基于大型稱重式蒸滲儀研究北疆滴灌麥田蒸散量

李　杰　吳楊煥　陳　銳　楊　平　柴順喜　崔　靜　馬富裕，*石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆石河子 83003；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)六師農(nóng)科所， 新疆五家渠 83300

基于大型稱重式蒸滲儀研究北疆滴灌麥田蒸散量

李杰1吳楊煥2陳銳1楊平1柴順喜1崔靜1馬富裕1，*1石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆石河子 832003；2新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)六師農(nóng)科所， 新疆五家渠 831300

基于大型稱重式蒸滲儀研究了北疆地區(qū)滴灌冬小麥不同時(shí)段（生育階段、日、時(shí)）的農(nóng)田水分蒸散特征， 分析了氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速等因子對(duì)農(nóng)田水分蒸散的影響及產(chǎn)量和蒸散的關(guān)系， 旨在為北疆地區(qū)滴灌冬小麥的灌溉制度制定提供理論依據(jù)。3個(gè)灌水處理分別為全生育期灌溉375、600和750 mm。結(jié)果表明， 在滴灌冬小麥全生育期內(nèi)日蒸散量為抽穗–乳熟＞拔節(jié)–抽穗＞乳熟–成熟＞返青–拔節(jié)＞播種–越冬＞越冬–返青； 在一天中， 滴灌冬小麥農(nóng)田水分蒸散主要發(fā)生在8:00–20:00， 夜間20:00–8:00蒸散量較小且比較穩(wěn)定， 時(shí)蒸散量隨天氣變化而改變。滴灌條件下， 冬小麥的棵間蒸發(fā)量占農(nóng)田水分蒸散的25.2%～28.3%?？瞄g蒸發(fā)與土壤含水率和葉面積指數(shù)具有良好的二元二次模擬關(guān)系， 擬合系數(shù)為0.98。綜合產(chǎn)量和水分利用效率， 滴灌冬小麥的蒸散量為600～650 mm。本研究對(duì)合理制定滴灌冬小麥的灌溉制度具有重要的參考價(jià)值。

滴灌； 冬小麥； 農(nóng)田水分蒸散； 棵間蒸發(fā)

新疆地處西北干旱地區(qū)， 受地理環(huán)境的限制淡水資源匱乏嚴(yán)重影響新疆農(nóng)業(yè)的發(fā)展， 近年來(lái)隨著全球氣候變化及水資源的不合理開(kāi)發(fā)利用， 導(dǎo)致淡水資源緊缺， 嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的發(fā)展［1-2］。如何利用有限的水資源， 提高農(nóng)作物產(chǎn)量和水分利用效率是推廣發(fā)展旱作節(jié)水増糧技術(shù)的關(guān)鍵［3］， 許多學(xué)者在農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)等［4-11］方面做了大量工作。滴灌技術(shù)作為當(dāng)前最先進(jìn)的工程化節(jié)水技術(shù)已在世界各國(guó)廣泛推廣應(yīng)用， 其灌水量少且灌溉頻率高， 可根據(jù)作物需水需肥規(guī)律將水分和養(yǎng)分均勻持續(xù)地輸送到植株根部，最大限度地降低了土壤水分的深層滲漏和其他無(wú)效途徑的用水浪費(fèi)， 且能形成一定的農(nóng)田小氣候， 可有效緩解水資源不足與農(nóng)業(yè)用水利用率不高的矛盾［12］。

