膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰研究綜述*

張鈺澤, 賈 瓊, 馬龍龍, 王有凱, 劉臻澤, 袁佳琴

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070）

近年來, 隨著我國農(nóng)業(yè)機械化進程的不斷發(fā)展深入, 許多新興的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉種植模式在我國得到了大面積的示范、推廣與應(yīng)用。其中膜下滴灌技術(shù)作為一種新興的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)以其不減產(chǎn)的前提下可以有效節(jié)水而嶄露頭角[1］。膜下滴灌是將滴灌技術(shù)與成本低廉、應(yīng)用效果較好的覆膜技術(shù)二者有效結(jié)合的農(nóng)業(yè)技術(shù)[2］。膜下滴灌可以將水通過滴灌系統(tǒng)使之以滴狀緩慢、均勻、定時、定量地供應(yīng)給作物根區(qū)土壤, 又通過地膜覆蓋減少水分蒸發(fā), 促進作物對根區(qū)水分的直接利用, 有效提高了資源利用率[3］。而膜下滴灌技術(shù)能夠節(jié)水的主要原因是滴灌直接將水滴在作物根區(qū)附近, 減少灌溉水量。同時覆膜可以有效減少土壤棵間蒸發(fā)。研究膜下滴灌的蒸發(fā)蒸騰對膜下滴灌節(jié)水機理的探究具有重要意義。目前對膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰的研究以模型和理論研究為主, 大田試驗大多使用大型稱重式蒸滲儀, 這些方法無法從土壤蒸發(fā)和作物蒸騰兩個方面研究膜下滴灌的蒸散規(guī)律, 不能很好地探究膜下滴灌的節(jié)水機理。文章基于膜下滴灌的發(fā)展, 對蒸發(fā)蒸騰的國內(nèi)外研究進展進行全面綜述, 著重探討膜下滴灌條件下蒸發(fā)蒸騰的測定方法, 以期為膜下滴灌節(jié)水機理的探究實驗提供經(jīng)驗以及方法指導(dǎo)。

1 蒸發(fā)蒸騰測定方法的綜述

1.1 經(jīng)驗公式法

根據(jù)影響蒸發(fā)蒸騰量的諸多因素中選取幾個, 通過實驗數(shù)據(jù)分析得到這些因素與蒸發(fā)蒸騰量的關(guān)系, 進而歸納為相應(yīng)的經(jīng)驗公式。美國學(xué)者布萊斯基和尚茲發(fā)現(xiàn)水面蒸發(fā)量與蒸發(fā)蒸騰量存在關(guān)系, 經(jīng)過研究得到通過水面蒸發(fā)量計算蒸發(fā)蒸騰量公式, 該法僅需水面蒸發(fā)量這一參數(shù), 操作簡單, 精度較高, 但在干旱地區(qū)效果不好[4-5］。Thornthwaite 和Blaney—Crridel 提出了估算蒸發(fā)蒸騰的經(jīng)驗公式, 使用的參數(shù)均為平均溫度值。在后者引入最小相對濕度、風(fēng)速等參數(shù)作為系數(shù)即Blaney—Criddel—FAO 公式, 該法較前者在適用范圍方面有了很大改善, 而且在濕潤地區(qū)結(jié)果僅偏高15%[6］。1974 年Hargreaves 以氣溫為自變量又引入溫差來反映輻射, 這對缺少輻射資料的地區(qū)較為適用[7］。我國學(xué)者康紹忠提出了適合我國北方干旱與半干旱地區(qū)的經(jīng)驗公式考慮了氣溫、日照比率、風(fēng)速三個參數(shù), 計算精度比較高, 后來他又依據(jù)熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律, 提出以溫度和水汽壓為參數(shù)的公式, 在山西、甘肅等省份運用, 計算結(jié)果誤差小、精度高[8］。史海濱等用內(nèi)蒙古135 個氣象站30 a 的月平均氣象資料對FAO Penman 修正式（1979）和FAO Penman-Monteith 式（1990）適用性和差異性評價, 除在干旱地區(qū)干旱季節(jié)外, 前式的結(jié)果大都小于后式, 濕潤季節(jié)兩式誤差較大, 表明兩方法結(jié)果有明顯差異[9］。

