內蒙古通遼膜下滴灌玉米棵間蒸發量SIMDual_Kc模型模擬

李瑞平，趙靖丹，史海濱，王 寧，戚迎龍，馮亞陽，賈 瓊

0 引 言

內蒙古通遼地區是內蒙古自治區的糧食主產區，地處中緯度，位于內蒙古東北部地區，屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候，隨著國家節水增糧行動計劃的實施，農業用水量卻逐年增加，局部地區地下水超采現象日益嚴重，水資源短缺已嚴重制約了該地區農業生產的可持續發展，迫切需要更新改造落后的農田灌溉設施，提高水資源的利用效率。滴灌是一種根據作物需水需肥規律通過滴灌系統將水分和養分緩慢、均勻、定時、定量地輸送到植株根部的先進灌水技術，具有降低土壤水分深層滲漏的優勢，能夠改善農田小氣候環境和提高農業水資源利用率[1]。覆膜栽培種植技術是干旱半干旱地區大力推廣的一種農藝技術，具有一定的節水效果，能夠促進作物前期生長、延長作物中期生長、延緩冠層衰老的作用[2]。覆膜滴灌技術是將作物覆膜栽培種植技術與滴灌技術集成為一體的高效節水、增產、增效技術，對于內蒙古東北部地區，覆膜滴灌技術可以提高作物生育前期積溫不足和隨水施肥的問題。

覆膜滴灌影響土壤溫度及土壤含水率的變化[3-6]。如曹玉軍等[5]針對吉林省松原地區覆膜滴灌對土壤水分和溫度變化問題進行了研究，得出膜下滴灌使玉米苗期至拔節期5～25 cm土層溫度提高約2.8 ℃；謝夏玲等[6]針對甘肅武威內陸性荒漠生態區玉米膜下滴灌土壤溫度的變化規律進行了研究，發現隨灌溉定額增大，膜下滴灌的各層土壤溫度減?。荒は碌喂嗤ㄟ^改變土壤水熱變化，可以促進作物的生長[7-8]，如張振華等[8]針對甘肅民勤沙漠綠洲灌區棉花和玉米需水量變化規律進行了研究，表明膜下滴灌改善了作物根系層上部的水熱條件，進而對作物上層根系的生長有促進作用；關于膜下滴灌具有增產效果的相關研究也很多[4,9]，如康靜[9]在內蒙古半干旱區進行了覆膜滴灌技術試驗研究，得出膜下滴灌的玉米產量比無膜滴灌提高10%。

綜上，膜下滴灌的研究區域較多集中在中國西北干旱或半干旱地區，而對于內蒙古東北部地區也僅僅是膜下滴灌增溫[5]、增產[9]效應研究。相對于傳統干旱區域，內蒙古東北部地區糧食作物（玉米）的種植在地理氣候、水土資源條件等方面存在顯著差異，針對該地區玉米膜下滴灌節水增產機制的系統性研究缺乏可借鑒的成果。隨著節水增糧行動計劃的落實，亟需深入了解該地區膜下滴灌玉米節水增產的內在機理。

農田蒸散包括作物蒸騰（T）和植株之間的土壤蒸發（E），是 SPAC系統中重要的水交換過程[10-11]，減少作物生長過程中的無效耗水——棵間土壤蒸發，需要定量確定土壤蒸發E和植株蒸騰T。稱重式蒸滲儀和微型蒸滲儀可以用來測定作物生長過程中的E和T[12-16]。但是微型蒸滲儀的測量精度可能受到各種因素的影響[17]，大型稱重式蒸滲儀雖然測量精度較高、操作簡單、可以連續測量，但是設備昂貴，大多數單位少有。近年來，趙娜娜等[18-22]運用SIMDual Kc模型模擬了不同地區的不同作物（植被）的蒸發蒸騰量，均取得了較為理想的結果。如閆世程[22]針對西北半干旱地區采用SIMDual Kc模型對夏玉米滴灌土壤蒸騰和土壤蒸發規律進行了研究，表明不同水分處理的蒸發占比為24.1%～28.7%。

