膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰研究綜述*

張鈺澤, 賈 瓊, 馬龍龍, 王有凱, 劉臻澤, 袁佳琴

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070）

近年來, 隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的不斷發(fā)展深入, 許多新興的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉種植模式在我國(guó)得到了大面積的示范、推廣與應(yīng)用。其中膜下滴灌技術(shù)作為一種新興的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)以其不減產(chǎn)的前提下可以有效節(jié)水而嶄露頭角[1］。膜下滴灌是將滴灌技術(shù)與成本低廉、應(yīng)用效果較好的覆膜技術(shù)二者有效結(jié)合的農(nóng)業(yè)技術(shù)[2］。膜下滴灌可以將水通過滴灌系統(tǒng)使之以滴狀緩慢、均勻、定時(shí)、定量地供應(yīng)給作物根區(qū)土壤, 又通過地膜覆蓋減少水分蒸發(fā), 促進(jìn)作物對(duì)根區(qū)水分的直接利用, 有效提高了資源利用率[3］。而膜下滴灌技術(shù)能夠節(jié)水的主要原因是滴灌直接將水滴在作物根區(qū)附近, 減少灌溉水量。同時(shí)覆膜可以有效減少土壤棵間蒸發(fā)。研究膜下滴灌的蒸發(fā)蒸騰對(duì)膜下滴灌節(jié)水機(jī)理的探究具有重要意義。目前對(duì)膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰的研究以模型和理論研究為主, 大田試驗(yàn)大多使用大型稱重式蒸滲儀, 這些方法無法從土壤蒸發(fā)和作物蒸騰兩個(gè)方面研究膜下滴灌的蒸散規(guī)律, 不能很好地探究膜下滴灌的節(jié)水機(jī)理。文章基于膜下滴灌的發(fā)展, 對(duì)蒸發(fā)蒸騰的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行全面綜述, 著重探討膜下滴灌條件下蒸發(fā)蒸騰的測(cè)定方法, 以期為膜下滴灌節(jié)水機(jī)理的探究實(shí)驗(yàn)提供經(jīng)驗(yàn)以及方法指導(dǎo)。

1 蒸發(fā)蒸騰測(cè)定方法的綜述

1.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

根據(jù)影響蒸發(fā)蒸騰量的諸多因素中選取幾個(gè), 通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到這些因素與蒸發(fā)蒸騰量的關(guān)系, 進(jìn)而歸納為相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。美國(guó)學(xué)者布萊斯基和尚茲發(fā)現(xiàn)水面蒸發(fā)量與蒸發(fā)蒸騰量存在關(guān)系, 經(jīng)過研究得到通過水面蒸發(fā)量計(jì)算蒸發(fā)蒸騰量公式, 該法僅需水面蒸發(fā)量這一參數(shù), 操作簡(jiǎn)單, 精度較高, 但在干旱地區(qū)效果不好[4-5］。Thornthwaite 和Blaney—Crridel 提出了估算蒸發(fā)蒸騰的經(jīng)驗(yàn)公式, 使用的參數(shù)均為平均溫度值。在后者引入最小相對(duì)濕度、風(fēng)速等參數(shù)作為系數(shù)即Blaney—Criddel—FAO 公式, 該法較前者在適用范圍方面有了很大改善, 而且在濕潤(rùn)地區(qū)結(jié)果僅偏高15%[6］。1974 年Hargreaves 以氣溫為自變量又引入溫差來反映輻射, 這對(duì)缺少輻射資料的地區(qū)較為適用[7］。我國(guó)學(xué)者康紹忠提出了適合我國(guó)北方干旱與半干旱地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式考慮了氣溫、日照比率、風(fēng)速三個(gè)參數(shù), 計(jì)算精度比較高, 后來他又依據(jù)熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律, 提出以溫度和水汽壓為參數(shù)的公式, 在山西、甘肅等省份運(yùn)用, 計(jì)算結(jié)果誤差小、精度高[8］。史海濱等用內(nèi)蒙古135 個(gè)氣象站30 a 的月平均氣象資料對(duì)FAO Penman 修正式（1979）和FAO Penman-Monteith 式（1990）適用性和差異性評(píng)價(jià), 除在干旱地區(qū)干旱季節(jié)外, 前式的結(jié)果大都小于后式, 濕潤(rùn)季節(jié)兩式誤差較大, 表明兩方法結(jié)果有明顯差異[9］。

