棉田蒸散发的研究进展

程珍 牛建龙

(塔里木大学农学院，新疆 阿拉尔 843300)

引言

农田蒸散发主要包括棵间土壤蒸发和植物蒸腾2部分，是农田水分循环和能量循环的重要组成部分，也是土壤—植物—大气连续体(SPAC)中水分循环的重要环节[1]。IPCC第五次报告指出，与1986—2005年相比，2016—2035年全球平均气温可能升高0.3～0.7℃，2081—2100年可能上升0.3～4.8℃[2]，导致全球极端天气事件频发，对生态环境的改善和社会经济健康发展产生严重影响。据估算，全球范围内每年约超60%的大气降水通过蒸散发作用返回到大气中，干旱地区降水通过蒸散发返回大气中的比例可高达90%[3]。有研究可知，每年农田蒸散发约超50%的水分是通过蒸散的方式消耗，植物蒸腾耗水量约占总蒸散发的60%～90%[4]。因此，在气候环境变化下，对田间蒸散的研究，可以更好地对田间进行精准灌溉，实现棉花产业高质量发展。

目前，新疆是我国最重要的棉花生产区，2021年种植面积高达250.61万hm2，占全国种植总面积的82.8%，棉花产量约占全国产量的85%，约占全球棉花产量的20%[5]。新疆属于水资源匮乏地区，在农业种植过程中，水资源消耗问题严重。通过对棉田蒸散发的实测和估算，可以促进水资源利用合理化和节约化。

因此，在全球变暖背景下，系统综述棉田蒸散发动态变化、影响机制及关键驱动、估算与验证意义重大，可为区域农田水资源高效利用和积极应对气候变化提供科学理论依据。

1 棉田蒸散发的动态变化研究

较国外研究而言，国内学者对蒸散发的研究相对较为滞后，开始于20世纪50年代。目前，国内外学者对蒸散发动态变化多从区域尺度研究，多集中于降水量较多的地区，在作物蒸散发的动态变化研究上，多集中于玉米、小麦等作物，对棉田蒸散发动态变化的研究主要集中在全国和新疆北部地区[6]。

1.1 作物在不同生育时期对水分吸收和蒸腾有所不同

在播种-出苗期阶段，棉田的叶面积指数几乎没有，播种-出苗期的蒸散可以忽略不计。苗期，作物开始缓慢生长，作物的叶面积指数较小，作物蒸腾逐渐开始。蕾期，棉花根系和植物地上部分在快速生长，在此过程中，根系快速吸收土壤水分，叶面积指数也在逐渐增加，作物的蒸腾能力比前期蒸腾速率更快。花铃期是棉田蒸散量最大的生育期，在该时期的叶面积覆盖量较大，叶面蒸散较多。吐絮期，棉花的生理活动减弱，导致蒸腾速率也在减弱，该时期的作物蒸腾量比花铃期弱[9]。研究学者对作物不同生育时期蒸散变化进行分析，马金龙等[10]研究基于乌兰乌苏农业气象站2012年的涡度相关数据，分析作物全生育期田间蒸散动态变化。作物在生长过程中，作物从播种至收获经历不同的季节，气候变化容易对田间蒸散产生影响，作物在不同生育期对水分的吸收存在较大的区别。通过对田间蒸散量的分析可以更好分析作物的不同生育时期蒸散强弱，进而可以更好对田间蒸散进行分析。刘净贤等[8]利用乌兰乌苏农业气象试验站2009年6月—2010年6月的涡度相关资料，分析新疆北部膜下滴灌棉田不同生育期的蒸散变化特征及蒸散量。

1.2 田间月份的蒸散变化

作物生长季节主要在5—10月左右，分析田间蒸散量的逐月分布，可以为没有生育期资源地区提供参考价值。田间蒸散在一年不同月份中，蒸散强度不一。结合气候环境的变化和作物的生长周期，观测田间不同月份的蒸散强弱。6—10月气温较高和作物生长较快的阶段，通过对月份蒸散量的估算，可为田间水资源分配提供合理的安排。范月等[7]对夏玉米不同时间尺度蒸散研究，认为7—9月田间蒸散最高。

1.3 田间逐日蒸散变化

田间蒸散日变化是按小时蒸散量累加得到，通过田间逐日蒸散量可以更好地观测大气环境对作物蒸散的作用。曹兵[11]在新疆乌兰乌苏农业气象试验站利用大型蒸渗仪研究膜下滴灌棉花生长期间逐日蒸散量的变化过程及规律；刘净贤等[8]对新疆北部膜下滴灌棉田蒸散进行研究，认为中午时间段内的田间蒸散量最大。

