基于液流计估测蒸腾分析覆膜滴灌玉米节水增产机理

张彦群，王建东※，龚时宏，许 迪，隋 娟,2，吴忠东



基于液流计估测蒸腾分析覆膜滴灌玉米节水增产机理

张彦群1，王建东1※，龚时宏1，许 迪1，隋 娟1,2，吴忠东3

（1. 中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048；2. 北京大学遥感与地理信息系统研究所，北京 100871；3. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255049）

深入了解覆膜滴灌下冠层辐射传输和能量分配情况，确定土壤蒸发和作物蒸腾之间的定量区分关系是合理灌溉和提高水分利用效率的重要研究内容。该研究在东北膜下滴灌地区开展连续2 a田间试验，测定了覆膜（M）和不覆膜（NM）玉米田的冠层辐射、田间土壤蒸发和作物蒸腾、作物生长和产量。结果表明：覆膜使冠层上方净辐射降低7.7%，从而减少了蒸发蒸腾可供能量，冠层下方净辐射降低34.0%，减少了土壤蒸发可供能量，冠层净辐射吸收量增加14.0% 用于作物蒸腾；覆膜能小幅度降低蒸发蒸腾总量3.9%～5.2%，而对其在土壤蒸发和作物蒸腾之间的分配影响显著，覆膜处理土壤蒸发占蒸发蒸腾总量的比例为12.5%～14.5%，而不覆膜处理该比例高达21.7%～25.0%；覆膜处理提高了成熟期玉米株高、地表20 cm高度处茎粗、生物量和最大叶面积，最终使产量提高5.9%～8.8%，水分利用效率提高12.0%～13.1%。综上所述，覆膜通过改变冠层辐射能量分配降低了玉米田蒸发蒸腾总量，提高了玉米产量和水分利用效率。

蒸发蒸腾；蒸发；蒸腾；土壤含水率；覆膜；滴灌；产量；水分利用效率

0 引 言

面对日益严峻的水资源形势和频繁出现的极端秆旱气候，发展高效节水农业是解决大范围内水资源供需矛盾的有效手段[1]。近年来，东北4省区（黑龙江、吉林、辽宁和内蒙）开展“节水增粮行动”中，微灌面积达到 135万hm2，占“节水增粮行动”高效节水灌溉面积的近54%，主要为膜下滴灌玉米种植面积[2]。膜下滴灌将覆膜种植和滴灌节水技术有机结合，可有效解决东北地区玉米种植中面临的生育前期积温不足和全生育期的灌水施肥问题[3]。覆膜可以提高土壤温度和含水率[4-5]、降低土壤蒸发[6]、促进作物生长和提高产量及水分利用效率[7]，已在国内外得到广泛应用。有关膜下滴灌增产效果的研究很多，研究区域较多集中在秆旱或半秆旱地区[8-9]，研究的作物以棉花、果树、蔬菜等经济作物为主[10-11]。而在东北半湿润区，对玉米等主要粮食作物采用膜下滴灌技术后的节水增产机理还缺乏系统深入的研究。

覆膜导致地表反射率改变能改变作物冠层辐射传输和能量分配情况。晴天中午距地面15cm处，普通透明膜的反射率为14%，而露地的只有3.5%[12]。覆膜条件下反射到植株间的太阳辐射比例高，可改善冠层下部叶片的光照情况，光照条件的改善利于作物生长，而作物株高、叶面积的变化又反过来会影响冠层辐射传输情况[13-14]。覆膜改变了土壤蒸发和作物蒸腾发生的田间微气象和土壤边界条件，冠层净辐射降低，土壤热通量增加，可供能量分配发生改变，从而使田间水分消耗发生改变[15-16]。晴天中午覆膜农田的潜热通量比常规灌溉农田低，而感热通量较高，从而提高了环境大气的温度。冠层气温升高往往导致大气蒸汽压亏缺较大，加之膜下滴灌作物根区土壤水分较高，利于作物蒸腾，虽然覆膜抑制了土壤蒸发，但田间蒸发蒸腾总量变化的方向却不一定[17]。因此，深入了解覆膜滴灌下冠层辐射传输和能量分配情况，确定土壤蒸发和作物蒸腾之间的定量区分关系是合理灌溉和提高水分利用效率的重要研究内容。

