噴灌與畦灌對拉薩河谷農(nóng)田小氣候和蒸散量的影響分析

張紫森，湯鵬程，徐 冰，李仙岳，楊 波，王國帥，李澤坤

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.中國水利水電科學(xué)研究院內(nèi)蒙古陰山北麓草原生態(tài)水文國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 100038；3.中國水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020）

0 引 言

拉薩河谷位于青藏高原“一江兩河”流域，具有強(qiáng)輻射、高寒缺氧、干旱少雨的特點(diǎn)，其水利設(shè)施相對落后，田間灌溉多以大水漫灌和畦灌為主[1]。有研究表明拉薩河谷平均年潛在蒸散量在1 190 mm 以上，且正在以8.21 mm/10a 的速度增加[2]，蒸散量的過高不利于作物生長甚至可能導(dǎo)致干旱減產(chǎn)。噴灌通過改變SPAC 系統(tǒng)之間的水熱交換過程，影響農(nóng)田小氣候并減少蒸散量，使作物生長環(huán)境得到改善的同時(shí)達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。

適宜的農(nóng)田小氣候有利于作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，反之則會(huì)抑制作物生長[3]。蒸散量是表面能量平衡過程的重要組成部分，能客觀反映作物生理生長狀況，對于決定灌水需求，制定灌溉制度，開展農(nóng)業(yè)水資源管理具有重要指導(dǎo)意義[4]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對噴灌對農(nóng)田小氣候和蒸散的影響進(jìn)行了大量的研究。劉海軍指出，噴灌的氣溫、溫度梯度、VPD 和蒸騰強(qiáng)度均小于地面灌溉，而作物光合速率、產(chǎn)量和水分利用效率均大于地面灌溉，這種改變有利于作物生長[5-7]。王慶改[8]、王迪[9]、Jose Cavero[10]在噴灌影響田間蒸散的機(jī)理研究中指出，噴灌通過影響作物冠層內(nèi)外水汽交換過程進(jìn)而抑制田間蒸散，同時(shí)證明了這種冠層截留水量在作物生長過程中的有效性。程光遠(yuǎn)[11]、閆澤宇[12]結(jié)合噴灌條件下大豆不同生育期的需耗水規(guī)律，采用模型模擬制定灌溉制度。由此可見，內(nèi)地從噴灌影響蒸散機(jī)理到采用模型模擬優(yōu)化灌溉制度均較為完善，但由于拉薩河谷高效節(jié)水灌溉建設(shè)起步較晚[13]，噴灌相關(guān)基礎(chǔ)性研究較少，迫切需要加強(qiáng)。

本文以拉薩市林周縣為典型研究區(qū)，對比分析兩種灌溉方式蒸散量與農(nóng)田小氣候的關(guān)聯(lián)性，明晰噴灌影響蒸散量的原因，并估算噴灌對農(nóng)田小氣候和蒸散量的改變量，為發(fā)展拉薩河谷噴灌技術(shù)和制定噴灌條件下灌溉制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于西藏自治區(qū)拉薩市林周縣縣畜牧場內(nèi)，地理坐標(biāo)緯度東經(jīng)91°11′，北緯29°54′。林周縣地處拉薩河谷農(nóng)區(qū)，平均海拔3 650 m，屬溫帶高原季風(fēng)氣候。年平均氣溫7.4 ℃，晝夜溫差較大，年日照時(shí)數(shù)在3 500 h以上，太陽輻射強(qiáng)，平均年潛在蒸散量在1 190 mm 以上。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為沙壤土，容重為1.4 g/cm3，計(jì)劃濕潤層最深30 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

拉薩河谷燕麥的種植時(shí)間一般在5-9月，本試驗(yàn)開展時(shí)間為2021年7-8月，此時(shí)燕麥正處于拔節(jié)期～抽穗期，燕麥品種為青海444，播量為225 kg/hm2，播種方式為撒播，底肥為復(fù)合肥，底肥量180 kg/hm2。本試驗(yàn)沿道路南北兩側(cè)設(shè)置噴灌與畦灌兩種灌水處理，噴灌處理采用PY-5022 搖臂式噴頭，直徑為7 mm，噴灑半徑為6～12 m，工作水量1.96～2.49 m3/h。灌溉過程中采用兩組設(shè)備對農(nóng)田小氣候和蒸散量進(jìn)行監(jiān)測，每組設(shè)備由1 臺(tái)氣象站和1 臺(tái)蒸滲儀構(gòu)成，每組設(shè)備中雨量筒和微型蒸滲儀的位置相距緊密，具體布置如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)束后分別對兩種灌溉方式的農(nóng)田小氣候與蒸散量進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，并以畦灌各項(xiàng)實(shí)測數(shù)據(jù)為自變量對噴灌各項(xiàng)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。

