地膜覆盖条件下冬小麦耗水量计算及田间试验研究

王 康, 沈荣开，黄介生
(武汉水利电力大学 水利系)

摘 要：本文研究了利用Penman Monteith公式计算地膜覆盖条件下作物蒸腾量的可能性以及地膜覆盖所产生的各种影响。利用安徽省水科院新马桥农田水利试验站的冬小麦覆膜试验资料，建立了覆膜条件下冬小麦的蒸腾量计算公式。并分析讨论了地膜覆盖条件下冬小麦耗水量变化原因。

关键词：地膜覆盖；蒸腾量；Penman Monteith公式

收稿日期：1999-11-15
基金项目：国家自然科学基金“九五”重点项目(59839320)资助
作者简介:王康(1975-)，男，河北霸州人，博士。

　　本文在田间试验的基础之上，根据覆盖后土壤热平衡条件发生的变化，探讨了作物耗水状况的变化，建立了覆膜条件下作物蒸腾量计算模型，以期指导覆盖农田灌溉用水管理。

1 计算作物蒸腾量的Penman Monteith公式

　　根据Monteith的研究，作物蒸腾由液态水在气孔腔内汽化并扩散到蒸腾面和水分子由蒸

腾面向叶周围空气扩散进入大气层两个过程组成，两个过程都服从Fick第一扩散定律，可表示为：

LT=ρcp/γ[e*(Tc)-ec/rst] (1)
LT= ρcp/γ[ec-ea/rav] (2)

　　根据冠层内部能量平衡方程和显热交换通量计算公式，并近似地用饱和水汽压～温度关系曲线上冠层温度Tc，大气温度Ta两点割线代替Tc点的切线，考虑气压修正后，即可得到计算作物蒸腾量的Penman Monteith模型：

LT=P0/PΔ/γRnp+ρcp/γ[e*(Ta)-ea)]/rav/P0/PΔ/γ+(1+rst/rav)

(3)

式中：L为水汽化潜热(J/kg);T为蒸腾量(mm/d);ec为作物冠层水汽压(hPa);e*(Tc)为蒸腾面上水汽压(hPa);P和P0分别为海平面标准大气压和计算地点实际大气压;Δ为饱和水汽压与温度关系曲线上的斜率;γ为湿度计常数(hPa/°K);Rnp为植物冠层群丛截留的净辐射量(W/m2);ρ为干空气密度(kg/m3);Cp为空气定压比热(1012.0J/kg·°K);e*(Ta)为空气温度为Ta时的饱和水汽压;ea为参照高度水汽压(hPa);Tc、Ta分别为冠层温度和参照高度温度(℃);rst为叶面气孔阻力(s/m);rav为大气边界层阻力(s/m).

　　研究表明[1～3]，Penman Monteith公式可以较好地计算土壤含水率不发生亏缺情况下的作物蒸腾量。而影响作物蒸腾量的因素主要有两个：外界的蒸发能力及土壤的供水能力。在土壤供水能力能满足要求的情况下，仅与外界蒸发能力有关。

2 地膜覆盖冬小麦耗水规律的田间试验

　　试验于1997～1998年在安徽省水利科学研究院新马桥农田水利试验站原状土测坑内进行，测坑面积2m2，底部设有反滤层，通过马氏瓶供水装置控制地下水位，测坑内设有温度计剖面、负压计剖面和地下水位观测井，测坑上面设有可移动的玻璃防雨棚以隔断天然降雨，站内设有气象站。

　　试验分为充分供水及节水条件下的覆膜及不覆膜共4个处理。试验作物为冬小麦。整个试验期间，地下水位控制在1.6m，每日定时测定土壤基质势剖面及地下水补给量。抽穗～灌浆期间，通过510B型农用红外探测仪测定各种作物生理气象参数。每周测定一次株高和叶面积指数。

3 试验结果分析

3.1 地膜覆盖对土层温度的影响 图1为地膜覆盖及对照情况的地表温度变化过程。图中表明：冬小麦出苗至抽穗阶段(98年11月16日～99年4月16日)，地膜覆盖有着明显的增温效应，平均增温1.9℃，而抽穗以后，由于冬小麦育龄增加，叶面遮阴率增大，地膜覆盖的增温作用不明显，平均增温只有0.2℃。且地膜覆盖的增温效应主要表现在地表，地膜覆盖与不覆盖田块50cm以下的土层温度并没有明显的差别。

