文冶强，杨 健，尚松浩※

（1. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；2. 中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京 100083）

基于双作物系数法的干旱区覆膜农田耗水及水量平衡分析

文冶强1，杨 健2，尚松浩1※

（1. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；2. 中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京 100083）

农田覆膜技术应用广泛，覆膜条件下农田蒸散发（ET）规律是制定合理灌溉制度、提高用水效率的基础。根据2014—2015年甘肃省石羊河流域春小麦试验观测资料率定和验证农田水量平衡模型，利用双作物系数法得到作物的耗水规律和耗水结构。结果表明，覆膜春小麦全生育期耗水比不覆膜减少 1 0%～16%，有一定的节水效果。覆膜促进了春小麦全生育期蒸腾，蒸腾占总耗水的比例在70%～74%之间，比不覆膜情况提高了25%～27%。在春小麦生长前期，覆膜能够显著降低ET；中期，覆膜能够降低土壤蒸发、促进作物蒸腾。此外，覆膜还具有促进作物前期生长、延长作物中期生长、延缓冠层衰老的作用。

作物；蒸散发；模型；双作物系数；覆膜；春小麦；水量平衡；干旱区

0 引 言

西北干旱、半干旱地区水资源短缺，供需矛盾突出，是中国缺水情况最严重的地区之一，严重影响社会经济发展[1]。在该地区水分亏缺是春小麦等农作物生长发育最主要的限制因素之一，并直接导致作物产量减少。因此，在水量缺少的条件下，合理地计划和安排有限的灌溉用水，提高灌溉水利用效率对于保证粮食安全、提高经济效益有重要影响[2]。Cooper等[3]早在1987年就指出，在水分亏缺的条件下，提高水分利用效率（water use efficiency，WUE）最有效的办法是调整土壤蒸发（E）和作物蒸腾（T）之间的比例关系。在小麦的生长过程中，作物蒸腾往往只占到蒸散发（evapotranspiration，ET）的30%～60%[4]。而一般认为覆膜技术能够调整E和T之间的关系，并提高WUE。研究覆膜条件下的作物ET和作物系数Kc对于理解覆膜作物耗水过程、合理分配灌溉用水具有重要意义。

关于覆膜对作物耗水、生长及产量的影响，国内外学者已开展了一些研究工作。Li等[5]研究了透明塑料覆膜对春小麦产量的影响，发现覆膜具有保温、保湿以及提高产量的效果；马忠明[6]研究了有限灌溉条件下的穴播地膜春小麦产量的影响机制，指出覆膜能够减少用水、提高WUE；Li等[7]通过涡度相关方法研究了覆膜春小麦的ET和Kc，发现该地区覆膜条件下春小麦的Kc大于FAO-56提供的参数；Shrestha等[8]利用双作物系数法研究了亚热带地区覆膜藤蔓作物的基础作物系数（Kcb），并指出FAO-56推荐的关于西瓜和辣椒的部分系数的不适用性，普遍高估了E，浪费了较多的灌溉用水。

由于覆膜对土壤蒸发和作物蒸腾有不同的影响，因此需要采用合适的双源蒸散发模型来分析覆膜条件下的蒸发和蒸腾。常用的双源蒸散发模型包括分层模型（如Shuttleworth-Wallace模型[9]）、分块模型（如N95模型[10]）和混合模型[11-12]，但这些模型相对比较复杂，计算时需要比较多的输入参数。FAO推荐的双作物系数法作为一种能有效分离农作物E和T的方法，计算方法简单，参数较少，并被证明是一种有效的估算方法[13]。Allen等[14]在FAO-56提供的计算方法基础上，还扩展了3种计算蒸发的方法来应对一些其他复杂情况，同时提高了计算准确率，进一步增强了双作物系数法的可靠性。

根据前人的研究，作物的耗水过程受作物种类、当地气候状况影响较大，FAO-56推荐的作物系数也不一定适用于特定的研究地区，在此基础上针对覆膜农田耗水规律及耗水结构的研究相对较少。本文根据位于西北干旱区的石羊河灌区覆膜春小麦田间观测资料，基于双作物系数法及农田水量平衡模型研究覆膜对作物耗水规律及耗水结构的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

田间试验在甘肃武威中国农业大学石羊河试验站开展，该试验站位于甘肃省武威市凉州区，地处河西走廊东部，地理位置为102°50＇E、37°52＇N，海拔为1 581 m。该区域属大陆性温带干旱气候，辐射强烈，农业地区年平均太阳总辐射量5 850～6 690 MJ/(m2·a)；昼夜温差大，降水稀少，蒸发强烈，多年平均降水量164 mm，多年平均蒸发皿蒸发量为2 000 mm[15]，是典型的荒漠绿洲灌溉农业区。该地区地下水埋深为40～50 m，试验地区土壤以沙壤土为主，种植作物为春小麦。

1.2 试验设计

田间试验于2014—2015年春小麦生长期进行。春小麦品种为永良4号，2014年于3月26日播种（播种量为401.55 kg/hm2），7月24日收获，总生育期120 d。播种前田间的初始储水量接近田间持水量，能够有效保证顺利出苗和苗期小麦对水分的需求。

试验期间共有4次灌水，灌水方式与当地相同，采用畦灌。试验设30个试验小区，每个小区规格为5.5 m×7.5 m。30个小区中每6个为1组，其中3个小区做覆膜处理，3个小区做不覆膜处理，并进行5种不同的灌水处理（表1），覆膜因子及水处理因子的两因素试验设计为完全随机试验。5种灌水处理分别是100%充分供水4次（W1）、100%充分灌水3次（减少1次灌浆期的灌水）（W2）、75%非充分灌水4次（W3）、75%非充分灌水3次（减少1次灌浆期的灌水）（W4）、50%非充分灌水4次（W5）。考虑到50%非充分灌水已经是较低的供水处理，若再缺少 1 次灌水则可能导致作物过度缺失水分而枯萎，因此不再对W5进一步设置减少1次灌水处理。