1.2 土壤水量平衡法

土壤水量平衡法在很早以前就被廣泛使用, 并且一直延續(xù)至今。過去只能測量時段的儲水量差值, 對深層滲漏、徑流、降雨等進行簡化, 近似估算農(nóng)田的蒸發(fā)蒸騰量。這是由于土壤水分測定技術(shù)的不成熟而受到限制, 這種方法雖然操作簡單, 但是精度差。近年來, 土壤濕度監(jiān)測技術(shù)不斷完善, 可以逐日監(jiān)測土壤濕度, 同時可采用專用裝置測定地下水補給與有效降雨等, 精度大大提高[4］。根據(jù)根區(qū)水量平衡, 計算作物耗水量方程見公式（1）：

SWe=SWb+P+Fg+GW-RO-Dp-ETc（1）

其中SWe為時段末土壤根區(qū)儲水量,SWb為時段初根區(qū)土壤儲水量,P為時段內(nèi)有效降雨量,Fg為時段內(nèi)凈灌水量,GW為時段內(nèi)地下水補給量,RO為時段內(nèi)測定區(qū)域地面徑流量,Dp為時段內(nèi)的深層滲漏量,ETc為時段內(nèi)作物蒸發(fā)蒸騰量。地下水埋深、較深GW、Dp忽略不計。若地面徑流和深層滲漏過大時, 該法使用受到限制, 故使用時應(yīng)注意與周圍農(nóng)田隔離開來[10］。

1.3 蒸滲儀法

蒸滲儀法是利用水量平衡原理, 并且很好地做到了上述代表性區(qū)域與周圍農(nóng)田的隔離。蒸滲儀法就是將蒸滲儀埋在土壤中, 通過對土壤水分的調(diào)控, 反映蒸發(fā)蒸騰的實際過程, 再通過稱重獲得蒸發(fā)蒸騰量[11］, 目前已經(jīng)可以實現(xiàn)自動稱重、監(jiān)測記錄, 甚至可以計算得到逐日蒸發(fā)蒸騰量, 發(fā)展衍生出很多精密儀器, 如：小型棵間蒸發(fā)自動采集儀等。常用的蒸滲儀有兩種：稱重型和滲漏型[12］。蒸滲儀法與土壤水量平衡法相比, 優(yōu)點在于能夠直接測定蒸發(fā)蒸騰量, 缺點是可能限制根系的生長不適合高大作物, 裂隙較大的土壤, 并且維修困難, 此外只能測定田間的某一點的蒸發(fā)蒸騰量, 缺乏代表性[13-14］。國外, 早在60 年代就開始使用蒸滲儀測量蒸發(fā)蒸騰量, Shawcroft[15-17］等國外學(xué)者對蒸滲儀法進行了大量研究。Pratap Singh 等用蒸發(fā)皿、兩個非稱重式、四個稱重式蒸滲儀估計了蒸發(fā)蒸騰量[18］。Tudy A.Tolk用48臺蒸滲儀研究了3種高原上玉米蒸發(fā)蒸騰量與產(chǎn)量的關(guān)系[19］。N.K.Tyagi等通過稱重式蒸滲儀測定了向日葵和水稻1 h蒸發(fā)蒸騰量[20］。在我國, 蒸滲儀法經(jīng)過多年的驗證, 也作為一種準確的測量蒸發(fā)蒸騰量的方法而廣泛應(yīng)用。1983年中科院地理研究所引入一臺機械蒸散計用來研究冬小麥地氣交換獲得了一些可用資料[21］。中科院蘭州沙漠研究所在河西干旱區(qū)于1984～1987 年用18 臺電子蒸散計測定了春小麥和夏玉米的逐日蒸發(fā)蒸騰量[22-23］。謝賢群集中了氣象、水文、土壤、遙感技術(shù)和植物生理等多學(xué)科手段進行了3 a試驗, 取得大量蒸發(fā)蒸騰試驗觀測數(shù)據(jù)為各種作物蒸發(fā)蒸騰的研究提供了重要的實驗依據(jù)[24］?？聲孕碌仍谔m州干旱氣象研究所用大型稱重式蒸滲儀測定了春小麥的逐日蒸發(fā)蒸騰量[25］。

