膜下滴灌对绿洲棉田蒸散过程的影响研究

陈 磊，乔长录，何新林，王 艳

(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(Evapotranspiration，ET)作为陆面水分和能量循环过程的重要环节，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]。研究表明陆面降水约有70%通过蒸散返回大气[2]，而在干旱区这数字可达到90%以上[3]。田间蒸散是农田水文循环最基本环节之一，也是“土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统”中水分运移的重要环节[4, 5]，确定田间蒸散过程是正确评价农田水分状况、科学确定农田灌溉制度的关键依据[6]，也是水资源评价和区域水资源供需平衡计算不可缺少的基础参数[7,8]。膜下滴灌是一种局部灌溉，在地膜覆盖和滴灌技术的综合效应下，作物生长与常规条件下不同，田间蒸散过程和需水规律也必然会发生变化，呈现出新的特征[9]。目前学者对新疆绿洲区膜下滴灌棉花需水规律、耗水规律以及灌溉制度的研究取得了一些成果[10,11]。新疆地区作物需水规律的研究主要通过长期研究建立了一些作物需水量计算模型[12,13]。但对膜下滴灌棉花需水规律及灌溉制度的研究极少，刘新永等[14]对南疆膜下滴灌棉花耗水规律以及灌溉制度进行了研究，闫映宇[15]研究塔里木灌区膜下滴灌棉花的需水量与节水效益。但仍无法满足整个新疆绿洲区膜下滴灌棉花种植推广的需要。因此，需要对膜下滴灌条件下作物蒸散耗水规律作进一步研究。

玛纳斯河(以下简称玛河)绿洲位于流域中游，地处天山北坡经济带和“一带一路”经济带的核心区，是新疆主要的产棉区，棉花种植面积占该区域作物播种面积的70%以上，其中80%以上采用膜下滴灌方式进行灌溉[9,16]。目前，正在大力推广机采棉种植模式，区域农业在新疆农业和国民经济中处于举足轻重的地位。虽然，膜下滴灌技术大面积推广应用已约有20 a。但是，由于气候变化等因素的影响，玛河流域绿洲膜下滴灌棉田的蒸散过程还不明确；在农田灌排工程的规划、设计和管理中，目前所采用的棉花需水模型仍然是常规条件下的模型，适合膜下滴灌条件的棉花需水模型的修正或新模型还尚未确定。因此，膜下滴灌棉田的蒸散过程亟须开展相应研究，确定膜下滴灌条件下棉花需水模型，为绿洲农田灌排工程的科学规划、设计和管理，科学制定棉花灌溉制度，以及流域水资源的可持续开发和高效利用提供科学依据。农业用水占玛河流域可供水量的94.4%[17]，在水资源三条红线下，农业节水压力依然很大。因此，本文研究对干旱缺水的玛河流域的农业节水、社会经济的可持续发展，以及绿洲的稳定具有非常重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年4-9月在石河子大学节水灌溉试验站进行，该站位于玛河流域中游绿洲灌区内，地理位置处于85°59′47″E，44°19′28″N，属中温带大陆性干旱气候，年均日照时间为2 865 h，多年平均降雨量为207 mm、蒸散量为1 660 mm，昼夜温差大，且气温季节性变化较大，无霜期为170 d。试验区深度1 m内土壤质地为沙壤土，0～60 cm土层土壤有机质含量为22.31 mg/kg、碱解氮为62.01 mg/kg、速效磷为24.33 mg/kg、速效钾为189.0 mg/kg、pH值为7.42。棉田蒸散量和入渗量由大型称重式蒸渗仪(规格为2 m × 2 m × 2.3 m)进行实时监测，气象数据由试验站自动气象站提供，该年为平水年，生育期降雨量见表1。

表1 2016年6-8月降雨量 mm

1.2 试验设计

棉田蒸散监测试验采用大型称重式蒸渗仪进行，试验棉田分别设置膜下滴灌与不覆膜滴灌(对比试验)两种方式，膜下滴灌覆膜率约为86%，忽略膜上打孔，其他条件均一致。种植模式采用绿洲灌区大力推广的机采棉种植模式(一膜三管六行)，采用宽度为205 cm的地膜，滴灌毛管采用灌区内常用的迷宫式单翼滴管带，滴头间距为30 cm，滴灌带间距为76 cm，棉花采用手工播种，株距为10 cm，种植密度约为30 株/m2,具体布置如图1所示。试验棉田采用的灌溉定额为350 mm,全生育期灌水次数10次，灌水定额为35 mm左右；施肥与灌区实际生产保持一致，滴灌水量通过安装在滴灌支管上的高精度水表进行控制。