表1 试验灌水处理Table 1 Irrigation treatments

试验采用TRIME-PICO管式TDR系统测定土壤体积含水率，每个小区都布置1个，测定深度为1.6 m，测点垂向间距20 cm，每6～9 d测定1次，遇降雨或灌溉时加测。灌溉水源为地下水，灌溉水量通过水表测量控制。土壤性质通过100 cm3体积的环刀分层测定，测定深度为1.6 m，每1层取3个重复，在作物收获之后进行。试验站设有气象站，能够测量基础的气象数据，如温度、风速、降雨、相对湿度、太阳辐射等。除此以外，在试验过程中还会对作物的生长过程进行测定，包括株高等。

1.3 双作物系数法

作物系数Kc能够综合反映作物类型及其生长状况对蒸散发的影响，可表示为作物蒸散发与参考作物蒸散发的比值[16]。而作物蒸散发包括农田土壤蒸发E和作物蒸腾T两部分，本研究采用FAO-56推荐的双作物系数法计算，可表示为

式中ETc为作物蒸散发，mm；ET0为参考作物蒸散发，mm；Kc为作物系数；Kcb为基础作物系数，表示作物蒸腾情况；Ke为土壤蒸发系数，表示土壤表面的蒸发情况；Ks是水分胁迫系数，表示土壤的供水情况，反映土壤含水不足时作物蒸腾受到的影响。上述数据中，ET0通过Penman-Monteith公式[16]计算得到；Kcb及Ke的计算稍后会详细介绍；Ks一般与作物的耐旱性质及根系有效储水量有关，可以通过式（3）中的经验公式[17]计算

式中W表示根系层土壤储水量，mm；Wp为根系层凋萎点对应的储水量，mm；Wj为根系不受水分胁迫时对应的临界储水量，mm；n为指数。参数Wj、Wp和n都通过水量平衡模型的率定得到。

1.3.1 基础作物系数

FAO-56中一般将作物生长划分为初期、发育、中期以及后期 4 个阶段，并推荐了在适中的湿度（相对湿度RHmin=45%）和风速（2 m高处风速u2=2 m/s）条件下不同种类的作物各阶段的时间长度及对应的Kcb。对于不同的气候条件，值大于0.45的参考基础作物系数（中期阶段和后期阶段的基础作物系数Kcb(mid)和Kcb(end)）需要根据湿度、风速及作物高度进行一定的调整

式中 Kcb(tab)表示适中条件下、大于 0 .45的中期或后期的标准基础作物系数；u2表示相应阶段内2 m高处的日平均风速，m/s；RHmin表示对应生长阶段内日平均的最小相对湿度，%；h表示对应生长阶段内作物平均高度，m。以上数据及参数中，Kcb(tab)是FAO-56的推荐值；u2和RHmin均可从试验站的气象站数据中获得；h则通过试验过程中的株高测量获得。

考虑到作物品种、地理条件、气候条件等，本次研究中不再采用FAO-56推荐的各阶段标准基础作物系数，而是根据农田水量平衡模型和实测含水量对实际的标准基础作物系数进行率定，以达到更加准确描述土壤蒸发与作物蒸腾过程的目的。

1.3.2 土壤蒸发系数

Ke用于描述作物蒸散发 E Tc中的土壤蒸发部分。在灌溉或降雨之后，通常土壤表层会较湿，此时Ke能达到最大值，但总的Kc不能超过某个限度(Kc(max))；随着土壤表面水分逐渐减少，Ke也会逐渐减小，甚至为0。一般表示为

式中Kc(max)为降雨或灌溉后Kc的上限；Kr为土壤蒸发衰减系数，用于表示土壤表面水分减少后Ke受到的影响；few是土壤表面暴露和湿润部分的比例。

FAO-56推荐的Kc(max)计算方法为

式中hmax表示4个生长阶段内作物平均高度的最大值，m，通过株高测量获得。

一般认为，土壤表面蒸发可分为 2 个阶段：能量限制阶段和水分限制阶段。第1个阶段内，由于水分充足，因此蒸发衰减系数Kr取为1；第2个阶段内，Kr需要根据每日土壤表面的水量平衡进行计算，可表示为

式中 De,i-1表示截止到第 i -1天的累积蒸发深度，mm；TEW表示土壤表层的可蒸发深度，mm；REW表示土壤表面易蒸发的水量，mm。当De,i-1不超过易蒸发深度REW时，即为土壤蒸发的第1阶段，Kr=1；当De,i-1达到TEW时，Kr=0。TEW与REW的取值和土壤性质及可蒸发的土壤表面深度有关，根据FAO推荐，本次研究中农田土壤类型为沙壤土，0.10 m深的表层土壤中TEW与REW分别为20和8 mm[16]。

土壤蒸发的有效部分few的取值取决于2方面因素：一方面，随着作物的生长，作物覆盖率（fc）逐渐增大，相对应的暴露的可蒸发面积比例（1–fc）会逐渐减小；另一方面，由于灌溉方式的不同，湿润的土壤表面比例（fw）也有一定差异。而对于覆膜的土壤，few可表示为

上式的fc和fw的取值范围都在0.01～1之间，本次试验中采用畦灌的方式灌溉，因此不覆膜情况下fw取为1，在覆膜情况下fw应综合考虑2方面的因素：通过膜的通气孔蒸发的部分以及没有被覆盖且湿润的土壤表面蒸发的部分。在本次研究中，试验区域的农田达到了全覆盖，因此只考虑通过膜孔的蒸发。一般而言，计算中的通气孔有效面积是实际通气孔物理面积的2～4倍，甚至更高。因此，覆膜条件下的fw表达为

