張彥群，王建東※，龔時(shí)宏，許 迪，隋 娟,2，吳忠東

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基于液流計(jì)估測(cè)蒸騰分析覆膜滴灌玉米節(jié)水增產(chǎn)機(jī)理

張彥群1，王建東1※，龔時(shí)宏1，許 迪1，隋 娟1,2，吳忠東3

（1. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100048；2. 北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871；3. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255049）

深入了解覆膜滴灌下冠層輻射傳輸和能量分配情況，確定土壤蒸發(fā)和作物蒸騰之間的定量區(qū)分關(guān)系是合理灌溉和提高水分利用效率的重要研究?jī)?nèi)容。該研究在東北膜下滴灌地區(qū)開(kāi)展連續(xù)2 a田間試驗(yàn)，測(cè)定了覆膜（M）和不覆膜（NM）玉米田的冠層輻射、田間土壤蒸發(fā)和作物蒸騰、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量。結(jié)果表明：覆膜使冠層上方凈輻射降低7.7%，從而減少了蒸發(fā)蒸騰可供能量，冠層下方凈輻射降低34.0%，減少了土壤蒸發(fā)可供能量，冠層凈輻射吸收量增加14.0% 用于作物蒸騰；覆膜能小幅度降低蒸發(fā)蒸騰總量3.9%～5.2%，而對(duì)其在土壤蒸發(fā)和作物蒸騰之間的分配影響顯著，覆膜處理土壤蒸發(fā)占蒸發(fā)蒸騰總量的比例為12.5%～14.5%，而不覆膜處理該比例高達(dá)21.7%～25.0%；覆膜處理提高了成熟期玉米株高、地表20 cm高度處莖粗、生物量和最大葉面積，最終使產(chǎn)量提高5.9%～8.8%，水分利用效率提高12.0%～13.1%。綜上所述，覆膜通過(guò)改變冠層輻射能量分配降低了玉米田蒸發(fā)蒸騰總量，提高了玉米產(chǎn)量和水分利用效率。

蒸發(fā)蒸騰；蒸發(fā)；蒸騰；土壤含水率；覆膜；滴灌；產(chǎn)量；水分利用效率

0 引 言

面對(duì)日益嚴(yán)峻的水資源形勢(shì)和頻繁出現(xiàn)的極端稈旱氣候，發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)是解決大范圍內(nèi)水資源供需矛盾的有效手段[1]。近年來(lái)，東北4省區(qū)（黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙）開(kāi)展“節(jié)水增糧行動(dòng)”中，微灌面積達(dá)到 135萬(wàn)hm2，占“節(jié)水增糧行動(dòng)”高效節(jié)水灌溉面積的近54%，主要為膜下滴灌玉米種植面積[2]。膜下滴灌將覆膜種植和滴灌節(jié)水技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可有效解決東北地區(qū)玉米種植中面臨的生育前期積溫不足和全生育期的灌水施肥問(wèn)題[3]。覆膜可以提高土壤溫度和含水率[4-5]、降低土壤蒸發(fā)[6]、促進(jìn)作物生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量及水分利用效率[7]，已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。有關(guān)膜下滴灌增產(chǎn)效果的研究很多，研究區(qū)域較多集中在稈旱或半稈旱地區(qū)[8-9]，研究的作物以棉花、果樹(shù)、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物為主[10-11]。而在東北半濕潤(rùn)區(qū)，對(duì)玉米等主要糧食作物采用膜下滴灌技術(shù)后的節(jié)水增產(chǎn)機(jī)理還缺乏系統(tǒng)深入的研究。

覆膜導(dǎo)致地表反射率改變能改變作物冠層輻射傳輸和能量分配情況。晴天中午距地面15cm處，普通透明膜的反射率為14%，而露地的只有3.5%[12]。覆膜條件下反射到植株間的太陽(yáng)輻射比例高，可改善冠層下部葉片的光照情況，光照條件的改善利于作物生長(zhǎng)，而作物株高、葉面積的變化又反過(guò)來(lái)會(huì)影響冠層輻射傳輸情況[13-14]。覆膜改變了土壤蒸發(fā)和作物蒸騰發(fā)生的田間微氣象和土壤邊界條件，冠層凈輻射降低，土壤熱通量增加，可供能量分配發(fā)生改變，從而使田間水分消耗發(fā)生改變[15-16]。晴天中午覆膜農(nóng)田的潛熱通量比常規(guī)灌溉農(nóng)田低，而感熱通量較高，從而提高了環(huán)境大氣的溫度。冠層氣溫升高往往導(dǎo)致大氣蒸汽壓虧缺較大，加之膜下滴灌作物根區(qū)土壤水分較高，利于作物蒸騰，雖然覆膜抑制了土壤蒸發(fā)，但田間蒸發(fā)蒸騰總量變化的方向卻不一定[17]。因此，深入了解覆膜滴灌下冠層輻射傳輸和能量分配情況，確定土壤蒸發(fā)和作物蒸騰之間的定量區(qū)分關(guān)系是合理灌溉和提高水分利用效率的重要研究?jī)?nèi)容。

