基于微型蒸滲儀的夏玉米棵間蒸發特征與影響因素探究

陳雨清，王曉敏，王承志，方蒙蒙，郭潼，孫朋

(宿州學院 環境與測繪工程學院，安徽 宿州 234000)

棵間蒸發是位于作物植株之間的土面蒸發，并不參與植株的生長過程，且在植株的生育期間占總耗水比例較大，屬于無效蒸發[1]。棵間蒸發的影響因素眾多，國內外許多學者針對其進行了大量研究，但大多不夠全面。曹勇[2]和孫仕軍[3]等利用不同的觀測方法，對相關氣象因素和控光條件對棵間蒸發的影響做出大量研究，得出氣象條件、葉面積指數、土壤表層含水量都會對棵間蒸發產生影響，且蒸發器規格和材質的選用都會對測量精度產生影響。本文采用微型蒸滲儀(ML)對土壤的棵間蒸發進行測定，計算日蒸發量和累積蒸發量，從而較全面地分析棵間蒸發的影響因素。

對于作物棵間蒸發的測定，當前主流方法是借用微型蒸滲儀(micro lysimeter)，其具有體積小，操作方便的優勢，同時可以直接測量裸地土壤蒸發量，也可用于測定作物冠層下的土壤蒸發[11]。孫宏勇等[4]通過微型蒸滲儀(ML)測定土面蒸發的實驗得出相對濕度、飽和水氣壓差和輻射同土壤蒸發有著密切的關系，發現微型蒸滲儀(ML)的長度也是影響棵間蒸發的因素，以5cm長的微型蒸滲儀(ML)每天更換土體作為對照，發現15cm是比較理想的最短長度，對棵間蒸發的影響較小。趙娜娜[5]等人根據2a的田間實測數據對雙作物系數模型SIMDual_kc進行參數率定和模型驗證，結果表明，其模擬的棵間蒸發量與實測值之間相關性較高，誤差較小。降雨對生育初期的夏玉米影響較大，隨著夏玉米的生長影響逐漸減小。因此，研究分析夏玉米棵間蒸發的影響因素對其實現節水增產提供一定的科學依據[7]。

宿州位于皖北平原中部，土地體系的主要組成部分是砂姜黑土。而砂姜黑土具有抗旱性較弱、易干旱的特點，加之宿州市是缺水型城市，水資源貧乏，地下水超采嚴重。因此本研究區域屬于典型區域。本文對種植在黑姜砂土上的夏玉米的棵間蒸發特征展開實驗探究，利用微型蒸滲儀(ML)對土壤采用四種不同的處理，探究出影響程度較大的幾種影響因素。本研究對減少夏玉米發育過程中棵間蒸發，節約農業用水有重要作用。

1 材料與方法

1.1 實驗站概況

實驗于2020年7月1日～9月16日在宿州市農業科學院實驗研究中心(北緯39°36′，東經116°48′，海拔約20m)進行。實驗區屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，雨熱同期，作物類型以小麥、玉米為主，無霜期較長。年均氣溫14～15℃，積溫4600～5300℃，年降水量773～995mm，多年平均降水量866.1 mm，多年平均蒸發量988.0 mm，全年日照時數2270～2472 h，年均日照時數2315.08 h，太陽總輻射129千卡/cm2，無霜期200～210 d，年均風速3.1 m/s，年均相對濕度69%，休耕期為4～5月，實驗區土質以砂姜黑土為主，砂姜黑土土體深厚，有機質含量低，蒸發量較大，土層質地以壤質粘土、粉砂質壤土及粘土為主，質地層次分異不明，砂姜黑土保墑抗旱作用有限[14-15]。夏玉米為該地區夏季主要種植作物，一般于冬小麥收割后(6月中旬)播種，10月上旬左右收獲，整個生育期處于夏季，雨水充足，基本上能滿足作物生長需求。

1.2 實驗設計

圖1 實驗設計圖

本實驗采用置于行間的微型蒸滲儀(ML)進行蒸發量的測定。該微型蒸滲儀(ML)是用PVC管做成，分為內外筒。將微型蒸滲儀(ML)編號后分組，每組微型蒸滲儀(ML)分別進行一層膜、二層膜、四層膜和封底處理，每次取土時將內筒垂直壓入土壤內，取得原狀土，用紗布封底稱質量后，置于固定在夏玉米行間的外筒內，其作用是防止破壞蒸發器周邊的土壤結構，保持筒內土面與田間土面持平，每隔3 h進行一次數據測量。為保證蒸發器內的土壤含水量與田間土壤含水量一致，每5～7 d換土一次，降水和灌水后換土。在實驗區附近的無作物生長區域上布置兩個相同的微型蒸滲儀(ML)，測定裸土