式中α和N分别为膜孔有效面积系数和膜孔数量；Ah和Atotal分别表示单个膜孔的面积和覆膜农田总面积，m2。其中，α通过水量平衡模拟率定得到；N和Ah由穴播机播种的穴数及穴孔大小决定，穴孔根据现场观察取边长为3 cm的正三角形；Atotal通过面积计算取为41.25 m2。

作物覆盖率fc的取值与作物的生长情况有关，由下式决定：

式中Kc(min)是无覆盖条件干燥土壤的最小Kc值；h是作物的平均高度，与公式（4）中h相同，m。

每日的土壤累积蒸发深度De需要通过每日的表层土壤水量平衡计算得到，表达式如下

式中De,i-1和De,i分别表示i–1和i天的土壤表层累积蒸发深度，取值范围在0～TEW之间，mm；Pi、Ii、Ei、Ri、Tew,i、DPe,i分别表示第i天的降雨、灌溉、土壤蒸发（Ei=Ke·ET0）、土壤表面径流、表层土壤蒸腾和顶部土壤渗漏损失，mm。其中Pi是气象数据，通过试验站的气象站获得；Ii为试验控制变量，如表1所示；Ei则根据前1 d的Ke及ET0计算得到；Ri和Tew,i在研究区一般为0[18]；DPe,i只在土壤储水量超过持水能力时才会产生，计算公式为

1.4 水量平衡模型

农田水量平衡本质上是描述一段时间内，作物有效根系层内的土壤水补给与消耗的平衡关系。应用该模型的关键在于确定模型中各水量要素及要素之间的关系，王会肖等[19]对农田水量平衡模型中的降雨、径流、土壤水、蒸散发等要素各自的特征及彼此之间的关系进行了比较详细的论证。尚松浩[20]通过基于 1 套简单有效的农田水量平衡模拟模型，模拟了非充分灌溉制度下的北京冬小麦的耗水情况。

本次研究中使用的田间水量平衡模型以作物根系层的土壤储水量为状态变量，将其他不确定的农田水文要素以土壤储水量表示出来。由于每日土壤储水量的动态变化特性，因此模型需要逐步迭代求解，最终计算得到日尺度的田间水文要素变化，也符合双作物系数法中计算Ke的日尺度需求。

根据上述对农田水量平衡过程的分析，构建如图1所示的水量平衡模型。农田水量平衡方程的表达式[20]为

式中Wi+1和Wi分别表示第i+1和i时段的土壤储水量，Pi、Ii和Ri与公式（11）中含义相同，ETi和Qi分别表示第i时段的田间蒸散发以及根系层底部水分交换量，mm。其中，ETi根据双作物系数法计算；Qi可通过以下经验公式估算[21]

式中Wf为土壤田间持水量，mm，通过现场剖面取土饱和失水后测得，取值为270 mm；Wc为根系层与底部土壤发生水分交换的临界水量，mm，主要受土壤性质和地下水埋深影响；a、d为经验参数。除Wf以外，其余参数均通过模型率定得到。

图1 农田水量平衡模型示意图Fig.1 Schematic diagram of water balance in farmland

1.5 模型参数率定方法

模型中所有未知变量都能够通过一定的模型或经验公式估算，并转变为关于当前储水量Wi的相关表达式。从初始储水量W0作为模拟初始值，通过每一阶段的初始储水量Wi，模型能计算出该阶段末的储水量Wi+1，即

式中fj代表需要根据当前储水量Wi计算的水量平衡分量，pj1、pj2等表示该分量中待率定的参数，ci为与当前储水量Wi无关的常数项。

通过调整参数，使模型模拟得到的土壤储水量与实测结果尽可能地贴近，以此达到获得合理参数的目的。本次研究中采用模拟值与实测值之间的均方根误差（root mean square error，RMSE）作为模拟好坏程度的指标，RMSE达到最小时对应的参数即为所求参数，即

式中Wobs,ij和Wmodel,ij分别表示第j组试验的第i个实测的土壤储水量和对应的模拟值，M表示总试验组数，m表示每组试验的实测值总数，p1、p2等表示需要率定的参数。

RMSE的优化通过遗传算法得以实现。遗传算法是一种随机搜索算法，能够克服局部收敛问题，是一种全局的优化搜索方法[22]，可用于多种情况，如线性、非线性、离散、连续等情况。基于遗传算法可以计算得到较好模拟情况下的各参数值。

2 结果与分析

2.1 水量平衡模型参数率定及验证

通过农田水量平衡原理，对覆膜及不覆膜条件下5种灌水处理的作物根系层土壤水分变化进行模拟。模拟过程中，通过试验获得的参数包括田间持水量W（f270 mm）、以及各试验处理的初始含水量W0，其余模型参数则是通过水量平衡模拟率定得到（表2）。其中2014年的试验资料用于模型率定，2015年的试验资料用于模型验证。

根据以上参数进行农田水量平衡模拟，得到不覆膜、覆膜条件下均方根误差分别为15.03和16.85 mm。两者的模拟效果整体较好，说明模型及参数可以较好地模拟2014年覆膜、不覆膜条件下的土壤水分动态变化过程。以W1、W3及W5水分处理的实测值和模拟值的对比为例，见图2。

表2 模型参数取值范围及率定结果Table 2 Range and calibration results of model parameters

图2 3种灌水处理（W1、W3和W5）不覆膜及覆膜农田水量平衡模拟结果与实测值的比较（2014年，模型率定期）Fig.2 Comparisons of simulated and observed soil water storage in 1 m soil layer for irrigation treatment W1,W3 and W5 of spring wheat without and with mulch(2014,model calibration period)

进一步基于2015年春小麦的试验数据，对建立的水量平衡模型进行验证，模拟得到的不覆膜、覆膜条件下均方根误差分别为20.56和20.71 mm。图3为W1、W3及W5水分处理土壤储水量实测值和模拟值的对比，验证效果仍较好，因此率定得到的参数及建立的模型是可靠的。

