喷灌与漫灌对稻田系统小气候影响分析

何佳敏，景元书，韩丽娟，王 帅

(1.气象灾害预报预警与评估协同创新中心/南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044; 2.国家气象中心，北京 100081)

喷灌是一项重要的灌溉方式，它是通过管道把有压水送到需要灌溉的地点，再利用喷头把水分散成细小的水滴，均匀的喷洒在田间。喷灌具有省工、省水、提高土地利用率、增加产量等优点[1]；而漫灌是在对田间不作任何处理的情况下灌水，任其在地面漫流，借助重力的作用使土壤湿润的一种灌溉方式。漫灌对水资源的浪费很大。对这两种灌溉方式，魏新平等人从土壤养分运移特征方面进行了研究，认为漫灌入渗条件下，不利于作物吸收利用，容易造成地下水污染。而喷灌入渗条件下，供水强度低，入渗结束后，有利于作物吸收利用[2]。

农田小气候由土壤温湿度、田间空气温湿度、贴地层与作物层的辐射、光照、风速和二氧化碳浓度等农业气象要素组成[3]。地面和地面植被中特殊的小气候具有很重要的作用[4]，它不仅对作物群体的光合作用呼吸作用有影响，对农作物的产量和品质等均有影响。有研究表明，小气候对气候变化造成的灭绝风险也具有缓冲作用[5]。

针对灌溉对小气候以及作物生长状况影响的分析有很多。在1951年就有学者研究了灌溉对土壤及近地面空气层小气候的影响，发现灌溉后10 d中可以一直观测到温度上的显著差异[6-8]。刘海军等人主要研究喷灌对田间小气候的影响以及对作物生长的影响，他们认为喷灌农田冠层温度降低、湿度增大。喷灌条件下作物耗水量较小，产量和水分利用效率提高[9]。还有学者对比了边界灌溉、表面滴灌和微型喷灌对田间小气候和作物的影响，认为微型喷灌能减少土壤水分蒸发，对水分的利用效率更高[10]。赵建设等[11]、张春同等[12]、吕国华等[13]也分别研究了不同灌溉方式对温室内小气候变化的影响，他们分析了滴灌和漫灌两种条件下小气候变化的原因以及对作物蒸散量的影响，结果显示滴灌条件下温室内空气温度升高了5%，相对湿度降低了6%；漫灌条件下温室空气温度升高过程一般滞后于滴灌条件下温度变化1～2 h。李谦[14]、马美娟等[15]研究了在不同灌水处理下不同深度处土壤温度、稻田冠层内不同高度处温湿度的日变化特征。他们得出灌水后空气的温湿度和土温的日变幅明显减小，喷灌相对于漫灌一定程度可抑制稻田蒸发活动，减少稻田水分的渗漏损失，因此具有一定节水效果。

本文主要对比分析了喷灌和漫灌对稻田小气候的影响，设置了不同灌水处理，并选取了整个灌水时期，利用不同深度处的平均土壤温度、冠层内不同高度处的平均温度和相对湿度，来探究稻田小气候的变化规律，不同灌水对稻田小气候的具体影响效果。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于江苏省南京市浦口区南京信息工程大学农业气象试验站，地理坐标为东经118°42′，北纬32°12′。试验区所处地区气候特征为亚热带季风湿润气候，冬冷夏热，四季分明。年平均温度在15 ℃左右，年极端气温最高39.7 ℃，最低-13.1 ℃。年平均降水量在1 100 mm左右，相对湿度约76%，无霜期大约为230 d[16]。

1.2 试验设计

选用水稻品种为杂交稻两优6326。水稻于2018年5月1日播种，10月25日成熟，试验区具体水稻生育期划分见表1。相应的灌水处理共有4种： A1、A2、A3与对照(CK)。灌水处理时间为2018年7月21日至同年9月12日。具体处理方法为：返青期所有处理小区采取相同灌溉方式，即保持田面至多1 cm水层，以防水稻飘起。分蘖期间1～2 cm水层。拔节孕穗期至灌浆乳熟期间，A1处理通过田块中心固定式喷灌系统进行灌溉，大田每日晚6点灌水，灌水量保持为灌溉后田间水深5 cm。A2采用漫灌处理，大田每日晚6点灌水，灌水量保持为灌溉后田间水深5 cm。A3采用漫灌处理，大田每日晚6点灌水，灌水量保持为灌溉后田间水深10 cm。对照小区在分蘖起始后实行湿润处理，采用水管注水的方式保持田间0～1 cm水层。每个处理重复3次，共有12个试验小区，每个小区设置为2.5 m×2.5 m边界封闭的田块。灌水田块用塑料薄膜与水泥田埂分割，在试验期间，除灌溉外，每个处理的其他农业措施保持一致。