多数研究结果表明，覆膜改变了田间水分环境，为作物生长创造了良好的水、肥、气、热条件，有利于作物生长发育和增加作物产量[18-19]。然而，并非所有膜下滴灌处理都能引起作物增产，膜下滴灌条件下土壤水热状况的改变对作物生长的影响也与作物自身特性有关。对于黄瓜等喜温作物，膜下滴灌的增产效果明显[20]，但对高温敏感作物，膜下滴灌会抑制作物生长。有研究表明膜下滴灌能明显减少马铃薯生育前期的土壤蒸发，维持较高土壤含水率，但马铃薯中后期覆膜则会导致土壤温度过高从而引起产量下降[21]。旱地玉米覆膜减产也有报道[22]，对于东北地区膜下滴灌玉米，生育前期增温可以改善玉米生长发育，而生育旺期的覆膜对土壤的增温作用是否会同样引起玉米产量降低等问题仍需要进一步研究。

本研究中，笔者在东北膜下滴灌地区开展连续2 a田间试验，测定了覆膜（M）和不覆膜（NM）玉米田的冠层辐射、田间土壤蒸发和作物蒸腾、作物生长和产量。主要目标是量化覆膜和不覆膜处理的冠层上下可供能量、蒸发蒸腾总量及其分量、产量和水分利用效率（WUE）的差异；分析造成覆膜和不覆膜处理间水分消耗、产量和WUE差异的原因。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在黑龙江省水利科技试验研究中心进行，该基地位于哈尔滨市道里区（125°45¢E，45°22¢N），海拔220 m。多年平均降雨量为400~650 mm，其中80%集中在5~9月（玉米生育期内）。经与当地水利主管部门沟通得知该地区地下水埋深在20 m以下，忽略地下水对耕层土壤水分的补给。根据国际制土壤质地分类标准，0~100 cm土层的土壤质地均为粉壤土，分层土壤物理特性见表1，0~100 cm平均有机质和pH值分别为25.94 g/kg和8.69，电导率值为111.08S/cm。利用环刀法进行测定0~100 cm土层的容重平均为1.48 g/cm3，利用威尔科克斯法测定饱和含水量为0.466 cm3/cm3，田间持水量为0.35 cm3/cm3。

表1 土壤基础理化特性

1.2 试验设计

试验于2014、2015年进行，采用滴灌灌水方式，设置膜下地表滴灌（M）和不覆膜地表滴灌（NM）2 种处理，每个处理3个重复，每个小区面积5.2 m´20 m。种植作物为春玉米，品种为东福1号，于每年4月底播种， 9月底收获。播种前，对试验地块进行旋耕，深度0.25～ 0.3 m，然后进行起垄作业，采用“大垄双行”栽培模式，垄宽1 m，垄高0.15 m，沟底宽0.3 m，垄间行距0.9 m，垄上行距0.4 m，株距0.25～0.3 m，定植密度为5.12～6.14万株/hm2。每个小区布置4垄，每垄种植2行玉米。播种后立即铺设滴灌带及覆膜。滴灌带铺设在垄中间，1带2行，滴头流量为1.38 L/h，滴头间距0.3 m。垄上覆膜与滴灌带铺设同时进行，地膜为聚乙烯透明地膜，厚度为0.01 mm，宽度为1.2 m。为保证出苗，播种后M和NM处理均覆膜，出苗后一周左右NM处理揭去地膜，M处理仍保留。2 a的播种、出苗及揭膜日期见表2。M和NM处理的田间管理、灌溉制度和施肥制度均相同。

