覆膜棉田蒸散發日變化規律及其影響因子分析

潘杉杉，梁 杏，2，劉延鋒，盧昱含，李 嚴

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)盆地水文過程與濕地生態恢復學術創新基地，湖北 武漢 430074)

蒸散發是土壤-植物-大氣連續體(soil-plant-atmosphere continuum,SPAC)中不同功能作用層水分上行運動的重要紐帶，同時也是水文循環中最大、最難估算的部分[1]。地表蒸散發量一直是國內外地學、氣象、水文學界關注的焦點問題之一，特別是最近幾十年來隨著地表能量交換和物質遷移研究的深入以及對水資源合理利用與管理定量化的迫切需求，蒸散發問題越來越受到人們的重視[2-3]。在西北干旱地區生態系統中，蒸散發是水文循環中的主要排泄方式，通常有90%以上的水分通過蒸散發消耗[4-5]。國內外學者研究表明，蒸散發受到不同環境因子(如土壤含水率、空氣溫度、太陽輻射等)的影響明顯[6-9]。因此，合理、精確地觀測和計算干旱地區蒸散發量并分析其與環境因子之間的關系，對于準確評估干旱地區水資源具有十分重要的意義。

國際上對蒸散發的研究已經有200多年的歷史，經過長時間的發展和完善，蒸散發量的估算方法和監測手段都取得了重大的進展。傳統的蒸散發量估算方法多是基于氣象觀測站的單點計算，主要方法有水量平衡法、彭曼綜合法、互補相關法等，雖然能提供相對準確的蒸散發量，但是無法滿足區域估算的要求[10-12]。20世紀中后期，隨著遙感技術的不斷發展，國內外相繼開展了利用衛星遙感技術估算區域蒸散發量的研究，相對于傳統方法，遙感技術具有經濟、適用、有效的優勢[13-16]。蒸散發量的估算模型雖然較為詳細地考慮了蒸散發的物理機制，但在實際使用過程中，需要大量長期連續的氣象觀測數據，由于蒸散發模型中包括氣象要素條件在內的各種參數眾多，蒸散發量的估算精度還有待進一步提高。因此，相對于大尺度蒸散發量的估算，利用實驗儀器測量田間單點蒸散發量，取得更為準確的田間實測數據具有一定的實際意義[17-18]。

棉花是新疆瑪納斯河流域的主要經濟作物，棉田蒸散發量作為干旱地區水循環的重要組成部分，是農田水量平衡的重點研究內容[19-21]。因此，本研究在新疆生產建設兵團炮臺土壤改良試驗站，利用LCpro+光合作用儀測量了膜下滴灌棉田田間蒸散發量，分析了該干旱地區棉田蒸散發量的動態變化規律，并探討了其與環境因子之間的關系，以為該流域水資源評價與綜合開發利用以及判定合理的灌溉制度提供科學依據。

1 材料與方法

1. 1 研究區地理位置

研究區設在新疆生產建設兵團第八師121團炮臺土壤改良試驗站試驗田內(85°33′4.35″E，44°47′40.28″N)，試驗站地處新疆瑪納斯河中下游，為典型的內陸荒漠氣候，日照時間長，年平均日照時間達2 772 h，年平均氣溫為8.2℃；年平均降水量為164.3 mm，主要集中在6～9月份，占全年降水量的50%左右；年平均蒸發量為2 036.2 mm，年平均風速為1.5 m/s。試驗站地下水位埋深在3.46～3.67 m范圍內波動[22]。

1. 2 測量儀器與實驗原理

植株葉片蒸騰量和膜間土面蒸發量采用LCpro+光合作用儀(配備多種可更換的植物葉室和土壤呼吸罩，ADC Bioscientific Ltd.,Hertfordshire,UK)監測。棉田蒸散發量的測量是在 “開放系統”中完成的，新鮮空氣通過植物葉室或土壤呼吸室，在引入氣體(參考水平)和通過葉片或土壤樣品(分析水平)狀態下完成測量，之后氣體排出系統。由于氣體濃度與氣流速度之間的差異，蒸騰速率約每20秒計算一次。植物葉室中的小風扇能夠使葉片周圍的空氣充分混合，土壤呼吸室也與此類似。水分通過兩個高精度濕度傳感器測量。植株葉片蒸騰速率或土面凈H2O交換速率(土面蒸發速率)，可由下式計算[23]：

(1)