1.3 测试指标及方法

(1)蒸散量的监测。棉田蒸散量监测采用QYZS-201大型称重式蒸渗仪进行实时监测，该仪器称重系统采用高分辨率位移传感器，配置了智能信号传感器和数据采集器，可同时监测蒸散量和渗漏量随时间的微小变化以及降水与光照等相关参数。同时，可自由设定采样间隔，自带备电，远程传输数据，做到了数据采集的高速化、准确化。其中，分辨率≤0.03 mm水深，采集时间间隔设置为1 h。

(2)作物生长指标。在棉花苗期选定测试棉花并进行标记，采用人工测量的方式在各个生育阶段测定叶面积和株高，苗期每7天1次、蕾期和花铃期每5天1次、吐絮期每12天1次进行测定。叶面积利用YMJ-A便携式叶面积仪进行测量，计算叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)[18]，具体计算公式为：

LAI=f(L,W)/S

(1)

式中：LAI为叶面积指数；S为单株作物所占地面积；f(L,W)为由叶长和宽计算叶面积的函数。

1.4 灌溉制度的确定

根据水量平衡的原理制定灌溉制度[19]：

ET=10γH(θ1-θ2)/S+M+P+K-C

(2)

式中：ET为计算时内作物田间耗水量，mm；γ为土壤干容重，g/cm3；H为计划湿润层厚度，cm；θ1、θ2分别为土壤在时段初和时段末的含水率；M为时段内灌水量或灌水定额，mm；P为时段内降雨量，mm；K为时段内地下水补给量，mm；C为时段内排水量，mm。

灌水周期T[20]：

T=δM/ETa

(3)

式中：δ为灌水利用率；ETa为田间耗水率，mm/d。

1.5 数据处理

所有数据都使用Microsoft Excel 2010数据处理系统进行处理，使用Origin 8.5完成制图。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜方式下棉田蒸散量日变化特征

不同覆膜方式下棉田蒸散量日变化特征如图2所示。由图2可知，各生育期日蒸散量变化规律基本保持一致，大致呈倒“V”型分布，由于覆膜有效的阻碍了棵间蒸发，使不覆膜各时刻蒸散量大于膜下滴灌蒸散量，棉花各生育期日变化蒸散量均表现为：棉田不覆膜和膜下滴灌在0∶00-7∶00和21∶00-24∶00蒸散过程变化曲线比较稳定，蒸散量接近于零。8∶00-20∶00蒸散量曲线先上升后下降，15∶00左右达到最大。

在苗期，由于棉花植株矮小，棉田蒸散量以棵间蒸发为主，棉田膜下滴灌蒸散量较不覆膜降低34.69%；到了蕾期，棉花迅速生长发育，叶片面积明显增大，棉田蒸散明显大于苗期，膜下滴灌蒸散量较不覆膜降低29.30%，花铃期是棉花生长发育最旺盛时期同时也是棉田蒸散量最大的时期，膜下滴灌蒸散量较不覆膜降低27.05%；吐絮期棉花营养生长趋于停止，生育生长也慢慢减缓，叶面积逐渐减小，棉田蒸散量也随之减小，膜下滴灌蒸散量较不覆膜降低30.21%。研究表明，整个生育期膜下滴灌蒸散量较不覆膜平均降低30.31%，苗期表现最为明显。

图2 各生育期日蒸散量变化过程Fig.2 Variation process of daily evapotranspiration in different growth stages

2.2 不同覆膜方式下棉田全生育期蒸散过程变化特征

不同覆膜方式下棉田蒸散过程变化特征如图3和表2所示。由图3和表2可以看出，不同覆膜方式下在蒸散量变化幅度上存在差异但变化趋势基本保持一致。由于膜下滴灌能够有效抑制棵间蒸发，所以膜下滴灌种植方式其蒸散量变化曲线始终位于不覆膜方式下方。

