干旱区膜下滴灌向日葵农田蒸散发特征*

张振宇, 刘丽娟, 李小玉**

干旱区膜下滴灌向日葵农田蒸散发特征*

张振宇1,2,3, 刘丽娟1,2, 李小玉1,2**

(1. 浙江农林大学林业与生物技术学院 杭州 311300; 2. 中国科学院新疆生态与地理研究所 乌鲁木齐 830011;3. 中国科学院大学 北京 100049)

膜下滴灌是中国西北干旱区农业的新兴节水灌溉模式, 定量分析膜下滴灌农田蒸散发特征并对比分析其与普通灌溉农田蒸散发的差异, 对认识和优化干旱区节水滴灌技术有重要意义。本文以新疆天山北坡三工河流域绿洲向日葵农田为研究对象, 基于2016年作物生育期观测数据, 利用波文比-能量平衡法、地理探测器及通径分析方法对作物不同生育期农田蒸散发特征进行了定量分析, 并与普通灌溉农田进行了比较。结果表明: 1)膜下滴灌农田日均蒸散量在作物开花期最高, 成熟期次之, 苗期最小; 随着作物的生长发育, 净辐射通量与日蒸散发的相关性逐渐降低; 日均蒸散量在各阶段的变化特征与普通灌溉相同, 但每个阶段的日均蒸散量均小于普通灌溉农田。2)膜下滴灌农田日内净辐射通量在开花期最高, 成熟期次之, 苗期最小; 日内湍流通量方面, 苗期潜热通量与显热通量相当, 开花期潜热通量明显高于显热通量, 而成熟期潜热通量小于显热通量; 而普通灌溉农田在3个时期的潜热通量均高于显热通量。3)温度、湿度与风速是影响膜下滴灌向日葵农田蒸散发的主导因子, 湿度的下限决定了蒸散发下限, 风速与气温的上限决定了蒸散发的上限; 风向对蒸散发的作用不明显。膜下滴灌向日葵农田具有独特蒸散发特征, 与普通灌溉农田相比, 全生育期节水量超过300 mm。

干旱区; 向日葵农田; 膜下滴灌; 蒸散发; 波文比能量平衡; 通径分析

蒸散发作为陆表能量循环及水循环的重要一环, 对全球水资源的分配及气候变化产生了巨大作用[1-3]。干旱区占据着全球陆地面积26%以上区域[4], 是全球生态系统的重要组成部分。近年来, 干旱区蒸散发研究也逐渐成为热点。干旱区由于水资源的相对匮乏, 农业灌溉多采用节水灌溉, 而节水灌溉势必会改变农田的蒸散发过程, 进一步对局地生态环境造成影响。因此研究干旱区节水灌溉农田的蒸散发过程对理解干旱区水循环过程和优化水资源配置有着重要意义[5-6]。

目前对地表蒸散发的测量方法主要有: 涡度相关法[7]、波文比能量平衡法[8]、大孔径激光闪烁仪法等[9-10]。波文比能量平衡法因其操作简单、精度较高等特点在田块等小尺度蒸散发测量上得到了广泛应用[11-13]。近年来国际上利用波文比能量平衡法对农田蒸散发进行了大量的研究[14-15], 该法在国内也得到了较多应用。沈彦俊等[16]利用波文比能量平衡法对太行山平原冬小麦()农田蒸散进行了测量, 分析了冬小麦农田能量平衡和能量分配的变化特征及影响因素。吴锦奎等[17]采用波文比能量平衡法对干旱区内陆河低湿草地的蒸散进行了有效估算, 阐明了低湿草地蒸散特征。戚培同等[18]利用波文比系统对青藏高原草甸生态系统蒸散发进行了测定并与其他蒸散发测量方法进行了比较, 结果表明波文比观测结果与其他方法测量结果相关性良好。李玉霖等[19]采用波文比能量平衡法分析了科尔沁沙地玉米()农田蒸散发特征, 结果表明波文比能量平衡法可以较准确地估算玉米农田晴天时的蒸散量。张永强等[20]利用波文比系统对华北平原冬小麦农田蒸散发特征进行了讨论并对比分析了不同作物通量特征随时间的变化, 结果表明净辐射通量主要用于作物潜热消耗。以上研究均基于波文比能量平衡法对不同气候条件下的农田蒸散发特征进行分析, 部分研究还讨论了蒸散发与气象因子间的关系, 这些应用充分肯定了波文比能量平衡法在地表蒸散研究中的有效性。