新疆是中國(guó)糧食生產(chǎn)后備耕地資源區(qū)。滴灌冬小麥的種植模式已在新疆適宜種植區(qū)全面推廣， 滴灌冬小麥較常規(guī)灌溉種植節(jié)水1500～2500 m3hm–2，另外， 由于滴灌改變麥田根區(qū)供水方式， 改善了小麥根系特征與水分利用效率之間的關(guān)系， 增產(chǎn)效果明顯［13］。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)滴灌春小麥的耗水規(guī)律、農(nóng)田蒸散特征、作物產(chǎn)量的關(guān)系、測(cè)定儀器、測(cè)定方法等積累了一定的研究成果［14-15］。但關(guān)于滴灌條件下冬小麥農(nóng)田水分蒸散特征、耗水規(guī)律及水分管理的精準(zhǔn)化仍缺少有力的支持理論。因此研究冬小麥農(nóng)田水分蒸散特征， 了解蒸散動(dòng)態(tài)過(guò)程， 將對(duì)灌溉水資源優(yōu)化配置、提高水分利用效率有著極其重要意義。目前， 國(guó)內(nèi)外采用的計(jì)算蒸散的方法很多， 但需要對(duì)其結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)校正， 由于蒸滲儀測(cè)定蒸散的精度較高（一般可達(dá)0.01～0.02 mm）， 因而已成為測(cè)定蒸散的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)儀器［16-17］， 可用于校正和比較其他方法所獲得的數(shù)據(jù)， 盡管蒸滲儀內(nèi)外在熱量和水分方面存在差異， 如0～20 cm土層地溫的資料顯示， 器內(nèi)比器外高約5.4%， 但其蒸散規(guī)律、蒸散過(guò)程對(duì)周圍農(nóng)田有較好的代表性［18］。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)， 人們利用蒸滲儀進(jìn)行了大量蒸散測(cè)定試驗(yàn)， 但是針對(duì)新疆北部地區(qū)滴灌模式下農(nóng)田水分蒸散的研究卻鮮有報(bào)道。探索本區(qū)滴灌模式下冬小麥的農(nóng)田水分蒸散特征有助于緩解水資源不足與農(nóng)業(yè)用水利用率不高的矛盾。本研究基于大型稱重式蒸滲儀對(duì)北疆地區(qū)滴管模式下冬小麥蒸散規(guī)律展開(kāi)研究， 旨在探明滴灌條件下冬小麥農(nóng)田蒸散規(guī)律及其影響因素， 探求其作物因素、土壤水分和氣象因素與蒸散之間的關(guān)系， 以期為北疆地區(qū)農(nóng)田水分管理提供依據(jù)， 為北疆地區(qū)滴灌作物及其氣候和種植模式相似地區(qū)需水規(guī)律的確定提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)， 并為發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)提供參考。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站（45o19' N， 86o03' E，海拔440 m）平均年降雨量為154 mm， 年均氣溫7℃，無(wú)霜130～170 d， ≥10℃積溫2800～3700℃。試驗(yàn)區(qū)在1 m深土層內(nèi)土壤質(zhì)地為沙壤土， 0～60 cm土層土壤含有機(jī)質(zhì)21.78 mg kg–1、堿解氮61.0 mg kg–1、速效磷25.26 mg kg–1、速效鉀194.0 mg kg–1， pH 7.62。

試驗(yàn)氣象數(shù)據(jù)由石河子氣象局氣象觀測(cè)站提供，該站與石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院田間試驗(yàn)站的直線距離為500 m， 自動(dòng)監(jiān)測(cè)小麥整個(gè)生育期內(nèi)每日的風(fēng)速、氣溫、濕度、土壤溫度、相對(duì)濕度等。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試冬小麥品種為新冬43（新疆農(nóng)墾科學(xué)院選育）。播種期分別為2013年9月25日和2014年9月30日， 收獲期為2013年6月28日和2015年6月27日。播種密度均為450萬(wàn)粒 hm–2， 播種行距為15 cm。全生育期施基肥尿素（N質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥46%） 150 kg hm–2， 磷酸二銨（P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥48%） 250 kg hm–2， 分別于冬前、返青前、拔節(jié)期、抽穗期追施尿素75 kg hm–2。試驗(yàn)期間其他管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田相同。

按隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)， 試驗(yàn)小區(qū)面積為5 m × 8 m = 40 m2， 重復(fù)3次。設(shè)置3個(gè)灌溉定額處理， 分別375（D1）、600 （D2）和750 mm （D3）， 通過(guò)水表控制滴灌量， 冬小麥整個(gè)生育時(shí)期灌水10次。兩年度D1、D2和D3處理均在播種期（2013年9月28日和2014年10月1日）滴灌出苗水60 mm； 冬前（2013年11月11日和2014年11月14日）分別滴灌越冬水35、92和138 mm； 返青后滴灌8次， 第一次在2014年3月28日和2015年3月27日， 此后每10 d滴水一次，每次灌水量分別為35、56和69 mm。

采用北京綠源公司生產(chǎn)的515型內(nèi)鑲式滴灌帶，滴頭間距20 cm， 滴頭流量3.2 L h–1， 滴管帶間距為60 cm， 一條滴灌帶灌溉4行小麥。各處理間設(shè)1 m隔離帶， 為了防止水分側(cè)滲， 各處理間均埋有1 m深防滲膜隔開(kāi)。試驗(yàn)小區(qū)安裝有體積為2.0 m × 2.0 m × 2.3 m （長(zhǎng)×寬×高）的大型原狀土自動(dòng)稱重滲漏式蒸滲儀系統(tǒng)（西安碧水環(huán)境新技術(shù)有限公司造）自動(dòng)獲取農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰量數(shù)據(jù)， 測(cè)量精度為0.05 mm， 每小時(shí)自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù)。

