膜下滴灌蒸发蒸腾研究综述*
时间：2023-04-17 15:30:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张钰泽, 贾 琼, 马龙龙, 王有凯, 刘臻泽, 袁佳琴
（甘肃农业大学水利水电工程学院, 甘肃 兰州 730070）
近年来, 随着我国农业机械化进程的不断发展深入, 许多新兴的农业节水灌溉种植模式在我国得到了大面积的示范、推广与应用。其中膜下滴灌技术作为一种新兴的农业节水灌溉技术以其不减产的前提下可以有效节水而崭露头角[1］。膜下滴灌是将滴灌技术与成本低廉、应用效果较好的覆膜技术二者有效结合的农业技术[2］。膜下滴灌可以将水通过滴灌系统使之以滴状缓慢、均匀、定时、定量地供应给作物根区土壤, 又通过地膜覆盖减少水分蒸发, 促进作物对根区水分的直接利用, 有效提高了资源利用率[3］。而膜下滴灌技术能够节水的主要原因是滴灌直接将水滴在作物根区附近, 减少灌溉水量。同时覆膜可以有效减少土壤棵间蒸发。研究膜下滴灌的蒸发蒸腾对膜下滴灌节水机理的探究具有重要意义。目前对膜下滴灌蒸发蒸腾的研究以模型和理论研究为主, 大田试验大多使用大型称重式蒸渗仪, 这些方法无法从土壤蒸发和作物蒸腾两个方面研究膜下滴灌的蒸散规律, 不能很好地探究膜下滴灌的节水机理。文章基于膜下滴灌的发展, 对蒸发蒸腾的国内外研究进展进行全面综述, 着重探讨膜下滴灌条件下蒸发蒸腾的测定方法, 以期为膜下滴灌节水机理的探究实验提供经验以及方法指导。
1.1 经验公式法
根据影响蒸发蒸腾量的诸多因素中选取几个, 通过实验数据分析得到这些因素与蒸发蒸腾量的关系, 进而归纳为相应的经验公式。美国学者布莱斯基和尚兹发现水面蒸发量与蒸发蒸腾量存在关系, 经过研究得到通过水面蒸发量计算蒸发蒸腾量公式, 该法仅需水面蒸发量这一参数, 操作简单, 精度较高, 但在干旱地区效果不好[4-5］。Thornthwaite 和Blaney—Crridel 提出了估算蒸发蒸腾的经验公式, 使用的参数均为平均温度值。在后者引入最小相对湿度、风速等参数作为系数即Blaney—Criddel—FAO 公式, 该法较前者在适用范围方面有了很大改善, 而且在湿润地区结果仅偏高15%[6］。1974 年Hargreaves 以气温为自变量又引入温差来反映辐射, 这对缺少辐射资料的地区较为适用[7］。我国学者康绍忠提出了适合我国北方干旱与半干旱地区的经验公式考虑了气温、日照比率、风速三个参数, 计算精度比较高, 后来他又依据热力学第一定律和热力学第二定律, 提出以温度和水汽压为参数的公式, 在山西、甘肃等省份运用, 计算结果误差小、精度高[8］。史海滨等用内蒙古135 个气象站30 a 的月平均气象资料对FAO Penman 修正式（1979）和FAO Penman-Monteith 式（1990）适用性和差异性评价, 除在干旱地区干旱季节外, 前式的结果大都小于后式, 湿润季节两式误差较大, 表明两方法结果有明显差异[9］。
1.2 土壤水量平衡法
土壤水量平衡法在很早以前就被广泛使用, 并且一直延续至今。过去只能测量时段的储水量差值, 对深层渗漏、径流、降雨等进行简化, 近似估算农田的蒸发蒸腾量。这是由于土壤水分测定技术的不成熟而受到限制, 这种方法虽然操作简单, 但是精度差。近年来, 土壤湿度监测技术不断完善, 可以逐日监测土壤湿度, 同时可采用专用装置测定地下水补给与有效降雨等, 精度大大提高[4］。根据根区水量平衡, 计算作物耗水量方程见公式（1）：
SWe=SWb+P+Fg+GW-RO-Dp-ETc（1）
其中SWe为时段末土壤根区储水量,SWb为时段初根区土壤储水量,P为时段内有效降雨量,Fg为时段内净灌水量,GW为时段内地下水补给量,RO为时段内测定区域地面径流量,Dp为时段内的深层渗漏量,ETc为时段内作物蒸发蒸腾量。地下水埋深、较深GW、Dp忽略不计。若地面径流和深层渗漏过大时, 该法使用受到限制, 故使用时应注意与周围农田隔离开来[10］。
