棉田蒸散發(fā)的研究進(jìn)展

程珍 牛建龍

(塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

引言

農(nóng)田蒸散發(fā)主要包括棵間土壤蒸發(fā)和植物蒸騰2部分，是農(nóng)田水分循環(huán)和能量循環(huán)的重要組成部分，也是土壤—植物—大氣連續(xù)體(SPAC)中水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[1]。IPCC第五次報告指出，與1986—2005年相比，2016—2035年全球平均氣溫可能升高0.3～0.7℃，2081—2100年可能上升0.3～4.8℃[2]，導(dǎo)致全球極端天氣事件頻發(fā)，對生態(tài)環(huán)境的改善和社會經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重影響。據(jù)估算，全球范圍內(nèi)每年約超60%的大氣降水通過蒸散發(fā)作用返回到大氣中，干旱地區(qū)降水通過蒸散發(fā)返回大氣中的比例可高達(dá)90%[3]。有研究可知，每年農(nóng)田蒸散發(fā)約超50%的水分是通過蒸散的方式消耗，植物蒸騰耗水量約占總蒸散發(fā)的60%～90%[4]。因此，在氣候環(huán)境變化下，對田間蒸散的研究，可以更好地對田間進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉，實現(xiàn)棉花產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

目前，新疆是我國最重要的棉花生產(chǎn)區(qū)，2021年種植面積高達(dá)250.61萬hm2，占全國種植總面積的82.8%，棉花產(chǎn)量約占全國產(chǎn)量的85%，約占全球棉花產(chǎn)量的20%[5]。新疆屬于水資源匱乏地區(qū)，在農(nóng)業(yè)種植過程中，水資源消耗問題嚴(yán)重。通過對棉田蒸散發(fā)的實測和估算，可以促進(jìn)水資源利用合理化和節(jié)約化。

因此，在全球變暖背景下，系統(tǒng)綜述棉田蒸散發(fā)動態(tài)變化、影響機(jī)制及關(guān)鍵驅(qū)動、估算與驗證意義重大，可為區(qū)域農(nóng)田水資源高效利用和積極應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 棉田蒸散發(fā)的動態(tài)變化研究

較國外研究而言，國內(nèi)學(xué)者對蒸散發(fā)的研究相對較為滯后，開始于20世紀(jì)50年代。目前，國內(nèi)外學(xué)者對蒸散發(fā)動態(tài)變化多從區(qū)域尺度研究，多集中于降水量較多的地區(qū)，在作物蒸散發(fā)的動態(tài)變化研究上，多集中于玉米、小麥等作物，對棉田蒸散發(fā)動態(tài)變化的研究主要集中在全國和新疆北部地區(qū)[6]。

1.1 作物在不同生育時期對水分吸收和蒸騰有所不同

在播種-出苗期階段，棉田的葉面積指數(shù)幾乎沒有，播種-出苗期的蒸散可以忽略不計。苗期，作物開始緩慢生長，作物的葉面積指數(shù)較小，作物蒸騰逐漸開始。蕾期，棉花根系和植物地上部分在快速生長，在此過程中，根系快速吸收土壤水分，葉面積指數(shù)也在逐漸增加，作物的蒸騰能力比前期蒸騰速率更快?；ㄢ徠谑敲尢镎羯⒘孔畲蟮纳冢谠摃r期的葉面積覆蓋量較大，葉面蒸散較多。吐絮期，棉花的生理活動減弱，導(dǎo)致蒸騰速率也在減弱，該時期的作物蒸騰量比花鈴期弱[9]。研究學(xué)者對作物不同生育時期蒸散變化進(jìn)行分析，馬金龍等[10]研究基于烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象站2012年的渦度相關(guān)數(shù)據(jù)，分析作物全生育期田間蒸散動態(tài)變化。作物在生長過程中，作物從播種至收獲經(jīng)歷不同的季節(jié)，氣候變化容易對田間蒸散產(chǎn)生影響，作物在不同生育期對水分的吸收存在較大的區(qū)別。通過對田間蒸散量的分析可以更好分析作物的不同生育時期蒸散強(qiáng)弱，進(jìn)而可以更好對田間蒸散進(jìn)行分析。劉凈賢等[8]利用烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站2009年6月—2010年6月的渦度相關(guān)資料，分析新疆北部膜下滴灌棉田不同生育期的蒸散變化特征及蒸散量。