图1 地膜覆盖及对照情况的地表温度变化过程 图2 覆膜与不覆膜冬小麦田作物冠层接收净辐射能
比值与大气温度的关系

3.2 地膜覆盖冬小麦冠层截留能量的变化 在理论上确定覆膜以后对冠层所产生的净辐射能的变化尚有一定的困难(覆膜材质、颜色、光泽等的不同，其吸收、反射光的特性亦不相同).因此，本研究通过观测试验对覆膜后叶面接收净幅射能的变化规律进行了探索。观测仪器采用了红外探测仪，该仪器可测定太阳辐射、大气温度、植物叶面温度及冠层温度、湿度等。对覆膜冬小麦和对照处理的实测结果表明，覆膜冬小麦冠层接收的能量有所增加。考虑到叶面积的影响(根据Monsi Saeki公式：Rnp=Rn[1-exp(-αLAI)]，其中，α为冠层消光系数，Rnp为冠层截获的净辐射能)，将冠层截留的辐射能除以叶面积指数，得单位叶面积接收的辐射能。在土壤能够满足充分供水的情况下，作物的蒸腾量仅与外界的蒸发能力有关，将覆膜及对照情况下实测的冠层接收的辐射能与影响作物蒸腾量的大气温度、冠层温度、辐射能、风速等参数进行分析，表明覆膜与不覆膜农田单位叶面积接收的辐射能比值与大气温度有着较强的相关关系，如图2所示。经回归分析，得以下关系式：

R′np/Rnp=1.1963-0.0541ln(Ta)

(4)

式中：Rnp为无膜情况下作物冠层接收的净辐射能(W/m2)；R′np为相同条件下覆膜作物的冠层接收净辐射能(W/m2)；Ta为对应时刻的大气温度(℃).相关系数0.9065.

　　冠层接收的能量Rnp，用于潜热消耗LT和显热消耗H，潜热消耗的增加，使作物的蒸腾量增加。Jackson[4]的研究表明，腾发量与冠层温度呈反比关系。即腾发量增加，冠层温度会相应的降低；而显热消耗的增加亦使冠层温度减小。

　　可以看出，覆盖后植株冠层接收到的辐射能的增加是由于以下两个原因造成的：(1)地膜表面温度高于相同条件下的无膜地表温度，使得由地膜表面发出，到达冠层的长波辐射能大于由地表发出，到达冠层的长波辐射能的不覆膜情况；(2)覆膜后，由于潜显热的增加，使得冠层温度降低，因而，由冠层向外发散的长波辐射减少。

3.3 地膜覆盖蒸腾量计算公式 式(3)中冠层截留的辐射量Rnp的计算较为独立，不与公式中其它参数发生关系。利用同一公式，以覆膜农田的冠层截留净辐射(R′np)取代原式的净辐射(Rnp)即可得到覆膜条件下蒸腾量的计算公式：

LT=P0/PΔ/γR′np+ρcp/γ[e*(Ta)-ea)]/rav/P0/PΔ/γ+(1+rst/rav)

(5)

式(5)中，大气边界层阻力rav和叶面气孔阻力rst分别由下式计算：

rav=[ln(z-d/z0)]2/(k2uz)

(6)

其中:z0为冠层表面粗糙度(cm);d为零平面位移(cm);uz为z处的风速(m/s)；Stanhill及Szeica提出了z0及d的计算公式：

d=100.9791lgh-0.1536 (7)
z0= 100.9971lgh-0.883 (8)

　　卢振民认为影响气孔阻力的环境因子有五个，即净辐射Rn，空气饱和差D，叶水势φe,CO2浓度和土壤水势φs.在实测的基础上，给出如下计算公式：

rst= 1000/gc
gc=[2867LAI+0.0277(1-e-kLAI)/Rn/k][1-0.254D]/[1+φe/(-31529)4.58] (9)

式中:k为作物的消光系数;叶水势φe可根据土壤水势φs确定，也可由经验公式计算[5]。

3.4 地膜覆盖蒸腾量计算公式的验证 测坑实际耗水量可由水量平衡方程确定：

ET=I+P-F-ΔW

(10)
其中:ET为计算时段内实测蒸腾量，试验测坑采用全覆膜处理，可认为颗间蒸发量为零，ET即为蒸腾量；ΔW为计算时段内根系土壤水分变化量，可通过负压剖面获得。I、P、F分别为计算时段内的灌水量、降雨量和地下水排泄量(或补给量).图3为计算结果和实测值的比较，可以看出：两者符合较好。

3.5 地膜覆盖冬小麦耗水规律分析 地膜覆盖的节水效应体现在两个方面：

图3 地膜覆盖冬小麦蒸腾量计算值与实测值的比较

其一，通过覆盖地膜的阻水作用，抑制作物的棵间蒸发；其二，由于地膜材料的特性而使作物的耗水规律发生改变，这种改变表现在覆盖后，土壤热状况和水分状况均与不覆盖农田(同样的起始条件和外界条件)有所不同，作物长势的不同，SPAC系统能量分配与交换的改变引起了蒸腾量的改变。

