张紫森，汤鹏程，徐 冰，李仙岳，杨 波，王国帅，李泽坤

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.中国水利水电科学研究院内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站，北京 100038；3.中国水利水电科学研究院牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020）

0 引 言

拉萨河谷位于青藏高原“一江两河”流域，具有强辐射、高寒缺氧、干旱少雨的特点，其水利设施相对落后，田间灌溉多以大水漫灌和畦灌为主[1]。有研究表明拉萨河谷平均年潜在蒸散量在1 190 mm 以上，且正在以8.21 mm/10a 的速度增加[2]，蒸散量的过高不利于作物生长甚至可能导致干旱减产。喷灌通过改变SPAC 系统之间的水热交换过程，影响农田小气候并减少蒸散量，使作物生长环境得到改善的同时达到节水灌溉的目的。

适宜的农田小气候有利于作物高产、稳产，反之则会抑制作物生长[3]。蒸散量是表面能量平衡过程的重要组成部分，能客观反映作物生理生长状况，对于决定灌水需求，制定灌溉制度，开展农业水资源管理具有重要指导意义[4]。近年来国内外学者对喷灌对农田小气候和蒸散的影响进行了大量的研究。刘海军指出，喷灌的气温、温度梯度、VPD 和蒸腾强度均小于地面灌溉，而作物光合速率、产量和水分利用效率均大于地面灌溉，这种改变有利于作物生长[5-7]。王庆改[8]、王迪[9]、Jose Cavero[10]在喷灌影响田间蒸散的机理研究中指出，喷灌通过影响作物冠层内外水汽交换过程进而抑制田间蒸散，同时证明了这种冠层截留水量在作物生长过程中的有效性。程光远[11]、闫泽宇[12]结合喷灌条件下大豆不同生育期的需耗水规律，采用模型模拟制定灌溉制度。由此可见，内地从喷灌影响蒸散机理到采用模型模拟优化灌溉制度均较为完善，但由于拉萨河谷高效节水灌溉建设起步较晚[13]，喷灌相关基础性研究较少，迫切需要加强。

本文以拉萨市林周县为典型研究区，对比分析两种灌溉方式蒸散量与农田小气候的关联性，明晰喷灌影响蒸散量的原因，并估算喷灌对农田小气候和蒸散量的改变量，为发展拉萨河谷喷灌技术和制定喷灌条件下灌溉制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于西藏自治区拉萨市林周县县畜牧场内，地理坐标纬度东经91°11′，北纬29°54′。林周县地处拉萨河谷农区，平均海拔3 650 m，属温带高原季风气候。年平均气温7.4 ℃，昼夜温差较大，年日照时数在3 500 h以上，太阳辐射强，平均年潜在蒸散量在1 190 mm 以上。试验区土壤类型为沙壤土，容重为1.4 g/cm3，计划湿润层最深30 cm。

1.2 试验设计

拉萨河谷燕麦的种植时间一般在5-9月，本试验开展时间为2021年7-8月，此时燕麦正处于拔节期～抽穗期，燕麦品种为青海444，播量为225 kg/hm²，播种方式为撒播，底肥为复合肥，底肥量180 kg/hm²。本试验沿道路南北两侧设置喷灌与畦灌两种灌水处理，喷灌处理采用PY-5022 摇臂式喷头，直径为7 mm，喷洒半径为6～12 m，工作水量1.96～2.49 m³/h。灌溉过程中采用两组设备对农田小气候和蒸散量进行监测，每组设备由1 台气象站和1 台蒸渗仪构成，每组设备中雨量筒和微型蒸渗仪的位置相距紧密，具体布置如图1所示。试验结束后分别对两种灌溉方式的农田小气候与蒸散量进行灰色关联度分析，并以畦灌各项实测数据为自变量对喷灌各项实测数据进行回归分析。

图1 田间试验布置图（单位：m）Fig.1 Field trial layout

喷灌与畦灌同时进行，本试验为与当地农牧民的灌水时间保持一致，灌水时间大部分在日间11∶00-19∶00选取且在午间13∶30-14∶30 停止灌溉，具体灌水时间见表1。喷灌试验通过水表监测水量，为了消除喷灌过程中蒸发漂移损失引起的误差，试验中以雨量筒中水量为蒸渗仪中实际进入水量；在畦灌条件下，通过水表监测的水量与灌溉面积确定单位面积灌水量，根据微型蒸渗仪面积折算出蒸渗仪的灌水量，用量筒将水一次性灌入蒸渗仪中。两组处理的其他农业措施均保持一致。

表1 喷灌与畦灌试验灌水时间表Tab.1 Irrigation schedule for sprinkler and border irrigation tests

1.3 测定指标

试验观测内容主要包括气象指标、蒸散量和喷灌灌溉量。

（1）气象指标。采用两台NHQXZ601 全天候气象站，进行农田小气候观测，观测内容包括：大气温度、相对湿度、气压、2 m 处风速、总辐射、反辐射、净辐射。每隔10 min 记录一次，试验结束后对30 min 内的大气温度、相对湿度、气压、2 m处风速求平均值，对总辐射、反辐射、净辐射求和。