1.3 蒸渗仪法
蒸渗仪法是利用水量平衡原理, 并且很好地做到了上述代表性区域与周围农田的隔离。蒸渗仪法就是将蒸渗仪埋在土壤中, 通过对土壤水分的调控, 反映蒸发蒸腾的实际过程, 再通过称重获得蒸发蒸腾量[11］, 目前已经可以实现自动称重、监测记录, 甚至可以计算得到逐日蒸发蒸腾量, 发展衍生出很多精密仪器, 如：小型棵间蒸发自动采集仪等。常用的蒸渗仪有两种：称重型和渗漏型[12］。蒸渗仪法与土壤水量平衡法相比, 优点在于能够直接测定蒸发蒸腾量, 缺点是可能限制根系的生长不适合高大作物, 裂隙较大的土壤, 并且维修困难, 此外只能测定田间的某一点的蒸发蒸腾量, 缺乏代表性[13-14］。国外, 早在60 年代就开始使用蒸渗仪测量蒸发蒸腾量, Shawcroft[15-17］等国外学者对蒸渗仪法进行了大量研究。Pratap Singh 等用蒸发皿、两个非称重式、四个称重式蒸渗仪估计了蒸发蒸腾量[18］。Tudy A.Tolk用48台蒸渗仪研究了3种高原上玉米蒸发蒸腾量与产量的关系[19］。N.K.Tyagi等通过称重式蒸渗仪测定了向日葵和水稻1 h蒸发蒸腾量[20］。在我国, 蒸渗仪法经过多年的验证, 也作为一种准确的测量蒸发蒸腾量的方法而广泛应用。1983年中科院地理研究所引入一台机械蒸散计用来研究冬小麦地气交换获得了一些可用资料[21］。中科院兰州沙漠研究所在河西干旱区于1984～1987 年用18 台电子蒸散计测定了春小麦和夏玉米的逐日蒸发蒸腾量[22-23］。谢贤群集中了气象、水文、土壤、遥感技术和植物生理等多学科手段进行了3 a试验, 取得大量蒸发蒸腾试验观测数据为各种作物蒸发蒸腾的研究提供了重要的实验依据[24］。柯晓新等在兰州干旱气象研究所用大型称重式蒸渗仪测定了春小麦的逐日蒸发蒸腾量[25］。
1.4 波文比—能量平衡法
波文比—能量平衡法遵循的两大理论为边界层理论和能量守恒原理, 将植物和土壤看成一个界面, 水分通过蒸发从此界面进入大气, 所以在垂向上有一个能量平衡, 可用公式（2）描述[26］：
其中Rn为太阳净辐射,G为土壤热通量,H为感热通量,λ·ET为潜热通量,λ是水汽化潜热,ET是植物蒸发蒸腾量。
波文比定义式为：
公式（4）为波文比—能量平衡法估算蒸发蒸腾量的公式, 关键在于波文比β的确定。
式中ρa为空气密度,Cp为空气定压比热,kh为感热交换系数,kv为潜热交换系数,γ为湿度计常数。
根据雷诺相似原理假定kh=kv合并（3）（5）（6）得：
利用波文比系统测得G、Rn、ΔT、Δe, 即能计算出该区域的潜热通量和蒸发蒸腾量。该法由于对大气无特殊要求限制, 故计算方法简单, 物理概念明确, 只要两个高度要素观测值, 不需湍流交换系数, 精度高, 可做为其他测定周围哪个蒸发蒸腾量判别标准[27-29］。但是, 应用该法受到一些限制, 要求开阔、均一的下垫面, 辐射、风速变幅小。
1.5 空气动力学法
空气动力学法是在1939 年由Holzman 和Thornthwaise 首次提出的, 该法基于近地边界层相似理论。在均匀植物冠层上方, 不同水平测定空气水汽压和流动速度, 将几个测定值联合得到瞬时蒸发蒸腾速率, 将瞬时值累加得到1 d 的蒸发蒸腾量。关键在于测定冠层上方气压, 可放置一个闭室减少空气运动变异性, 但是最大问题在于植物很快会对闭室产生反应, 故只适用于短期测定。另外, 与其他微气象学测定方法一样, 对下垫面及气象稳定性有一定要求, 否则误差较大[30］。
1.6 涡度相关法
涡度相关法是通过直接测定下垫面感热和潜热湍流脉动值求得蒸发蒸腾量。由于不是建立在经验关系基础之上, 而是通过严格的空气动力学理论推导得来[31］, 物理学基础完备。Blank等人研究得出结论：密植植物覆盖地区用涡度相关法测得的蒸发蒸腾量与液压测渗仪得出结果差异在5%以下, 精度很高；