灌溉制度由灌水上下限确定，每次灌水量根据式（1）计算确定：

式中上和下为灌水上、下限，cm3/cm3；1为小区面积，m2；为土壤计划湿润层深度，cm；w为湿润比；为灌溉水利用系数。下为75%的田间持水量，上为100%的田间持水量，依据作物根系分布设定，苗期作物根系分布较浅，设定为30 cm，拔节后，根系分布加深，0~ 50 cm是玉米根系分布的主要深度，根据实测数据，0~ 50 cm根系秆质量占0~100 cm根系总质量的90%以上，设为50 cm，w为0.6，为0.95。

根据当地管理经验，播种前，一次性施入基肥磷酸二胺325 kg/hm2（N、P2O5含量分别为18%和46%）、尿素7.5 kg/hm2（N质量分数为46%）和硫酸钾160 kg/hm2（K2O质量分数50%），折合纯N量62 kg/hm2，P2O5150 kg/hm2， K2O 80 kg/hm2。M和NM处理生育期内均追施N肥（尿素）2次，总施N量为330 kg/hm2，拔节期施入追肥量的60%，抽穗期施入追肥量的40%，利用文丘里施肥器随水施入田中。追肥时，即使土壤含水率还未降至灌水下限，为配合施氮，仍需进行补充灌水。灌水及施肥情况详见表2，M和NM处理各生育期开始时间列到表3中。

1.3 液流通量测定和尺度转换

每年抽穗期开始（7月底至8月初），采用基于热平衡原理的包裹式液流计（Flow32-1K, Dynamax Co. USA）测定作物蒸腾量。对于液流计测定植株蒸腾的准确性，我们在田间试验开始前采用盆栽称质量法进行了验证。方法是准备4株封底盆栽玉米，盆口裸土用塑料薄膜封住，认为土壤蒸发量可以忽略不计，每天18:00点称质量，与前1d的质量差认为是玉米的蒸腾量，同时用液流计测定盆栽玉米的液流量，与称质量法得到的蒸腾量相比较，4组数据分别做独立样本均值比较T检验，值均小于0.05，因此认为液流计测得蒸腾量与称重法得到的结果无显著差异，测定结果准确。对于取样株数和代表性的问题，一般条件允许的情况下多取玉米能更有代表性，本研究中大田作物小区内长势差别不大，取样时参考Bethenod等研究[23]，避开了小区边缘和病残植株，在M和NM处理分别选取2个小区，每个小区各选择2株玉米进行液流量测定。为减小探头工作时持续加热对茎秆的损伤，和防止传感器泡沫吸水导致的数据测量误差，每隔1周左右将传感器拆下晾晒，当天再按原顺序装回。液流数据采集间隔为60 s，每30 min进行平均值计算并存储输出，输出结果为单位时间液流量（, g/h），除以包裹的玉米茎秆的截面积（si, cm2）得到液流通量（s, g/(cm2×h)），每个处理选取的4株玉米液流量有一定差异，但用自身茎秆截面积si标准化后，得到的液流通量s差异不大，变异系数为2.6%，因此选用4株玉米s平均值作为小区s平均水平。玉米茎秆的截面积由游标卡尺测定的茎秆直径确定。

表2 2014、2015年试验期间田间农艺、施肥灌水管理及生育期降雨情况

注：NM为不覆膜地表滴灌。

Notes: NM stands for drip irrigation without mulching.

表3 2014、2015年试验春玉米各生育期开始时间

注：M为膜下地表滴灌。

Notes：M stands for drip irrigation with mulching.