图3 3种灌水处理（W1、W3和W5）不覆膜及覆膜农田水量平衡模拟结果与实测值的比较（2015年，模型验证期）Fig.3 Comparisons of simulated and observed soil water storage in 1 m soil layer for irrigation treatment W1,W3 and W5 of spring wheat without and with mulch(2015,model verification period)

2.2 作物耗水过程分析

2.2.1 作物实际耗水比较

根据水量平衡模拟结果，可以得到不同处理下作物实际的总耗水过程。以W1灌水处理为例，覆膜、不覆膜情况下的蒸散发过程见图4。可以看到，前期覆膜能够起到较好的节水效果，进入发育阶段后，由于表层土壤水分的不足，不覆膜下的ET迅速降低，而覆膜春小麦的ET则相对稳定上升，到中后期，二者的ET接近，不覆膜春小麦的ET略大于覆膜春小麦。

图4 春小麦蒸散发过程比较(以W1处理为例)Fig.4 Comparison of evapotranspiration processes for spring wheat(a case study of treatment W1)

春小麦耗水与灌溉定额和灌水次数的分布有关（图5），灌溉定额越大，灌水次数越多，总耗水越大。基于SPSS的最小显著性差异法（LSD）检验发现不同水平的灌水处理间作物的耗水没有显著性差异，但5种灌水处理下，覆膜和不覆膜间的耗水呈现极显著差异（P<0.01），覆膜耗水普遍偏低，分别减少11.00%、10.17%、12.07%、11.81%和15.68%，因此本次试验中，覆膜起到了较好的节水效果。

图5 不同灌水处理下春小麦蒸散发比较Fig.5 Comparison of total ET for spring wheat under different irrigation treatments

覆膜与不覆膜各阶段时长有所差异（表3），表明覆膜能缩短春小麦初期生长时间，延长中期生长时间。作物各阶段的供水（降雨Pr+灌溉I）、耗水量及耗水速率见表4、5、6。

表3 春小麦各生长阶段时长Table 3 Duration of different growing stages of spring wheat d

表4 春小麦各生长阶段供水Table 4 Water supply in different growing stages of spring wheat mm

覆膜条件下，初始阶段（03-26—04-27）的供水完全满足耗水需求；发育阶段（04-28—06-01）除 W1、W2以外，其他灌水处理供水略小于耗水；中期阶段（06-02—07-11）W1、W3、W5作物的供水能满足耗水，W2、W4作物的供水略有不足；后期阶段（07-12—07-23）同中期阶段相似。总体而言，W1、W3和W5的供水基本能满足作物耗水（Pr+I－ET为6～148 mm），W2和W4供水会略显不足（Pr+I－ET为-42～-11 mm）。

表5 春小麦各生长阶段耗水Table 5 Evapotranspiration in different growing stages of spring wheat mm

不覆膜条件下，供水不足主要出现在初始阶段（03-26—05-04）；发育阶段（05-05—06-08）、后期阶段（07-09—07-23）的供需关系与覆膜条件下相似；中期阶段（06-09—07-08）供水完全满足耗水需求。相比于覆膜作物，不覆膜条件下供水不足的情况更严重，W2、W4和W5作物都出现了严重的缺水（Pr+I－ET为-84～-48 mm）。

表6 春小麦各生长阶段平均每日耗水Table 6 Mean daily evapotranspiration in different growing stages of spring wheat mm·d-1

整体上看，生长前期，作物耗水速率最低，未覆膜作物耗水速率为2.7 mm/d，覆膜作物耗水速率为1.0 mm/d，两者具有极显著差异（P<0.01），覆膜春小麦的耗水量相对减少69.03%。发育阶段，覆膜与不覆膜的春小麦耗水速率及耗水量相近，没有显著差异，其耗水量约为 108 mm，耗水速率约为3.1 mm/d。生长中期，耗水速率达到或接近峰值，不同条件下蒸散发速率为3.1～4.2 mm/d，其中覆膜作物耗水量较大。后期阶段覆膜与不覆膜条件下春小麦耗水量为30～54 mm，两者的耗水速率基本相近，在3.5 mm/d左右，在此阶段W2、W4未覆膜作物耗水速率达到峰值。

就W1、W3、W5三个处理而言，作物各阶段耗水量及耗水速率变化过程一致，但随着灌水量减少，中期和后期的耗水量受到较大的影响，阶段耗水量及耗水速率分别减少了2～27 mm及0.1～1.3 mm/d，彼此间差异并不显著。比较W1、W3、W5与W2、W4中期阶段的耗水差异发现，覆膜作物在缺少灌溉条件下（W2、W4）受水分胁迫的影响较小，而未覆膜春小麦中期阶段受水分胁迫影响较大，耗水速率相较于覆膜处理分别降低0.5和0.4 mm/d。

2.2.2 作物系数比较

图6比较了覆膜与不覆膜处理下春小麦基础作物系数、土壤蒸发系数和作物系数（以W1处理为例）。从图6a可看出，经过公式（4）调整后，不覆膜条件下初期、中期、后期基础作物系数分别为0.101、0.739、0.300，覆膜条件下分别为0.150、0.894、0.686。覆膜条件下，基础作物系数在全生育期都有所提高，因此覆膜显著提高了春小麦整个生育期蒸腾。此外，覆膜后期基础作物系数降低缓慢，可见覆膜也具有抗冠层衰老的作用。本次试验中，在前期，覆膜使春小麦提前7 d左右进入发育阶段；在中期，覆膜促进春小麦保持更久的旺盛时期，相较于不覆膜处理延长了近10 d。

图6 覆膜、不覆膜基础作物系数、土壤蒸发系数和作物系数比较（以W1处理为例）Fig.6 Comparisons of basal crop coefficient,soil evaporation coefficient and crop coefficient with and without mulch(a case study of treatment W1)