（2）蒸散量。采用两台LYS80 微型蒸渗仪每2 min 监测一次桶内土柱质量，得到土壤贮水量的变化量。蒸渗仪尺寸（长×宽×深）为0.8 m×0.8 m×0.8 m。

（3）喷灌灌溉量。为了消除喷灌过程中蒸发漂移损失带来的水量平衡法中灌溉量的误差，实际灌溉量采用气象站中雨量筒收集到的水量为微型蒸渗仪中实际进入水量，雨量筒尺寸（长×宽×高）为0.2 m×0.2 m×0.4 m，喷灌水量如图2所示。

图2 微型蒸渗仪实际进入水量Fig.2 The actual amount of water entered by the micro lysimeter

1.4 计算方法

1.4.1 基于微型蒸渗仪的蒸散量计算方法

本文中实际蒸散量的计算采用水量平衡法进行，具体公式如下：

式中：ET为作物实际蒸散量；P为阶段降雨量；I为阶段灌溉量；△SWS为阶段土壤贮水量变化；Q为阶段地下水补给量和渗漏量。由于试验需要，上述指标均折算为mm。

1.4.2 灰色关联度的计算方法与分析方法

本试验以蒸散量为参考序列，气象指标为比较序列，首先求出各序列的差序列与各差序列最大值、最小值，然后计算关联系数与关联度，最后将关联度从大到小排序。关联度越大说明比较序列与参考序列的贡献度越大，关联系数与关联度的计算公式如下，详细计算方法不做赘述[14-17]。

1.4.3 数据处理

采用Excel 2007 对数据进行整理数据和灰色关联度分析，采用Spss 23对数据进行回归分析并建立回归模型。

2 结果与分析

2.1 喷灌与畦灌对农田小气候和蒸散量的影响分析

2.1.1 喷灌与畦灌对大气温度和相对湿度的影响

图3是2021年7-8月喷灌与畦灌平均温度和相对湿度的对比图。结合表1，温度在11∶00～19∶00 这段时间相较于内地偏低，这是由于高海拔因素所导致的。温度整体变化相对稳定，变化区间集中在13～24°C之间，其中喷灌变化区间为13～20°C，畦灌变化区间为13～24°C，喷灌对比畦灌可以使温度的波动区间缩短，对温度峰值的削弱较为明显。造成这种现象的主要原因为，水滴蒸发吸热带走了由于强辐射产生的部分热量，使温度降低。夜间灌溉条件下，喷灌与畦灌对温度均明显降低且无显著变化。湿度方面，喷灌与畦灌的整体趋势相对一致，但由于强辐射引起的水滴蒸发造成空气中的水分含量提升，所以畦灌条件下变化区间为40%～78%；喷灌条件下为59%～85%，喷灌条件下平均相对湿度比畦灌约高13%。

图3 喷灌与畦灌对大气温度和相对湿度变化关系Fig.3 Relationship between sprinkler irrigation and border irrigation on atmospheric temperature and relative humidity

2.1.2 喷灌与畦灌对总辐射、反辐射和净辐射的影响

喷灌与畦灌条件下总辐射、净辐射与反辐射的变化情况如图4所示。结合表1在11∶00～19∶00 这段时间内，喷灌与畦灌对总辐射的改变量并不明显，在图中的表现为不同符号的重叠。净辐射方面，两种灌溉方式对净辐射的改变并不显著但畦灌的净辐射略高于喷灌的净辐射。反辐射方面，畦灌的反辐射要高于喷灌的反辐射值，分析此现象产生的原因是：水滴均匀地落在土壤表面缓慢提高了土壤含水率，改变了下垫面原有的地表覆盖类型，导致地表辐射长波的能力和地表反射辐射通量均减少[18]。图中第4、6、9、13、23 次试验辐射量均接近零且没有明显变化，可能是由于气象因子中云量的增加而引起地面太阳辐射的减少[19]，进而导致反射率的变化，影响反辐射和净辐射。第19 次试验由于在夜间进行所以辐射通量均为零且总辐射、净辐射、反辐射均为负值。

图4 喷灌与畦灌对总辐射、反辐射和净辐射变化关系Fig.4 The relationship between sprinkler irrigation and border irrigation on total radiation,anti-radiation and net radiation

2.1.3 喷灌与畦灌对蒸散量的影响

喷灌与畦灌燕麦蒸散量的变化关系如图5所示。喷灌条件下蒸散量的变化区间集中在0.01～0.65 mm 之间；畦灌条件下蒸散量的变化区间集中在0.05～0.95 mm 之间。第20 和21 次试验结果偏大，分析原因由于此时风速较大为4 m/s，使燕麦茎秆和叶片摆动造成了试验误差。

图5 喷灌与畦灌对蒸散量变化关系Fig.5 Relationship between sprinkler irrigation and border irrigation on evapotranspiration