多數(shù)研究結(jié)果表明，覆膜改變了田間水分環(huán)境，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的水、肥、氣、熱條件，有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育和增加作物產(chǎn)量[18-19]。然而，并非所有膜下滴灌處理都能引起作物增產(chǎn)，膜下滴灌條件下土壤水熱狀況的改變對(duì)作物生長(zhǎng)的影響也與作物自身特性有關(guān)。對(duì)于黃瓜等喜溫作物，膜下滴灌的增產(chǎn)效果明顯[20]，但對(duì)高溫敏感作物，膜下滴灌會(huì)抑制作物生長(zhǎng)。有研究表明膜下滴灌能明顯減少馬鈴薯生育前期的土壤蒸發(fā)，維持較高土壤含水率，但馬鈴薯中后期覆膜則會(huì)導(dǎo)致土壤溫度過(guò)高從而引起產(chǎn)量下降[21]。旱地玉米覆膜減產(chǎn)也有報(bào)道[22]，對(duì)于東北地區(qū)膜下滴灌玉米，生育前期增溫可以改善玉米生長(zhǎng)發(fā)育，而生育旺期的覆膜對(duì)土壤的增溫作用是否會(huì)同樣引起玉米產(chǎn)量降低等問(wèn)題仍需要進(jìn)一步研究。

本研究中，筆者在東北膜下滴灌地區(qū)開(kāi)展連續(xù)2 a田間試驗(yàn)，測(cè)定了覆膜（M）和不覆膜（NM）玉米田的冠層輻射、田間土壤蒸發(fā)和作物蒸騰、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量。主要目標(biāo)是量化覆膜和不覆膜處理的冠層上下可供能量、蒸發(fā)蒸騰總量及其分量、產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）的差異；分析造成覆膜和不覆膜處理間水分消耗、產(chǎn)量和WUE差異的原因。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在黑龍江省水利科技試驗(yàn)研究中心進(jìn)行，該基地位于哈爾濱市道里區(qū)（125°45￠E，45°22￠N），海拔220 m。多年平均降雨量為400~650 mm，其中80%集中在5~9月（玉米生育期內(nèi)）。經(jīng)與當(dāng)?shù)厮鞴懿块T溝通得知該地區(qū)地下水埋深在20 m以下，忽略地下水對(duì)耕層土壤水分的補(bǔ)給。根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，0~100 cm土層的土壤質(zhì)地均為粉壤土，分層土壤物理特性見(jiàn)表1，0~100 cm平均有機(jī)質(zhì)和pH值分別為25.94 g/kg和8.69，電導(dǎo)率值為111.08S/cm。利用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定0~100 cm土層的容重平均為1.48 g/cm3，利用威爾科克斯法測(cè)定飽和含水量為0.466 cm3/cm3，田間持水量為0.35 cm3/cm3。

表1 土壤基礎(chǔ)理化特性

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014、2015年進(jìn)行，采用滴灌灌水方式，設(shè)置膜下地表滴灌（M）和不覆膜地表滴灌（NM）2 種處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積5.2 m′20 m。種植作物為春玉米，品種為東福1號(hào)，于每年4月底播種， 9月底收獲。播種前，對(duì)試驗(yàn)地塊進(jìn)行旋耕，深度0.25～ 0.3 m，然后進(jìn)行起壟作業(yè)，采用“大壟雙行”栽培模式，壟寬1 m，壟高0.15 m，溝底寬0.3 m，壟間行距0.9 m，壟上行距0.4 m，株距0.25～0.3 m，定植密度為5.12～6.14萬(wàn)株/hm2。每個(gè)小區(qū)布置4壟，每壟種植2行玉米。播種后立即鋪設(shè)滴灌帶及覆膜。滴灌帶鋪設(shè)在壟中間，1帶2行，滴頭流量為1.38 L/h，滴頭間距0.3 m。壟上覆膜與滴灌帶鋪設(shè)同時(shí)進(jìn)行，地膜為聚乙烯透明地膜，厚度為0.01 mm，寬度為1.2 m。為保證出苗，播種后M和NM處理均覆膜，出苗后一周左右NM處理揭去地膜，M處理仍保留。2 a的播種、出苗及揭膜日期見(jiàn)表2。M和NM處理的田間管理、灌溉制度和施肥制度均相同。

