Estimation of Evapotranspiration of Winter Wheat-Summer Maize Rotation System in Southern Shanxi Based on Dual-crop Coefficient Approach

ZHAO Jin-jiang, MA Juan-juan, ZHENG Li-jian, SUN Xi-huan, WU Chao-bao

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节水灌溉
Water Saving Irrigation ›› 2023 ›› (2) : 28-37. DOI: 10.12396/jsgg.2022223

Estimation of Evapotranspiration of Winter Wheat-Summer Maize Rotation System in Southern Shanxi Based on Dual-crop Coefficient Approach

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Abstract

Winter wheat-summer maize rotation system is commonly used in southern Shanxi.In order to evaluate the reliability of dual-crop coefficient approach in winter wheat-summer maize rotation system, and to master the water consumption law of rotation system, in this paper, the evapotranspiration of the winter wheat-summer maize rotation system from 2016 to 2019 was simulated by the dual-crop coefficient approach. The simulated results were evaluated based on the calculation results of water balance method, and plant transpiration (T) and soil evaporation (E) were distinguished. The results showed that in the winter wheat-summer maize rotation system, the average basic crop coefficient (Kcb ) of winter wheat was 0.2, 0.59, 0.98 and 0.15 for the early, developing, middle and late stages, respectively, and that of summer maize was 0.14, 0.69, 1.24 and 0.56; The average soil evaporation coefficient (Ke ) of winter wheat was 1.24, 0.63, 0.07 and 0.42, and that of summer maize was 0.78, 0.45, 0.06, 0.46, respectively. During the whole growth period, ETc of winter wheat was 264.18~526.22 mm, and that of summer maize was 261.76~519.67 mm; The development period was the peak of water consumption, and the proportion of evapotranspiration in the development period of winter wheat and summer maize was 31.2%~51.3% and 34.3%~58.2%, respectively; With the decrease of irrigation times, the plant evapotranspiration and plant transpiration of winter and summer maize decreased gradually, and soil evaporation reached the lowest when irrigation was the least, the E/ETc of the whole growth period was 27.3%~46.4% for winter wheat and 29.3%~44.2% for summer maize. At the early stage of winter wheat and summer maize growth, more than 80% of soil water was consumed by evaporation, and the proportion of soil evaporation was the lowest in the middle stage, which was 6.1%~13.4% for winter wheat and 4%~7.6% for summer maize. The simulated evapotranspiration (ETc- FAO) values of wheat and summer maize showed a good correlation with the measured values (ETc ), R 2 was 0.8~0.86, RMSE was 0.5~0.6 mm/d, MAE was 0.4~0.49 mm/d. It can be seen that the dual-crop coefficient approach has high accuracy in simulating ETc of winter wheat-summer maize rotation system in southern Shanxi, which can provide a theoretical basis for accurately grasping the water consumption law of winter wheat-summer maize rotation system, and then making a reasonable irrigation plan.

Key words

winter wheat-summer maize / cropping rotation system / dual-crop coefficient approach / evapotranspiration simulation / plant transpiration / soil evaporation

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ZHAO Jin-jiang , MA Juan-juan , ZHENG Li-jian , SUN Xi-huan , WU Chao-bao. Estimation of Evapotranspiration of Winter Wheat-Summer Maize Rotation System in Southern Shanxi Based on Dual-crop Coefficient Approach. Water Saving Irrigation. 2023, 0(2): 28-37 https://doi.org/10.12396/jsgg.2022223

