覆膜滴灌紫薯農(nóng)田水熱傳輸規(guī)律及其對環(huán)境因子的響應

張友良 李 躲 馮紹元 王鳳新 胡英杰 汪兆輝

(1.揚州大學水利科學與工程學院，揚州 225009；2.中國農(nóng)業(yè)大學中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京 100083)

0 引言

覆膜滴灌已在棉花、玉米、馬鈴薯等作物種植中得到了廣泛應用[1]，它可以減少土壤水分蒸發(fā)[2]，提高土壤溫度[3]，還能抑制雜草生長[4]，減少深層滲漏，提高水肥利用效率[5]，對農(nóng)田中的害蟲也起到一定的防治作用[6]，從而促進作物生長發(fā)育[7-8]，并提高作物產(chǎn)量[9-12]。農(nóng)田是受人類活動影響，對地表特征改變反應最為顯著的區(qū)域[13-14]，隨著畦灌、溝灌等傳統(tǒng)灌溉農(nóng)田被覆膜滴灌農(nóng)田所取代，地表反射率、地表吸收率、地表發(fā)射率和地表粗糙度等各項農(nóng)田地表物理特性發(fā)生改變，會影響到農(nóng)田的能量分配與水量循環(huán)以及區(qū)域氣候[14-15]。為了量化這種影響，有必要對農(nóng)田的水熱通量變化規(guī)律及影響因素展開研究。

農(nóng)田水熱通量變化規(guī)律及其影響因素的研究是深入了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中能量分配、水量循環(huán)的基礎，對于作物與環(huán)境變化間動態(tài)模型的構(gòu)建也具有重要作用[16-17]，近些年已成為國內(nèi)外研究的熱點。TIAN等[18]通過渦度相關(guān)系統(tǒng)對新疆覆膜滴灌棉田水熱通量進行觀測，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的灌溉引起的高顯熱平流會使實際蒸散增大20%～30%；李國棟等[19]采用渦度相關(guān)系統(tǒng)和相關(guān)性分析方法對黃淮海平原典型冬小麥各生育期的水熱通量變化特征進行了分析，并解釋了冬小麥農(nóng)田環(huán)境因子與水熱通量各分量之間的相關(guān)關(guān)系。QIN等[20]通過對不同灌溉方式下覆膜制種玉米的研究發(fā)現(xiàn)，覆膜滴灌可以給作物提供更好的土壤水熱環(huán)境，縮短玉米生育期時長，并且覆膜滴灌主要通過促進植株蒸騰減少土壤蒸發(fā)來實現(xiàn)節(jié)水。馮禹等[21]通過研究覆膜對旱作玉米水熱通量影響發(fā)現(xiàn)，降水的分布能夠顯著影響生育期內(nèi)旱作玉米田的能量平衡。YANG等[22]利用波文比系統(tǒng)監(jiān)測西北地區(qū)滴灌小麥的水熱通量，發(fā)現(xiàn)滴灌可以明顯降低小麥耗水量，主要是因為滴灌可以顯著降低其葉面積指數(shù)，進而減少作物的植株蒸騰。

紫薯是一種藥食兩用的特有甘薯品種，除了含有普通甘薯的營養(yǎng)成分外，硒元素和花青素的含量也較高[23-24]。紫薯的高營養(yǎng)價值使其成為了重要的健康保障食品。山東省是我國重要的農(nóng)業(yè)基地，也是紫薯的主產(chǎn)地之一，但由于水資源時空分布不均與人口、耕地分布不相匹配，使得山東地區(qū)水資源短缺，出現(xiàn)季節(jié)性缺水，農(nóng)業(yè)用水日益緊張[25]，覆膜滴灌技術(shù)的應用可以提高紫薯產(chǎn)量和水分利用效率。但關(guān)于覆膜滴灌紫薯農(nóng)田的水熱通量資料短缺，為了制定科學合理的灌溉制度，需要對當?shù)馗材ぷ鲜磙r(nóng)田的水熱通量規(guī)律及其影響因素進行深入研究。