灌溉制度由灌水上下限確定，每次灌水量根據(jù)式（1）計(jì)算確定：

式中上和下為灌水上、下限，cm3/cm3；1為小區(qū)面積，m2；為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，cm；w為濕潤(rùn)比；為灌溉水利用系數(shù)。下為75%的田間持水量，上為100%的田間持水量，依據(jù)作物根系分布設(shè)定，苗期作物根系分布較淺，設(shè)定為30 cm，拔節(jié)后，根系分布加深，0~ 50 cm是玉米根系分布的主要深度，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，0~ 50 cm根系稈質(zhì)量占0~100 cm根系總質(zhì)量的90%以上，設(shè)為50 cm，w為0.6，為0.95。

根據(jù)當(dāng)?shù)毓芾斫?jīng)驗(yàn)，播種前，一次性施入基肥磷酸二胺325 kg/hm2（N、P2O5含量分別為18%和46%）、尿素7.5 kg/hm2（N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%）和硫酸鉀160 kg/hm2（K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%），折合純N量62 kg/hm2，P2O5150 kg/hm2， K2O 80 kg/hm2。M和NM處理生育期內(nèi)均追施N肥（尿素）2次，總施N量為330 kg/hm2，拔節(jié)期施入追肥量的60%，抽穗期施入追肥量的40%，利用文丘里施肥器隨水施入田中。追肥時(shí)，即使土壤含水率還未降至灌水下限，為配合施氮，仍需進(jìn)行補(bǔ)充灌水。灌水及施肥情況詳見(jiàn)表2，M和NM處理各生育期開(kāi)始時(shí)間列到表3中。

1.3 液流通量測(cè)定和尺度轉(zhuǎn)換

每年抽穗期開(kāi)始（7月底至8月初），采用基于熱平衡原理的包裹式液流計(jì)（Flow32-1K, Dynamax Co. USA）測(cè)定作物蒸騰量。對(duì)于液流計(jì)測(cè)定植株蒸騰的準(zhǔn)確性，我們?cè)谔镩g試驗(yàn)開(kāi)始前采用盆栽稱質(zhì)量法進(jìn)行了驗(yàn)證。方法是準(zhǔn)備4株封底盆栽玉米，盆口裸土用塑料薄膜封住，認(rèn)為土壤蒸發(fā)量可以忽略不計(jì)，每天18:00點(diǎn)稱質(zhì)量，與前1d的質(zhì)量差認(rèn)為是玉米的蒸騰量，同時(shí)用液流計(jì)測(cè)定盆栽玉米的液流量，與稱質(zhì)量法得到的蒸騰量相比較，4組數(shù)據(jù)分別做獨(dú)立樣本均值比較T檢驗(yàn)，值均小于0.05，因此認(rèn)為液流計(jì)測(cè)得蒸騰量與稱重法得到的結(jié)果無(wú)顯著差異，測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確。對(duì)于取樣株數(shù)和代表性的問(wèn)題，一般條件允許的情況下多取玉米能更有代表性，本研究中大田作物小區(qū)內(nèi)長(zhǎng)勢(shì)差別不大，取樣時(shí)參考Bethenod等研究[23]，避開(kāi)了小區(qū)邊緣和病殘植株，在M和NM處理分別選取2個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)各選擇2株玉米進(jìn)行液流量測(cè)定。為減小探頭工作時(shí)持續(xù)加熱對(duì)莖稈的損傷，和防止傳感器泡沫吸水導(dǎo)致的數(shù)據(jù)測(cè)量誤差，每隔1周左右將傳感器拆下晾曬，當(dāng)天再按原順序裝回。液流數(shù)據(jù)采集間隔為60 s，每30 min進(jìn)行平均值計(jì)算并存儲(chǔ)輸出，輸出結(jié)果為單位時(shí)間液流量（, g/h），除以包裹的玉米莖稈的截面積（si, cm2）得到液流通量（s, g/(cm2×h)），每個(gè)處理選取的4株玉米液流量有一定差異，但用自身莖稈截面積si標(biāo)準(zhǔn)化后，得到的液流通量s差異不大，變異系數(shù)為2.6%，因此選用4株玉米s平均值作為小區(qū)s平均水平。玉米莖稈的截面積由游標(biāo)卡尺測(cè)定的莖稈直徑確定。

表2 2014、2015年試驗(yàn)期間田間農(nóng)藝、施肥灌水管理及生育期降雨情況

注：NM為不覆膜地表滴灌。

Notes: NM stands for drip irrigation without mulching.

表3 2014、2015年試驗(yàn)春玉米各生育期開(kāi)始時(shí)間

注：M為膜下地表滴灌。

Notes：M stands for drip irrigation with mulching.