1.3田間水分蒸發(fā)特征測(cè)定方法

1.3.1棵間蒸發(fā)量測(cè)定 采用置于小麥行間的小型棵間蒸發(fā)器測(cè)定棵間蒸發(fā)， 設(shè)每處理4個(gè)規(guī)格相同的棵間蒸發(fā)器， 距離滴管帶15 cm和30 cm各2個(gè)， 取其測(cè)定的平均值作為各處理的測(cè)定值。小型棵間蒸發(fā)器（Micro-1ysimeter）由外桶（直徑110 mm，高200 mm， 不封底）和內(nèi)桶（內(nèi)徑90 mm， 高200 mm，壁厚2 mm）兩部分組成， 材料為聚氯乙烯（PVC）管。外桶是固定的， 內(nèi)桶可取出， 為使桶內(nèi)土壤水分與大田一致， 在小麥種植后， 將外桶和內(nèi)桶分別垂直放入試驗(yàn)區(qū)， 并使其頂面與地面齊平， 減少對(duì)內(nèi)桶土壤的擾動(dòng)， 使其與田間的土壤盡量保持一致。為保證Micro-1ysimeter內(nèi)的土體水分含量和結(jié)構(gòu)同大田相似， 降雨或灌溉后立即換土， 用小型蒸發(fā)器測(cè)定棵間蒸發(fā)的換土最短時(shí)間頻率是3～5 d［19］。用精度0.01 kg的電子天平稱重， 得到單位時(shí)間內(nèi)的棵間蒸發(fā)量， 即E = ΔW/πr2（E為棵間蒸發(fā)； ΔW為單位時(shí)間內(nèi)小型棵間蒸滲桶的重量差值， 可以直接通過(guò)稱量獲得； r為小型棵間蒸滲桶的內(nèi)徑）。

1.3.2農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰量獲取 采用建于田間的大型稱重式蒸滲儀來(lái)測(cè)定， 其測(cè)定田間蒸散量的有效面積為4 m2， 該系統(tǒng)主要包括土體系統(tǒng)、稱質(zhì)量系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 自動(dòng)采集儲(chǔ)存數(shù)據(jù)， 采集步長(zhǎng)為1 h， 精度為0.05 mm。

1.3.3土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采集 利用采集器5ET（Decagon Device Inc. Washington State， USA）來(lái)獲得蒸滲儀和試驗(yàn)小區(qū)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)， 測(cè)定步長(zhǎng)一天一次， 測(cè)定土壤深度分別為0～20、20～40和40～60 cm。

1.4葉面積指數(shù)及產(chǎn)量相關(guān)性狀測(cè)定

1.4.1葉面積指數(shù) 每隔7 d， 采用Li-3100（LI-COR Inc， Lincoln， NE， USA）葉面積儀測(cè)定樣本的總?cè)~面積， 再根據(jù)取樣面積計(jì)算葉面積指數(shù)。

1.4.2考種測(cè)產(chǎn) 成熟期每小區(qū)取2 m2典型樣方，收獲后室內(nèi)考種。測(cè)定樣方的單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重， 并計(jì)算產(chǎn)量。

1.5數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和歸一化處理； 用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析， 采用LSD法多重比較； OriginPro8.5繪圖。

