北疆地区滴灌冬小麦农田蒸散特征

李　杰，陈　锐，吴杨焕，杨　平，崔　静，

贾　彪2，郑　重1，马富裕1

(1.石河子大学农学院，兵团绿洲生态农业重点实验室， 新疆 石河子 832003；

2.宁夏大学农学院， 宁夏 银川 750021)



北疆地区滴灌冬小麦农田蒸散特征

李杰1，陈锐1，吴杨焕1，杨平1，崔静1，

贾彪2，郑重1，马富裕1

(1.石河子大学农学院，兵团绿洲生态农业重点实验室， 新疆 石河子 832003；

2.宁夏大学农学院， 宁夏 银川 750021)

摘要：于石河子大学灌溉试验站运用大型称重式蒸渗仪和小型棵间蒸发器开展滴灌冬小麦田间控水试验，设置3个灌量处理(W1=375 mm、W2=600 mm、W3=750 mm)，旨在探明北疆地区滴灌冬小麦生育期农田蒸散与棵间蒸发特征。结果表明：滴灌冬小麦产量随灌量的增加呈显著增加趋势，但W2(8 450 kg·hm-2)与W3(8 670 kg·hm-2)处理间差异不显著；水分利用效率以W2处理最大(1.4 kg·m-3)，显著高于W3和W1处理；滴灌冬小麦全生育期蒸散量随灌量增加而增加，介于412.3～707.6 mm，其中棵间蒸发量占蒸散量的27.9%～29.1%。表层土壤含水率和叶面积指数对棵间土壤蒸发影响明显，二者与棵间土壤蒸发占耗水比例均有良好的指数函数关系。深入分析表明，北疆地区滴灌冬小麦高产高效实现背景下生育期内的耗水特征为：生育期内耗水强度播种～越冬为1.0 mm·d-1、越冬～返青为0.3 mm·d-1、返青～拔节为2.6 mm·d-1、拔节～抽穗为6.3 mm·d-1、抽穗～乳熟为6.6 mm·d-1、乳熟～成熟为6.2 mm·d-1。

关键词：北疆地区；滴灌；冬小麦；蒸散量；棵间蒸发

蒸散(Evapotranspiration，ET)是“大气—土壤—作物”水循环过程中农田水分平衡的重要组成部分，也是热量平衡中重要能量支出部分，对作物生长发育和产量具有重要影响[1-2]。农田蒸散包括植株蒸腾(T)和棵间土壤蒸发(E)两部分。其中，棵间土壤蒸发通常被视为无效的水分损失，降低这部分耗水是农田节水的一个重要部分[3]。明确作物各生育阶段E、T和ET的比例及其变化特征，有助于准确地估算农田土壤水分的动态变化，制定合理的灌溉制度，减少无效水分散失，为提高水分利用效率提供依据[4-5]。明确作物农田蒸散阶段变化特征以及不同灌溉模式下农田蒸散变化和对作物产量的影响等对研究灌溉水资源优化配置、提高水分利用效率有着极其重要意义[6]。国内外学者已经对玉米、水稻和小麦在多种灌溉方式及模式下农田蒸散特征、蒸散与作物产量的关系、测定仪器、测定方法等积累了一定的研究成果[7-13]。