为充分考虑小区茎秆截面积的空间变异并实现单株液流量向小区蒸腾量的尺度转换，我们又选取了连续20株玉米进行茎秆直径测定，推求其茎秆截面积平均值作为小区的茎秆截面积（sa），忽略玉米植株的水容，小区蒸腾量（r-SF, mm/h）可以由下式计算[23]：

式中分别为株行距，cm，10为单位转换因子。1d中24 h的r-SF累加值为小区日蒸腾量，mm/d。每个处理2个小区的r-SF均值为该处理的蒸腾量。

1.4 修正的双作物系数法

本研究中，由于包裹式液流计探头型号限制，只能对中后期玉米蒸腾量进行测定，想要获得全生育期蒸腾量，需要采用FAO56分册中双作物系数法，并采用液流计对作物蒸腾的实测结果对生育中期基础作物系数进行修正后，再计算全生育期的作物蒸腾量[24]，具体方法在下文详述。

FAO56分册中双作物系数法作物蒸腾量的计算为式（3）：

式中r为作物蒸腾量，S为水分胁迫系数，本研究中夏玉米生长季为雨季，且全生育期充分灌水，未涉及土壤水分亏缺，所以s为1；cb为基础作物系数；ET0为参考作物蒸发蒸腾量，采用式（4）计算：

式中n, 2为标准气象站2 m高度处的净辐射，MJ/(m2×d)；为土壤热通量，MJ/(m2×d)；Δ为饱和水汽压-温度曲线的斜率，kPa/℃；为湿度计常数，kPa/℃；VPD为大气饱和水汽压亏缺，kPa；为日均温度，由日最高气温和最低气温平均得到，K；2为2 m高度处的风速，m/s。

为获取cb值，玉米全生育期被分为4个生长阶段：起始阶段、作物冠层扩展阶段、生长中期和末期，各生育阶段之间的cb可以通过FAO56分册推荐的起始、生长中期和末期cb，即cb-ini、cb-mid和cb-end，之间的线性插值得到，需要根据当地气象因子调整：

式中cb(Tab)为FAO56分册推荐值，夏玉米cb-ini、cb-mid和cb-end的推荐值分别为0.15、1.15和0.55。RHmin为日最小相对湿度，%，为冠层平均高度，m。

本研究中，以生长中期液流实测值经尺度转换（式2）得到的作物蒸腾量（r-SF）为基准，按照式（6）对cb-mid进行修正，得到修正的中期基础作物系数。

式中ET0为参考作物蒸发蒸腾`量，mm / d。

1.5 土壤蒸发量确定

土壤蒸发（s）采用自制的微型蒸发器（MLS）和电子天平（精度0.01 kg）进行测定，其中MLS由内桶和外桶组成，均由聚氯乙烯（PVC）管材制成，内桶外径11 cm，壁厚0.36 cm，高15 cm，外桶直径略大于内桶外径，高度与内桶相同。先将内桶打入土壤钻取原状土，修平低端，用尼龙纱网封底，再将外桶置于取土处固定。每隔5 d换一次土，灌溉或>5 mm降雨后加换。每天下午17:00- 18:00点之间称量，2次称量结果之差即为蒸发水量损失，根据内桶截面积转换为mm/d。本文采用的MLS规格是文献中测定土壤蒸发采用的常见规格，隔5d换一次土，该方法是被前人普遍应用，且证实了其测定蒸发的准确性[25-26]。此外，笔者之前也通过比较通内外土壤水分差异证实该方法测定土壤蒸发的可靠性[27]。在每个小区滴头正下方、距离滴头25 cm和垄沟中间各安装1个MLS，小区s由3个位置的土壤蒸发量按照面积加权平均得到。s与ET0的比值即为蒸发系数（e）。

1.6 田间净辐射测定

在M和NM处理，采用净辐射探头和TRM-ZS1型数据采集系统（锦州阳光气象科技有限公司，中国）连续观测冠层上方的净辐射变化，探头分别安装在冠层上方50 cm和冠层下方距垄上地表30 cm高度处，数据为30 min自动记录，定时下载。

1.7 其他气象因子测定

计算ET0所用的气象数据，包括太阳辐射、空气温湿度和风速均由位于试验站内的气象站（距试验区约80 m）测得。采用美国Decagon公司的EM50数据采集器，安装PYR型太阳辐射传感器、VP-4型空气温湿度传感器和DS-2型风速传感器，均为Decagon公司生产。数据均为30 min自动记录，定时下载。

