干旱区绿洲膜下滴灌棉田蒸散发

2023-03-07刘延雪乔长录

干旱区研究 2023年1期

刘延雪，乔长录

（1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000）

蒸散发（Evapotranspiration，ET）作为陆面水分和能量循环过程中的重要环节，对于深刻理解水文循环及陆面生态系统水文过程至关重要［1］。在干旱区，作物蒸散发是农田水循环过程中水分损失的主要途径［2］，约有90%以上的降水通过蒸散回到大气当中［3］，其与降水共同影响干旱程度。但干旱区农田的水资源有效利用程度并不高，因此明确具体的作物蒸散发过程和气象对其的影响对科学认识干旱区农田水循环过程、研究气候演变下有无地膜覆盖下滴灌种植的优缺点、合理调配水资源、制定科学的灌溉制度［4］等有重要意义。

农业结构中蒸散发的量变过程和影响因素一直都是国内外的研究热点，国外对此侧重于蒸散发在不同环境下的量变程度及其变化过程中的能量平衡情况［5］。Jamshidi 等［6］对半干旱气候下伊朗南部滴灌柑桔在5个灌溉水平（100%、90%、75%、60%和45%的参考蒸散量）下的实际蒸散发进行监测，研究表明按60%蒸散发进行滴灌有利于柑橘的可持续生产。Keffer 等［7］针对不同水分和遮光条件下的亚马逊黄檀，测定其苗期的蒸散量和作物系数，随着水分和遮光率的增加，蒸散量和作物系数均降低。Vanomark等［8］对采用波文比能量平衡法对北里奥格兰德州的甜瓜蒸散量进行测定，具体分析蒸散发过程中感热通量和土壤热通量的变化过程，研究发现60%以上的净辐射转化为潜热通量，21%净辐射转化为感热通量。Renner等［9］运用相位差对卢森堡地区蒸散发过程中的能量变化进行分析，研究表明蒸散发过程中存在能量不平衡，且湍流通量滞后于有效能量。在国内对农业结构中蒸散发的研究主要集中于干旱和半干旱地区，侧重于覆膜环境下蒸散量的定量分析和作物灌溉制度的优化［10］。Li等［11］对玉米田中7 种不同种类薄膜覆盖下的土壤-植物水分动态进行测量，研究表明覆膜可以有效降低蒸散发，增加水分储备，促进玉米中后期的生长发育。Ai 等［12］采用改良的双作物系数法估算了南疆干旱区枣树和棉花单作的蒸散量，根据间作作物比例，引入土壤水分胁迫系数估算枣棉间作蒸散量，估算作物间作水分利用效率，对于枣棉间作灌溉制度的优化具有重要意义。吴程［13］应用微型蒸发器结合水量平衡法确定膜下滴灌棉田的蒸散量及作物参数，明确棉花生育期内的蒸散量对合理制定灌溉制度，科学利用与管理水资源有重要意义。刘净贤等［14］利用涡度相关资料从能量角度分析新疆北部膜下滴灌棉田不同生育期的蒸散变化特征，研究结果表明净辐射对蒸散发影响最大。综上所述，国内外学者从水量变化、影响因素、作物系数等角度对农业结构中的蒸散发进行了广泛研究，但对较长时间尺度下的膜下滴灌棉田蒸散发研究较少，对其耗水规律认识不够充分。

本文以石河子大学节水灌溉试验站内3 a 蒸散发实测数据为依据展开研究，旨在明晰滴灌棉田的蒸散发变化过程及气候变化对其的影响效果，确定滴灌棉田在整个棉花生育期内的蒸散耗水规律，为制定棉田灌溉制度和用水时空分配提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