苗末期至吐絮初期，膜下滴灌总蒸散量是397.54 mm，不覆膜总蒸散量是542.02 mm。与不覆膜相比膜下滴灌条件下蒸散量降低了26.65%。其中苗期植株叶面积指数较小，棉田耗水以棵间蒸发为主，膜下滴灌与不覆膜方式蒸散强度均较弱，分别为2.84、3.98 mm/d，阶段耗水模数分别为3.57%、3.68%，阶段覆膜方式较不覆膜方式蒸散量降低28.71%；进入蕾期后，棉花迅速生长，叶面积指数逐渐增大，叶片对土壤覆盖率增加，棉花蒸腾成为主要耗水指标，棉田土壤蒸发逐渐减小，但蒸散强度比苗期高，分别为4.48、6.14 mm/d，阶段耗水模数分别为31.56%、31.72%，阶段覆膜方式较不覆膜方式蒸散量降低27.04%；花铃期的蒸散强度最高，膜下滴灌与不覆膜方式下蒸散量分别达到4.89、6.65 mm/d，阶段耗水模数分别为60.33%、60.08%，阶段覆膜方式较不覆膜方式蒸散量降低26.35%；吐絮期，由于温度降低，净辐射减小，叶片衰老，还受到土壤含水量的制约，蒸散强度低于蕾期和花铃期而高于苗期，膜下滴灌与不覆膜处理蒸散量分别为3.61、4.90 mm/d，阶段耗水模数分别为4.54%、4.52%，阶段覆膜方式较不覆膜方式蒸散量降低26.38%。膜下滴灌的日蒸散量最高为6.43 mm，最低为2.14 mm，日平均蒸发量为4.57 mm；不覆膜方式下日蒸散量最高为8.95 mm，最低为3.22 mm，日平均蒸发量为6.23 mm。通过分析发现：花铃期蒸散量>蕾期蒸散量>吐絮初期蒸散量>苗末期蒸散量，花铃期是整个棉花生育内耗水量最大的时期，超过了其他生育期的总和，随着生育期蒸散量的变化，作物的耗水随之变化，从而导致需水量变化，并且同时期不覆膜处理蒸散量大于膜下滴灌处理。

图3 不同覆膜方式棉田蒸散量Fig.3 Evapotranspiration in cotton field with different mulching methods

生育期日期覆膜方式实际蒸散量/mm蒸散强度/(mm·d-1)阶段覆膜较不覆膜节水百分比/%各阶段耗水模数/%苗末期20160604-20160608覆膜不覆膜14.2019.922.843.9828.713.573.68蕾期20160609-20160706覆膜不覆膜125.45171.944.486.1427.0431.5631.72花铃期20160707-20160824覆膜不覆膜239.85325.664.896.6526.3560.3360.08吐絮初期20160825-20160829覆膜不覆膜18.0424.503.614.9026.384.544.52合 计20160604-20160829覆膜不覆膜397.54542.024.576.2326.65100.00100.00

绿洲不同覆膜方式棉田蒸散所需的水分主要由农田灌溉提供，同时也会受到降雨的影响，降雨期间会使蒸散量曲线下降，随后蒸散曲线随之上升 (图3)，由于降雨造成相对湿度的显著增加同时降低田间温度，减小蒸发，耗水量降低，从而需水量减小。说明降雨对作物需水量有一定的影响。由图3可知，7月23日有降雨。因此，选取7月22日(降雨前)和7月24日(降雨后)对不同覆膜方式实际蒸散日变化监测数据进行对比分析(图4),说明降雨量对蒸散量的影响。

图4 不同覆膜方式降雨前后蒸散量对比Fig.4 Comparison of evapotranspiration before and after rainfall with different film mulching methods

通过图4可以看出，降雨前后膜下滴灌的蒸散量始终小于不覆膜的蒸散量，不同覆膜方式均表现为：降雨后的蒸散量明显高于降雨前的蒸散量，降雨前的蒸散量在夜间均有负值出现，降雨后的蒸散量都大于零。根据日变化的数据来看，降雨前后膜下滴灌蒸散量增加了30.13%，不覆膜降雨前后蒸散量增加了21.56%，降雨后膜下滴灌蒸散量较不覆膜方式降低27.58%。研究表明，降雨对不同覆膜方式的蒸散均具有促进作用。