2 棉田蒸散发的影响因子及关键驱动

棉田蒸散发的大小主要受气象和田间环境等多种因素的影响。棉田蒸散的影响因子主要包括气象因子、土壤因子和作物因子。气象因子主要包括太阳辐射、温度和降雨量等因素。土壤因子对棉田蒸散发的影响主要包括土壤含水量以及土壤是否覆膜等因素。作物因子主要包括作物生长周期对棉田蒸散的影响。

2.1 气象因子

太阳辐射对蒸散具有很强的影响作用。太阳辐射的增强加快地面温度的升高，使得土壤和作物的蒸发速率加快，太阳辐射在不同的季节辐射强度不同，因此在作物不同生育期的影响强度也不同。马金龙等[10]认为，太阳辐射对棉花不同生育阶段都有较大的影响，并且随着太阳辐射的增大蒸散速率在加快。太阳辐射在一年四季中，辐射强度也不同，在夏季辐射强，在冬季以后相对较弱。花圣卓等[12]认为，太阳辐射在不同的季节内地面蒸散量也不同，在夏季太阳辐射是最强的，最弱是在秋季。

温度对蒸散发的影响是多方面的。温度越高，容易影响作物叶片的蒸发速率，有研究表明，温度升高会增加叶内外蒸气压差，使得气体扩散速度增快，蒸发速度也容易增快，12∶00—14∶00是一天内温度最高的时间段，对于田间环境来说是作物蒸腾和土壤蒸发的最大值[12]，由于作物的生理生化系统，当温度过高时，作物为了降低水分的消耗，会形成作物叶片表面气孔的关闭现象，张立峰等[13]认为当空气中的温度升高时，蒸散值也在上升；当温度逐渐上升时，蒸散发会出现下降的趋势，即是“蒸发悖论”现象。

降雨是影响蒸散发的因素之一。对于降雨量较多的南方地区，降雨量过多导致作物出现涝害等灾害，土壤板结等情况，使得蒸散速率在降低。但是对于水分贫瘠的干旱半干旱地区，降雨可以在降雨过程中，增加土壤含水量，促进作物生长。李洋等[14]对农田蒸散发的研究认为降雨对蒸散的影响较为显著。

此外，众多学者研究发现，作物生长的不同时间段、不同的田间环境对影响蒸散发的气象因子不同。李浩然等[15]通过对黑河中游的荒漠绿洲的研究，利用主成分分析方法，温度是影响土壤水分蒸散程度最高，其次是太阳辐射，土壤水分和风速影响程度最小。

2.2 土壤因素

2.2.1 土壤含水量对土壤蒸散的影响较大

土壤含水量的多少及其分布状况是影响作物对水分的吸收和利用，最终影响棉田的蒸散过程。当土壤含水量大于18%时会促进土壤蒸发，而当土壤含水量小于18%时会抑制土壤蒸发[16]。

2.2.2 地膜对田间蒸散的影响

地膜是棉花种植必不可少的材料，并且地膜覆盖种植是当前农业生产在节约用水理念上推行的一项种植模式，地膜覆盖可以起到保温、保熵和增产的作用。在干旱半干旱地区水资源短缺，种植作物过程中如果不使用地膜覆盖，田间的水分蒸散将更快。但残膜对土壤环境影响最为严重。

2.2.3 灌溉是影响棉田蒸散的原因之一

滴灌是棉田节水装置运用最为广泛的，滴灌可以更好地节约水资源，对作物进行缓慢供水。在干旱地区水资源短缺，如使用漫灌的方式易造成水资源浪费。在膜下滴灌过程中，作物的不同生育时期，作物的蒸散量不同。杨劲松等[17]基于室内实验，探讨不同膜下滴灌条件对棉花蒸散量的影响，发现花铃期蒸散量大于蕾期大于苗期和吐絮期。

2.3 作物生长

2.3.1 作物品种更新对蒸散的影响

新品种在种植过程中，通常是以旧品种的种植经验作为新品种的种植参照。目前对于新品种的研发，大多都是在抗旱、抗病等抗性的基础上进行研究。新品种种植技术在推广过程中，农户对新品种的认识以及种植经验等比较缺乏，在对田间供水量及供水时间没有很好管控，田间土壤含水量出现过多或者过少的现象，对田间蒸散产生影响。

2.3.2 作物不同生育时期对蒸散的影响

作物从种植到收获，田间蒸散量是从弱到强再到弱的一个蒸散强度。作物在播种至出苗期，作物的生长较小，蒸散的速率低。作物生长发育期，随着降雨量和灌溉量增加，大气温度在逐渐升高，田间蒸散速率在加快。作物发育后期至收获期，由于气温逐渐降低，作物本身的叶片降落，田间蒸散量在减少。有徳宝等[18]在对玉米不同生育期农田蒸散量的研究中认为，玉米生育的蒸散量，拔节期的蒸散发大于生长末期大于苗期。在作物种植过程中，人类对于田间的管理以及对作物的修理都会对田间的蒸散产生影响。