试验于2019—2021 年在新疆兵团现代节水灌溉重点实验站开展，实验站位于石河子市西郊二连石河子大学试验场（89°59′47″E，44°19′28″N，海拔412 m），该区域位于新疆维吾尔自治区玛纳斯河流域中游的绿洲灌区内，气候为中温带大陆性干旱气候，年平均日照时间为2856 h，多年平均降雨量为207 mm，蒸散量为1660 mm，日均相对湿度50%，风速1.5 m·s-1，生育期内日均总辐射19.8 MJ·m-2·d-1，且昼夜温差大，气温季节性变化突出。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 3台规格为2 m×2 m×2 m，型号为QYZS-2010 的大型称重式蒸渗仪对试验棉田的蒸散量进行实时监测，为减小环境因素对试验的影响，保证数据的可靠性，突出覆膜对蒸散量的影响效果，其中两台的灌溉方式为膜下滴灌，1台为不覆膜滴灌，除此之外其他试验条件均相同。膜下滴灌棉田按照一膜三管六行的机采棉种植方式种植棉花，地膜宽度为205 cm，滴灌毛管采用单翼滴灌带。试验期内，当大型称重式蒸渗仪内的水量发生变化时，土壤质量随之发生变化，蒸渗仪内的高分辨率位移传感器会以电流值的形式记录该变化，通过对电流变化值进行标定，由此计算蒸散量。蒸渗仪精度为0.02 mm，数据采集的时间间隔为1 h。

对于棉田灌溉，根据水量平衡原理，依据《灌溉试验规范》（SL 13-2004）［15］制定其灌溉制度：

式中：ET 为计算时段内的作物需水量（mm）；γ为土壤干容重（g·cm-3）；H为土壤厚度（cm）；θ1和θ2为计算时段初始与结束时的土壤含水率；M为时段内的灌水量（mm）；P为时段内的降水量（mm）；K为时段内的地下水补给量，由于棉花种植在蒸渗仪内，没有地下水补给，因此，K为0 mm；C为时段内的排水量，在试验过程中也没有排水，因此，C为0 mm。

灌水周期由《微灌工程技术规范》（GB/T 50485-2009）［16］确定：

式中：T为灌水周期（d）；δ为灌水利用率，本试验中取0.9［16］；M为时段内的灌水量（mm）；ETa为田间耗水率（mm·d-1）。

1.2.2 数据处理在试验过程中，恶劣天气、仪器故障、其他不可控因素等会影响数据的监测，因此需要对原始数据进行修正和优化。利用统计分析软件SPPS 26中的质量控制，消除异常数据，主要包括明显不符合正常数据变化范围的异常值、降雨时期的数据和灌水日数据。为保证数据序列的完整性，对于缺失数据，再根据数据缺失时长的不同进行插补。

（1）数据缺失的连续时长小于3 h，采用简单的线性内插进行补充；

（2）数据缺失的连续时长在3～24 h 内，采用平均日变化方法（Mean Diurnal Variation，MDV）［17］进行插补；

（3）数据缺失的连续时长在1～2 d，结合气象数据，运用FAO推荐的Penman-Montieth公式［18］进行计算插补：

式中：Δ为饱和水汽压斜率（kPa·℃-1）；Rn为净辐射（MJ·m-2·d-1）；G为土壤热通量（MJ·m-2·d-1）；γ为干湿表常数（kPa·K-1）；T为温度（℃）；U2为风速（m·s-1）；es为饱和水汽压（kPa）；ed为实际水汽压（kPa）。

（4）数据缺失的连续时长大于2 d，不对数据进行插补，即视为无效数据，剔除当日记录。

经过上述处理，得到全生育期内每日逐小时蒸散发数据，在此基础上进行数据平滑和数据规整［19］，将处理过的蒸渗仪实测蒸散量数据与涡度仪实测蒸散量数据进行一致性检验，其结果见表1。对于通过一致性检验的数据，利用Microsoft Excel 2019计算整个生育期内不同时间尺度上的蒸散量。由于蒸散发主要发生在08:00—23:00，因此对一日内08:00—23:00的逐小时蒸散量进行求和得到日蒸散量，对日蒸散量求和可以得到各个不同生育阶段的蒸散量和全生育期蒸散量，使用Origin 2017制作蒸散量随时间变化图。

