基于雙作物系數法的干旱區覆膜農田耗水及水量平衡分析

文冶強，楊 健，尚松浩※

（1. 清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084；2. 中國農業大學中國農業水問題研究中心，北京 100083）

基于雙作物系數法的干旱區覆膜農田耗水及水量平衡分析

文冶強1，楊 健2，尚松浩1※

（1. 清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084；2. 中國農業大學中國農業水問題研究中心，北京 100083）

農田覆膜技術應用廣泛，覆膜條件下農田蒸散發（ET）規律是制定合理灌溉制度、提高用水效率的基礎。根據2014—2015年甘肅省石羊河流域春小麥試驗觀測資料率定和驗證農田水量平衡模型，利用雙作物系數法得到作物的耗水規律和耗水結構。結果表明，覆膜春小麥全生育期耗水比不覆膜減少 1 0%～16%，有一定的節水效果。覆膜促進了春小麥全生育期蒸騰，蒸騰占總耗水的比例在70%～74%之間，比不覆膜情況提高了25%～27%。在春小麥生長前期，覆膜能夠顯著降低ET；中期，覆膜能夠降低土壤蒸發、促進作物蒸騰。此外，覆膜還具有促進作物前期生長、延長作物中期生長、延緩冠層衰老的作用。

作物；蒸散發；模型；雙作物系數；覆膜；春小麥；水量平衡；干旱區

0 引 言

西北干旱、半干旱地區水資源短缺，供需矛盾突出，是中國缺水情況最嚴重的地區之一，嚴重影響社會經濟發展[1]。在該地區水分虧缺是春小麥等農作物生長發育最主要的限制因素之一，并直接導致作物產量減少。因此，在水量缺少的條件下，合理地計劃和安排有限的灌溉用水，提高灌溉水利用效率對于保證糧食安全、提高經濟效益有重要影響[2]。Cooper等[3]早在1987年就指出，在水分虧缺的條件下，提高水分利用效率（water use efficiency，WUE）最有效的辦法是調整土壤蒸發（E）和作物蒸騰（T）之間的比例關系。在小麥的生長過程中，作物蒸騰往往只占到蒸散發（evapotranspiration，ET）的30%～60%[4]。而一般認為覆膜技術能夠調整E和T之間的關系，并提高WUE。研究覆膜條件下的作物ET和作物系數Kc對于理解覆膜作物耗水過程、合理分配灌溉用水具有重要意義。

關于覆膜對作物耗水、生長及產量的影響，國內外學者已開展了一些研究工作。Li等[5]研究了透明塑料覆膜對春小麥產量的影響，發現覆膜具有保溫、保濕以及提高產量的效果；馬忠明[6]研究了有限灌溉條件下的穴播地膜春小麥產量的影響機制，指出覆膜能夠減少用水、提高WUE；Li等[7]通過渦度相關方法研究了覆膜春小麥的ET和Kc，發現該地區覆膜條件下春小麥的Kc大于FAO-56提供的參數；Shrestha等[8]利用雙作物系數法研究了亞熱帶地區覆膜藤蔓作物的基礎作物系數（Kcb），并指出FAO-56推薦的關于西瓜和辣椒的部分系數的不適用性，普遍高估了E，浪費了較多的灌溉用水。

由于覆膜對土壤蒸發和作物蒸騰有不同的影響，因此需要采用合適的雙源蒸散發模型來分析覆膜條件下的蒸發和蒸騰。常用的雙源蒸散發模型包括分層模型（如Shuttleworth-Wallace模型[9]）、分塊模型（如N95模型[10]）和混合模型[11-12]，但這些模型相對比較復雜，計算時需要比較多的輸入參數。FAO推薦的雙作物系數法作為一種能有效分離農作物E和T的方法，計算方法簡單，參數較少，并被證明是一種有效的估算方法[13]。Allen等[14]在FAO-56提供的計算方法基礎上，還擴展了3種計算蒸發的方法來應對一些其他復雜情況，同時提高了計算準確率，進一步增強了雙作物系數法的可靠性。

根據前人的研究，作物的耗水過程受作物種類、當地氣候狀況影響較大，FAO-56推薦的作物系數也不一定適用于特定的研究地區，在此基礎上針對覆膜農田耗水規律及耗水結構的研究相對較少。本文根據位于西北干旱區的石羊河灌區覆膜春小麥田間觀測資料，基于雙作物系數法及農田水量平衡模型研究覆膜對作物耗水規律及耗水結構的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

田間試驗在甘肅武威中國農業大學石羊河試驗站開展，該試驗站位于甘肅省武威市涼州區，地處河西走廊東部，地理位置為102°50＇E、37°52＇N，海拔為1 581 m。該區域屬大陸性溫帶干旱氣候，輻射強烈，農業地區年平均太陽總輻射量5 850～6 690 MJ/(m2·a)；晝夜溫差大，降水稀少，蒸發強烈，多年平均降水量164 mm，多年平均蒸發皿蒸發量為2 000 mm[15]，是典型的荒漠綠洲灌溉農業區。該地區地下水埋深為40～50 m，試驗地區土壤以沙壤土為主，種植作物為春小麥。

