棉田蒸散發的研究進展

程珍 牛建龍

(塔里木大學農學院，新疆 阿拉爾 843300)

引言

農田蒸散發主要包括棵間土壤蒸發和植物蒸騰2部分，是農田水分循環和能量循環的重要組成部分，也是土壤—植物—大氣連續體(SPAC)中水分循環的重要環節[1]。IPCC第五次報告指出，與1986—2005年相比，2016—2035年全球平均氣溫可能升高0.3～0.7℃，2081—2100年可能上升0.3～4.8℃[2]，導致全球極端天氣事件頻發，對生態環境的改善和社會經濟健康發展產生嚴重影響。據估算，全球范圍內每年約超60%的大氣降水通過蒸散發作用返回到大氣中，干旱地區降水通過蒸散發返回大氣中的比例可高達90%[3]。有研究可知，每年農田蒸散發約超50%的水分是通過蒸散的方式消耗，植物蒸騰耗水量約占總蒸散發的60%～90%[4]。因此，在氣候環境變化下，對田間蒸散的研究，可以更好地對田間進行精準灌溉，實現棉花產業高質量發展。

目前，新疆是我國最重要的棉花生產區，2021年種植面積高達250.61萬hm2，占全國種植總面積的82.8%，棉花產量約占全國產量的85%，約占全球棉花產量的20%[5]。新疆屬于水資源匱乏地區，在農業種植過程中，水資源消耗問題嚴重。通過對棉田蒸散發的實測和估算，可以促進水資源利用合理化和節約化。

因此，在全球變暖背景下，系統綜述棉田蒸散發動態變化、影響機制及關鍵驅動、估算與驗證意義重大，可為區域農田水資源高效利用和積極應對氣候變化提供科學理論依據。

1 棉田蒸散發的動態變化研究

較國外研究而言，國內學者對蒸散發的研究相對較為滯后，開始于20世紀50年代。目前，國內外學者對蒸散發動態變化多從區域尺度研究，多集中于降水量較多的地區，在作物蒸散發的動態變化研究上，多集中于玉米、小麥等作物，對棉田蒸散發動態變化的研究主要集中在全國和新疆北部地區[6]。

1.1 作物在不同生育時期對水分吸收和蒸騰有所不同

在播種-出苗期階段，棉田的葉面積指數幾乎沒有，播種-出苗期的蒸散可以忽略不計。苗期，作物開始緩慢生長，作物的葉面積指數較小，作物蒸騰逐漸開始。蕾期，棉花根系和植物地上部分在快速生長，在此過程中，根系快速吸收土壤水分，葉面積指數也在逐漸增加，作物的蒸騰能力比前期蒸騰速率更快。花鈴期是棉田蒸散量最大的生育期，在該時期的葉面積覆蓋量較大，葉面蒸散較多。吐絮期，棉花的生理活動減弱，導致蒸騰速率也在減弱，該時期的作物蒸騰量比花鈴期弱[9]。研究學者對作物不同生育時期蒸散變化進行分析，馬金龍等[10]研究基于烏蘭烏蘇農業氣象站2012年的渦度相關數據，分析作物全生育期田間蒸散動態變化。作物在生長過程中，作物從播種至收獲經歷不同的季節，氣候變化容易對田間蒸散產生影響，作物在不同生育期對水分的吸收存在較大的區別。通過對田間蒸散量的分析可以更好分析作物的不同生育時期蒸散強弱，進而可以更好對田間蒸散進行分析。劉凈賢等[8]利用烏蘭烏蘇農業氣象試驗站2009年6月—2010年6月的渦度相關資料，分析新疆北部膜下滴灌棉田不同生育期的蒸散變化特征及蒸散量。