2　結(jié)果與分析

2.1不同天氣條件下的蒸散特征

可以從微觀角度理解蒸散的動(dòng)態(tài)過(guò)程， 真實(shí)地定量反映特定天氣條件下一定群體生物量蒸散量。利用大型稱重式蒸滲儀的實(shí)測(cè)值， 可以精確地刻畫(huà)出滴灌冬小麥一晝夜內(nèi)不同時(shí)段的蒸散量變化趨勢(shì)。在抽穗至乳熟期， 選取具有代表性的2014年5月26日（晴天）、5月30日（多云）、6月2日（陰天）測(cè)定蒸散特征， 不同天氣狀況的間隔時(shí)間很短， 可認(rèn)為不同天氣下具有相同的群體冠層特征， 本結(jié)果可近似真實(shí)反映冬小麥群體耗水量最大階段不同天氣條件下的蒸散特征。從圖1可以看出， 不同天氣條件下日內(nèi)的時(shí)蒸散變化不同， 晴天日變化曲線為單峰型， 峰值出現(xiàn)在14:00， 多云和陰天日變化曲線為多峰型； 盡管不同天氣的時(shí)蒸散日變化波形不同，但總體上看時(shí)蒸散的日變化一般從8:00開(kāi)始增大，13:00至16:00達(dá)到最大值， 隨后逐漸減小， 20:00以后在0.1 mm以下， 并在零附近波動(dòng)， 之后變化起伏較小。滴灌冬小麥時(shí)蒸散規(guī)律與當(dāng)天的大氣溫度變化規(guī)律相同， 時(shí)蒸散量隨氣溫的變化而同步波動(dòng)。滴灌冬小麥田的蒸散量晴天為8.0 mm d–1左右， 多云與陰天的蒸散量分別為5.0 mm d–1和3.7 mm d–1左右， 夜間為0～0.3 mm d–1， 波動(dòng)較小且比較穩(wěn)定。

2.2各生育階段蒸散特征

全生育期滴灌冬小麥生育階段間蒸散量動(dòng)態(tài)變化呈拋物線形狀， 各階段蒸散量年季間差異不明顯（圖2）。冬小麥返青后， 不同水分處理間的蒸散強(qiáng)度是D3 ＞ D2 ＞ D1的趨勢(shì)。播種至越冬和越冬至返青階段， 3個(gè)處理間蒸散強(qiáng)度沒(méi)有明顯差異（P ＞ 0.05），返青開(kāi)始至成熟， 3個(gè)處理間的蒸散強(qiáng)度差異顯著（P＜ 0.05）。兩年度3個(gè)灌水處理的蒸散強(qiáng)度在抽穗至乳熟階段最大， 拔節(jié)至抽穗階段次之， 這兩階段為水分敏感時(shí)期， 應(yīng)該保證水分的充足供應(yīng)。越冬至返青階段蒸散強(qiáng)度最小， 耗水量最小。在整個(gè)生育期， 作物蒸散量隨灌溉量的增加而增加， 處理間差異顯著， 以D3處理蒸散量最大， 為2.63～2.66 mm d–1， 比D2高出16.8%～17.2%， 比D1高68.4%～74.2%。

2.3棵間土壤蒸發(fā)量特征

播種至越冬階段3個(gè)處理灌水量相同， 在此階段的棵間蒸發(fā)量和耗水量的年際間差異較小， 階段棵間蒸發(fā)量占此階段總耗水量的74.7%～79.5% （表1），該階段棵間蒸發(fā)量占耗水量的比例較大， 這與冬前小麥體較小、田間蒸散基本屬裸土蒸發(fā)為主有著密切的關(guān)系。越冬至返青階段由于氣溫下降， 作物進(jìn)入休眠狀態(tài)， 蒸騰速率降低， 土壤表層消凍交替使此階段田間水分耗散仍以棵間蒸發(fā)為主， 此期棵間蒸發(fā)量占耗水量的68.2%～79.7%。返青開(kāi)始后大氣溫度升高， 小麥地上部分迅速生長(zhǎng)， 葉面積指數(shù)逐漸增大， 棵間土壤蒸發(fā)相應(yīng)減少， 農(nóng)田蒸散由棵間蒸發(fā)為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰魑镎趄v為主。3個(gè)處理在返青至拔節(jié)階段棵間蒸發(fā)量分別占耗水量的比例為28.9%～29.2%、39.6%～41.1%和41.8%～43.1%， 處理間差異明顯； 拔節(jié)至抽穗階段棵間蒸發(fā)量占耗水量的15.6%～16.9%、18.8%～20.7%和19.7%～20.9%， 各處理的棵間蒸發(fā)量占階段耗水量的比例明顯減小，處理間差異不顯著； 在抽穗至乳熟階段， 3個(gè)處理的棵間蒸發(fā)量比例降到最小， 分別為8.1%～8.6%、9.8%～11.5%和11.6%～12.0%， 處理間差異不明顯。進(jìn)入乳熟期后冬小麥葉片開(kāi)始衰老、變黃、變干， 作物蒸騰降低， 棵間土壤蒸發(fā)較前一階段略有增大的趨勢(shì)， D1、D2和D3分別增加6.4%～11.2%、10.2%～15.1%和12.5%～15.3%。從兩年度小麥全生育期來(lái)看，滴灌條件下冬小麥棵間蒸發(fā)量為107.5～201.2 mm，蒸散總量為425.9～733.2 mm， 棵間土壤蒸發(fā)總量占總蒸散量的25.2%～28.3%。