3.5.1 无膜情况下冬小麦耗水量计算 由Penman Monteith公式分别计算12月1日～5月31日冬小麦的植株蒸腾量和棵间蒸发量，计算结果如图4所示。图中可以看出，作物生长初期(12月1日～2月6日)棵间蒸发量占腾发量的比重较大，但此时蒸发、蒸腾量绝对值较小；2月6日以后，由于外界的蒸发能力较弱(气温低、日照时数短)，作物遮阴率的加大以及砂姜黑土的易旱性，蒸发量始终维持在较低的水平上。
图4 冬小麦植株蒸腾量和棵间蒸发量
3.5.2 冬小麦覆膜与对照处理耗水量的比较 由于生长环境条件不同，无法进行覆盖与否的作物田间耗水量对比试验，以下假定作物长势完全相同(即叶面积指数LAI，株高H相同。事实上覆盖之后，由于土壤热状况和供水条件改善了，作物长势好于无覆膜农田，这是覆盖作物增产的原因之一)，按田间实测资料计算覆膜与对照处理冬小麦累计耗水量。采用式(5)计算覆膜情况下的蒸腾量，按式(3)计算无覆盖情况下的作物蒸腾量。所得结果如图5所示。
图5 覆膜及对照处理冬小麦累积耗水量

　　从表1中可以看出，在不考虑植株发育变化对冬小麦影响的前提下，地膜覆盖作物耗水量减少13.61%.

3.5.3 生长发育不同对作物蒸腾量变化的影响 许多田间试验表明：地膜覆盖后，作物的生长发育有明显的增加，在生理上表现在叶面积指数增大株高增加。目前从理论上进行这方面的研究尚有一定的困难。其他条件不变，采用新马桥站实测平均叶面积指数增加值(7.1%)，重新进行耗水量计算，结果如表2所示：表2中可以看出，在冬小麦叶面积增加7.1%的情况下，地膜覆盖耗水量增加1.26%.

表1 地膜覆盖冬小麦节水效应分析
处理 蒸发量/mm 蒸腾量/mm 腾发量/mm 耗水量减小率
覆膜 0 332.17 332.18 13.61%
对照 67.41 317.11 384.53 0

表2 地膜覆盖冬小麦节水效应分析

(认为覆膜处理叶面积指数增加7%)
处理 蒸发量/mm 蒸腾量/mm 腾发量/mm 耗水量减小率
覆膜 0 389.39 389.39 -1.26%
对照 67.41 317.11 384.53 0

4 结语

　　(1)试验数据表明：地膜覆盖冬小麦的冠层接收的辐射能比不覆盖情况下的要大，主要表现在长波辐射的增加上：地膜温度高于相同情况下的地表温度，导致由地膜发出的长波辐射大于地表发射出的长波辐射；覆膜后冠层温度降低，使冠层散发的辐射能减小因而使冠层接收的辐射能增加。冬小麦生长初期，叶面遮阴率较小，地膜的作用比较明显，具有明显的增温作用，因此由地膜散发出的长波辐射较同情况的地表有较大的增值。抽穗以后，地膜效应减弱，相应引起的冠层辐射能的增值减小。冬小麦生长期间，大气温度逐渐增加，且大气温度与冠层温度，地膜温度，地表温度存在一定的联系，因此，不难理解冠层单位叶面积接收辐射能与大气温度呈反比关系。

　　(2)本文通过对试验数据进行相关分析，建立了地膜覆盖冬小麦冠层接收辐射能增值与大气温度的关系，并以此对计算作物蒸腾量的Penman Monteith公式进行了修正，提出了地膜覆盖冬小麦蒸腾量的计算公式。计算结果与实测结果对照表明，该公式有一定的精度。

　　(3)必须指出：本文所提出的修正方法仅仅是针对冬小麦的；加之试验条件的限制，使本项研究仅停留在方法性研究上，模型有待于多地区和多年的试验资料进行验证和修正。但本文的研究说明，所提出的模型可以用以计算地膜覆盖冬小麦的蒸腾量。

　　(4)通过对地膜覆盖下冬小麦耗水规律的分析表明，地膜覆盖农田在能量分配上有异于不覆盖农田，能量的重新分配有利于覆盖农田农作物的生长，茂密强壮的作物自然增加水分的消耗，在农田水分有保证的前提下，这是一种良性循环，水分的消耗变成有效的作物蒸腾，形成干物质量。虽然从耗水量而言，覆盖农田作物与常规农田没有太大的差别。

参 考 文 献：

[1] 康绍忠，刘晓明。田间冬小麦蒸腾量的计算方法[J]。水科学进展，1992，(12)：264-270.

[2] 黄冠华，沈荣开，张瑜芳。作物生长条件下蒸发与蒸腾的模拟及土壤水分动态预报[J]。武汉水利电力大学学报，1995，(10)：481-487.

[3] FEDERER C A.A soil plant atmosphere model for transpiration and availability of soil water[J]。Water Resources Research,1979,15(3):555-562.

[4] JACKSON,et al.Wheat canopy temperature,A practical tool for evaluation water requirement[J]。Water Resources Research,1977,13(3):651-656.

[5] 康绍忠，刘晓明，王振镒。冬小麦叶片水势、气孔阻力、蒸腾速率与环境因素的关系[J]。灌溉排水，1991，(10)：1-6.