圖1 田間試驗(yàn)布置圖（單位：m）Fig.1 Field trial layout

噴灌與畦灌同時(shí)進(jìn)行，本試驗(yàn)為與當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的灌水時(shí)間保持一致，灌水時(shí)間大部分在日間11∶00-19∶00選取且在午間13∶30-14∶30 停止灌溉，具體灌水時(shí)間見表1。噴灌試驗(yàn)通過水表監(jiān)測水量，為了消除噴灌過程中蒸發(fā)漂移損失引起的誤差，試驗(yàn)中以雨量筒中水量為蒸滲儀中實(shí)際進(jìn)入水量；在畦灌條件下，通過水表監(jiān)測的水量與灌溉面積確定單位面積灌水量，根據(jù)微型蒸滲儀面積折算出蒸滲儀的灌水量，用量筒將水一次性灌入蒸滲儀中。兩組處理的其他農(nóng)業(yè)措施均保持一致。

表1 噴灌與畦灌試驗(yàn)灌水時(shí)間表Tab.1 Irrigation schedule for sprinkler and border irrigation tests

1.3 測定指標(biāo)

試驗(yàn)觀測內(nèi)容主要包括氣象指標(biāo)、蒸散量和噴灌灌溉量。

（1）氣象指標(biāo)。采用兩臺(tái)NHQXZ601 全天候氣象站，進(jìn)行農(nóng)田小氣候觀測，觀測內(nèi)容包括：大氣溫度、相對濕度、氣壓、2 m 處風(fēng)速、總輻射、反輻射、凈輻射。每隔10 min 記錄一次，試驗(yàn)結(jié)束后對30 min 內(nèi)的大氣溫度、相對濕度、氣壓、2 m處風(fēng)速求平均值，對總輻射、反輻射、凈輻射求和。

（2）蒸散量。采用兩臺(tái)LYS80 微型蒸滲儀每2 min 監(jiān)測一次桶內(nèi)土柱質(zhì)量，得到土壤貯水量的變化量。蒸滲儀尺寸（長×寬×深）為0.8 m×0.8 m×0.8 m。

（3）噴灌灌溉量。為了消除噴灌過程中蒸發(fā)漂移損失帶來的水量平衡法中灌溉量的誤差，實(shí)際灌溉量采用氣象站中雨量筒收集到的水量為微型蒸滲儀中實(shí)際進(jìn)入水量，雨量筒尺寸（長×寬×高）為0.2 m×0.2 m×0.4 m，噴灌水量如圖2所示。

圖2 微型蒸滲儀實(shí)際進(jìn)入水量Fig.2 The actual amount of water entered by the micro lysimeter

1.4 計(jì)算方法

1.4.1 基于微型蒸滲儀的蒸散量計(jì)算方法

本文中實(shí)際蒸散量的計(jì)算采用水量平衡法進(jìn)行，具體公式如下：

式中：ET為作物實(shí)際蒸散量；P為階段降雨量；I為階段灌溉量；△SWS為階段土壤貯水量變化；Q為階段地下水補(bǔ)給量和滲漏量。由于試驗(yàn)需要，上述指標(biāo)均折算為mm。

1.4.2 灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算方法與分析方法

本試驗(yàn)以蒸散量為參考序列，氣象指標(biāo)為比較序列，首先求出各序列的差序列與各差序列最大值、最小值，然后計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度，最后將關(guān)聯(lián)度從大到小排序。關(guān)聯(lián)度越大說明比較序列與參考序列的貢獻(xiàn)度越大，關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式如下，詳細(xì)計(jì)算方法不做贅述[14-17]。

1.4.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理數(shù)據(jù)和灰色關(guān)聯(lián)度分析，采用Spss 23對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析并建立回歸模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴灌與畦灌對農(nóng)田小氣候和蒸散量的影響分析

2.1.1 噴灌與畦灌對大氣溫度和相對濕度的影響

圖3是2021年7-8月噴灌與畦灌平均溫度和相對濕度的對比圖。結(jié)合表1，溫度在11∶00～19∶00 這段時(shí)間相較于內(nèi)地偏低，這是由于高海拔因素所導(dǎo)致的。溫度整體變化相對穩(wěn)定，變化區(qū)間集中在13～24°C之間，其中噴灌變化區(qū)間為13～20°C，畦灌變化區(qū)間為13～24°C，噴灌對比畦灌可以使溫度的波動(dòng)區(qū)間縮短，對溫度峰值的削弱較為明顯。造成這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋握舭l(fā)吸熱帶走了由于強(qiáng)輻射產(chǎn)生的部分熱量，使溫度降低。夜間灌溉條件下，噴灌與畦灌對溫度均明顯降低且無顯著變化。濕度方面，噴灌與畦灌的整體趨勢相對一致，但由于強(qiáng)輻射引起的水滴蒸發(fā)造成空氣中的水分含量提升，所以畦灌條件下變化區(qū)間為40%～78%；噴灌條件下為59%～85%，噴灌條件下平均相對濕度比畦灌約高13%。

