基于闪烁通量和土壤水分的春玉米干旱研究

戴欣钰，刘聪，李琪，德吉卓玛，吴东丽

（1江苏省农业气象重点实验室，南京 210044；2南京信息工程大学，南京 210044；3中国气象局气象探测中心，北京 100081）

0 引言

随着全球气候变暖，极端天气事件频繁发生，干旱成为了影响农作物生长发育的主要气象灾害[1]。在中国，干旱有北重南轻的特点，北方更易发生农业干旱[2-4]。北方地区是玉米的主要生产区之一，玉米播种面积达到了全国的26.6%，年产量约占全国的30%[5]，对保障全国粮食安全起着重要作用。长期干旱将会导致玉米减产，而引起干旱的主要原因是缺乏持续性降水导致作物水分亏缺，另外土壤特性和人类活动等也会对干旱产生影响[6-7]。

目前，用于表征农业干旱的指标有许多，比如土壤相对湿度(Rsm)[8-9]、标准化降水指数(SPI)[10-11]、水分亏缺指数(CWDI)[12-13]、降水距平百分率(PA)[14-15]等。PA 和SPI只考虑了降水，并没有考虑土壤底墒、作物生长发育等问题；Rsm在测定过程中可能存在误差，会影响准确性[16]；而CWDI充分考虑了气象、土壤、作物三者对干旱的作用，能真实地反映水分亏缺程度与干旱情况[17]。但是因为实际蒸散数据获取的问题，CWDI 常用潜在蒸散量[18]进行计算，与实际状况还是有一定偏差的。

大孔径闪烁仪(LAS)是一种基于“闪烁”概念的通量观测仪器，可以实现在光程路径上公里级尺度水热通量的连续观测[19]。目前利用LAS主要进行水热通量计算及变化研究，如马迪等[20]利用大孔径闪烁仪观测数据，研究发现通过混合对流法计算感热通量的方法更适用于戈壁地区。黄天宇等[21]利用LAS获得的科尔沁梯级生态带水热通量数据，探讨了水热通量与环境因子之间的关系。但是利用LAS 观测系统反演得到的实际蒸散数据进行干旱研究的案例还比较少。因此，本研究旨在利用LAS观测系统获得的春玉米实际蒸散量代替潜在蒸散量，并与CWDI 相结合，修订CWDI的干旱等级，探索LAS在干旱指标领域的应用，以期为合理制定灌溉制度，采取相应的防旱抗旱措施提供新的手段和依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域

本研究区域为河北省张家口市怀来县，该地处于河北省西北部，地理位置约在115°E，40°N，属于中温带半干旱区，气候为温带大陆性季风气候，四季分明，阳光充足，雨热同季，昼夜温差较大。历年平均日照时数3027 h，年平均气温9.1℃，全年降水量约396 mm，其中60%的降水集中在7—9 月。该地区气候和土壤条件适合种植玉米，基本为一年一熟。

1.2 数据来源

实际蒸散量数据通过以大孔径闪烁仪为核心的观测系统获得。在研究区域内分别安装了2 台型号为BLS450和ZZLAS的大孔径闪烁仪(LAS)，观测点的经纬度为115.7880° E，40.3491° N，海拔高度为480 m。LAS的有效高度是14 m，光径长度为1870 m。LAS原始数据和温湿度数据同步用数据采集器(CR3000，Campbell，USA)记录。选用2019 和2021 年的观测数据（2020 年缺测数据较多），同期的气象数据、土壤湿度数据和春玉米地面观测资料来源于河北省怀来县气象站。根据当地的实际情况，将春玉米划分5 个生育阶段，分别为播种—出苗期（4 月中旬—5 月上旬）、出苗—拔节期（5月中旬—6月中旬）、拔节—抽雄期（6月下旬—7 月中旬）、抽雄—乳熟期（7 月下旬—8 月中旬）、乳熟—成熟期（8月下旬—9月中旬）。

1.3 研究方法

1.3.1 大孔径闪烁仪测量原理大孔径闪烁仪是由一个接收端和一个发射端组成的，两者相隔一定距离，在距离地面一定高度的位置安装[22]。发射端发射出一定直径和波长的波束后，通过观测路径，受到大气中湿度、温度、风速、气压等因素影响后，最终通过接收端来接收。接收端在收到受大气影响的波束后，通过观测到的空气折射指数结构参数来计算温度结构参数，同时依据莫宁-奥布霍夫相似理论并结合气象数据，采用逐次迭代方法计算显热通量(H)，在求出H后，根据地表能量平衡方程，利用余项法可以获得潜热通量(LE)[23]，最终得到实际的蒸散量。

