干旱區滴灌棗棉間作模式下棗樹棵間蒸發的變化規律

艾鵬睿，馬英杰，馬 亮

新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052

在農田水分循環過程中，蒸散(棵間土壤蒸發與作物蒸騰)是土壤水分消耗的主要途徑，其時、空變化過程直接影響作物生理發育和灌溉制度的優化與管理?？瞄g土壤蒸發是指土壤受外界條件影響而造成的土體水分流失，并沒有直接參與作物生長發育及最終產量的形成，隸屬于無效耗水范疇。相關研究表明：在整個生育期內，棵間土壤蒸發雖因地域、外界環境、作物種類不同而差異顯著，但占總蒸散量的比例也常常高達的40%以上[1- 4]。因此減少這部分耗水(棵間土壤蒸發)對于提高水分利用效率和發展農田節水事業具有重要意義[5- 6]。

間作是我國農業遺產的重要組成部分，由于可以發揮農作物的共生、互補和群體特性，提高水、土、肥利用率等優點，因此具有良好的應用前景并深受國內外學者重視。在國內外眾多研究中，關于棵間土壤蒸發研究主要集中在玉米/小麥等眾多農作物間作模式的模型構建[2,7- 8]和機理分析[9- 10]，通過試驗驗證，總結出葉面積指數、氣溫、土壤是影響棵間土壤蒸發的關鍵因素。而對于農林復合間作模式，其研究方向多集中在種間競爭和種植模式[11- 12]，未見棵間土壤蒸發研究。由于農林復合模式與農作物間作模式相比，在種植模式和種間競爭關系上均存在著很大的差異，往往導致作物邊界條件更加復雜，不同生育期的土壤蒸發影響因素也難以用統一的標準衡量，所以針對農林復合模式下間作模式棵間土壤蒸發還需加以深入研究和探討。

利用微型蒸發器(Micro-lysimeters, MLS)測定土壤蒸發，并通過對特定的間作邊界系統分析，用以研究間作條件下棵間土壤蒸發規律是一種簡單、廉價、方便而又非常有效的方法。為此本文采用MLS測定棗棉間作模式棵間土壤蒸發，通過分析和論證棗樹棵間土壤蒸發與作物的葉面積指數、主要氣象因素等指標的關聯程度，探討單作與間作兩種不同種植模式下棗樹棵間土壤蒸發的變化規律及影響因子。最終為估算農田土壤水分動態、制定合理的灌溉制度、盡可能的減少無效棵間土壤蒸發損失提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

試驗于2016年4—11月在新疆阿克蘇地區紅旗坡農場新疆農業大學林果實驗基地內進行(80°14′E，41°16′N，海拔1133 m)。試驗區屬于典型的大陸性溫帶干旱沙漠氣候，晝夜溫差懸殊。試驗區地勢平緩，0—100 cm土壤質地見表1，地下水埋深超過10 m。

表1 研究區土壤質地組成

供試作物為棉花，品種為新陸中49號；棗樹品種為灰棗，樹齡5年。棉花于2016年4月19日播種，11月3日收獲；棗樹于2016年4月24日進入萌芽期，11月15日收獲。棗樹株距1 m，行距4 m，南北向雙管滴灌灌溉，滴灌帶距樹干0.3 m。棉花采用一膜1管4行種植，株距8 cm，行距20—40—20 cm。間作種植模式及棉花滴灌帶布置方式見圖1。試驗共設置4個處理，每個處理各設置3個重復，其作物灌溉制度見表2，施肥及作物管理依當地實際情況進行。

1.2 測定指標

1.2.1 土壤含水率

已有研究表明：幼齡棗樹根系吸水主要集中在0—100 cm土層，因此本文主要研究0—100 cm棗樹根區土壤水分變化情況，計算棗樹根區蒸散量采用水量平衡法：

注：果樹生育后期需進行控水處理,因此在棗樹成熟期未進行灌溉。

圖1 棗樹/棉花間作種植模式示意Fig.1 Intercropping jujube tree/cotton planting mode

(1)

式中,ETC為作物蒸散量(mm)；I為灌溉量(mm)；P為降雨量(mm)；?S為土體貯水的變化量(mm)；R地表徑流量(mm)；D為深層滲漏量(mm)。

由于在干旱區采用滴灌灌溉，地表徑流量假設為0 mm。地下水埋深超過10 m，深層滲漏量設為0 mm。土體貯水量采用TRIME-IPH土壤水分測定系統測量。測定時間為每次灌水前、后，雨后需加測。每個處理設3組Trime探測管。棗樹單作布設5根，分別布設在棗樹株間距樹干30、50 cm處和行間30、50、70 cm處；棗棉間作布設7根，分別布設在棗樹株間距樹干30、50 cm處和行間30、50、70、100、125 cm處。

