膜下滴灌棉田凝结水量研究

马瑞莎，乔长录*，葛瑞晨

（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）

0 引言

【研究意义】凝结水是干旱半干旱地区除降水之外水资源的重要组成部分[1]，这种以“非降水”形态形成的水分对生态系统以及水量平衡具有重要意义，尤其是在干旱半干旱地区，凝结水是非常重要的水资源之一[2-3]。【研究进展】凝结水在干旱半干旱地区的重要性一直是国内研究的热点问题，国外关于凝结水的研究主要集中沿海沙漠地区[3-4]，如Beysens 等[5]对法国波尔多市区南部贝佩萨克镇的凝结水和雨水的理化性质进行了检测，详细阐述了城市沿海地区凝结水和雨水的化学和生物特性；Matimati 等[6]对南非干旱区的凝结水进行了研究，得出凝结水在维持梨香和裂头蕨2 种肉质植物的生长和存活起着至关重要的作用；Hanisch 等[7]对马达加斯加西南部半干旱海岸地区的凝结水进行了实际观测研究，发现马达加斯加西南部沿海地区，凝结水在水分平衡中起着重要作用；Atashi 等[8]对约旦10 个地点40 年的空间、季节和年凝结水量进行了数值模拟，发现地地中海气候比半干旱气候更易产生凝结水。国内对凝结水的研究始于20 世纪60 年代，主要集中在北方干旱半干旱地区[9]，如潘颜霞等[10]采用PVC 管手动称重法和布板法对沙坡头地区不同地形凝结水的形成特征进行了探究，发现地形是影响干旱区凝结水形成特征的重要因子。方静等[11]通过控制试验，对黑河中游的凝结水开展观测，建立了凝结水形成速率与近地层气象因子之间的多元回归方程，得出凝结水与微气象因子的关系；郭晓楠等[12]运用微型蒸渗仪、涡度相关法和Penman-Monteith 公式，对宁夏盐池沙生灌木生态系统的凝结水进行了测定和估算，进一步说明凝结水是维持荒漠生态系统功能的重要稳定水源；成龙等[13]通过对高寒沙区凝结水的研究，总结出高寒沙区凝结水凝结过程与温湿度的关系；王忠静等[14]用涡度相关法从能量平衡的角度说明凝结水在干旱区水量平衡中不容忽视的作用，宜在水量平衡方程中显式表达凝结水过程和凝结水项；Yu 等[15]基于辐射冷却理论和凝结水形成的物理机制，揭示了凝结水在场区、流域和区域尺度上的凝结量和持续时间及其影响因素，指出了气候变化下露珠湿度变化规律研究中存在的问题。Feng 等[16]在青藏高原典型高寒草地生态系统凝结水的研究中发现：气温升高会显著减少凝结水量和凝结持续时间，并且会改变凝结水的季节分布。【切入点】综上所述，国内外学者从凝结水观测方法与水量量测、持续时间、影响因素等方面进行了广泛研究，但对于膜下滴灌棉田凝结水的研究较少。【拟解决的关键问题】本文拟依托石河子大学节水灌溉试验站膜下滴灌棉田水文循环观测实验，探讨膜下滴灌棉田凝结水的产生时间、动态变化、影响因素等。进一步探讨覆膜对棉田凝结水的影响机理以及凝结水对干旱区棉花生长的作用。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验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2865h，多年平均降雨量为207 mm、蒸散量为1660 mm，昼夜温差大，气温季节性变化较大，无霜期为170d。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计

试验于2019 年4 月20 日—10 月5 日在石河子大学节水灌溉试验站进行，气象数据主要通过试验站内的自动气象站完成，监测距离地面2m 高处的温度、湿度、降水、辐射、日照时间、风速、风向及气压等数据，记录间隔为1h。

1.2.2 凝结水监测

试验棉田采用“干播湿出”的方式，播种深度为3～4cm，全生育期内的凝结水量由 3 台规格为2m×2m×2m 型号为QYZS-2010 的大型称重式蒸渗仪进行实时监测，为减小风速、空气湿度、土壤温度、土壤含水率、土壤组成和质地等多种因素对观测试验的影响，保证数据的可靠性，其中2 台设置为覆膜滴灌方式，1 台设置为不覆膜滴灌方式，蒸渗仪有效蒸散面积为4.0m2。试验期内通过测量蒸渗仪内土壤质量变化量引起的位移传感器变化间接量测蒸散量、渗漏量和凝结量，蒸渗仪精度为0.02mm，数据采集时间间隔1h。