1.2 田間月份的蒸散變化

作物生長季節(jié)主要在5—10月左右，分析田間蒸散量的逐月分布，可以為沒有生育期資源地區(qū)提供參考價值。田間蒸散在一年不同月份中，蒸散強(qiáng)度不一。結(jié)合氣候環(huán)境的變化和作物的生長周期，觀測田間不同月份的蒸散強(qiáng)弱。6—10月氣溫較高和作物生長較快的階段，通過對月份蒸散量的估算，可為田間水資源分配提供合理的安排。范月等[7]對夏玉米不同時間尺度蒸散研究，認(rèn)為7—9月田間蒸散最高。

1.3 田間逐日蒸散變化

田間蒸散日變化是按小時蒸散量累加得到，通過田間逐日蒸散量可以更好地觀測大氣環(huán)境對作物蒸散的作用。曹兵[11]在新疆烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站利用大型蒸滲儀研究膜下滴灌棉花生長期間逐日蒸散量的變化過程及規(guī)律；劉凈賢等[8]對新疆北部膜下滴灌棉田蒸散進(jìn)行研究，認(rèn)為中午時間段內(nèi)的田間蒸散量最大。

2 棉田蒸散發(fā)的影響因子及關(guān)鍵驅(qū)動

棉田蒸散發(fā)的大小主要受氣象和田間環(huán)境等多種因素的影響。棉田蒸散的影響因子主要包括氣象因子、土壤因子和作物因子。氣象因子主要包括太陽輻射、溫度和降雨量等因素。土壤因子對棉田蒸散發(fā)的影響主要包括土壤含水量以及土壤是否覆膜等因素。作物因子主要包括作物生長周期對棉田蒸散的影響。

2.1 氣象因子

太陽輻射對蒸散具有很強(qiáng)的影響作用。太陽輻射的增強(qiáng)加快地面溫度的升高，使得土壤和作物的蒸發(fā)速率加快，太陽輻射在不同的季節(jié)輻射強(qiáng)度不同，因此在作物不同生育期的影響強(qiáng)度也不同。馬金龍等[10]認(rèn)為，太陽輻射對棉花不同生育階段都有較大的影響，并且隨著太陽輻射的增大蒸散速率在加快。太陽輻射在一年四季中，輻射強(qiáng)度也不同，在夏季輻射強(qiáng)，在冬季以后相對較弱?；ㄊプ康萚12]認(rèn)為，太陽輻射在不同的季節(jié)內(nèi)地面蒸散量也不同，在夏季太陽輻射是最強(qiáng)的，最弱是在秋季。

溫度對蒸散發(fā)的影響是多方面的。溫度越高，容易影響作物葉片的蒸發(fā)速率，有研究表明，溫度升高會增加葉內(nèi)外蒸氣壓差，使得氣體擴(kuò)散速度增快，蒸發(fā)速度也容易增快，12∶00—14∶00是一天內(nèi)溫度最高的時間段，對于田間環(huán)境來說是作物蒸騰和土壤蒸發(fā)的最大值[12]，由于作物的生理生化系統(tǒng)，當(dāng)溫度過高時，作物為了降低水分的消耗，會形成作物葉片表面氣孔的關(guān)閉現(xiàn)象，張立峰等[13]認(rèn)為當(dāng)空氣中的溫度升高時，蒸散值也在上升；當(dāng)溫度逐漸上升時，蒸散發(fā)會出現(xiàn)下降的趨勢，即是“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。