1.2.2 棵間土壤蒸發

棵間土壤蒸發采用MLS(微型蒸發器)進行測定，布設位置為行間、株間各一個，株間距樹50 cm，行間距樹40 cm。MLS(微型蒸發器)采用PVC管制成，內部桶高15 cm，內徑11 cm，外部桶高20 cm，內徑12 cm。每次取土時，將內桶垂直壓入土壤，使其頂面與地面平齊，然后取出內桶，削去多余土壤，并用紗網封住底部，放入外桶內，使其表層與附近土壤持平。然后每天10：00使用精度為0.01 g電子天平稱重。取行、株間內桶重量變化值的平均值，折合成mm，作為該樹的棵間蒸發量。

為使微型蒸滲器內部土壤水分與周圍土壤保持一致，內部土體需每兩天更換一次；降雨后立刻更換土體；灌溉后，由于土體較為濕潤，且取土難度較大，因此選擇隔一天進行取土。

1.2.3 棉花葉面積指數

棉花葉面積采用萬深LA-S儀器進行直接測定。測定時間從6月11日起，每隔10 d每個處理選取3棵株作為樣本進行測定，直至生育期結束。

1.2.4 氣象數據

使用Watchdog小型自動氣象站全天候自動觀測氣溫、輻射、降雨等常用氣象數據，30 min測定一次。其生育期內降雨量與參考作物騰發量變化趨勢見圖2。

圖2 試驗站參考作物蒸發蒸騰量及降雨量變化趨勢Fig.2 Daily and monthly changing process of crop evapotranspiration and precipitation

2 結果與分析

2.1 不同處理下作物棵間土壤蒸發變化規律

表3為不同處理條件下棗樹各生育階段作物蒸散量與棵間土壤蒸發量及比例關系。由于TRIME管在棉花播種當天進行布設，布設后一個月左右測定數值精準度較差，因此缺少5月22日之前土壤水分變化情況和棵間土壤蒸發實測值。9月以后棗樹需要進行控水，不進行灌水，致使到棗樹成熟期時，土地表面異常干燥，土壤棵間土壤蒸發用MLS已經無法測定。因此缺少9月份以后棵間土壤蒸發量。

從表3中可以看出，由于萌芽展葉期僅棗樹進行灌溉，Z2、Z2M2、Z2M1的3個處理棵間土壤蒸發與蒸散量基本無差異，日均棵間土壤蒸發量在1.40—1.47 mm/d之間，日均蒸散量在2.79—2.92 mm/d之間，階段土壤棵間土壤蒸發占蒸散量比例在48%—53%之間。Z1M2處理由于灌溉量較小，蒸發量與蒸散量相對較弱。但當棗樹進入花期后，3個處理棵間蒸發量開始出現差異，單作棵間蒸發開始顯著高于間作棵間蒸發，差幅在8%—10%之間。說明間作種植開始對棵間蒸發產生一定影響，使其棵間蒸發開始出現下降，并一直延續到果實膨大期。這是由于棗樹在萌芽展葉期，間作棉花長勢較弱，各處理株高均不到20 cm，對棗樹棵間蒸發基本無影響。但隨著生育期的推移，棉花株高和葉面積指數迅速提升，逐漸影響到棗樹的棵間蒸發，致使棵間蒸發出現一定程度的下降。

從棗樹全生育期來看：在充分灌溉條件下，單作棵間土壤蒸發占總蒸散量的50%，間作棵間土壤蒸發占總蒸散量的48%，單、間作棵間土壤蒸發差異明顯，間作(Z2M2)相比于單作，可以減少約32 mm土壤蒸發量。因此間作種植可以在一定程度上減少棵間蒸發，減少棗樹不必要的水分消耗。

為對比不同灌水定額棗樹行、株間棵間蒸發的影響，本文選取棗樹生育中后期(花期至果實膨大期)日均棵間土壤蒸發量進行對比，其結果如圖3所示。由圖3可知，各處理日均棵間蒸發量大小為：Z2>Z2M2>Z2M1>Z1M2處理，說明單作棵間蒸發顯著高于間作。間作棵間蒸發量也與灌水量密切相關，當棗樹灌水量增大時，棵間蒸發量升高。對比Z2M2和Z1M2處理，發現當減少棗樹灌溉量時，將會對株間棵間蒸發產生較大影響，而對于行間，由于棉花對其進行一定水分補給，影響程度較之株間相對減弱。對比Z2M2和Z2M1處理，在單獨降低棉花灌水量之后，棗樹行、株間蒸發量均有下降，但行間下降幅度較高。該情況是由于在減少棉花灌溉量后，棉花根區田間含水量相對較低，棗樹根區含水量相對較高，棗樹水分有向棉花運移的趨勢，行間由于距離棉花根區較近，受影響程度較高，株間距棉花根區較遠，受影響程度較弱。