1.2 土壤水量平衡法

土壤水量平衡法在很早以前就被廣泛使用, 并且一直延續(xù)至今。過去只能測(cè)量時(shí)段的儲(chǔ)水量差值, 對(duì)深層滲漏、徑流、降雨等進(jìn)行簡(jiǎn)化, 近似估算農(nóng)田的蒸發(fā)蒸騰量。這是由于土壤水分測(cè)定技術(shù)的不成熟而受到限制, 這種方法雖然操作簡(jiǎn)單, 但是精度差。近年來, 土壤濕度監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷完善, 可以逐日監(jiān)測(cè)土壤濕度, 同時(shí)可采用專用裝置測(cè)定地下水補(bǔ)給與有效降雨等, 精度大大提高[4］。根據(jù)根區(qū)水量平衡, 計(jì)算作物耗水量方程見公式（1）：

SWe=SWb+P+Fg+GW-RO-Dp-ETc（1）

其中SWe為時(shí)段末土壤根區(qū)儲(chǔ)水量,SWb為時(shí)段初根區(qū)土壤儲(chǔ)水量,P為時(shí)段內(nèi)有效降雨量,Fg為時(shí)段內(nèi)凈灌水量,GW為時(shí)段內(nèi)地下水補(bǔ)給量,RO為時(shí)段內(nèi)測(cè)定區(qū)域地面徑流量,Dp為時(shí)段內(nèi)的深層滲漏量,ETc為時(shí)段內(nèi)作物蒸發(fā)蒸騰量。地下水埋深、較深GW、Dp忽略不計(jì)。若地面徑流和深層滲漏過大時(shí), 該法使用受到限制, 故使用時(shí)應(yīng)注意與周圍農(nóng)田隔離開來[10］。

1.3 蒸滲儀法

蒸滲儀法是利用水量平衡原理, 并且很好地做到了上述代表性區(qū)域與周圍農(nóng)田的隔離。蒸滲儀法就是將蒸滲儀埋在土壤中, 通過對(duì)土壤水分的調(diào)控, 反映蒸發(fā)蒸騰的實(shí)際過程, 再通過稱重獲得蒸發(fā)蒸騰量[11］, 目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱重、監(jiān)測(cè)記錄, 甚至可以計(jì)算得到逐日蒸發(fā)蒸騰量, 發(fā)展衍生出很多精密儀器, 如：小型棵間蒸發(fā)自動(dòng)采集儀等。常用的蒸滲儀有兩種：稱重型和滲漏型[12］。蒸滲儀法與土壤水量平衡法相比, 優(yōu)點(diǎn)在于能夠直接測(cè)定蒸發(fā)蒸騰量, 缺點(diǎn)是可能限制根系的生長(zhǎng)不適合高大作物, 裂隙較大的土壤, 并且維修困難, 此外只能測(cè)定田間的某一點(diǎn)的蒸發(fā)蒸騰量, 缺乏代表性[13-14］。國(guó)外, 早在60 年代就開始使用蒸滲儀測(cè)量蒸發(fā)蒸騰量, Shawcroft[15-17］等國(guó)外學(xué)者對(duì)蒸滲儀法進(jìn)行了大量研究。Pratap Singh 等用蒸發(fā)皿、兩個(gè)非稱重式、四個(gè)稱重式蒸滲儀估計(jì)了蒸發(fā)蒸騰量[18］。Tudy A.Tolk用48臺(tái)蒸滲儀研究了3種高原上玉米蒸發(fā)蒸騰量與產(chǎn)量的關(guān)系[19］。N.K.Tyagi等通過稱重式蒸滲儀測(cè)定了向日葵和水稻1 h蒸發(fā)蒸騰量[20］。在我國(guó), 蒸滲儀法經(jīng)過多年的驗(yàn)證, 也作為一種準(zhǔn)確的測(cè)量蒸發(fā)蒸騰量的方法而廣泛應(yīng)用。1983年中科院地理研究所引入一臺(tái)機(jī)械蒸散計(jì)用來研究冬小麥地氣交換獲得了一些可用資料[21］。中科院蘭州沙漠研究所在河西干旱區(qū)于1984～1987 年用18 臺(tái)電子蒸散計(jì)測(cè)定了春小麥和夏玉米的逐日蒸發(fā)蒸騰量[22-23］。謝賢群集中了氣象、水文、土壤、遙感技術(shù)和植物生理等多學(xué)科手段進(jìn)行了3 a試驗(yàn), 取得大量蒸發(fā)蒸騰試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)為各種作物蒸發(fā)蒸騰的研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)[24］?？聲孕碌仍谔m州干旱氣象研究所用大型稱重式蒸滲儀測(cè)定了春小麥的逐日蒸發(fā)蒸騰量[25］。

1.4 波文比—能量平衡法

波文比—能量平衡法遵循的兩大理論為邊界層理論和能量守恒原理, 將植物和土壤看成一個(gè)界面, 水分通過蒸發(fā)從此界面進(jìn)入大氣, 所以在垂向上有一個(gè)能量平衡, 可用公式（2）描述[26］：