从图6b发现覆膜在多数时候能够有效降低土壤蒸发系数Ke，并使Ke相对平稳。从图6c可以看到，多数时期覆膜的作物系数Kc较小，尤其在前期和中期，Kc明显降低。并且覆膜有效降低了春小麦全生育期Kc的最大值，覆膜和未覆膜最大Kc分别为1.107和1.214，覆膜条件下相对降低了8.81%。

2.2.3 作物蒸腾及土壤蒸发比较

覆膜、不覆膜条件下蒸发、蒸腾过程见图7（以W1处理为例）。可以看到，不覆膜作物前期土壤蒸发远大于作物蒸腾，直到土壤表层水分逐渐减少，在发育阶段初期由于表层土壤水分不足，蒸发速率迅速降低至接近于0，并在灌溉水重新补充后恢复了较大的蒸发速率，至中后期由于作物冠层覆盖面积增大，蒸发速率以相对较低的值波动。而在覆膜时，土壤蒸发速率在整个生育期均处于较低水平，并在发育阶段后就远小于作物蒸腾速率；同时全生育期中的作物蒸腾均大于不覆膜条件下的作物蒸腾。

图7 覆膜、不覆膜土壤蒸发和作物蒸腾分离比较(以W1处理为例)Fig.7 Separation of evaporation and transpiration with and without mulch(a case study of treatment W1)

覆膜、不覆膜不同灌水处理的蒸发E、蒸腾T见表7。就覆膜的影响来看，覆膜的E和T分别在93～94和220～260 mm之间，不覆膜的E和T分别在196～213和159～186 mm之间，覆膜对E和T均有极显著的影响（P<0.01），因此覆膜能够有效减少土壤蒸发，增加作物蒸腾。未覆膜条件下的作物蒸腾量占总耗水的43%～47%左右，Yunusa等[4]指出，在小麦的生长过程中，作物蒸腾往往只占到蒸散发的30%到60%，因此结果是可靠的。而覆膜条件下的T/ET在70%～74%之间，相对于不覆膜提高了25%～27%，并且覆膜及不覆膜的T/ET具有极显著差异（P<0.01），因此，覆膜显著提高了全生育期的作物蒸腾比例。

表7 各灌水处理下土壤蒸发量和作物蒸腾量Table 7 Evaporation and transpiration under different irrigation treatments

2.3 农田水量平衡分析

农田水量平衡要素中的土壤水分状况、根系层底部水分交换量、外界水分供给量如表8 所示。可以看出，部分处理中，根系层底部水分交换量较大，表明在这些处理中从根系层底部向土壤深层渗漏的水量较大，这是由于试验田初始的土壤储水量很大，导致前期土壤水渗漏过多，可见，前期过高的土壤水含量容易造成浪费，在耕前灌水时应注意。此外，除去初始和最后的土壤含水量变化，得到的土壤水利用量随供水增多而减小，甚至为负值，因此，适当的亏缺灌溉能更有效地利用土壤水。

表8 农田水量平衡分析结果Table 8 Water balance components in farmland

3 讨论

3.1 覆膜对作物耗水总量的影响

目前覆膜对农田作物耗水总量影响的研究中，多数试验发现覆膜能够减少作物的ET。Chakraborty等[23]发现覆膜能够有效改善表层土壤的水分及温度条件，从而减少作物生育期总耗水，并减少干旱期土壤水分的波动；Yaghi等[24]研究覆膜及滴灌对黄瓜水分利用效率（WUE）的影响，也发现覆膜能够降低作物的耗水，从而提升WUE。本研究发现覆膜能够降低10%～16%的耗水，也表明了覆膜的节水效果，与以上研究结果一致。

但是部分学者也提出，覆膜可能导致更大的耗水。Xie等[25]基于甘肃张掖的春小麦试验结果，发现全生育期覆膜的春小麦由于有了相对更大的叶面积指数（LAI）进而产生了更高的ET。本研究中覆膜提高了中期阶段、后期阶段的作物系数，提高了作物的蒸腾量，这也表明，如果作物的中期和后期阶段足够长，覆膜可能导致更大的ET。因而，模型有待进一步在更多干旱区进行验证，以检验覆膜是否依旧能够减少总耗水；另外，在中后期阶段时间较长的情况下，若覆膜作物ET大于不覆膜作物，覆膜是否能够提升WUE，还有待结合产量模型进一步研究。

3.2 覆膜对作物耗水过程的影响

一般而言，作物耗水过程呈先增大后减小的趋势，而对覆膜作物而言，侯慧芝等[26]发现覆膜能够促进春小麦生长前贮存更多水分，供旺盛期生长利用；Xie等[25]指出覆膜的耗水速率在分蘖前相对不覆膜较低，而在分蘖之后则更高。本研究基于模型模拟结果发现，覆膜在前期能够节约大量水分（69.03%），该阶段覆膜具有较好的保湿节水效果。张强等[27]研究了半干旱地区干旱胁迫对春小麦蒸散发的影响，指出春小麦在初期、发育期、中期和后期的需水量分别为0.7、3.0、5.0和2.9 mm/d，与本次研究 W 1处理得到的春小麦耗水速率有一定差异（分别为2.8，3.1，4.2和3.6 mm/d），可能是因为研究地气候条件、作物品种不同。具体来看，初始阶段耗水速率较大，是由于试验前各农田进行了 1 次灌水，使得初期土壤含水量较大；中期阶段耗水速率较低，与春小麦受到的水分胁迫有一定关系；后期阶段的耗水速率偏大，与本次试验中春小麦冠层凋萎速度较慢，以及后期经历的1场连续降雨有关（连续3日降雨共计30 mm）。