1.2 田間月份的蒸散變化

作物生長季節主要在5—10月左右，分析田間蒸散量的逐月分布，可以為沒有生育期資源地區提供參考價值。田間蒸散在一年不同月份中，蒸散強度不一。結合氣候環境的變化和作物的生長周期，觀測田間不同月份的蒸散強弱。6—10月氣溫較高和作物生長較快的階段，通過對月份蒸散量的估算，可為田間水資源分配提供合理的安排。范月等[7]對夏玉米不同時間尺度蒸散研究，認為7—9月田間蒸散最高。

1.3 田間逐日蒸散變化

田間蒸散日變化是按小時蒸散量累加得到，通過田間逐日蒸散量可以更好地觀測大氣環境對作物蒸散的作用。曹兵[11]在新疆烏蘭烏蘇農業氣象試驗站利用大型蒸滲儀研究膜下滴灌棉花生長期間逐日蒸散量的變化過程及規律；劉凈賢等[8]對新疆北部膜下滴灌棉田蒸散進行研究，認為中午時間段內的田間蒸散量最大。

2 棉田蒸散發的影響因子及關鍵驅動

棉田蒸散發的大小主要受氣象和田間環境等多種因素的影響。棉田蒸散的影響因子主要包括氣象因子、土壤因子和作物因子。氣象因子主要包括太陽輻射、溫度和降雨量等因素。土壤因子對棉田蒸散發的影響主要包括土壤含水量以及土壤是否覆膜等因素。作物因子主要包括作物生長周期對棉田蒸散的影響。

2.1 氣象因子

太陽輻射對蒸散具有很強的影響作用。太陽輻射的增強加快地面溫度的升高，使得土壤和作物的蒸發速率加快，太陽輻射在不同的季節輻射強度不同，因此在作物不同生育期的影響強度也不同。馬金龍等[10]認為，太陽輻射對棉花不同生育階段都有較大的影響，并且隨著太陽輻射的增大蒸散速率在加快。太陽輻射在一年四季中，輻射強度也不同，在夏季輻射強，在冬季以后相對較弱。花圣卓等[12]認為，太陽輻射在不同的季節內地面蒸散量也不同，在夏季太陽輻射是最強的，最弱是在秋季。

溫度對蒸散發的影響是多方面的。溫度越高，容易影響作物葉片的蒸發速率，有研究表明，溫度升高會增加葉內外蒸氣壓差，使得氣體擴散速度增快，蒸發速度也容易增快，12∶00—14∶00是一天內溫度最高的時間段，對于田間環境來說是作物蒸騰和土壤蒸發的最大值[12]，由于作物的生理生化系統，當溫度過高時，作物為了降低水分的消耗，會形成作物葉片表面氣孔的關閉現象，張立峰等[13]認為當空氣中的溫度升高時，蒸散值也在上升；當溫度逐漸上升時，蒸散發會出現下降的趨勢，即是“蒸發悖論”現象。

降雨是影響蒸散發的因素之一。對于降雨量較多的南方地區，降雨量過多導致作物出現澇害等災害，土壤板結等情況，使得蒸散速率在降低。但是對于水分貧瘠的干旱半干旱地區，降雨可以在降雨過程中，增加土壤含水量，促進作物生長。李洋等[14]對農田蒸散發的研究認為降雨對蒸散的影響較為顯著。

此外，眾多學者研究發現，作物生長的不同時間段、不同的田間環境對影響蒸散發的氣象因子不同。李浩然等[15]通過對黑河中游的荒漠綠洲的研究，利用主成分分析方法，溫度是影響土壤水分蒸散程度最高，其次是太陽輻射，土壤水分和風速影響程度最小。

2.2 土壤因素

2.2.1 土壤含水量對土壤蒸散的影響較大

土壤含水量的多少及其分布狀況是影響作物對水分的吸收和利用，最終影響棉田的蒸散過程。當土壤含水量大于18%時會促進土壤蒸發，而當土壤含水量小于18%時會抑制土壤蒸發[16]。