滴灌技术作为当前最先进的工程化节水技术已在世界各国广泛推广应用，其优点为灌量少灌溉频率高,可根据作物需水规律将水分和养分均匀持续地输送到植株根部，最大限度地降低了土壤水分的深层渗漏和其他无效途径的用水浪费，且能形成一定的农田小气候，可有效缓解水资源不足与农业用水利用率不高的矛盾[14]。随着滴灌技术在大田生产中的推广应用，滴灌技术已成为新疆小麦种植中的重要灌溉方法之一，且有规模不断扩大的趋势。但当前滴灌冬小麦水分管理的精准化仍缺少有力的理论支持。目前，许多学者对滴灌春小麦耗水规律、灌溉制度、耗水特征、作物系数、蒸腾耗水、毛管配置模式及根区水分对根系分布进行了研究，明确了滴灌春小麦全生育期土壤水分状况、耗水量、作物系数、耗水规律、根系生长关键时期耗水量、灌水定额之间的相关关系、产量与耗水量之间的关系[15-16]。但关于滴灌条件下，冬小麦农田蒸散、棵间蒸发特征和水分利用效率的研究鲜有报道。因此，本研究针对北疆地区滴管模式下冬小麦蒸散规律展开研究，旨在系统地揭示滴灌条件下的冬小麦水分田间耗散特征。本试验通过大型称重式蒸渗仪和小型棵间蒸发器相结合，通过不同的灌水处理研究了滴灌冬小麦的耗水量、耗水强度、棵间蒸发特性、水分利用效率以及耗水量与产量和产量构成要素的关系，以期为滴灌冬小麦的农田水分管理提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2013年9月—2014年6月在石河子大学节水灌溉试验站(45°19′N，86°03′E，海拔440 m)进行，该站年有效降雨量100～200 mm，年均气温7℃，无霜期130～170 d，≥10℃积温2 800℃～3 700℃。试验区土壤质地为砂壤土，土壤有机质含量11.2 g·kg-1，全氮0.68 g·kg-1、速效磷(P2O5)51.2 mg·kg-1、速效钾(K2O)194.0 mg·kg-1、碱解氮61.0 mg·kg-1。

1.2试验设计

供试作物为新冬43号(新疆农垦科学院选育)，小麦播种日期为2013年9月28日，收获日期为2014年6月25日，播种密度450万粒·hm-2，播种行距为15 cm。全生育期施基肥尿素(N质量分数≥46%)250 kg·hm-2，磷酸二铵(P2O5质量分数≥48%)250 kg·hm-2，追施尿素300 kg·hm-2，分别于冬前、返青前、拔节期、抽穗期随水施尿素75 kg·hm-2。

试验按灌溉定额设置3个处理，分别为低水处理375 mm(W1)、适水处理600 mm(W2)、高水处理750 mm(W3)。整个生育时期灌水10次，各处理播种进行无差异处理，灌出苗水60 mm，冬前分别灌越冬水35、92、138 mm。返青至成熟期灌水8次，每隔10 d灌1次，分别灌水35、56、69 mm，水表控制灌量(表1)。滴灌管系北京绿源公司生产的515型内镶式滴灌带，滴头间距20 cm，滴头流量3.2 L·h-1，滴管带间距为60 cm，采用“一管四行”的布置，即1条滴灌带灌溉4行小麦。试验小区面积为5 m×7 m=35 m2，重复3次，处理为随机排列。各处理间设1 m隔离带，为了防止水分侧渗，各处理间均埋有1m深防渗膜隔开。并在每个处理各安装1台体积为2 m×2 m×2.3 m(长×宽×高)的大型原状土自动称重渗漏式蒸渗仪系统(西安碧水环境新技术有限公司制造)自动获取农田蒸发蒸腾量数据。

表1　不同灌水处理/mm

1.3蒸渗仪法实际蒸散量的计算

蒸渗仪是根据水量平衡原理设计的一种用来测量农田水文循环各主要成分的专门仪器，计算方法：

ETi=P0i+Ii-△Wsi

式中，ETi是第i阶段内的蒸散量；P0i是第i阶段内的有效降雨量；Ii是第i阶段内的灌水量；△Wsi是第i阶段内土壤储水量的变化。

1.4有效降雨量的测定

有效降雨量采用联合国粮农组织(FAO) 推荐的经验公式计算，公式如下：

式中，P0为有效降水量(mm)；TP为总的降雨量(mm)。

1.5测定项目及方法

1.5.1农田蒸发蒸腾量获取采用建于田间的大型称重式蒸渗仪来测定，其测定田间蒸散量的有效面积为4 m2，该系统主要包括土体系统、称质量系统、供排水系统和数据采集系统，自动采集储存数据，采集步长为1 h，精度为0.05 mm。

1.5.2棵间蒸发量测定棵间蒸发采用置于小麦行间的小型棵间蒸发器测定，每个处理设3个规格相同的棵间蒸发器，取其测定值的平均值。小型棵间蒸发器由外桶(直径110 mm、高200 mm、不封底)和内桶(内径90 mm、高200 mm、壁厚2 mm)两部分组成， 材料为聚氯乙烯(PVC)管。外桶是固定的，内桶可取出，为使桶内土壤水分与大田一致，内桶的侧壁均匀地打有许多小孔。在小麦种植后，将外桶和内桶分别垂直地放置入试验区中，并使其顶面与地面齐平，减少对内桶土壤的扰动，使其与田间的土壤尽量保持一致，用精度0.001 kg的电子天平称重，得到单位时间内的棵间蒸发量。