1.3.2 土壤相对湿度指标土壤相对湿度是直接反映土壤水分状况的重要指标。在春玉米不同生育阶段，由于作物生长对水分的需求不同，土壤相对湿度的下限范围有所不同[24]。并且不同土壤质地的田间持水能力不同以及春玉米各生育阶段根系生长程度对水分的敏感性也存在差异，因此还需要根据不同的土壤质地对干旱等级标准进行调整。本研究以河北省怀来县为研究区域，根据河北省怀来县土壤类型并结合气象行业标准《北方春玉米干旱等级QX/T 259—2015》[25]，列出了基于土壤相对湿度(R)的春玉米不同生育阶段的干旱等级指标（表1）。

表1 基于土壤相对湿度(R)的春玉米干旱等级指标%

1.3.3 修订的水分亏缺指数(RCWDI)

（1）修订的不同生育期水分亏缺指数(KRCWDI)计算。计算公式如式(1)所示。

式中，KRCWDI为修订的春玉米某生育阶段水分亏缺指数(%)；IRCWDS,i为生育阶段内第i旬修订的累计水分亏缺指数(%)；n为某生育阶段内包含的总旬数。

（2）修订的累计水分亏缺指数(IRCWDS,i)计算。由于水分亏缺指数具有累计效应会对后期作物生长发育产生影响，从某个生育期开始的第一天算起，向作物生长前期推算50 d，10 d为一旬，共5旬，来计算水分亏缺指数。

该生育期某一天修订的水分亏缺指数计算公式如式(2)所示。

式中，RCWDIj、RCWDIj-1、RCWDIj-2、RCWDIj-3、RCWDIj-4分别代表第j旬（过去1～10 d）与前4 旬的修订的水分亏缺指数(%)；a、b、c、d、e分别为各旬的权重系统，a=0.3；b=0.25；c=0.2；d=0.15；e=0.1[26]。

（3）修订的水分亏缺指数(RCWDIj)计算。计算公式如式(3)所示。

式中，Pj为第j旬的累计降水量(mm)；ETc,j为第j旬的累计作物实际蒸散量(mm)，本研究中由大孔径闪烁仪的观测数据反演得到。

2 结果与分析

2.1 降水、蒸发的旬际变化

根据春玉米的生育期（4—9月），从播种—出苗阶段开始，按旬为单位，将2021年的降水量、蒸散量的旬次值进行拟合，得到结果如图1所示。

图1 降水量、蒸散量的旬次变化

图1 表明，研究区内降水量在旬次序列上呈线性变化，且呈显著上升趋势，其线性方程为：降水量P=2.1891t+3.13，P=0.041＜0.05通过了0.05水平显著性检验，并且降水量主要集中在6月下旬—7月中旬，7月降水量达到峰值，为103.1 mm。蒸散量在旬次序列上呈抛物线变化，其拟合方程为：蒸散量(T)=-0.2711t²+4.5365t+28.427，P=0.027＜0.05通过了0.05水平显著性检验。

2.2 降水量与蒸散量差值的累积值随时间变化关系

河北省怀来县历史上曾多次遭受干旱，不同时间的干旱涉及范围大小和旱情轻重程度存在不同。由图2 可以看出，研究区内2021 年4—6 月降水量较少，降水量与实际蒸散量差值的累积值一直呈下降趋势，此时研究区域处于较严重干旱状态，干旱胁迫会抑制作物根系生长。当7月、8月、9月降水量较大时，降水量与蒸散量差值的累积值曲线有明显的波动，先呈上升趋势后下降，也可以说明该阶段降水量大于蒸散量，降水的增加会引起土壤水分含量的波动，有利于作物的生长发育和产量的增加。

图2 降水量与蒸散量差值累积值的时间变化

2.3 土壤相对湿度判断春玉米干旱等级

计算2021年怀来县春玉米各生育期内20 cm土层的土壤相对湿度平均值，并根据表1 进行干旱等级判断，结果见表2。

表2 2021年春玉米土壤相对湿度指标及干旱等级

2.4 修订的春玉米水分亏缺指数干旱等级划分

本研究利用大孔径闪烁仪观测系统得到的实际蒸散量代替潜在蒸散量，计算了修订的水分亏缺指数(RCWDI)。然后根据研究区内土壤相对湿度得到的2021 年怀来春玉米不同生育期的实际干旱等级（表2），和RCWDI 值进行比对，并结合实际情况，得到了怀来县春玉米RCWDI 干旱等级如表3 所示。从表3可以看出，利用RCWDI 将春玉米的干旱等级划分为无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱5个等级。