2.2.2 地膜對田間蒸散的影響

地膜是棉花種植必不可少的材料，并且地膜覆蓋種植是當前農業生產在節約用水理念上推行的一項種植模式，地膜覆蓋可以起到保溫、保熵和增產的作用。在干旱半干旱地區水資源短缺，種植作物過程中如果不使用地膜覆蓋，田間的水分蒸散將更快。但殘膜對土壤環境影響最為嚴重。

2.2.3 灌溉是影響棉田蒸散的原因之一

滴灌是棉田節水裝置運用最為廣泛的，滴灌可以更好地節約水資源，對作物進行緩慢供水。在干旱地區水資源短缺，如使用漫灌的方式易造成水資源浪費。在膜下滴灌過程中，作物的不同生育時期，作物的蒸散量不同。楊勁松等[17]基于室內實驗，探討不同膜下滴灌條件對棉花蒸散量的影響，發現花鈴期蒸散量大于蕾期大于苗期和吐絮期。

2.3 作物生長

2.3.1 作物品種更新對蒸散的影響

新品種在種植過程中，通常是以舊品種的種植經驗作為新品種的種植參照。目前對于新品種的研發，大多都是在抗旱、抗病等抗性的基礎上進行研究。新品種種植技術在推廣過程中，農戶對新品種的認識以及種植經驗等比較缺乏，在對田間供水量及供水時間沒有很好管控，田間土壤含水量出現過多或者過少的現象，對田間蒸散產生影響。

2.3.2 作物不同生育時期對蒸散的影響

作物從種植到收獲，田間蒸散量是從弱到強再到弱的一個蒸散強度。作物在播種至出苗期，作物的生長較小，蒸散的速率低。作物生長發育期，隨著降雨量和灌溉量增加，大氣溫度在逐漸升高，田間蒸散速率在加快。作物發育后期至收獲期，由于氣溫逐漸降低，作物本身的葉片降落，田間蒸散量在減少。有徳寶等[18]在對玉米不同生育期農田蒸散量的研究中認為，玉米生育的蒸散量，拔節期的蒸散發大于生長末期大于苗期。在作物種植過程中，人類對于田間的管理以及對作物的修理都會對田間的蒸散產生影響。

2.3.3 作物葉面積指數對田間蒸散的影響

在作物生長過程中，作物葉面積指數對作物蒸散發量也存在部分影響。有研究者通過對棉花的葉面積指數的大小來分析對作物蒸散發值。作物苗期才開始有葉面積，并且葉面積處于較小階段，田間蒸散主要是以土壤蒸散為主。隨著作物的不斷生長，作物的葉面積在逐漸增多，作物蒸散也在逐漸開始。陳磊等[19]對棉花葉面積對棉田蒸散發的研究認為，棉花苗期時蒸散最小。

3 蒸散發的測定與計算方法

棉田蒸散的測定與計算對田間的水量平衡以及水資源的估算具有重要的意義。目前國內對田間蒸散的測定方法使用較多的主要有渦度相關法、蒸滲儀法。計算方法使用較多的主要有波文比能量平衡法、Penman-Monteith模型。測定方法和計算方法有各自的特點以及在使用過程中對環境的要求。

3.1 測定方法

3.1.1 渦度相關法

渦度相關法是澳大利亞著名科學家Swinbank于1951年提出的用渦度相關法計算大氣中熱量和水汽的垂直輸送通量。原理近地面氣層處于大氣邊界層底層的大約10%的高度范圍時，在這個氣層中空氣的運動符合湍流交換規律[20]。

渦度相關法目前已經是國際上公認標準方法，在觀測過程中可以進行長期且連續的工作，并且在時間尺度上可以從秒、分、時、日、月到年的長時間跨度連續測量。由于渦度相關有良好的物理知識，渦度相關在使用過程中不受平流限制，有較高的精度和良好的穩定性，使用靈活，移動性強[21]等特點。但是其安裝對地理環境要求較高，需安裝在足夠平坦均質的下墊面，復雜的下墊面環境容易造成測定誤差。

