基于大型称重式蒸渗仪研究北疆滴灌麦田蒸散量
李杰1, 吴杨焕2, 陈锐1, 杨平1, 柴顺喜1, 崔静1, 马富裕1,*
1石河子大学农学院 / 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室, 新疆石河子 832003
2新疆生产建设兵团农六师农科所, 新疆五家渠 831300

第一作者联系方式: E-mail: lj880902@126.com

摘要

基于大型称重式蒸渗仪研究了北疆地区滴灌冬小麦不同时段(生育阶段、日、时)的农田水分蒸散特征, 分析了气温、相对湿度、风速等因子对农田水分蒸散的影响及产量和蒸散的关系, 旨在为北疆地区滴灌冬小麦的灌溉制度制定提供理论依据。3个灌水处理分别为全生育期灌溉375、600和750 mm。结果表明, 在滴灌冬小麦全生育期内日蒸散量为抽穗-乳熟>拔节-抽穗>乳熟-成熟>返青-拔节>播种-越冬>越冬-返青; 在一天中, 滴灌冬小麦农田水分蒸散主要发生在8:00-20:00, 夜间20:00-8:00蒸散量较小且比较稳定, 时蒸散量随天气变化而改变。滴灌条件下, 冬小麦的棵间蒸发量占农田水分蒸散的25.2%~28.3%。棵间蒸发与土壤含水率和叶面积指数具有良好的二元二次模拟关系, 拟合系数为0.98。综合产量和水分利用效率, 滴灌冬小麦的蒸散量为600~650 mm。本研究对合理制定滴灌冬小麦的灌溉制度具有重要的参考价值。

关键词: 滴灌; 冬小麦; 农田水分蒸散; 棵间蒸发
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, MA Fu-Yu1,*
1 Agricultural College, Shihezi University / Key Laboratory of Oasis Eco-agriculture of Xinjiang Production Construction Corps, Shihezi 832000, China
2 Sixth Division Agricultural Science of Xinjiang Production and Construction Corps, Wujiaqu 831300, China
Abstract

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.

Keyword: Drip-irrigated; Winter wheat; Evapotranspiration; Evaporation

新疆地处西北干旱地区, 受地理环境的限制淡水资源匮乏严重影响新疆农业的发展, 近年来随着全球气候变化及水资源的不合理开发利用, 导致淡水资源紧缺, 严重影响农业的发展[1, 2]。如何利用有限的水资源, 提高农作物产量和水分利用效率是推广发展旱作节水増粮技术的关键[3], 许多学者在农业节水技术等[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]方面做了大量工作。滴灌技术作为当前最先进的工程化节水技术已在世界各国广泛推广应用, 其灌水量少且灌溉频率高, 可根据作物需水需肥规律将水分和养分均匀持续地输送到植株根部, 最大限度地降低了土壤水分的深层渗漏和其他无效途径的用水浪费, 且能形成一定的农田小气候, 可有效缓解水资源不足与农业用水利用率不高的矛盾[12]

新疆是中国粮食生产后备耕地资源区。滴灌冬小麦的种植模式已在新疆适宜种植区全面推广, 滴灌冬小麦较常规灌溉种植节水1500~2500 m3 hm-2, 另外, 由于滴灌改变麦田根区供水方式, 改善了小麦根系特征与水分利用效率之间的关系, 增产效果明显[13]。国内外许多学者已对滴灌春小麦的耗水规律、农田蒸散特征、作物产量的关系、测定仪器、测定方法等积累了一定的研究成果[14, 15]。但关于滴灌条件下冬小麦农田水分蒸散特征、耗水规律及水分管理的精准化仍缺少有力的支持理论。因此研究冬小麦农田水分蒸散特征, 了解蒸散动态过程, 将对灌溉水资源优化配置、提高水分利用效率有着极其重要意义。目前, 国内外采用的计算蒸散的方法很多, 但需要对其结果进行适当校正, 由于蒸渗仪测定蒸散的精度较高(一般可达0.01~0.02 mm), 因而已成为测定蒸散的标准试验仪器[16, 17], 可用于校正和比较其他方法所获得的数据, 尽管蒸渗仪内外在热量和水分方面存在差异, 如0~20 cm土层地温的资料显示, 器内比器外高约5.4%, 但其蒸散规律、蒸散过程对周围农田有较好的代表性[18]