表1 试验区水稻生育期划分Tab.1 Division of rice growth period in the experimental area

1.3 测定项目与方法

1.3.1 稻田小气候

用JL-04土壤温度仪全天候观测A1、A2、A3与CK小区0、5、10、15 cm深度处的土温。温度每10 min记录一次，再通过计算得出每日的平均温度。小区田间温湿度用HOBO温湿度自动记录仪对群体温度和相对湿度进行定点非破坏性测定，分别于20 cm和60 cm固定高度处记录温湿度状况，每隔15 min记录一次，然后通过计算得出每日的平均值。

1.3.2 稻田小气候灰色关联度的计算方法与分析方法

灰色关联度是解决具有可能存在某种影响和被影响关联关系问题的一种客观分析方法[17-19]。本文将CK作为参考序列，A1、A2、A3作为比较序列，具体计算步骤如下：

(1)确定分析的序列矩阵。参考序列用y0表示，比较序列用x1,x2,x3,…,xi表示，这i+1个序列构成一个矩阵： (y0,x1,x2,x3,…，xi)。

(2)对变量序列进行无量纲化。无量纲化后形成的矩阵为(y′0,x′1,x′2,x′3,…,x′i)。

无量纲化采用的公式为：

(1)

同时找出差值矩阵的最大数(最大差)与最小数(最小差)，并分别表示为Δmax与Δmin。

(4)计算关联系数：

(2)

式中：ρ为分辨系数，ρ在[0，1]内取值，一般取0.5，得关联矩阵：(ξ01,ξ02,…,ξ0n)。

(5)计算关联度。

(3)

(6)按关联度排序。对各比较序列与参考序列的关联度从大到小排序，关联度越大，说明比较序列与参考序列的平均距离越小[20]。

2 结果分析

2.1 不同灌溉处理对不同深度土壤温度的影响

对稻田进行不同灌水处理时间为2018年7月21日至同年9月12日，根据稻田生育期划分，选取拔节孕穗期、抽穗开花期、灌浆乳熟期对稻田土壤温度的变化进行分析。

2.1.1 拔节孕穗期不同灌溉处理对土壤温度的影响

图1是2018年7月21日至同年8月22日拔节孕穗期不同深度不同灌水处理的土壤温度日平均图，不同灌溉处理下的气温变化趋势基本一致，A1、A2、A3处理与CK处理后的土壤温度均没有显著差异。结合表2，在0 cm表层土壤，不同处理下的平均温度从大到小排序依次为A3、A1、A2、CK，但总体差异不大，平均土温在28.7～28.9 ℃之间。在5 cm深度土层，A2处理小区的平均土温最小。在10、15 cm土层，CK与A3处理小区土温均略高于A1与A2小区。特别地，在0、5、10、15 cm土层处，A1处理小区平均土温分别与CK处理小区相差0.04、0.05、-0.06、-0.07 ℃；A2处理小区平均土温分别与CK小区相差0.01、-0.13、-0.15、-0.18 ℃；A3处理小区平均土温分别与CK小区相差0.19、0.16、0.13、0.18 ℃。相比于对照小区，A1、A2处理后的土壤温度降低，A3处理后的温度略微升高。对比A1、A2处理结果，两种灌溉方式后的温度相差不大。若灌溉方式由漫灌改为喷灌，其降温效果相同，而且更具有经济意义。

图1 不同灌水处理下拔节孕穗期稻田0～15 cm土壤温度变化Fig.1 Changes of soil temperature 0～15 cm at jointing booting stage under different irrigation treatments

表2 不同灌水处理下拔节孕穗期稻田0～15 cm土壤温度Tab.2 Under different irrigation treatment, the soil temperature in the jointing booting stage was 0～15 cm

2.1.2 抽穗开花期不同灌溉处理对土壤温度的影响

图2是2018年8月23日至同年9月2日抽穗开花期不同深度不同灌水处理的土壤温度的日平均对比图，几种处理后的土壤温度没有显著差异。结合表3，在0 cm表层土壤，不同处理下的平均气温从大到小排序依次为A1、A3、A2、CK。在5 cm深度土层，A2处理小区的平均土温最小。在10、15 cm土层，CK与A3处理小区土温均略高于A1与A2小区。特别地，在0～15 cm土层处，A1处理小区平均土温分别与CK处理小区相差0.09、0.06、-0.06、-0.07 ℃；A2处理小区平均土温分别与CK小区相差0.02、-0.10、-0.09、-0.17 ℃；A3处理小区平均土温分别与CK小区相差0.08、0.08、0.03、0.09 ℃。同样的，A1、A2处理后的土温降低，A3处理后的土温略微升高。