运用SPSS 26中的双变量相关性分析有无地膜覆盖情况下蒸散量和气象因素之间的相关性，其显著性P值小于0.05 即为显著相关，存在线性相关关系，在此基础上再利用SPSS 26 中的线性回归分析对蒸散量和气象因素进行拟合，R2越接近1 则拟合效果越好，因子间的线性关系越强。

2 结果与分析

2.1 有无地膜覆盖下棉田蒸散量变化

棉田在有无地膜覆盖的滴灌种植方式下，全生育期内的蒸散量变化趋势见图1。因3 a播种时间、气候变化和棉花生长发育过程均相似，故将棉花的生育期按照相同时间段进行划分，每年4月20日—6月3日为苗期；6月4日—7月5日为蕾期；7月6日—8 月25 日为花铃期；8 月26 日—10 月5 日为吐絮期。由于数据存在缺失和插补不足的情况，2019年、2020年和2021年实际有效统计时长分别为146 d、154 d、144 d。

图1 有无地膜覆盖的滴灌棉田全生育期蒸散量Fig.1 Evapotranspiration in cotton field in the whole stage with or without film mulching

综合3 a变化趋势来看，膜下滴灌的种植方式可以明显减少蒸散量，且无论有无地膜覆盖，滴灌棉田在棉花整个生育期内蒸散量的变化趋势基本一致，因而膜下滴灌并不会影响棉花的正常生长发育。

从有无地膜覆盖下的滴灌棉田蒸散量可以看出（表2），膜下滴灌棉田在棉花整个生育期内的蒸散量平均为292.15 mm，蒸散强度平均为1.79 mm·d-1，不覆膜滴灌棉田在棉花整个生育期内的蒸散量平均为429.22 mm，蒸散强度平均为2.62 mm·d-1。相较于不覆膜滴灌，在膜下滴灌的种植方式下，蒸散量和蒸散强度均可以降低31.93%。

表2 有无地膜覆盖下的滴灌棉田蒸散量Tab.2 Evapotranspiration in cotton field with or without film mulching

在棉花的生育周期内，会经历苗期、蕾期、花铃期和吐絮期4个阶段。3 a试验期内，在膜下滴灌种植方式下，苗期平均蒸散量为27.79 mm；蕾期平均蒸散量为60.29 mm；花铃期平均蒸散量为162.63 mm；吐絮期平均蒸散量为41.44 mm；在不覆膜滴灌种植方式下，苗期平均蒸散量为52.36 mm；蕾期平均蒸散量为84.17 mm；花铃期平均蒸散量为222.55 mm；吐絮期平均蒸散量为70.14 mm。因此，相较于不覆膜滴灌，膜下滴灌的种植方式在苗期平均可以降低46.91%蒸散量；在蕾期平均可以降低28.37%蒸散量；在花铃期平均可以降低26.93%蒸散量；在吐絮期平均可以降低40.92%蒸散量。且蒸散强度差异与蒸散量差异相同。由此可见，膜下滴灌棉田的蒸散量和蒸散强度均低于不覆膜滴灌棉田，覆膜对蒸散发的抑制作用尤其体现在苗期和吐絮期，在蕾期和花铃期，覆膜对蒸散发的抑制作用稍弱。

在各个生育阶段，无论是膜下滴灌还是不覆膜滴灌，对于棉花的蒸散量和蒸散强度而言：花铃期＞蕾期＞吐絮期＞苗期，滴灌棉田在花铃期的蒸散量超过棉花全生育期内蒸散量的一半，花铃期的蒸散强度也大于全年平均蒸散强度的一半，即花铃期的滴灌棉田蒸散发作用最强烈。