1.5.3土壤水分数据采集利用采集器5ET(In American Decagon Devices)来获得土壤水分数据，测定步长为1天测1次，测定土壤深度为0～20、20～40、40～80、80～100 cm和100～150 cm。

1.5.4叶面积指数测定每隔12 d在各小区取生长状况良好、长势基本一致的小麦各10株，用LI-300C(LI-COR Inc，Lincoln, NE, USA)叶面积仪测定植株叶面积，取其平均值，计算叶面积指数(LAI)。

1.6水分利用效率

水分利用效率(WUE)：小麦消耗1体积水量所生产的谷物产量(kg·m-3)

1.7数据处理

试验数据采用SPSS16.0软件进行统计分析，处理间在5%水平上的差异用最小极差法(LSD)比较，作图采用OriginPro 8.5软件完成。

2结果与分析

2.1灌溉量对土壤水分含量的影响

冬小麦返青后灌水和降雨后的土壤水分变化过程由图1可以看出，随着土层深度的增加，土壤水分含量在灌前和灌后的波动越来越小。对于0～20 cm和20～40 cm土层来说，灌溉前和灌溉后土壤水分的波动区间分别为13%～27%和12%～25%，而对于60～100 cm和100～150 cm土层，整个生育期内的土壤含水量灌前和灌后波动较小，仅为10%～14%，特别对100～150 cm土层来讲，整个生育期内的土壤水分含量基本处于一个恒定值。表明冬小麦在滴灌条件下，1 m以下的深层渗漏量几乎可以忽略。在各个处理间，随着灌溉强度的增加，灌前和灌后的波动越大，在抽穗～乳熟阶段，W3处理在0～20 cm和20～40 cm土层的波动范围为14%～28%和13%～24%，W2为13%～25%和12%～22%，W1为10%～21%和11%～18%。从整个生育期来讲，W3处理0～20 cm土层和20～40 cm土层的平均土壤体积含水量为24%和22%，W2处理处理0～20 cm土层和20～40 cm土层的平均土壤体积含水量为21%和19%，W1处理处理0～20 cm土层和20～40 cm土层的平均土壤体积含水量为16%和14%。W3处理0～20 cm土层灌前的土壤体积含水量为17%，灌溉后为28%。W2处理0～20 cm土层灌前的土壤体积含水量为14%，灌溉后为25%，而W1处理0～20 cm土层灌前的土壤体积含水量为11%，灌溉后为20%。

2.2灌溉量对冬小麦产量及水分利用效率的影响

由表2可见，有效穗粒数、千粒重、产量随着灌水量的增加而增加，当灌量由600 mm(W2)增加到750 mm(W3)时，产量增加不显著，灌水利用效率和水分利用效率反而下降。W1和W2、W3处理间有效穗数、结实率、千粒重、产量均存在显著(P<0.05)差异，W2和W3无显著差异。3个处理中，W1的产量最低，仅为5 197 kg·hm-2，W2和W3处理的产量达到了8 453 kg·hm-2和8 673 kg·hm-2，没有显著差异。各处理中W1、W2的灌溉水利用效率较高，达到1.4 kg·m-3，水分利用效率为1.3 kg·m-3；W3处理的灌溉水利用效率和水分利用效率最低，为1.2 kg·m-3和1.1 kg·m-3。尽管W1、W2灌溉水利用效率没有差异，但在W1处理下产量较低。说明过量灌溉和干旱胁迫均不利于水分利用效率和产量提高。

图1　冬小麦返青后不同处理下土壤水分的变化

注：同列数据后不同小写字母表示在5%水平的显著差异。

Note: Data in the same column followed by different lower-case letters are significantly different atP<5%.