1.8 作物生长指标及产量测定

株高、茎粗和叶面积指数（LAI）每个生育期测定1次。株高采用米尺测定，茎粗采用游标卡尺测定玉米茎秆距地表20 cm高度处的最长和最短2个方向的读数，平均值作为该株茎粗。叶面积测定由下到上量取每片叶子的长和宽，并乘以转换系数0.74得到实际叶面积。每个小区选取3株进行测定，每个处理9株，平均值除以单株占地面积得到该处理的LAI。每个小区选取3处样方进行考种，每个样方面积为3 m×1.3 m，分别测量每株玉米的籽粒质量，并折算到小区的产量（，t/hm2）。水分利用效率（WUE，kg/m3）为产量（）与ET（mm）的比值（式（8））：

式中100为单位转换系数。

2 结果与分析

2.1 覆膜对玉米冠层净辐射的影响

全生育期，M处理的冠层上方净辐射值（n）低于NM处理，两者之间存在显著线性关系（<0.001），2014年M处理的n为NM处理的90.0%，2015年为94.6% （图1），2 a平均使n降低7.7%。M处理的冠层下方净辐射值（n-down）也低于NM处理，两者之间存在显著线性关系（<0.001），2014年M处理的n-down为NM处理的64.3%，2015年为67.7%（图2），2 a平均使n-down降低34.0%。然而，M处理冠层上方和下方的净辐射差值，即冠层吸收的净辐射值（nc），高于NM处理，两者之间存在显著线性关系（<0.001），2014年M处理的nc为NM处理的1.12倍，2015年为1.16倍（图3），2 a平均使nc提高14.0%。

n和n-down的降低与覆膜引起的反射率提高有关，而两者的降低直接对应冠层ET和冠下s的可供能量减少，从而导致ET和s的降低[15]。覆膜引起n-down降低量比n降低量更多，因而nc提高。而nc的提高还与覆膜条件下LAI较高，对n的吸收量增加有关。nc的提高可能引起冠层蒸腾的增加[12]。

图1 2014和2015年生长季覆膜与不覆膜处理（M与NM）玉米冠层上方净辐射（Rn）的比较

图2 2014和2015年生长季覆膜与不覆膜处理（M与NM）玉米冠层下方净辐射（Rn-down）的比较

图3 2014和2015年生长季覆膜与不覆膜处理（M与NM）玉米冠层吸收净辐射（Rnc）的比较

2.2 覆膜处理对玉米田土壤蒸发和作物蒸腾的影响

全生育期，M处理s显著低于NM处理，所有处理的s均呈现出苗期高、成熟期低的趋势（图4）。从苗期到抽穗期叶面积逐渐覆盖地面，到达地表的可供能量降低，因此s降低。图4中给出了生育期降雨量（P）的分布，可见，2014年7月中旬连续阴雨，累计降雨量达103.1 mm，该部分降雨并不能为作物充分利用，而2015年生育期总降雨量尽管比2014年低，但较均匀地分布在各个生育期，能较好地被作物利用。因此尽管2014与2015年降雨量总量差别较大，但对作物的影响差别并不大。从图4还可看出覆膜使降雨后的s显著降低，而土壤水分较低时，M与NM处理的s差别不大。2014、2015年生育期M处理的s分别在0.06～1.40和0.05～1.54 mm/d之间波动，2 a平均值分别为0.38和0.39 mm/d；NM处理的s在0.18~2.21和0.06～2.30 mm/d之间波动，2 a平均值分别为0.71和0.70 mm/d。M和NM处理的土壤蒸发总量2014年分别为58.8和108.8 mm，2015年分别为60.0和107.6 mm。