表3 不同灌水处理下抽穗开花期稻田0～15 cm土壤温度Tab.3 Under different irrigation treatment, the soil temperature of 0～15 cm in the heading and flowering stage of the rice field

图2 不同灌水处理下抽穗开花期稻田0～15 cm土壤温度变化Fig.2 Changes of soil temperature 0～15 cm in the rice field during heading and flowering under different irrigation treatments

2.1.3 灌浆乳熟期不同灌溉处理对土壤温度的影响

图3是2018年9月3日至同年9月12日灌浆乳熟期不同深度不同灌水处理的土壤温度日平均对比图。结合表4，在0 cm表层土壤，不同处理下的平均土温从大到小排序依次为A3、A2、A1、CK。在5 cm深度土层，A1和A2处理小区的平均土温小于CK和A3小区。在10、15 cm土层，CK与A3处理小区土温均略高于A1与A2小区。在0～15 cm土层处，A1处理小区平均土温分别与CK处理小区相差0.12、-0.20、-0.31、-0.40 ℃；A2处理小区平均土温分别与CK小区相差0.18、-0.25、-0.28、-0.37 ℃；A3处理小区平均土温分别与CK小区相差0.31、0.24、0.23、0.16 ℃。结果显示，A1、A2平均土温降低，A3土温升高。但几种处理后的土壤温度与CK相比均没有显著差异。对比A1、A2处理结果，喷灌方式下平均土温降低略微明显，其降温效果更好一点。

图3 不同灌水处理下灌浆乳熟期稻田0～15 cm土壤温度变化Fig.3 Changes of soil temperature 0～15 cm in the rice field at different irrigation water treatment stages

表4 不同灌水处理下灌浆乳熟期稻田0～15 cm土壤温度 ℃

2.2 不同灌溉处理对冠层内不同高度温度的影响

2.2.1 拔节孕穗期不同灌溉处理对冠层内不同高度处温度的影响

图4是不同灌水处理下拔节孕穗期稻田冠层内20和60 cm高度处的温度变化图，几种处理的温度变化趋势基本一致，均没有显著差异。结合表5，在稻田冠层上部60 cm处，CK小区气温高于A1、A2、A3小区，平均气温大致在29.4～29.9 ℃。在冠层上部20 cm高度处，各灌水小区平均气温与CK小区之间差距扩大，A1、A2、A3各灌水小区平均气温分别比CK小区低0.40、0.86、0.69 ℃。总的来说，灌水对稻田冠层具有降温作用，而且距离水面越近降温越明显。

图4 不同灌溉处理下拔节孕穗期冠层内不同高度处温度变化Fig.4 The temperature changes at different heights of the canopy during jointing booting stage under different irrigation treatments

表5 不同灌溉处理下拔节孕穗期冠层内不同高度处温度℃

2.2.2 抽穗开花期不同灌溉处理对冠层内不同高度处温度的影响

图5是不同灌水处理下抽穗开花期稻田冠层内20和60 cm高度处的温度变化图，几种处理的温度变化趋势基本一致。结合表6，在稻田冠层上部60 cm处，CK小区气温高于A1、A2、A3小区，分别高出0.29 、0.68、0.46 ℃。在冠层上部20 cm高度处，各灌水小区平均气温与CK小区之间差距扩大，A1、A2、A3各灌水小区平均气温分别比CK小区低0.56、0.86、0.70 ℃。可以看出，越靠近水层降温效果越明显。

图5 不同灌溉处理下抽穗开花期冠层内不同高度处温度变化Fig.5 Temperature changes at different heights of canopy during heading and flowering under different irrigation treatments

表6 不同灌溉处理下抽穗开花期冠层内不同高度处温度℃

2.2.3 灌浆乳熟期不同灌溉处理对冠层内不同高度处温度的影响

图6是不同灌水处理下灌浆乳熟期稻田冠层内20和60 cm高度处的温度变化图，几种处理后的温度没有显著差异。在稻田冠层上部60 cm处，CK小区气温高于A1、A2、A3小区，分别高出0.43 、0.71 、0.50 ℃。在冠层上部20 cm高度处，各灌水小区平均气温与CK小区之间差距扩大，A1、A2、A3各灌水小区平均气温分别比CK小区低0.53、0.69、0.60 ℃。可以看出，20 cm高度处的降温效果更加明显。

