膜下滴灌棉田凝結水量研究

馬瑞莎，喬長錄*，葛瑞晨

（1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子 832000）

0 引言

【研究意義】凝結水是干旱半干旱地區(qū)除降水之外水資源的重要組成部分[1]，這種以“非降水”形態(tài)形成的水分對生態(tài)系統(tǒng)以及水量平衡具有重要意義，尤其是在干旱半干旱地區(qū)，凝結水是非常重要的水資源之一[2-3]。【研究進展】凝結水在干旱半干旱地區(qū)的重要性一直是國內研究的熱點問題，國外關于凝結水的研究主要集中沿海沙漠地區(qū)[3-4]，如Beysens 等[5]對法國波爾多市區(qū)南部貝佩薩克鎮(zhèn)的凝結水和雨水的理化性質進行了檢測，詳細闡述了城市沿海地區(qū)凝結水和雨水的化學和生物特性；Matimati 等[6]對南非干旱區(qū)的凝結水進行了研究，得出凝結水在維持梨香和裂頭蕨2 種肉質植物的生長和存活起著至關重要的作用；Hanisch 等[7]對馬達加斯加西南部半干旱海岸地區(qū)的凝結水進行了實際觀測研究，發(fā)現(xiàn)馬達加斯加西南部沿海地區(qū)，凝結水在水分平衡中起著重要作用；Atashi 等[8]對約旦10 個地點40 年的空間、季節(jié)和年凝結水量進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)地地中海氣候比半干旱氣候更易產生凝結水。國內對凝結水的研究始于20 世紀60 年代，主要集中在北方干旱半干旱地區(qū)[9]，如潘顏霞等[10]采用PVC 管手動稱重法和布板法對沙坡頭地區(qū)不同地形凝結水的形成特征進行了探究，發(fā)現(xiàn)地形是影響干旱區(qū)凝結水形成特征的重要因子。方靜等[11]通過控制試驗，對黑河中游的凝結水開展觀測，建立了凝結水形成速率與近地層氣象因子之間的多元回歸方程，得出凝結水與微氣象因子的關系；郭曉楠等[12]運用微型蒸滲儀、渦度相關法和Penman-Monteith 公式，對寧夏鹽池沙生灌木生態(tài)系統(tǒng)的凝結水進行了測定和估算，進一步說明凝結水是維持荒漠生態(tài)系統(tǒng)功能的重要穩(wěn)定水源；成龍等[13]通過對高寒沙區(qū)凝結水的研究，總結出高寒沙區(qū)凝結水凝結過程與溫濕度的關系；王忠靜等[14]用渦度相關法從能量平衡的角度說明凝結水在干旱區(qū)水量平衡中不容忽視的作用，宜在水量平衡方程中顯式表達凝結水過程和凝結水項；Yu 等[15]基于輻射冷卻理論和凝結水形成的物理機制，揭示了凝結水在場區(qū)、流域和區(qū)域尺度上的凝結量和持續(xù)時間及其影響因素，指出了氣候變化下露珠濕度變化規(guī)律研究中存在的問題。Feng 等[16]在青藏高原典型高寒草地生態(tài)系統(tǒng)凝結水的研究中發(fā)現(xiàn)：氣溫升高會顯著減少凝結水量和凝結持續(xù)時間，并且會改變凝結水的季節(jié)分布。【切入點】綜上所述，國內外學者從凝結水觀測方法與水量量測、持續(xù)時間、影響因素等方面進行了廣泛研究，但對于膜下滴灌棉田凝結水的研究較少。【擬解決的關鍵問題】本文擬依托石河子大學節(jié)水灌溉試驗站膜下滴灌棉田水文循環(huán)觀測實驗，探討膜下滴灌棉田凝結水的產生時間、動態(tài)變化、影響因素等。進一步探討覆膜對棉田凝結水的影響機理以及凝結水對干旱區(qū)棉花生長的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在石河子大學節(jié)水灌溉試驗站進行，該站位于瑪河流域中游綠洲灌區(qū)內，地理位置處于85°59'47″E，44°19'28″N，屬中溫帶大陸性干旱氣候，年均日照時間為2865h，多年平均降雨量為207 mm、蒸散量為1660 mm，晝夜溫差大，氣溫季節(jié)性變化較大，無霜期為170d。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計

試驗于2019 年4 月20 日—10 月5 日在石河子大學節(jié)水灌溉試驗站進行，氣象數(shù)據(jù)主要通過試驗站內的自動氣象站完成，監(jiān)測距離地面2m 高處的溫度、濕度、降水、輻射、日照時間、風速、風向及氣壓等數(shù)據(jù)，記錄間隔為1h。