為充分考慮小區(qū)莖稈截面積的空間變異并實(shí)現(xiàn)單株液流量向小區(qū)蒸騰量的尺度轉(zhuǎn)換，我們又選取了連續(xù)20株玉米進(jìn)行莖稈直徑測(cè)定，推求其莖稈截面積平均值作為小區(qū)的莖稈截面積（sa），忽略玉米植株的水容，小區(qū)蒸騰量（r-SF, mm/h）可以由下式計(jì)算[23]：

式中分別為株行距，cm，10為單位轉(zhuǎn)換因子。1d中24 h的r-SF累加值為小區(qū)日蒸騰量，mm/d。每個(gè)處理2個(gè)小區(qū)的r-SF均值為該處理的蒸騰量。

1.4 修正的雙作物系數(shù)法

本研究中，由于包裹式液流計(jì)探頭型號(hào)限制，只能對(duì)中后期玉米蒸騰量進(jìn)行測(cè)定，想要獲得全生育期蒸騰量，需要采用FAO56分冊(cè)中雙作物系數(shù)法，并采用液流計(jì)對(duì)作物蒸騰的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)生育中期基礎(chǔ)作物系數(shù)進(jìn)行修正后，再計(jì)算全生育期的作物蒸騰量[24]，具體方法在下文詳述。

FAO56分冊(cè)中雙作物系數(shù)法作物蒸騰量的計(jì)算為式（3）：

式中r為作物蒸騰量，S為水分脅迫系數(shù)，本研究中夏玉米生長(zhǎng)季為雨季，且全生育期充分灌水，未涉及土壤水分虧缺，所以s為1；cb為基礎(chǔ)作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，采用式（4）計(jì)算：

式中n, 2為標(biāo)準(zhǔn)氣象站2 m高度處的凈輻射，MJ/(m2×d)；為土壤熱通量，MJ/(m2×d)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的斜率，kPa/℃；為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；VPD為大氣飽和水汽壓虧缺，kPa；為日均溫度，由日最高氣溫和最低氣溫平均得到，K；2為2 m高度處的風(fēng)速，m/s。

為獲取cb值，玉米全生育期被分為4個(gè)生長(zhǎng)階段：起始階段、作物冠層擴(kuò)展階段、生長(zhǎng)中期和末期，各生育階段之間的cb可以通過(guò)FAO56分冊(cè)推薦的起始、生長(zhǎng)中期和末期cb，即cb-ini、cb-mid和cb-end，之間的線性插值得到，需要根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笠蜃诱{(diào)整：

式中cb(Tab)為FAO56分冊(cè)推薦值，夏玉米cb-ini、cb-mid和cb-end的推薦值分別為0.15、1.15和0.55。RHmin為日最小相對(duì)濕度，%，為冠層平均高度，m。

本研究中，以生長(zhǎng)中期液流實(shí)測(cè)值經(jīng)尺度轉(zhuǎn)換（式2）得到的作物蒸騰量（r-SF）為基準(zhǔn)，按照式（6）對(duì)cb-mid進(jìn)行修正，得到修正的中期基礎(chǔ)作物系數(shù)。

式中ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰`量，mm / d。

1.5 土壤蒸發(fā)量確定

土壤蒸發(fā)（s）采用自制的微型蒸發(fā)器（MLS）和電子天平（精度0.01 kg）進(jìn)行測(cè)定，其中MLS由內(nèi)桶和外桶組成，均由聚氯乙烯（PVC）管材制成，內(nèi)桶外徑11 cm，壁厚0.36 cm，高15 cm，外桶直徑略大于內(nèi)桶外徑，高度與內(nèi)桶相同。先將內(nèi)桶打入土壤鉆取原狀土，修平低端，用尼龍紗網(wǎng)封底，再將外桶置于取土處固定。每隔5 d換一次土，灌溉或>5 mm降雨后加換。每天下午17:00- 18:00點(diǎn)之間稱量，2次稱量結(jié)果之差即為蒸發(fā)水量損失，根據(jù)內(nèi)桶截面積轉(zhuǎn)換為mm/d。本文采用的MLS規(guī)格是文獻(xiàn)中測(cè)定土壤蒸發(fā)采用的常見(jiàn)規(guī)格，隔5d換一次土，該方法是被前人普遍應(yīng)用，且證實(shí)了其測(cè)定蒸發(fā)的準(zhǔn)確性[25-26]。此外，筆者之前也通過(guò)比較通內(nèi)外土壤水分差異證實(shí)該方法測(cè)定土壤蒸發(fā)的可靠性[27]。在每個(gè)小區(qū)滴頭正下方、距離滴頭25 cm和壟溝中間各安裝1個(gè)MLS，小區(qū)s由3個(gè)位置的土壤蒸發(fā)量按照面積加權(quán)平均得到。s與ET0的比值即為蒸發(fā)系數(shù)（e）。