自20世纪90年代以来, 人们利用蒸渗仪进行了大量蒸散测定试验, 但是针对新疆北部地区滴灌模式下农田水分蒸散的研究却鲜有报道。探索本区滴灌模式下冬小麦的农田水分蒸散特征有助于缓解水资源不足与农业用水利用率不高的矛盾。本研究基于大型称重式蒸渗仪对北疆地区滴管模式下冬小麦蒸散规律展开研究, 旨在探明滴灌条件下冬小麦农田蒸散规律及其影响因素, 探求其作物因素、土壤水分和气象因素与蒸散之间的关系, 以期为北疆地区农田水分管理提供依据, 为北疆地区滴灌作物及其气候和种植模式相似地区需水规律的确定提供科学依据和理论基础, 并为发展高效节水农业提供参考。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

石河子大学节水灌溉试验站(45º 19' N, 86º 03' E, 海拔440 m)平均年降雨量为154 mm, 年均气温7℃, 无霜130~170 d, ≥ 10℃积温2800~3700℃。试验区在1 m深土层内土壤质地为沙壤土, 0~60 cm土层土壤含有机质21.78 mg kg-1、碱解氮61.0 mg kg-1、速效磷25.26 mg kg-1、速效钾194.0 mg kg-1, pH 7.62。

试验气象数据由石河子气象局气象观测站提供, 该站与石河子大学农学院田间试验站的直线距离为500 m, 自动监测小麦整个生育期内每日的风速、气温、湿度、土壤温度、相对湿度等。

1.2 试验设计

供试冬小麦品种为新冬43(新疆农垦科学院选育)。播种期分别为2013年9月25日和2014年9月30日, 收获期为2013年6月28日和2015年6月27日。播种密度均为450万粒 hm-2, 播种行距为15 cm。全生育期施基肥尿素(N质量分数≥ 46%) 150 kg hm-2, 磷酸二铵(P2O5质量分数≥ 48%) 250 kg hm-2, 分别于冬前、返青前、拔节期、抽穗期追施尿素75 kg hm-2。试验期间其他管理措施与当地农田相同。

按随机区组设计, 试验小区面积为5 m × 8 m = 40 m2, 重复3次。设置3个灌溉定额处理, 分别375 (D1)、600 (D2)和750 mm (D3), 通过水表控制滴灌量, 冬小麦整个生育时期灌水10次。两年度D1、D2和D3处理均在播种期(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)分别滴灌越冬水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, 每次灌水量分别为35、56和69 mm。

采用北京绿源公司生产的515型内镶式滴灌带, 滴头间距20 cm, 滴头流量3.2 L h-1, 滴管带间距为60 cm, 一条滴灌带灌溉4行小麦。各处理间设1 m隔离带, 为了防止水分侧渗, 各处理间均埋有1 m深防渗膜隔开。试验小区安装有体积为2.0 m × 2.0 m × 2.3 m (长× 宽× 高)的大型原状土自动称重渗漏式蒸渗仪系统(西安碧水环境新技术有限公司造)自动获取农田蒸发蒸腾量数据, 测量精度为0.05 mm, 每小时自动采集一次数据。

1.3 田间水分蒸发特征测定方法

1.3.1 棵间蒸发量测定 采用置于小麦行间的小型棵间蒸发器测定棵间蒸发, 设每处理4个规格相同的棵间蒸发器, 距离滴管带15 cm和30 cm各2个, 取其测定的平均值作为各处理的测定值。小型棵间蒸发器(Micro-1ysimeter)由外桶(直径110 mm, 高200 mm, 不封底)和内桶(内径90 mm, 高200 mm, 壁厚2 mm)两部分组成, 材料为聚氯乙烯(PVC)管。外桶是固定的, 内桶可取出, 为使桶内土壤水分与大田一致, 在小麦种植后, 将外桶和内桶分别垂直放入试验区, 并使其顶面与地面齐平, 减少对内桶土壤的扰动, 使其与田间的土壤尽量保持一致。为保证Micro-1ysimeter内的土体水分含量和结构同大田相似, 降雨或灌溉后立即换土, 用小型蒸发器测定棵间蒸发的换土最短时间频率是3~5 d [19]。用精度0.01 kg的电子天平称重, 得到单位时间内的棵间蒸发量, 即E = Δ Wr2 (E为棵间蒸发; Δ W为单位时间内小型棵间蒸渗桶的重量差值, 可以直接通过称量获得; r为小型棵间蒸渗桶的内径)。