2.2 有无地膜覆盖下棉田蒸散过程动态变化

在2019 年、2020 年、2021 年中针对4 个不同生育阶段，剔除降雨日、灌水日和数据异常日，根据棉花生长状态，在每个生育阶段中选择某一天作为典型日进行分析（表3），典型日需要满足以下要求：（1）棉花生长状态稳定，在所处生育阶段中具有典型性；（2）灌水和降雨后的3 d 内土壤水分变化较大，不适宜作典型日；（3）3 a 内各个生育阶段的典型日尽可能相近。

表3 典型日选择Tab.3 Typical days selected

通过分析可以看出（图2～图5），在00:00—08:00蒸散量在有无地膜覆盖的情况下均为负值，即在这一阶段不仅没有水分损失，反而在吸收水分，这一时段内的过程即为凝结过程［20-23］。通过对比膜下滴灌棉田与不覆膜滴灌棉田的蒸散量变化过程可以发现，膜下滴灌的种植方式会抑制凝结水进入土壤，减弱凝结作用，不覆膜滴灌更加利于凝结水进入土壤，补充土壤水分［24］。

图2 有无地膜覆盖下滴灌棉田苗期典型日的蒸散量Fig.2 Evapotranspiration in cotton field in seeding stage with or without film mulching

图5 有无地膜覆盖下滴灌棉田吐絮期典型日的蒸散量Fig.5 Evapotranspiration in cotton field in boll opening stage with or without film mulching

在08:00—23:00，蒸散量在有无地膜覆盖的情况下均为正值，即在这一时段内无论是膜下滴灌还是不覆膜滴灌，棉田都在进行蒸散发。在苗期，膜下滴灌棉田与不覆膜滴灌棉田的蒸散量在13:00同步达到最大值，并且最大蒸散量将持续4 h；在蕾期，膜下滴灌棉田的蒸散量在12:00—15:00 达到最大值，蒸散量的变化呈现双峰状态，不覆膜滴灌棉田的蒸散量在15:00达到最大值，其变化过程呈现单峰状态；在花铃期，膜下滴灌棉田的蒸散量在14:00—17:00 同步达到最大值，蒸散量的变化呈现双峰状态，不覆膜滴灌棉田的的蒸散量在16:00 达到最大值，其变化过程呈现单峰状态；在吐絮期，不覆膜滴灌棉田的蒸散量在14:00 达到最大值，相较于不覆膜滴灌，膜下滴灌棉田的蒸散量最大值的出现会滞后1～2 h。

无论在哪种滴灌环境下，蒸散量出现最大值的时间均存在以下规律：苗期最早出现最大值，其次是吐絮期和蕾期，花铃期最晚出现最大值（图6）。典型日的蒸散量与全生育期的蒸散量大小规律一致：花铃期＞蕾期＞吐絮期＞苗期。

图3 有无地膜覆盖下滴灌棉田蕾期典型日的蒸散量Fig.3 Evapotranspiration in cotton field in budding stage with or without film mulching

图4 有无地膜覆盖下滴灌棉田花铃期典型日的蒸散量Fig.4 Evapotranspiration in cotton field in blooming and boll stage with or without film mulching

图6 各个生育阶段典型日的蒸散量最大值Fig.6 Maximum evapotranspiration of typical day for each growth stage

2.3 不同尺度下气象因素相关性分析

2.3.1 年尺度相关性分析在年尺度上，蒸散量与影响因素相关性分析结果及相关回归公式见表4。通过分析可以发现，蒸散量与风速、辐射、气温呈正相关；与湿度和气压呈负相关。其中，受气压的影响最为强烈，其次是气温、湿度、风速，相比之下，蒸散量受辐射的影响最弱。并且，不覆膜滴灌棉田的蒸散量与影响因素之间的相关系数大于膜下滴灌棉田的蒸散量，说明不覆膜滴灌棉田的蒸散量更容易受到气象变化的影响。但就相关系数的绝对大小而言，在年尺度上均较小。