2.3 对不同生育期株高叶面积的影响

棉花的生长状况可通过棉花的叶面积和株高生长指标进行体现[21]。在相同补水条件下，蒸散量直接影响棉花的株高和叶面积。不覆膜种植棉田蒸散量大，土壤含水量低，土壤中毛管传导率减小，根系吸水率降低，供水不足，作物遭受水分胁迫，株高和叶面积受到影响。膜下滴灌能有效地减小蒸散量，为作物的器官和个体生长发育提供相对充足的水分。

不同覆膜方式下，滴灌棉花植株高度随时间变化过程见图5(a)。由图5(a)可知，苗期(6月8日)，膜下滴灌棉花高度比不覆膜高出10.88 cm。蕾期(7月6日)高出19.49 cm，花铃期(8月3日)高出13.55 cm，吐絮期(8月26日)高出15.02 cm。膜下滴灌植株高度比不覆膜平均增加了25.09%。表明膜下滴灌可以为棉花生长提供相对充足的水分，提高棉花营养发育，加快棉花的生长速度。

图5 不同覆膜方式对株高叶面积的影响Fig.5 The effect of different film mulching methods on high and leaf area of plant

不同覆膜方式下，棉花的叶面积指数的变化趋势基本一致，如图5(b)所示。苗期(6月8日)棉花的叶面积增长缓慢，由于苗期只灌出苗水，后期没有降雨，太阳辐射较强，土壤温度高，棉花生长所需水受到限制，膜下滴灌比不覆膜方式叶面积增加56.33%，此时叶面积指数LAI较小，蒸散强度弱，蒸散量主要以土壤蒸发为主；蕾期(6月9日-7月6日)棉田灌水量有所增加，棉花生长发育迅速，叶面积指数LAI明显增大，蒸散量也随之增加，此时的蒸散量、叶面积增加速度也最快，膜下滴灌叶面积较不覆膜方式增加41.52%；花铃期(7月7日-8月24日)是棉花生殖生长最旺盛时期，叶面积指数LAI达到最大，此时的棉田蒸散量以作物蒸腾作用为主，也是整个生育期蒸散量最大时期，膜下滴灌叶面积较不覆膜增加了24.25%；吐絮期(8月25日-8月29日)棉花营养生长趋于停止，生育生长也慢慢减缓，叶面积逐渐减小，叶面积指数LAI降低，蒸散量也是随之降低，膜下滴灌叶面积较不覆膜方式增加26.67%。研究发现：整个生育期不同覆膜方式的叶面积指数LAI和蒸散量的变化趋势基本保持一致，而各个生育期膜下滴灌的蒸散量小于不覆膜方式，膜下滴灌的叶面积指数LAI大于不覆膜方式。LAI升高促使蒸散量增加，LAI降低促使蒸散量减少。根据试验数据对LAI与蒸散量进行相关分析(图6)，结果表明覆膜条件下和不覆膜条件下LAI与蒸散量相关系数均较低，相关性不显著。

图6 不同覆膜方式蒸散量与LAI相关性Fig.6 Correlation between evapotranspiration and LAI in different film mulching methods

2.4 膜下滴灌灌溉制度的确定

膜下滴灌棉花根区土壤水分消耗深度为60 cm，在计算灌水定额时H一般取40～60 cm[22]，由于试验区地下水较深，K=0；膜下滴灌灌水深度与耗水深度一致，故，C=0。通过监测灌水前土壤含水量及田间气象数据，可根据公式(2)、(3)计算出膜下滴灌棉各生育阶段的灌水定额与灌水周期，其中γ=1.45 g/cm3,δ=0.9。膜下滴灌灌溉制度为：苗期每次灌水定额为21.6 mm，每15 d灌一次；蕾期每次灌水定额为33.6 mm，每8 d灌一次；花铃期每次灌水定额为38.1 mm，每7 d灌一次；吐絮期每次灌水定额为27 mm，每18 d灌一次，吐絮期为促使棉花早丰收，实际灌水量应小于理论灌水量。