降雨是影響蒸散發(fā)的因素之一。對于降雨量較多的南方地區(qū)，降雨量過多導(dǎo)致作物出現(xiàn)澇害等災(zāi)害，土壤板結(jié)等情況，使得蒸散速率在降低。但是對于水分貧瘠的干旱半干旱地區(qū)，降雨可以在降雨過程中，增加土壤含水量，促進(jìn)作物生長。李洋等[14]對農(nóng)田蒸散發(fā)的研究認(rèn)為降雨對蒸散的影響較為顯著。

此外，眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，作物生長的不同時間段、不同的田間環(huán)境對影響蒸散發(fā)的氣象因子不同。李浩然等[15]通過對黑河中游的荒漠綠洲的研究，利用主成分分析方法，溫度是影響土壤水分蒸散程度最高，其次是太陽輻射，土壤水分和風(fēng)速影響程度最小。

2.2 土壤因素

2.2.1 土壤含水量對土壤蒸散的影響較大

土壤含水量的多少及其分布狀況是影響作物對水分的吸收和利用，最終影響棉田的蒸散過程。當(dāng)土壤含水量大于18%時會促進(jìn)土壤蒸發(fā)，而當(dāng)土壤含水量小于18%時會抑制土壤蒸發(fā)[16]。

2.2.2 地膜對田間蒸散的影響

地膜是棉花種植必不可少的材料，并且地膜覆蓋種植是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在節(jié)約用水理念上推行的一項種植模式，地膜覆蓋可以起到保溫、保熵和增產(chǎn)的作用。在干旱半干旱地區(qū)水資源短缺，種植作物過程中如果不使用地膜覆蓋，田間的水分蒸散將更快。但殘膜對土壤環(huán)境影響最為嚴(yán)重。

2.2.3 灌溉是影響棉田蒸散的原因之一

滴灌是棉田節(jié)水裝置運(yùn)用最為廣泛的，滴灌可以更好地節(jié)約水資源，對作物進(jìn)行緩慢供水。在干旱地區(qū)水資源短缺，如使用漫灌的方式易造成水資源浪費(fèi)。在膜下滴灌過程中，作物的不同生育時期，作物的蒸散量不同。楊勁松等[17]基于室內(nèi)實驗，探討不同膜下滴灌條件對棉花蒸散量的影響，發(fā)現(xiàn)花鈴期蒸散量大于蕾期大于苗期和吐絮期。

2.3 作物生長

2.3.1 作物品種更新對蒸散的影響

新品種在種植過程中，通常是以舊品種的種植經(jīng)驗作為新品種的種植參照。目前對于新品種的研發(fā)，大多都是在抗旱、抗病等抗性的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。新品種種植技術(shù)在推廣過程中，農(nóng)戶對新品種的認(rèn)識以及種植經(jīng)驗等比較缺乏，在對田間供水量及供水時間沒有很好管控，田間土壤含水量出現(xiàn)過多或者過少的現(xiàn)象，對田間蒸散產(chǎn)生影響。

2.3.2 作物不同生育時期對蒸散的影響

作物從種植到收獲，田間蒸散量是從弱到強(qiáng)再到弱的一個蒸散強(qiáng)度。作物在播種至出苗期，作物的生長較小，蒸散的速率低。作物生長發(fā)育期，隨著降雨量和灌溉量增加，大氣溫度在逐漸升高，田間蒸散速率在加快。作物發(fā)育后期至收獲期，由于氣溫逐漸降低，作物本身的葉片降落，田間蒸散量在減少。有徳寶等[18]在對玉米不同生育期農(nóng)田蒸散量的研究中認(rèn)為，玉米生育的蒸散量，拔節(jié)期的蒸散發(fā)大于生長末期大于苗期。在作物種植過程中，人類對于田間的管理以及對作物的修理都會對田間的蒸散產(chǎn)生影響。