表4 蒸散量与影响因素在年尺度上的相关性Tab.4 Correlation analysis between evapotranspiration and influencing factors on the annual scale

2.3.2 日尺度相关性分析为了充分研究有无地膜覆盖下蒸散量与气象要素之间的相关关系，在日尺度上，对各个生育阶段内典型日的蒸散量与气象要素进行相关性分析，其分析结果见表5。

表5 蒸散量与影响因素在日尺度上的相关性Tab.5 Correlation analysis between evapotranspiration and influencing factors on the daily scale

通过分析，在日尺度上，蒸散量与风速、辐射、气温呈正相关；与湿度和气压呈负相关。不覆膜滴灌棉田的蒸散量与影响因素之间的相关系数基本上大于覆膜滴灌棉田的蒸散量，说明不覆膜滴灌棉田的蒸散量更容易受到气象变化的影响。这两项分析结果与年尺度上的分析结果一致。

在苗期，风速对膜下滴灌棉田的蒸散量影响最大，辐射对不覆膜滴灌棉田的蒸散量影响最大；在蕾期，辐射对滴灌棉田的蒸散量影响最大；在花铃期和吐絮期，气温对滴灌棉田的蒸散量影响最大，这一分析结果与年尺度上的分析结果并不一致。

2.4 不同天气条件下棉田蒸散量

无论有无地膜覆盖，滴灌棉田在花铃期的蒸散量和蒸散强度均最大，且新疆辐射最强、气温最高的时间段和雨季均为6—8月，因此为了研究晴天和雨天条件下有无地膜覆盖对棉田蒸散量的影响效果，均选择花铃期作为研究时段。

2.4.1 棉田在晴天的蒸散量在晴天条件下，选择花铃期中辐射最强、温度最高、蒸散量最大的一天作为典型晴天日，3 a 的典型晴天日相似，蒸散量计算结果见表6。膜下滴灌棉田的日平均蒸散量为5.2 mm·d-1，不覆膜滴灌棉田的日平均蒸散量为8.16 mm·d-1，覆膜可以降低35.97%的水分蒸散发损失。与整个花铃期日平均蒸散量相比，覆膜在晴天条件下的抑制水分蒸散发的作用较为突出。

表6 棉田在晴天的日蒸散量Tab.6 Daily evapotranspiration of cotton field on sunny day

2.4.2 棉田在雨天的蒸散量在雨天条件下，选择花铃期中降雨量与湿度较大的一天作为典型雨天日，3 a 的典型雨天日相似，对雨天的前一日和后一日的蒸散量进行计算，结果见表7。比较降雨前后有无地膜覆盖条件下的日平均蒸散量可以发现，覆膜降雨前蒸散量＜不覆膜降雨前蒸散量＜覆膜降雨后蒸散量＜不覆膜降雨后蒸散量，说明降雨可以促进蒸散发，且覆膜在降雨后对水分蒸散发的抑制作用强于降雨前。

表7 棉田在雨天前后的日蒸散量Tab.7 Daily evapotranspiration of cotton field before and after a rainy day

3 讨论

3.1 蒸散发变化原因

滴灌棉田在棉花整个生育期内主要以棉花蒸腾和土壤蒸发为主要途径进行水分的蒸散发，无论是膜下滴灌还是不覆膜滴灌，随着时间的推移，各个气象要素和棉花生产发育情况不断变化，多个因素［25-27］同时影响滴灌棉田的蒸散发，以气温和辐射为主。