1.2 試驗設計

田間試驗于2014—2015年春小麥生長期進行。春小麥品種為永良4號，2014年于3月26日播種（播種量為401.55 kg/hm2），7月24日收獲，總生育期120 d。播種前田間的初始儲水量接近田間持水量，能夠有效保證順利出苗和苗期小麥對水分的需求。

試驗期間共有4次灌水，灌水方式與當地相同，采用畦灌。試驗設30個試驗小區，每個小區規格為5.5 m×7.5 m。30個小區中每6個為1組，其中3個小區做覆膜處理，3個小區做不覆膜處理，并進行5種不同的灌水處理（表1），覆膜因子及水處理因子的兩因素試驗設計為完全隨機試驗。5種灌水處理分別是100%充分供水4次（W1）、100%充分灌水3次（減少1次灌漿期的灌水）（W2）、75%非充分灌水4次（W3）、75%非充分灌水3次（減少1次灌漿期的灌水）（W4）、50%非充分灌水4次（W5）。考慮到50%非充分灌水已經是較低的供水處理，若再缺少 1 次灌水則可能導致作物過度缺失水分而枯萎，因此不再對W5進一步設置減少1次灌水處理。

表1 試驗灌水處理Table 1 Irrigation treatments

試驗采用TRIME-PICO管式TDR系統測定土壤體積含水率，每個小區都布置1個，測定深度為1.6 m，測點垂向間距20 cm，每6～9 d測定1次，遇降雨或灌溉時加測。灌溉水源為地下水，灌溉水量通過水表測量控制。土壤性質通過100 cm3體積的環刀分層測定，測定深度為1.6 m，每1層取3個重復，在作物收獲之后進行。試驗站設有氣象站，能夠測量基礎的氣象數據，如溫度、風速、降雨、相對濕度、太陽輻射等。除此以外，在試驗過程中還會對作物的生長過程進行測定，包括株高等。

1.3 雙作物系數法

作物系數Kc能夠綜合反映作物類型及其生長狀況對蒸散發的影響，可表示為作物蒸散發與參考作物蒸散發的比值[16]。而作物蒸散發包括農田土壤蒸發E和作物蒸騰T兩部分，本研究采用FAO-56推薦的雙作物系數法計算，可表示為

式中ETc為作物蒸散發，mm；ET0為參考作物蒸散發，mm；Kc為作物系數；Kcb為基礎作物系數，表示作物蒸騰情況；Ke為土壤蒸發系數，表示土壤表面的蒸發情況；Ks是水分脅迫系數，表示土壤的供水情況，反映土壤含水不足時作物蒸騰受到的影響。上述數據中，ET0通過Penman-Monteith公式[16]計算得到；Kcb及Ke的計算稍后會詳細介紹；Ks一般與作物的耐旱性質及根系有效儲水量有關，可以通過式（3）中的經驗公式[17]計算

式中W表示根系層土壤儲水量，mm；Wp為根系層凋萎點對應的儲水量，mm；Wj為根系不受水分脅迫時對應的臨界儲水量，mm；n為指數。參數Wj、Wp和n都通過水量平衡模型的率定得到。

1.3.1 基礎作物系數

FAO-56中一般將作物生長劃分為初期、發育、中期以及后期 4 個階段，并推薦了在適中的濕度（相對濕度RHmin=45%）和風速（2 m高處風速u2=2 m/s）條件下不同種類的作物各階段的時間長度及對應的Kcb。對于不同的氣候條件，值大于0.45的參考基礎作物系數（中期階段和后期階段的基礎作物系數Kcb(mid)和Kcb(end)）需要根據濕度、風速及作物高度進行一定的調整

式中 Kcb(tab)表示適中條件下、大于 0 .45的中期或后期的標準基礎作物系數；u2表示相應階段內2 m高處的日平均風速，m/s；RHmin表示對應生長階段內日平均的最小相對濕度，%；h表示對應生長階段內作物平均高度，m。以上數據及參數中，Kcb(tab)是FAO-56的推薦值；u2和RHmin均可從試驗站的氣象站數據中獲得；h則通過試驗過程中的株高測量獲得。

考慮到作物品種、地理條件、氣候條件等，本次研究中不再采用FAO-56推薦的各階段標準基礎作物系數，而是根據農田水量平衡模型和實測含水量對實際的標準基礎作物系數進行率定，以達到更加準確描述土壤蒸發與作物蒸騰過程的目的。