目前對于覆膜滴灌農(nóng)田的水熱通量已有一定研究，但相關(guān)研究主要集中在干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)田及其作物。而區(qū)域氣候狀況、植被覆蓋條件等因素會影響水熱通量的傳輸過程[26]，使得各地區(qū)農(nóng)田水熱通量規(guī)律存在較大差異。本文利用波文比通量觀測系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)和氣象站資料，對山東地區(qū)覆膜滴灌紫薯農(nóng)田的水熱傳輸規(guī)律及其對環(huán)境因子的響應進行研究，并進一步探討降雨和灌溉環(huán)境條件下對水熱通量的影響，確定覆膜滴灌水熱通量的主要影響因子及其水熱傳輸規(guī)律，增進對覆膜滴灌紫薯農(nóng)田在不同環(huán)境下水熱傳輸規(guī)律的認識，為該地區(qū)覆膜滴灌紫薯農(nóng)田的節(jié)水灌溉和作物高效用水提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2021年5—10月在山東省日照市嵐山區(qū)中國農(nóng)業(yè)大學特色馬鈴薯優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)試驗示范基地(北緯35°25′，東經(jīng)118°59′，海拔131 m)進行。該地屬于暖溫帶濕潤季風氣候，多年平均氣溫為13.2℃，相對濕度為72%，日照時數(shù)為2 533 h，降水量為897 mm，無霜期為213 d。2021年5—10月試驗區(qū)總降雨量為835 mm，主要集中在6—8月，占全年降雨量的60%～70%，生育期降雨量如圖1所示。試驗區(qū)土壤質(zhì)地為砂壤土，0～90 cm深度平均土壤干容重為1.46 g/cm3，田間持水率為26.02%(體積含水率)。

圖1 全生育期降雨量分布

紫薯農(nóng)田東西長84 m，南北長110 m，占地0.93 hm2，覆黑膜。紫薯品種為濟黑2號，采用機械起壟種植，一壟單行，壟寬0.8 m，壟高0.3 m，株距0.25 m左右，采用膜下滴灌作為補充灌溉。滴灌系統(tǒng)采用支管+輔管布置，設有閘閥、壓力表和水表，同時在滴頭正下方安裝負壓計，用來控制和調(diào)節(jié)灌溉。在播種前，試驗地施入385 kg/hm2復合肥(含N 15%；含P2O515%；含K2O 15%)，8月7日追加241 kg/hm2硫酸鉀肥料(含K2O 52%)。于2021年5月16日起壟種植，10月16日收獲。試驗地的除草病蟲害防治等均與當?shù)剞r(nóng)藝措施相同，灌水時間則依據(jù)負壓計實時監(jiān)測的土壤基質(zhì)勢確定，當試驗區(qū)8個負壓計示數(shù)平均值達到-25 kPa時開始灌水[25,27]，灌水量計算公式為

(1)

式中m——灌水量，mm

h——計劃濕潤層深度，取0.4 m

θa——灌水后土壤平均含水率，即田間持水率，cm3/cm3

θb——灌水前土壤平均含水率，即-25 kPa時土壤含水率(田間持水率的70%)，cm3/cm3

P——滴灌濕潤比，取65%

η——滴灌系統(tǒng)灌溉水利用系數(shù)，取0.97

1.2 試驗監(jiān)測儀器

試驗監(jiān)測儀器采用波文比通量觀測系統(tǒng)(BR1000X型)，由于試驗區(qū)主要以東南風為主，故本系統(tǒng)安裝在紫薯農(nóng)田中心略偏西北處，留有一定風浪區(qū)長度。系統(tǒng)主要由1個數(shù)據(jù)采集器(CR1000X型，Campbell Scientific Inc.，美國)、1個凈輻射傳感器(NR Lite2型，Kipp & Zonen，新西蘭)、2個高精度溫濕度傳感器(085型，Met One Instruments Inc.，美國)、2個強制通風防輻射罩(076B-4型，Met One Instruments Inc.，美國)、1個風速風向傳感器(034B-L15型，Met One Instruments Inc.，美國)、2個熱通量板(HFP01-L10型，Hukseflux，新西蘭)、1個土壤水分傳感器(CS616-L33型，Campbell Scientific Inc.，美國)、1個土壤溫度傳感器(TCAV型，Campbell Scientific Inc.，美國)等組成，可以觀測不同時間尺度的氣象資料。其中，凈輻射傳感器和風速風向傳感器的安裝高度為距地表2 m，溫、濕度傳感器安裝高度為距地表1.4 m和2 m，土壤熱通量板埋于地表以下8 cm處，土壤溫度傳感器埋于地表以下2 cm和6 cm處，土壤水分傳感器埋于地表以下8 cm處，將所有傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集間隔為10 s，計算并存儲每10 min的數(shù)據(jù)。