膜下滴灌改變了棵間蒸發和作物蒸騰的田間微氣象和土壤邊界條件[23]，農田節水的一項重要研究內容就是減少田間的土壤蒸發損失[24]。因此需要定量分析內蒙古東北部地區膜下滴灌玉米土壤棵間蒸發與作物蒸騰及其所占比例與無膜滴灌有何不同，從而全面揭示膜下滴灌的節水增產機制。然而目前國內外對于運用SIMDual Kc模型模擬膜下滴灌條件下作物蒸發蒸騰量的研究較少，特別是針對內蒙古東北部地區的研究更少。

因此，本文通過內蒙古通遼地區連續開展2 a的田間試驗，探討雙作物系數SIMDual_Kc模型在內蒙古東北部地區模擬土壤蒸發的適用性，并通過模型模擬試驗區土壤含水率、土壤棵間蒸發及作物系數變化趨勢，確定覆膜與無膜滴灌玉米每個生育期棵間土壤蒸發占玉米騰發量的比例，為深入了解玉米膜下滴灌節水增產的內在機理，指導內蒙古東北部地區節水增糧行動計劃實施和膜下滴灌玉米生產實踐提供技術理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在通遼市科左中旗腰林毛都鎮南塔拉營子試驗站進行，地處東經 123°32′，北緯 44°32′，海拔高度 178 m。降水年內分配不均，年際變化大，春季4月—5月降水為30～70 mm，占全年的9%～16%，夏季6月—9月，降水集中，平均為150～250 mm，占全年降水的50%～70%，10月降水減少，只有15～30 mm，占全年降水的5%～10%。試驗區土壤以壤土為主，其物理性質如表1所示。

1.2 試驗設計

試驗于2014年和2015年的5月—9月進行，試驗設置覆膜滴灌與無膜滴灌的高、中、低水共 6個處理，控制依據為土壤含水率占田持的百分比。中水上、下限的設定根據文獻[11]，具體措施如下表2所示。采用寬窄行種植玉米，即窄行行距為35 cm，寬行行距為85 cm，每條滴灌帶灌溉2行玉米，滴灌帶間距為1.2 m，每個處理均為3條滴灌帶、寬為3.6 m、長為60 m、面積為216 m2，3個重復。覆膜處理是對2行玉米進行覆膜，覆膜寬度為70 cm，具體局部布置見圖1。

表2 試驗設計Table 2 Experimental design

圖1 玉米種植與滴灌TDR管田間布置Fig.1 Field layout of TDR for drip irrigation and maize planting

試驗玉米品種采用當地農民使用的京科968，地膜為普通白色地膜，厚度為0.008 mm。采用一體化農機播種施基肥，N施用量72 kg/hm2，P2O5施用量105 kg/hm2，K2O施用量60 kg/hm2，追肥采用水肥一體化施肥罐，分3次追施尿素共計168 kg/hm2。種植密度64 500～66 000株/hm2。滴頭設計流量3 L/h，設計工作壓力0.1 MPa，滴頭采用貼片式，滴頭間距30 cm。

1.3 觀測內容與方法

1）氣象要素

采用 HOBOU30型小型農田氣象自動監測站（美國Onset公司），電腦定期采集氣象數據，監測項目包括大氣壓強、地溫、氣溫、降雨量、相對濕度、露點溫度等。

2）土壤含水率

土壤含水率的監測采用TDR管和烘干法相結合的方式，使用德國生產的TRIME-PICO-IPH TDR土壤水分測量儀測定土壤含水率之前要對此儀器進行校核。從播種期開始每7d測定土壤含水率1次，灌水前后、降雨后分別加測土壤含水率，每個關鍵生育期測量土壤生育期含水率。各處理在剖面上土壤含水率測定的深度為100 cm，分為5層（間隔20 cm）。