3 讨 论

棉花生育期耗水的主要方式是蒸散发，棉田的蒸散由土壤蒸发和作物蒸腾组成。而在棉花生长过程中，水量平衡是一个重要的计算指标[23]。慕彩芸等[11]研究表明覆膜滴灌对棉花蒸散量的影响比较显著,本试验条件下研究发现苗末期至吐絮初期，膜下滴灌总蒸散量是397.54 mm，膜下滴灌的蒸散量较不覆膜方式降低26.5%，这与本研究结果相似；李洋等[24]认为降雨对蒸散量有明显效果，降雨后蒸散量比降雨前实际蒸散量明显增加。本研究结果表明：降雨后的蒸散量明显高于降雨前的蒸散量，降雨前后膜下滴灌的蒸散量始终小于不覆膜的蒸散量，这与本研究结果一致；同时还可以得出降雨后膜下滴灌蒸散量较不覆膜方式降低27.58%，说明降雨后覆膜方式对降低蒸散量有促进作用。

刘净贤[16]通过试验表明，叶面积指数LAI是影响作物蒸散量的主要生物因子；在棉花花铃期和蕾期表现最为明显。本试验条件下，LAI显著影响棉花土壤蒸散量，花铃期最为显著，而LAI对苗期、吐絮期的蒸散量影响较小，这与本研究结果类似，同时LAI的升高能促使蒸散量升高，LAI降低会引起蒸散量的降低，这与柳艺博[25]等研究结果相似。并且，本试验还得出膜下滴灌LAI大于不覆膜。郭春明等[26]研究表明，叶面积指数在很大程度上影响蒸散量，蒸散量与叶面积指数存在显著的线性正相关关系，而本试验条件下蒸散量与叶面积的线性正相关性关系较低，与其研究结果不一致这可能与作物本身的生长状况、灌水制度、太阳辐射等气象因子的差异有关。对于生长指标而言，覆膜滴灌降低了土壤水分蒸发，起到蓄水保墒的作用[27]，可为作物生长贮存更多的土壤水分[28]。本试验条件下不同覆膜方式对棉花的株高和叶面积有不同的影响，膜下滴灌处理下棉花株高、叶面积生长优于不覆膜处理，这与王顺霞[29]研究结果相同。

闫映宇[15]采用水量平衡法对新疆绿洲区膜下滴灌棉花需水量和耗水量研究表明花铃期需水量最大而吐絮期需水量最小，这与本文的研究结果一致。同时本试验条件下还得出同时期不覆膜处理下棉花需水量大于膜下滴灌处理。翟超等[30]研究发现作物的需水量受到蒸散量的影响，蒸散量增加，作物耗水增多，需水量增加，这与本文的研究结果一致。并且，本试验还可以得出膜下滴灌有利于生育期内棉花耗水量降低，减少棉花需水量，节约水资源。杜加强等[31]研究表明，降雨对作物需水量有一定的影响，由于相对湿度的显著增加造成土壤湿度增加，同时降低田间温度，减小蒸发，耗水量降低，从而需水量减小，这与本研究结果相同。

作物蒸散量不仅与生育期有关, 同时受生态系统、多种环境因子和气象因子[32]共同制约： 除了叶面积指数等生物因子[33]，还包括土壤含水量、空气相对湿度、气温等非生物环境因子。而本试验仅在田间定点监测1 a,在接下来的试验中将继续进行监测。

4 结 语

膜下滴灌对于棉花的生长过程和棉田蒸散有着重要的影响，通过蒸渗仪、田间气象站连续监测膜下滴灌与不覆膜棉田蒸散过程和棉花的生长过程，分析了棉田蒸散与棉花的生长规律，研究发现：苗期，膜下滴灌与不覆膜蒸散强度较弱，覆膜使蒸散量降低28.71%，进入蕾期后，蒸散强度比苗期高，覆膜使蒸散量降低27.04%；花铃期蒸散强度最高，覆膜使蒸散量降低26.35%；吐絮期，蒸散强度低于蕾期和花铃期而高于苗期，覆膜使蒸散量降低26.38%。蒸散量会受到降雨的影响，降雨对蒸散有促进作用。膜下滴灌能够有效地抑制棉花的棵间蒸发，节约水分，从而提高了水分的利用效率，使得覆膜条件下的株高和叶面积均大于不覆膜。本文根据膜下滴灌的蒸散量确定了棉田灌溉制度，可为实际生产提供参考。

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