0 引 言

冬小麦-夏玉米一年两熟轮作制是晋南地区的重要种植制度[1]。统计表明，晋南地区玉米、小麦种植面积分别占山西省玉米、小麦种植面积的45%和98%[2]。然而，受当地降水资源分配的影响，导致轮作中冬小麦灌溉需求较大，而玉米底墒以及补灌也受冬小麦灌溉及水分利用的影响，因此，明确轮作系统的蒸散规律对于制定合理的灌溉制度，以确保轮作系统稳产高产至关重要。作物蒸散（ETc ）是农田土壤水分平衡的重要环节，主要包括土壤蒸发（E）和植株蒸腾（T）；测定ETc 的方法可分为实测法和模型估算法，其中，实测法包括微型蒸渗仪-茎流计法、波文比能量平衡法、涡度相关法等[3-5]，这类方法测量结果准确度高，但测量过程费时费力，并且易受外部因素影响而无法保证数据的连续[6]；为弥补实测法的不足，各国学者便提出多种数学模型来估算ETc，以Penman-Monteith（PM），Shuttle-Wallace（SW）模型、以及单作物系数法和双作物系数法为主[7]，并用于玉米、水稻、小麦等多种农田生态系统ETc 的估算 [8-11]。对冬小麦-夏玉米轮作系统而言，前人多采用单作物系数法对其ETc 进行估算。WU等[12]采用单作物系数法研究了华北平原冬小麦-夏玉米轮作下灌溉需水量的时空变化；张硕硕等[13]利用单作物系数法确定了冬小麦-夏玉米轮作下的作物需水量，并基于此建立水分生产函数对冬小麦-夏玉米轮作下灌溉制度进行了优化；杨天一等[14]通过单作物系数法确定了华北平原冬小麦-夏玉米轮作下的作物系数，明确了其耗水规律，并采用涡度相关实测数据验证了单作物系数法在当地冬小麦-夏玉米轮作系统的适用性。然而，单作物系数法虽能估算ETc，却无法合理拆分E、T；在作物种植过程中，E通常被认为是无效耗水，并不参与产量构成，而T与作物的生产力直接相关，明确作物生育期内E、T占比，对于合理分配灌溉以使更多土壤水分用于蒸腾，进而优化作物水分利用效率至关重要[15]。联合国粮农组织（Food and agricultural organization，FAO）推荐的双作物系数法可分别计算蒸腾和蒸发，考虑了气象条件和作物类型，所需参数较少[16]，计算简便，目前，双作物系数法多被用于单一作物ETc 的估算和区分，在冬小麦-夏玉米轮作系统中的应用较少。为此，本研究将基于FAO双作物系数法结合晋南地区2016-2019年间冬小麦-夏玉米轮作系统实测的田间数据，旨在：①以水量平衡法计算蒸散量为标准，评估FAO双作物系数法预测冬小麦-夏玉米轮作系统蒸散量的可靠性；②在此基础上研究轮作系统耗水规律，对蒸散进行拆分，以期为晋南地区冬小麦-夏玉米轮作系统田间水分管理提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年10月9日-2019年10月1日在山西省临汾市洪洞县广胜寺镇东安村进行（111°46′E 、36°17′N），当地海拔529 m，属暖温带大陆性气候，年均气温12.4 ℃，年均累计日照时数1 982.3 h，年均降雨量439.3 mm，年均蒸发量1 420.5 mm，无霜期204 d。土壤质地为轻壤土，0~100 cm土层平均容重为1.46 g/cm3、平均田间持水量为35.9%（体积含水量）、平均凋萎含水量为8.8%（体积含水量），地下水埋深4~5 m。

1.2 试验设计

2016-2017年间，冬小麦于2016年10月9日播种，2017年6月14日收获，供试品种为“济麦22”，夏玉米于2017年6月15日播种，2017年9月27日收获，供试品种为“华农887”；2017-2018年间，冬小麦于2017年10月20日播种，2018年6月11日收获，供试品种为“邯麦16”，夏玉米于2018年6月12日播种，2018年10月8日收获，供试品种为“纵横836”；2018-2019年间，冬小麦于2018年10月16日播种，2019年6月13日收获，供试品种为“良星66”，夏玉米于2019年6月14日播种，2019年10月1日收获，供试品种为“必祥809”；冬小麦播种量均为375 kg/hm2；夏玉米种植株行距均为60 cm×28 cm。
为了形成冬小麦-夏玉米轮作系统不同的水分供应状况，试验以冬小麦-夏玉米生育期内灌水次数为变量设置不同试验处理，2016-2017和2017-2018年各自设置4个处理，分别为W1（冬小麦生育期灌水4次、夏玉米生育期灌水2次）、W2（冬小麦生育期灌水3次、夏玉米生育期灌水1次）、W3（冬小麦生育期灌水2次、夏玉米生育期灌水1次）、W4（不灌水），2018-2019年设置3个处理，分别为W1（冬小麦生育期灌水3次、夏玉米生育期灌水2次）、W2（冬小麦生育期灌水2次、夏玉米生育期灌水2次）、W3（夏玉米生育期灌水1次），单次灌水定额为750 m3/（hm2·次），每个处理3次重复，共33个试验小区，每个小区长17.6 m，宽3.78 m，面积为66.5 m2，随机排列，采用井水进行灌溉，水表控制灌水量，灌水方式与当地保持一致，采用畦灌，各处理具体灌水日期见表1。
Tab.1 Irrigation date and irrigation amount of each treatment during the experiment