表3不同處理條件下棗樹各生育階段實際蒸散量與棵間土壤蒸發量及比例關系

Table3Therelationshipbetweenactualevapotranspirationandsoilevaporationandproportionindifferentgrowthstagesofjujubetreesunderdifferenttreatments

生育階段Growth period萌芽展葉期Germination花期Florescence幼果期Young fruit果實膨大期Fruit develop-ment合計Total處理日期5-22—5-316-1—7-57-6—8-38-4—9-155-22—9-15Treatment天/d10352943117ET027.19160.61129.94161.80479.54日均ET02.724.594.483.764.10Z2處理E14.7586.7465.6055.76222.85Z2 treatmentEd1.472.482.261.301.90ET27.92148.31128.63139.17444.02ETd2.794.244.443.243.80E/T53%58%51%40%50%Z2M2處理E13.9870.5354.4851.73190.72Z2M2 treatmentEd1.402.021.881.201.63ET29.21128.97119.23125.41402.81ETd2.923.684.112.923.44E/T48%55%46%41%47%Z1M2處理E12.8255.4148.7939.29156.31Z1M2 treatmentEd1.281.581.680.911.34ET29.2193.17111.07127.29360.74ETd2.922.663.832.963.08E/T44%59%44%31%43%Z2M1處理E14.1370.0553.0147.04184.23Z2M1 treatmentEd1.412.001.831.091.57ET28.54123.64121.08119.44392.71ETd2.853.534.182.783.36E/T50%57%44%39%47%

其中E為階段總蒸發量,Stage total evaporation；Ed為日均蒸發量,Daily evaporation；ET為階段總蒸散量,Stage total evapotranspiration；ETd為日均蒸散量,Daily evapotranspiration；E/ET為棵間土壤蒸發占總蒸散量的百分比,Percentage of soil evaporation to total evapotranspiration

2.2 土壤含水量對棵間土壤蒸發的影響

土壤水分是土壤蒸發、植被蒸騰最直接的水分來源，因此土壤水分(土壤含水量)與棵間土壤蒸發關系密切。而由前人研究可知，氣象因素對棵間蒸發影響程度較高，為減弱氣象因素對棵間土壤蒸發的影響，本文采用棵間土壤相對蒸發量E/ET0代表棵間土壤蒸發強度與表層土壤含水量(0—10 cm土壤體積含水量)進行相關性分析。其中參考作物蒸發蒸騰量ET0采用FAO推薦的Penman-Monteith公式計算。

表4 土壤含水量與E/ET0相關性分析

由表4可知，各處理土壤含水量與E/ET0均成極顯著正相關，說明土壤含水量與棵間蒸發關系密切，且當土壤含水量越大，棗樹棵間土壤蒸發強度也就越大。前人研究認為土壤含水量與E/ET0呈指數關系，文中以Z2處理為例(圖4)，通過對比兩者擬合結果，認為二次函數擬合程度優于指數函數。從圖4中可以看出二次函數R2顯著高于指數函數。以實際數值帶入擬合方程，求得均方根誤差RME指數=13%，RME二次=12%。

圖3 各處理棗樹生育中后期株、行間日均棵間土壤蒸發量Fig.3 Each treatment′s row middle and inter jujube tress of the daily water consumption in middle and late growth stage

圖4 Z2處理相對棵間土壤蒸發強度與土壤體積含水量擬合曲線Fig.4 Z2 treatment fitting curve of relative soil evaporation intensity and soil volumetric water content

2.3間作棉花葉面積指數對棗樹棵間蒸發強度的影響

圖5 不同處理條件下棉花葉面積指數Fig.5 Cotton leaf area index in different treatments

在對農作物棵間蒸發的研究中，棵間土壤蒸發與葉面積指數關系密切，因此在棉花生育中后期會對棗樹棵間蒸發造成一定影響。為了盡可能消除土壤含水量、氣象因素等對棵間土壤蒸發造成顯著影響，本文選取稱重第一天，或降雨量較大后第一天的相對棵間土壤蒸發強度E/ET0與棉花葉面積指數進行對比分析。但由于棉花葉面積測定時間難以與所選取E/ET0對應日期相匹配，因此本文先對棉花葉面積指數進行2次函數模擬，通過擬合函數，求解出每日棉花葉面積指數。其擬合結果如圖5所示。各處理行間相對棵間土壤蒸發強度E/ET0與棉花葉面積指數LAI擬合值的關系如圖6所示。