就阶段供水及耗水关系而言，覆膜作物水分不足主要出现在发育阶段到中期阶段，而不覆膜作物的水分不足主要出现在初期阶段和发育阶段，因此覆膜农田一般在中后期更易缺水，而前期水分的供应则更容易影响不覆膜作物。中后期的缺水往往会使覆膜作物受到更加严重的水分胁迫，从而导致产量减少。有研究提出，覆膜时间对于作物耗水及产量有较大影响，杜延军等[28]研究发现，由于覆膜后期的高耗水，低底墒作物产量显著下降，甚至低于不覆膜作物，最佳覆膜时间在播种后 6 0 d左右；Li等[5]指出保持较长的覆膜时间是不必要的。因此，为进一步提升覆膜在节水增产上的效果，还需开展多组除膜试验，并基于除膜试验数据建立新模型，并结合产量模型，以探究覆膜后除膜对石羊河流域作物耗水及产量的影响。

3.3 覆膜对作物耗水结构的影响

众多试验结果发现，覆膜能够显著减少土壤蒸发。Li等[29]研究覆膜对中国干旱区域蒸发的影响，发现覆膜能够降低土壤蒸发，提升土壤水残留量。本研究发现，就耗水结构而言，如表7所示，覆膜显著提升了作物蒸腾（61～74 mm），减少土壤蒸发（105～119 mm），从而提升了作物蒸腾比（T/ET），有效调节了作物的耗水结构。此外，覆膜条件下土壤蒸发几乎不受灌水处理影响，灌溉用水的减少仅仅影响作物的蒸腾量，这是由于覆膜对于土壤表层具有保湿的作用，因此能够维持稳定的土壤蒸发。李世清等[30]研究了半干旱区春小麦覆膜效果时发现，覆膜能够有效提高0～20 cm土壤层含水量。可见灌溉用水减少会直接影响相对深处根系层土壤水分，从而影响作物蒸腾。未来研究应考虑结合作物产量模型，分析覆膜改变耗水结构后对WUE及作物产量的影响。

3.4 覆膜对作物系数及生育期的影响

就作物系数而言，FAO-56推荐的相关基础作物系数分别为0.15、1.10、0.15～0.30[18]，本文研究得到的基础作物系数中，中期作物系数Kcb(mid)偏低，这可能是因为作物品种、地区气候等因素导致的差异性，Amayreh等[31]，Shrestha等[8]也得到了相似的结论。就覆膜对作物生育期的影响来看，本研究覆膜在前期促进了作物的生长，中期延长了旺盛阶段，后期延缓了冠层衰老。类似地，王俊等[32]在研究地膜覆盖对土壤水量的影响中发现，覆膜的增温保墒作用有利于作物前期的生长。Li等[5]在春小麦覆膜的试验中发现覆膜有效地缩短了春小麦的出苗期。本研究中模型的参数通过2015年数据得到了较好的验证，还需要在更多的地方应用，以证明作物系数的适用性，并分析影响作物系数变化的主要因素。

3.5 覆膜对农田水量平衡的影响

基于表8，可发现由于初始土壤储水量过大，前期渗漏也相对较大，因此对覆膜而言，前期大量的水被浪费。基于3.2节的分析可知，前期的缺水对不覆膜影响较大，由于本次试验中各处理初始含水量都较大，本次试验覆膜的前期保墒优势相对不明显。进一步分析农田总供水量（P+I－ΔW）与总耗水（ET）的关系，ET随P+I－ΔW的增加均呈现线性增加趋势，但覆膜条件下的相关性更好，R2达到0.950 2，不覆膜条件下R2为0.846 8。另外，覆膜和不覆膜的斜率分别为0.242 7和0.235 5，覆膜的斜率相对较大，表明在相同供水增量下，覆膜能够产生更高的蒸散发增量，因此覆膜对单位供水的有效利用率（转化成ET的比例）相对更高。二者截距分别为221.2和264.9 mm，截距所在点表示作物仅依靠根系层底部水分补给生长所需的基础水量，覆膜较小的截距表明，覆膜时作物基础生长条件更低。

4 结 论

1）覆膜能够有效改变作物的总耗水过程，并具一定的节水、保湿效果。覆膜全生育期耗水比不覆膜情况减少10%～16%，缺水时，能减小作物耗水速率受水分胁迫的影响；

2）覆膜能够提高作物全生育期的基础作物系数，并降低了作物系数的峰值；

3）覆膜能促进作物前期生长，延长中期旺盛生长的持续时间，并延缓冠层衰老；

4）覆膜能够有效调整作物的耗水结构，促进作物蒸腾，减小土壤蒸发，将作物蒸腾量占总耗水比例提升25%～27%。

[1] 陈亚宁，杨青，罗毅，等. 西北干旱区水资源问题研究思考[J]. 干旱区地理，2012，35(1)：1－9. Chen Yaning,Yang Qing,Luo Yi,et al. Ponder on the issues of water resources in the arid region of northwest China[J]. Arid Land Geography,2012,35(1):1－9.(in Chinese with English Abstract)

[2] Singh A. Irrigation planning and management through optimization modeling[J]. Water Resources Management,2014,28(1):1－14.

[3] Cooper P J M,Gregory P J,Keatinge J D H,et al. Effects of fertilizer,variety and location on barley production under rainfed conditions in Northern Syria 2. Soil water dynamics and crop water use[J]. Field Crops Research,1987,16(1):67－84.

[4] Yunusa I A M,Belford R K,Tennant D,et al. Row spacing fails to modify soil evaporation and grain yield in spring wheat in a dry Mediterranean environment[J]. Australian Journal of Agricultural Research,1993,44(4):661－676.

[5] Li F M,Guo A H,Hong W. Effects of clear plastic film mulch on yield of spring wheat[J]. Field Crops Research,1999,63(1):79－86.