1.3.2 土壤蒸發系數

Ke用于描述作物蒸散發 E Tc中的土壤蒸發部分。在灌溉或降雨之后，通常土壤表層會較濕，此時Ke能達到最大值，但總的Kc不能超過某個限度(Kc(max))；隨著土壤表面水分逐漸減少，Ke也會逐漸減小，甚至為0。一般表示為

式中Kc(max)為降雨或灌溉后Kc的上限；Kr為土壤蒸發衰減系數，用于表示土壤表面水分減少后Ke受到的影響；few是土壤表面暴露和濕潤部分的比例。

FAO-56推薦的Kc(max)計算方法為

式中hmax表示4個生長階段內作物平均高度的最大值，m，通過株高測量獲得。

一般認為，土壤表面蒸發可分為 2 個階段：能量限制階段和水分限制階段。第1個階段內，由于水分充足，因此蒸發衰減系數Kr取為1；第2個階段內，Kr需要根據每日土壤表面的水量平衡進行計算，可表示為

式中 De,i-1表示截止到第 i -1天的累積蒸發深度，mm；TEW表示土壤表層的可蒸發深度，mm；REW表示土壤表面易蒸發的水量，mm。當De,i-1不超過易蒸發深度REW時，即為土壤蒸發的第1階段，Kr=1；當De,i-1達到TEW時，Kr=0。TEW與REW的取值和土壤性質及可蒸發的土壤表面深度有關，根據FAO推薦，本次研究中農田土壤類型為沙壤土，0.10 m深的表層土壤中TEW與REW分別為20和8 mm[16]。

土壤蒸發的有效部分few的取值取決于2方面因素：一方面，隨著作物的生長，作物覆蓋率（fc）逐漸增大，相對應的暴露的可蒸發面積比例（1–fc）會逐漸減小；另一方面，由于灌溉方式的不同，濕潤的土壤表面比例（fw）也有一定差異。而對于覆膜的土壤，few可表示為

上式的fc和fw的取值范圍都在0.01～1之間，本次試驗中采用畦灌的方式灌溉，因此不覆膜情況下fw取為1，在覆膜情況下fw應綜合考慮2方面的因素：通過膜的通氣孔蒸發的部分以及沒有被覆蓋且濕潤的土壤表面蒸發的部分。在本次研究中，試驗區域的農田達到了全覆蓋，因此只考慮通過膜孔的蒸發。一般而言，計算中的通氣孔有效面積是實際通氣孔物理面積的2～4倍，甚至更高。因此，覆膜條件下的fw表達為

式中α和N分別為膜孔有效面積系數和膜孔數量；Ah和Atotal分別表示單個膜孔的面積和覆膜農田總面積，m2。其中，α通過水量平衡模擬率定得到；N和Ah由穴播機播種的穴數及穴孔大小決定，穴孔根據現場觀察取邊長為3 cm的正三角形；Atotal通過面積計算取為41.25 m2。

作物覆蓋率fc的取值與作物的生長情況有關，由下式決定：

式中Kc(min)是無覆蓋條件干燥土壤的最小Kc值；h是作物的平均高度，與公式（4）中h相同，m。

每日的土壤累積蒸發深度De需要通過每日的表層土壤水量平衡計算得到，表達式如下

式中De,i-1和De,i分別表示i–1和i天的土壤表層累積蒸發深度，取值范圍在0～TEW之間，mm；Pi、Ii、Ei、Ri、Tew,i、DPe,i分別表示第i天的降雨、灌溉、土壤蒸發（Ei=Ke·ET0）、土壤表面徑流、表層土壤蒸騰和頂部土壤滲漏損失，mm。其中Pi是氣象數據，通過試驗站的氣象站獲得；Ii為試驗控制變量，如表1所示；Ei則根據前1 d的Ke及ET0計算得到；Ri和Tew,i在研究區一般為0[18]；DPe,i只在土壤儲水量超過持水能力時才會產生，計算公式為

1.4 水量平衡模型

農田水量平衡本質上是描述一段時間內，作物有效根系層內的土壤水補給與消耗的平衡關系。應用該模型的關鍵在于確定模型中各水量要素及要素之間的關系，王會肖等[19]對農田水量平衡模型中的降雨、徑流、土壤水、蒸散發等要素各自的特征及彼此之間的關系進行了比較詳細的論證。尚松浩[20]通過基于 1 套簡單有效的農田水量平衡模擬模型，模擬了非充分灌溉制度下的北京冬小麥的耗水情況。

本次研究中使用的田間水量平衡模型以作物根系層的土壤儲水量為狀態變量，將其他不確定的農田水文要素以土壤儲水量表示出來。由于每日土壤儲水量的動態變化特性，因此模型需要逐步迭代求解，最終計算得到日尺度的田間水文要素變化，也符合雙作物系數法中計算Ke的日尺度需求。