1.3 理論依據(jù)與計算方法

波文比能量平衡法是1926年英國物理學家BOWEN所提出的以能量平衡原理和近地面梯度擴散理論為基礎計算水熱通量的方法[28-30]。根據(jù)波文比能量平衡法，只需要測出相應的凈輻射、土壤熱通量以及不同高度空氣溫、濕度差，便可求得相應的潛熱通量和顯熱通量[30-34]，計算式為

(2)

(3)

(4)

式中λET——潛熱通量，W/m2

Rn——凈輻射，W/m2

G——土壤熱通量，W/m2

β——波文比

H——顯熱通量，W/m2

γ——干濕表常數(shù)，kPa/K

ΔT——兩個高度溫度差，K

Δe——兩個高度水汽壓差，kPa

利用土壤熱通量板測得的8 cm土層深度的土壤熱通量，可以計算出地表土壤熱通量。計算公式為

(5)

式中GS——8 cm深度土壤熱通量，W/m2

t——計算時間間隔，s

ΔTS——計算時間間隔內(nèi)0～8 cm土層的溫度變化量(此處與2～6 cm土層的溫度變化量近似)，K

d——土壤熱通量板以上土層厚度，m

ρb——土壤干容重，kg/m3

ρw——水密度，kg/m3

CS——土壤比熱容，J/(kg·K)

θ——0～8 cm土層的土壤含水率，cm3/cm3

CW——水比熱容，J/(kg·K)

1.4 通徑分析

通徑分析最早由數(shù)量遺傳學家SEWALL于1921年提出，是研究多變量與因變量之間相關(guān)關(guān)系的科學方法[35]。通徑分析可將各個自變量與因變量之間的相關(guān)關(guān)系分解為各自變量對因變量的直接作用和通過其他自變量對因變量產(chǎn)生的間接作用，通過通徑分析結(jié)果可以直觀地了解變量間的相互影響關(guān)系，從而建立優(yōu)化且簡便的回歸方程[34-35]。目前關(guān)于通徑分析的研究已有不少，學者們通過不同的案例和應用方向進行了多方面的探討[36-40]，但關(guān)于覆膜農(nóng)田水熱傳輸及其影響因素方面的研究較少，本文通徑分析采用覆膜滴灌紫薯農(nóng)田全生育期10 min潛熱通量為因變量，對應的各環(huán)境因子為自變量，進一步分析各環(huán)境因子間的相互作用，為覆膜農(nóng)田水熱通量對環(huán)境因子的響應研究提供依據(jù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

波文比通量觀測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)按PEREZ等[41]的方法進行篩選，同時根據(jù)BILLESBACH等[42]、LIU等[43]的研究，剔除潛熱通量、顯熱通量不在-50～700 W/m2范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，篩選和剔除掉的數(shù)據(jù)通過其鄰近數(shù)據(jù)插值補全。數(shù)據(jù)利用Excel整理計算，使用Origin 2018 繪圖，采用SPSS 25.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各生育期水熱通量日變化規(guī)律

為得到覆膜滴灌紫薯農(nóng)田不同生育期水熱平衡各分量的日變化特點和規(guī)律，分別取覆膜滴灌紫薯2021年各生育階段每天對應時段的凈輻射Rn、潛熱通量λET、顯熱通量H和土壤熱通量G的平均值[26,33]。如圖2所示，能量平衡各分量在整個生育階段的日均變化曲線均呈現(xiàn)出明顯的單峰特征，晝夜正負值交替分布，分別在06:00與18：00左右完成正值與負值的轉(zhuǎn)變。但由于不同生育期日照時長不同，并隨著氣象條件等因素的進一步影響，會使得各生育時期正負值轉(zhuǎn)變的具體時間有所不同。

