2009–2016 年中國農業大學石羊河實驗站玉米日耗水量數據集

馬一寧，丁日升，佟玲*，康紹忠，李思恩，杜太生

1.中國農業大學，中國農業水問題研究中心，北京 100083

2.甘肅武威綠洲農業高效用水國家野外科學觀測研究站，甘肅武威 733009

引 言

水資源短缺已經成為制約糧食生產的主要障礙[1-3]，農業灌溉約占總用水量的70%，但有約99%的農田用水通過蒸發蒸騰損失[4-5]。蒸發蒸騰機制在作物生長發育中發揮著水分供應通路并為之提供動能的重要作用，不僅決定著農田邊界層的狀況，也直接關乎區域農作物產量[6-8]。諸多學者針對計算作物耗水量即農田實際蒸散量開展了很多研究。目前確定作物耗水量的主要方法有：土壤水量平衡法[9]、空氣動力學法[10-11]、蒸滲儀法[12-14]、遙感法[15-16]、波文比能量平衡法[17]和渦度相關法[18-19]等。各種方法各有利弊，其中蒸滲儀法（Lysimeter）應用較為廣泛。蒸滲儀法在使用時將裝有土體和植被的容器沒于自然土壤中，通過對土體水分進行調控來模擬蒸散過程[20-22]，可分為稱重式和非稱重式兩種。非稱重式蒸滲儀通過控制地下水位測定補償水量，安裝簡便，價格相對較低。稱重式蒸滲儀通過在特別設計的鋼結構容器內承裝土體，進而對土體的總重量，以及其上種植的相關作物進行稱重測量。按結構可分為液壓式、機械式、電子稱重式等，能夠獲得更加準確的短期蒸散量數據，但造價相對較高。

目前已發表的蒸滲儀監測數據集主要有兩個特點：一是使用小型蒸滲儀獲取樣地蒸發蒸騰量數據[23-26]，二是提供的數據周期相對較短，多為一年數據[27-29]。而對于田間作物，其耗水規律的研究往往需要多年的數據支撐。逐日的耗水量數據對了解玉米耗水量規律至關重要，可為科學合理地制定灌水定額，提高用水效率提供一定的數據支持。

本數據集提供了中國農業大學石羊河實驗站內大型稱重式蒸滲儀實測的耗水量、灌溉量和降水量數據，時間分辨率為日尺度，種植作物為玉米，灌溉方式為畦灌，數據范圍為2009–2016 年。經過數據處理、質量控制和評估，以日為尺度公開。本文詳細介紹數據采集和處理方法，以便于用戶更好地使用本數據集，以期為區域農業水資源高效利用提供依據。

1 數據采集和處理方法

1.1 研究區及試驗布置

實驗于2009–2016 年在中國農業大學石羊河實驗站的覆膜玉米試驗田進行。實驗站位于中國甘肅省武威市涼州區（37°52′20″N，102°50′50″E），地處騰格里沙漠邊緣。該地區深居大陸腹地，屬于典型的內陸干旱荒漠氣候，光熱資源非常豐富，全年日照時數達3000 h 以上，無霜期150 d 以上，年均總積溫3550 ℃（0 ℃為基準溫度），年均氣溫8 ℃，年均風速1.3 m/s。降水量164 mm，水面蒸發量約2000 mm，地下水位低于25 m。土壤質地以砂壤土為主。

實驗測量在玉米測坑中進行，灌溉方式為畦灌，圖1 為玉米測驗地。站內大型稱重式蒸滲儀安裝在距離玉米試驗田40 m 處東向。蒸滲儀內的土壤為回填壤土，0～2.0 m 深度的平均容重為1.45 g/cm3，田間持水量為0.36 m3/m3，凋萎點含水量為0.16 cm3/cm3。

圖1 玉米試驗地Figure 1 Maize trial plot

1.2 數據來源

本數據集為中國農業大學石羊河實驗站內大型稱重式蒸滲儀實測的玉米耗水量數據，時間分辨率為日尺度，灌溉方式為畦灌，數據范圍為2009 年4 月22 日至2016 年7 月20 日。站內工作人員嚴格依據數據處理規范和標準，對數據進行處理分析和質量審核，最終形成符合觀測規范的文件。