1. 3 實驗設計

1.3.1 蒸散發的監測

本研究在炮臺土壤改良試驗站試驗田內隨機選取一塊棉花地，按照“梅花”型五點布置法選定5個監測點，每個監測點監測1株棉花并做好標記，采用LCpro+光合作用儀測定一個TM影像像素尺度(30 m×30 m)內不同位置5組植株葉片蒸騰速率和膜間土面蒸發速率。考慮到棉花的冠層結構，分別測定上、中、下3層葉片的蒸騰速率。每層選定一片陽葉，每一葉片測定3次，平均值即為該葉片的蒸騰速率值。監測時間處于棉花鈴期到吐絮期期間，在一個灌水周期內，于灌水前2 d(2017年8月13日、2017年8月14日)及灌水后6 d(8月18日、8月19日、8月21日、8月24日、8月26日、8月30日)，每天9∶00、12∶00、15∶00、18∶00、21∶00五個時間段對棉花葉片蒸騰量和膜間土面蒸發進行監測。由于夜間植株氣孔關閉，其蒸騰作用十分微弱，夜間土面蒸發量也極小，因此夜間棉田的蒸散發量不予考慮[24-25]。

1.3.2 土壤含水率和土壤溫度的監測

本研究利用TDR和地溫計監測5組棉花寬行(膜內)土壤剖面的含水率和溫度，土壤剖面取1 m深，每10 cm測定一個土壤含水率值。此外，利用LCpro+光合作用儀在測定土壤蒸發量的同時測量膜間地表溫度。

1. 4 H2O通量測量及蒸散發量計算

1.4.1 植株葉片蒸騰速率的計算

植株葉片蒸騰速率一般都選取陽葉進行測量，這是因為陰葉的遮蔽程度往往很難平均，無法用統一的標準選擇樣本[26-27]。通過葉片尺度觀測得到植株尺度蒸騰需要一定的轉換方法，通常情況下可采用簡單、直觀的升尺度模型，即將觀測到的陽葉單位面積蒸騰量乘以植株總的葉片面積，即可求出整棵植株的蒸騰量(即模型1)，但該模型忽略了植株的冠層結構及葉片的重疊遮蔽程度，計算得到的結果誤差較大[28]。因此，本文選用張治[18]提出的一種新的升尺度模型來計算植株葉片的蒸騰速率，其計算公式如下：

(2)

式中：T為田間單位面積植株葉片的蒸騰速率(mm/h)；k為植株的冠層分層數(1，2…，m)；Mk為采用LCpro+光合作用儀在葉層k的陽葉測量的蒸騰速率結果[mmol/(m2·s)]；αk和βk分別為k層陽葉面積占總葉面積的比例(%)和陰葉蒸騰速率占陽葉蒸騰速率的比例(%)；6.48×10-2為換算系數；Ak為k層葉的面積(cm2)。

本文中植株的冠層分層數k取3；αk、βk的取值見表1;總葉面積采用葉面積指數算得，葉面積指數利用雅欣葉面積指數儀測量并計算得到，其值為1.64；日蒸騰量取各時間監測均值乘以12 h，忽略夜間蒸騰量(視為零)。

1.4.2 膜間土面蒸發速率的計算

膜間土面蒸發速率的計算方法與植株葉片蒸騰速率類似，白天土面蒸發速率采用儀器監測值計算，日蒸發量取監測平均值乘以12 h，夜間蒸發量極小可以忽略。相比植株葉片蒸騰，儀器測定土面蒸發時，土壤呼吸罩直接覆在土面上，不涉及尺度轉換的問題，且測定條件相對穩定，故土面蒸發速率可用下式計算：

表1 一天內不同時刻一定冠層結構不同位置陽葉占總葉面積比例α、陰葉占總葉面積比例1-α及陰、陽葉蒸騰速率比β[29-30]

E=6.48×10-2×Wflux

(3)

式中：E為田間單位面積的土面蒸發速率(mm/h)；Wflux為利用土壤呼吸罩測量的土面蒸發速率結果[mmol/(m2·s)]。

1.4.3 田間蒸散發量的計算

棉田單位面積的蒸散發量等于棉花葉片蒸騰量與膜間土面蒸發量之和。試驗區棉田實行一膜三管六行的種植模式，單膜寬約為2.3 m，膜間土面寬約為0.22 m，考慮到覆膜條件下，只有膜間存在土面蒸發。因此，單膜條件棉田下單位面積的蒸散發量可用下式計算：

ET=E+9.56×10-2×T

(4)