滴灌條件下的土壤含水率變化比較復雜，針對不同水處理，在其寬窄行的橫斷面上布置5根TDR管，用來監測橫斷面上含水率的變化趨勢，TDR管布置如圖1所示。

3）棵間蒸發量

采用自動棵間土壤蒸發器（北京時域通科技有限公司）與自制棵間蒸發器進行測定。文獻[25]對不同材質規格制作的微型蒸發器進行比選，本文基于比選出的蒸發器作為自制蒸發桶的參考。在無膜與覆膜中水處理各布置1個自動棵間蒸發器，共2個，設定為每1 h采集1次蒸發量數據。此設備直徑200 mm，高250 mm，主要由土柱、外桶、稱質量裝置組成。在無膜與覆膜高、中、低水處理各布置1個自制微型棵間蒸發器，共6個，此裝置用PVC管制成，由內外筒組成，內筒直徑110 mm，外筒直徑125 mm，高為100 mm，每日16:00使用精度為0.1 g的電子秤定時稱質量，為了保證試驗數據的準確性，每4～5d換土1次，灌后與雨后及時換土。無膜與覆膜布置相似，以覆膜處理為例，如圖 2所示，蒸發器外邊緣相切于滴灌帶方向的苗間與垂直于滴灌帶方向的膜側交點位置。

圖2 覆膜處理棵間土壤蒸發器布置Fig.2 Layout of soil evaporator for film mulching treatment

4）玉米生長發育指標

每個生育期用卷尺測量玉米株高和葉面積，拔節期株高是測量地面到葉片自然伸展時的最高處，抽雄后測量地面到雄穗頂端的高度；葉面積是通過測量從葉尖到葉基的長度與離葉基1/3處的寬度計算得到。

1.4 SIMDual_Kc模型簡介

SIMDual_Kc模型是典型的基于雙作物系數理論開發的計算作物蒸散量的模型[26]。輸入數據包括氣象數據、土壤數據、作物數據、灌水數據。氣象數據有最高氣溫、最低氣溫、相對濕度和風速等，土壤數據有田間持水量、凋萎系數、土壤干容重等，作物數據有地面覆蓋度、株高、各生育期起止日期，灌水數據有灌水定額、灌水日期等。

1.5 模型率定檢驗指標

SIMDual_Kc模型中的關鍵參數基礎作物系數（basal crop coefficient，Kcb）、土壤水分消耗比率（soil water consumption ratio，p）和蒸發層深度（depth of evaporation layer，Ze）需要率定。方法是將Rosa等[26]給出的參考值作為初始值，然后通過反復試驗與糾錯修正Kcb與p值，直到率定后的Kcb與p值能使土壤含水率實測值與模擬值的相對誤差小于10%。

為了檢驗模型模擬效果，根據文獻[27-28]計算回歸系數（coefficient of regression，b）、決定系數（coefficient of determination，R2）、均方根誤差（root mean square error，RMSE），作為模型率定與檢驗的指標，若b和R2越接近1，RMSE越接近0時，則模擬效果越好，表明SIMDualKc可以適用于所研究的地區。

2 結果與分析

2.1 SIMDual_Kc模型參數率定及驗證

用2014年田間實測土壤含水率的數據進行雙作物系數SIMDual_Kc模型參數的率定，然后再用2015年的數據來驗證，結果如圖3所示。

注：*，P<0.05. b為回歸系數。Note: *, P<0.05. b is regression coefficient.