圖1　不同天氣冬小麥田時(shí)蒸散量（2013-2014）Fig. 1 Hourly evapotranspiration of winter wheat field under different weather conditions （2013-2014）測(cè)定日期分別為2014年5月26日（晴）、5月31日（多云）和6月2日（陰）。The dates for measurement were May 26 （sunny）， May 31 （overcast）， and June 2 （cloudy）， 2014.

圖2　冬小麥各生育階段的日蒸散量Fig. 2 Intensity of evapotranspiration in various growth stages of winter wheatS: 播種； O: 越冬； R: 返青； E: 拔節(jié)； H: 抽穗； MR: 乳熟； M: 成熟； WGS: 全生育期。S: sowing； O: overwinter； R: regreeing； E: elongation； H: heading； MR: milk ripening； M: matunity； WGS: whole growth stage.

表1　不同灌水處理小麥階段棵間蒸發(fā)量占階段耗水量的比例Table 1 Ratios of soil evaporation to water consumption during wheat growing period under different drip-irrigation treatments

2.4不同灌量處理土壤水分變化

各處理在0～20 cm土層土壤水分含量在灌溉前后變化劇烈， D3為17%～28%， D2為17%～27%， D1為15%～24%， 灌溉后各處理土壤含水量迅速增大且均能完全恢復(fù)到原來(lái)水平， 處理間變化趨勢(shì)相似。在20～40 cm土層， 各處理的土壤含水量均有所下降，灌溉前后土壤含水率整體趨于平緩且波動(dòng)較小， 在播種后210～240 d灌溉后土壤含水量不能恢復(fù)到原來(lái)水平， 說(shuō)明在這一階段0～20 cm土層土壤含水量不能保證作物生長(zhǎng)， 20～40 cm土層水分供給作物生長(zhǎng)。在40～60 cm土層， 各處理土壤含水量在灌溉前后波動(dòng)較小， 基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)， 土壤水分變化分別為13%～15% （D1）、14%～17% （D2）和19%～23%（D3）， 僅D3處理能夠恢復(fù)到灌溉前水平， 說(shuō)明隨著深度增加土壤含水量變化幅度減?。▓D3）。年度間不同處理的土壤水分含量具有相似變化規(guī)律。

2.5土壤含水量和葉面積對(duì)棵間蒸發(fā)的影響

滴灌冬小麥棵間蒸發(fā)與表層土壤含水量（θv）和葉面積指數(shù)（LAI）之間具有良好的相關(guān)性［20］?？瞄g蒸發(fā)隨著表層土壤含水量的增加而增大， 土壤濕度越大， 棵間蒸發(fā)越大。當(dāng)表層土壤含水量升高時(shí)， 土壤蒸發(fā)增大， 當(dāng)表層土壤含水量降低時(shí)， 土壤蒸發(fā)降低。作物冠層主要是通過(guò)截留到達(dá)作物棵間地面的太陽(yáng)凈輻射來(lái)影響土壤蒸發(fā)的。隨著冠層覆蓋度的增加， 到達(dá)地面的太陽(yáng)凈輻射減小， 棵間蒸發(fā)減小，即棵間蒸發(fā)隨葉面積指數(shù)的增加而減小。根據(jù)兩年度測(cè)定結(jié)果回歸模擬分析， 得到土壤蒸發(fā)值（E）與葉面積指數(shù)（LAI）、表層土壤含水量（θv）的回歸方程E = -1.12 + 0.11θv+ 0.17LAI + 8.06 × 10-4θv2+ 1.9 × 10-2LAI2- 2.2 × 10-2θv×LAI （R2= 0.98）。該方程在與本試驗(yàn)氣候環(huán)境和種植模式相似區(qū)域有參考價(jià)值， 用于描述土壤蒸發(fā)和葉面積指數(shù)、土層含水量的關(guān)系。