1.3.2 农田蒸发蒸腾量获取 采用建于田间的大型称重式蒸渗仪来测定, 其测定田间蒸散量的有效面积为4 m2, 该系统主要包括土体系统、称质量系统、供排水系统和数据采集系统, 自动采集储存数据, 采集步长为1 h, 精度为0.05 mm。

1.3.3 土壤水分数据采集 利用采集器5ET (Decagon Device Inc. Washington State, USA)来获得蒸渗仪和试验小区土壤水分数据, 测定步长一天一次, 测定土壤深度分别为0~20、20~40和40~60 cm。

1.4 叶面积指数及产量相关性状测定

1.4.1 叶面积指数 每隔7 d, 采用Li-3100 (LI-COR Inc, Lincoln, NE, USA)叶面积仪测定样本的总叶面积, 再根据取样面积计算叶面积指数。

1.4.2 考种测产 成熟期每小区取2 m2典型样方, 收获后室内考种。测定样方的单位面积穗数、穗粒数、千粒重, 并计算产量。

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2007进行数据计算和归一化处理; 用SPSS 17.0软件进行方差分析, 采用LSD法多重比较; OriginPro8.5绘图。

2 结果与分析
2.1 不同天气条件下的蒸散特征

可以从微观角度理解蒸散的动态过程, 真实地定量反映特定天气条件下一定群体生物量蒸散量。利用大型称重式蒸渗仪的实测值, 可以精确地刻画出滴灌冬小麦一昼夜内不同时段的蒸散量变化趋势。在抽穗至乳熟期, 选取具有代表性的2014年5月26日(晴天)、5月30日(多云)、6月2日(阴天)测定蒸散特征, 不同天气状况的间隔时间很短, 可认为不同天气下具有相同的群体冠层特征, 本结果可近似真实反映冬小麦群体耗水量最大阶段不同天气条件下的蒸散特征。从图1可以看出, 不同天气条件下日内的时蒸散变化不同, 晴天日变化曲线为单峰型, 峰值出现在14:00, 多云和阴天日变化曲线为多峰型; 尽管不同天气的时蒸散日变化波形不同, 但总体上看时蒸散的日变化一般从8:00开始增大, 13:00至16:00达到最大值, 随后逐渐减小, 20:00以后在0.1 mm以下, 并在零附近波动, 之后变化起伏较小。滴灌冬小麦时蒸散规律与当天的大气温度变化规律相同, 时蒸散量随气温的变化而同步波动。滴灌冬小麦田的蒸散量晴天为8.0 mm d-1左右, 多云与阴天的蒸散量分别为5.0 mm d-1和3.7 mm d-1左右, 夜间为0~0.3 mm d-1, 波动较小且比较稳定。

图1 不同天气冬小麦田时蒸散量(2013-2014)
测定日期分别为2014年5月26日(晴)、5月31日(多云)和6月2日(阴)。
Fig. 1 Hourly evapotranspiration of winter wheat field under different weather conditions (2013-2014)
The dates for measurement were May 26 (sunny), May 31 (overcast), and June 2 (cloudy), 2014.

2.2 各生育阶段蒸散特征

全生育期滴灌冬小麦生育阶段间蒸散量动态变化呈抛物线形状, 各阶段蒸散量年季间差异不明显(图2)。冬小麦返青后, 不同水分处理间的蒸散强度是D3 > D2 > D1的趋势。播种至越冬和越冬至返青阶段, 3个处理间蒸散强度没有明显差异(P > 0.05), 返青开始至成熟, 3个处理间的蒸散强度差异显著(P < 0.05)。两年度3个灌水处理的蒸散强度在抽穗至乳熟阶段最大, 拔节至抽穗阶段次之, 这两阶段为水分敏感时期, 应该保证水分的充足供应。越冬至返青阶段蒸散强度最小, 耗水量最小。在整个生育期, 作物蒸散量随灌溉量的增加而增加, 处理间差异显著, 以D3处理蒸散量最大, 为2.63~2.66 mm d-1, 比D2高出16.8%~17.2%, 比D1高68.4%~74.2%。

图2 冬小麦各生育阶段的日蒸散量
S: 播种; O: 越冬; R: 返青; E: 拔节; H: 抽穗; MR: 乳熟; M: 成熟; WGS: 全生育期。
Fig. 2 Intensity of evapotranspiration in various growth stages of winter wheat
S: sowing; O: overwinter; R: regreeing; E: elongation; H: heading; MR: milk ripening; M: matunity; WGS: whole growth stage.