1.3 觀測儀器設施

用高精度的大型稱重式蒸滲儀測定玉米的每日耗水量情況。高精度大型稱重式蒸滲儀由西安碧水環境新技術有限公司研制，型號為BSI-L08W。圖2 為大型稱重式蒸滲儀地上和地下結構示意圖，蒸滲儀箱體為立方體，規格為2.0 m×2.0 m×2.3 m，箱底至以上0.3 m 為反濾層。箱體鐵板高出土柱表面0.12 m，箱內土面與箱外地面齊平。蒸滲儀通過杠桿平衡原理經過4 次轉換后利用高精度天平稱量重量變化，精度可達到0.2 kg（0.04 mm）。蒸滲儀土壤在周邊分層取土，過5.0 mm 篩子后按0.1 m 分層回填，距離地面0～0.8 m 深度土壤容重為1.4 g/cm3，1.2～2.0 m 深度土壤容重為1.5 g/cm3。

圖2 大型稱重式蒸滲儀數據顯示屏(a)和地下結構示意圖(b)Figure 2 Data display (a) and schematic diagram of the underground structure (b) of the weighting lysimeter

蒸滲儀主要由4 部分組成：主體、稱重、排水、數據采集系統。主體系統指裝有非飽和土柱的箱體，被底座支撐。稱重系統將箱體（土箱和土體等）經過4 次杠桿平衡轉換后用德國Sartorius 電子天平稱量，精度0.1 g。通過增減砝碼使得天平保持平衡，直接測量土體水重的變化量。排水系統由主體系統底部開設的排水小口以及接水容器組成，在排水口安裝傳感器實時監測排水量，精度為50 mm。數據采集控制系統由工業計算機和采集軟件組成。

1.4 數據采集

蒸滲儀每小時采集一次數據。在每次開始采集數據的前兩分鐘進行預采集，控制中心向稱重系統發出稱重信號，隨即稱重系統開始工作。以一小時內前后的差值作為該時段蒸滲儀測得的土體水量的變化量。通過儀器內部換算，系統自動保存所測得數據，圖3 為儀器數據輸出界面。

圖3 儀器數據輸出界面Figure 3 Instrument data output interface

在獲取蒸滲儀所測數據后，由小時尺度數據累加獲得日尺度數據。通過結合當日內的降水量和灌溉量以獲取最終玉米試驗田的耗水量數據。降水量由站內氣象站測得，灌溉量由水表記錄。通過同一時間段內的降水量、灌溉量和蒸滲儀實測數據可得到該時段的玉米耗水量數據（公式1）。

式中，E為玉米日耗水量（mm）；Ei′為第i小時的蒸滲儀觀測值（mm），i為一日內24 小時（i=1,2, 3,…, 24）；P為降水量（mm）；I為灌溉量（mm）。

2 數據樣本描述

通過對數據進行整理分析形成本數據集，命名為：2009–2016 年中國農業大學石羊河實驗站玉米日耗水量數據集.xlsx。內含1 個數據表，命名為“蒸滲儀”，由4 列（即：測定日期、玉米日耗水量E、灌溉量I和降水量P）、共1323 行組成（表1）。

表1 數據樣本展示Table 1 Sample data

“蒸滲儀”監測時間為2009 年4 月22 日至2016 年7 月20 日，具體監測年份及監測起始終止日期見表2。數據集的種植作物為玉米，灌溉方式為畦灌。

表2 大型稱重式蒸滲儀監測時間Table 2 Monitoring dates for the weighting lysimeter

3 數據質量控制和評估

影響蒸滲儀測定值的因素包括安裝位置、種植密度、作物長勢、葉面積等，因此有必要對蒸滲儀測定的蒸散量進行數據可靠性分析。已有研究對試驗站內大型稱重式蒸滲儀監測數據的可靠性進行分析，結果表明該蒸滲儀測定結果具有一定的可靠性[30-32]。