表1 试验期间各处理灌水日期及灌水量

时间 处理 灌水日期 灌水定额/(m3·hm-2·次-1)
冬小麦 夏玉米
2016-10-09至2017-09-27 W1 11.22 3.22 5.08 5.22 6.16 7.24 750
W2 11.22 3.22 5.22 6.16
W3 11.22 3.22 6.16
W4
2017-10-20至2018-10-08 W1 3.15 4.18 5.12 5.31 8.03 9.03 750
W2 3.15 4.18 5.12 8.03
W3 3.15 5.02 8.03
W4
2018-10-16至2019-10-01 W1 3.26 4.22 5.22 6.17 7.22 750
W2 3.26 5.08 6.17 8.06
W3 6.17

1.3 指标测定及方法

1.3.1 气象数据观测

通过园区内的气象站自动采集气象数据，观测项目包括日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度、日平均风速、日照时数、降水量等。

1.3.2 土壤含水量

土壤含水量每隔10 d测定一次，并于灌水前后、降雨后加测，测试深度为0~100 cm（20 cm一层）。

1.3.3 生长指标

冬小麦株高和叶面积在其初期始末各测定一次，之后每10 d左右测定一次，夏玉米株高、叶面积在夏玉米生育期间每隔10 d左右测定一次。

1.3.4 耗水量

冬小麦和夏玉米生育期内耗水量采用水量平衡法计算[17]。

1.4 双作物系数法

双作物系数法将作物系数Kc 分为基础作物系数Kcb 和土壤蒸发系数Ke 两部分，因此可分别计算植物蒸腾和土壤蒸发，采用FAO推荐公式计算[18]：
ETc=Kc ET0
Kc=Ks Kcb+Ke
T=Ks Kcb ET0
E=Ke ET0
式中：ETc 为蒸发蒸腾量，mm；T为蒸腾量，mm；E为蒸发量，mm；Ks 为水分胁迫系数；Kcb 为基础作物系数；Ke 为土壤蒸发系数；ET 0为参考蒸发蒸腾量，mm。
按照FAO划分标准，将冬小麦和夏玉米划分为初期（Ⅰ）、发育期（Ⅱ）、中期（Ⅲ）、后期（Ⅳ），具体划分状况如表2所示。
Tab.2 Growth stage division of winter wheat and summer maize

表2 冬小麦-夏玉米生育阶段划分

年份 作物 初期 发育期 中期 后期 全生育期
2016-2017 冬小麦 144 d 61 d 20 d 24 d 2016-10-09至2017-06-14（249 d）
夏玉米 27 d 31 d 21 d 26 d 2017-06-15至2017-09-27（105 d）
2017-2018 冬小麦 133 d 61 d 20 d 21 d 2017-10-20至2018-06-11（235 d）
夏玉米 30 d 31 d 24 d 34 d 2018-06-12至2018010-08（119 d）
2018-2019 冬小麦 136 d 61 d 20 d 23 d 2018-10-16至2019-06-13（240 d）
夏玉米 29 d 31 d 21 d 30 d 2019-06-14至2019-10-01（111 d）

1.4.1 参考作物蒸散量

本文采用FAO-56推荐的标准方法计算ET 0 [19]。

1.4.2 基础作物系数

FAO推荐冬小麦和夏玉米初期、中期、后期Kcb 值分别为0.15、1.1、0.15和0.15、1.15、0.5，发育期Kcb 通过线性插值得到，在中期和后期当Kcb 值大于0.45时采用下式进行修正：
Kcb=Kcbtable+[0.04 (u2-2)-0.004 (RHmin-45)] (h3)0.3
式中：Kcb table为FAO-56给出的推荐值；RH min为日平均最小相对湿度，采用FAO-56推荐公式计算[18]，%；h为各生育阶段平均株高，m。

1.4.3 水分胁迫系数计算

Ks 为水分胁迫系数，反映根区土壤含水率不足时对作物蒸腾的影响，生长周期内水分充足时水分胁迫系数为1；本文采用下式进行计算[20]：
Ks=0,      θi≤θwθiθf,      θw<θi1,      θi≥θf<θf
式中：Ks 为水分胁迫系数；θi 为土壤含水量；θw 为凋萎含水量；θf 为田间持水量。