式中：ET為單膜條件下棉田單位面積的蒸散發量(mm/h)；T為田間單位面積的植株葉片蒸騰速率(mm/h)；E為田間單位面積的膜間土面蒸發速率(mm/h)。

本文利用Excel對上述監測數據進行處理與計算，再采用Coreldraw12作圖,可得到棉花葉片蒸騰速率和膜間土面蒸發速率日內、日間的變化特征圖以及棉田蒸散發的日內、日間的變化特征圖。

2 結果與分析

2. 1 棉花葉片蒸騰速率日內及日間的變化特征

研究區棉花葉片蒸騰速率日內及日間的變化特征見圖1。

圖1 研究區棉花葉片蒸騰速率日內及日間的變化特征Fig.1 Diurnal and daily variation of the cotton leaf transpiration in the study area

由圖1可以看出:

(1) 棉花葉片蒸騰速率日內的變化基本呈現中午高、早晚低的單峰型[見圖1(a)]，日出后，隨著光照增強、氣溫升高，植株葉片氣孔開放，蒸騰作用逐漸增強，在中午12∶00～15∶00出現峰值，蒸騰作用最為強烈，之后隨著光照強度的減弱，氣溫降低以及日落前后植株葉片氣孔逐漸關閉，蒸騰作用也逐漸下降，其蒸騰速率趨近于0。

(2) 上、中、下三層葉片的蒸騰速率沒有顯著差異，但仍然有上部葉片蒸騰速率略大于下部葉片的現象見[圖1(b)]。

(3) 棉花葉片蒸騰速率的日間變化受灌水周期的影響，在灌水后第一天(8月18日)棉花葉片蒸騰速率并沒有明顯提高，這是由于剛剛灌水之后土壤含水率較高，氧氣含量較低，植物根系有氧呼吸受到抑制，出現了水分脅迫，從而影響植株對水分的吸收[31]；在灌水后第二天(8月19日)棉花葉片蒸騰速率達到峰值[見圖1(c)]。

(4) 棉花葉片蒸騰量在灌水后第二天(8月19日)也較高，之后其蒸騰量小范圍波動，并逐漸降低，日蒸騰量最大值為2.66 mm，最小值為1.80 mm，平均值為2.20 mm[見圖1(d)]。

(5) 后期隨著土壤含水率的降低，棉花葉片水分虧缺提早出現[見圖1(a)]，使得其蒸騰速率峰值前移(8月21日、8月24日、8月30日)，反映了其控制失水和維持體內水分平衡的能力較強，是適應干旱的一種方式[32]。

2. 2 膜間土面蒸發速率日內及日間的變化特征

研究區膜間土面蒸發速率日內及日間的變化特征見圖2。

圖2 研究區土面蒸發速率日內及日間的變化特征Fig.2 Diurnal and daily variation of the soil evaporation in the study area

由圖2可以看出：

(1) 棉花鈴期到吐絮期期間，膜間土面蒸發速率遠低于棉花葉片蒸騰速率，雖然膜間土面蒸發速率比葉片蒸騰速率低很多，但其仍然遵循單峰變化的趨勢，其蒸發速率由早晨近乎零值逐漸增加，在中午達到最大值，之后逐漸降低[見圖2(a)]。

(2) 灌水對膜間土面蒸發速率日間變化的影響存在滯后性，灌水后第二天(8月19日)膜間土面蒸發速率明顯提高，隨后逐漸降低[見圖2(b)]，這是由于試驗地土壤空間變異性較大，土面蒸發監測數據在灌水之后標準偏差較大。

(3) 膜間土面蒸發量的峰值出現時間基本上與棉花葉片蒸騰量保持一致，但是波動范圍較葉片蒸騰量小，這是因為監測時間正處于棉花鈴期到吐絮期期間，植被生長旺盛，覆蓋度高，葉片對土面蒸發有遮陰的作用，同時會增加地面粗糙度，降低風速，從而減少了膜間土面蒸發[33-34]。膜間土面蒸發量的日變化范圍為0.11～0.21 mm，日均蒸發量為0.16 mm[見圖2(c)]。

2. 3 棉田蒸散發日內及日間的變化特征

采用面積加權平均的方法計算的單膜棉田蒸散發，可將其視為整個棉田的蒸散發。研究區棉田蒸散發日內及日間的變化特征見圖3。

圖3 研究區棉田蒸散發日內及日間的變化特征Fig.3 Diurnal and daily variation of the evapotranspi-ration of the cotton field in the study area