圖2 覆膜滴灌紫薯不同生育期水熱通量日變化曲線

凈輻射是能量輸入的來源，每日06:00左右凈輻射由負值上升，在正午太陽直射時分達到峰值后開始降低，18:00左右下降為負值。發(fā)根緩苗期、分枝結(jié)薯期、莖葉盛長期、膨大收獲期紫薯日均凈輻射峰值分別為468.88、407.48、364.72、344.08 W/m2，在整個生育期呈逐漸下降的趨勢。凈輻射日均峰值在紫薯的分枝結(jié)薯期、莖葉盛長期出現(xiàn)略微下降，是因為生育期降雨量主要集中在這兩個生育階段。而氣溫驟然下降，太陽輻射急劇減小，則是導致紫薯膨大收獲期凈輻射日均峰值下降的最主要原因。夜間凈輻射在-47.45～0 W/m2之間波動，這是因為夜間少有能量輸入，而地表向大氣散熱使得凈輻射出現(xiàn)負值。

潛熱通量、顯熱通量是最主要的能量支出，二者變化規(guī)律基本是隨著凈輻射的增加而增加，在12:30左右達到峰值后又逐漸減小為0 W/m2，從18:00一直到次日06:00左右都穩(wěn)定在0 W/m2附近。不同生育期潛熱通量日均峰值分別為136.23、252.12、278.66、266.37 W/m2，在整個生育期呈現(xiàn)先增高再減小的趨勢，這主要與紫薯的葉面積指數(shù)和太陽輻射變化有關(guān)。其夜間變化范圍較小，一般在-20～0 W/m2之間，在生育中后期出現(xiàn)夜間潛熱小于0 W/m2的主要原因是夜間近地面大氣溫度低于露點，當空氣中的水汽含量較高時會在紫薯葉面凝結(jié)。不同生育期顯熱通量日均峰值分別為260.70、86.26、65.45、80 W/m2，隨生育期推進呈現(xiàn)出先逐漸減小、再逐漸增加的趨勢。夜間顯熱通量處于-20～0 W/m2之間，由于溫度差，地表與近地面大氣進行熱量交換則是顯熱通量夜間出現(xiàn)負值的主要原因。

土壤熱通量是凈輻射的另一個重要能量支出，其變化趨勢與凈輻射基本相同，每日07:00左右開始由負值上升，抵達峰值后在18:00左右下降為負值。不同生育期土壤熱通量日均峰值分別為169.46、92.94、44.67、30.43 W/m2，在整個生育期呈現(xiàn)明顯下降趨勢，這主要與作物冠層生長特性和氣象因素相關(guān)。夜間土壤熱通量處于-53.07～0 W/m2之間，夜間表層土壤向大氣散熱是導致土壤熱通量小于0 W/m2的主要原因。土壤熱通量日均峰值在生育期前期較大且高于潛熱通量，主要是因為生育前期太陽輻射可以直達地表，而覆膜使得土壤在吸收太陽短波輻射的同時又降低了土壤對大氣長波輻射的透射率，因而地表熱量可以得到進一步提升[44]。而后由于作物生長，紫薯冠層截獲了絕大部分太陽短波輻射，再加上氣候條件的進一步改變，因此在生育后期地表熱通量日均峰值遠低于潛熱通量。此外隨著生育期推進，紫薯冠層覆蓋度逐漸變大，夜間地表與近地面大氣溫度差逐漸減小，土壤向大氣釋放的熱量隨之減小，會使得夜間土壤熱通量逐漸增大。

水熱通量各分量受地理位置和區(qū)域氣候的影響，隨時間變化而變化。如表1所示，在覆膜滴灌紫薯的全生育期內(nèi)，潛熱通量、顯熱通量、土壤熱通量在全生育期能量支出占比分別為69.12%、25.14%、6.57%。潛熱通量占能量支出的絕大部分，其λET/Rn高達69.12%。但在紫薯的發(fā)根緩苗期，顯熱通量卻超過潛熱通量占能量支出的主要部分，之所以會出現(xiàn)這種情況，一方面是因為該生育期降雨量少，同時覆膜滴灌可以大幅度減小灌溉濕潤面積，減小了水汽的蒸發(fā)。另一方面則是因為此階段紫薯冠層對地表的遮蔭程度較低，太陽輻射直接作用于地表，使得地氣間溫度梯度大，促進了顯熱交換的進行[45]。而后期隨著紫薯農(nóng)田覆蓋度的提高及氣象條件的改變，潛熱通量逐漸成為能量支出的最主要部分。膨大收獲期顯熱通量的能量比率高于莖葉盛長期，主要是因為紫薯覆蓋度在達到峰值后會有一定的下降。土壤熱通量占能量支出比例隨著生育期的推進而逐漸減小。在發(fā)根緩苗期，土壤熱通量日變化曲線明顯高于潛熱通量日變化曲線，但其能量支出占比卻小于潛熱通量，這主要是因為在該階段，夜間地表散熱使得土壤熱通量出現(xiàn)較多負值，降低了土壤熱通量的能量比率。而在膨大收獲期，土壤熱通量能量比率甚至出現(xiàn)負值，這主要是因為該時期氣溫驟降，太陽輻射較低，熱量會從溫度較高的覆膜土壤向大氣散失，張寶忠[46]、TEIXEIRA等[47]也有類似的發(fā)現(xiàn)。