1.4.4 土壤蒸发系数

土壤蒸发系数采用下述公式计算[21]：
Ke=Kr (Kcmax-Kcb)≤few Kcmax
Kcmax=max1.2+0.04 (u2-2)-0.004 (RHmin-45) (hc3)0.3,Kcb+0.05
few=min(1-fc, fw)
式中：Ke 为土壤蒸发系数；Kc max为Kc 的最大值；Kr 为土壤蒸发衰减系数；few 为裸露湿润土壤表面比例；hc 为各生育阶段最大株高，m；1-fc 为裸露土壤平均比值；fw 为降雨湿润土壤表面平均比值，本试验取1。
Kr 为与表层土壤累积蒸发深度相关的蒸发减小系数，当De,i -1<REW取值为1；当De,i -1＞REW采用修正后的公式进行计算，
Kr=TEW-De,i-1TEW-REW=1 000 (θi-0.5 θw) ZeTEW-REW
式中：De,i- 1为截止到第i-1天的累积蒸发深度，mm；TEW为土壤表层的可蒸发深度，mm；REW为土壤表面易蒸发的水量，mm；Ze 为蒸发层深度，取值0.1 m；TEW与REW的取值和土壤性质及可蒸发的土壤表面深度相关，本试验区土壤为砂壤土，TEW和REW分别取20 mm和8 mm[17]；θi 为实际土壤含水量，θw 为凋萎含水量。
本文采用叶面积指数（LAI）修正的公式计算fc [22]，
fc=1.005 (1-e-0.6 LAI)1.2

1.5 模型评价指标

采用RMSE（均方根误差）、RRMSE（相对均方根误差）、MAE（平均绝对误差）、RBIAS（相对偏差）、NSE（纳什效率系数）、d（一致性指数）作为模型效果的评价指标。RMSE、RRMSE、RBIAS、MAE越接近于0，模拟效果越好，NSE和d越接近于1，模拟效果越好。

2 结果与分析

2.1 主要气象因子及参考作物蒸散量变化规律

图1为冬小麦-夏玉米轮作系统生育期内日平均气温（T mean）、日平均相对湿度（RH mean）、净辐射（Rn ）以及参考作物蒸散量（ET 0）的变化趋势。如图1所示，在整个轮作系统中，2016-2017、2017-2018、2018-2019年间的逐日平均气温均呈现出先降低后升高、之后再降低的变化趋势，日平均最高气温分别为31、30.1、30.4 ℃，均出现于夏玉米Ⅱ期（发育期）。
Fig.1 Changes of daily mean temperature T mean, daily mean relative humidity RH mean, net radiation Rn and reference crop evapotranspiration ET 0 during the growth period of winter wheat-summer maize rotation system from 2016 to 2019

图1 2016-2019年间冬小麦-夏玉米轮作系统生育期内日平均气温T mean、日平均相对湿度RH mean、净辐射Rn 、参考作物蒸散ET 0变化

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2016-2017、2017-2018、2018-2019年间轮作系统的平均气温分别为13.2、13.2、12.7 ℃，大于10 ℃的有效积温分别为4 178.5、4 479.2、4 171.7 ℃；此外，冬小麦生育期内的日平均气温低于夏玉米生育期内的日平均气温，二者分别为8.8 ℃和23.6 ℃、9.1 ℃和22.7 ℃、7.8 ℃和23.3 ℃。日平均相对湿度呈锯齿状波动，2016-2017、2017-2018、2018-2019年间轮作系统整体平均相对湿度分别为77%、75.1%、80.1%，累计降雨量分别为593.4、399.3、310.7 mm（图2）。净辐射变化趋势与平均气温相似，在夏玉米发育期净辐射达到最大，2016-2017、2017-2018、2018-2019年Rn 峰值分别为22.3、20.9、20.6 W/m2。
Fig.2 Rainfall during the growing period of winter wheat-summer maize rotation system from 2016 to 2019