圖6 行間E/ET0與棉花LAI關系Fig.6 The relationship between row middle′s E/ET0 and cotton LAI of Z2M2 treatment

故Z2M2處理、Z1M2處理、Z2M1處理行間E/ET0與擬合LAI的關系：

Z2M2處理：y= -0.0210x2- 0.0201x+ 0.9110R2= 0.5536

Z1M2處理：y= -0.0170x2- 0.0068x+ 0.9117R2= 0.6496

Z2M1處理：y= -0.0384x2+0.0805x+ 0.8616R2= 0.5952

因此棗樹棵間土壤蒸發強度受棉花葉面積指數影響顯著，且與葉面積指數的增加而降低，呈現一定函數關系。棉花葉面積指數是影響棗樹棵間蒸發的重要因子。

2.4 氣象因素對作物棵間土壤蒸發的影響

相關研究表明，在表層土壤為田間持水率或接近田間持水率時，土面汽化潛熱能以及土面與大氣之間水汽壓差是影響土壤蒸發的重要條件，而太陽輻射是汽化潛熱能量的來源，氣溫和空氣濕度是決定水汽壓差的重要組成部分[13- 14]。因此，太陽輻射、氣溫和空氣濕度等氣象因子是影響作物棵間土壤蒸發的重要因子因此太陽輻射、氣溫和空氣濕度日均值僅選取有太陽輻射時求均值，對輻射為0時忽略。

表5給出了當土壤含水量大于16%(體積含水量)時不同處理條件下棗樹棵間土壤蒸發量與太陽輻射、日均溫度、相對濕度的相關系數。由表可以看出：單、間作行、株間棵間蒸發與氣象因素相關性雖存在一定差異，但總體上差異較小，各處理趨勢相同，說明氣象因素對行、株間的差異性的產生不是其主導因素。

單作棵間土壤蒸發與太陽輻射、平均溫度呈極顯著相關，而與相對濕度相關性較差。間作棵間土壤蒸發與太陽輻射呈極顯著相關，而與平均溫度、相對濕度相關性較差。而前人研究認為：棵間土壤蒸發與太陽輻射、平均氣溫、相對濕度相關性較高[15- 16]。在本文單作中，棵間土壤蒸發與相對濕度相關性較差，可能與農藝措施、作物品種、種植密度有關。而在間作中，可能是由于棉花改變了果樹周圍的溫度與大氣溫度的溫差，造成棵間土壤蒸發與平均溫度相關性較差。

表5 棵間土壤蒸發與輻射、日均溫、相對濕度的關系

3 討論

在農田灌溉中，棵間土壤蒸發被認為是無效的水分消耗，確定并減少棵間土壤蒸發對于制定高效土壤節水灌溉制度具有重要意義。在對間作土壤棵間蒸發的研究中，前人多對一年生農作物進行研究，而對農林復合間作模式研究較少，一年生作物間作與農林復合間作模式有較大的差異。一年生作物，不論單作和間作皆會顯著提高近地表植被覆蓋度，加大水分子通過覆蓋區域所受到覆蓋阻力[17- 18]，且覆蓋阻力與覆蓋程度呈現指數上升[19]。而果樹對提高地表植被的覆蓋方式與農作物略有差異，果樹上能提高植覆蓋度的枝條和葉片均圍繞著樹冠生長。樹冠距地表有一定距離，僅能對地表產生一定遮蔭效果，難以產生較大的覆蓋阻力[20]。因此分析農作物棵間土壤蒸發會與果樹棵間土壤蒸發的各項指標得出不同的結論。

圖7 單、間作行間棵間蒸發與太陽輻射關系 Fig.7 The relationship between evaporation of middle and inter monoculture and intercropping and solar radiation

前人研究認為空氣濕度的大小在一定程度上決定著水汽擴散的速度[21]，因此相對濕度對棵間土壤蒸發影響程度較高。而對棗樹單作棵間土壤蒸發分析后發現，棵間土壤蒸發與相對濕度相關性較弱。說明在樹冠底部，空氣流動性較強，由植物蒸騰所造成的相對濕度增加被空氣流動所掩蓋，造成兩者基本無相關性。當進行間作種植時，雖有棉花增加近地表土體上層濕度，但可能是由于果樹與棉花中間存在較大距離和果樹密度相對較低所致，導致間作系統下相對濕度依然與棵間土壤蒸發相關性較差。而農作物地表覆蓋度高，種植密度大，植被內部空氣流動較小，由植物蒸騰所引起的空氣濕度增加難以被空氣流動所掩蓋，致使相對濕度對農作物棵間土壤蒸發造成顯著影響。故由上述可知單作和間作模式差異性主要體現在近地表覆蓋程度上。有研究表明[22- 24]：在裸地和有植被覆蓋時，太陽輻射與棵間蒸發均呈現指數關系。本文對單、間作模式下太陽輻射與棵間蒸發進行模擬(圖7)，同樣呈現指數函數關系。說明太陽輻射與棵間蒸發呈現指數函數關系，且該關系不受作物種植模式影響。