图6 不同灌溉处理下灌浆乳熟期冠层内不同高度处温度变化Fig.6 Temperature changes at different heights in the canopy during milk filling under different irrigation treatments

表7 不同灌溉处理下灌浆乳熟期冠层内不同高度处温度℃

2.3 不同灌溉处理对冠层内不同高度相对湿度的影响

2.3.1 拔节孕穗期不同灌溉处理对冠层内不同高度处相对湿度的影响

图7是不同灌溉处理下拔节孕穗期冠层内不同高度处平均相对湿度的对比图。由于田间水层的存在，无论在冠层内的何种高度，灌水小区的湿度状况均优于CK小区。在稻田冠层内60 cm处，CK小区相对湿度低于A2、A3，与A1小区差别不大。在冠层内20 cm高度处，各灌水小区平均相对湿度与CK处理之间差距扩大，A1、A2、A3各灌水小区平均相对湿度分别比CK小区高3.68%、6.51%、6.54%，均达到了显著差异。总的来说，水层的存在增加了稻田群体内的水汽交换，使冠层内相对湿度提高，有利于对高温天气下近地层的农田小气候进行调节。

图7 不同灌溉处理下拔节孕穗期冠层内不同高度处相对湿度变化Fig.7 Changes of relative humidity at different heights of the canopy during jointing booting stage under different irrigation treatments

表8 不同灌溉处理下拔节孕穗期冠层内不同高度处相对湿度Tab.8 Relative humidity at different heights within the canopy at jointing booting stage under different irrigation treatments

2.3.2 抽穗开花期不同灌溉处理对冠层内不同高度处相对湿度的影响

图8是不同灌溉处理下抽穗开花期冠层内不同高度处平均相对湿度的对比图。结合表9，在稻田冠层内60 cm处，CK小区相对湿度低于A1、A2、A3，特别地，A2、A3处理后的相对湿度与CK处理的差异达到了显著。在冠层内20 cm高度处，各灌水小区平均相对湿度与CK处理之间差距扩大，A1、A2、A3各灌水小区平均相对湿度分别比CK小区高5.79%、7.80%、7.50%，均达到了显著差异。对比发现，A2和A3的增湿效果略微优于A1。

图8 不同灌溉处理下抽穗开花期冠层内不同高度处相对湿度变化Fig.8 Changes of relative humidity at different heights of canopy during heading and flowering under different irrigation treatments

表9 不同灌溉处理下抽穗开花期冠层内不同高度处相对湿度Tab.9 Relative humidity at different heights of canopy during heading and flowering under different irrigation treatments

2.3.3 灌浆乳熟期不同灌溉处理对冠层内不同高度处相对湿度的影响

图9是不同灌溉处理下灌浆乳熟期冠层内不同高度处平均相对湿度的对比图。在冠层内不同高度上，A1、A2、A3小区的湿度状况均优于CK小区。在稻田冠层内60 cm处，A1、A2、A3各灌水小区平均相对湿度分别比CK小区高3.68%、6.64%、6.00%，其中A2、A3处理后的平均相对湿度变化差异达到了显著。在冠层内20 cm高度处，各灌水小区平均相对湿度与CK处理之间差异达到显著，A1、A2、A3各灌水小区平均相对湿度分别比CK小区高6.00%、7.91%、8.02%。可以看出，几种处理后稻田增湿效果较为明显。

图9 不同灌溉处理下灌浆乳熟期冠层内不同高度处相对湿度变化Fig.9 Changes of relative humidity at different heights of canopy during milk filling under different irrigation treatments

表10 不同灌溉处理下灌浆乳熟期冠层内不同高度处相对湿度Tab.10 Relative humidity at different heights in the canopy during milk filling under different irrigation treatments

2.4 不同灌溉处理和冠层内温度、湿度以及土壤温度的灰色关联度分析

灰色关联度分析可表明不同灌溉处理对稻田小气候的影响大小。将本次试验的CK处理作为参考处理，A1、A2、A3分别作为比较处理，计算出关联度，再对各个处理与冠层内温湿度、土壤温度之间的关联度求平均，得到每个处理和稻田小气候的平均关联系数。结果如表11所示。

2.4.1 水稻拔节孕穗期的灰色关联度分析

拔节孕穗期内，A1、A2、A3处理下冠层内20 cm高度处的温度对于CK处理下的关联度分别是0.71、0.52、0.58，根据关联度越大，比较序列与参考序列的平均距离越小可以到得出，A2和A3处理下的降温能力比A1强。A1、A2、A3处理下的冠层内60 cm高度处的温度对于CK处理下的关联度分别是0.69、0.58、0.69，A2的降温能力高于A1和A3。对比两个高度处的关联度，可以看出随着冠层高度升高，其几种处理之间的差距减小，且A2的降温能力更强。