图2 2016-2019年间冬小麦-夏玉米轮作系统生育期内降雨量

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受T mean、RH mean、Rn 等气象因子影响，各时期ET 0变化规律存在差异。在整个轮作系统生育期内，ET 0变化趋势为单峰型曲线，在冬小麦生长初期，温度较低，太阳辐射较小，ET 0处于较低水平，2016-2017、2017-2018、2018-2019年分别为0.83、0.75、1.10 mm/d，随着温度升高和太阳辐射增强，ET 0又逐渐增大，在夏玉米发育期达到最大值，为7.2、8.0、7.5 mm/d，之后ET 0又逐渐下降。整个轮作系统生育期总ET 0分别为886、968.5、948.7 mm，冬小麦和夏玉米各自ET 0占比分别为51%和49%、55%和45%、54%和46%。

2.2 模型的校准及验证

运用2016-2018年所有试验处理的田间实测数据和水量平衡法计算蒸散量对双作物系数法进行校准，校准后的主要参数取值见表3。
Tab.3 Main parameters of double crop coefficient method

表3 双作物系数法主要参数

作物 参数 取值 来源
冬小麦 LAI 0~10.15（2016-2019） 实测
hc /m 0.53~0.68（2016-2019） 实测
Kcb- mean 初期0.2、发育期0.59、中期0.98、后期0.15 校正
Ke- mean 初期1.24、发育期0.63、中期0.07、后期0.42 校正
TEW/mm 19 校正
REW/mm 7 校正
Ze /m 0.1 FAO-56
夏玉米 LAI 0~4.43（2016-2019） 实测
hc /m 2.55~3.10（2016-2019） 实测
Kcb- mean 初期0.14、发育期0.69、中期1.24、后期0.56 校正
Ke- mean 初期0.78、发育期0.45、中期0.06、后期0.46 校正
TEW/mm 17 校正
REW/mm 7 校正
Ze /m 0.1 FAO-56
根据确定后的上述参数，运用双作物系数法对冬小麦-夏玉米实际蒸散量进行预测，并以2018-2019年水量平衡法计算蒸散量为标准，与预测值进行对比分析，结果如图3所示。由图3可知，双作物系数法的模拟值与水量平衡法的实测值呈现出较好的相关性。2016-2018年冬小麦和夏玉米蒸散量实测值与模拟值的R2 分别为0.86和0.84，2018-2019年实测值与预测值的R2 分别为0.84和0.8。其余误差统计指标见表4。
Fig.3 Fitted plots of measured and simulated evapotranspiration values of winter wheat-summer maize from 2016 to 2019

图3 2016-2019年冬小麦-夏玉米蒸散量实测值和模拟值拟合图

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Tab.4 Comparison of measured and simulated evapotranspiration values of winter wheat-summer maize from 2016 to 2019

表4 2016-2019年间冬小麦-夏玉米蒸散实测值与模拟值对比

年份 作物 RMSE/（mm·d-1） RRMSE MAE/（mm·d-1） RBIAS NSE d
2016-2018（校准年） 冬小麦 0.50 0.20 0.40 -0.05 0.89 0.97
夏玉米 0.60 0.13 0.48 0.01 0.93 0.98
2018-2019（验证年） 冬小麦 0.58 0.24 0.49 -0.11 0.85 0.96
夏玉米 0.56 0.17 0.46 0.10 0.85 0.96
如表4所示，校准年冬小麦蒸散量实测值和模拟值的RMSE为0.50 mm/d，RRMSE为0.20，MAE为0.40 mm/d，RBIAS为-0.05，NSE为0.89，d为0.97；校准年夏玉米蒸散量实测值和模拟值的RMSE为0.60 mm/d，RRMSE为0.13，MAE为0.48 mm/d，RBIAS为0.01，NSE为0.93，d为0.98；验证年冬小麦蒸散量实测值和预测值的RMSE为0.58 mm/d，RRMSE为0.24，MAE为0.49 mm/d，RBIAS为-0.1，NSE为0.85，d为0.96；验证年夏玉米蒸散量实测值和预测值的RMSE为0.56 mm/d，RRMSE为0.17，MAE为0.46 mm/d，RBIAS为0.10，NSE为0.85，d为0.96。
由此可见，双作物系数法预测冬小麦-夏玉米蒸散量具有较高精度，可作为晋南地区冬小麦-夏玉米轮作系统作物需水量的预测方法。