表1 覆膜滴灌紫薯各生育期水熱通量

2.2 不同天氣條件下水熱通量日變化規(guī)律

為進一步了解覆膜滴灌紫薯農(nóng)田水熱通量在不同天氣條件下的動態(tài)變化特征，對覆膜滴灌紫薯每個生育期階段分別選擇不同天氣條件下(晴天、陰天、雨天)各一天的水熱通量取均值。晴天選取5月24日、6月18日、8月14日、9月30日，陰天選取6月1日、7月7日、8月27日、9月24日，雨天選取6月3日、7月3日、8月20日、9月20日。圖3為典型天氣條件下覆膜紫薯水熱通量各分量的日變化。

圖3 覆膜滴灌紫薯不同天氣條件下水熱通量日變化曲線

不同天氣條件下到達地表的太陽輻射差異較大，下墊面能量輸入明顯不同，能量平衡各分量在不同天氣下由大到小分別為晴天、陰天、雨天。從圖3可以看出，晴天、陰天天氣條件下的各水熱通量變化趨勢大致相同，由于受雨滴和氣溫的影響，雨天條件下各水熱通量變化較為復雜，均呈現(xiàn)多峰特征，其中潛熱通量和凈輻射日變化規(guī)律一致性最好。晴天與陰天各水熱通量均在06:00與18:00左右完成正負值轉(zhuǎn)變，而在雨天條件下，各水熱通量10:00左右才由負值升為正值，轉(zhuǎn)變時間明顯滯后。

不同天氣條件下，夜間潛熱通量都在0 W/m2附近浮動，說明夜間水汽的蒸發(fā)很小，這有可能是夜間紫薯的蒸發(fā)蒸騰作用與水汽的凝結(jié)作用達到了某種平衡。日均潛熱通量和顯熱通量在晴天、陰天、雨天分別為79.34、33.96 W/m2，42.93、24.82 W/m2，20.67、7.24 W/m2。顯熱通量在不同天氣條件下均小于潛熱通量，進一步說明了覆膜滴灌紫薯農(nóng)田潛熱通量是能量支出的主要部分。同時顯熱通量在不同天氣條件下變化幅度也小于潛熱通量，這可能是因為紫薯冠層較高的覆蓋度以及覆膜對土壤的保溫效應，使得不同天氣條件下地表土壤不會產(chǎn)生過大的溫度差異，導致土壤和大氣間熱交換量較低。

日均土壤熱通量在晴天、陰天、雨天分別為14.42、0.05、-6.91 W/m2。在陰天條件下，土壤熱通量均值基本為0 W/m2，是因為白天土壤吸收的熱量與夜間散失的熱量基本相同。而在雨天條件下，土壤熱通量均值為負值，主要是因為雨天紫薯農(nóng)田的能量收入較低，為了彌補能量支出，土壤會向大氣釋放能量。夜間的土壤熱通量在不同天氣條件下由大到小依次為晴天、陰天、雨天，這主要是因為晴天的晝夜溫差相對較大，且在覆膜作用下，土壤溫度高，使得晴天夜間土壤熱量散失更為明顯。

2.3 降雨和灌溉后水熱通量變化規(guī)律

農(nóng)田各能量通量的變化在很大程度上取決于地表的濕潤程度[48]，降雨和灌溉會使得農(nóng)田出現(xiàn)不同程度地表濕潤，對農(nóng)田的能量分配產(chǎn)生較大影響，對降雨和灌溉后水熱通量的變化規(guī)律進行深入分析可以進一步了解不同環(huán)境條件下的農(nóng)田水熱傳輸規(guī)律。