在棵間土壤蒸發的研究中，葉面積指數是影響棵間土壤蒸發的重要因素之一。相關研究表明，農作物葉面積指數能反映下墊面狀況[25]，進而改變作物棵間土壤蒸發。在農作物間作模式下[8,10]，葉面積指數均與相對棵間土壤蒸發強度有較高的擬合性，且出現顯著降低趨勢的指數形式。而本文對葉面積指數和棗樹行間棵間土壤蒸發擬合后發現，擬合函數為開口向下的2次函數，且R2低于前人擬合結果。分析認為，棉花在生育初期，對棗樹棵間土壤蒸發影響強度較弱，因此前期棵間土壤蒸發僅受棗樹本身影響，相對棵間土壤蒸發強度下降緩慢。當棉花生長到一定高度時，對棵間土壤蒸發影響強度提高，棗樹行間棵間土壤蒸發受到顯著影響，開始呈下降趨勢，最終擬合結果出現了開口向下的2次函數，而非前人所擬合出的呈現下降趨勢較大的指數函數。

對比棗樹單、間作棵間土壤蒸發量，發現間作棵間土壤蒸發顯著低于單作棵間土壤蒸發。這一結果與Kubota[26]等結論一致。但柴強等[27]對玉米/小麥棵間土壤蒸發研究發現，間作棵間土壤蒸發量低于單作玉米棵間土壤蒸發，高于單作小麥棵間土壤蒸發。這可能是由于兩種間作作物的灌溉量和灌溉制度所致，棵間土壤蒸發在一定程度上與土壤含水量關系密切，且隨著土壤含水量的升高，棵間土壤蒸發強度越大，且均成拋物線向上形式[28]。

本文雖對影響棗樹單、間作棵間蒸發的各項指標進行了分析，但如何通過影響這些因子來降低蒸發強度從而達到農業節水目的，還有待進一步研究。其次，間作模式雖然在一定程度能夠減少棵間土壤蒸發，但較總生育期耗水量相比，減少幅度相對較小，因此還需要深入研究如何減少果樹棵間蒸發，增加水分利用效率。

4 結論

棵間土壤蒸發在農田水量平衡計算中占有重要地位，對研究作物生理發育和灌溉制度的優化與管理都有著極為重要的意義。本文基于MLS測定棗樹單、間作模式下棵間土壤蒸發強度。通過分析影響棵間土壤蒸發強度的外部因素以及自身變化規律得出以下結論：

(1)在充分灌溉條件下對比單、間作兩種不同種植模式，從棗樹棵間土壤蒸發變化過程可以看出：棗樹在萌芽展葉期各處理棵間土壤蒸發強度基本一致，而到了棗樹生育中后期，單、間作棵間蒸發出現了明顯的差異，說明在該時期棉花已經開始對棗樹棵間土壤蒸發有顯著影響，致使棗樹棵間土壤蒸發在各個生育期出現不同程度的下降，最終導致間作棵間總蒸發量相比單作在整個生育期中減少了約32 mm。

(2)單、間作棵間土壤蒸發受外界環境影響程度較大。在水分充分供給情況下，單作棗樹棵間土壤蒸發與太陽輻射、日均溫等氣象因素均為顯著正相關。間作模式與單作模式存在一定差異，間作棗樹棵間土壤蒸發與太陽輻射為顯著正相關，但與日均溫相關性較弱。在盡可能消除氣象因素影響下，相對土壤棵間土壤蒸發E/ET0與土壤含水量呈開口下，整體趨勢向下的2次函數趨勢。

(3)間作棵間蒸發量與灌水量密切相關。當灌水量增大時，棵間蒸發量同樣升高。間作是一個整體的系統，在減少棗樹灌水量或者減少棉花灌水量時，均會引起水分運移，對棗樹行、株間棵間蒸發造成不同程度的影響。

(4)間作棉花對棗樹棵間蒸發造成很強的邊界效應，致使棗樹行間棵間土壤蒸發受到顯著影響，對行間棵間蒸發與棉花葉面積指數進行擬合，其結果呈現良好的2次函數關系。