1.2.2 凝結水監(jiān)測

試驗棉田采用“干播濕出”的方式，播種深度為3～4cm，全生育期內的凝結水量由 3 臺規(guī)格為2m×2m×2m 型號為QYZS-2010 的大型稱重式蒸滲儀進行實時監(jiān)測，為減小風速、空氣濕度、土壤溫度、土壤含水率、土壤組成和質地等多種因素對觀測試驗的影響，保證數(shù)據(jù)的可靠性，其中2 臺設置為覆膜滴灌方式，1 臺設置為不覆膜滴灌方式，蒸滲儀有效蒸散面積為4.0m2。試驗期內通過測量蒸滲儀內土壤質量變化量引起的位移傳感器變化間接量測蒸散量、滲漏量和凝結量，蒸滲儀精度為0.02mm，數(shù)據(jù)采集時間間隔1h。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 對氣象數(shù)據(jù)的缺失數(shù)值進行補缺，使用Excel2016、Origin9.1 進行試驗數(shù)據(jù)的處理和繪圖。為提高蒸滲儀數(shù)據(jù)的精度，首先剔除數(shù)據(jù)壞點以及有雨雪天氣的數(shù)據(jù)，隨后參考季辰等[17]提出的蒸滲儀數(shù)據(jù)篩選方法，設定一個值δ 篩選數(shù)據(jù)，保留滿足|xi-xa|<δ 計算凝結量，在保留數(shù)據(jù)中按照yj-yi計算，所得負值累加即為凝結水量。其中xi為蒸滲儀數(shù)據(jù)，xa為蒸滲儀數(shù)據(jù)的平均值，δ為蒸滲儀數(shù)據(jù)標準差的1.5 倍，yi前一時刻蒸滲儀數(shù)據(jù)，yj為后一時刻蒸滲儀數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 全生育期凝結水動態(tài)變化

為驗證試驗數(shù)據(jù)的準確性，本研究將不同覆膜條件下大型稱重式蒸滲儀所測得的全生育期12h 凝結水動態(tài)變化進行比對，結果如圖1 所示。

2.1.1 典型日凝結水日變化

凝結水量與溫度、濕度、季節(jié)變化等氣象因素密切相關，為減少不確定因素對研究結果的影響，本研究中剔除大風、雨雪、陰天、數(shù)據(jù)不全以及數(shù)據(jù)不合理的日期，在各個生育期中選取1 個晴天、無風、數(shù)據(jù)正常的典型日。分別選取棉田全生育期內出苗期第1 天、春夏交替日、夏季平均氣溫最高日、夏秋交替日，即4 月20 日、5 月30 日、8 月2 日、9 月27 日作為典型日，探討膜下滴灌棉田凝結水的日變化規(guī)律。典型日凝結水日變化如圖2 所示。

由圖2 可知，水汽從00:00 以后凝結過程開始，一直到 08:00 結束，歷時8h。全生育期4 個典型日凝結水動態(tài)變化中，蒸散過程與凝結過程交替進行。凝結過程可分為3 個階段：第1階段從（00:00—03:00），凝結速率緩慢增加，1h 后凝結速率開始下降，直到凝結和蒸散達到一個相互抵消的狀態(tài)（即凝結水量=0）。第2 階段（03:00—07:00），當氣溫逐步趨近于露點時，凝結速率迅速增加，并且在04:00—05:00 凝結速率達到最大。第3 階段（07:00—09:00）在日出之前，氣溫逐步回升，凝結水持續(xù)減少隨后轉為蒸散。

從圖2 中00:00—08:00 的觀測結果中可以看出，春夏交替階段的凝結速率要高于夏秋交替階段，夏秋交替階段的水汽停止凝結的時間較早，經歷較長一段時間后逐步轉為蒸散狀態(tài)，這與其他3 個典型日略有不同；8 月2 日的平均氣溫最高，晝夜溫差較大，水汽的凝結受到了一定程度的影響，凝結變化起伏較為劇烈。綜上可知，在相同的觀測條件下，氣象條件的變化可以引起凝結水量的差異，也會影響凝結水的動態(tài)變化。這是由于在初春時期，氣溫回升較快，土壤溫度回升較慢，有利于凝結水的產生，在春夏交替階段，每日13:00—17:00 的太陽輻射逐步增強，地面吸熱升溫加快，在夜間地溫迅速降低，近地面氣溫的降低速率較低，近地面氣溫高于低溫，故凝結速率相對較快，凝結量相對較多[10,18]。

2.1.2 全生育期凝結水動態(tài)變化

棉田全生育期的每日凝結水量如圖3 所示。由圖3 可知，在棉田全生育期內均有凝結水產生，每日產生的凝結水量大約在0.1～1mm 之間，其中夏季產生的凝結量最多，春季其次，秋季最少。這是因為夏秋季節(jié)交替的階段，氣溫降至露點的時間延遲，日出前的水汽凝結時間縮短，所以凝結量相對較少。