然而针对膜下滴灌农田的蒸散发研究目前仍较少, 如Ding等[21]对中国黄土高原地区不同覆膜处理下农田蒸散发进行了探究, 结果表明膜下滴灌有效减少了土壤蒸发并极大地促进了作物蒸腾。林涛等[22]探究了膜下滴灌频率对南疆棉(spp.)田蒸散发及水分利用效率的影响, 认为高频灌溉能降低农田无效耗水, 提升水分利用效率。Shukla等[23]利用蒸渗仪对不同季节美国佛罗里达膜下滴灌甜椒(var.)农田蒸散发进行建模与比较, 结果表明春季农田蒸散总量显著高于秋季。已有的研究更多地侧重于作物不同生长阶段蒸散发的变化特征, 但是对膜下滴灌农田的日内通量变化特征分析不够深入; 同时, 针对气象因子对蒸散发的影响分析没有考虑气象因子间是否存在交互作用[24]。因此本文以新疆三工河流域膜下滴灌农田为研究对象, 利用波文比系统对农田蒸散发特征及通量变化进行研究, 并基于通径分析讨论气象因子的交互作用对蒸散发的影响, 为认识干旱区节水灌溉农田蒸散发特征和农田水资源的合理配置提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

以位于新疆天山北坡的三工河流域绿洲为研究区, 区域气候类型为温带大陆性气候, 年平均气温为6.9 ℃, 年日照时数大于2 600 h, 日照充足; 春夏多雨, 自南向北降水量递减, 多年平均降水234.5 mm。境内分布有三工河、四工河和水磨河3条河流, 水资源主要源于天山冰川及积雪融水。观测站位于流域绿洲农田内部(44.36°N, 87.87°E, 海拔457 m), 作物种植类型为向日葵(), 作物长势均匀, 是流域内主要经济作物之一, 农田灌溉方式为膜下滴灌。

1.2 数据来源

主要数据来源于观测点架设的波文比自动观测系统(型号为HTWS07), 观测项目包括风速、风向、温度、湿度、净辐射通量、土壤热通量、降水量等, 主要观测仪器信息见表1。观测时段为2016年4—10月, 相关研究表明[25], 新疆北部向日葵生育期为4—9月, 观测时段能够覆盖作物生育期, 观测期内降水量变化见图1。

表1 主要观测仪器信息

图1 2016年观测期内站点降水量变化

1.3 波文比能量平衡法

波文比能量平衡法基于波文比()[26]和能量平衡方程, 大量研究证明该法是一种有效且精度较高的蒸散量测定方法[27-29]:

式中:为净辐射通量(W×m-2),为潜热通量(W×m-2),为水的汽化潜热系数(J×kg-1),为蒸散量(kg×m-1×s-1),为显热通量(W×m-2),为土壤热通量(W×m-2)。

式中:a为空气密度(kg×m-2);p为空气定压比热(kJ×kg-1×℃-1);为水的汽化潜热系数(J×kg-1);h为热量的湍流交换系数;w为水汽的湍流交换系数, 根据相似理论, 实际计算中通常认为h=w[30];为观测高度间的位温差;为观测高度间的湿度差;为观测高度差(m)。

由上面两式可得到瞬时蒸散量():

在实际的变电运维过程中，其复杂性特点决定了设备发生故障和事故的频繁性，从而导致了需要经常对设备进行检修，也即其频繁性。

式中:b为第次测量的瞬时波文比,为波文比观测时间长度。本研究中使用的波文比自动观测系统记录间隔时间段长度为1 h, 因此通过逐小时蒸散量累加得到日蒸散量。另外对波文比系统观测异常值, 使用该值对应前后两天正常数据求平均进行处理。

1.4 地理探测器

地理探测器是一种基于空间分异性, 探究因变量背后驱动因子的一种统计学方法[32-34]。地理探测器主要有4个部分组成: 因子探测器、风险探测器、生态探测器和交互作用探测器。因子探测器用于表达某种因子对因变量的解释力, 交互作用探测器用来识别两种因子共同作用时是否会增加对因变量的解释力, 抑或是两种因子相互独立。传统的地理探测器主要探测空间数据因子对因变量的影响及互作用, 长时间序列站点观测数据由于时间的重现性使其成为“类空间数据”(图2), 因此本研究通过地理探测器相关模块探究不同气象因子对蒸散发的解释力及气象因子间是否存在交互作用。地理探测器软件及操作说明来源于www.geodetector.org。