3.1.2 蒸滲儀法

蒸滲儀在19世紀后期用于研究植物水的利用，目前作為農田蒸發蒸騰測定的標準儀器。蒸滲儀法是研究農田蒸散發經濟且有效的方法，在研究棉田蒸散發，馬瑞莎等[22]利用大型稱重式蒸滲儀對棉田凝結水進行實時觀測。

蒸滲儀法是根據水量平衡原理用來測量田間水文循環的儀器，是在田間裝滿土壤的大型儀器，通過儀器內的觀測器測定蒸散量。蒸滲儀有稱重式和非稱重式2種，非稱重式(國外也稱為排水型蒸滲儀)主要是通過控制地下水位量，結合測定的補償水量。在安裝過程中操作簡單，并且造價相對較低，因此在我國使用較為廣泛。稱重式蒸滲儀主要有液壓式、機械式、電子稱重式等不同的類型，并且可以在短時段內測定蒸發量，測量的精度高,造價高。

3.2 計算方法

3.2.1 波文比法

波文比能量平衡法是在1926年Bowen[23]依據地表能量平衡公式提出計算蒸散發的波文比平衡法。計算公式：

(1)

(2)

(3)

式中，波文比β是地表能量平衡方程中顯熱通量與潛熱通量之比；Rn為到達地表面的凈輻射量；G為土壤熱通量；λE為潛熱通量；H為顯熱輸送通量；ε=0.622為水汽分子與干空氣分子的重量比；p、cp為氣壓、定壓比熱。

前期的波文比儀主要采用手動阿期曼，經過后期的高精度要求，才逐漸采用換位式波文比，運用上下多次換位的方法，用溫度平均值消除各感應間的系統誤差值。波文比平衡法在使用過程中的儀器價格低、計算方法簡單和精度較高[24]。在計算農田蒸散法過程中要求下墊面均勻且無平流影響，否則測定過程中數據容易產生誤差。

3.2.2 Penman-Monteith模型

彭曼-蒙特斯公式法是在1992年世界糧農組織(FAO)在彭曼公式基礎上提出，并且是目前世界上采用最為廣泛的公式之一。公式：

(4)

式中，ET0為參考作物蒸散，mm·d-1；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa·oC-1；Rn為凈輻射，MJ·m-2·d-1；G為土壤熱通量密度，MJ·m-2·d-1；U2為2m高度的風速，m·s-1；T為日平均氣溫，℃；(es-ea)為飽和水汽壓與實際水汽壓差，kPa；γ為干濕表常數，kPa·℃-1。

Penman-Monteith模型(P-M法)在蒸散發計算中是最為常用的計算方法。在計算過程中利用氣象數據就可計算參考作物蒸散量的值。適用范圍較廣，在干旱地區或者濕潤地區都可進行估算蒸散法。但是該模型的計算過程相對復雜，需要用到大量氣象數據。董楠等[25]運用彭曼公式計算的棉田日蒸散量，結合棉花的需水量推算灌溉量。

4 蒸散發的模擬與驗證

蒸散發的模擬與驗證，可以更好觀測田間土壤蒸發和作物蒸騰，精確的驗證和模擬地面蒸散發對地面水循環和能量變化規律有著重要的意義。目前蒸散發的驗證主要是通過模型估算與地面觀測實驗獲取進行驗證。地面蒸散容易受到大氣環境，土壤環境的影響。隨著遙感技術與模型算法的快速發展，地面蒸散發的模擬和驗證逐漸成為一種常用的估算方法。通過機理的不同，目前使用較多蒸散發模型主要有能量平衡模型和遙感法與遙感反演。

4.1 能量平衡模型

能量平衡模型是基于能量平衡原理建立的估算模型。能量平衡模型按照阻抗的方式，又可以分為單層模型和雙層模型[26]。能量平衡法是以能量平衡為基礎，估算地表凈輻射(Rn)、土壤熱通量(G)和顯熱通量(H)，然后通過能量平衡方程估算潛熱通量(LE)，具體公式：

LE=Rn-H-G

(5)