的土面蒸發量。實驗布置如圖1所示：

1.3 觀測內容與方法

氣象要素(空氣溫度、空氣濕度、光照、大氣壓力、風速、風向、太陽輻射、土溫、土濕等)用位于田間的自動氣象站測定，每1 h采集1次。

式中Ea為實際蒸發量(mm/d)，S為微型蒸滲儀表面積(cm2)，md+1、md為不同時間段的蒸滲儀總質量。

2 結果與分析

2.1 實驗期間環境要素變化特征分析

圖2是試驗期間自然環境要素變化趨勢。由圖2可知，研究時段內，氣溫均值27.8℃，最高溫34.9℃，最低溫20.96 ℃，起伏較大，總體呈先上升后下降趨勢，總體下降速率為-0.065 ℃/d；期間降雨21次，最大降雨量32 mm，最小降雨量0.2 mm，總降雨量153.2 mm；風速均值0.74 m/s，最高風速2.67 m/s，最低風速0.032 m/s，起伏較大，總體呈下降趨勢，總體下降速率為 -0.0115 m/sd；光照均值21.7 W/m2,最大光照值35.22 W/m2，最小光照值4.256 W/m2，總體呈下降趨勢，總體下降速率為-0.0588 W/m2d；空氣濕度均值75.1 g/m3, 最大空氣濕度92.784 g/m3，最小空氣濕度61.272 g/m3，起伏較大，總體呈上升趨勢，總體上升速率為0.0141 g/m3d；輻射均值8045 kwH/m2，最大輻射量11951 kwH/m2，最小輻射量1340 kwH/m2，起伏較大，總體呈上升趨勢，總體上升速率為18.431 kwH/m2。

圖2 試驗期間自然環境要素趨勢圖

2.2 不同處理方式下夏玉米棵間蒸發特征分析

圖3為2020年夏玉米生育初期部分時間段內不同處理方式的棵間蒸發的實際蒸發量與降雨量的對比。處理方式分別為底部封一層膜、兩層膜、四層膜和封底處理。選取時段內有三次降雨，分別為7月10日降雨0.2 mm、11日降雨2.4 mm、12日降雨0.2 mm。降雨發生后，日蒸發量數值有明顯降低。4個處理的棵間蒸發在整個生育期內的變化趨勢基本相同，總體呈現降低趨勢，棵間蒸發隨著玉米葉面積的增大而減弱。不同處理模式下，水汽通達程度影響蒸散大小，夏玉米生育初期蒸散最高達到0.30 mm，最低值達到0.02 mm，四種處理方式下蒸發大小順序為：一層膜>兩層膜>四層膜>封底。由圖可發現，降水對蒸散影響較為顯著，連續降水時段出現蒸發最低值。

圖4為夏玉米種植初期部分時間段內的累積蒸發量與天數的關系函數變化過程及其與降雨量的對比。根據圖像可知，不同處理方式下的土壤累積蒸發量均隨時間增加而增大。降雨后，累計蒸發量折線斜率減緩，蒸發量減少，降雨結束后一段時間，折線斜率重新增加，蒸發量回升。這一時期，夏玉米植株葉片面積較小，地面覆蓋度較低，當產生降雨后，土壤含水量上升，土壤蒸發較強。發育后期，隨著夏玉米葉片面積增長，累計蒸發增長逐漸減緩。

結合兩張圖可以看出，降雨對夏玉米棵間蒸發具有極大的影響，當降雨發生后，蒸發量會有顯著下降，且降雨越多，蒸發量下降越多，蒸發量越少。降雨結束一段時間后，蒸發量才會重新回升[16]。同時可以看出，不同的封底處理方式對于夏玉米棵間蒸發同樣具有極大的影響，影響程度由大到小排序為封底處理>四層膜>兩層膜>一層膜，即可以得知封底層越薄，對夏玉米棵間蒸發影響越小，夏玉米棵間蒸發量越大。