在苗期，棉花植株矮小，叶片数量少，叶片面积小，且这一阶段气温低，辐射低，湿度大，不利于棉花蒸腾和土壤蒸发，因此滴灌棉田的蒸散发作用较弱；当棉花进入蕾期之后，植株开始快速生长，叶片数量与叶片面积不断增加，对土壤的覆盖程度也增加，气温升高，辐射增强，湿度减小，促进了棉花蒸腾和土壤蒸发，因此滴灌棉田的蒸散发作用增强；当棉花进入花铃期后，棉花植株基本定型，叶片生长完全，其叶片数量和叶片面积达到整个生育期内的最大值，温度和辐射也达到一年中的最大值，但温度和辐射过高会抑制棉花叶片上气孔的开合程度，因此棉花蒸腾作用在温度最高时出现下降，但相较于其他阶段，这一阶段的棉花蒸腾作用仍然最强；虽然棉花叶片会在一定程度上遮挡土壤，但由于高温和高辐射，土壤蒸发会保持高强度状态，土壤蒸发和棉花蒸腾都会在这一阶段达到整个生育期内的最大值，这一阶段为整个生育期内蒸散发作用最强的时期；在棉花进入吐絮期后，棉花植株开始衰老，叶片逐渐枯萎凋落，叶片数量和叶片面积持续降低，因而这一阶段的棉花蒸腾减弱。且在这一阶段气温和辐射降低，湿度增加，土壤蒸发也会减弱。本文研究结果与其他学者在这一方面的研究结果基本一致［28-29］。

3.2 有无地膜覆盖下蒸散发动态变化差异

在棉花不同生育阶段内，不覆膜滴灌棉田的蒸散发动态变化过程为单峰形式，而膜下滴灌棉田在蕾期和花铃期的蒸散发动态变化过程为双峰形式，这与李战超［30］的研究结果一致。其主要原因是覆膜改变了原有的土壤条件，抑制了土壤蒸发。一天内的最高温度出现在午后，在高温环境下，棉花叶片上的气孔关闭导致棉花蒸腾作用减弱，又因为覆膜会抑制土壤蒸发，所以膜下滴灌棉田的蒸散量会突然降低，当气温逐渐降低时，蒸散量逐渐增加。而不覆膜滴灌棉田的土壤蒸发会随着高温保持高强度状态，因此膜下滴灌棉田的蒸散量明显低于不覆膜滴灌棉田的蒸散量。但蒸渗仪的测定精度在这一阶段受到土壤性质、作物种类及其种植密度的影响较大［31］，会存在一定误差。

3.3 不同时间尺度下相关性差异

各个气象因素对蒸散量的影响效果在年尺度相关性分析和日尺度相关性分析上存在不同。其原因是在年尺度相关性分析中，为了综合整个生育期的情况，采用气象要素日均值与日蒸散量进行分析，由于新疆地区昼夜温差大，气温和辐射在日尺度上变化剧烈，取日均值会大大削弱其变化趋势，减弱了气象要素变化对蒸散量的影响效果，因而导致年尺度相关性分析的典型性弱于日尺度相关性分析，后者更有利于说明气象要素对滴灌棉田蒸散发的影响。

3.4 不同天气条件下蒸散量差异

在花铃期的晴天条件下，温度和辐射高，会促进蒸散发，尤其对土壤蒸发的影响较大，而覆膜遮挡土壤的蒸发面，较大限度的抑制土壤蒸发，所以覆膜在晴天条件下对棉田蒸散发的抑制作用尤其突出。

在雨天条件下，降雨前棉田中的湿度低，温度高，蒸发大，棉花对水的需求大，可供蒸散发的水分较少，降雨会提高湿度，降低田间温度，减小蒸发，耗水量降低，从而需水量减小，多余的水分蒸散发，因此降雨会促进蒸散发，无论有无地膜覆盖，降雨前的蒸散量均低于降雨后的蒸散量；而覆膜抑制了土壤水分的蒸散发，使得水分更多被保留在土壤中，提高了土壤含水率，供给棉花使用，所以覆膜对降雨后滴灌棉田蒸散发的抑制作用强于降雨前。在潘杉杉等［32］的研究中，着重考虑了土壤含水率对蒸散发的研究，而本研究中对于降雨后的蒸散发，也归因于降雨能够提高土壤含水率。