[6] 马忠明. 穴播地膜小麦有限灌溉的产量效应及其影响机制[J]. 干旱地区农业研究，1999，17(1)：67－71. Ma Zhongming. The yield effects and its influencing mechanism for bunch planting wheat covered with plastic film under limited irrigation[J]. Agricultural Research in the Arid Areas,1999,17(1):67－71.(in Chinese with English Abstract)

[7] Li S,Kang S,Li F,et al. Evapotranspiration and crop coefficient of spring maize with plastic mulch using eddy covariance in northwest China[J]. Agricultural Water Management,2008,95(11):1214－1222.

[8] Shrestha N K,Shukla S. Basal crop coefficients for vine and erect crops with plastic mulch in a sub-tropical region[J]. Agricultural Water Management,2014,143:29－37.

[9] Shuttleworth W J,Wallace J S. Evaporation from sparse crops-an energy combination theory[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,1985,111(469):839－855.

[10] Norman J M,Kustas W P,Humes K S. Source approach for estimating soil and vegetation energy fluxes in observations of directional radiometric surface temperature[J]. Agricultural and Forest Meteorology,1995,77(3):263－293.

[11] Guan H,Wilson J L. A hybrid dual-source model for potential evaporation and transpiration partitioning[J]. Journal of Hydrology,2009,377(3/4):405－416.

[12] 杨雨亭，尚松浩. 双源蒸散发模型估算潜在蒸散发量的对比[J]. 农业工程学报，2012，28(24)：85－91. Yang Yuting,Shang Songhao. Comparison of dual-source evapotranspiration models in estimating potential evaporation and transpiration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(24):85－91.(in Chinese with English Abstract)

[13] Allen R G. Using the FAO-56 dual crop coefficient method over an irrigated region as part of an evapotranspiration intercomparison study[J]. Journal of Hydrology,2000,229(1/2):27－41.

[14] Allen R G,Smith M,Wright J L,et al. FAO-56 dual crop coefficient method for estimating evaporation from soil and application extensions[J]. Journal of Irrigation &Drainage Engineering,2005,131(1):2－13.

[15] Jiang X L,Kang S Z,Li F S. Evapotranspiration partitioning and variation of sap flow in female and male parents of maize for hybrid seed production in arid region[J]. Agricultural Water Management,2016,176:132－141.

[16] Allen R G,Pereira L S,Raes D,et al. Crop Evapotranspiration -Guidelines for Computing Crop Water Requirements[M]. Rome:Food and Agriculture Organization of the United Nations,1998.

[17] 康绍忠，刘晓明，熊运章. 土壤-植物-大气连续体水分传输理论及应用[M]. 北京：水利电力出版社，1994.

[18] 赵丽雯，吉喜斌. 基于FAO-56双作物系数法估算农田作物蒸腾和土壤蒸发研究：以西北干旱区黑河流域中游绿洲农田为例[J]. 中国农业科学，2010，43(19)：4016－4026. Zhao Liwen,Ji Xibin. Quantification of transpiration and evaporation over agricultural field using the FAO-56 dual crop coefficient approach:A case study of the maize field in an oasis in the middle stream of the Heihe River Basin in northwest China[J]. Scientia Agricultura Sinica,2010,43(19):4016－4026.(in Chinese with English Abstract)

[19] 王会肖，刘昌明. 农田蒸散、土壤蒸发与水分有效利用[J].地理学报，1997，52(5)：447－454. Wang Huixiao,Liu Changming. Evapotranspiration,soil evaporation and water efficient use[J]. Acta Geographica Sinica,1997,52(5):447－454.(in Chinese with English Abstract)

[20] 尚松浩. 作物非充分灌溉制度的模拟—优化方法[J]. 清华大学学报：自然科学版，2005，45(9)：1179－1183. Shang Songhao. Simulation-optimization method for crop irrigation scheduling with limited water supplies[J]. Journal of Tsinghua University:Science and Technology,2005,45(9):1179－1183.(in Chinese with English Abstract)

[21] 王仰仁. 冬小麦田间水分转化及水分生产函数研究[D].北京：清华大学，1996. Wang Yangren. Study of the Transformation of Water in the Field and Water Production Function for Winter Wheat[D]. Beijing:Tsinghua University,1996.(in Chinese with English Abstract)

[22] 尚松浩. 水资源系统分析方法及应用[M]. 北京：清华大学出版社，2006.

[23] Chakraborty D,Nagarajan S,Aggarwal P,et al. Effect of mulching on soil and plant water status,and the growth and yield of wheat(Triticum aestivum L.) in a semi-arid environment[J]. Agricultural Water Management,2008,95(12):1323－1334.

[24] Yaghi T,Arslan A,Naoum F. Cucumber(Cucumis sativus,L.) water use efficiency(WUE) under plastic mulch and drip irrigation[J]. Agricultural Water Management,2013,128:149－157.

[25] Xie Z K,Wang Y J,Li F M. Effect of plastic mulching on soil water use and spring wheat yield in arid region of northwest China[J]. Agricultural Water Management,2005,75(1):71－83.

[26] 侯慧芝，吕军峰，郭天文，等. 旱地全膜覆土穴播对春小麦耗水、产量和土壤水分平衡的影响[J]. 中国农业科学，2014，47(22)：4392－4404. Hou Huizhi,Lü Junfeng,Guo Tianwen,et al. Effects of whole field soil-plastic mulching on spring wheat water consumption,yield,and soil water balance in semiarid region[J]. Scientia Agricultura Sinica,2014,47(22):4392－4404.(in Chinese with English Abstract)

[27] 张强，王文玉，阳伏林，等. 典型半干旱区干旱胁迫作用对春小麦蒸散及其作物系数的影响特征[J]. 科学通报，2015，60(15)：1384－1394. Zhang Qiang,Wang Wenyu,Yang Fulin,et al. The influence of drought stress on spring wheat evapotranspiration and crop coefficients in semi-arid areas[J]. Chinese Science Bulletin,2015,60(15):1384－1394.(in Chinese with English Abstract)

[28] 杜延军，李自珍，李凤民. 半干旱黄土高原地区地膜覆盖和底墒对春小麦生长及产量的影响[J]. 西北植物学报，2004，24(3)：404－411. Du Yanjun,Li Zizhen,Li Fengmin. Effects of plastic film mulch and pre-sowing soil water on growth and yield of spring wheat in semi-arid areas of Loess Plateau[J]. Acta Botanica Boreali-occidentalia Sinica,2004,24(3):404－411.(in Chinese with English Abstract)

[29] Li S X,Wang Z H,Li S Q,et al. Effect of plastic sheet mulch,wheat straw mulch,and maize growth on water loss by evaporation in dryland areas of China[J]. Agricultural Water Management,2013,116(2):39－49.