图4 2014和2015年生长季覆膜与不覆膜（M与NM）处理玉米田实测土壤蒸发（Es）的季节变化规律

2014年M处理土壤蒸发仅为NM处理的54.6%，2015年为55.9%，M处理土壤蒸发与NM处理土壤蒸发之间线性回归直线的斜率和截距2014年和2015年之间无显著差异，M处理土壤蒸发仅为NM处理的55.3%（图5），覆膜可以使2 a土壤蒸发平均降低44.7%，即少蒸发46.0 mm，约等于一次灌水量，该部分水量可能被作物用于保持较高的冠层导度[28]，进而有可能提高产量。覆膜导致土壤蒸腾降低的比例与王罕博等在山西半湿润偏秆旱区覆膜夏玉米耗水研究中报道的比例（57.7%）相当[16]。

图5 2014和2015年生长季覆膜与不覆膜（M与NM）处理土壤蒸发（Es）的比较

采用包裹式液流计测定了拔节至成熟期的液流量，经尺度转换（式（2））得到农田蒸腾量。

抽穗灌浆至成熟期间玉米田的水分消耗以作物蒸腾为主，2014年M和NM处理的日最大蒸腾量分别为7.03和6.51 m/d；2015年分别为6.57和6.11 mm/d（图6），而同时期田间土壤蒸发量较低，M和NM处理的s分别在1 mm/d和2 mm/d以下（图4）。2 a综合来看，生育旺季M处理作物蒸腾为NM处理的1.06倍（图7），即覆膜可以使2 a作物蒸腾平均提高6%，作物蒸腾量的提高与较高的冠层气孔导度有关，气孔导度较高时，也利于CO2的进入，即提高作物光合速率，进而有利于提高产 量[29-30]。

图6 2014和2015年生育中期覆膜与不覆膜处理（M与NM）玉米田实测作物蒸腾（Tr）的季节变化规律

图7 2014和2015年生育中期覆膜与不覆膜（M与NM）处理作物蒸腾（Tr）的比较

2.3 采用修正的双作物系数法确定全生育期玉米ET

2.2节中由于液流计探头限制，只能对满足一定茎粗的玉米进行测定，因此无法测得全生育期的蒸腾量。本研究对生育中期的cb进行修正后，考虑覆膜导致的生育期提前，根据生育初期和末期的FAO推荐值，确定了全生育期的cb，进而实现全生育期r的估算。结合实测的s，确定了2014和2015年2个生长季玉米田ET季节变化（图8）及r和s的累积值及其占ET的比例（图9）。

M和NM处理的ET具有相同的季节变化规律（图8a和c），2014和2015年全生育期M和NM处理的均值分别为3.06和3.23 mm/d以及2.68和2.79 mm/d。2014和2015年M处理ET分别是NM处理的95.2%和96.6%（图8b和d）。不同生育阶段M和NM处理的大小关系不同，覆膜使生育初期（苗期和拔节前期）和末期（成熟期）的ET比不覆膜处理降低较多，而生育中期（抽穗- 灌浆期）M和NM处理ET差别不大，且有某些日期M处理ET高于NM处理（图8a和c），这主要是由于覆膜处理使生育中期的r提高较多导致。张海林等在半湿润地区秸秆覆盖玉米的研究中也发现生育期不同阶段覆盖的效应不同，即覆盖使生育前期耗水少，后期耗水量增加[30]，与本研究结果类似。

图8 2014和2015年生长季覆膜与不覆膜（M与NM）处理玉米田蒸发蒸腾量（ET）的季节变化规律

对于全生育期累积值，2 a生育期M处理r比NM处理r平均提高7.8%，其中2014年，M处理生育期r为412.5 mm，比NM处理r（389.4 mm）高5.9%（图9a）；2015年M（353.5 mm）比NM（322.4 mm）高9.6%（图9c）。然而，M处理全生育期ET总量比NM处理则略有降低，2a平均低4.6%。其中，2014年，M处理生育期ET为471.3 mm，比NM处理ET（497.4 mm）低5.2%，2015年，M处理生育期ET为413.4 mm，比NM处理ET（430.0 mm）低3.9%。本研究中M处理ET总量与日均值与其他研究中覆膜玉米田的ET相当[14, 31]，明显低于不覆膜玉米的ET的文献报道数据[32]。M处理ET的降低主要是s降低所致。覆膜能显著降低全生育期s占ET的比例（s/ET），而相应的提高r所占比例（r/ET，图9b和d）。2014和2015年M处理s/ET为12.5%和14.5%，而NM处理该比例高达21.7%～25.0%；2014和2015年M处理r/ET为85.5%和87.5%，而NM处理该比例则为75.0%和78.3%。本研究M和NM处理s/ET分别与其他研究的非覆盖玉米田该比例（26.0％和30.3％）[33-34]和覆膜玉米田该比例相当（10.1％）[14]。