圖3 噴灌與畦灌對大氣溫度和相對濕度變化關(guān)系Fig.3 Relationship between sprinkler irrigation and border irrigation on atmospheric temperature and relative humidity

2.1.2 噴灌與畦灌對總輻射、反輻射和凈輻射的影響

噴灌與畦灌條件下總輻射、凈輻射與反輻射的變化情況如圖4所示。結(jié)合表1在11∶00～19∶00 這段時(shí)間內(nèi)，噴灌與畦灌對總輻射的改變量并不明顯，在圖中的表現(xiàn)為不同符號(hào)的重疊。凈輻射方面，兩種灌溉方式對凈輻射的改變并不顯著但畦灌的凈輻射略高于噴灌的凈輻射。反輻射方面，畦灌的反輻射要高于噴灌的反輻射值，分析此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是：水滴均勻地落在土壤表面緩慢提高了土壤含水率，改變了下墊面原有的地表覆蓋類型，導(dǎo)致地表輻射長波的能力和地表反射輻射通量均減少[18]。圖中第4、6、9、13、23 次試驗(yàn)輻射量均接近零且沒有明顯變化，可能是由于氣象因子中云量的增加而引起地面太陽輻射的減少[19]，進(jìn)而導(dǎo)致反射率的變化，影響反輻射和凈輻射。第19 次試驗(yàn)由于在夜間進(jìn)行所以輻射通量均為零且總輻射、凈輻射、反輻射均為負(fù)值。

圖4 噴灌與畦灌對總輻射、反輻射和凈輻射變化關(guān)系Fig.4 The relationship between sprinkler irrigation and border irrigation on total radiation,anti-radiation and net radiation

2.1.3 噴灌與畦灌對蒸散量的影響

噴灌與畦灌燕麥蒸散量的變化關(guān)系如圖5所示。噴灌條件下蒸散量的變化區(qū)間集中在0.01～0.65 mm 之間；畦灌條件下蒸散量的變化區(qū)間集中在0.05～0.95 mm 之間。第20 和21 次試驗(yàn)結(jié)果偏大，分析原因由于此時(shí)風(fēng)速較大為4 m/s，使燕麥莖稈和葉片擺動(dòng)造成了試驗(yàn)誤差。

圖5 噴灌與畦灌對蒸散量變化關(guān)系Fig.5 Relationship between sprinkler irrigation and border irrigation on evapotranspiration

2.2 噴灌與畦灌農(nóng)田小氣候與蒸散量的灰色關(guān)聯(lián)度分析

本試驗(yàn)以蒸散量為參考序列，氣象指標(biāo)作為比較序列，求出關(guān)聯(lián)度并進(jìn)行排序，關(guān)聯(lián)度如表2所示。畦灌條件下蒸散量與氣象指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度大小排序?yàn)椋捍髿鉁囟龋練鈮海撅L(fēng)速＞相對濕度＞總輻射＞反輻射＞凈輻射；噴灌條件下蒸散量與氣象指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度大小排序?yàn)椋簹鈮海敬髿鉁囟龋痉摧椛洌鞠鄬穸龋究傒椛洌緝糨椛洌撅L(fēng)速。排序越靠前，對蒸散量的影響越大，反之對蒸散量的影響越小。畦灌條件下排序靠前的是大氣溫度、氣壓、風(fēng)速、相對濕度；噴灌條件下排序靠前的是氣壓、大氣溫度、反輻射、相對濕度。綜合分析噴灌與畦灌氣象指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度排序，大氣溫度、氣壓和相對濕度為影響噴灌與畦灌蒸散量的主要指標(biāo)；風(fēng)速、總輻射、反輻射、凈輻射為影響噴灌與畦灌蒸散量的次要指標(biāo)。

表2 噴灌與畦灌蒸散量與氣象因素的關(guān)聯(lián)度Tab.2 Correlation between evapotranspiration and meteorological factors of sprinkler irrigation and border irrigation