(6)

式中，Pair為空氣密度；CP為空氣定壓比熱；Tareo為空氣動力學溫度；Ta為參考高度處溫度；rr為阻抗。

通過上述公式可知，估算顯熱通量較為復雜。因此為更好地估算顯熱通量，將能量平衡模型分為單層模型和雙層模型。

單層模型主要是不區分土壤層和植被層。單層模型對于抗阻計算簡單，適用在植被覆蓋度高的地區。單層模型的簡化，不用單獨獲取土壤層和植被層的相關參數，操作簡便，目前得到廣泛的應用。單層模型目前具有代表性的為SEBAL模型。SEBAL模型是Bas- tiaanssen于1998年提出的[37]，目前該模型已經廣泛應用在干旱半干旱地區。

雙層模型主要是區別土壤蒸發和植被蒸騰。雙層模型最早是由Shuttleworth等[28]在1985年提出，即Shuttleworth-Wallace(S-W模式)。雙層模型可以得到土壤蒸發和植被蒸騰，在植被稀疏地區雙層模型在干旱半干旱地區的模擬結果高于單層模型。

目前對蒸散發的驗證，利用相關儀器對地面觀測得到數據然后與遙感模型估算對田間蒸散進行比較。通過蒸滲儀，渦度相關儀等用于田間進行觀測田間蒸散情況，結合單層或雙層模型估算蒸散發進行驗證。

4.2 遙感法與遙感反演

20世紀80年代，遙感與遙感反演開始在我國逐漸展開研究。20世紀90年代至今，遙感數據監測應用領域越來越廣泛，在氣象、農業、生態等不同領域都具有估算蒸散的研究意義。隨著遙感技術的快速發展和應用，紅外遙感通過作物生長期對作物產生的光譜特性、微氣象參數以及熱紅外信息的觀測來計算農田蒸發蒸騰的方法。由于遙感法在對田間監測過程中，不受下墊面不均和水流時間的影響，并且可以快速、方便對土壤水分和作物蒸散發進行監測。使得研究者廣泛使用遙感法對蒸散發研究。

遙感反演主要是通過對地表反射的參數值反向推導地面的狀態參數。目前地表蒸散發遙感反演的方法可分為[29]經驗法、微氣象理論法、蒸發互補理論能量平衡余項法、地表溫度-植被指數空間法、數據同化。蒸散發遙感反演發展從斑塊尺度上計算蒸散，發展基于農田SPAC中的水分循環模型。遙感技術的不斷發展，在基于地表能量平衡方程的地表蒸散發模型，蒸散發遙感反演不斷提高，精度越來越高。

土壤水分蒸散是水文循環重要組成部分，隨著遙感技術發展遙感能夠通過大范圍的遙感信息來獲取地表水分分布。遙感反演在土壤水分監測中，主要是通過光學遙感和微波遙感進行對土壤水分的監測。光學遙感有分辨率高、傳感器多等優點，但是容易受到大氣和植被的影響。微波遙感大氣干擾較小，穿透力較強，但是分辨率較低，容易受到植被的影響。

5 總結和展望

通過對棉田蒸散的研究發現，田間蒸散量對農業用水以及作物的生長和品質等都有著重要作用，并且氣候環境變化是影響田間蒸散的關鍵因素。棉花在新疆是最主要的農作物，并且種植面積最廣。新疆是典型的“綠洲農業、灌溉農業”，地下水開采嚴重，水資源供應問題也日益突出。由于棉田蒸散的研究晚于農田蒸散，棉田蒸散理論研究以及估算方法等都是通過農田蒸散的研究進行開展，因此農田蒸散的研究對棉田蒸散具有重要的指導和參考作用。目前對蒸散發的研究越來越多，技能性也越來越強，每種估算方式都有其估算的準確性。未來蒸散發的研究應當結合多種科學方法，先進的科學技術與傳統的技術結合，探尋研究棉田蒸散發的新方法和新技術。