由圖3可以看出：

(1) 棉田蒸散發速率日內的變化基本與棉花葉片蒸騰速率、膜間土面蒸發速率保持相同的單峰變化趨勢，呈現出早晚較低、中午較高的現象，其波動幅度較大[見圖3(a)]。

(2) 灌水對棉田蒸散發速率日間變化的影響明顯，在灌水后的第一天(8月18日)棉田蒸散發速率出現了短暫滯后，在灌水后第二天(8月19日)棉田蒸散發速率明顯提高，之后基本維持在一個相對穩定的蒸散發狀態，到后期逐漸降低[見圖3(b)]，反映出了灌水之后土壤含水率的升高促進了棉田的蒸散發，但是過高的土壤含水率可能會起到抑制作用[31]。

(3) 棉田日蒸散發量在1.81～2.67 mm范圍內變化，日均蒸散發量為2.21 mm，監測期間棉田的總蒸散發量為17.72 mm[見圖3(c)]。

2. 4 棉田蒸騰速率與土面蒸發速率的比值

蒸散發比值是有效反映不同時期土壤水分散失的主要方式[34]。一般而言，在作物生長初期，植株葉片蒸騰速率(T)與膜間土面蒸發速率(E)的比值(T/E)較小，土壤耗水以蒸發作用為主；隨著植株葉面積指數的增加，蒸騰作用不斷增強，T/E值逐漸增大，至成熟期土壤耗水以蒸騰作用為主[35-36]。研究區棉花葉片蒸騰量和膜間土面蒸發量占棉田蒸散發量比例的日間變化特征，見圖4。

圖4 研究區棉花葉片蒸騰量和膜間土面蒸發量占棉田蒸散發量比例的日間變化特征Fig.4 Daily variation of the proportion of cotton leaf transpiration and soil evaporation to evapotras-piration of the cotton field in the study area

由圖4可見，在監測期間即棉花鈴期到吐絮期期間，棉花葉片蒸騰幾乎是棉田土壤水分散失的唯一途徑，這與前人的研究結果相一致。由此說明，膜下滴灌的種植方式能夠有效地減少膜間土面蒸發，土壤水分主要用于植被的蒸騰和生長。

3 討 論

3.1 棉花葉片蒸騰速率和膜間土面蒸發速率與土壤溫度的關系

覆膜起到增溫保墑的作用，為作物生長創造了較好的土壤水熱條件。在晝夜溫差較大、蒸發強烈的干旱地區，這種作用尤其明顯[37-38]。由于缺乏膜下土壤溫度持續監測數據，且監測時間處于棉花鈴期后期到吐絮期初期期間，此時植株生長較旺盛，增加了土壤的植被覆蓋度，覆膜增溫功能逐漸喪失，同時由于處于棉花生長后期，地膜有一定程度的破損。因此，根據張治[18]在新疆庫爾勒試驗站的研究成果，可以近似認為監測期間膜下溫度與膜間土壤溫度變化一致。研究區不同點位的膜下土壤溫度隨深度的日內(8月13日)變化特征見圖5。

由圖5可見：從空間位置上看，不同位置(各監測點)土壤溫度隨深度的變化均表現為表層(0～30 cm)變化較強烈，隨著深度的增加其波動減小，但不同位置點的波動幅度不一樣；日內土壤溫度的變化特征與氣溫一致，均表現為中午高、早晚低。

圖5 研究區不同點位膜下土壤溫度隨深度的日內變化特征(8月13日)Fig.5 Daily variation of soil temperature versus depth under mulch at different sampling points in the study area(Aug.13th)

監測期間，棉花葉片蒸騰速率和膜間土面蒸發速率與土壤溫度的日間變化見圖6。

圖6 研究區棉花葉片蒸騰速率和膜間土面蒸發速率與土壤溫度的變化特征Fig.6 Variation of cotton leaf transpiration rate,soil evaporation rate and soil temperature over time in the study area

由圖6可見，棉花葉片蒸騰速率和膜間土面蒸發速率與土壤溫度的變化在日內大致按正弦曲線規律變化，變化規律具有一致性。這是因為土壤溫度對棉花根系的代謝活性、生長發育有重要的作用，進而間接地影響了植被的蒸騰作用，同時土壤溫度隨太陽輻射、大氣溫度等因素而變化，也會直接影響土面蒸發速率的大小。