表3 基于RCWDI的春玉米干旱等级%

根据表3 的干旱等级范围，通过计算RCWDI 值，得到了基于RCWDI的研究区2021年春玉米不同生育期的干旱等级（表4）。从表4可以看出，研究区春玉米播种—出苗期、出苗—拔节期降水量较少，蒸发作用消耗的水分不能及时得到补充，因此春玉米该生育期的长时间处于重旱状态下；进入6月之后，随着降水量的增加，干旱情况得到了有效的缓解，因此春玉米拔节—抽雄期、抽雄—乳熟期处于轻旱状态；乳熟—成熟期处于无旱状态。

表4 2021年春玉米RCWDI及干旱等级

2.5 干旱等级指标适用效果验证

对比表4和表2的结果可以发现，除了抽雄—乳熟期以外，其他4个生育期用土壤相对湿度和RCWDI得到的干旱等级是一致的，说明RCWDI 是比较符合怀来县春玉米的干旱情况的。为了进一步研究RCWDI的适用性，利用2019 年的相关数据进行了验证，结果见表5（基于土壤相对湿度）和表6（基于RCWDI）。

表5 2019年春玉米土壤相对湿度指标及干旱等级

表6 2019年春玉米RCWDI及干旱等级

对比表5和表6可以看出，播种—出苗期、拔节—抽雄期、抽雄—乳熟期、乳熟—成熟期的干旱等级是相同的，但出苗—拔节期干旱等级存在一定的差异。与土壤相对湿度得到的干旱情况相相比，准确度达到了80%，结果是符合研究区实际情况的，进一步说明RCWDI及其干旱等级是适用的。

3 结论与讨论

通过分析2021 年河北省怀来县春玉米生育期内降水量、蒸散量与旬次的关系，发现降水量主要集中在6 月下旬—7 月中旬，7 月降水量达到峰值，为103.1 mm，呈线性上升趋势；蒸散量在旬次序列上呈抛物线变化。随着时间变化，降水量与蒸散量的差值累积值在出苗—拔节期一直增大，说明蒸散量大于降水量，拔节期是玉米需水量最大的生长阶段，同时也是关键的生长期。如果遭受干旱，玉米的颗粒充实度会下降，进而影响产量[27-28]。

本研究利用大孔径闪烁仪(LAS)观测系统获得的实际蒸散量数据代替潜在蒸散量计算修订的水分亏缺指数(RCWDI)后，原有的干旱等级标准是不适用的，因此本研究区利用土壤相对湿度得到实际干旱等级，对CWDI 的干旱等级重新进行了调整，得到了基于RCWDI春玉米干旱等级，并利用调整后的干旱等级对研究区内春玉米不同生育期的干旱情况进行了评估，结果基本符合研究区的实际情况。但是2019 年春玉米出苗—拔节期根据RCWDI 划分干旱等级为轻旱，而根据土壤相对湿度来划分干旱等级为重旱；2021年春玉米抽雄—乳熟期根据RCWDI划分干旱等级为轻旱，按照土壤相对湿度来划分等级为重旱。其原因可能是因为降水对土壤相对湿度测量精度造成的影响，也可能是土壤水分蒸发太快，或者是土壤水分滞后性对当前土壤相对湿度的测量值造成偏小的误差。

干旱等级指标是用来评估春玉米干旱情况的量化标准。其中，土壤相对湿度干旱等级指标简便实用，可以直接反映出作物水分供给情况[29]。但目前土壤水分观测范围小，不适宜大范围作物的干旱监测，而利用大孔径闪烁仪可以解决观测尺度的问题。CWDI干旱等级指标比较容易获得，应用比较广泛，但在计算CWDI时，用的是潜在蒸散量，与实际情况还是有一定的偏差。本研究基于LAS 获取的实际蒸散量对CWDI 进行修订，并重新划定了干旱等级范围，结果显示修订的水分亏缺指数(RCWDI)及其干旱等级是具有较好的适用性的。但本研究仅考虑降水量这一单独要素与春玉米实际蒸散量作对比来判断干旱程度，虽然降水量是影响春玉米干旱的主要原因之一，但是其他环境影响因素比如温度、日照时数以及灌水量等[30]对春玉米的需水量起着同样重要的作用，因此，在后续还需要利用更多的数据包括不同的地区数据，不同类型的数据对春玉米干旱等级进行调整，还需要考虑是否有其他因素干扰，由此来提高春玉米干旱监测和评估的精确程度。