指數(shù)、氣溫等增加，植株蒸騰量也隨之增加。夏玉米成熟等生長(zhǎng)后期，由于植株株高等不再生長(zhǎng)，葉黃枯萎，葉面積指數(shù)呈緩慢下降趨勢(shì)，導(dǎo)致夏玉米植株蒸騰量Tc的下降。

從各生長(zhǎng)期來(lái)看，生長(zhǎng)初期N1與N4處理下Tc相重合，高于N3、N2處理且N3>N2，表明這一時(shí)期，肥力的效果不是很明顯，高肥與0肥處理Tc幾乎相同，反而中間肥量處理Tr更低。而試驗(yàn)田夏玉米種植前均經(jīng)過(guò)等量灌溉，水分相對(duì)充足，水分對(duì)植株生長(zhǎng)起到了主導(dǎo)作用，掩蓋了不同施肥量的差異性。到了生長(zhǎng)中期，隨著田間水分的損耗，肥力的效果逐漸表現(xiàn)出來(lái)，N4高肥處理的夏玉米植株Tc最高，而在初期與之相同的N1處理Tc逐漸下降，生長(zhǎng)中后期低于N2、N3、N4，4種肥處理Tc整體表現(xiàn)出N1

圖5 全生育期不同施肥量的蒸騰量Tc

2.3 不同施肥量對(duì)夏玉米蒸散量ETc的影響

在整個(gè)夏玉米生育期內(nèi)，蒸散量ETc先升高，后降低。由圖6可知，7月9日ETc較低，7月12日左右，ETc出現(xiàn)峰值，N4高肥處理達(dá)到了12.16 mm/d。由圖7可知，土壤蒸發(fā)量E在生長(zhǎng)初期較高，生長(zhǎng)中期、后期較為平穩(wěn)，低于生長(zhǎng)初期，且生長(zhǎng)后期最低。這是由于生長(zhǎng)初期夏玉米植株低矮，植被覆蓋度小，土壤裸露面積較大，夏玉米植株根系埋深比較淺，吸收水分能力不足，從而影響E值較大。N4高肥處理的土壤蒸發(fā)量E最高，可能由于肥料遇水溶于土壤后，氮離子等濃度上升，導(dǎo)致水分子滲透壓上升，加之植株根系不發(fā)達(dá)，吸水能力差，土壤中多余的水分被蒸發(fā)，從而影響E值的增加。

生長(zhǎng)初期ETc與E變化趨勢(shì)基本相同，E對(duì)ETc的影響大于Tc，N4處理ETc最高，N2處理較低，N1、N3處理居中。到了夏玉米生長(zhǎng)中期，隨著葉面積指數(shù)增大，E下降、Tc上升，8月份Tc達(dá)到最高值，且N4處理最高，為8.67 mm/d，而E在此階段相對(duì)較低，不同肥處理E也較相近，Tc對(duì)ETc的影響大于E，Tc占主導(dǎo)。這與李豐琇等的研究結(jié)果一致[17]。不同施肥量對(duì)Tc影響較大(N1

圖6 不同施肥量的蒸散量ETc

圖7 不同施肥量的土壤蒸發(fā)量E

夏玉米全生育期ETc隨著施肥量的增加而增加(見(jiàn)圖8，ETc,N1N2>N1，降低土壤蒸發(fā)量E比例。但施肥過(guò)高導(dǎo)致Tc占比降低，E占比最高，N4處理(Tc/ETc=62.96%)低于其他肥處理。綜上所述，適當(dāng)施肥可以提高Tc在ETc中的所占比例，降低E的消耗，從而使水分消耗向增加作物產(chǎn)量的方向分配(N3處理)。

圖8 年蒸發(fā)量和蒸騰量

圖9 年蒸發(fā)量和蒸騰量占ETc的百分?jǐn)?shù)

2.4 不同施肥量對(duì)夏玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

不同施肥量影響夏玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量(以百粒重計(jì)算)(P<0.01)。株高、莖粗不同處理差異不顯著，但從不同施肥量的株高來(lái)看，N3>N1>N4>N2，N4株高比N1低。從莖粗平均值來(lái)看，N4>N3>N1>N2，N4莖粗值最大。產(chǎn)量、最大葉面積指數(shù)在不同施肥量下差異均較顯著(P<0.01)。產(chǎn)量(百粒重)N3>N2>N4>N1，N3產(chǎn)量比N1高16.9%，N3產(chǎn)量比N4高9.6%(見(jiàn)表2)，表明不同施肥量對(duì)產(chǎn)量具有一定影響，夏玉米產(chǎn)量隨著施肥量的增加，表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。施肥量過(guò)多或太少，都會(huì)降低玉米產(chǎn)量。施肥量過(guò)多，不僅會(huì)造成氮肥的浪費(fèi)還會(huì)降低玉米的產(chǎn)量，而施肥量過(guò)少又會(huì)抑玉米的生長(zhǎng)，這與馬少帥等的研究結(jié)果相一致[18]。施肥量的大小不僅影響夏玉米耗水量大小，還直接影響最終產(chǎn)量。合理的施肥量可以有效提高作物產(chǎn)量，有效控制過(guò)度施肥導(dǎo)致資源浪費(fèi)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約水資源與高產(chǎn)雙向效益[19,20]。

表2 不同施肥量夏玉米田間生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量(百粒重)比較

注：不同小寫(xiě)字母表示P<0.01處理間差異顯著。

3 結(jié) 論

本文利用修正雙作物系數(shù)法估算夏玉米全生育期蒸發(fā)蒸騰量，分析了不同施肥量對(duì)夏玉米蒸發(fā)量和蒸騰量及產(chǎn)量的影響，得到如下結(jié)論。

(1)夏玉米生長(zhǎng)初期，施肥量對(duì)Tc的影響不明顯。生長(zhǎng)中期，施肥量大，Tc相對(duì)較大。生長(zhǎng)后期，N2處理Tc最高，N4最低。E在生長(zhǎng)初期較高，生長(zhǎng)中期、后期較為平穩(wěn)。生長(zhǎng)初期E對(duì)ETc的影響大于Tc，N4處理ETc最高，N2處理最低。生長(zhǎng)中期Tc對(duì)ETc的影響大于E，不同施肥量對(duì)Tc影響較大(N1

(2)不同施肥量影響夏玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量(以百粒重計(jì)算)(P<0.01)。產(chǎn)量(百粒重)N3>N2>N4>N1，N3處理比N1處理產(chǎn)量高16.9%，N3處理比N4處理產(chǎn)量高9.6%。施肥量過(guò)多或太少，都會(huì)降低玉米產(chǎn)量。

(3)適當(dāng)施肥可以提高Tc在ETc中的所占比例，降低E的消耗，從而使水分消耗向增加作物產(chǎn)量的方向分配(N3最高Tc/ETc=67.53%)。