2.3滴灌冬小麦农田蒸散量变化特征

利用大型称重式蒸渗仪和小型棵间蒸发器得到不同水分处理各生育阶段滴灌冬小麦农田蒸散量，由表3可以看出，W1、W2、W3处理冬小麦生育期内总蒸发蒸腾总量分别为412.3、620.5、707.6 mm，棵间土壤蒸发量分别120.3、176.3、206.1 mm。从整个生育阶段来看，播种～越冬期，播后同时滴水，不同水分处理棵间蒸发量和蒸散量差异不大，由于小麦苗较小，基本属裸土蒸发阶段，棵间土壤蒸发量占阶段蒸散量的百分比达80%。返青～拔节期，蒸发量占阶段蒸散的百分比明显降低，3个处理分别为32.9%、39.3%、41.2%，植株蒸腾耗水超过棵间土壤蒸发；拔节～抽穗期，田间耗水以植株蒸腾为主，棵间土壤蒸发量占阶段蒸散量的百分比分别减小为17.4%、19.4%、20.3%；抽穗～乳熟期，棵间蒸发占阶段耗水量的百分比降至最低点，仅为8.4%、11.0%、11.9%，田间耗水主要用于植株蒸腾，为作物产量形成奠定基础；乳熟～成熟期棵间蒸发占阶段耗水量的百分比上升。滴灌冬小麦棵间蒸发量占阶段蒸散量百分比播种～越冬期最高，均在80%以上；而进入返青期以后，随着冬小麦的生长，叶面积指数增加，百分比开始降低，到抽穗～乳熟期达到最低， 而乳熟后随着小麦叶片开始衰老、变干、变黄、地面覆盖逐渐减少，植株蒸腾降低，棵间土壤蒸发量占总蒸散水量的比例又有所上升。全生育期内3个处理W1、W2、W3冬小麦棵间蒸发量占总蒸散量百分比为27.9%、28.4%、29.1%，日均蒸散量为1.5、2.3、2.6 mm·d-1，日蒸散强度抽穗～乳熟期最高，分别为4.8、6.6、7.5 mm·d-1。在整个生育期，在越冬～返青阶段日均蒸发蒸腾量达到最低点分别为 0.2、0.3、0.3 mm·d-1，这是因为在越冬期内大气温度低，冬小麦的生长缓慢甚至停滞，加上越冬期进行冬灌使土壤表层冻结从而使蒸散量最低。

表3　冬小麦返青后各生育期棵间蒸发占耗水量的比例

注：P0+I表示有效降雨量和灌溉量、ET表示总耗水量、E表示棵间蒸发。

Note:P0+I,ETandErepresent effective rainfall and irrigation, evapotranspiration, evaporation, respectively.

不同灌量处理滴灌冬小麦棵间土壤日蒸发量变化见图2，不同灌水处理灌溉后棵间土壤日蒸发量不同，但对于不同的灌溉处理，蒸发强度在整个时间段内变化趋势是一致，呈脉冲式变化，均在灌水和降雨后明显升高，然后呈下降趋势。3个处理在返青到成熟期，棵间土壤日蒸发量逐渐至抽穗～灌浆期最低，之后又逐渐升高。不同处理棵间土壤日蒸发量表现为W3>W2>W1，各处理在灌溉后1～4 d内棵间蒸发波动最大，随后棵间蒸发量波动趋于稳定；不同处理灌溉后1～4 d内棵间日蒸发变化不同，W1从1.6 mm·d-1左右下降到0.8 mm·d-1、W2从2.4 mm·d-1下降到1.4 mm·d-1、W3从2.7 mm·d-1左右下降到1.5 mm·d-1左右；灌溉4 d之后各处理棵间蒸发维持在1.0 mm·d-1以下，一般在0.3～0.8 mm·d-1范围内波动，且W1蒸发量明显低于W2和W3，而W2和W3没有明显差异。

2.4棵间土壤蒸发占耗水比例与叶面积指数和土壤表层含水率的关系

作物覆盖度和土壤表层含水量是影响棵间蒸发的两个重要因素，地面灌溉条件下，有关学者提出了描述棵间土壤蒸发占耗水比例与叶面积指数和土壤表层含水量的经验关系式[17]。本研究中，棵间蒸发占耗水比例(E/ET)与作物叶面积指数(LAI)关系见图3，由实测资料回归分析得出E/ET和LAI之间存在指数函数关系且决定系数(R2)呈现出极显著的相关性。棵间土壤蒸发占耗水的比例E/ET随着叶面积指数LAI的增加而减小；从回归曲线可以看出，当03.0时，曲线变得平缓，E/ET随LAI增加而减小的速率变慢。回归关系式为：