其中Rn為太陽凈輻射,G為土壤熱通量,H為感熱通量,λ·ET為潛熱通量,λ是水汽化潛熱,ET是植物蒸發(fā)蒸騰量。

波文比定義式為：

公式（4）為波文比—能量平衡法估算蒸發(fā)蒸騰量的公式, 關(guān)鍵在于波文比β的確定。

式中ρa(bǔ)為空氣密度,Cp為空氣定壓比熱,kh為感熱交換系數(shù),kv為潛熱交換系數(shù),γ為濕度計(jì)常數(shù)。

根據(jù)雷諾相似原理假定kh=kv合并（3）（5）（6）得：

利用波文比系統(tǒng)測(cè)得G、Rn、ΔT、Δe, 即能計(jì)算出該區(qū)域的潛熱通量和蒸發(fā)蒸騰量。該法由于對(duì)大氣無特殊要求限制, 故計(jì)算方法簡(jiǎn)單, 物理概念明確, 只要兩個(gè)高度要素觀測(cè)值, 不需湍流交換系數(shù), 精度高, 可做為其他測(cè)定周圍哪個(gè)蒸發(fā)蒸騰量判別標(biāo)準(zhǔn)[27-29］。但是, 應(yīng)用該法受到一些限制, 要求開闊、均一的下墊面, 輻射、風(fēng)速變幅小。

1.5 空氣動(dòng)力學(xué)法

空氣動(dòng)力學(xué)法是在1939 年由Holzman 和Thornthwaise 首次提出的, 該法基于近地邊界層相似理論。在均勻植物冠層上方, 不同水平測(cè)定空氣水汽壓和流動(dòng)速度, 將幾個(gè)測(cè)定值聯(lián)合得到瞬時(shí)蒸發(fā)蒸騰速率, 將瞬時(shí)值累加得到1 d 的蒸發(fā)蒸騰量。關(guān)鍵在于測(cè)定冠層上方氣壓, 可放置一個(gè)閉室減少空氣運(yùn)動(dòng)變異性, 但是最大問題在于植物很快會(huì)對(duì)閉室產(chǎn)生反應(yīng), 故只適用于短期測(cè)定。另外, 與其他微氣象學(xué)測(cè)定方法一樣, 對(duì)下墊面及氣象穩(wěn)定性有一定要求, 否則誤差較大[30］。

1.6 渦度相關(guān)法

渦度相關(guān)法是通過直接測(cè)定下墊面感熱和潛熱湍流脈動(dòng)值求得蒸發(fā)蒸騰量。由于不是建立在經(jīng)驗(yàn)關(guān)系基礎(chǔ)之上, 而是通過嚴(yán)格的空氣動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)得來[31］, 物理學(xué)基礎(chǔ)完備。Blank等人研究得出結(jié)論：密植植物覆蓋地區(qū)用渦度相關(guān)法測(cè)得的蒸發(fā)蒸騰量與液壓測(cè)滲儀得出結(jié)果差異在5%以下, 精度很高；但在無風(fēng)和植被覆蓋稀疏條件下誤差較大。另外, 在干旱缺水地區(qū)空氣中水汽含量較少, 結(jié)果也不太理想。我國(guó)該技術(shù)的研究較少, 這是由于渦度相關(guān)技術(shù)要求儀器設(shè)備特別復(fù)雜, 價(jià)格昂貴, 限制了在我國(guó)的發(fā)展應(yīng)用[4］。

1.7 遙感法

近年來隨著遙感技術(shù)的發(fā)展, 一種新興的測(cè)量蒸發(fā)蒸騰量的方法應(yīng)運(yùn)而生——遙感法, 所謂遙感法就是利用多光譜的可見光：近紅外與熱紅外波段數(shù)據(jù)反演得比輻射率、地表溫度、地表反照率等地表參數(shù), 結(jié)合光譜特性、微氣象參數(shù)通過建立物理模型和統(tǒng)計(jì)模型, 利用能量平衡方程求得蒸發(fā)蒸騰量[32］。遙感法用于大面積蒸發(fā)蒸騰的測(cè)定, 擺脫了很多方法中對(duì)下墊面要求的限制, 并且隨著遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)模型技術(shù)的發(fā)展擁有較好的發(fā)展前景。