图9 2014和2015年生长季覆膜和不覆膜（M和NM）处理下玉米田ET及土壤蒸发（Es）和作物蒸腾（Tr）所占比例

综上所述，水、N肥供应充足状态下，覆膜使农田ET总量降低3.9%~5.2%，且对ET在s和r之间的分配影响显著，即覆膜可以显著降低s和提高r，从而使水分消耗向增加作物产量的方向分配，该结果与Fan等在西北覆膜玉米的研究结论基本一致[15]。

2.4 覆膜对玉米生长、产量和水分利用效率的影响

覆膜较显著影响了玉米生长、产量和水分利用效率（<0.1）。除2014年最大叶面积指数处理间差异不显著外（=0.11），覆膜条件下，成熟期玉米株高、地表20 cm高度处茎粗、生物量、最大叶面积指数、产量和水分利用效率（WUE）均较显著高于不覆膜处理（<0.1），2014年分别提高7.1%、5.8%、4.8%、1.7%、5.9%和12.0%，2015年分别提高5.4%、8.8%、6.9%、2.2%、8.8%和13.1%（表4）。

表4 2014和2015年生长季覆膜和不覆膜（M和NM）处理玉米田生长指标、产量和水分利用效率比较

注：不同小写字母表示0.05处理间差异显著，不同大写字母表示值介于0.05~0.1之间，处理间差异较显著。

Notes: Different lower-case and upper-case letters in the table indicate statistically significant differences at<0.05 and<0.1, respectively.

许多研究表明，覆膜不仅减少了土壤蒸发的水分消耗，而且还通过增加土壤温度和控制杂草来促进作物生长，从而提高作物产量[15, 35]。产量增加可归因于覆膜条件下根系生长状况改善及水分和养分吸收能力的提高[8]、土壤表层肥力水平的提高[6]和作物蒸腾的增加[30]。本研究中没有对地下部分，包括根系生长状况及土壤肥力等因素进行监测，而对作物水分消耗的测定表明覆膜使作物蒸腾提高，与作物产量提高有关，加之覆膜使土壤蒸发降低，田间ET总量降低，最终使WUE提高。

3 结 论

2 a试验表明覆膜处理对冠层辐射能量分配、田间水分消耗、作物产量和水分利用效率的影响如下：

1）降低了冠层上方净辐射，从而减少了蒸发蒸腾可供能量，大幅降低了冠层下方净辐射，降低了土壤蒸发可供能量，增加了冠层净辐射吸收量用于作物蒸腾。

2）小幅度降低蒸发蒸腾总量4.6%，而对其在土壤蒸发和作物蒸腾之间的分配影响显著，即覆膜可以显著降低土壤蒸发量和提高作物蒸腾，从而使水分消耗向增加作物产量的方向分配。

3）提高了成熟期玉米株高、地表20 cm高度处茎粗、生物量和最大叶面积、最终使产量提高5.9%～8.8%，水分利用效率提高12.0%～13.1%。

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Analysis of water saving and yield increasing mechanism in maize field with drip irrigation under film mulching based on transpiration estimated by sap flow meter

Zhang Yanqun1, Wang Jiandong1※, Gong Shihong1, Xu Di1, Sui Juan1,2, Wu Zhongdong3

(1.100048,; 2100871,; 3.255049,)