1.4 波文比—能量平衡法

波文比—能量平衡法遵循的兩大理論為邊界層理論和能量守恒原理, 將植物和土壤看成一個界面, 水分通過蒸發(fā)從此界面進入大氣, 所以在垂向上有一個能量平衡, 可用公式（2）描述[26］：

其中Rn為太陽凈輻射,G為土壤熱通量,H為感熱通量,λ·ET為潛熱通量,λ是水汽化潛熱,ET是植物蒸發(fā)蒸騰量。

波文比定義式為：

公式（4）為波文比—能量平衡法估算蒸發(fā)蒸騰量的公式, 關(guān)鍵在于波文比β的確定。

式中ρa為空氣密度,Cp為空氣定壓比熱,kh為感熱交換系數(shù),kv為潛熱交換系數(shù),γ為濕度計常數(shù)。

根據(jù)雷諾相似原理假定kh=kv合并（3）（5）（6）得：

利用波文比系統(tǒng)測得G、Rn、ΔT、Δe, 即能計算出該區(qū)域的潛熱通量和蒸發(fā)蒸騰量。該法由于對大氣無特殊要求限制, 故計算方法簡單, 物理概念明確, 只要兩個高度要素觀測值, 不需湍流交換系數(shù), 精度高, 可做為其他測定周圍哪個蒸發(fā)蒸騰量判別標準[27-29］。但是, 應(yīng)用該法受到一些限制, 要求開闊、均一的下墊面, 輻射、風(fēng)速變幅小。

1.5 空氣動力學(xué)法

空氣動力學(xué)法是在1939 年由Holzman 和Thornthwaise 首次提出的, 該法基于近地邊界層相似理論。在均勻植物冠層上方, 不同水平測定空氣水汽壓和流動速度, 將幾個測定值聯(lián)合得到瞬時蒸發(fā)蒸騰速率, 將瞬時值累加得到1 d 的蒸發(fā)蒸騰量。關(guān)鍵在于測定冠層上方氣壓, 可放置一個閉室減少空氣運動變異性, 但是最大問題在于植物很快會對閉室產(chǎn)生反應(yīng), 故只適用于短期測定。另外, 與其他微氣象學(xué)測定方法一樣, 對下墊面及氣象穩(wěn)定性有一定要求, 否則誤差較大[30］。

1.6 渦度相關(guān)法

渦度相關(guān)法是通過直接測定下墊面感熱和潛熱湍流脈動值求得蒸發(fā)蒸騰量。由于不是建立在經(jīng)驗關(guān)系基礎(chǔ)之上, 而是通過嚴格的空氣動力學(xué)理論推導(dǎo)得來[31］, 物理學(xué)基礎(chǔ)完備。Blank等人研究得出結(jié)論：密植植物覆蓋地區(qū)用渦度相關(guān)法測得的蒸發(fā)蒸騰量與液壓測滲儀得出結(jié)果差異在5%以下, 精度很高；但在無風(fēng)和植被覆蓋稀疏條件下誤差較大。另外, 在干旱缺水地區(qū)空氣中水汽含量較少, 結(jié)果也不太理想。我國該技術(shù)的研究較少, 這是由于渦度相關(guān)技術(shù)要求儀器設(shè)備特別復(fù)雜, 價格昂貴, 限制了在我國的發(fā)展應(yīng)用[4］。

1.7 遙感法

近年來隨著遙感技術(shù)的發(fā)展, 一種新興的測量蒸發(fā)蒸騰量的方法應(yīng)運而生——遙感法, 所謂遙感法就是利用多光譜的可見光：近紅外與熱紅外波段數(shù)據(jù)反演得比輻射率、地表溫度、地表反照率等地表參數(shù), 結(jié)合光譜特性、微氣象參數(shù)通過建立物理模型和統(tǒng)計模型, 利用能量平衡方程求得蒸發(fā)蒸騰量[32］。遙感法用于大面積蒸發(fā)蒸騰的測定, 擺脫了很多方法中對下墊面要求的限制, 并且隨著遙感技術(shù)和計算機模型技術(shù)的發(fā)展擁有較好的發(fā)展前景。