2.3.3 作物葉面積指數(shù)對田間蒸散的影響

在作物生長過程中，作物葉面積指數(shù)對作物蒸散發(fā)量也存在部分影響。有研究者通過對棉花的葉面積指數(shù)的大小來分析對作物蒸散發(fā)值。作物苗期才開始有葉面積，并且葉面積處于較小階段，田間蒸散主要是以土壤蒸散為主。隨著作物的不斷生長，作物的葉面積在逐漸增多，作物蒸散也在逐漸開始。陳磊等[19]對棉花葉面積對棉田蒸散發(fā)的研究認(rèn)為，棉花苗期時蒸散最小。

3 蒸散發(fā)的測定與計算方法

棉田蒸散的測定與計算對田間的水量平衡以及水資源的估算具有重要的意義。目前國內(nèi)對田間蒸散的測定方法使用較多的主要有渦度相關(guān)法、蒸滲儀法。計算方法使用較多的主要有波文比能量平衡法、Penman-Monteith模型。測定方法和計算方法有各自的特點以及在使用過程中對環(huán)境的要求。

3.1 測定方法

3.1.1 渦度相關(guān)法

渦度相關(guān)法是澳大利亞著名科學(xué)家Swinbank于1951年提出的用渦度相關(guān)法計算大氣中熱量和水汽的垂直輸送通量。原理近地面氣層處于大氣邊界層底層的大約10%的高度范圍時，在這個氣層中空氣的運(yùn)動符合湍流交換規(guī)律[20]。

渦度相關(guān)法目前已經(jīng)是國際上公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)方法，在觀測過程中可以進(jìn)行長期且連續(xù)的工作，并且在時間尺度上可以從秒、分、時、日、月到年的長時間跨度連續(xù)測量。由于渦度相關(guān)有良好的物理知識，渦度相關(guān)在使用過程中不受平流限制，有較高的精度和良好的穩(wěn)定性，使用靈活，移動性強(qiáng)[21]等特點。但是其安裝對地理環(huán)境要求較高，需安裝在足夠平坦均質(zhì)的下墊面，復(fù)雜的下墊面環(huán)境容易造成測定誤差。

3.1.2 蒸滲儀法

蒸滲儀在19世紀(jì)后期用于研究植物水的利用，目前作為農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰測定的標(biāo)準(zhǔn)儀器。蒸滲儀法是研究農(nóng)田蒸散發(fā)經(jīng)濟(jì)且有效的方法，在研究棉田蒸散發(fā)，馬瑞莎等[22]利用大型稱重式蒸滲儀對棉田凝結(jié)水進(jìn)行實時觀測。

蒸滲儀法是根據(jù)水量平衡原理用來測量田間水文循環(huán)的儀器，是在田間裝滿土壤的大型儀器，通過儀器內(nèi)的觀測器測定蒸散量。蒸滲儀有稱重式和非稱重式2種，非稱重式(國外也稱為排水型蒸滲儀)主要是通過控制地下水位量，結(jié)合測定的補(bǔ)償水量。在安裝過程中操作簡單，并且造價相對較低，因此在我國使用較為廣泛。稱重式蒸滲儀主要有液壓式、機(jī)械式、電子稱重式等不同的類型，并且可以在短時段內(nèi)測定蒸發(fā)量，測量的精度高,造價高。

3.2 計算方法

3.2.1 波文比法

波文比能量平衡法是在1926年Bowen[23]依據(jù)地表能量平衡公式提出計算蒸散發(fā)的波文比平衡法。計算公式：

(1)

(2)

(3)

式中，波文比β是地表能量平衡方程中顯熱通量與潛熱通量之比；Rn為到達(dá)地表面的凈輻射量；G為土壤熱通量；λE為潛熱通量；H為顯熱輸送通量；ε=0.622為水汽分子與干空氣分子的重量比；p、cp為氣壓、定壓比熱。