表11 3个生育期内不同灌溉对稻田小气候的关联度以及关联系数Tab.11 Correlation degree and coefficient of different irrigation to paddy field microclimate in three growing periods

A1、A2、A3处理地面上方20 cm处的相对湿度对CK处理的关联度分别是0.67、0.51、0.51，灌水对增加稻田相对湿度效果显著，但A2、A3的增湿能力更强。对地表上方60 cm处冠层内的相对湿度，A1、A2、A3处理下对于CK处理的关联度分别为0.81、0.52、0.55，A2、A3处理下相对湿度增加更明显。

A1、A2、A3处理地表温度对于CK的关联度分别是0.63、0.63、0.79，可以看出A1和A2对地表的降温能力优于A3；深度5 cm处的土壤温度，A1、A2、A3处理对CK处理的关联度分别是0.78、0.65、0.71，A2的降温能力最好；深度10 cm处的土壤温度，A1、A2、A3处理对CK处理的关联度分别是0.76、0.66、0.71，同样，A2的降温能力优于A1、A3；深度15 cm处的土温，关联度分别为0.81、0.70、0.68，降温能力从强到弱依次是A3、A2、A1。

A1、A2、A3处理对CK处理下的关联系数分别为0.73、0.60、0.65，可以看出，A2对稻田的降温增湿能力要强于A1和A3。

2.4.2 水稻抽穗开花期的灰色关联度分析

对抽穗开花期内稻田小气候的分析，冠层内20 cm高度处，A2降温能力更强；在冠层内60 cm高度处，A2降温能力最强，A1的降温能力最弱。稻田冠层内，地面上方20 cm处的相对湿度，A2和A3的增湿能力强于A1；对地表上方60 cm处冠层内的相对湿度，A2增湿能力更强。3种处理后的地表温度，A1和A2降温能力强于A3；深度5 cm处的土壤温度，A2降温能力最强；深度10 cm处的土壤温度，A1的降温能力最强；15 cm处的土温，A3的降温能力最强。各处理相对CK处理的关联系数分别为0.74、0.61、0.68，可以看出，其降温增湿能力最好的是A2。

2.4.3 水稻灌浆乳熟期的灰色关联度分析

对灌浆乳熟内稻田小气候的分析，由表可得，冠层内20 cm高度处的温度、相对湿度，60 cm高度处的温度、相对湿度，地表温度，5 cm深度处的土壤温度，均是A2处理的降温增湿能力最强；在10 cm处的土壤温度、15 cm处的土壤温度，A1处理的降温能力最强。由关联系数看，A1、A2、A3分别是0.70、0.61、0.70，A2的降温增湿能力强于A1和A3。

3 结 论

对比不同灌溉方式对稻田小气候的影响，依据温度和湿度小气候因子的变化，选取不同生育期进行分析。结果表明：

(1)不同灌溉处理之后不同深度处土壤温度基本都有所降低。在3个不同的生育期内，A1、A2处理后的土温均低于CK处理，但A3处理后的土温略高于CK处理。对于A3处理土壤温度增加现象，其原因是随着土壤含水量的增加，热量传递需要时间，所以土壤温度的变化幅度就会减小，进一步降温的效率就会减缓。比较同样深度处喷灌和漫灌的处理结果，在地面以下5、10、15 cm处的土壤，都表现出了漫灌的降温效果稍强于喷灌的降温效果。

(2)在经过不同灌溉处理后，冠层内地面上方不同高度处温度降低，相对湿度增加。但灌水深度不同，对稻田上方冠层内部温湿也有影响。比较几种不同的处理方式发现，稻田冠层内，漫灌处理比喷灌处理的降温效果更明显，其相对湿度的增加也更明显，保湿效果更强。

(3)运用灰色关联度分析的方法得出漫灌处理下对稻田土壤、冠层降温增湿能力更强，其与CK的关联系数稳定在0.60左右。喷灌的关联系数大致在0.70左右。从以上结果可以看出，漫灌的降温增湿能力稍强于喷灌，但其差距不大。考虑到漫灌对水资源的浪费很大，而且在入渗时不利于被作物吸收利用。因此，综合分析两种灌溉方式，喷灌要优于漫灌，因其在具有降温增湿能力的同时又具有省工省水的优点，保证改善和调节农田小气候的同时又达到节水的目的。