2.2 喷灌与畦灌农田小气候与蒸散量的灰色关联度分析

本试验以蒸散量为参考序列，气象指标作为比较序列，求出关联度并进行排序，关联度如表2所示。畦灌条件下蒸散量与气象指标的关联度大小排序为：大气温度＞气压＞风速＞相对湿度＞总辐射＞反辐射＞净辐射；喷灌条件下蒸散量与气象指标的关联度大小排序为：气压＞大气温度＞反辐射＞相对湿度＞总辐射＞净辐射＞风速。排序越靠前，对蒸散量的影响越大，反之对蒸散量的影响越小。畦灌条件下排序靠前的是大气温度、气压、风速、相对湿度；喷灌条件下排序靠前的是气压、大气温度、反辐射、相对湿度。综合分析喷灌与畦灌气象指标的关联度排序，大气温度、气压和相对湿度为影响喷灌与畦灌蒸散量的主要指标；风速、总辐射、反辐射、净辐射为影响喷灌与畦灌蒸散量的次要指标。

表2 喷灌与畦灌蒸散量与气象因素的关联度Tab.2 Correlation between evapotranspiration and meteorological factors of sprinkler irrigation and border irrigation

主要指标方面大气温度、相对湿度代表的热量因素直接影响作物蒸散过程，而气压代表的空气中有效气体浓度（O2、CO2）因素直接影响作物气孔导度，气孔导度的大小与光合作用和呼吸作用有着密切联系[20]，间接影响作物的蒸散过程，拉萨河谷的气压约为内地的50%～60%，所以相对于内地气体浓度因素影响蒸散量不能忽视。次要指标方面在风速和反辐射上产生了较为明显的差异，畦灌处理中风速与蒸散量的关联度为0.729，反辐射与蒸散量的关联度为0.682；喷灌处理中风速与蒸散量的关联度为0.638，反辐射与蒸散量的关联度为0.714，但喷灌和畦灌均不能直接影响风速，这就在一定程度上提高了反辐射对蒸散量的贡献度，降低了风速对蒸散量的贡献度。

2.3 喷灌与畦灌对农田小气候和蒸散量的回归分析

以畦灌条件下的气象指标和蒸散量为自变量对喷灌条件下的气象指标和蒸散量进行回归分析，同时结合各气象指标的最大值和最小值进行量化计算，回归分析结果见表3。由表3可以看出，喷灌的各项指标与畦灌均为正相关，但喷灌对气压、风速、总辐射基本不产生影响，对净辐射减少为7%，只能略微减少净辐射量，对反辐射的减少显著为37%，为0.01～0.32 MJ/（m2·h）；对蒸散量的减少显著为29%，具体改变量为0.03～0.38 mm/h；温度和湿度的减少显著，但由于涉及常数项所以不便于量化影响。为便于描述喷灌对比畦灌在温度和湿度的改变量，对表3中温度和湿度模型设置固定截距为0 分别优化，优化结果见表4。由此可见，喷灌对温度降低17%，在2～4°C变化；对湿度提升28%，在11%～21%变化。

表3 喷灌与畦灌农田小气候和蒸散量的回归模型Tab.3 Regression model of microclimate and evapotranspiration in sprinkler irrigation and border rrigation

表4 喷灌与畦灌优化温度和湿度模型Tab.4 Optimal temperature and humidity models for sprinkler and f border irrigation

3 结 论

通过对喷灌与畦灌实测气象指标与蒸散量进行灰色关联度分析，大气温度、气压、相对湿度的排序均在前列，所以大气温度、气压、相对湿度为影响喷灌与畦灌蒸散量的主要指标；风速、总辐射、反辐射、净辐射为次要指标。主要指标揭示出大气温度、相对湿度代表的热量因素和气压代表的气体浓度（O2、CO2）因素，对拉萨河谷的蒸散量有很大影响。

通过实测喷灌与畦灌数据进行回归分析，主要指标方面喷灌使温度降低2～4°C，相对湿度提升11%～21%，对气压不产生影响；次要指标方面喷灌使反辐射约减少0.01～0.32 MJ/（m2·h），对其他气象指标影响较小，综合主要指标和次要指标分析，日间喷灌对比畦灌使蒸散量减少0.03～0.38 mm/h。主要指标方面大气温度越高则空气中水分含量越低，所以蒸散量升高，反之，蒸散量降低，而相对湿度越高则空气中的水分越趋于饱和导致蒸散过程被抑制，所以使蒸散量降低；次要指标方面反辐射的减少会直接影响下垫面环境，导致主要指标的温度降低、湿度升高，进而降低蒸散量。对于高海拔、高蒸散的拉萨河谷，喷灌可以减少蒸散量，有利于作物生长的同时降低灌溉水量，进而指导制定适宜的喷灌灌溉制度。

本文在结合农田小气候、蒸散量与作物指标共同分析方面有所欠缺。结合作物分析有利于从作物生理角度揭示农田小气候和蒸散量的改变对作物生长机理的影响，需要后期的研究中加以补充和重视。