本文利用二次曲線對研究區棉花葉片蒸騰速率和膜間土面蒸發速率與土壤溫度之間的關系進行了擬合，得到的擬合曲線見圖7。

圖7 研究區棉花葉片蒸騰速率和膜間土面蒸發速率與土壤溫度之間關系的擬合曲線Fig.7 Fitting curves between cotton leaf transpiration rate, soil evaporation rate and soil temperature

由圖7可見，棉花葉片蒸騰速率與土壤溫度之間的關系擬合曲線為：y=0.000 5x2-0.005 9x+0.082 1，決定系數R2=0.126 8；膜間土面蒸發速率與土壤溫度之間的關系擬合曲線為：y=-0.000 1x2+0.005 1x-0.049 5，決定系數R2=0.209 6，說明膜間土面蒸發速率與土壤溫度的相關性更為顯著。

3.2 棉花葉片蒸騰速率和膜間土面蒸發速率與土壤含水率的關系

土壤水分是膜間土面蒸發和植被蒸騰最直接的水分來源，土壤水分狀況(尤其是表層)將會直接影響地-氣界面水氣壓差和植被水分散失的主要通道(氣孔)的開度。研究區灌水前后土壤含水率隨深度的日間變化特征見圖8。

圖8 研究區不同深度土壤含水率的變化特征Fig.8 Variation of the soil moisture with different depth in the study area

由圖8可見：灌水前兩天，在蒸發作用下，不同深度的土壤含水率均略有降低，在深度為0～30 cm及30～60 cm范圍內土壤含水率相近，均約為17.5%，小于深度為60～100 cm的土壤含水率(22.7%～25.3%)；灌水后，土壤含水率提高，且隨著時間的推移，土壤含水率逐漸降低，8月30日上午由于田間進行了2 h灌水，土壤含水率又有升高。

監測期間，研究區棉花葉片蒸騰量和膜間土面蒸發量與土壤含水率的關系見圖9和圖10。

圖9 研究區棉花葉片蒸騰量與土壤含水率之間的關系Fig.9 Relationship between the cotton leaf transpiration and soil moisture in the study area

圖10 研究區膜間土面蒸發量與土壤含水率之間的關系Fig.10 Relationship between the soil evaporation and soil moisture in the study area

由圖9和圖10可見，受土壤含水率波動的影響，棉花葉片蒸騰量和膜間土面蒸發量與土壤含水率都表現出較為明顯的相關性：整體上棉花葉片蒸騰量與土壤含水率呈現出正相關關系，灌水第一天，棉花葉片蒸騰量出現了短暫的降低，第二天便對土壤含水率的升高做出了正反饋，隨后緩慢變化，其值逐漸降低，在8月30日由于早晨進行了灌水，雖然土壤含水率提高了但是植被蒸騰表現出了一定的滯后性，類似于剛灌水后的第一天；相對于植被蒸騰，膜間土面蒸發量與土壤含水率的相關性更為顯著，除了8月18日剛剛灌完水膜間土面可能存在積水現象，加之受到氣象等其他環境因子的影響，使得當天膜間土面蒸發量并沒有明顯的升高外，其他時間膜間土面蒸發量的變化均與土壤含水量率呈正相關關系。

4 結 論

(1) 受日內氣溫變化的影響，在棉花鈴期到吐絮期期間棉花葉片蒸騰速率日內變化呈現中午高、早晚低的單峰型；上層葉片的蒸騰速率要略大于下層；棉花葉片日蒸騰量的最大值為2.66 mm，最小值為1.80 mm，日均蒸騰量為2.20 mm。

(2) 監測期間(共8天)棉花生長旺盛，葉片對土面有遮陰作用，膜間土面蒸發速率遠低于棉花葉片蒸騰速率，但仍然遵循單峰變化規律。膜間土面日蒸發量的變化范圍為0.11～0.21 mm，日均蒸發量為0.16 mm。

(3) 棉花鈴期到吐絮期期間，棉花葉片蒸騰作用是土壤水分散失的主要方式。單膜條件下棉田日蒸散發量在1.81～2.67 mm范圍內變化，日均值為2.21 mm，監測期間棉田蒸散發總量為17.72 mm。

(4) 棉花葉片蒸騰速率和膜間土面蒸發速率與土壤溫度的變化在日內大致按正弦曲線變化，利用二次曲線對棉花葉片蒸騰速率和膜間土面蒸發速率與土壤溫度之間的關系進行擬合，結果表明膜間土面蒸發速率與土壤溫度的相關性更為顯著。由于監測期間處于棉花生長的后期，作物需水量減少，膜間土面蒸發量與土壤含水率之間的相關性較好。