圖3 不同處理方式的棵間蒸發與降雨量的對比 圖4 不同處理方式的累積蒸發量與降雨量的對比

2.3 棵間蒸發的影響要素探究

主成分分析(principal components analysis,PCA)是一種簡化數據集的技術。它是一個線性變換，旨在利用降維的思想，把多指標轉化為少數幾個綜合指標。這個變換把數據變換到一個新的坐標系統中，使得任何數據投影的第一大方差在第一個坐標(稱為第一主成分)上，第二大方差在第二個坐標(第二主成分)上，依次類推。主成分分析減少數據集的維數，通過保留低階主成分，忽略高階主成分做到的。這樣低階成分往往能夠保留住數據的最重要方面[17]。對影響棵間蒸發的因子進行主成分分析，其分析結果見表1。氣溫、相對濕度、風速、光照、降水雨量等氣象因素和不同土壤深度(5cm、10cm、20cm)的溫度、濕度等因素會對棵間蒸發造成較大影響。其次，11個指標之間都存在著不同程度的相關性，從得分來看，得分為正表示呈正相關，得分為負表示成負相關。各因子正負相關差異明顯。

表1 影響棵間蒸發因子的主成分分析

對主成分分析后的結果進行整理分析，將11個影響因子降為4個相互獨立的綜合指標(見表2)，第1、第2、第3和第4主成分反映原來變量的信息量(即方差貢獻率)分別為40.804%、15.652%、11.142%、9.432%，累計貢獻率達77.029%。

表2 影響棵間蒸發主成分分析解釋的總方差

圖5 旋轉后的空間中的組件圖

采用凱撒正態化四次冪極大法旋轉方法分析棵間蒸發對土壤環境和氣象因子的響應(見圖5)，由圖各主成分的因子得分可知，第1主成分在5cm土壤溫度、10cm土壤溫度、20cm土壤溫度和空氣溫度上的負荷量較大，依次分別為0.987，0.978，0958和0.894，由此第1主成分可視為土壤溫度因子和氣溫因子的共同作用；第2主成分在10cm土壤濕度、20cm土壤濕度上的負荷量較大，依次分別為0.928，0.866，由此第2主成分的作用效果可以看作是土壤濕度因子作用的結果；第三主成分在太陽輻射指標上負荷量最大，為-0.887，由此第3主成分可視為輻射量因子；第4主成分在相對濕度因子上負荷量上較大，得分為-0.728，所以可以將第四主成分歸納為空氣濕度因子作用的結果。對4個主成分分析的結果可以看出，土壤因素對棵間蒸發的影響最大，氣象因素次之。

綜合主成分分析結果，得到土壤溫度對棵間蒸發的影響程度最大，表現為正相關；氣溫的影響次之，棵間蒸發均表現為隨二者增加而增加；溫度對棵間蒸發為間接影響，主要是通過對空氣濕度和土壤含水量的影響從而間接地影響棵間蒸發。然而，空氣濕度與空氣溫度呈負相關，空氣溫度越高濕度就越低，此時夏玉米的棵間蒸發量就越高，反之則越低。溫度對土壤含水量的影響是一段持續變化的過程，土壤含水量是一個總量，含水量的降低速率隨溫度大小變化，空氣溫度越高，含水量降低速率越快，同時土壤棵間蒸發速率越快，反之則越慢。特別是在7、8月連續的高溫天氣使土壤的棵間蒸發量達到最高，土壤含水量持續降低。此時，夏玉米正處于發育階段對水的需求量較大，減少棵間蒸發量為作物的生長發育提供更多的水，對農業用水的節約有著重要意義。其余指標的影響較小。影響夏玉米棵間蒸發的主要因素為地溫和空氣溫度，試驗田降水量少，空氣相對濕度小，對實驗影響相關性較小。

3 結論

(1)采用微型蒸滲儀(ML)對土壤進行不同方式的處理，分析觀察數據，得出隨著膜層數的增加實際蒸發量越小，處理方式的影響程度為：封底處理>四層膜>兩層膜>一層膜。

(2)據土壤溫度測量儀測量結果，越接近地表，受蒸發的影響就越大，含水量就越低。土壤含水率對夏玉米棵間蒸發的影響較大，且成正相關。夏玉米棵間蒸發受降雨的影響非常明顯，降雨時，土壤含水率上升，蒸發量會有顯著下降，且降雨量越大，蒸發量下降越多。降雨結束后土壤的含水量較降雨前有一定的提升，蒸發量才會逐漸回升。因此，控制土壤含水量而減小棵間蒸發，是減小無效蒸發耗水的關鍵。

(3)探究棵間蒸發的影響因素，利用主成分分析法將11個具有相關性的指標歸類為4個主成分，解釋原始信息的77.029%。通過分析得出溫度和土壤含水量是影響棵間蒸發的主要因素, 表現為正相關，棵間蒸發均表現為隨二者增加而增加；而輻射量和空氣濕度與棵間蒸發的相關性較差。