2.3 双作物系数法模拟冬小麦-夏玉米蒸散变化

2.3.1 总蒸散量及各阶段蒸散量

图4为双作物系数法预测下2016-2019年间冬小麦-夏玉米全生育期、各生育阶段实际蒸散量。由图4可知，2016-2017、2017-2018和2018-2019年间冬小麦全生育期蒸散量分别为330.98~526.22、288.44~439.82和264.18~370.28 mm，夏玉米分别为382.11~519.67、407.46~474.61和261.76~346.99 mm。随着灌水次数的减少，冬小麦、夏玉米蒸散量整体表现为减小趋势，2016-2018年间，W1处理冬小麦、夏玉米全生育期蒸散量均为最大，W4处理蒸散量最低，仅为W1处理的63.9%、73.1%和65.6%、71.1%；2018-2019年间，W1、W2处理蒸散量相当，W3处理蒸散量最小，冬小麦为264.18 mm、夏玉米为261.76 mm。
Fig.4 Evapotranspiration in the whole growth period and each growth stage of the winter wheat-summer maize rotation system from 2016 to 2019

图4 2016-2019年间冬小麦-夏玉米轮作系统全生育期、各生育阶段蒸散量

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就各生育阶段而言，无论冬小麦还是夏玉米，各处理发育期实际蒸散量在4个时期中均为最大，2016-2017、2017-2018、2018-2019年间冬小麦各处理发育期蒸散量占各自总蒸散量的比例分别为31%~40%、42%~51%、33%~45%，夏玉米各处理发育期蒸散量占各自总蒸散量的比例分别为34%~42%、46%~58%、37%~40%，主要原因是发育期为作物的快速生长期，耗水强度较大。

2.3.2 冬小麦-夏玉米蒸散区分

由于各处理蒸散变化规律相似，故选W1处理进行展示。图5为双作物系数法模拟下2016-2019年间冬小麦-夏玉米轮作系统W1处理E、T及ETc 变化规律。
Fig.5 Changes of E、T and ETc in Winter-summer maize rotation system W1 from 2016 to 2019

图5 2016-2019年间冬小麦-夏玉米轮作系统W1处理E、T、ETc 变化

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如图5所示，在冬小麦生长初期，E相对较大，2016-2017、2017-2018和2018-2019年间初期日均土壤蒸发量分别为0.85、0.91和0.83 mm/d；在冬小麦发育期E逐渐下降，到中期叶面积指数达到最大，土壤裸露最小，E降至最低，分别为0.31、0.36和0.29 mm/d；冬小麦后期叶面积指数逐渐减小，土壤裸露程度升高，同时受高温和强辐射影响，E又迅速升高；冬小麦后期衔接夏玉米生长初期，该时段内E一直维持较高水平，分别为3.53、3.28和3.26 mm/d；随着玉米植株快速生长，冠层覆盖变大，E又逐渐降渐降低，直到后期又略有升高。T变化趋势与E相反，生长初期和后期较低，在发育期和中期维持较高水平。ETc 变化趋势为双峰型曲线，在冬小麦和夏玉米生长初期和后期较低，在发育期和中期较高，2016-2017、2017-2018、2018-2019年冬小麦和夏玉米各自生育期内的ETc max分别为5.75、6.47、6.49 mm/d和7.45、6.48、7.74 mm/d。
双作物系数法可明确作物生育期内E、T的分配状况。表5为双作物系数法计算2016-2019年间冬小麦-夏玉米轮作系统W1处理各生育阶段E、T分配结果。如表5所示，在冬小麦和夏玉米生长初期，土壤蒸发占比最大，冬小麦E/ETc 为80.7%~85.4%，夏玉米为83%~87.9%；之后土壤蒸发占比逐渐降低，并在中期达到最小，此时冬小麦E/ETc 为6.6%~8.7%，夏玉米为5%~7.3%；到生长后期土壤蒸发占比又有所回升。其余处理各生育期阶段E/ETc 变化与W1处理相似，其中，冬小麦各处理初期、发育期、中期、后期E/ETc 为83.3%~81.9%、13.7%~26.2%、6.1%~13.4%、32.3~54.8%，夏玉米各处理E/ETc 为85%~88.7%、20%~37.4%、4%~7.6%、19.4%~35.4%。
Tab.5 E and T allocation at each growth stage in W1 treatment of winter wheat-summer maize rotation system from 2016 to 2019