图2 “类空间数据”示意图(横轴代表日内时间变化, 以小时计,0:00—24:00;纵轴代表观测日数, 以d计, 0—365/366儒略日; 每个格代表某一天某时段的测量数据, 每个测量数据包含多个测量指标, 从而构成了多层测量数据)

1.5 通径分析

气象因子的变化可能会直接导致地表蒸散发的变化, 同时多种气象因子间也可能互相产生作用, 从而间接的影响蒸散发。因此传统的相关分析无法满足复杂系统的变量分析需求, 而通径分析则是一种满足复杂系统的多元统计方法, 它通过定量描述多重自变量对因变量的直接、间接作用, 从而精确反映变量对因变量的影响程度。

设对因变量有个自变量, 任意2个自变量的相关系数为r, 则自变量x对因变量的影响程度为:

式中:P为自变量x对因变量的直接通径系数,P为自变量x外的其他自变量x对因变量的通径系数。

2 结果与分析

2.1 向日葵生育期蒸散量及各通量变化

2.2 生育期不同阶段日内辐射通量和热通量变化

图3 膜下滴灌向日葵农田不同生育期日蒸散量及各通量变化

图4 膜下滴灌向日葵农田不同生育期日蒸散量(ET)与净辐射通量(R)拟合结果

Fig. 4 Fitting results of daily evapotranspiration (ET) and net radiant flux (R) of sunflower field at different growth stages under mulched drip-irrigation

图5 膜下滴灌向日葵农田不同生育期日内净辐射通量(R)、土壤热通量(G)、显热通量(H)及潜热通量(λE)变化

2.3 气象因子对蒸散发的贡献

选取每小时风速、风向、最低温度、最低湿度、最高温度、最高湿度作为自变量, 以每小时蒸散量作为因变量进行探测分析。因子探测结果表明(表2), 各气象因子对蒸散发的解释程度整体超过50%, 其中湿度因子对蒸散发的解释程度最高(最高湿度: 0.72; 最低湿度: 0.64), 温度因子解释程度次之(最高温度: 0.54; 最低温度: 0.56), 风速因子最低。各因子间相互作用结果显示, 任意两两不同气象因子的相互作用均大于两者中最大值, 这说明任意两两因子相互作用对蒸散发的解释程度有促进作用, 从而表明这6个气象因子对蒸散发产生直接作用的同时, 通过相互作用间接地影响蒸散发。各因子对蒸散发影响差异结果显示, 风速对蒸散发的影响与其他因子均不一致, 这说明风速可能是影响其他因子的重要因素, 风向对蒸散发的影响与最低湿度、最高湿度不同, 与温度因子一致, 这说明风向对温度和湿度因子的作用可能相反。

根据交互作用探测器结果(表3), 选取风速、风向等6个气象因子数据作为自变量, 每小时蒸散量作为因变量, 进行通径分析。结果表明(表4), 在变量对蒸散发的直接作用上, 风速、最高温度和最高湿度对蒸散发起到正向作用, 而风向、最低温度和最低湿度对蒸散发起到了负向作用, 同时在作用程度上, 气温和湿度影响占据绝对主导。间接作用方面, 温度与湿度因子受其他变量的影响较大, 其中其他变量对最低温度、最低湿度起正向作用, 对最高温度、最高湿度起反作用。总贡献方面, 风向、最低湿度和最高湿度对蒸散发起反作用, 风速、最低温度和最高温度对蒸散发起正向作用, 总贡献强度上, 最低温度(0.24)>最高温度(0.21)>风速(0.19)=最低湿度(|-0.19|)>最高湿度(|-0.17|)>风向(|-0.04|), 温度、湿度和风速是影响蒸散发的主要因子, 同时温度和风速决定了蒸散发的上限, 湿度决定了蒸散发的下限。

3 讨论

3.1 膜下滴灌农田日通量变化成因

膜下滴灌向日葵农田蒸散量与通量变化上, 日蒸散量与净辐射通量变化一致, 开花期最大, 成熟期次之, 苗期最小, 净辐射通量是蒸散发的主要能量来源[41-42]; 土壤热通量上表现为开花期最大, 苗期次之, 成熟期最小。开花期所处的夏季是太阳辐射最强烈的时期, 气温也达到全年最高水平(图6), 作物处于快速发育阶段, 呼吸作用开始加强, 同时,覆膜良好的保温性使土壤温度维持在较高水平[43], 多种因素使得开花期土壤热通量达到了最大; 成熟期由于向日葵叶片密度达到最大, 阻碍了太阳辐射能量进入土壤, 使得土壤热通量最小。显热通量苗期最小, 开花期次之, 成熟期最大。苗期作物叶片未发育完全, 较弱的呼吸作用不足以产生较大的显热通量, 进入成熟期后作物叶片发育完全, 叶片密度达到最大, 强烈的呼吸作用使得显热通量达到最大值。