1.6 田間凈輻射測(cè)定

在M和NM處理，采用凈輻射探頭和TRM-ZS1型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（錦州陽(yáng)光氣象科技有限公司，中國(guó)）連續(xù)觀測(cè)冠層上方的凈輻射變化，探頭分別安裝在冠層上方50 cm和冠層下方距壟上地表30 cm高度處，數(shù)據(jù)為30 min自動(dòng)記錄，定時(shí)下載。

1.7 其他氣象因子測(cè)定

計(jì)算ET0所用的氣象數(shù)據(jù)，包括太陽(yáng)輻射、空氣溫濕度和風(fēng)速均由位于試驗(yàn)站內(nèi)的氣象站（距試驗(yàn)區(qū)約80 m）測(cè)得。采用美國(guó)Decagon公司的EM50數(shù)據(jù)采集器，安裝PYR型太陽(yáng)輻射傳感器、VP-4型空氣溫濕度傳感器和DS-2型風(fēng)速傳感器，均為Decagon公司生產(chǎn)。數(shù)據(jù)均為30 min自動(dòng)記錄，定時(shí)下載。

1.8 作物生長(zhǎng)指標(biāo)及產(chǎn)量測(cè)定

株高、莖粗和葉面積指數(shù)（LAI）每個(gè)生育期測(cè)定1次。株高采用米尺測(cè)定，莖粗采用游標(biāo)卡尺測(cè)定玉米莖稈距地表20 cm高度處的最長(zhǎng)和最短2個(gè)方向的讀數(shù)，平均值作為該株莖粗。葉面積測(cè)定由下到上量取每片葉子的長(zhǎng)和寬，并乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.74得到實(shí)際葉面積。每個(gè)小區(qū)選取3株進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)處理9株，平均值除以單株占地面積得到該處理的LAI。每個(gè)小區(qū)選取3處樣方進(jìn)行考種，每個(gè)樣方面積為3 m×1.3 m，分別測(cè)量每株玉米的籽粒質(zhì)量，并折算到小區(qū)的產(chǎn)量（，t/hm2）。水分利用效率（WUE，kg/m3）為產(chǎn)量（）與ET（mm）的比值（式（8））：

式中100為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜對(duì)玉米冠層凈輻射的影響

全生育期，M處理的冠層上方凈輻射值（n）低于NM處理，兩者之間存在顯著線性關(guān)系（<0.001），2014年M處理的n為NM處理的90.0%，2015年為94.6% （圖1），2 a平均使n降低7.7%。M處理的冠層下方凈輻射值（n-down）也低于NM處理，兩者之間存在顯著線性關(guān)系（<0.001），2014年M處理的n-down為NM處理的64.3%，2015年為67.7%（圖2），2 a平均使n-down降低34.0%。然而，M處理冠層上方和下方的凈輻射差值，即冠層吸收的凈輻射值（nc），高于NM處理，兩者之間存在顯著線性關(guān)系（<0.001），2014年M處理的nc為NM處理的1.12倍，2015年為1.16倍（圖3），2 a平均使nc提高14.0%。

n和n-down的降低與覆膜引起的反射率提高有關(guān)，而兩者的降低直接對(duì)應(yīng)冠層ET和冠下s的可供能量減少，從而導(dǎo)致ET和s的降低[15]。覆膜引起n-down降低量比n降低量更多，因而nc提高。而nc的提高還與覆膜條件下LAI較高，對(duì)n的吸收量增加有關(guān)。nc的提高可能引起冠層蒸騰的增加[12]。

圖1 2014和2015年生長(zhǎng)季覆膜與不覆膜處理（M與NM）玉米冠層上方凈輻射（Rn）的比較

圖2 2014和2015年生長(zhǎng)季覆膜與不覆膜處理（M與NM）玉米冠層下方凈輻射（Rn-down）的比較

圖3 2014和2015年生長(zhǎng)季覆膜與不覆膜處理（M與NM）玉米冠層吸收凈輻射（Rnc）的比較

2.2 覆膜處理對(duì)玉米田土壤蒸發(fā)和作物蒸騰的影響

全生育期，M處理s顯著低于NM處理，所有處理的s均呈現(xiàn)出苗期高、成熟期低的趨勢(shì)（圖4）。從苗期到抽穗期葉面積逐漸覆蓋地面，到達(dá)地表的可供能量降低，因此s降低。圖4中給出了生育期降雨量（P）的分布，可見(jiàn)，2014年7月中旬連續(xù)陰雨，累計(jì)降雨量達(dá)103.1 mm，該部分降雨并不能為作物充分利用，而2015年生育期總降雨量盡管比2014年低，但較均勻地分布在各個(gè)生育期，能較好地被作物利用。因此盡管2014與2015年降雨量總量差別較大，但對(duì)作物的影響差別并不大。從圖4還可看出覆膜使降雨后的s顯著降低，而土壤水分較低時(shí)，M與NM處理的s差別不大。2014、2015年生育期M處理的s分別在0.06～1.40和0.05～1.54 mm/d之間波動(dòng)，2 a平均值分別為0.38和0.39 mm/d；NM處理的s在0.18~2.21和0.06～2.30 mm/d之間波動(dòng)，2 a平均值分別為0.71和0.70 mm/d。M和NM處理的土壤蒸發(fā)總量2014年分別為58.8和108.8 mm，2015年分別為60.0和107.6 mm。