2 膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰的研究

早在20 世紀80 年代就有美國的學(xué)者在溫室內(nèi)進行了膜下滴灌技術(shù)實驗, 但是沒有形成完整的技術(shù)體系。我國的滴灌技術(shù)最早引自以色列, 科研工作者將這項技術(shù)與膜下栽培技術(shù)融合。新疆兵團石河子墾區(qū)最早應(yīng)用膜下滴灌技術(shù), 在1996年開始, 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)八師進行了棉花膜下滴灌實驗后, 到1998 年膜下滴灌技術(shù)不斷發(fā)展完善, 形成大田膜下滴灌技術(shù)體系并拓寬了滴灌技術(shù)應(yīng)用的作物種類和范圍。2002年新疆兵團膜下滴灌技術(shù)得到大面積的推廣示范達1.133×105hm2, 我國成為膜下滴灌技術(shù)應(yīng)用面積最大的國家[33-34］。2010年初在河北、甘肅、寧夏安排大面積滴灌實驗示范區(qū)并實行全國公益性科研推廣項目[35］, 使膜下滴灌技術(shù)應(yīng)用到番茄、大豆、甜瓜、馬鈴薯、藥材等越來越多的作物種類[36］。到2015 年隨著“節(jié)水增糧行動”以及“四個千萬畝”等項目的實施, 膜下滴灌在我國內(nèi)蒙古等地區(qū)得到了大范圍的推廣應(yīng)用。隨著膜下滴灌技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 對膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰量的研究也突飛猛進。李戰(zhàn)超通過Penman-Monteith 模型估算膜下滴灌棉田參考作物蒸散量, 并利用大型蒸滲儀測定實際蒸散量, 得出結(jié)論：西北干旱地區(qū)可使用Penman-Monteith 模型估算棉田蒸發(fā)量, 全生育期總蒸散量438 mm, 日蒸散量在花期達到最大4.7 mm[37］。又用兩種微型蒸滲計在封底、不封底、全膜覆蓋、無膜覆蓋等情況測定了土壤蒸發(fā)量, 研究表明：膜外封底＜膜內(nèi)封底＜膜外不封底＜膜內(nèi)不封底[38］。張振華等依據(jù)FAO Penman-Monteith 公式計算的參考作物蒸發(fā)蒸騰量, 結(jié)合水量平衡方程計算的實際作物蒸發(fā)蒸騰量, 得到了膜下滴灌棉花和玉米整個生育期蒸發(fā)蒸騰量[39］。2014年范曉慧用相同的方法對毛烏蘇沙地膜下滴灌青貯玉米作物需水量進行了研究并確定了其作物系數(shù)[40］。現(xiàn)如今對膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰量的研究多采用Penman-Monteith 公式計算ET0, 再結(jié)合大型蒸滲儀或水量平衡方程的實測數(shù)據(jù)進行研究, 對試驗地的條件要求較高, 且需要大量的氣象數(shù)據(jù)。近年來, SIMDualKc模型被用來模擬膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰精度較高, 趙娜娜和閆世程等[41-42］通過SIMDualKc模型分別對玉米管灌和滴灌、棵間蒸發(fā)進行了模擬研究, 模擬精度較高。李瑞平等[43］對內(nèi)蒙古通遼滴灌玉米生育期棵間蒸發(fā)量進行模擬研究, 表明覆膜能夠減少棵間蒸發(fā), 特別是在生育前期。Qiong[44］等通過模型將膜下滴灌分為覆膜區(qū)和無膜區(qū), 研究表明：膜下滴灌節(jié)水主要發(fā)生在覆膜區(qū)。

3 研究展望

每種蒸發(fā)蒸騰量的計算方法都有其適用條件, 也有各自的優(yōu)缺點, 在使用過程中應(yīng)根據(jù)實際情況而定。對于膜下滴灌蒸發(fā)蒸騰的研究, 如何將蒸發(fā)蒸騰量的兩部分棵間蒸發(fā)與植株蒸騰很好地區(qū)分, 對兩部分定量的測定在研究中具有重要的意義, 棵間蒸發(fā)的監(jiān)測對于膜下滴灌節(jié)水機理的探究占有重要分量。目前大量的研究中對土壤棵間蒸發(fā)進行監(jiān)測都采用微型蒸滲儀, 采用pvc 套筒, 制作簡單, 操作方便, 可應(yīng)用于今后膜下滴灌棵間蒸發(fā)量的測定。