1.2.3 数据处理

使用SPSS 对气象数据的缺失数值进行补缺，使用Excel2016、Origin9.1 进行试验数据的处理和绘图。为提高蒸渗仪数据的精度，首先剔除数据坏点以及有雨雪天气的数据，随后参考季辰等[17]提出的蒸渗仪数据筛选方法，设定一个值δ 筛选数据，保留满足|xi-xa|<δ 计算凝结量，在保留数据中按照yj-yi计算，所得负值累加即为凝结水量。其中xi为蒸渗仪数据，xa为蒸渗仪数据的平均值，δ为蒸渗仪数据标准差的1.5 倍，yi前一时刻蒸渗仪数据，yj为后一时刻蒸渗仪数据。

2 结果与分析

2.1 全生育期凝结水动态变化

为验证试验数据的准确性，本研究将不同覆膜条件下大型称重式蒸渗仪所测得的全生育期12h 凝结水动态变化进行比对，结果如图1 所示。

2.1.1 典型日凝结水日变化

凝结水量与温度、湿度、季节变化等气象因素密切相关，为减少不确定因素对研究结果的影响，本研究中剔除大风、雨雪、阴天、数据不全以及数据不合理的日期，在各个生育期中选取1 个晴天、无风、数据正常的典型日。分别选取棉田全生育期内出苗期第1 天、春夏交替日、夏季平均气温最高日、夏秋交替日，即4 月20 日、5 月30 日、8 月2 日、9 月27 日作为典型日，探讨膜下滴灌棉田凝结水的日变化规律。典型日凝结水日变化如图2 所示。

由图2 可知，水汽从00:00 以后凝结过程开始，一直到 08:00 结束，历时8h。全生育期4 个典型日凝结水动态变化中，蒸散过程与凝结过程交替进行。凝结过程可分为3 个阶段：第1阶段从（00:00—03:00），凝结速率缓慢增加，1h 后凝结速率开始下降，直到凝结和蒸散达到一个相互抵消的状态（即凝结水量=0）。第2 阶段（03:00—07:00），当气温逐步趋近于露点时，凝结速率迅速增加，并且在04:00—05:00 凝结速率达到最大。第3 阶段（07:00—09:00）在日出之前，气温逐步回升，凝结水持续减少随后转为蒸散。

从图2 中00:00—08:00 的观测结果中可以看出，春夏交替阶段的凝结速率要高于夏秋交替阶段，夏秋交替阶段的水汽停止凝结的时间较早，经历较长一段时间后逐步转为蒸散状态，这与其他3 个典型日略有不同；8 月2 日的平均气温最高，昼夜温差较大，水汽的凝结受到了一定程度的影响，凝结变化起伏较为剧烈。综上可知，在相同的观测条件下，气象条件的变化可以引起凝结水量的差异，也会影响凝结水的动态变化。这是由于在初春时期，气温回升较快，土壤温度回升较慢，有利于凝结水的产生，在春夏交替阶段，每日13:00—17:00 的太阳辐射逐步增强，地面吸热升温加快，在夜间地温迅速降低，近地面气温的降低速率较低，近地面气温高于低温，故凝结速率相对较快，凝结量相对较多[10,18]。

2.1.2 全生育期凝结水动态变化

棉田全生育期的每日凝结水量如图3 所示。由图3 可知，在棉田全生育期内均有凝结水产生，每日产生的凝结水量大约在0.1～1mm 之间，其中夏季产生的凝结量最多，春季其次，秋季最少。这是因为夏秋季节交替的阶段，气温降至露点的时间延迟，日出前的水汽凝结时间缩短，所以凝结量相对较少。

表1 典型日选取时间节点及相关气象数据Table1 Select time nodes and relevant meteorological data of typical days