2.3 棵间土壤蒸发量特征

播种至越冬阶段3个处理灌水量相同, 在此阶段的棵间蒸发量和耗水量的年际间差异较小, 阶段棵间蒸发量占此阶段总耗水量的74.7%~79.5% (表1), 该阶段棵间蒸发量占耗水量的比例较大, 这与冬前小麦体较小、田间蒸散基本属裸土蒸发为主有着密切的关系。越冬至返青阶段由于气温下降, 作物进入休眠状态, 蒸腾速率降低, 土壤表层消冻交替使此阶段田间水分耗散仍以棵间蒸发为主, 此期棵间蒸发量占耗水量的68.2%~79.7%。返青开始后大气温度升高, 小麦地上部分迅速生长, 叶面积指数逐渐增大, 棵间土壤蒸发相应减少, 农田蒸散由棵间蒸发为主逐渐转变为以作物蒸腾为主。3个处理在返青至拔节阶段棵间蒸发量分别占耗水量的比例为28.9%~29.2%、39.6%~41.1%和41.8%~43.1%, 处理间差异明显; 拔节至抽穗阶段棵间蒸发量占耗水量的15.6%~16.9%、18.8%~20.7%和19.7%~20.9%, 各处理的棵间蒸发量占阶段耗水量的比例明显减小, 处理间差异不显著; 在抽穗至乳熟阶段, 3个处理的棵间蒸发量比例降到最小, 分别为8.1%~8.6%、9.8%~11.5%和11.6%~12.0%, 处理间差异不明显。进入乳熟期后冬小麦叶片开始衰老、变黄、变干, 作物蒸腾降低, 棵间土壤蒸发较前一阶段略有增大的趋势, D1、D2和D3分别增加6.4%~11.2%、10.2%~ 15.1%和12.5%~15.3%。从两年度小麦全生育期来看, 滴灌条件下冬小麦棵间蒸发量为107.5~201.2 mm, 蒸散总量为425.9~733.2 mm, 棵间土壤蒸发总量占总蒸散量的25.2%~28.3%。

表1 不同灌水处理小麦阶段棵间蒸发量占阶段耗水量的比例 Table 1 Ratios of soil evaporation to water consumption during wheat growing period under different drip-irrigation treatments
2.4 不同灌量处理土壤水分变化

各处理在0~20 cm土层土壤水分含量在灌溉前后变化剧烈, D3为17%~28%, D2为17%~27%, D1为15%~24%, 灌溉后各处理土壤含水量迅速增大且均能完全恢复到原来水平, 处理间变化趋势相似。在20~40 cm土层, 各处理的土壤含水量均有所下降, 灌溉前后土壤含水率整体趋于平缓且波动较小, 在播种后210~240 d灌溉后土壤含水量不能恢复到原来水平, 说明在这一阶段0~20 cm土层土壤含水量不能保证作物生长, 20~40 cm土层水分供给作物生长。在40~60 cm土层, 各处理土壤含水量在灌溉前后波动较小, 基本趋于稳定状态, 土壤水分变化分别为13%~15% (D1)、14%~17% (D2)和19%~23% (D3), 仅D3处理能够恢复到灌溉前水平, 说明随着深度增加土壤含水量变化幅度减小(图3)。年度间不同处理的土壤水分含量具有相似变化规律。

图3 小麦返青后不同处理土壤水分变化过程Fig. 3 Changes of volumetric soil water content of different treatments after regreening stage of wheat

2.5 土壤含水量和叶面积对棵间蒸发的影响

滴灌冬小麦棵间蒸发与表层土壤含水量(θ v)和叶面积指数(LAI)之间具有良好的相关性[20]。棵间蒸发随着表层土壤含水量的增加而增大, 土壤湿度越大, 棵间蒸发越大。当表层土壤含水量升高时, 土壤蒸发增大, 当表层土壤含水量降低时, 土壤蒸发降低。作物冠层主要是通过截留到达作物棵间地面的太阳净辐射来影响土壤蒸发的。随着冠层覆盖度的增加, 到达地面的太阳净辐射减小, 棵间蒸发减小, 即棵间蒸发随叶面积指数的增加而减小。根据两年度测定结果回归模拟分析, 得到土壤蒸发值(E)与叶面积指数(LAI)、表层土壤含水量(θ v)的回归方程E= -1.12 + 0.11θ v + 0.17LAI + 8.06 × 10-4θ v2 + 1.9 × 10-2LAI2 - 2.2 × 10-2θ v× LAI (R2= 0.98)。该方程在与本试验气候环境和种植模式相似区域有参考价值, 用于描述土壤蒸发和叶面积指数、土层含水量的关系。