圖4 2014和2015年生長(zhǎng)季覆膜與不覆膜（M與NM）處理玉米田實(shí)測(cè)土壤蒸發(fā)（Es）的季節(jié)變化規(guī)律

2014年M處理土壤蒸發(fā)僅為NM處理的54.6%，2015年為55.9%，M處理土壤蒸發(fā)與NM處理土壤蒸發(fā)之間線性回歸直線的斜率和截距2014年和2015年之間無(wú)顯著差異，M處理土壤蒸發(fā)僅為NM處理的55.3%（圖5），覆膜可以使2 a土壤蒸發(fā)平均降低44.7%，即少蒸發(fā)46.0 mm，約等于一次灌水量，該部分水量可能被作物用于保持較高的冠層導(dǎo)度[28]，進(jìn)而有可能提高產(chǎn)量。覆膜導(dǎo)致土壤蒸騰降低的比例與王罕博等在山西半濕潤(rùn)偏稈旱區(qū)覆膜夏玉米耗水研究中報(bào)道的比例（57.7%）相當(dāng)[16]。

圖5 2014和2015年生長(zhǎng)季覆膜與不覆膜（M與NM）處理土壤蒸發(fā)（Es）的比較

采用包裹式液流計(jì)測(cè)定了拔節(jié)至成熟期的液流量，經(jīng)尺度轉(zhuǎn)換（式（2））得到農(nóng)田蒸騰量。

抽穗灌漿至成熟期間玉米田的水分消耗以作物蒸騰為主，2014年M和NM處理的日最大蒸騰量分別為7.03和6.51 m/d；2015年分別為6.57和6.11 mm/d（圖6），而同時(shí)期田間土壤蒸發(fā)量較低，M和NM處理的s分別在1 mm/d和2 mm/d以下（圖4）。2 a綜合來(lái)看，生育旺季M處理作物蒸騰為NM處理的1.06倍（圖7），即覆膜可以使2 a作物蒸騰平均提高6%，作物蒸騰量的提高與較高的冠層氣孔導(dǎo)度有關(guān)，氣孔導(dǎo)度較高時(shí)，也利于CO2的進(jìn)入，即提高作物光合速率，進(jìn)而有利于提高產(chǎn) 量[29-30]。

圖6 2014和2015年生育中期覆膜與不覆膜處理（M與NM）玉米田實(shí)測(cè)作物蒸騰（Tr）的季節(jié)變化規(guī)律

圖7 2014和2015年生育中期覆膜與不覆膜（M與NM）處理作物蒸騰（Tr）的比較

2.3 采用修正的雙作物系數(shù)法確定全生育期玉米ET

2.2節(jié)中由于液流計(jì)探頭限制，只能對(duì)滿足一定莖粗的玉米進(jìn)行測(cè)定，因此無(wú)法測(cè)得全生育期的蒸騰量。本研究對(duì)生育中期的cb進(jìn)行修正后，考慮覆膜導(dǎo)致的生育期提前，根據(jù)生育初期和末期的FAO推薦值，確定了全生育期的cb，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全生育期r的估算。結(jié)合實(shí)測(cè)的s，確定了2014和2015年2個(gè)生長(zhǎng)季玉米田ET季節(jié)變化（圖8）及r和s的累積值及其占ET的比例（圖9）。

M和NM處理的ET具有相同的季節(jié)變化規(guī)律（圖8a和c），2014和2015年全生育期M和NM處理的均值分別為3.06和3.23 mm/d以及2.68和2.79 mm/d。2014和2015年M處理ET分別是NM處理的95.2%和96.6%（圖8b和d）。不同生育階段M和NM處理的大小關(guān)系不同，覆膜使生育初期（苗期和拔節(jié)前期）和末期（成熟期）的ET比不覆膜處理降低較多，而生育中期（抽穗- 灌漿期）M和NM處理ET差別不大，且有某些日期M處理ET高于NM處理（圖8a和c），這主要是由于覆膜處理使生育中期的r提高較多導(dǎo)致。張海林等在半濕潤(rùn)地區(qū)秸稈覆蓋玉米的研究中也發(fā)現(xiàn)生育期不同階段覆蓋的效應(yīng)不同，即覆蓋使生育前期耗水少，后期耗水量增加[30]，與本研究結(jié)果類似。