3.2 膜下滴灌与普通灌溉模式下农田蒸散研究结果的对比

考虑到研究对象(膜下滴灌向日葵农田)的特殊性, 研究统计了国内外普通灌溉向日葵农田的蒸散研究结果(表5)。结果表明, 不同地区的普通滴灌向日葵农田在各阶段的蒸散量变化特征均与本研究相同: 苗期蒸散量最小, 成熟期次之, 成长期最大。同时, 上述各阶段农田蒸散量与本研究比较结果显示: 3个阶段下普通灌溉向日葵农田日均蒸散量均高于本研究结果, 苗期略高0.1~0.6 mm∙d-1, 差异较小; 成熟期约高0.9 mm∙d-1, 差异次之; 成长期高约1.0~3.7 mm∙d-1, 差异最大, 膜下滴灌的主要节水阶段在作物成长期。由于用作对比的研究涵盖了干旱区与湿润地区, 因此结果从侧面表明膜下滴灌农田能够极大地减少蒸散量, 达到节水的目的, 在整个作物周期中, 节水量可达300 mm。

表2 各气象因子对膜下滴灌向日葵田蒸散发的解释贡献

值代表自变量解释了×100%的因变量。represents the explanatory power of independent variableto dependent variablewhich explains the dependent variableof× 100%.

表3 各气象因子间交互作用对膜下滴灌向日葵田蒸散发的解释贡献及各因子对蒸散发的影响差异

Y表示两个因子对因变量的影响具有明显差异, N表示两个因子对因变量的影响没有明显差异。“Y” means obvious differences in effects between two factors, “N” means no significant difference in effects between two factors.

表4 逐小时尺度气象因子与膜下滴灌向日葵田蒸散量通径分析结果

图6 膜下滴灌向日葵生育期内农田日均温变化及各生育期的平均气温

表5 部分普通灌溉向日葵农田蒸散研究结果

3.3 不同灌溉模式下农田日内通量变化比较

膜下滴灌向日葵农田不同生育期日内通量变化方面, 除土壤热通量外, 其他通量从9:00开始由负转正, 至21:00由正转负, 土壤热通量相较于其他通量在日内变化上有明显的时滞, 由负转正时间滞后1~2 h, 深层土壤向土壤表层的热传递过程是导致土壤热通量相较于其他通量在日变化上出现时滞的主要原因[47]。潜热通量和显热通量占据了净辐射通量的主要部分, 土壤热通量在不同时期日内峰值变化不大。潜热通量与显热通量在苗期基本相等, 开花期由于作物蒸腾作用加强使得潜热通量显著高于显热通量, 作物进入成熟期后, 干旱胁迫程度增强使得显热通量明显高于潜热通量。研究区膜下滴灌农田日内通量变化结果与普通灌溉农田研究结果有所不同, 郭家选等[48]和袁再健等[49]分别于2001年和2005年在华北平原进行了普通灌溉模式下冬小麦田的蒸散试验及通量测定, 结果表明, 无论在作物的苗期、开花期还是成熟期, 冬小麦田日内潜热通量均高于显热通量, 通量峰值差为50~400 W×m-2, 差异明显。本研究中, 除作物成长期外, 作物苗期和成熟期日内潜热通量与显热通量变化特征与普通灌溉农田均存在较大差异: 作物苗期期间, 膜下滴灌农田日内潜热通量与显热通量相当, 两者在日内变化上呈现交替上升和交叉现象, 进入作物成熟期后,膜下滴灌农田日内显热通量则高于潜热通量(图5), 通量峰值差约50 W×m-2, 该结果与普通灌溉农田相反, 表明膜下滴灌在作物成熟期对潜热通量存在限制作用, 从而阻止了此阶段水分的不必要蒸发。