2.6環(huán)境因子對(duì)農(nóng)田蒸散量的影響

為了消除冠層覆蓋度和土壤含水量對(duì)農(nóng)田水分蒸散的影響， 圖4給出了葉面積指數(shù)在1.5～3.0之間且土壤表層（0～20 cm）體積含水量大于15%時(shí)農(nóng)田水分蒸散與風(fēng)速、氣溫和相對(duì)濕度的關(guān)系?？梢钥闯?，北疆地區(qū)滴灌冬小麥農(nóng)田水分蒸散量隨大氣溫度增大呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)， 隨風(fēng)速增大呈先增大后降低的二次曲線變化趨勢(shì)， 隨空氣相對(duì)濕度增大呈指數(shù)下降趨勢(shì)； 當(dāng)空氣相對(duì)濕度大于50%、風(fēng)速大于4 m s-1時(shí)， 蒸散隨之降低。

式中， ET為農(nóng)田水分蒸散量（mm d–1）， AT為大氣溫度（℃）， WS為風(fēng)速（m s–1）， RH為空氣相對(duì)濕度（%），a、b、c為常數(shù)。

2.7產(chǎn)量、水分利用效率與蒸散量關(guān)系

作物產(chǎn)量與灌溉量呈非線性關(guān)系， 灌溉量增加到一定程度后， 作物產(chǎn)量緩慢增加甚至降低。兩年度數(shù)據(jù)顯示蒸散量（ET）與產(chǎn)量（Y）呈現(xiàn)拋物線關(guān)系（圖5），其回歸方程為Y = -0.021ET2+ 34.61ET - 3011.42 （R2= 0.978）。對(duì)該曲線求導(dǎo)， 得到產(chǎn)量最大值， Y = 11 523.05 kg hm–2時(shí)， 其對(duì)應(yīng)的蒸散量是823.8 mm。

圖5還顯示， 水分利用效率（WUE）隨蒸散量（ET）的增加而減小， 當(dāng)蒸散量達(dá)到一定值之后， 水分利用效率減小緩慢且趨于穩(wěn)定， 呈二次拋物線關(guān)系。

WUE = -1.39×10–6ET2+ 4.61×10–4ET + 1.93（R2= 0.956）

對(duì)曲線進(jìn)行微分得到WUE–ET的頂點(diǎn)為（165.80 mm， 1.97 kg m-2）， 取得最大水分利用效率的蒸散量與取得最高產(chǎn)量的最大蒸散量并不一致， 只有產(chǎn)量與水分利用效率達(dá)到最優(yōu)時(shí)才能達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。由擬合曲線可知， 產(chǎn)量和水分利用效率交匯點(diǎn)的蒸散量在620 mm左右（圖5）。

圖3　小麥返青后不同處理土壤水分變化過(guò)程Fig. 3 Changes of volumetric soil water content of different treatments after regreening stage of wheat

3　討論

農(nóng)田水分蒸散在農(nóng)田水量平衡和能量平衡計(jì)算中占有重要地位， 農(nóng)田灌溉管理、作物產(chǎn)量估計(jì)及土壤水分預(yù)報(bào)等許多問(wèn)題都與蒸發(fā)蒸騰量緊密相關(guān)，分析滴灌作物農(nóng)田水分蒸散和棵間蒸發(fā)機(jī)制及其影響因素， 可促進(jìn)滴灌作物對(duì)水分利用效率的提高。根據(jù)2013—2015年北疆地區(qū)大型稱重式蒸滲儀的麥田蒸散測(cè)定結(jié)果， 結(jié)合冬小麥全生育期的氣象因子，北疆地區(qū)滴灌冬小麥農(nóng)田的時(shí)蒸散、日蒸散、生育期蒸散、棵間蒸發(fā)、產(chǎn)量和水分利用效率。就時(shí)蒸散來(lái)看， 農(nóng)田水分蒸散強(qiáng)度隨天氣的變化而變化，不同天氣條件下蒸散強(qiáng)度的波形不同， 在晴天表現(xiàn)為單峰曲線， 在多云和陰天為多峰曲線； 但在整個(gè)晝夜內(nèi)， 不論是晴天、多云或者陰天農(nóng)田水分蒸散主要發(fā)生在8:00–20:00之間， 在20:00–8:00間基本沒(méi)有蒸散或蒸散量接近于零。在本地區(qū)晴天時(shí)蒸散量最大值出現(xiàn)在13:00–16:00之間， 在其他區(qū)域一般11:00–14:00最大［21］， 這可能是本區(qū)地處西北內(nèi)陸干旱地區(qū)， 與其他區(qū)域具有時(shí)差原因所致。這將有助于對(duì)本區(qū)滴灌作物蒸散機(jī)制的理解。對(duì)3個(gè)處理各生育階段的日蒸散量而言， 在返青前沒(méi)有差異， 返青后出現(xiàn)明顯差異。這可能由于播種至返青階段麥苗較小， 葉面積指數(shù)差異不明顯， 各處理間植株蒸騰沒(méi)有差異， 同時(shí)這一時(shí)期本區(qū)溫度較低， 大部分時(shí)間溫度都在0℃以下， 土壤凍結(jié)， 各處理間土壤蒸發(fā)較小且沒(méi)有差異所致。而從返青期開(kāi)始， 隨著溫度升高， 土壤凍結(jié)消融， 且隨灌水量的增加作物長(zhǎng)勢(shì)不同， 葉面積指數(shù)出現(xiàn)顯著差異。就全生育期蒸散強(qiáng)度而言， 抽穗至乳熟階段最大， 拔節(jié)至抽穗階段次之， 越冬至返青階段最小， 其他時(shí)期介于二者之間， 說(shuō)明抽穗至乳熟和拔節(jié)至抽穗兩階段階段是滴灌冬小麥需水的關(guān)鍵時(shí)期， 應(yīng)保證水分的充分供應(yīng)， 這與梁文清等［22］的研究結(jié)果一致。