前期的波文比儀主要采用手動阿期曼，經(jīng)過后期的高精度要求，才逐漸采用換位式波文比，運(yùn)用上下多次換位的方法，用溫度平均值消除各感應(yīng)間的系統(tǒng)誤差值。波文比平衡法在使用過程中的儀器價格低、計算方法簡單和精度較高[24]。在計算農(nóng)田蒸散法過程中要求下墊面均勻且無平流影響，否則測定過程中數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生誤差。

3.2.2 Penman-Monteith模型

彭曼-蒙特斯公式法是在1992年世界糧農(nóng)組織(FAO)在彭曼公式基礎(chǔ)上提出，并且是目前世界上采用最為廣泛的公式之一。公式：

(4)

式中，ET0為參考作物蒸散，mm·d-1；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa·oC-1；Rn為凈輻射，MJ·m-2·d-1；G為土壤熱通量密度，MJ·m-2·d-1；U2為2m高度的風(fēng)速，m·s-1；T為日平均氣溫，℃；(es-ea)為飽和水汽壓與實際水汽壓差，kPa；γ為干濕表常數(shù)，kPa·℃-1。

Penman-Monteith模型(P-M法)在蒸散發(fā)計算中是最為常用的計算方法。在計算過程中利用氣象數(shù)據(jù)就可計算參考作物蒸散量的值。適用范圍較廣，在干旱地區(qū)或者濕潤地區(qū)都可進(jìn)行估算蒸散法。但是該模型的計算過程相對復(fù)雜，需要用到大量氣象數(shù)據(jù)。董楠等[25]運(yùn)用彭曼公式計算的棉田日蒸散量，結(jié)合棉花的需水量推算灌溉量。

4 蒸散發(fā)的模擬與驗證

蒸散發(fā)的模擬與驗證，可以更好觀測田間土壤蒸發(fā)和作物蒸騰，精確的驗證和模擬地面蒸散發(fā)對地面水循環(huán)和能量變化規(guī)律有著重要的意義。目前蒸散發(fā)的驗證主要是通過模型估算與地面觀測實驗獲取進(jìn)行驗證。地面蒸散容易受到大氣環(huán)境，土壤環(huán)境的影響。隨著遙感技術(shù)與模型算法的快速發(fā)展，地面蒸散發(fā)的模擬和驗證逐漸成為一種常用的估算方法。通過機(jī)理的不同，目前使用較多蒸散發(fā)模型主要有能量平衡模型和遙感法與遙感反演。

4.1 能量平衡模型

能量平衡模型是基于能量平衡原理建立的估算模型。能量平衡模型按照阻抗的方式，又可以分為單層模型和雙層模型[26]。能量平衡法是以能量平衡為基礎(chǔ)，估算地表凈輻射(Rn)、土壤熱通量(G)和顯熱通量(H)，然后通過能量平衡方程估算潛熱通量(LE)，具體公式：

LE=Rn-H-G

(5)

(6)

式中，Pair為空氣密度；CP為空氣定壓比熱；Tareo為空氣動力學(xué)溫度；Ta為參考高度處溫度；rr為阻抗。

通過上述公式可知，估算顯熱通量較為復(fù)雜。因此為更好地估算顯熱通量，將能量平衡模型分為單層模型和雙層模型。

單層模型主要是不區(qū)分土壤層和植被層。單層模型對于抗阻計算簡單，適用在植被覆蓋度高的地區(qū)。單層模型的簡化，不用單獨獲取土壤層和植被層的相關(guān)參數(shù)，操作簡便，目前得到廣泛的應(yīng)用。單層模型目前具有代表性的為SEBAL模型。SEBAL模型是Bas- tiaanssen于1998年提出的[37]，目前該模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用在干旱半干旱地區(qū)。