圖8 2014和2015年生長(zhǎng)季覆膜與不覆膜（M與NM）處理玉米田蒸發(fā)蒸騰量（ET）的季節(jié)變化規(guī)律

對(duì)于全生育期累積值，2 a生育期M處理r比NM處理r平均提高7.8%，其中2014年，M處理生育期r為412.5 mm，比NM處理r（389.4 mm）高5.9%（圖9a）；2015年M（353.5 mm）比NM（322.4 mm）高9.6%（圖9c）。然而，M處理全生育期ET總量比NM處理則略有降低，2a平均低4.6%。其中，2014年，M處理生育期ET為471.3 mm，比NM處理ET（497.4 mm）低5.2%，2015年，M處理生育期ET為413.4 mm，比NM處理ET（430.0 mm）低3.9%。本研究中M處理ET總量與日均值與其他研究中覆膜玉米田的ET相當(dāng)[14, 31]，明顯低于不覆膜玉米的ET的文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)據(jù)[32]。M處理ET的降低主要是s降低所致。覆膜能顯著降低全生育期s占ET的比例（s/ET），而相應(yīng)的提高r所占比例（r/ET，圖9b和d）。2014和2015年M處理s/ET為12.5%和14.5%，而NM處理該比例高達(dá)21.7%～25.0%；2014和2015年M處理r/ET為85.5%和87.5%，而NM處理該比例則為75.0%和78.3%。本研究M和NM處理s/ET分別與其他研究的非覆蓋玉米田該比例（26.0％和30.3％）[33-34]和覆膜玉米田該比例相當(dāng)（10.1％）[14]。

圖9 2014和2015年生長(zhǎng)季覆膜和不覆膜（M和NM）處理下玉米田ET及土壤蒸發(fā)（Es）和作物蒸騰（Tr）所占比例

綜上所述，水、N肥供應(yīng)充足狀態(tài)下，覆膜使農(nóng)田ET總量降低3.9%~5.2%，且對(duì)ET在s和r之間的分配影響顯著，即覆膜可以顯著降低s和提高r，從而使水分消耗向增加作物產(chǎn)量的方向分配，該結(jié)果與Fan等在西北覆膜玉米的研究結(jié)論基本一致[15]。

2.4 覆膜對(duì)玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

覆膜較顯著影響了玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分利用效率（<0.1）。除2014年最大葉面積指數(shù)處理間差異不顯著外（=0.11），覆膜條件下，成熟期玉米株高、地表20 cm高度處莖粗、生物量、最大葉面積指數(shù)、產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）均較顯著高于不覆膜處理（<0.1），2014年分別提高7.1%、5.8%、4.8%、1.7%、5.9%和12.0%，2015年分別提高5.4%、8.8%、6.9%、2.2%、8.8%和13.1%（表4）。

表4 2014和2015年生長(zhǎng)季覆膜和不覆膜（M和NM）處理玉米田生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量和水分利用效率比較

注：不同小寫(xiě)字母表示0.05處理間差異顯著，不同大寫(xiě)字母表示值介于0.05~0.1之間，處理間差異較顯著。

Notes: Different lower-case and upper-case letters in the table indicate statistically significant differences at<0.05 and<0.1, respectively.

許多研究表明，覆膜不僅減少了土壤蒸發(fā)的水分消耗，而且還通過(guò)增加土壤溫度和控制雜草來(lái)促進(jìn)作物生長(zhǎng)，從而提高作物產(chǎn)量[15, 35]。產(chǎn)量增加可歸因于覆膜條件下根系生長(zhǎng)狀況改善及水分和養(yǎng)分吸收能力的提高[8]、土壤表層肥力水平的提高[6]和作物蒸騰的增加[30]。本研究中沒(méi)有對(duì)地下部分，包括根系生長(zhǎng)狀況及土壤肥力等因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而對(duì)作物水分消耗的測(cè)定表明覆膜使作物蒸騰提高，與作物產(chǎn)量提高有關(guān)，加之覆膜使土壤蒸發(fā)降低，田間ET總量降低，最終使WUE提高。

3 結(jié) 論

2 a試驗(yàn)表明覆膜處理對(duì)冠層輻射能量分配、田間水分消耗、作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響如下：

1）降低了冠層上方凈輻射，從而減少了蒸發(fā)蒸騰可供能量，大幅降低了冠層下方凈輻射，降低了土壤蒸發(fā)可供能量，增加了冠層凈輻射吸收量用于作物蒸騰。

2）小幅度降低蒸發(fā)蒸騰總量4.6%，而對(duì)其在土壤蒸發(fā)和作物蒸騰之間的分配影響顯著，即覆膜可以顯著降低土壤蒸發(fā)量和提高作物蒸騰，從而使水分消耗向增加作物產(chǎn)量的方向分配。