2.2 不同生育期凝结水量动态变化

棉花生长过程中，不同阶段对水量的需求也有所不同，为减少不确定因素对研究结果的影响，分别在苗期、蕾期、花铃期、吐絮期内选取生育期开始、生育期结束、平均温度最高、平均温度最低4 个典型日进行分析研究，旨在说明不同生育期棉田凝结水的动态变化规律。典型日选取的时间节点、相关气象数据及不同生育期凝结水变化动态过程如表1 和图4—图8 所示。

4 个不同的生育期阶段，花龄期的蒸散量与凝结水量均高于其他3 个时期。苗期与吐絮期的凝结速率先逐渐增多，随后逐渐减少直至停止凝结，蕾期与花铃期凝结速率先增大后减小，再逐渐增大随后减小，最后停止凝结。苗期、蕾期、花铃期持续时间相同，一般在00:00 开始凝结，直至次日08:00 结束，各生育期的凝结速率都是在01:00—03:00 达到最大，随后开始缓慢下降；通过对比花铃期4 个典型日可以看出，7 月7 日的凝结相较于其他典型日较高，这是由于7月7 日平均气温最高，昼夜温差相对较大，为水汽凝结提供了有利条件；其他3 个典型日的凝结与蒸散过程频繁交替，凝结水量相对较低，原因是白天蒸散量较大，地面处于干燥状态，水汽凝结初期产生的凝结水快速消耗，又转为一种微小的蒸散状态，经过多次凝结-蒸散转换之后，随着气温逐渐降低，凝结过程逐步趋于一种稳定的凝结状态。

2.3 不同生育期凝结水量比较

图9 为覆膜条件下不同生育期12h 凝结水累加量。由图9 可知，从凝结水量看花铃期最多，其次是蕾期和吐絮期，苗期最少。花铃期与蕾期平均温度相对较高，夜间平均温度较低，昼夜温差较大，白天干燥许久的土壤空气湿度增加，凝结速率变快，便产生了非常可观的凝结水量。苗期经历时间较短，凝结速率不稳定，受自然条件中不确定因素影响较大，所以苗期产生的凝结量微乎其微。吐絮期正值夏秋季节，气温降至露点的时间延迟，日出前的水汽凝结时间缩短，所以凝结量相对较少。

2.4 不同覆盖方式对凝结水量的影响

比较2 种不同覆盖方式的凝结水量可知（表2），2 种处理方式下的凝结水量均趋于先增大后减小的变化规律。由表2 可知，覆膜全育期凝结量为72.12 mm，各生育期的凝结水量分别为19.35、15.18、27.55、10.04 mm，不覆膜全育期凝结量为89.2 mm，各生育期的凝结水量分别为18.9、21.29、33.55、15.46 mm，2种不同处理方式下的凝结水量都在花铃期达到最大，不覆膜条件下的凝结量比覆膜条件下的凝结水量高23.68%。覆膜与不覆膜2 种方式不会影响水汽凝结的动态变化规律，不覆膜条件下更有利于凝结水的产生。这是因为2 种滴灌条件下，各个生育期均在08:00—12:00 蒸散速率达到最大。覆膜滴灌条件下，蒸散量大，凝结水以露珠的形式凝结在膜上，次日早晨日出之后，膜上的凝结水便会快速蒸散，覆膜条件不利于凝结水进入土壤（图10）。

表2 不同覆膜方式下全生育期内凝结水量Table 2Condensation amount in the whole growth period under different coverage methods

2.5 凝结水与气象因素的关系

从凝结水的形成条件来看，各生态系统影响凝结水形成的最关键因子均为相对湿度，另一个重要因素就是空气温度[18]。本研究根据所测得的凝结水量与近地层的相对湿度（RH）、露点温度（Td）、地表温度（Ts）、风速（Ws）、环境温度（Ta）做了相关性分析和多元线性回归模型，结果见表3。

表3 凝结水量与气象影响因子相关系数Table3the correlation coefficient between dew amount and meteorological factor

在覆膜滴灌条件下，对凝结水量和气象因子进行多元相关性分析表明，棉田凝结水量与相对湿度（RH）、露点温度（Td）正相关，与地表温度（Ts）、风速（Ws）、环境温度（Ta）负相关，其拟合公式为Idew=0.303+0.002RH+0.004Ta，R2=0.595，P<0.05。