2.6 环境因子对农田蒸散量的影响

为了消除冠层覆盖度和土壤含水量对农田水分蒸散的影响, 图4给出了叶面积指数在1.5~3.0之间且土壤表层(0~20 cm)体积含水量大于15%时农田水分蒸散与风速、气温和相对湿度的关系。可以看出, 北疆地区滴灌冬小麦农田水分蒸散量随大气温度增大呈指数增长趋势, 随风速增大呈先增大后降低的二次曲线变化趋势, 随空气相对湿度增大呈指数下降趋势; 当空气相对湿度大于50%、风速大于4 m s-1时, 蒸散随之降低。

ET = aebAT   (1)

ET = aWS2 + bWS + c   (2)

ET = ae-bRH   (3)

式中, ET为农田水分蒸散量(mm d-1), AT为大气温度(℃), WS为风速(m s-1), RH为空气相对湿度(%), a、b、c为常数。

图4 农田水分蒸散(ET)与气温(AT)、风速(WS)、相对湿度(RH)的关系Fig. 4 Relationship of evapotranspiration (ET) with air temperature (AT), wind speed (WS), and relative humidity (RH)

2.7 产量、水分利用效率与蒸散量关系

作物产量与灌溉量呈非线性关系, 灌溉量增加到一定程度后, 作物产量缓慢增加甚至降低。两年度数据显示蒸散量(ET)与产量(Y)呈现抛物线关系(图5), 其回归方程为Y= -0.021ET2 + 34.61ET - 3011.42 (R2= 0.978)。对该曲线求导, 得到产量最大值, Y= 11 523.05 kg hm-2时, 其对应的蒸散量是823.8 mm。

图5还显示, 水分利用效率(WUE)随蒸散量(ET)的增加而减小, 当蒸散量达到一定值之后, 水分利用效率减小缓慢且趋于稳定, 呈二次抛物线关系。

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

对曲线进行微分得到WUE-ET的顶点为(165.80 mm, 1.97 kg m-2), 取得最大水分利用效率的蒸散量与取得最高产量的最大蒸散量并不一致, 只有产量与水分利用效率达到最优时才能达到节水灌溉的目的。由拟合曲线可知, 产量和水分利用效率交汇点的蒸散量在620 mm左右(图5)。

图5 冬小麦产量(Y)、水分利用效率(WUE)与田间蒸散量(ET)变化关系Fig. 5 Relationship of evapotranspiration (ET) with winter wheat yield (Y) and water use efficiency (WUE)

3 讨论

农田水分蒸散在农田水量平衡和能量平衡计算中占有重要地位, 农田灌溉管理、作物产量估计及土壤水分预报等许多问题都与蒸发蒸腾量紧密相关, 分析滴灌作物农田水分蒸散和棵间蒸发机制及其影响因素, 可促进滴灌作物对水分利用效率的提高。根据2013— 2015年北疆地区大型称重式蒸渗仪的麦田蒸散测定结果, 结合冬小麦全生育期的气象因子, 北疆地区滴灌冬小麦农田的时蒸散、日蒸散、生育期蒸散、棵间蒸发、产量和水分利用效率。就时蒸散来看, 农田水分蒸散强度随天气的变化而变化, 不同天气条件下蒸散强度的波形不同, 在晴天表现为单峰曲线, 在多云和阴天为多峰曲线; 但在整个昼夜内, 不论是晴天、多云或者阴天农田水分蒸散主要发生在8:00-20:00之间, 在20:00-8:00间基本没有蒸散或蒸散量接近于零。在本地区晴天时蒸散量最大值出现在13:00-16:00之间, 在其他区域一般11:00-14:00最大[21], 这可能是本区地处西北内陆干旱地区, 与其他区域具有时差原因所致。这将有助于对本区滴灌作物蒸散机制的理解。对3个处理各生育阶段的日蒸散量而言, 在返青前没有差异, 返青后出现明显差异。这可能由于播种至返青阶段麦苗较小, 叶面积指数差异不明显, 各处理间植株蒸腾没有差异, 同时这一时期本区温度较低, 大部分时间温度都在0℃以下, 土壤冻结, 各处理间土壤蒸发较小且没有差异所致。而从返青期开始, 随着温度升高, 土壤冻结消融, 且随灌水量的增加作物长势不同, 叶面积指数出现显著差异。就全生育期蒸散强度而言, 抽穗至乳熟阶段最大, 拔节至抽穗阶段次之, 越冬至返青阶段最小, 其他时期介于二者之间, 说明抽穗至乳熟和拔节至抽穗两阶段阶段是滴灌冬小麦需水的关键时期, 应保证水分的充分供应, 这与梁文清等[22]的研究结果一致。