根據上述對農田水量平衡過程的分析，構建如圖1所示的水量平衡模型。農田水量平衡方程的表達式[20]為

式中Wi+1和Wi分別表示第i+1和i時段的土壤儲水量，Pi、Ii和Ri與公式（11）中含義相同，ETi和Qi分別表示第i時段的田間蒸散發以及根系層底部水分交換量，mm。其中，ETi根據雙作物系數法計算；Qi可通過以下經驗公式估算[21]

式中Wf為土壤田間持水量，mm，通過現場剖面取土飽和失水后測得，取值為270 mm；Wc為根系層與底部土壤發生水分交換的臨界水量，mm，主要受土壤性質和地下水埋深影響；a、d為經驗參數。除Wf以外，其余參數均通過模型率定得到。

圖1 農田水量平衡模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of water balance in farmland

1.5 模型參數率定方法

模型中所有未知變量都能夠通過一定的模型或經驗公式估算，并轉變為關于當前儲水量Wi的相關表達式。從初始儲水量W0作為模擬初始值，通過每一階段的初始儲水量Wi，模型能計算出該階段末的儲水量Wi+1，即

式中fj代表需要根據當前儲水量Wi計算的水量平衡分量，pj1、pj2等表示該分量中待率定的參數，ci為與當前儲水量Wi無關的常數項。

通過調整參數，使模型模擬得到的土壤儲水量與實測結果盡可能地貼近，以此達到獲得合理參數的目的。本次研究中采用模擬值與實測值之間的均方根誤差（root mean square error，RMSE）作為模擬好壞程度的指標，RMSE達到最小時對應的參數即為所求參數，即

式中Wobs,ij和Wmodel,ij分別表示第j組試驗的第i個實測的土壤儲水量和對應的模擬值，M表示總試驗組數，m表示每組試驗的實測值總數，p1、p2等表示需要率定的參數。

RMSE的優化通過遺傳算法得以實現。遺傳算法是一種隨機搜索算法，能夠克服局部收斂問題，是一種全局的優化搜索方法[22]，可用于多種情況，如線性、非線性、離散、連續等情況。基于遺傳算法可以計算得到較好模擬情況下的各參數值。

2 結果與分析

2.1 水量平衡模型參數率定及驗證

通過農田水量平衡原理，對覆膜及不覆膜條件下5種灌水處理的作物根系層土壤水分變化進行模擬。模擬過程中，通過試驗獲得的參數包括田間持水量W（f270 mm）、以及各試驗處理的初始含水量W0，其余模型參數則是通過水量平衡模擬率定得到（表2）。其中2014年的試驗資料用于模型率定，2015年的試驗資料用于模型驗證。

根據以上參數進行農田水量平衡模擬，得到不覆膜、覆膜條件下均方根誤差分別為15.03和16.85 mm。兩者的模擬效果整體較好，說明模型及參數可以較好地模擬2014年覆膜、不覆膜條件下的土壤水分動態變化過程。以W1、W3及W5水分處理的實測值和模擬值的對比為例，見圖2。

表2 模型參數取值范圍及率定結果Table 2 Range and calibration results of model parameters

圖2 3種灌水處理（W1、W3和W5）不覆膜及覆膜農田水量平衡模擬結果與實測值的比較（2014年，模型率定期）Fig.2 Comparisons of simulated and observed soil water storage in 1 m soil layer for irrigation treatment W1,W3 and W5 of spring wheat without and with mulch(2014,model calibration period)

進一步基于2015年春小麥的試驗數據，對建立的水量平衡模型進行驗證，模擬得到的不覆膜、覆膜條件下均方根誤差分別為20.56和20.71 mm。圖3為W1、W3及W5水分處理土壤儲水量實測值和模擬值的對比，驗證效果仍較好，因此率定得到的參數及建立的模型是可靠的。

圖3 3種灌水處理（W1、W3和W5）不覆膜及覆膜農田水量平衡模擬結果與實測值的比較（2015年，模型驗證期）Fig.3 Comparisons of simulated and observed soil water storage in 1 m soil layer for irrigation treatment W1,W3 and W5 of spring wheat without and with mulch(2015,model verification period)

2.2 作物耗水過程分析

2.2.1 作物實際耗水比較

根據水量平衡模擬結果，可以得到不同處理下作物實際的總耗水過程。以W1灌水處理為例，覆膜、不覆膜情況下的蒸散發過程見圖4。可以看到，前期覆膜能夠起到較好的節水效果，進入發育階段后，由于表層土壤水分的不足，不覆膜下的ET迅速降低，而覆膜春小麥的ET則相對穩定上升，到中后期，二者的ET接近，不覆膜春小麥的ET略大于覆膜春小麥。

圖4 春小麥蒸散發過程比較(以W1處理為例)Fig.4 Comparison of evapotranspiration processes for spring wheat(a case study of treatment W1)