表1 典型日選取時間節(jié)點及相關氣象數(shù)據(jù)Table1 Select time nodes and relevant meteorological data of typical days

2.2 不同生育期凝結水量動態(tài)變化

棉花生長過程中，不同階段對水量的需求也有所不同，為減少不確定因素對研究結果的影響，分別在苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期內選取生育期開始、生育期結束、平均溫度最高、平均溫度最低4 個典型日進行分析研究，旨在說明不同生育期棉田凝結水的動態(tài)變化規(guī)律。典型日選取的時間節(jié)點、相關氣象數(shù)據(jù)及不同生育期凝結水變化動態(tài)過程如表1 和圖4—圖8 所示。

4 個不同的生育期階段，花齡期的蒸散量與凝結水量均高于其他3 個時期。苗期與吐絮期的凝結速率先逐漸增多，隨后逐漸減少直至停止凝結，蕾期與花鈴期凝結速率先增大后減小，再逐漸增大隨后減小，最后停止凝結。苗期、蕾期、花鈴期持續(xù)時間相同，一般在00:00 開始凝結，直至次日08:00 結束，各生育期的凝結速率都是在01:00—03:00 達到最大，隨后開始緩慢下降；通過對比花鈴期4 個典型日可以看出，7 月7 日的凝結相較于其他典型日較高，這是由于7月7 日平均氣溫最高，晝夜溫差相對較大，為水汽凝結提供了有利條件；其他3 個典型日的凝結與蒸散過程頻繁交替，凝結水量相對較低，原因是白天蒸散量較大，地面處于干燥狀態(tài)，水汽凝結初期產生的凝結水快速消耗，又轉為一種微小的蒸散狀態(tài)，經過多次凝結-蒸散轉換之后，隨著氣溫逐漸降低，凝結過程逐步趨于一種穩(wěn)定的凝結狀態(tài)。

2.3 不同生育期凝結水量比較

圖9 為覆膜條件下不同生育期12h 凝結水累加量。由圖9 可知，從凝結水量看花鈴期最多，其次是蕾期和吐絮期，苗期最少。花鈴期與蕾期平均溫度相對較高，夜間平均溫度較低，晝夜溫差較大，白天干燥許久的土壤空氣濕度增加，凝結速率變快，便產生了非常可觀的凝結水量。苗期經歷時間較短，凝結速率不穩(wěn)定，受自然條件中不確定因素影響較大，所以苗期產生的凝結量微乎其微。吐絮期正值夏秋季節(jié)，氣溫降至露點的時間延遲，日出前的水汽凝結時間縮短，所以凝結量相對較少。

2.4 不同覆蓋方式對凝結水量的影響

比較2 種不同覆蓋方式的凝結水量可知（表2），2 種處理方式下的凝結水量均趨于先增大后減小的變化規(guī)律。由表2 可知，覆膜全育期凝結量為72.12 mm，各生育期的凝結水量分別為19.35、15.18、27.55、10.04 mm，不覆膜全育期凝結量為89.2 mm，各生育期的凝結水量分別為18.9、21.29、33.55、15.46 mm，2種不同處理方式下的凝結水量都在花鈴期達到最大，不覆膜條件下的凝結量比覆膜條件下的凝結水量高23.68%。覆膜與不覆膜2 種方式不會影響水汽凝結的動態(tài)變化規(guī)律，不覆膜條件下更有利于凝結水的產生。這是因為2 種滴灌條件下，各個生育期均在08:00—12:00 蒸散速率達到最大。覆膜滴灌條件下，蒸散量大，凝結水以露珠的形式凝結在膜上，次日早晨日出之后，膜上的凝結水便會快速蒸散，覆膜條件不利于凝結水進入土壤（圖10）。

表2 不同覆膜方式下全生育期內凝結水量Table 2Condensation amount in the whole growth period under different coverage methods

2.5 凝結水與氣象因素的關系

從凝結水的形成條件來看，各生態(tài)系統(tǒng)影響凝結水形成的最關鍵因子均為相對濕度，另一個重要因素就是空氣溫度[18]。本研究根據(jù)所測得的凝結水量與近地層的相對濕度（RH）、露點溫度（Td）、地表溫度（Ts）、風速（Ws）、環(huán)境溫度（Ta）做了相關性分析和多元線性回歸模型，結果見表3。

表3 凝結水量與氣象影響因子相關系數(shù)Table3the correlation coefficient between dew amount and meteorological factor

在覆膜滴灌條件下，對凝結水量和氣象因子進行多元相關性分析表明，棉田凝結水量與相對濕度（RH）、露點溫度（Td）正相關，與地表溫度（Ts）、風速（Ws）、環(huán)境溫度（Ta）負相關，其擬合公式為Idew=0.303+0.002RH+0.004Ta，R2=0.595，P<0.05。