2.3.3 作物叶面积指数对田间蒸散的影响

在作物生长过程中，作物叶面积指数对作物蒸散发量也存在部分影响。有研究者通过对棉花的叶面积指数的大小来分析对作物蒸散发值。作物苗期才开始有叶面积，并且叶面积处于较小阶段，田间蒸散主要是以土壤蒸散为主。随着作物的不断生长，作物的叶面积在逐渐增多，作物蒸散也在逐渐开始。陈磊等[19]对棉花叶面积对棉田蒸散发的研究认为，棉花苗期时蒸散最小。

3 蒸散发的测定与计算方法

棉田蒸散的测定与计算对田间的水量平衡以及水资源的估算具有重要的意义。目前国内对田间蒸散的测定方法使用较多的主要有涡度相关法、蒸渗仪法。计算方法使用较多的主要有波文比能量平衡法、Penman-Monteith模型。测定方法和计算方法有各自的特点以及在使用过程中对环境的要求。

3.1 测定方法

3.1.1 涡度相关法

涡度相关法是澳大利亚著名科学家Swinbank于1951年提出的用涡度相关法计算大气中热量和水汽的垂直输送通量。原理近地面气层处于大气边界层底层的大约10%的高度范围时，在这个气层中空气的运动符合湍流交换规律[20]。

涡度相关法目前已经是国际上公认标准方法，在观测过程中可以进行长期且连续的工作，并且在时间尺度上可以从秒、分、时、日、月到年的长时间跨度连续测量。由于涡度相关有良好的物理知识，涡度相关在使用过程中不受平流限制，有较高的精度和良好的稳定性，使用灵活，移动性强[21]等特点。但是其安装对地理环境要求较高，需安装在足够平坦均质的下垫面，复杂的下垫面环境容易造成测定误差。

3.1.2 蒸渗仪法

蒸渗仪在19世纪后期用于研究植物水的利用，目前作为农田蒸发蒸腾测定的标准仪器。蒸渗仪法是研究农田蒸散发经济且有效的方法，在研究棉田蒸散发，马瑞莎等[22]利用大型称重式蒸渗仪对棉田凝结水进行实时观测。

蒸渗仪法是根据水量平衡原理用来测量田间水文循环的仪器，是在田间装满土壤的大型仪器，通过仪器内的观测器测定蒸散量。蒸渗仪有称重式和非称重式2种，非称重式(国外也称为排水型蒸渗仪)主要是通过控制地下水位量，结合测定的补偿水量。在安装过程中操作简单，并且造价相对较低，因此在我国使用较为广泛。称重式蒸渗仪主要有液压式、机械式、电子称重式等不同的类型，并且可以在短时段内测定蒸发量，测量的精度高,造价高。

3.2 计算方法

3.2.1 波文比法

波文比能量平衡法是在1926年Bowen[23]依据地表能量平衡公式提出计算蒸散发的波文比平衡法。计算公式：

(1)

(2)

(3)

式中，波文比β是地表能量平衡方程中显热通量与潜热通量之比；Rn为到达地表面的净辐射量；G为土壤热通量；λE为潜热通量；H为显热输送通量；ε=0.622为水汽分子与干空气分子的重量比；p、cp为气压、定压比热。

前期的波文比仪主要采用手动阿期曼，经过后期的高精度要求，才逐渐采用换位式波文比，运用上下多次换位的方法，用温度平均值消除各感应间的系统误差值。波文比平衡法在使用过程中的仪器价格低、计算方法简单和精度较高[24]。在计算农田蒸散法过程中要求下垫面均匀且无平流影响，否则测定过程中数据容易产生误差。

3.2.2 Penman-Monteith模型

彭曼-蒙特斯公式法是在1992年世界粮农组织(FAO)在彭曼公式基础上提出，并且是目前世界上采用最为广泛的公式之一。公式：

(4)

式中，ET0为参考作物蒸散，mm·d-1；Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa·oC-1；Rn为净辐射，MJ·m-2·d-1；G为土壤热通量密度，MJ·m-2·d-1；U2为2m高度的风速，m·s-1；T为日平均气温，℃；(es-ea)为饱和水汽压与实际水汽压差，kPa；γ为干湿表常数，kPa·℃-1。

Penman-Monteith模型(P-M法)在蒸散发计算中是最为常用的计算方法。在计算过程中利用气象数据就可计算参考作物蒸散量的值。适用范围较广，在干旱地区或者湿润地区都可进行估算蒸散法。但是该模型的计算过程相对复杂，需要用到大量气象数据。董楠等[25]运用彭曼公式计算的棉田日蒸散量，结合棉花的需水量推算灌溉量。