春小麥耗水與灌溉定額和灌水次數的分布有關（圖5），灌溉定額越大，灌水次數越多，總耗水越大。基于SPSS的最小顯著性差異法（LSD）檢驗發現不同水平的灌水處理間作物的耗水沒有顯著性差異，但5種灌水處理下，覆膜和不覆膜間的耗水呈現極顯著差異（P<0.01），覆膜耗水普遍偏低，分別減少11.00%、10.17%、12.07%、11.81%和15.68%，因此本次試驗中，覆膜起到了較好的節水效果。

圖5 不同灌水處理下春小麥蒸散發比較Fig.5 Comparison of total ET for spring wheat under different irrigation treatments

覆膜與不覆膜各階段時長有所差異（表3），表明覆膜能縮短春小麥初期生長時間，延長中期生長時間。作物各階段的供水（降雨Pr+灌溉I）、耗水量及耗水速率見表4、5、6。

表3 春小麥各生長階段時長Table 3 Duration of different growing stages of spring wheat d

表4 春小麥各生長階段供水Table 4 Water supply in different growing stages of spring wheat mm

覆膜條件下，初始階段（03-26—04-27）的供水完全滿足耗水需求；發育階段（04-28—06-01）除 W1、W2以外，其他灌水處理供水略小于耗水；中期階段（06-02—07-11）W1、W3、W5作物的供水能滿足耗水，W2、W4作物的供水略有不足；后期階段（07-12—07-23）同中期階段相似。總體而言，W1、W3和W5的供水基本能滿足作物耗水（Pr+I－ET為6～148 mm），W2和W4供水會略顯不足（Pr+I－ET為-42～-11 mm）。

表5 春小麥各生長階段耗水Table 5 Evapotranspiration in different growing stages of spring wheat mm

不覆膜條件下，供水不足主要出現在初始階段（03-26—05-04）；發育階段（05-05—06-08）、后期階段（07-09—07-23）的供需關系與覆膜條件下相似；中期階段（06-09—07-08）供水完全滿足耗水需求。相比于覆膜作物，不覆膜條件下供水不足的情況更嚴重，W2、W4和W5作物都出現了嚴重的缺水（Pr+I－ET為-84～-48 mm）。

表6 春小麥各生長階段平均每日耗水Table 6 Mean daily evapotranspiration in different growing stages of spring wheat mm·d-1

整體上看，生長前期，作物耗水速率最低，未覆膜作物耗水速率為2.7 mm/d，覆膜作物耗水速率為1.0 mm/d，兩者具有極顯著差異（P<0.01），覆膜春小麥的耗水量相對減少69.03%。發育階段，覆膜與不覆膜的春小麥耗水速率及耗水量相近，沒有顯著差異，其耗水量約為 108 mm，耗水速率約為3.1 mm/d。生長中期，耗水速率達到或接近峰值，不同條件下蒸散發速率為3.1～4.2 mm/d，其中覆膜作物耗水量較大。后期階段覆膜與不覆膜條件下春小麥耗水量為30～54 mm，兩者的耗水速率基本相近，在3.5 mm/d左右，在此階段W2、W4未覆膜作物耗水速率達到峰值。

就W1、W3、W5三個處理而言，作物各階段耗水量及耗水速率變化過程一致，但隨著灌水量減少，中期和后期的耗水量受到較大的影響，階段耗水量及耗水速率分別減少了2～27 mm及0.1～1.3 mm/d，彼此間差異并不顯著。比較W1、W3、W5與W2、W4中期階段的耗水差異發現，覆膜作物在缺少灌溉條件下（W2、W4）受水分脅迫的影響較小，而未覆膜春小麥中期階段受水分脅迫影響較大，耗水速率相較于覆膜處理分別降低0.5和0.4 mm/d。

2.2.2 作物系數比較

圖6比較了覆膜與不覆膜處理下春小麥基礎作物系數、土壤蒸發系數和作物系數（以W1處理為例）。從圖6a可看出，經過公式（4）調整后，不覆膜條件下初期、中期、后期基礎作物系數分別為0.101、0.739、0.300，覆膜條件下分別為0.150、0.894、0.686。覆膜條件下，基礎作物系數在全生育期都有所提高，因此覆膜顯著提高了春小麥整個生育期蒸騰。此外，覆膜后期基礎作物系數降低緩慢，可見覆膜也具有抗冠層衰老的作用。本次試驗中，在前期，覆膜使春小麥提前7 d左右進入發育階段；在中期，覆膜促進春小麥保持更久的旺盛時期，相較于不覆膜處理延長了近10 d。

圖6 覆膜、不覆膜基礎作物系數、土壤蒸發系數和作物系數比較（以W1處理為例）Fig.6 Comparisons of basal crop coefficient,soil evaporation coefficient and crop coefficient with and without mulch(a case study of treatment W1)