但在无风和植被覆盖稀疏条件下误差较大。另外, 在干旱缺水地区空气中水汽含量较少, 结果也不太理想。我国该技术的研究较少, 这是由于涡度相关技术要求仪器设备特别复杂, 价格昂贵, 限制了在我国的发展应用[4］。
1.7 遥感法
近年来随着遥感技术的发展, 一种新兴的测量蒸发蒸腾量的方法应运而生——遥感法, 所谓遥感法就是利用多光谱的可见光：近红外与热红外波段数据反演得比辐射率、地表温度、地表反照率等地表参数, 结合光谱特性、微气象参数通过建立物理模型和统计模型, 利用能量平衡方程求得蒸发蒸腾量[32］。遥感法用于大面积蒸发蒸腾的测定, 摆脱了很多方法中对下垫面要求的限制, 并且随着遥感技术和计算机模型技术的发展拥有较好的发展前景。
早在20 世纪80 年代就有美国的学者在温室内进行了膜下滴灌技术实验, 但是没有形成完整的技术体系。我国的滴灌技术最早引自以色列, 科研工作者将这项技术与膜下栽培技术融合。新疆兵团石河子垦区最早应用膜下滴灌技术, 在1996年开始, 新疆生产建设兵团农八师进行了棉花膜下滴灌实验后, 到1998 年膜下滴灌技术不断发展完善, 形成大田膜下滴灌技术体系并拓宽了滴灌技术应用的作物种类和范围。2002年新疆兵团膜下滴灌技术得到大面积的推广示范达1.133×105hm2, 我国成为膜下滴灌技术应用面积最大的国家[33-34］。2010年初在河北、甘肃、宁夏安排大面积滴灌实验示范区并实行全国公益性科研推广项目[35］, 使膜下滴灌技术应用到番茄、大豆、甜瓜、马铃薯、药材等越来越多的作物种类[36］。到2015 年随着“节水增粮行动”以及“四个千万亩”等项目的实施, 膜下滴灌在我国内蒙古等地区得到了大范围的推广应用。随着膜下滴灌技术的发展与应用, 对膜下滴灌蒸发蒸腾量的研究也突飞猛进。李战超通过Penman-Monteith 模型估算膜下滴灌棉田参考作物蒸散量, 并利用大型蒸渗仪测定实际蒸散量, 得出结论：西北干旱地区可使用Penman-Monteith 模型估算棉田蒸发量, 全生育期总蒸散量438 mm, 日蒸散量在花期达到最大4.7 mm[37］。又用两种微型蒸渗计在封底、不封底、全膜覆盖、无膜覆盖等情况测定了土壤蒸发量, 研究表明：膜外封底＜膜内封底＜膜外不封底＜膜内不封底[38］。张振华等依据FAO Penman-Monteith 公式计算的参考作物蒸发蒸腾量, 结合水量平衡方程计算的实际作物蒸发蒸腾量, 得到了膜下滴灌棉花和玉米整个生育期蒸发蒸腾量[39］。2014年范晓慧用相同的方法对毛乌苏沙地膜下滴灌青贮玉米作物需水量进行了研究并确定了其作物系数[40］。现如今对膜下滴灌蒸发蒸腾量的研究多采用Penman-Monteith 公式计算ET0, 再结合大型蒸渗仪或水量平衡方程的实测数据进行研究, 对试验地的条件要求较高, 且需要大量的气象数据。近年来, SIMDualKc模型被用来模拟膜下滴灌蒸发蒸腾精度较高, 赵娜娜和闫世程等[41-42］通过SIMDualKc模型分别对玉米管灌和滴灌、棵间蒸发进行了模拟研究, 模拟精度较高。李瑞平等[43］对内蒙古通辽滴灌玉米生育期棵间蒸发量进行模拟研究, 表明覆膜能够减少棵间蒸发, 特别是在生育前期。Qiong[44］等通过模型将膜下滴灌分为覆膜区和无膜区, 研究表明：膜下滴灌节水主要发生在覆膜区。
每种蒸发蒸腾量的计算方法都有其适用条件, 也有各自的优缺点, 在使用过程中应根据实际情况而定。对于膜下滴灌蒸发蒸腾的研究, 如何将蒸发蒸腾量的两部分棵间蒸发与植株蒸腾很好地区分, 对两部分定量的测定在研究中具有重要的意义, 棵间蒸发的监测对于膜下滴灌节水机理的探究占有重要分量。目前大量的研究中对土壤棵间蒸发进行监测都采用微型蒸渗仪, 采用pvc 套筒, 制作简单, 操作方便, 可应用于今后膜下滴灌棵间蒸发量的测定。
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