E/ET=107.37e-0.354LAI(R2=0.973)

图2灌溉后各处理棵间蒸发的变化

Fig.2Changes of daily soil evaporation of

different treatments after irrigating

由图4可知，棵间土壤蒸发占耗水比例(E/ET)随表层土壤含水率增加而增大，当表层土壤水分较高时，E/ET较大，此后，E/ET随着表层水分的散失而迅速下降，达到一个相对较低的稳定值。

当LAI<1.0时增大幅度明显高于LAI>3.0；这是由于LAI较小时，地表覆盖度低，接收辐射多，土壤失水速率快，蒸发强度E/ET大。当LAI较大时，由于地表覆盖度加大，小麦冠层对净辐射的截留，地面接收太阳辐射较少，加之作物冠层内的空气相对湿度较高，表层失水速率相对较慢，棵间土壤蒸发强度E/ET变小。当表层土壤含水率在14%～27%之间时，滴灌冬小麦E/ET与表层土壤含水率之间有良好的指数函数关系，关系式如下：

当LAI<1.0时，E/ET=5.479e0.102θ(R2=0.976)

当LAI>3.0时，E/ET=5.171e0.063θ(R2=0.953)

图3　棵间土壤蒸发占耗水比例与叶面积指数间关系

图4冬小麦棵间土壤蒸发占耗水比例与表层土壤含水量的关系

Fig.4Relationship between the proportion of soil evaporation to evapotranspiration and soil water content

3讨论

合理的灌溉制度是田间灌溉管理的关键，与传统灌溉相比，滴灌的灌水定额小灌溉频率高,可根据作物需水规律将水分和养分均匀持续地输送到植株根部，提高水分利用效率。本研究表明不同灌水处理下，0～40 cm土层土壤的含水量时空变化受灌溉水量影响明显，深层含水量波动不明显，说明滴灌能保持土壤表层湿润，避免水分深层渗漏，及时满足作物水分需求，对作物生长有较好的促进作用。同时随着灌量的增加农田蒸散总量增加，这与相关研究结果一致[18]。棵间土壤蒸发是农田蒸散的重要组成部分，不参与产量的形成，因此减少棵间土壤蒸发对提高冬小麦水分利用效率、节约灌溉用水具有十分重要的作用。前人研究表明，传统灌溉条件下，棵间土壤蒸发占蒸散总量的32%左右[19]，本研究表明滴灌模式下累积棵间蒸发随灌水量增加而增大，全生育期棵间土壤蒸发占蒸散量比例在27.9%～29.1%，棵间土壤蒸发在滴灌模式下明显低于非滴灌模式，这可能是由于传统灌溉使地表全部湿润，而滴灌由于局部灌溉特点，使地表局部湿润，抑制了棵间土壤蒸发，明显降低了棵间蒸发，说明滴灌比传统灌溉更能有效控制棵间土壤蒸发，减少无效水分消耗。但本研究蒸发蒸腾总量略高于华北和关中地区[19]，这可能与本地区的温度和气象因素有关，本区处于西北干旱地区，在小麦的整个生育时期内，本地区气温高、日照强度大、白昼时间长、黑夜短，植株呼吸蒸腾加大，致使蒸发蒸腾总量略高于其他地区，植株呼吸蒸腾较大所致。同时，作物冠层温湿度、地表温度以及风速等因素都会影响农田蒸散和棵间土壤蒸发，但本试验没有对这些因素加以考虑，因此，还需进一步探讨其他因素对蒸散规律的影响。

叶面积指数和表层土壤含水量是影响棵间土壤蒸发的两个主要因素，棵间土壤蒸发量随生育时期叶面积指数和表层土壤含水量的变化而变化。当表层土壤含水率在14%～27%时，滴灌冬小麦棵间蒸发占耗水量的百分比与表层土壤含水率之间呈指数函数曲线上升；同时，叶面积指数对土壤蒸发的影响很大，棵间蒸发占耗水量的百分比随冬小麦叶面积指数的增加而下降，二者之间呈指数函数关系，这与于利鹏、王幼奇等[20-21]研究结论相一致。滴灌冬小麦棵间土壤蒸发主要发生在降雨或灌溉1～4 d表层土壤湿润时期内，之后随着地表变干，迅速下降并逐渐趋近于零。在不影响作物蒸腾的条件下，减少表层土壤的湿润面积是减少棵间土壤蒸发的一种主要措施。因此，在生产实际中，为达到节水目的，从减少蒸发耗水角度看灌溉实施中不应提倡小水勤灌，而应提倡局部湿润的大定额灌溉，尽量减少表层湿润的面积和缩短土壤表面湿润的时期，以减少棵间蒸发损失，提高农田水分的利用率，达到新疆滴管冬小麦节水增产的目的。