從圖6b發現覆膜在多數時候能夠有效降低土壤蒸發系數Ke，并使Ke相對平穩。從圖6c可以看到，多數時期覆膜的作物系數Kc較小，尤其在前期和中期，Kc明顯降低。并且覆膜有效降低了春小麥全生育期Kc的最大值，覆膜和未覆膜最大Kc分別為1.107和1.214，覆膜條件下相對降低了8.81%。

2.2.3 作物蒸騰及土壤蒸發比較

覆膜、不覆膜條件下蒸發、蒸騰過程見圖7（以W1處理為例）。可以看到，不覆膜作物前期土壤蒸發遠大于作物蒸騰，直到土壤表層水分逐漸減少，在發育階段初期由于表層土壤水分不足，蒸發速率迅速降低至接近于0，并在灌溉水重新補充后恢復了較大的蒸發速率，至中后期由于作物冠層覆蓋面積增大，蒸發速率以相對較低的值波動。而在覆膜時，土壤蒸發速率在整個生育期均處于較低水平，并在發育階段后就遠小于作物蒸騰速率；同時全生育期中的作物蒸騰均大于不覆膜條件下的作物蒸騰。

圖7 覆膜、不覆膜土壤蒸發和作物蒸騰分離比較(以W1處理為例)Fig.7 Separation of evaporation and transpiration with and without mulch(a case study of treatment W1)

覆膜、不覆膜不同灌水處理的蒸發E、蒸騰T見表7。就覆膜的影響來看，覆膜的E和T分別在93～94和220～260 mm之間，不覆膜的E和T分別在196～213和159～186 mm之間，覆膜對E和T均有極顯著的影響（P<0.01），因此覆膜能夠有效減少土壤蒸發，增加作物蒸騰。未覆膜條件下的作物蒸騰量占總耗水的43%～47%左右，Yunusa等[4]指出，在小麥的生長過程中，作物蒸騰往往只占到蒸散發的30%到60%，因此結果是可靠的。而覆膜條件下的T/ET在70%～74%之間，相對于不覆膜提高了25%～27%，并且覆膜及不覆膜的T/ET具有極顯著差異（P<0.01），因此，覆膜顯著提高了全生育期的作物蒸騰比例。

表7 各灌水處理下土壤蒸發量和作物蒸騰量Table 7 Evaporation and transpiration under different irrigation treatments

2.3 農田水量平衡分析

農田水量平衡要素中的土壤水分狀況、根系層底部水分交換量、外界水分供給量如表8 所示。可以看出，部分處理中，根系層底部水分交換量較大，表明在這些處理中從根系層底部向土壤深層滲漏的水量較大，這是由于試驗田初始的土壤儲水量很大，導致前期土壤水滲漏過多，可見，前期過高的土壤水含量容易造成浪費，在耕前灌水時應注意。此外，除去初始和最后的土壤含水量變化，得到的土壤水利用量隨供水增多而減小，甚至為負值，因此，適當的虧缺灌溉能更有效地利用土壤水。

表8 農田水量平衡分析結果Table 8 Water balance components in farmland

3 討論

3.1 覆膜對作物耗水總量的影響

目前覆膜對農田作物耗水總量影響的研究中，多數試驗發現覆膜能夠減少作物的ET。Chakraborty等[23]發現覆膜能夠有效改善表層土壤的水分及溫度條件，從而減少作物生育期總耗水，并減少干旱期土壤水分的波動；Yaghi等[24]研究覆膜及滴灌對黃瓜水分利用效率（WUE）的影響，也發現覆膜能夠降低作物的耗水，從而提升WUE。本研究發現覆膜能夠降低10%～16%的耗水，也表明了覆膜的節水效果，與以上研究結果一致。

但是部分學者也提出，覆膜可能導致更大的耗水。Xie等[25]基于甘肅張掖的春小麥試驗結果，發現全生育期覆膜的春小麥由于有了相對更大的葉面積指數（LAI）進而產生了更高的ET。本研究中覆膜提高了中期階段、后期階段的作物系數，提高了作物的蒸騰量，這也表明，如果作物的中期和后期階段足夠長，覆膜可能導致更大的ET。因而，模型有待進一步在更多干旱區進行驗證，以檢驗覆膜是否依舊能夠減少總耗水；另外，在中后期階段時間較長的情況下，若覆膜作物ET大于不覆膜作物，覆膜是否能夠提升WUE，還有待結合產量模型進一步研究。