2.3.1降雨后水熱通量日變化規(guī)律

圖4(圖中日期所在刻度均對應于12:00數(shù)據(jù)，下同)為降雨前后紫薯農(nóng)田不同生育階段水熱平衡各分量日變化規(guī)律，表2為對應的氣象資料。

表2 生育前后期典型降雨資料統(tǒng)計

圖4 降雨前后覆膜滴灌紫薯水熱通量日變化曲線

生育期前期，紫薯農(nóng)田潛熱通量峰值由降雨前6月13日的315.3 W/m2增大到降雨后6月18日的381.44 W/m2，日均潛熱通量由43.09 W/m2增大到83.29 W/m2，增幅為93.3%。顯熱通量峰值由335.95 W/m2降低到311.61 W/m2，降幅為7.24%。日均土壤熱通量由23.98 W/m2增大到31.16 W/m2，增幅為29.9%。在生育期前期，紫薯冠層截獲的太陽輻射較少，大部分太陽輻射直接作用于地表，而降雨后表層土壤含水率顯著升高，使得土壤水分蒸發(fā)明顯變大，蒸發(fā)蒸騰量也隨之增加，所以潛熱通量會明顯上升。而雨后紫薯農(nóng)田的能量輸入大部分用于潛熱通量支出，這是顯熱通量減小的主要原因。

生育期后期，紫薯農(nóng)田潛熱通量峰值由降雨前9月18日的260.99 W/m2增大到降雨后9月21日的389.93 W/m2，日均潛熱通量由46.55 W/m2增大到70.28 W/m2，顯熱通量峰值由123.5 W/m2增大到211.6 W/m2，日均顯熱通量由-2.95 W/m2增大到12.31 W/m2，土壤熱通量峰值由47.77 W/m2增大到59.08 W/m2，日均土壤熱通量由0.09 W/m2增大到0.64 W/m2，降雨后各能量支出分量都有所提高。相較于生育期前期，生育期后期降雨后的日均顯熱通量和土壤熱通量變化幅度較小，這主要是因為在此生育階段紫薯冠層可以將地表完全覆蓋，截獲絕大部分的太陽輻射，使得雨后地表溫度變化較小。與此同時，生育期后期紫薯冠層和地膜共同作用，減少了雨后紫薯農(nóng)田土壤蒸發(fā)，但在此階段，植株蒸騰為紫薯農(nóng)田的主要蒸發(fā)蒸騰，所以生育期后期降雨后紫薯潛熱通量與生育期前期相比變化幅度不大。

2.3.2灌溉后水熱通量日變化規(guī)律

覆膜滴灌紫薯農(nóng)田的灌溉主要集中在生育期前期，圖5為6月8—9日灌水前后紫薯水熱平衡各分量的日變化規(guī)律，灌水量為20 mm。紫薯農(nóng)田日均潛熱通量均值由灌水前的49.71 W/m2增加到灌水后55.49 W/m2，日均顯熱通量均值從81.80 W/m2降低到 65.27 W/m2，日均土壤熱通量由17.53 W/m2降低到7.53 W/m2。灌水前后潛熱通量、顯熱通量變化與生育期前期降雨變化趨勢相似，但變化幅度相對較小。這主要是因為紫薯農(nóng)田采用覆膜滴灌的灌溉方式，灌溉水直接作用于作物根系，與降雨相比，不僅濕潤面積小，灌水量也低，所以潛熱通量、顯熱通量變化幅度不大。從圖5可以看出，剛開始灌水時，土壤熱通量會驟然減小，這是因為灌溉水為地下水，水溫低于土壤溫度，而后由于土壤熱量傳輸，土壤熱通量變化趨勢則會逐漸平緩。與降雨不同，由于灌水濕潤面積小，土壤溫度上升快，夜間土壤散熱是灌水后土壤熱通量減小的主要原因。

圖5 灌溉前后覆膜滴灌紫薯水熱通量日變化曲線

2.4 潛熱通量與各環(huán)境因子通徑分析

潛熱通量是覆膜滴灌紫薯農(nóng)田能量支出最主要分量，與近地面大氣和下墊面水分、能量的傳輸聯(lián)系密切，在多種時間尺度上受作物、土壤和氣象等多項環(huán)境因子的綜合影響[49]，是研究水熱通量對環(huán)境因子響應的基礎。本文根據(jù)已有的實測數(shù)據(jù)，對覆膜紫薯農(nóng)田全生育期每10 min潛熱通量與各環(huán)境因子關(guān)系進行通徑分析，主要考慮的環(huán)境因子包括凈輻射Rn、氣溫Ta、相對濕度(RH)、飽和水汽壓差(VPD)、風速u、表層土溫TS和土壤熱通量G等，結(jié)果如圖6和表3所示。