在不覆膜滴灌条件下，凝结水量和气象因子的多元相关性分析表明：棉田凝结水量与相对湿度（RH）、露点温度（Td）正相关，与地表温度（Ts）、风速（Ws）、环境温度（Ta）负相关。其拟合公式为：Idew=-0.523-0.003Ta-0.005Ts+0.002RH ， R2=0.669 ，P<0.05。

3 讨论

凝结水的产生因地域、土质、作物类型、试验方法等的不同会呈现出一定的差异，针对本试验棉田，根据凝结水量与相对湿度（RH）、露点温度（Td）、地表温度（Ts）、风速（Ws）、环境温度（Ta）5 个气象因子的多元相关关系，初步得出凝结水量的多元回归结果，由于回归方程R2并不高，对于膜下滴灌棉田凝结水量的估算以及与气象因子的关系还需更进一步的研究。

凝结水作为维系干旱区主要食物链的水分来源之一，在干旱区水分平衡研究中意义重大[19]。凝结水量少，存在时间短，对于水资源充足地区研究意义无足轻重，但在干旱半干旱区，以及水资源匮乏的沙漠生境，凝结水是重要的水资源[20-21]。经研究发现滴灌棉田凝结水的动态变化与其他作物以及裸地的研究结果一致；就凝结水量而言，花铃期水量最大；不覆膜条件凝结水量高于覆膜条件的。

本研究中，苗期凝结水量覆膜条件下高于不覆膜条件，原因可能是：①苗期，覆膜延缓了土壤温度的变化，使得土壤温度与空气温度形成较大的温差，有利于凝结水的生成；②覆膜会引起土壤热通量和净辐射的变化，地表和土壤温度升高导致土壤蒸发、空气中水汽增多，从而增加空气相对湿度，有利于凝结水形成[22-23]，2 种猜想在以后研究中也需要进一步验证。

除了苗期以外其他生育期，不覆膜条件下的凝结水量高于覆膜条件，原因可能是：①随着棉花叶片逐渐增多，棉田冠层以下降温较慢，不覆膜条件下风可以带走棉田冠层以下释放的热量，使得温度尽早达到露点[18]；②与不覆膜条件相比，覆膜条件下地表温度降温慢，昼夜温差相对较小，凝结速率变慢，故凝结水生成量少于不覆膜条件。

凝结水量随着地域、不同时段的环境因素、试验条件等的不同而呈现出明显的差异，新疆地区滴灌棉田凝结水相对于其他研究结果水量较多，可能有以下3 个原因：①棉花在蕾铃期时叶片数量会迅速增长，叶面积指数和凝结面增多，凝结水量也随之增多。叶片遮挡也可以抑制土壤水分的蒸散，保持了冠层的湿润，提高了相对湿度；②花龄期正值7、8 月，气温较高，棉田白天蒸散量大，地表较为干燥，可以产生数量较多的凝结水，这与方静等[24]凝结水研究中提出的观点一致；③试验地的土壤含盐量相对较高时，土壤吸湿系数和抗蒸散能力增强，地表昼夜温差增大，提高了凝结水生成量[25]。

膜下滴灌棉田全育期内的凝结水量为72.12 mm约占灌水量（412 mm）的17.50%，占年平均降水量（207 mm）的34.84%。在干旱环境中的棉田可以通过吸收凝结水补充自身需要的水分，抵御干旱，促进种子萌发。由此可见，凝结水作为一种淡水资源，尤其是在干旱和半干旱地区更是不可或缺的，对于棉花的生长也具有重要意义。

4 结论

1）滴灌棉田每日从00:00 开始凝结，至08:00 结束，历时8h；凝结过程可分为缓慢凝结、快速凝结和转为蒸散3 个过程。凝结量和蒸散量均为：花铃期>蕾期>吐絮期>苗期。

2）全生育期覆膜比不覆膜凝结水量少17.08 mm，占凝结水总量的23.68%。

3）不覆膜滴灌条件更有利于凝结水的产生，覆膜滴灌条件下，凝结水会以露珠的形式凝结在膜上，次日早晨日出之后，膜上的凝结水便会快速蒸散，覆膜条件不利于凝结水进入土壤。

4）覆膜与不覆膜2 种条件下，棉田凝结水量均与相对湿度（RH）、露点温度（Td）正相关，与地表温度（Ts）、风速（Ws）、环境温度（Ta）负相关。