3.2 覆膜對作物耗水過程的影響

一般而言，作物耗水過程呈先增大后減小的趨勢，而對覆膜作物而言，侯慧芝等[26]發現覆膜能夠促進春小麥生長前貯存更多水分，供旺盛期生長利用；Xie等[25]指出覆膜的耗水速率在分蘗前相對不覆膜較低，而在分蘗之后則更高。本研究基于模型模擬結果發現，覆膜在前期能夠節約大量水分（69.03%），該階段覆膜具有較好的保濕節水效果。張強等[27]研究了半干旱地區干旱脅迫對春小麥蒸散發的影響，指出春小麥在初期、發育期、中期和后期的需水量分別為0.7、3.0、5.0和2.9 mm/d，與本次研究 W 1處理得到的春小麥耗水速率有一定差異（分別為2.8，3.1，4.2和3.6 mm/d），可能是因為研究地氣候條件、作物品種不同。具體來看，初始階段耗水速率較大，是由于試驗前各農田進行了 1 次灌水，使得初期土壤含水量較大；中期階段耗水速率較低，與春小麥受到的水分脅迫有一定關系；后期階段的耗水速率偏大，與本次試驗中春小麥冠層凋萎速度較慢，以及后期經歷的1場連續降雨有關（連續3日降雨共計30 mm）。

就階段供水及耗水關系而言，覆膜作物水分不足主要出現在發育階段到中期階段，而不覆膜作物的水分不足主要出現在初期階段和發育階段，因此覆膜農田一般在中后期更易缺水，而前期水分的供應則更容易影響不覆膜作物。中后期的缺水往往會使覆膜作物受到更加嚴重的水分脅迫，從而導致產量減少。有研究提出，覆膜時間對于作物耗水及產量有較大影響，杜延軍等[28]研究發現，由于覆膜后期的高耗水，低底墑作物產量顯著下降，甚至低于不覆膜作物，最佳覆膜時間在播種后 6 0 d左右；Li等[5]指出保持較長的覆膜時間是不必要的。因此，為進一步提升覆膜在節水增產上的效果，還需開展多組除膜試驗，并基于除膜試驗數據建立新模型，并結合產量模型，以探究覆膜后除膜對石羊河流域作物耗水及產量的影響。

3.3 覆膜對作物耗水結構的影響

眾多試驗結果發現，覆膜能夠顯著減少土壤蒸發。Li等[29]研究覆膜對中國干旱區域蒸發的影響，發現覆膜能夠降低土壤蒸發，提升土壤水殘留量。本研究發現，就耗水結構而言，如表7所示，覆膜顯著提升了作物蒸騰（61～74 mm），減少土壤蒸發（105～119 mm），從而提升了作物蒸騰比（T/ET），有效調節了作物的耗水結構。此外，覆膜條件下土壤蒸發幾乎不受灌水處理影響，灌溉用水的減少僅僅影響作物的蒸騰量，這是由于覆膜對于土壤表層具有保濕的作用，因此能夠維持穩定的土壤蒸發。李世清等[30]研究了半干旱區春小麥覆膜效果時發現，覆膜能夠有效提高0～20 cm土壤層含水量。可見灌溉用水減少會直接影響相對深處根系層土壤水分，從而影響作物蒸騰。未來研究應考慮結合作物產量模型，分析覆膜改變耗水結構后對WUE及作物產量的影響。

3.4 覆膜對作物系數及生育期的影響

就作物系數而言，FAO-56推薦的相關基礎作物系數分別為0.15、1.10、0.15～0.30[18]，本文研究得到的基礎作物系數中，中期作物系數Kcb(mid)偏低，這可能是因為作物品種、地區氣候等因素導致的差異性，Amayreh等[31]，Shrestha等[8]也得到了相似的結論。就覆膜對作物生育期的影響來看，本研究覆膜在前期促進了作物的生長，中期延長了旺盛階段，后期延緩了冠層衰老。類似地，王俊等[32]在研究地膜覆蓋對土壤水量的影響中發現，覆膜的增溫保墑作用有利于作物前期的生長。Li等[5]在春小麥覆膜的試驗中發現覆膜有效地縮短了春小麥的出苗期。本研究中模型的參數通過2015年數據得到了較好的驗證，還需要在更多的地方應用，以證明作物系數的適用性，并分析影響作物系數變化的主要因素。

3.5 覆膜對農田水量平衡的影響

基于表8，可發現由于初始土壤儲水量過大，前期滲漏也相對較大，因此對覆膜而言，前期大量的水被浪費。基于3.2節的分析可知，前期的缺水對不覆膜影響較大，由于本次試驗中各處理初始含水量都較大，本次試驗覆膜的前期保墑優勢相對不明顯。進一步分析農田總供水量（P+I－ΔW）與總耗水（ET）的關系，ET隨P+I－ΔW的增加均呈現線性增加趨勢，但覆膜條件下的相關性更好，R2達到0.950 2，不覆膜條件下R2為0.846 8。另外，覆膜和不覆膜的斜率分別為0.242 7和0.235 5，覆膜的斜率相對較大，表明在相同供水增量下，覆膜能夠產生更高的蒸散發增量，因此覆膜對單位供水的有效利用率（轉化成ET的比例）相對更高。二者截距分別為221.2和264.9 mm，截距所在點表示作物僅依靠根系層底部水分補給生長所需的基礎水量，覆膜較小的截距表明，覆膜時作物基礎生長條件更低。