4 结论

研究利用2016年膜下滴灌向日葵农田观测数据, 探讨了作物不同阶段农田蒸散发及地表通量的变化特征, 并比较了其与普通灌溉农田蒸散结果上的差异, 同时, 基于地理探测器和通径分析方法实现了各气象因子对农田蒸散发的直接和间接作用定量分析, 得出结论如下:

1)不同阶段膜下滴灌向日葵农田蒸散发变化特征与普通灌溉农田一致, 开花期日均蒸散量最大, 成熟期次之, 苗期最小; 同时, 普通灌溉农田在各阶段的日均蒸散水平均高于膜下滴灌农田。

2)日内通量变化方面, 成长期膜下滴灌农田各通量变化特征与普通灌溉农田一致; 苗期日内显热通量与潜热通量相当, 成熟期日内显热通量均显著高于潜热通量, 该结果与普通灌溉农田存在较大差异。

3)各气象因子对蒸散发的作用方面, 温度、湿度与风速是影响干旱区膜下滴灌农田蒸散的主要因素, 风向的作用不明显。

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Evapotranspiration characteristics of mulched drip-irrigated sunflower farmland in arid region*

ZHANG Zhenyu1,2,3, LIU Lijuan1,2, LI Xiaoyu1,2**

(1. School of Forestry and Biotechnology, Zhejiang A&F University, Hangzhou 311300, China; 2. Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Mulched drip-irrigation is a burgeoning water-saving irrigation mode in the arid region of Northwest China. It is of great significance to understand and optimize mulched drip irrigation in arid region by analyzing the characteristics of evapotranspiration in mulched drip-irrigated farmland and comparing it with ordinarily irrigated farmland. Using the oasis sunflower farmland in the Sangong River basin on the northern slope of the Tianshan Mountain in Xinjiang as the study area, the farmland evapotranspiration characteristics during the sunflower growth period in 2016 were analyzed using the Bowen ratio-energy balance method, geographical detector, and path analysis method. Furthermore, these characteristics were compared to those of ordinarily irrigated farmlands. The results showed that: 1) for mulched drip-irrigated farmland, the average daily evapotranspiration was highest at the flowering stage, followed by the maturity stage, and lowest in the seedling stage. With the growth of crops, the correlation between net radiative flux and daily evapotranspiration gradually decreased. The change trends of average daily evapotranspiration were the same as those of ordinarily irrigated farmland, whereas the average daily evapotranspiration of mulched drip-irrigated farmland was lower than that of ordinarily irrigated farmland at each stage. 2) Regarding the intraday flux in mulched drip-irrigated farmland, the net radiative flux peak was highest at the flowering stage, followed by that at the mature stage, and the minimum appeared at the seedling stage. In terms of turbulent flux, the latent heat flux was equivalent to the sensible heat flux at the seedling stage. Post the flowering period, the latent heat flux was significantly higher than the sensible heat flux, and this characteristic was the opposite at the mature stage. For the ordinarily irrigated farmland, the latent heat flux was higher than the sensible heat flux in all three crop growth stages. 3) The relationship between evapotranspiration and meteorological factors calculated by path analysis showed that temperature, humidity, and wind speed were the dominant factors influencing evapotranspiration. The lower limit of humidity determined the minimum evapotranspiration. The upper limit of wind speed and temperature determined the maximum evapotranspiration. The influence of wind direction was not significant on evapotranspiration. Sunflower farmland using mulched drip-irrigation has unique evapotranspiration features compared with ordinarily irrigated farmland, the amount of water saving exceeds 300 mm during the entire growth period.

Arid region; Sunflower farmland; Mulched drip-irrigation; Evapotranspiration; Bowen ratio energy balance method; Path analysis

S641.1

2096-6237(2019)08-1195-10

10.13930/j.cnki.cjea.190151

* 国家自然科学基金项目(31470708, U1503182, 41271202)资助

李小玉, 主要研究方向为景观生态学。E-mail: lixy76@163.com

张振宇, 主要研究方向为干旱区农业水文环境。E-mail: zhangzhenyu162@mails.ucas.ac.cn

2019-02-28

2019-04-23

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31470708, U1503182 and 41271202).

, E-mail: lixy76@163.com

Feb. 28, 2019;

Apr. 23, 2019

张振宇, 刘丽娟, 李小玉. 干旱区膜下滴灌向日葵农田蒸散发特征[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(8): 1195-1204

ZHANG Z Y, LIU L J, LI X Y. Evapotranspiration characteristics of mulched drip-irrigated sunflower farmland in arid region[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(8): 1195-1204