主要指標(biāo)方面大氣溫度、相對濕度代表的熱量因素直接影響作物蒸散過程，而氣壓代表的空氣中有效氣體濃度（O2、CO2）因素直接影響作物氣孔導(dǎo)度，氣孔導(dǎo)度的大小與光合作用和呼吸作用有著密切聯(lián)系[20]，間接影響作物的蒸散過程，拉薩河谷的氣壓約為內(nèi)地的50%～60%，所以相對于內(nèi)地氣體濃度因素影響蒸散量不能忽視。次要指標(biāo)方面在風(fēng)速和反輻射上產(chǎn)生了較為明顯的差異，畦灌處理中風(fēng)速與蒸散量的關(guān)聯(lián)度為0.729，反輻射與蒸散量的關(guān)聯(lián)度為0.682；噴灌處理中風(fēng)速與蒸散量的關(guān)聯(lián)度為0.638，反輻射與蒸散量的關(guān)聯(lián)度為0.714，但噴灌和畦灌均不能直接影響風(fēng)速，這就在一定程度上提高了反輻射對蒸散量的貢獻(xiàn)度，降低了風(fēng)速對蒸散量的貢獻(xiàn)度。

2.3 噴灌與畦灌對農(nóng)田小氣候和蒸散量的回歸分析

以畦灌條件下的氣象指標(biāo)和蒸散量為自變量對噴灌條件下的氣象指標(biāo)和蒸散量進(jìn)行回歸分析，同時(shí)結(jié)合各氣象指標(biāo)的最大值和最小值進(jìn)行量化計(jì)算，回歸分析結(jié)果見表3。由表3可以看出，噴灌的各項(xiàng)指標(biāo)與畦灌均為正相關(guān)，但噴灌對氣壓、風(fēng)速、總輻射基本不產(chǎn)生影響，對凈輻射減少為7%，只能略微減少凈輻射量，對反輻射的減少顯著為37%，為0.01～0.32 MJ/（m2·h）；對蒸散量的減少顯著為29%，具體改變量為0.03～0.38 mm/h；溫度和濕度的減少顯著，但由于涉及常數(shù)項(xiàng)所以不便于量化影響。為便于描述噴灌對比畦灌在溫度和濕度的改變量，對表3中溫度和濕度模型設(shè)置固定截距為0 分別優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見表4。由此可見，噴灌對溫度降低17%，在2～4°C變化；對濕度提升28%，在11%～21%變化。

表3 噴灌與畦灌農(nóng)田小氣候和蒸散量的回歸模型Tab.3 Regression model of microclimate and evapotranspiration in sprinkler irrigation and border rrigation

表4 噴灌與畦灌優(yōu)化溫度和濕度模型Tab.4 Optimal temperature and humidity models for sprinkler and f border irrigation

3 結(jié) 論

通過對噴灌與畦灌實(shí)測氣象指標(biāo)與蒸散量進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，大氣溫度、氣壓、相對濕度的排序均在前列，所以大氣溫度、氣壓、相對濕度為影響噴灌與畦灌蒸散量的主要指標(biāo)；風(fēng)速、總輻射、反輻射、凈輻射為次要指標(biāo)。主要指標(biāo)揭示出大氣溫度、相對濕度代表的熱量因素和氣壓代表的氣體濃度（O2、CO2）因素，對拉薩河谷的蒸散量有很大影響。

通過實(shí)測噴灌與畦灌數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，主要指標(biāo)方面噴灌使溫度降低2～4°C，相對濕度提升11%～21%，對氣壓不產(chǎn)生影響；次要指標(biāo)方面噴灌使反輻射約減少0.01～0.32 MJ/（m2·h），對其他氣象指標(biāo)影響較小，綜合主要指標(biāo)和次要指標(biāo)分析，日間噴灌對比畦灌使蒸散量減少0.03～0.38 mm/h。主要指標(biāo)方面大氣溫度越高則空氣中水分含量越低，所以蒸散量升高，反之，蒸散量降低，而相對濕度越高則空氣中的水分越趨于飽和導(dǎo)致蒸散過程被抑制，所以使蒸散量降低；次要指標(biāo)方面反輻射的減少會(huì)直接影響下墊面環(huán)境，導(dǎo)致主要指標(biāo)的溫度降低、濕度升高，進(jìn)而降低蒸散量。對于高海拔、高蒸散的拉薩河谷，噴灌可以減少蒸散量，有利于作物生長的同時(shí)降低灌溉水量，進(jìn)而指導(dǎo)制定適宜的噴灌灌溉制度。

本文在結(jié)合農(nóng)田小氣候、蒸散量與作物指標(biāo)共同分析方面有所欠缺。結(jié)合作物分析有利于從作物生理角度揭示農(nóng)田小氣候和蒸散量的改變對作物生長機(jī)理的影響，需要后期的研究中加以補(bǔ)充和重視。