干旱区绿洲膜下滴灌棉田蒸散发_刘延雪.pdf

第40卷第1期2023年1月Vol.40No.1Jan.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.01.16干旱区绿洲膜下滴灌棉田蒸散发刘延雪1,2，乔长录1,2（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）摘要：蒸散发是干旱区农田水循环过程中水分消耗的主要途径，对研究气候变化下干旱区农田耗水规律和制定科学的灌溉制度有重要作用。连续3 a利用大型称重式蒸渗仪监测滴灌棉田蒸散发，设置覆膜与不覆膜对比试验，研究蒸散发过程，分析覆膜和气象因素对蒸散发的影响。结果表明：（1）在棉花整个生育期内，覆膜与不覆膜滴灌棉田的平均蒸散量分别为292.15 mm和429.22 mm，膜下滴灌的种植方式可以降低31.93%的蒸散量。（2）蒸散量和蒸散强度在不同生育阶段的大小关系：花铃期蕾期吐絮期苗期。（3）滴灌棉田在00:0008:00进行凝结，在08:0023:00进行蒸散发，蒸散量在午后达到最大值，苗期最大值出现最早，花铃期最大值出现最晚。（4）蒸散发与风速、辐射、气温呈正相关；与湿度和气压呈负相关。（5）降雨会促进滴灌棉田蒸散发。总体而言，覆膜可以减少水分蒸散发，有助于提升农业生产过程中的水分利用效率。关键词：蒸散发；滴灌棉田；蒸渗仪；干旱区蒸散发（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收稿日期：2022-07-12；修订日期：2022-09-06基金项目：国家自然科学基金项目（51769030）；兵团科技计划重大项目（2021AA003）；兵团科技计划重点项目（2022DB024）作者简介：刘延雪（1999-），女，硕士研究生，主要从事干旱区蒸散发方面的研究.E-mail:通讯作者：乔长录.E-mail:152162页1期刘延雪等：干旱区绿洲膜下滴灌棉田蒸散发及作物参数，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20192021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（895947E，441928N，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 ms-1，生育期内日均总辐射19.8 MJm-2d-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 m2 m2 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：ET=10H(1-2)+M+P+K-C（1）式中：ET为计算时段内的作物需水量（mm）；为土壤干容重（gcm-3）；H为土壤厚度（cm）；1和2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：T=METa（2）式中：T为灌水周期（d）；为灌水利用率，本试验中取0.916；M为时段内的灌水量（mm）；ETa为田间耗水率（mmd-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324 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12 d，结合气象数据，运用FAO推荐的Penman-Montieth公式18进行计算插补：ET=0.408()Rn-G+900T+273U2(es-ed)+(1+0.34U2)（3）式中：为饱和水汽压斜率（kPa-1）；Rn为净辐射（MJm-2d-1）；G为土壤热通量（MJm-2d-1）；为干湿表常数（kPaK-1）；T为温度（）；U2为风速（ms-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19，15340卷干旱区研究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08:0023:00，因此对一日内08:0023:00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日表1 蒸散量数据一致性检验结果Tab.1 Results of consistency test of evapotranspiration data年份有效数据数量Cohen s Kappa系数2019年3504(146 d)0.872020年3696(154 d)0.922021年3456(144 d)0.89注：Cohen s Kappa系数大于0.80则表明一致性强。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 mulching1541期刘延雪等：干旱区绿洲膜下滴灌棉田蒸散发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。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 mmd-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 mmd-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%。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 162.63mm；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222.55mm；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。