受不可控制因素影響，本數據集存在少量的數據缺失情況。當小時數據缺失，根據參考作物蒸發蒸騰量（ET0）和作物系數（Kc）計算得到當日作物蒸發蒸騰量（ETc）（公式2 和公式3）[33]，同時結合缺失數據前后ETc的變化趨勢進行插補。

式中，ETc為當日作物蒸發蒸騰量（mm·d-1）；Kc為作物系數；ET0為參考作物蒸發蒸騰量（mm·d-1）；T 為2 m 處的日平均氣溫（℃）；u2為冠層上方2 m 處的風速（m·s-1）；Δ 為飽和水汽壓與溫度關系曲線的斜率（kPa/℃）；Rn為太陽凈輻射（MJ·m-2·d-1）；G 為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實際水汽壓（kPa）；es-ea為飽和水汽壓差（kPa）；γ為濕度計常數（kPa/℃）。

玉米生育前期、中期和后期的Kc參考FAO-56 提供的作物系數參考值[33]。

除此之外，試驗站內相關研究員進行了數據觀測和采集的專業培訓，可以有效依據各標準規范，并結野外實際情況，嚴格參照儀器操作、數據采集等標準流程和規范進行實際操作。試驗站內相關儀器設施均會定期進行檢查與維護，以保證儀器設備的正常運行和測定結果的可用性與準確性。

4 數據價值

蒸滲儀作為測定農田蒸騰蒸發的標準儀器，在農田水文研究上已應用百余年[34]。目前，蒸滲儀在農田水文上的應用主要有3 個方面[35-37]：（1）測定作物蒸騰量，以研究作物耗水規律；（2）測定土壤水向下的滲漏量，以研究土壤水量平衡和地下水補給情況；（3）通過連接傳感器或與其他儀器一起使用，測定土壤水中各化學成分的含量，以研究化肥、農藥或重金屬等物質對土壤水和地下水的影響。大型稱重式蒸滲儀可以在一定程度上消除尺度影響與邊界效應；同時，能測定一段時間內的作物蒸騰蒸發量，在提高測定精度上更具優勢。因此，其獲得的數據在農田水文領域具有較高的研究價值。而以往所公開發表的農田蒸發蒸騰量時間序列相對較短，缺乏長期觀測數據[23-29]?；诖?，本數據集提供了中國農業大學石羊河實驗站2009–2016 年玉米逐日耗水量，并上傳了同期的灌溉量和降水量數據。以期為西北旱區玉米需水規律探索提供參考，同時為水資源的合理配置和發展高效節水農業提供可靠的數據支持。

5 數據使用方法和建議

本數據集提供了2009–2016 年中國農業大學石羊河實驗站玉米日耗水量數據集，可作為探索農田系統作物耗水量變化，了解作物需水及耗水規律的基礎數據。數據格式為.xlsx，可使用EXCEL 或者WPS 打開使用。

為尊重知識產權、保障數據作者和數據服務提供者的權益，請數據使用者在基于本數據所產生的研究成果中明確標注數據作者和數據來源，同時將可公開成果電子版發送至電子郵箱tongling2001@cau.edu.cn，請將郵件標題設為“中國科學數據發表成果”。

數據作者分工職責

馬一寧（1996—），女，吉林省長春人，博士研究生，研究方向為農業節水與水資源可持續利用。主要承擔工作：觀測系統的長期連續運行、數據質量控制與整合。

丁日升（1979—），男，內蒙古察右后旗人，博士，教授，研究方向農田水熱傳輸機理與作物耗水監測與模擬。主要承擔工作：野外觀測數據的采集，儀器標定、校正。

佟玲（1979—），女，遼寧省大石橋人，博士，教授，研究方向為農業節水與水資源可持續利用。主要承擔工作：數據處理與質量控制。

康紹忠（1962—），男，湖南省桃源人，博士，教授，研究方向為農業高效用水與水資源研究。主要承擔工作：觀測系統的總體運行和數據集的整體架構。

李思恩（1982—），男，湖北省荊州人，博士，教授，研究方向為灌溉排水新技術與理論。主要承擔工作：數據處理與分析。

杜太生（1975—），男，山東省東阿人，博士，教授，研究方向為農業節水和水資源高效利用研究。主要承擔工作：野外觀測方法與技術指導。