4结论

本研究通过3个灌水处理，研究了滴灌条件下冬小麦蒸散量、棵间土壤蒸发、土壤水分动态变化过程及其影响因子,初步得到以下结论：

1) 滴灌冬小麦实现高产高效的耗水强度播种～越冬为1.0 mm·d-1、越冬～返青为0.3 mm·d-1、返青～拔节为2.6 mm·d-1、拔节～抽穗为6.3 mm·d-1、抽穗～乳熟为6.6 mm·d-1、乳熟～成熟为6.2 mm·d-1。

2) 滴灌条件下，0～40 cm土层土壤的含水量时空变化受灌溉水量影响明显，灌溉前后土壤体积含水量在14%～28%之间。

3) 棵间土壤蒸发量随着灌溉量的增加而增加，主要发生在降雨或灌溉1～4 d表层土壤湿润时期内，之后随着地表变干，迅速下降并逐渐趋近于0。

4) 冠层覆盖度和土壤表层含水量是影响蒸发的两个关键因素，棵间土壤蒸发占蒸散总量的比例与叶面积指数和土壤表层含水量呈指数函数关系。

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Evapotranspiration in a drip-irrigated winter wheat field in Northern Xinjiang

LI Jie1, CHEN Rui1, WU Yang-huan1, YANG ping1, CUI Jin1, JIA Biao2, ZHENG Zhong1, MA Fu-yu1

(1.CollegeofAgronomy,ShiheziUniversity,KeyLaboratoryofOasisEcologicalAgricultureofXinjiangBingtuan,

Shiheizi,Xinjiang832003,China; 2.CollegeofAgriculture,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021,China)

Abstract：Micro-lysimeters and a large weighing lysimeter were used to measure evapotranspiration (ET) of a drip-irrigated winter wheat field at the Irrigation Experimental Station of Shihezi University. The treatments of irrigation amount (W1=375 mm, W2=600 mm, and W3=750 mm) were conducted in order to develop an efficient drip irrigation system in Xinjiang. The results showed that winter wheat yield increased significantly as the irrigation amount increased; however the difference in yield between W2 treatment (8 450 kg·hm-2) and W3 treatment (8 670 kg·hm-2) was not significant. W2 treatment had the highest water use efficiency (1.4 kg·m-3) in this study, being significantly higher than that in W3 treatment and W1 treatment. TotalETincreased as the irrigation amount increased. TotalETvaried between 412.3 mm and 707.6 mm. Depending on the treatment and the year, soil evaporation accounted for 27.9% to 29.1% of the totalET. The water content of the surface soil and the leaf area index of the wheat crop both had significant effects on evaporation. Furthermore, both variables were exponentially related to the proportion of irrigation water that evaporated from the soil. The amounts of water consumption to obtain high winter wheat yields were as follows: seeding to overwintering, 1.0 mm·d-1; overwintering to regreening, 0.3 mm·d-1; regreening to jointing, 2.6 mm·d-1; jointing to heading, 6.3 mm·d-1; heading to milk, 6.6 mm·d-1; and milk to maturity, 6.2 mm·d-1.

Keywords:Northern Xinjiang; drip-irrigated； winter wheat； evapotranspiration； evaporation

中图分类号：S275.6; S152.7+3

文献标志码：A

通信作者：马富裕(1967—)，男，教授，博士生导师，从事作物生理生态研究。 E-mail:mfyagr@shzu.edu.cn。

作者简介：李杰(1988—)，男，甘肃通渭人，硕士研究生，研究方向为节水灌溉。 E-mail:lj880902@126.com。

基金项目：国家自然科学基金(31160260)

收稿日期：2014-12-24

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.05

文章编号：1000-7601(2016)01-0031-07