表3 10 min潛熱通量與各環(huán)境因子通徑分析

圖6 10 min潛熱通量與各環(huán)境因子通徑分析結(jié)果

各環(huán)境因子對10 min潛熱通量相關(guān)系數(shù)絕對值由大到小依次為Rn、Ta、VPD、G、RH、TS、u，說明凈輻射是對紫薯農(nóng)田10 min潛熱通量產(chǎn)生影響最重要的環(huán)境因子，其次為氣溫和飽和水汽壓差，表層土溫和風速的影響相對較小。其中表層土溫與10 min潛熱通量相關(guān)系數(shù)明顯小于氣溫，這可能是因為生育中后期紫薯冠層遮陰度較高，土壤溫度上升較慢，又由于覆膜的保溫作用，土壤溫度下降也會較慢，與空氣溫度和凈輻射的變化不同步所致。

凈輻射、飽和水汽壓差的直接通徑系數(shù)大于間接通徑系數(shù)之和，說明它們主要通過直接作用對10 min潛熱通量產(chǎn)生影響，而其他因子對10 min潛熱通量的影響則主要體現(xiàn)為間接作用。各環(huán)境因子對10 min潛熱通量直接通徑系數(shù)絕對值由大到小依次為Rn、G、VPD、RH、TS、Ta、u，間接通徑系數(shù)之和絕對值由大到小依次為G、RH、TS、Ta、u、VPD、Rn，說明凈輻射和土壤熱通量分別對10 min潛熱通量的直接作用和間接作用最大。從圖6中可以看出，土壤熱通量對10 min潛熱通量的間接作用主要通過與氣溫和凈輻射之間的互相作用來產(chǎn)生影響。凈輻射主要通過氣溫、土壤熱通量和相對濕度等環(huán)境因子相互作用對10 min潛熱通量產(chǎn)生間接作用，其他各因子則主要通過與凈輻射相互作用來對10 min潛熱通量產(chǎn)生間接影響，進一步說明了凈輻射對10 min潛熱通量影響程度最大。綜合直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)之和的排序來看，各環(huán)境因子并不是直接作用越大間接作用就會越小或間接作用越大直接作用越小，也不是單獨只有直接或者間接作用，而是通過二者的共同作用對10 min潛熱通量產(chǎn)生影響。

3 討論

本文利用波文比通量觀測系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)，分析了山東濕潤區(qū)覆膜滴灌紫薯全生育期水熱通量分配規(guī)律及日變化特征，并研究了降雨和灌溉對水熱通量的影響，最后結(jié)合試驗區(qū)氣象資料與土壤數(shù)據(jù)，進一步探討了不同環(huán)境因子對紫薯農(nóng)田10 min潛熱通量的影響。

從覆膜滴灌紫薯全生育期水熱通量能量比率來看，在生育期前期，潛熱通量占凈輻射份額較小，隨著生育期推進，在莖葉盛長期潛熱通量占凈輻射份額達到最大，生育期后期略微減小，這主要與紫薯的葉面積指數(shù)變化有關(guān)，鄭思宇等[50]和QIU等[51]也有類似結(jié)論。同時在全生育期，覆膜紫薯農(nóng)田的潛熱通量是凈輻射的主要能量支出。鄭思宇等[50]對溫室葡萄水熱通量特征展開研究，發(fā)現(xiàn)顯熱通量占能量支出份額最大，即使后期潛熱通量占比增大，也仍小于顯熱通量，OLIVER等[52]也有相似發(fā)現(xiàn)。這與本研究結(jié)果有所差異，差異的形成主要與覆膜滴灌、作物類型等因素相關(guān)。ZHANG等[53]研究干旱區(qū)覆膜葡萄發(fā)現(xiàn)，在葡萄生育期內(nèi)，顯熱通量占凈輻射主要支出；馮禹等[21]利用渦度相關(guān)系統(tǒng)對旱區(qū)覆膜玉米水熱通量展開研究，發(fā)現(xiàn)在玉米的生育期內(nèi)潛熱通量是凈輻射最主要的能量支出，而休閑期凈輻射以消耗顯熱通量為主；TIAN等[54]分析了西北干旱地區(qū)膜下滴灌棉田的水熱通量變化，發(fā)現(xiàn)潛熱通量支出占凈輻射的主要部分。這說明了在覆膜條件下，作物類型不同，冠層結(jié)構(gòu)對地面的覆蓋度不同會對農(nóng)田的能量分配產(chǎn)生較大的影響。