雙層模型主要是區(qū)別土壤蒸發(fā)和植被蒸騰。雙層模型最早是由Shuttleworth等[28]在1985年提出，即Shuttleworth-Wallace(S-W模式)。雙層模型可以得到土壤蒸發(fā)和植被蒸騰，在植被稀疏地區(qū)雙層模型在干旱半干旱地區(qū)的模擬結(jié)果高于單層模型。

目前對蒸散發(fā)的驗證，利用相關(guān)儀器對地面觀測得到數(shù)據(jù)然后與遙感模型估算對田間蒸散進(jìn)行比較。通過蒸滲儀，渦度相關(guān)儀等用于田間進(jìn)行觀測田間蒸散情況，結(jié)合單層或雙層模型估算蒸散發(fā)進(jìn)行驗證。

4.2 遙感法與遙感反演

20世紀(jì)80年代，遙感與遙感反演開始在我國逐漸展開研究。20世紀(jì)90年代至今，遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，在氣象、農(nóng)業(yè)、生態(tài)等不同領(lǐng)域都具有估算蒸散的研究意義。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，紅外遙感通過作物生長期對作物產(chǎn)生的光譜特性、微氣象參數(shù)以及熱紅外信息的觀測來計算農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰的方法。由于遙感法在對田間監(jiān)測過程中，不受下墊面不均和水流時間的影響，并且可以快速、方便對土壤水分和作物蒸散發(fā)進(jìn)行監(jiān)測。使得研究者廣泛使用遙感法對蒸散發(fā)研究。

遙感反演主要是通過對地表反射的參數(shù)值反向推導(dǎo)地面的狀態(tài)參數(shù)。目前地表蒸散發(fā)遙感反演的方法可分為[29]經(jīng)驗法、微氣象理論法、蒸發(fā)互補(bǔ)理論能量平衡余項法、地表溫度-植被指數(shù)空間法、數(shù)據(jù)同化。蒸散發(fā)遙感反演發(fā)展從斑塊尺度上計算蒸散，發(fā)展基于農(nóng)田SPAC中的水分循環(huán)模型。遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，在基于地表能量平衡方程的地表蒸散發(fā)模型，蒸散發(fā)遙感反演不斷提高，精度越來越高。

土壤水分蒸散是水文循環(huán)重要組成部分，隨著遙感技術(shù)發(fā)展遙感能夠通過大范圍的遙感信息來獲取地表水分分布。遙感反演在土壤水分監(jiān)測中，主要是通過光學(xué)遙感和微波遙感進(jìn)行對土壤水分的監(jiān)測。光學(xué)遙感有分辨率高、傳感器多等優(yōu)點，但是容易受到大氣和植被的影響。微波遙感大氣干擾較小，穿透力較強(qiáng)，但是分辨率較低，容易受到植被的影響。

5 總結(jié)和展望

通過對棉田蒸散的研究發(fā)現(xiàn)，田間蒸散量對農(nóng)業(yè)用水以及作物的生長和品質(zhì)等都有著重要作用，并且氣候環(huán)境變化是影響田間蒸散的關(guān)鍵因素。棉花在新疆是最主要的農(nóng)作物，并且種植面積最廣。新疆是典型的“綠洲農(nóng)業(yè)、灌溉農(nóng)業(yè)”，地下水開采嚴(yán)重，水資源供應(yīng)問題也日益突出。由于棉田蒸散的研究晚于農(nóng)田蒸散，棉田蒸散理論研究以及估算方法等都是通過農(nóng)田蒸散的研究進(jìn)行開展，因此農(nóng)田蒸散的研究對棉田蒸散具有重要的指導(dǎo)和參考作用。目前對蒸散發(fā)的研究越來越多，技能性也越來越強(qiáng)，每種估算方式都有其估算的準(zhǔn)確性。未來蒸散發(fā)的研究應(yīng)當(dāng)結(jié)合多種科學(xué)方法，先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)的技術(shù)結(jié)合，探尋研究棉田蒸散發(fā)的新方法和新技術(shù)。