表5 2016-2019年间冬小麦-夏玉米轮作系统W1各生育阶段处理E、T分配

年份 作物 组分 初期 发育期 中期 后期 全生育期
2016-2017 冬小麦 E/mm 100.02 11.66 12.06 19.69 143.43
T/mm 23.92 154.89 144.61 59.37 382.79
E/ETc 80.7% 7.0% 7.7% 24.9% 27.3%
夏玉米 E/mm 115.76 56.83 8.79 17.65 199.03
T/mm 16.39 133.87 111.61 58.77 320.64
E/ETc 87.6% 29.8% 7.3% 23.1% 38.3%
2017-2018 冬小麦 E/mm 83.41 34.99 3.62 16.07 138.09
T/mm 17.08 156.20 63.38 65.07 301.73
E/ETc 84.9% 14.4% 8.7% 52.2% 31.4%
夏玉米 E/mm 74.57 45.12 3.07 16.10 138.86
T/mm 15.27 201.45 53.79 65.23 335.74
E/ETc 83% 18.3% 5.4% 19.8% 29.3%
2018-2019 冬小麦 E/mm 69.11 28.42 5.26 28.95 131.74
T/mm 11.82 105.02 74.46 47.23 238.53
E/ETc 85.4% 21.3% 6.6% 38.0% 35.6%
夏玉米 E/mm 81.82 38.12 3.07 22.88 145.90
T/mm 11.26 64.36 58.29 67.19 201.10
E/ETc 87.9% 37.2% 5.0% 25.4% 42.0%
表6为2016-2019年间冬小麦-夏玉米轮作系统各处理全生育期内E、T状况。如表6所示，2016-2019年间，随着灌水次数的减少，冬小麦及夏玉米的蒸腾量均出现降低，2016-2017和2017-2018年间，W4处理冬小麦、夏玉米蒸腾量较W1处理分别降低53.7%、28.1%和47.1%和34.4%；2018-2019年间，W3处理冬小麦、夏玉米蒸腾量较W1处理分别降低38%和20.4%。与蒸腾相比，土壤蒸发变化幅度相对较小，但除2016-2017年W1处理冬小麦由于灌水较多，并伴随着较多降雨可能出现了深层渗漏外，其余情况均在灌水次数最少时土壤蒸发也达到最小，而随着灌水次数的减少，E/ETc 则整体表现出升高趋势。全生育期E/ETc，冬小麦为27.3%~46.4%，夏玉米为29.3%~44.2%。全生育期E和T总量范围，冬小麦为117.82~178.17 mm和146.36~382.79 mm，夏玉米为101.75~206.68 mm和160.01~335.74 mm。
Tab.6 E and T allocation during the whole growth period of each treatment in the winter wheat-summer maize rotation system from 2016 to 2019

表6 2016-2019年间冬小麦-夏玉米轮作系统各处理全生育期E、T分配

作物 处理 2016-2017 2017-2018 2018-2019
E/mm T/mm E/ETc E/mm T/mm E/ETc E/mm T/mm E/ETc
冬小麦 W1 143.43 382.79 27.3% 138.09 301.73 31.4% 131.74 238.53 35.6%
W2 161.47 236.56 40.6% 139.11 249.06 35.8% 131.87 242.53 35.2%
W3 178.17 213.75 45.5% 133.68 236.51 36.1% 117.82 146.36 44.6%
W4 153.69 177.39 46.4% 128.93 159.51 44.8%
夏玉米 W1 199.03 320.64 38.3% 138.86 335.74 29.3% 145.90 201.10 42.0%
W2 204.38 277.95 42.4% 136.63 290.87 32.0% 131.55 190.60 40.8%
W3 206.68 261.24 44.2% 132.84 274.62 32.6% 101.75 160.01 38.9%
W4 151.50 230.61 39.6% 117.10 220.15 34.7%