棵间蒸发作为农田水分蒸散的重要组成部分, 不参与产量的形成, 因此减少棵间土壤蒸发对提高冬小麦水分利用效率、节约灌溉用水具有十分重要的作用。本试验3个滴灌处理的棵间蒸发占农田水分蒸散的比值为25.2%~28.3%, 明显低于常规灌溉[23], 这可能是滴灌属于局部灌溉, 不会使土壤表层全部湿润所致, 滴灌使棵间无效水分蒸发降低, 使水分利用效率得到提高。尽管滴灌冬小麦棵间蒸发占总蒸散量比例低于常规灌溉, 但滴灌冬小麦棵间蒸发随表层土壤含水量的增加而增大, 土壤表层越湿润, 棵间蒸发越大。因此认为, 在满足作物正常生长的前期下, 采用长周期、大灌量的模式可以抑制棵间蒸发, 减少无效水分浪费。与传统灌溉相比, 在滴灌条件下, 土壤水分变化主要发生在0~40 cm的土层, 40 cm土层以下基本没有变化且不会发生深层渗漏现象。大型称重式蒸渗仪实测结果, D1、D2和D3处理两年度的蒸散量分别425.9~427.4、613.1~620.4和711.3~733.2 mm; 通过对产量、水分利用效率和蒸散量的模拟, 可知使产量和水分效率达到最优时的蒸散量介于600~650 mm之间。

作物蒸散不仅与生育期有关, 同时受生态系统、多种环境因子和气象因子共同制约, 除叶面积指数[24]、气孔导度[25]等生物因子[26], 还包括太阳辐射、土壤含水量、空气相对湿度、气温等非生物环境因子。不同区域的环境因子和非环境因子对当地的农田蒸散影响明显, 北疆地区滴灌冬小麦农田生态蒸散变化特征是各种环境因子相互作用的结果, 农田水分蒸散与气温、相对湿度和风速等气象因子呈现出一定的函数关系。在本区农田水分蒸散随大气温度的升高呈指数函数增加, 与风速呈二次函数关系, 随相对湿度的升高呈指数函数降低, 这可能是由于风速改变空气动力学阻力而影响蒸散过程, 这与Farahani等[27]的研究结果一致。然而, 当风速大于一定值, 在北疆地区通常伴随着空气温度下降, 从而蒸散减少。而空气中水汽在一定范围内有利于蒸散过程的发生。然当空气相对湿度持续增加时, 蒸发表面与其临近空气的水汽压差将降低, 导致蒸散过程的驱动力下降, 蒸散呈降低趋势。

4 结论

北疆地区滴灌麦田的耗水量为600~650 mm, 棵间土壤蒸发占总蒸散量的25.2%~28.3%。滴灌冬小麦在抽穗至乳熟阶段为需水敏感期, 应确保该阶段的水分供应。滴灌冬小麦农田蒸散与气象因素有密切的关系, 蒸散与气温和相对湿度呈指数关系, 与气温呈正相关, 与相对湿度呈负相关, 与风速呈二次曲线关系。构建了试验区滴灌冬小麦棵间蒸发量(E)与表层土壤含水率(θ v)和叶面积指数(LAI)曲线模型, E= -1.12 + 0.11θ v+ 0.17LAI + 8.06 × 10-4θ v2 + 1.9 × 10-2LAI2 - 2.2 × 10-2θ v× LAI, 其决定系数达0.98。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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