從降雨前后水熱通量的變化來看，降雨對潛熱和顯熱都有較大影響，尤其在生育期前期，潛熱通量對降雨的反應更為敏感。張寶忠[45]、鄒旭東等[55]研究也發(fā)現(xiàn)，降雨后潛熱通量和感熱通量會出現(xiàn)不同程度的增幅，這與本研究結(jié)論一致。這種現(xiàn)象的形成主要是因為，生育期前期地面裸露度較高，雨后土壤濕度增大，土壤蒸發(fā)潛熱占潛熱總量比重較大，而后隨著作物的生長，植株蒸騰逐漸成為蒸發(fā)蒸騰的主體，降雨對潛熱通量影響也逐漸減低。而灌溉對水熱通量的影響與降雨相似，但由于濕潤面積和灌水量遠小于降雨，因此影響程度低于降雨。

從10 min潛熱通量與各環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)來看，凈輻射對覆膜滴灌紫薯10 min潛熱通量影響程度最大，其次為氣溫和飽和水氣壓差，土壤熱通量影響相對較小。余昭君等[56]通過對葡萄園潛熱通量對環(huán)境因子的敏感性分析則發(fā)現(xiàn)，潛熱通量對凈輻射和土壤熱通量的變化較為敏感，且二者差距很小，這與本研究略有差異。這主要是因為，凈輻射是下墊面植被蒸發(fā)蒸騰主要的能量輸入，與蒸散量相關(guān)，對潛熱通量的影響最大，而相對于其他稀疏植被，紫薯農(nóng)田覆蓋度較高，作物冠層會截獲大部分的太陽輻射，留給土壤的能量較少，因此紫薯農(nóng)田土壤熱通量變化對潛熱通量的影響相對較小。從通徑分析結(jié)果來看，凈輻射、飽和水汽壓差對10 min潛熱通量的影響主要為直接作用，其余主要通過各因子間相互作用產(chǎn)生間接影響。張雪松等[57]通過通徑分析也發(fā)現(xiàn)，凈輻射和飽和水汽壓差對冬小麥農(nóng)田小時尺度潛熱通量影響主要為直接作用。QIU等[58]、邱讓建等[17]則發(fā)現(xiàn)凈輻射對小尺度輪作稻麥田潛熱通量的影響主要為直接作用，而其他因子均通過影響凈輻射對潛熱通量產(chǎn)生間接影響，這與本文結(jié)果略有差異。風速對10 min潛熱通量的影響較為復雜，基本沒有直接作用，主要通過與凈輻射和相對濕度等因素相互作用產(chǎn)生間接影響，這可能是由于風可以吹開地表上方的水汽，使得太陽輻射可以更容易到達作物冠層，進而影響蒸發(fā)蒸騰。劉健[59]的研究也表明風速主要通過影響作物蒸騰量來影響潛熱通量。因此風速與潛熱通量有一定相關(guān)性，但關(guān)于不同風速、風向?qū)摕嵬康木唧w影響還有待進一步研究。

4 結(jié)論

(1)各水熱通量全生育期變化曲線都呈現(xiàn)明顯晝高夜低單峰型特征，潛熱通量、顯熱通量、土壤熱通量在全生育期能量支出占比分別為69.12%、25.14%、6.57%。

(2)降雨后紫薯農(nóng)田潛熱通量與顯熱通量都會有一定的增幅，且降雨對生育期前期的影響大于生育期后期。灌溉對水熱通量造成影響的機理與降雨相似，但影響程度小于降雨。

(3)對10 min潛熱通量影響較大的環(huán)境因子為凈輻射、氣溫、飽和水汽壓差，其次為土壤熱通量和相對濕度，表層土溫和風速的影響較小。各環(huán)境因子通過直接和間接作用共同對10 min潛熱通量產(chǎn)生影響。