3 讨 论

准确估算作物蒸散量有助于合理规划农业用水量。本文以水量平衡法计算值为标准，率定和验证了双作物系数法估算晋南地区冬小麦-夏玉米轮作系统蒸散量的可靠性。结果表明，双作物系数法模拟值与实测值R 2为0.80~0.86，RMSE为0.5~0.6 mm/d，MAE为0.4~0.49 mm/d，证明其模拟冬小麦-夏玉米轮作系统蒸散有较高精度，可为晋南地区冬小麦-夏玉米轮作系统作物需水量计算提供参考。通过参数校准，本文得到晋南地区冬小麦-夏玉米轮作系统初期、发育期、中期和后期的平均基础作物系数Kcb，冬小麦为0.2、0.59、0.98、0.15，夏玉米为0.14、0.69、1.24、0.56；其中，冬小麦和夏玉米初期以及中期的Kcb 值与敬峰等在冬小麦、李丰琇等在夏玉米中的研究结论基本一致，然而，相比于其冬小麦后期Kcb 为0.3，夏玉米后期Kcb 为0.87的结论[11, 23]，本文所得结果偏低，这是由于轮作制度下，在前茬作物后期，后茬作物需要尽快种植，因此冬小麦和夏玉米通常在不完全干燥时就被收获，这可能是导致其后期Kcb 相比单一种植时较低的原因[24]。
本文研究发现，冬小麦、夏玉米蒸散量和蒸腾量均随灌水次数的减少而降低，这与闫世程等[25]在夏玉米中的研究结论相似，而土壤蒸发量虽然在灌水最少时也达到最低，但总体而言变化幅度相对较小，王子申等[26]也发现充分灌溉和非充分灌溉对土壤蒸发的影响相对较小。2016-2019年间，冬小麦全生育期蒸散量为264.18~526.22 mm，夏玉米为261.76~519.67 mm，冬小麦和夏玉米发育期蒸散量在各自生育期中占比最大，分别为31%~51%和34%~58%，在初期和后期较小，这和杨天一等[14]在华北平原小麦-玉米系统中研究结果基本一致，但和冯禹等[27]在旱作玉米研究中发现中期为玉米耗水最高时期不符，考虑一方面是由于本研究中作物存在灌水，而冯禹等为旱作玉米，另一方面由于生育期划分差异所致。此外，不同品系的玉米冠层尺寸存在差异，冠层较大的玉米相比冠层较小的玉米拥有更大的蒸散[28]。本文得出，随着灌水次数的减少，冬小麦和夏玉米E/ETc 整体表现为升高趋势，这可能是由于水分不足会影响作物生长，导致作物群体密度低从而减弱植株蒸腾，同时地表覆盖程度降低也会增加土壤蒸发。冬小麦全生育期内E/ETc 为27.3%~46.4%，这高于Zhao等[29]发现的29%，但Sun等[30]在冬小麦的研究中发现，在不遭受水分胁迫时，E/ETc 为30%~35%，在遭受高度水分胁迫时，E/ETc 升高至38%~56%；夏玉米全生育期E/ETc 为29.3%~44.2%，与前人的研究结论相似[27, 31]。在冬小麦和夏玉米生长初期，由于植株矮小，覆盖度低，土壤蒸发占比很大，约80%以上的土壤水分以蒸发的形式消耗，至中期叶面积指数达到最大，土壤裸露最小，此时土壤蒸发仅占6.2%~13.4%、4.0%~7.6%，这和kang等[32]在冬小麦和夏玉米的研究中发现初期蒸发占比为90.25%和78.38%、中期为10.18%和10.05%的结论相似。

4 结 论

（1）双作物系数法模拟晋南地区冬小麦-夏玉米轮作系统蒸散具有较高精度，R 2为0.80~0.86，RMSE为0.50~0.60 mm/d，MAE为0.40~0.49 mm/d，可为晋南地区冬小麦-夏玉米轮作系统作物需水量计算提供参考。
（2）晋南地区冬小麦-夏玉米轮作系统不同作物初期、发育期、中期和后期的平均基础作物系数（Kcb ），冬小麦为0.20、0.59、0.98和0.15，夏玉米为0.14、0.69、1.24和0.56；平均土壤蒸发系数（Ke ），冬小麦为1.24、0.63、0.07、0.42，夏玉米为0.78、0.45、0.06、0.46。
（3）冬小麦全生育期ETc 为264.18~526.22 mm，夏玉米全生育期ETc 为261.76~519.67 mm；发育期蒸散量在全生育期占比最大，冬小麦为31%~51%，夏玉米为34%~58%；随着灌水次数的减少，冬小麦、夏玉米蒸散量和蒸腾量均降低，土壤蒸发量在灌水最少时也达到最低，且E/ETc 随灌水次数的减少而逐渐升高，冬小麦全生育期E/ETc 为27.3%~46.4%，夏玉米为29.3%~44.2%；此外，冬小麦和夏玉米生长初期约80%以上土壤水分以蒸发形式消耗，之后逐渐降低，到中期土壤蒸发占比最小，冬小麦为6.1%~13.4%，夏玉米为4%~7.6%，在生长后期有所升高。

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