3）提高了成熟期玉米株高、地表20 cm高度處莖粗、生物量和最大葉面積、最終使產(chǎn)量提高5.9%～8.8%，水分利用效率提高12.0%～13.1%。

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Analysis of water saving and yield increasing mechanism in maize field with drip irrigation under film mulching based on transpiration estimated by sap flow meter

Zhang Yanqun1, Wang Jiandong1※, Gong Shihong1, Xu Di1, Sui Juan1,2, Wu Zhongdong3

(1.100048,; 2100871,; 3.255049,)

Determine evapotranspiration (ET) and its components is important for us to understand the influence of mulching on filed water consumption, to develop precision irrigation scheduling and to improve water use efficiency in the field. In this study, the net radiation, field soil evaporation and crop transpiration, crop growth and yield of film mulching (M) and non-mulching (NM) maize fields were measured in a continuous 2 years field experiment in the drip irrigation with mulching area of ??Northeast China. Net radiation was measured by two net radiometers in the center of every representative plot of the M and NM treatments at height of 50 cm above the canopy adjusted with the increase of plant height and 30 cm above ground. Soil evaporation was measured by micro-lysimeters made from polyvinyl chloride (PVC) tubes and it was weighed every day. Transpiration during the middle and late growth period was measured and scaled up from the sap flow rates. Transpiration of the whole growth period were calculated the by using the dual crop coefficient method with the adjusted medium-term basal crop coefficient from the FAO-56 manual. The medium-term basal crop coefficient were adjusted with the measured transpiration. The results showed that: The net radiation above the canopy of M treatment reduced by 7.7%, i.e. the energy available for evapotranspiration reduced. The net radiation under the canopy of M treatment reduced by 34.0%, i.e. the energy available for soil evaporation (s) reduced. However, the net radiation absorption by the canopy of M treatment increased by 14.0% for crop transpiration (r). The film mulching could reduce the total amounts of evapotranspiration by 3.9%-5.2%. ET of M was 471.3mm in 2014, which was 5.2% lower than that of NM treatment (497.4 mm). In 2015, ET of M was 413.4 mm, 3.9% lower than that of NM treatment (430.0 mm). The film mulching had a significant effect on the water consumption distribution betweensandr. Totalsof the whole growth stage for M and NM treatments were 58.8 and 108.8 mm in 2014, 60.0 and 107.6 mm in 2015. Plastic mulching decreasedsby 44.7% and increasedrby 7.8% in this area for the two years, comparing to those of NM treatments.The ratios ofsto ET in 2014 and 2015 were 12.5%-14.5% for the M treatment, and which were up to 21.7%-25.0% for the NM treatment. The ratios ofrto ET were 85.5%-87.5% and 75%-78.3% for M and NM treatments, respectively. The plant height of maize, the stem diameter at 20 cm height above the ground, biomass at the maturity stage and the maximum leaf area index of treatment M were significantly higher than those of treatment NM by 7.1%, 5.8%, 4.8% and 1.7% in 2014 and 5.4%, 8.8%, 6.9% and 2.2% in 2015. The yield of M treatment increased by 5.9%-8.8%, and water use efficiency increased by 12.0%-13.1%. In summary, the film mulching reduced the total amount of ET in maize field by changing the canopy radiation energy distribution, and finally enhanced the plant growth, increased grain yield and water use efficiency in maize field with drip irrigation in this area.

evapotranspiration; evaporation; transpiration; soil moisture; film mulching; drip irrigation; yield; water use efficiency

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.011

S161.4

A

1002-6819(2018)-21-0089-09

2017-09-11

2018-09-14

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題（2014BAD12B05）；中國(guó)水科院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（ID0145B602017）

張彥群，博士，高級(jí)工程師，主要從事農(nóng)田水循環(huán)與水資源高效利用研究。Email：zhangyq@iwhr.com

王建東，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事節(jié)水灌溉原理與技術(shù)研究。Email：wangjd@iwhr.com

張彥群，王建東，龔時(shí)宏，許 迪，隋 娟，吳忠東. 基于液流計(jì)估測(cè)蒸騰分析覆膜滴灌玉米節(jié)水增產(chǎn)機(jī)理 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(21)：89－97. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.011 http://www.tcsae.org

Zhang Yanqun, Wang Jiandong, Gong Shihong, Xu Di, Sui Juan, Wu Zhongdong.Analysis of water saving and yield increasing mechanism in maize field with drip irrigation under film mulching based on transpiration estimated by sap flow meter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 89－97. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.011 http://www.tcsae.org