圖4　農(nóng)田水分蒸散（ET）與氣溫（AT）、風(fēng)速（WS）、相對(duì)濕度（RH）的關(guān)系Fig. 4 Relationship of evapotranspiration （ET） with air temperature （AT）， wind speed （WS）， and relative humidity （RH）

圖5　冬小麥產(chǎn)量（Y）、水分利用效率（WUE）與田間蒸散量（ET）變化關(guān)系Fig. 5 Relationship of evapotranspiration （ET） with winter wheat yield （Y） and water use efficiency （WUE）

棵間蒸發(fā)作為農(nóng)田水分蒸散的重要組成部分，不參與產(chǎn)量的形成， 因此減少棵間土壤蒸發(fā)對(duì)提高冬小麥水分利用效率、節(jié)約灌溉用水具有十分重要的作用。本試驗(yàn)3個(gè)滴灌處理的棵間蒸發(fā)占農(nóng)田水分蒸散的比值為25.2%～28.3%， 明顯低于常規(guī)灌溉［23］，這可能是滴灌屬于局部灌溉， 不會(huì)使土壤表層全部濕潤(rùn)所致， 滴灌使棵間無(wú)效水分蒸發(fā)降低， 使水分利用效率得到提高。盡管滴灌冬小麥棵間蒸發(fā)占總蒸散量比例低于常規(guī)灌溉， 但滴灌冬小麥棵間蒸發(fā)隨表層土壤含水量的增加而增大， 土壤表層越濕潤(rùn)，棵間蒸發(fā)越大。因此認(rèn)為， 在滿足作物正常生長(zhǎng)的前期下， 采用長(zhǎng)周期、大灌量的模式可以抑制棵間蒸發(fā)， 減少無(wú)效水分浪費(fèi)。與傳統(tǒng)灌溉相比， 在滴灌條件下， 土壤水分變化主要發(fā)生在0～40 cm的土層，40 cm土層以下基本沒(méi)有變化且不會(huì)發(fā)生深層滲漏現(xiàn)象。大型稱重式蒸滲儀實(shí)測(cè)結(jié)果， D1、D2和D3處理兩年度的蒸散量分別425.9～427.4、613.1～620.4和711.3～733.2 mm； 通過(guò)對(duì)產(chǎn)量、水分利用效率和蒸散量的模擬， 可知使產(chǎn)量和水分效率達(dá)到最優(yōu)時(shí)的蒸散量介于600～650 mm之間。