圖3為無膜和覆膜情況下，2014年與2015年模型模擬土壤含水率的率定與驗證結果。從圖中可以看出土壤含水率的模擬值與實測值之間擬合度較好。無膜處理2014年與2015年的回歸系數b為0.98與1.02，決定系數 R2為 0.85與 0.90，且均方根誤差 RMSE為 1.0%和0.8%。覆膜處理2014年與2015年的回歸系數b為1.01與1.03，決定系數R2為0.91與0.86，且差RMSE為0.6%和 1.0%，模擬值與實測值誤差較小。從而說明模型可以很好地模擬當地土壤含水率的變化情況，可以用來預測無膜與覆膜處理土壤含水率的變化趨勢。校正后的參數見表3。

土壤含水率在降雨時變化較為明顯，2014年與2015年生育期前期的5月中旬有連續強降雨，所以其預測含水率值有短暫超出田間持水量的現象。除了降雨，灌溉也會對含水率的變化有所影響，但是由于滴灌是局部灌溉，且所研究的處理為中水處理，其灌水上限沒有達到田間持水量，所以其含水率值在灌后只是接近田持而沒有達到田持。但覆膜處理降雨后的含水率值較無膜處理低，說明覆膜在一定程度上會阻隔雨水滲入土壤。從圖中也可以發現，覆膜處理含水率的模擬值較無膜處理大，說明覆膜在一定程度上能起到保墑的作用。

2.2 滴灌玉米棵間蒸發量模擬

2.2.1 作物系數變化規律

在Simdual_Kc模型經過驗證的基礎上，利用模型模擬了2014年和2015年基礎作物系數Kcb及其修正值Kcbadj和土壤蒸發系數Ke變化規律（圖4）。

表3 作物系數及土壤參數的初始值與率定值Table 3 Initial and calibrated values of crop coefficient and soil parameter

圖4 不同處理基礎作物系數Kcb及其修正值Kcbadj和土壤蒸發系數Ke的變化規律Fig.4 Variation of crop coefficient Kcb and its adjustment Kcbadj and soil evaporation coefficient Ke for different treatments

對于無膜處理（圖4a和圖4b），2014年與2015年生育期前期有連續降雨，且處于生長初期的玉米根系較淺，所以其Kcb與Kcbadj非常接近，土壤中有充足的水分可以滿足玉米的生長，沒有水分脅迫的發生。在生育期初期，土壤蒸發系數Ke處于全生育期的高峰值，進一步證明在土壤沒有被作物覆蓋或覆蓋率很小時，土壤蒸發占主導地位。進入玉米發育期后，2014年6月上旬雖然有降雨，但雨量較少，基本都為無效降雨，玉米水分供給不充足，發生輕微的水分脅迫，在有灌水的6月12日，才恢復不受水分脅迫的狀態。2015年6月下旬降雨較少，無法滿足玉米的蒸發蒸騰，出現水分脅迫。土壤蒸發系數Ke隨降雨和灌水發生起伏，在降雨和灌溉后，Ke值變大，但明顯低于作物生長初期時Ke的變化值。在玉米生長中期，作物轉入生殖生長和營養生長，需水達到峰值，主要以植株蒸騰為主。2014年7月上旬和下旬降雨較少且無灌溉，導致作物缺水，發生水分脅迫，但在灌溉后，水分脅迫狀況有所緩解。2015年玉米生長中期灌溉充分，基本沒有水分脅迫的發生。在此時，土壤蒸發系數Ke達到了全生育期的最低值，說明在植株發育旺盛時期，葉片在一定程度上隔絕了土壤與大氣之間的接觸，使得土壤蒸發對作物的蒸騰蒸發影響較小。進入玉米生長末期到收割時，2014年和2015年由于降雨和灌溉較充足，沒有發生水分脅迫，但土壤蒸發系數Ke又有所增加，這是由于生育期末期，植株葉片枯萎發黃，土壤暴露在大氣中的面積增大，土壤蒸發量也變大。