[30] 李世清，李东方，李凤民，等. 半干旱农田生态系统地膜覆盖的土壤生态效应[J]. 西北农林科技大学学报：自然科学版，2003，31(5)：21－29. Li Shiqing,Li Dongfang,Li Fengmin,et al. Soil ecological effects of plastic film mulching in semiarid agro-ecological system[J]. Journal of Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry:Natural Science Edition,2003,31(5):21－29.(in Chinese with English Abstract)

[31] Amayreh J,Al-Abed N. Developing crop coefficients for field-grown tomato(Lycopersicon esculentum Mill.) under drip irrigation with black plastic mulch[J]. Agricultural Water Management,2005,73(3):247－254.

[32] 王俊，李凤民，宋秋华，等. 地膜覆盖对土壤水温和春小麦产量形成的影响[J]. 应用生态学报，2003，14(2)：205－210. Wang Jun,Li Fengmin,Song Qiuhua,et al. Effects of plastic film mulching on soil temperature and moisture and on yield formation of spring wheat[J]. Chinese Journal of Applied Ecology,2003,14(2):205－210.(in Chinese with English Abstract)

Analysis on evapotranspiration and water balance of cropland with plastic mulch in arid region using dual crop coefficient approach

Wen Yeqiang1,Yang Jian2,Shang Songhao1※
(1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2. Center for Agricultural Water Research in China,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

Plastic mulch has been widely used in agricultural production,especially in arid and semiarid regions. The study of crop evapotranspiration and crop coefficient in fields with plastic mulch is the base for irrigation scheduling and improving water use efficiency,especially in Northwest China where water shortage happens frequently. Based on field experiment data of spring wheat in 2014-2015 in the Shiyang River Basin Experiment station in Gansu province,water balance components over the spring wheat field was analyzed using the dual crop coefficient approach for crop evapotranspiration and a field water balance model through calibration and verification. The pattern and structure of water consumption under different irrigation treatment with and without mulch was revealed by simulating the variation of soil water content in the whole growing stage of spring wheat. The results showed that evapotranspiration of spring field with mulch was reduced by 10% to 16% for different irrigation treatment compared with field without mulch,which indicated the effect of water saving for plastic mulch. The plastic mulch attained the optimal effect of saving water at the initial stage and reduced the water consumption by 69.03% in the stage compared to no mulch. At the development stage,the water consumption and its rate was similar for spring wheat with or without mulch. After stepping into mid stage,plastic mulch achieved a similar evapotranspiration rate due to the higher crop transpiration. According to the analysis for water supply and consumption,the water scarcity period was at the mid or late stage for spring wheat with mulch and initial or development stage for spring wheat without mulch. Hence irrigating late properly could be advantage for plastic mulch. In the study,the calibrated basal crop coefficients for initial,mid and late stage were separately 0.101,0.751 and 0.300 for spring wheat without mulch and 0.150,0.900 and 0.700 for spring wheat with mulch. The basal crop coefficient in mid stage was relatively lower in this research compared to the recommended value in FAO-56 due to the difference of variety,district and climate. The larger basal crop coefficient for plastic mulch led to a higher transpiration of spring wheat in the whole stage,which adjusted the structure of evapotranspiration efficiently. The fractions of transpiration to evapotranspiration were 43%-47% and 70%-74% for spring wheat without and with mulch which meant that plastic mulch increased the fraction by 25%-27%.The evaporation was relatively stable for plastic mulch treatment due to the effect of saving moisture of the topsoil layer and limitation of the vent holes. Through the analysis of field water balance,it was seen that amount of soil water was wasted for the exorbitant initial soil water content especially for plastic mulch field. Therefore,the irrigation amount before sowing should be controlled to avoid the waste of water. Moreover,plastic mulch had an effect on influencing the growth of spring wheat. In the previous growth stage,plastic mulch can promote the rate of growth and shorten the initial stage for seven days;while in the middle and late stages,plastic mulch can prolong the length of middle stage for 10 days and delayed canopy senescence.

crops;evapotranspiration;models;dual crop coefficient;plastic mulch;spring wheat;water balance;arid region

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.019

S271

A

1002-6819(2017)-01-0138-10

文冶强，杨 健，尚松浩. 基于双作物系数法的干旱区覆膜农田耗水及水量平衡分析[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：138－147.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.019 http://www.tcsae.org

Wen Yeqiang,Yang Jian,Shang Songhao. Analysis on evapotranspiration and water balance of cropland with plastic mulch in arid region using dual crop coefficient approach[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):138－147.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.019 http://www.tcsae.org

2016-06-08

2016-10-15

国家自然科学基金项目（51279077，51379207）；国家科技支撑计划课题（2013BAB05B03）。

文冶强，博士生，主要从事农业水文水资源研究。北京 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，100084。Email：wenyq15@mails.tsinghua.edu.cn

※通信作者：尚松浩，博士，副教授，博士生导师，主要从事农业水文水资源与生态用水研究。北京 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，100084。Email：shangsh@tsinghua.edu.cn

中国农业工程学会会员：尚松浩（E041200158S）