Determine evapotranspiration (ET) and its components is important for us to understand the influence of mulching on filed water consumption, to develop precision irrigation scheduling and to improve water use efficiency in the field. In this study, the net radiation, field soil evaporation and crop transpiration, crop growth and yield of film mulching (M) and non-mulching (NM) maize fields were measured in a continuous 2 years field experiment in the drip irrigation with mulching area of ​​Northeast China. Net radiation was measured by two net radiometers in the center of every representative plot of the M and NM treatments at height of 50 cm above the canopy adjusted with the increase of plant height and 30 cm above ground. Soil evaporation was measured by micro-lysimeters made from polyvinyl chloride (PVC) tubes and it was weighed every day. Transpiration during the middle and late growth period was measured and scaled up from the sap flow rates. Transpiration of the whole growth period were calculated the by using the dual crop coefficient method with the adjusted medium-term basal crop coefficient from the FAO-56 manual. The medium-term basal crop coefficient were adjusted with the measured transpiration. The results showed that: The net radiation above the canopy of M treatment reduced by 7.7%, i.e. the energy available for evapotranspiration reduced. The net radiation under the canopy of M treatment reduced by 34.0%, i.e. the energy available for soil evaporation (s) reduced. However, the net radiation absorption by the canopy of M treatment increased by 14.0% for crop transpiration (r). The film mulching could reduce the total amounts of evapotranspiration by 3.9%-5.2%. ET of M was 471.3mm in 2014, which was 5.2% lower than that of NM treatment (497.4 mm). In 2015, ET of M was 413.4 mm, 3.9% lower than that of NM treatment (430.0 mm). The film mulching had a significant effect on the water consumption distribution betweensandr. Totalsof the whole growth stage for M and NM treatments were 58.8 and 108.8 mm in 2014, 60.0 and 107.6 mm in 2015. Plastic mulching decreasedsby 44.7% and increasedrby 7.8% in this area for the two years, comparing to those of NM treatments.The ratios ofsto ET in 2014 and 2015 were 12.5%-14.5% for the M treatment, and which were up to 21.7%-25.0% for the NM treatment. The ratios ofrto ET were 85.5%-87.5% and 75%-78.3% for M and NM treatments, respectively. The plant height of maize, the stem diameter at 20 cm height above the ground, biomass at the maturity stage and the maximum leaf area index of treatment M were significantly higher than those of treatment NM by 7.1%, 5.8%, 4.8% and 1.7% in 2014 and 5.4%, 8.8%, 6.9% and 2.2% in 2015. The yield of M treatment increased by 5.9%-8.8%, and water use efficiency increased by 12.0%-13.1%. In summary, the film mulching reduced the total amount of ET in maize field by changing the canopy radiation energy distribution, and finally enhanced the plant growth, increased grain yield and water use efficiency in maize field with drip irrigation in this area.

evapotranspiration; evaporation; transpiration; soil moisture; film mulching; drip irrigation; yield; water use efficiency

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.011

S161.4

A

1002-6819(2018)-21-0089-09

2017-09-11

2018-09-14

国家“十二五”科技支撑计划课题（2014BAD12B05）；中国水科院创新团队项目（ID0145B602017）

张彦群，博士，高级工程师，主要从事农田水循环与水资源高效利用研究。Email：zhangyq@iwhr.com

王建东，博士，教授级高级工程师，主要从事节水灌溉原理与技术研究。Email：wangjd@iwhr.com

张彦群，王建东，龚时宏，许 迪，隋 娟，吴忠东. 基于液流计估测蒸腾分析覆膜滴灌玉米节水增产机理 [J]. 农业工程学报，2018，34(21)：89－97. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.011 http://www.tcsae.org

Zhang Yanqun, Wang Jiandong, Gong Shihong, Xu Di, Sui Juan, Wu Zhongdong.Analysis of water saving and yield increasing mechanism in maize field with drip irrigation under film mulching based on transpiration estimated by sap flow meter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 89－97. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.011 http://www.tcsae.org