4 蒸散发的模拟与验证

蒸散发的模拟与验证，可以更好观测田间土壤蒸发和作物蒸腾，精确的验证和模拟地面蒸散发对地面水循环和能量变化规律有着重要的意义。目前蒸散发的验证主要是通过模型估算与地面观测实验获取进行验证。地面蒸散容易受到大气环境，土壤环境的影响。随着遥感技术与模型算法的快速发展，地面蒸散发的模拟和验证逐渐成为一种常用的估算方法。通过机理的不同，目前使用较多蒸散发模型主要有能量平衡模型和遥感法与遥感反演。

4.1 能量平衡模型

能量平衡模型是基于能量平衡原理建立的估算模型。能量平衡模型按照阻抗的方式，又可以分为单层模型和双层模型[26]。能量平衡法是以能量平衡为基础，估算地表净辐射(Rn)、土壤热通量(G)和显热通量(H)，然后通过能量平衡方程估算潜热通量(LE)，具体公式：

LE=Rn-H-G

(5)

(6)

式中，Pair为空气密度；CP为空气定压比热；Tareo为空气动力学温度；Ta为参考高度处温度；rr为阻抗。

通过上述公式可知，估算显热通量较为复杂。因此为更好地估算显热通量，将能量平衡模型分为单层模型和双层模型。

单层模型主要是不区分土壤层和植被层。单层模型对于抗阻计算简单，适用在植被覆盖度高的地区。单层模型的简化，不用单独获取土壤层和植被层的相关参数，操作简便，目前得到广泛的应用。单层模型目前具有代表性的为SEBAL模型。SEBAL模型是Bas- tiaanssen于1998年提出的[37]，目前该模型已经广泛应用在干旱半干旱地区。

双层模型主要是区别土壤蒸发和植被蒸腾。双层模型最早是由Shuttleworth等[28]在1985年提出，即Shuttleworth-Wallace(S-W模式)。双层模型可以得到土壤蒸发和植被蒸腾，在植被稀疏地区双层模型在干旱半干旱地区的模拟结果高于单层模型。

目前对蒸散发的验证，利用相关仪器对地面观测得到数据然后与遥感模型估算对田间蒸散进行比较。通过蒸渗仪，涡度相关仪等用于田间进行观测田间蒸散情况，结合单层或双层模型估算蒸散发进行验证。

4.2 遥感法与遥感反演

20世纪80年代，遥感与遥感反演开始在我国逐渐展开研究。20世纪90年代至今，遥感数据监测应用领域越来越广泛，在气象、农业、生态等不同领域都具有估算蒸散的研究意义。随着遥感技术的快速发展和应用，红外遥感通过作物生长期对作物产生的光谱特性、微气象参数以及热红外信息的观测来计算农田蒸发蒸腾的方法。由于遥感法在对田间监测过程中，不受下垫面不均和水流时间的影响，并且可以快速、方便对土壤水分和作物蒸散发进行监测。使得研究者广泛使用遥感法对蒸散发研究。

遥感反演主要是通过对地表反射的参数值反向推导地面的状态参数。目前地表蒸散发遥感反演的方法可分为[29]经验法、微气象理论法、蒸发互补理论能量平衡余项法、地表温度-植被指数空间法、数据同化。蒸散发遥感反演发展从斑块尺度上计算蒸散，发展基于农田SPAC中的水分循环模型。遥感技术的不断发展，在基于地表能量平衡方程的地表蒸散发模型，蒸散发遥感反演不断提高，精度越来越高。

土壤水分蒸散是水文循环重要组成部分，随着遥感技术发展遥感能够通过大范围的遥感信息来获取地表水分分布。遥感反演在土壤水分监测中，主要是通过光学遥感和微波遥感进行对土壤水分的监测。光学遥感有分辨率高、传感器多等优点，但是容易受到大气和植被的影响。微波遥感大气干扰较小，穿透力较强，但是分辨率较低，容易受到植被的影响。

5 总结和展望

通过对棉田蒸散的研究发现，田间蒸散量对农业用水以及作物的生长和品质等都有着重要作用，并且气候环境变化是影响田间蒸散的关键因素。棉花在新疆是最主要的农作物，并且种植面积最广。新疆是典型的“绿洲农业、灌溉农业”，地下水开采严重，水资源供应问题也日益突出。由于棉田蒸散的研究晚于农田蒸散，棉田蒸散理论研究以及估算方法等都是通过农田蒸散的研究进行开展，因此农田蒸散的研究对棉田蒸散具有重要的指导和参考作用。目前对蒸散发的研究越来越多，技能性也越来越强，每种估算方式都有其估算的准确性。未来蒸散发的研究应当结合多种科学方法，先进的科学技术与传统的技术结合，探寻研究棉田蒸散发的新方法和新技术。