在不覆膜滴灌條件下，凝結水量和氣象因子的多元相關性分析表明：棉田凝結水量與相對濕度（RH）、露點溫度（Td）正相關，與地表溫度（Ts）、風速（Ws）、環(huán)境溫度（Ta）負相關。其擬合公式為：Idew=-0.523-0.003Ta-0.005Ts+0.002RH ， R2=0.669 ，P<0.05。

3 討論

凝結水的產生因地域、土質、作物類型、試驗方法等的不同會呈現(xiàn)出一定的差異，針對本試驗棉田，根據(jù)凝結水量與相對濕度（RH）、露點溫度（Td）、地表溫度（Ts）、風速（Ws）、環(huán)境溫度（Ta）5 個氣象因子的多元相關關系，初步得出凝結水量的多元回歸結果，由于回歸方程R2并不高，對于膜下滴灌棉田凝結水量的估算以及與氣象因子的關系還需更進一步的研究。

凝結水作為維系干旱區(qū)主要食物鏈的水分來源之一，在干旱區(qū)水分平衡研究中意義重大[19]。凝結水量少，存在時間短，對于水資源充足地區(qū)研究意義無足輕重，但在干旱半干旱區(qū)，以及水資源匱乏的沙漠生境，凝結水是重要的水資源[20-21]。經研究發(fā)現(xiàn)滴灌棉田凝結水的動態(tài)變化與其他作物以及裸地的研究結果一致；就凝結水量而言，花鈴期水量最大；不覆膜條件凝結水量高于覆膜條件的。

本研究中，苗期凝結水量覆膜條件下高于不覆膜條件，原因可能是：①苗期，覆膜延緩了土壤溫度的變化，使得土壤溫度與空氣溫度形成較大的溫差，有利于凝結水的生成；②覆膜會引起土壤熱通量和凈輻射的變化，地表和土壤溫度升高導致土壤蒸發(fā)、空氣中水汽增多，從而增加空氣相對濕度，有利于凝結水形成[22-23]，2 種猜想在以后研究中也需要進一步驗證。

除了苗期以外其他生育期，不覆膜條件下的凝結水量高于覆膜條件，原因可能是：①隨著棉花葉片逐漸增多，棉田冠層以下降溫較慢，不覆膜條件下風可以帶走棉田冠層以下釋放的熱量，使得溫度盡早達到露點[18]；②與不覆膜條件相比，覆膜條件下地表溫度降溫慢，晝夜溫差相對較小，凝結速率變慢，故凝結水生成量少于不覆膜條件。

凝結水量隨著地域、不同時段的環(huán)境因素、試驗條件等的不同而呈現(xiàn)出明顯的差異，新疆地區(qū)滴灌棉田凝結水相對于其他研究結果水量較多，可能有以下3 個原因：①棉花在蕾鈴期時葉片數(shù)量會迅速增長，葉面積指數(shù)和凝結面增多，凝結水量也隨之增多。葉片遮擋也可以抑制土壤水分的蒸散，保持了冠層的濕潤，提高了相對濕度；②花齡期正值7、8 月，氣溫較高，棉田白天蒸散量大，地表較為干燥，可以產生數(shù)量較多的凝結水，這與方靜等[24]凝結水研究中提出的觀點一致；③試驗地的土壤含鹽量相對較高時，土壤吸濕系數(shù)和抗蒸散能力增強，地表晝夜溫差增大，提高了凝結水生成量[25]。

膜下滴灌棉田全育期內的凝結水量為72.12 mm約占灌水量（412 mm）的17.50%，占年平均降水量（207 mm）的34.84%。在干旱環(huán)境中的棉田可以通過吸收凝結水補充自身需要的水分，抵御干旱，促進種子萌發(fā)。由此可見，凝結水作為一種淡水資源，尤其是在干旱和半干旱地區(qū)更是不可或缺的，對于棉花的生長也具有重要意義。

4 結論

1）滴灌棉田每日從00:00 開始凝結，至08:00 結束，歷時8h；凝結過程可分為緩慢凝結、快速凝結和轉為蒸散3 個過程。凝結量和蒸散量均為：花鈴期>蕾期>吐絮期>苗期。

2）全生育期覆膜比不覆膜凝結水量少17.08 mm，占凝結水總量的23.68%。

3）不覆膜滴灌條件更有利于凝結水的產生，覆膜滴灌條件下，凝結水會以露珠的形式凝結在膜上，次日早晨日出之后，膜上的凝結水便會快速蒸散，覆膜條件不利于凝結水進入土壤。

4）覆膜與不覆膜2 種條件下，棉田凝結水量均與相對濕度（RH）、露點溫度（Td）正相關，與地表溫度（Ts）、風速（Ws）、環(huán)境溫度（Ta）負相關。