圖4c和圖4d為覆膜滴灌2014年和2015年Kcb、Kcbadj和土壤蒸發系數Ke變化規律模擬結果，與無膜處理相同，2014年與2015年生育期前期有連續降雨，雖然覆膜對降雨有一定的截流作用，但是處于生長初期的玉米根系較淺，降雨可從膜側進入到作物根部，所以其Kcbadj與基礎Kcb非常接近，土壤中有充足的水分可以滿足玉米的生長，沒有水分脅迫的發生。在生育期初期，土壤Ke處于全生育期的高峰值，但是由于覆膜作用，Ke較無膜處理低，說明覆膜在一定程度上可以降低土壤棵間蒸發量，但是無法徹底隔絕土壤與大氣接觸。進入玉米發育期后，2014年有降雨和一定量的灌水，無水分脅迫。2015年6月下旬降雨較少，無法滿足玉米的蒸發蒸騰，出現短暫的水分脅迫，在6月22日灌溉后水分脅迫狀態消失。2015年土壤Ke在作物發育期前期很低，這可能是由于這個階段的氣溫較低且多為陰天，所以使得Ke值變小。但在2014年作物發育期前期，由于氣溫回升且有一定的降雨，所以Ke雖有所降低，但降低幅度較2015年低。在玉米生長中期，作物轉入生殖生長和營養生長，需水達到峰值，主要以植株蒸騰為主。在此階段，2014年有灌水且灌水較為集中，所以基本沒有水分脅迫的發生。2015年7月上旬無降雨與灌溉，造成水分脅迫的發生。在此時，土壤蒸發系數Ke較低，與無膜處理變化趨勢一致，且低于無膜處理。

2.2.2 棵間土壤蒸發及其比例的模擬

利用雙作物系數SIMDual_Kc模型推求得出 Kcbadj和土壤Ke，可以進一步得出棵間土壤蒸發量E與作物葉面騰發量T，進而可以計算作物不同生育期內棵間土壤蒸發量占作物騰發量比例（E/ET）。表4為2014年模型模擬值和2015年模型模擬值與實測值的結果比較。2015年對比結果表明，玉米生育期前期及末期實測E/ET值接近于模型模擬值，在中期（抽絲吐雄期和灌漿期）有所誤差，但是整個生育期實測值和模擬值誤差較小。

從2 a的模擬結果（表4）可以發現，對于無膜處理，2014年與2015年玉米各個生育階段棵間土壤蒸發量與葉面蒸騰量變化趨勢一致，在無植被覆蓋的生育期初期，棵間蒸發量最大，特別是苗期所占比例達 85%以上，隨著玉米的生長，植被覆蓋率增加，玉米的葉面積指數增大，棵間土壤蒸發量逐漸變小，灌漿期僅占8%，但在成熟期，玉米葉片枯萎發黃，玉米遮蓋率降低，使得棵間蒸發量又有所上升，達到 20%左右。而葉面蒸騰變化過程與棵間土壤蒸發變化相反，玉米生長中期，植株發育達到旺盛時期。2014年與2015年整個生育期內無膜滴灌棵間蒸發占作物騰發量比例（E/ET）分別為 26.15%和27.23%。

對于覆膜處理，2014年與2015年玉米各個生育階段棵間土壤蒸發量與葉面蒸騰量變化趨勢與無膜滴灌一致，均表現為棵間蒸發前期較大，中期達到最低，生育期末期棵間土壤蒸發量又有所回升。2014年與2015年整個生育期內覆膜滴灌棵間蒸發占作物騰發量比例（E/ET）分別為19.85%和20.29%。

表4 不同處理各生育階段土壤蒸發E及其占ET之比Table 4 Soil evaporation E and its proportion in ET of each growth stage for different treatments