2 膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰的研究

早在20 世紀(jì)80 年代就有美國(guó)的學(xué)者在溫室內(nèi)進(jìn)行了膜下滴灌技術(shù)實(shí)驗(yàn), 但是沒有形成完整的技術(shù)體系。我國(guó)的滴灌技術(shù)最早引自以色列, 科研工作者將這項(xiàng)技術(shù)與膜下栽培技術(shù)融合。新疆兵團(tuán)石河子墾區(qū)最早應(yīng)用膜下滴灌技術(shù), 在1996年開始, 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師進(jìn)行了棉花膜下滴灌實(shí)驗(yàn)后, 到1998 年膜下滴灌技術(shù)不斷發(fā)展完善, 形成大田膜下滴灌技術(shù)體系并拓寬了滴灌技術(shù)應(yīng)用的作物種類和范圍。2002年新疆兵團(tuán)膜下滴灌技術(shù)得到大面積的推廣示范達(dá)1.133×105hm2, 我國(guó)成為膜下滴灌技術(shù)應(yīng)用面積最大的國(guó)家[33-34］。2010年初在河北、甘肅、寧夏安排大面積滴灌實(shí)驗(yàn)示范區(qū)并實(shí)行全國(guó)公益性科研推廣項(xiàng)目[35］, 使膜下滴灌技術(shù)應(yīng)用到番茄、大豆、甜瓜、馬鈴薯、藥材等越來越多的作物種類[36］。到2015 年隨著“節(jié)水增糧行動(dòng)”以及“四個(gè)千萬畝”等項(xiàng)目的實(shí)施, 膜下滴灌在我國(guó)內(nèi)蒙古等地區(qū)得到了大范圍的推廣應(yīng)用。隨著膜下滴灌技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 對(duì)膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰量的研究也突飛猛進(jìn)。李戰(zhàn)超通過Penman-Monteith 模型估算膜下滴灌棉田參考作物蒸散量, 并利用大型蒸滲儀測(cè)定實(shí)際蒸散量, 得出結(jié)論：西北干旱地區(qū)可使用Penman-Monteith 模型估算棉田蒸發(fā)量, 全生育期總蒸散量438 mm, 日蒸散量在花期達(dá)到最大4.7 mm[37］。又用兩種微型蒸滲計(jì)在封底、不封底、全膜覆蓋、無膜覆蓋等情況測(cè)定了土壤蒸發(fā)量, 研究表明：膜外封底＜膜內(nèi)封底＜膜外不封底＜膜內(nèi)不封底[38］。張振華等依據(jù)FAO Penman-Monteith 公式計(jì)算的參考作物蒸發(fā)蒸騰量, 結(jié)合水量平衡方程計(jì)算的實(shí)際作物蒸發(fā)蒸騰量, 得到了膜下滴灌棉花和玉米整個(gè)生育期蒸發(fā)蒸騰量[39］。2014年范曉慧用相同的方法對(duì)毛烏蘇沙地膜下滴灌青貯玉米作物需水量進(jìn)行了研究并確定了其作物系數(shù)[40］?，F(xiàn)如今對(duì)膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰量的研究多采用Penman-Monteith 公式計(jì)算ET0, 再結(jié)合大型蒸滲儀或水量平衡方程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究, 對(duì)試驗(yàn)地的條件要求較高, 且需要大量的氣象數(shù)據(jù)。近年來, SIMDualKc模型被用來模擬膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰精度較高, 趙娜娜和閆世程等[41-42］通過SIMDualKc模型分別對(duì)玉米管灌和滴灌、棵間蒸發(fā)進(jìn)行了模擬研究, 模擬精度較高。李瑞平等[43］對(duì)內(nèi)蒙古通遼滴灌玉米生育期棵間蒸發(fā)量進(jìn)行模擬研究, 表明覆膜能夠減少棵間蒸發(fā), 特別是在生育前期。Qiong[44］等通過模型將膜下滴灌分為覆膜區(qū)和無膜區(qū), 研究表明：膜下滴灌節(jié)水主要發(fā)生在覆膜區(qū)。

3 研究展望

每種蒸發(fā)蒸騰量的計(jì)算方法都有其適用條件, 也有各自的優(yōu)缺點(diǎn), 在使用過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。對(duì)于膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰的研究, 如何將蒸發(fā)蒸騰量的兩部分棵間蒸發(fā)與植株蒸騰很好地區(qū)分, 對(duì)兩部分定量的測(cè)定在研究中具有重要的意義, 棵間蒸發(fā)的監(jiān)測(cè)對(duì)于膜下滴灌節(jié)水機(jī)理的探究占有重要分量。目前大量的研究中對(duì)土壤棵間蒸發(fā)進(jìn)行監(jiān)測(cè)都采用微型蒸滲儀, 采用pvc 套筒, 制作簡(jiǎn)單, 操作方便, 可應(yīng)用于今后膜下滴灌棵間蒸發(fā)量的測(cè)定。