作物蒸散不僅與生育期有關(guān)， 同時(shí)受生態(tài)系統(tǒng)、多種環(huán)境因子和氣象因子共同制約， 除葉面積指數(shù)［24］、氣孔導(dǎo)度［25］等生物因子［26］， 還包括太陽(yáng)輻射、土壤含水量、空氣相對(duì)濕度、氣溫等非生物環(huán)境因子。不同區(qū)域的環(huán)境因子和非環(huán)境因子對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田蒸散影響明顯， 北疆地區(qū)滴灌冬小麥農(nóng)田生態(tài)蒸散變化特征是各種環(huán)境因子相互作用的結(jié)果，農(nóng)田水分蒸散與氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速等氣象因子呈現(xiàn)出一定的函數(shù)關(guān)系。在本區(qū)農(nóng)田水分蒸散隨大氣溫度的升高呈指數(shù)函數(shù)增加， 與風(fēng)速呈二次函數(shù)關(guān)系， 隨相對(duì)濕度的升高呈指數(shù)函數(shù)降低， 這可能是由于風(fēng)速改變空氣動(dòng)力學(xué)阻力而影響蒸散過(guò)程，這與Farahani等［27］的研究結(jié)果一致。然而， 當(dāng)風(fēng)速大于一定值， 在北疆地區(qū)通常伴隨著空氣溫度下降，從而蒸散減少。而空氣中水汽在一定范圍內(nèi)有利于蒸散過(guò)程的發(fā)生。然當(dāng)空氣相對(duì)濕度持續(xù)增加時(shí)，蒸發(fā)表面與其臨近空氣的水汽壓差將降低， 導(dǎo)致蒸散過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力下降， 蒸散呈降低趨勢(shì)。

4　結(jié)論

北疆地區(qū)滴灌麥田的耗水量為600～650 mm， 棵間土壤蒸發(fā)占總蒸散量的25.2%～28.3%。滴灌冬小麥在抽穗至乳熟階段為需水敏感期， 應(yīng)確保該階段的水分供應(yīng)。滴灌冬小麥農(nóng)田蒸散與氣象因素有密切的關(guān)系， 蒸散與氣溫和相對(duì)濕度呈指數(shù)關(guān)系， 與氣溫呈正相關(guān)， 與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)， 與風(fēng)速呈二次曲線關(guān)系。構(gòu)建了試驗(yàn)區(qū)滴灌冬小麥棵間蒸發(fā)量（E）與表層土壤含水率（θv）和葉面積指數(shù)（LAI）曲線模型， E = -1.12 + 0.11θv + 0.17LAI + 8.06 × 10-4θv2+ 1.9 × 10-2LAI2- 2.2 × 10-2θv × LAI， 其決定系數(shù)達(dá)0.98。

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Measurement of Evapotranspiration for Drip-Irrigated Winter Wheat Using Large Weighing Lysimeter in Northern Xinjiang

LI Jie1， WU Yang-Huan2， CHEN Rui1， YANG Ping1， CHAI Shun-Xi1， CUI Jin1， and MA Fu-Yu1，*1Agricultural College， Shihezi University / Key Laboratory of Oasis Eco-agriculture of Xinjiang Production Construction Corps， Shihezi 832000，China；2Sixth Division Agricultural Science of Xinjiang Production and Construction Corps， Wujiaqu 831300， China

Drip-irrigation is a promising water-saving technique in arid agricultural area. To sep up efficient drip-irrigation systems for winter wheat grown in northern Xinjiang table land， we measured the evapotranspiration （ET） rate of wheat field using large-scale weighing lysimeter and analyzed the temporal responses of ET （in growing phase， daily and hourly） to air temperature，relative humidity and wind speed. Three treatments were designed with irrigation amounts of 375 （D1）， 600 （D2）， and 750 mm（D3）. During the whole growing period of wheat， daily ET rate varied in different phases， showing heading–milk ＞ jointing–heading ＞ milk–maturity ＞ regreening–jointing ＞ sowing–overwintering ＞ overwintering–regreening. During a day， hourly ET was in high level from 8:00 to 20:00 and stable from 20:00 to 8:00 of next， which varied with weather condition. Under drip-irrigation condition， the ratio of soil evaporation to ET was 25.2–28.3% during the entire growing season. Soil evaporation could be predicted with soil moisture and leaf area index using a bivariate quadratic function （R2＞ 0.98）. Based on a combination of yield and water use efficiency， we suggest 600–650 mm as the optimum irrigation amount under the drip-irrigated winter wheat field.

Drip-irrigated； Winter wheat； Evapotranspiration； Evaporation

10.3724/SP.J.1006.2016.01058

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31160260）和國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2011AA100508）資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China （31160260） and National High-tech Research and Development Program （863 Program） of China （2011AA100508）.

（Corresponding author）: 馬富裕， E-mail: mfy_agr@shzu.edu.cn， Tel: 0993-6650999

聯(lián)系方式: E-mail: lj880902@126.com

Received（）: 2015-11-04； Accepted（接受日期）: 2016-03-14； Published online（網(wǎng)絡(luò)出版日期）: 2016-03-28.

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160328.1116.012.html