由表 4也可以看出，雖然覆膜滴灌與無膜滴灌在玉米全生育期棵間土壤蒸發變化趨勢基本一致，但是由于地膜的覆蓋，每個生育期覆膜滴灌的棵間土壤蒸發量均小于無膜滴灌的棵間土壤蒸發量，如苗期覆膜滴灌 2014年和2015年棵間蒸發量均為1.56 mm/d，而無膜處理則為2.05和2.51 mm/d，成熟期覆膜處理的日棵間蒸發量只有0.23～0.29 mm/d，而無膜處理則是0.33～0.44 mm/d，全生育期覆膜處理日棵間蒸發量0.67～0.70 mm/d，而無膜處理是0.92～0.95 mm/d。主要是由于覆膜對土壤水分擴散進入大氣具有阻礙作用，導致作物的無效耗水減少。同時可以看出，無膜處理棵間日蒸發量波動幅度大（1.67～2.18 mm/d），而覆膜處理棵間日蒸發量相對較小（1.33～1.27 mm/d）。因此說明覆膜可以有效降低作物棵間蒸發量，減少作物無效耗水，具有節水的潛力，這與王建東等[23]研究結果一致。

3 討 論

玉米覆膜滴灌和無膜滴灌與傳統管灌比較，具有明顯的增產效果和較高的水分利用效率[29]，在內蒙古東北部地區和整個東北地區滴灌是一種比較好的灌水方式。但是目前散戶經營方式下覆膜與無膜滴灌均增加了投入，主要為播種、旋耕等田間耕作費和滴灌帶、地膜等材料費投入，覆膜還會增加殘膜回收費用。有時還存在放苗的問題，試驗中采取人工放苗，費時費力。另外覆膜回收不徹底造成了一些土壤污染問題，如果推廣使用降解膜又會導致投入成本增加[30]，因此需要進一步研究經濟實用的覆膜耕作技術。其次東北地區覆膜與不覆膜相比較，增產效果不如西北干旱半干旱地區的傳統灌溉農業區顯著，特別是對于內蒙古東北部地區年均降雨量大于300 mm的大田玉米種植區，是否覆膜還有待于進一步研究。最后，推廣大田玉米覆膜與無膜滴灌的長效運行機制問題，由于農戶受既得利益思想影響，且玉米價格未知，不愿意增加投入。總的來說，大田玉米滴灌技術是對傳統節水增產技術的提升和創新，是目前節水增產的高效灌溉方式之一，在全球水資源日趨緊張、保障糧食安全的情況下，未來應該具有較好的應用前景，但是在生產應用中仍存在不少深層次理論和技術問題有待于深入研究，以便能夠開發研制、改革創新適合中國國情的大田玉米滴灌技術。本研究針對內蒙古東北部地區得出無膜滴灌玉米的土壤蒸發量占蒸散量的比例為 27%左右，其中生育初期所占比例較大，與閆世程等[22]在西北干旱地區的結論接近。

4 結 論

采用2014年和2015年內蒙古東北部地區滴灌玉米田間試驗數據，對雙作物系數SIMDual_Kc模型進行了參數率定和驗證，并采用模型模擬分析了覆膜與無膜滴灌玉米土壤棵間蒸發量的變化規律，得出以下結論：

1）雙作物系數模型SIMDual_Kc模擬內蒙古東北部地區滴灌玉米的土壤含水率，與實測值的回歸系數 b接近于 1.0、決定系數 R2在 0.85～0.91之間、均方根誤差RMSE≤1.0%，表明在該地區具有較好的適用性。

2）利用雙作物系數模型SIMDual_Kc估算出覆膜與無膜處理基礎作物系數。覆膜滴灌生育初期、中期和后期的基礎作物系數分別為0.15、1.05與0.4。無膜滴灌生育初期、中期和后期的基礎作物系數分別為 0.15、1與0.4。

3）根據雙作物系數模型SIMDual_Kc模擬了玉米棵間蒸發量占作物騰發量的比例，生育初期和末期的棵間蒸發量所占比例較大，其余階段相對較??；2014年和2015年無膜滴灌比例分別為26.15%和27.23%，覆膜滴灌比例分別為19.85%和20.29%，說明地表覆膜，特別是生育前期覆膜能夠有效地減少作物棵間蒸發量，降低水分消耗，具有節水的潛在優勢。

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