4 結 論

1）覆膜能夠有效改變作物的總耗水過程，并具一定的節水、保濕效果。覆膜全生育期耗水比不覆膜情況減少10%～16%，缺水時，能減小作物耗水速率受水分脅迫的影響；

2）覆膜能夠提高作物全生育期的基礎作物系數，并降低了作物系數的峰值；

3）覆膜能促進作物前期生長，延長中期旺盛生長的持續時間，并延緩冠層衰老；

4）覆膜能夠有效調整作物的耗水結構，促進作物蒸騰，減小土壤蒸發，將作物蒸騰量占總耗水比例提升25%～27%。

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Analysis on evapotranspiration and water balance of cropland with plastic mulch in arid region using dual crop coefficient approach

Wen Yeqiang1,Yang Jian2,Shang Songhao1※
(1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2. Center for Agricultural Water Research in China,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

Plastic mulch has been widely used in agricultural production,especially in arid and semiarid regions. The study of crop evapotranspiration and crop coefficient in fields with plastic mulch is the base for irrigation scheduling and improving water use efficiency,especially in Northwest China where water shortage happens frequently. Based on field experiment data of spring wheat in 2014-2015 in the Shiyang River Basin Experiment station in Gansu province,water balance components over the spring wheat field was analyzed using the dual crop coefficient approach for crop evapotranspiration and a field water balance model through calibration and verification. The pattern and structure of water consumption under different irrigation treatment with and without mulch was revealed by simulating the variation of soil water content in the whole growing stage of spring wheat. The results showed that evapotranspiration of spring field with mulch was reduced by 10% to 16% for different irrigation treatment compared with field without mulch,which indicated the effect of water saving for plastic mulch. The plastic mulch attained the optimal effect of saving water at the initial stage and reduced the water consumption by 69.03% in the stage compared to no mulch. At the development stage,the water consumption and its rate was similar for spring wheat with or without mulch. After stepping into mid stage,plastic mulch achieved a similar evapotranspiration rate due to the higher crop transpiration. According to the analysis for water supply and consumption,the water scarcity period was at the mid or late stage for spring wheat with mulch and initial or development stage for spring wheat without mulch. Hence irrigating late properly could be advantage for plastic mulch. In the study,the calibrated basal crop coefficients for initial,mid and late stage were separately 0.101,0.751 and 0.300 for spring wheat without mulch and 0.150,0.900 and 0.700 for spring wheat with mulch. The basal crop coefficient in mid stage was relatively lower in this research compared to the recommended value in FAO-56 due to the difference of variety,district and climate. The larger basal crop coefficient for plastic mulch led to a higher transpiration of spring wheat in the whole stage,which adjusted the structure of evapotranspiration efficiently. The fractions of transpiration to evapotranspiration were 43%-47% and 70%-74% for spring wheat without and with mulch which meant that plastic mulch increased the fraction by 25%-27%.The evaporation was relatively stable for plastic mulch treatment due to the effect of saving moisture of the topsoil layer and limitation of the vent holes. Through the analysis of field water balance,it was seen that amount of soil water was wasted for the exorbitant initial soil water content especially for plastic mulch field. Therefore,the irrigation amount before sowing should be controlled to avoid the waste of water. Moreover,plastic mulch had an effect on influencing the growth of spring wheat. In the previous growth stage,plastic mulch can promote the rate of growth and shorten the initial stage for seven days;while in the middle and late stages,plastic mulch can prolong the length of middle stage for 10 days and delayed canopy senescence.

crops;evapotranspiration;models;dual crop coefficient;plastic mulch;spring wheat;water balance;arid region

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.019

S271

A

1002-6819(2017)-01-0138-10

文冶強，楊 健，尚松浩. 基于雙作物系數法的干旱區覆膜農田耗水及水量平衡分析[J]. 農業工程學報，2017，33(1)：138－147.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.019 http://www.tcsae.org

Wen Yeqiang,Yang Jian,Shang Songhao. Analysis on evapotranspiration and water balance of cropland with plastic mulch in arid region using dual crop coefficient approach[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):138－147.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.019 http://www.tcsae.org

2016-06-08

2016-10-15

國家自然科學基金項目（51279077，51379207）；國家科技支撐計劃課題（2013BAB05B03）。

文冶強，博士生，主要從事農業水文水資源研究。北京 清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，100084。Email：wenyq15@mails.tsinghua.edu.cn

※通信作者：尚松浩，博士，副教授，博士生導師，主要從事農業水文水資源與生態用水研究。北京 清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，100084。Email：shangsh@tsinghua.edu.cn

中國農業工程學會會員：尚松浩（E041200158S）