全 文 ：第 11卷 第 4期
2 0 0 3年 1 0月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
Vo1．11 No 4
0ct．． 2003
喷灌对农田小气候的影响研究
刘海 军 康跃虎 刘士平
(中国科 学 院地理 科学 与 资源 研 究所 北 京 100101)
摘 要 试验研究喷灌对农 田小气候的影响结果表 明，喷灌影响灌水 当时冠层附近空气温度 与湿度 ，且整个 喷灌
周 期 均对 其 产生 影 响。 喷灌 作物 冠 层上 方 出现 的逆 温 时间较 长 ，冠 层 附近 温度 较 低 且 湿度 较 大 。 喷灌 地 表 温度 日
变幅明显小于地面灌处理且随土层深度的增加 2种灌水处 理地 温 日变幅迅速减小。喷灌和地面灌处理 冬小麦金
生育 期总 耗水 量 分 别 为 436．5mm 和 459．4mm，产 量 分 别 为 6430kg／hm2和 4455kg／hm ，水 分 利 用 效 率 分 别 为
1．47k~m 和 0．97k~m ，喷灌比地面灌水分利用效率高 52％。
关键词 喷灌 农田小气候 腾发量 冬小麦 水分利用效率
Effects of sprinkler irrigation on the field mieroclimate．LIU Hal—Jun，KANG Yue—Hu，LIU Shi—Ping(Institute of Geo—
graphical Sciences and Natural Resources，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101)，CJEA，2003，11(4)：103～107
Abstract The experiment of the effects of sprinkler irrigation on the field microclimate shows that sprinkler irrigation af—
fects the air temperature and humidity near crop canopy not only at the sprinkler day but also during the whole sprinkler
irrigation season．The air temperature inversion appears for a very 1ong time，the air temperature is decreased sharply，and
the vapor pressure within heights from lm tO 4m is significantly increased near canopy under sprinkler irrigation condition．
Daily soil temperature amplitude under sprinkler irrigation condition is smaler than that under surface irigation condition
at ground surface．The temperature amplitude decreases sharply as depth increases under both sprinkler irrigation and sur—
faca irrigation conditions．Total water USes during winter whea t growing pe：riod are 436．5mm and 459．4 mm under bo th
sprinkler irigation and surface irrigation conditions，respectively．However，the winter wheat yield under sprinkler irriga—
tion is 6430kg]hm ，and 4455kg／hm under su~ace irrigation condition．The water use efficiency(WUE )of winter
wheat on the field under sprinkler irrigation condition is 1．47kg／m while it is 0．97 kg／m under surface irigation condi．
tion．W UE under sprinkler irrigation condition is abo ut 52％ higher than that under surfaca irigation condition．
Key words Sprinkler irigation，Field microclimate，Evapotranspiration，W inter wheat，W ater use efficiency
大量 田间试验表明不同气象条件下喷灌水量损失一般为 1％～40％_5 。冠层截 留蒸发也使部分水量
不能到达土壤 。喷灌水滴蒸发和冠层截留蒸发影响 田间小气候的变化 ，试验表明喷灌后作物冠层及冠
层附近温度下降，湿度增加 ’ 。作物生长环境的改善提高叶片光合速率 ，减少蒸腾 · ，进而提高作物水分
生产效率 ’ 。本试验重点研究喷灌条件下冬小麦冠层附近垂直剖面温度与湿度的 日变化、冠层水面蒸发 、
地 温变化 以及产 量和耗水状况 ，为研究作 物喷灌节水高 产提供理论依据 。
1 试验材料与方法
试验在中国科学院禹城综合试验站进行 ，该站位于北纬 36。57 ，东经 116。36 ，海拔高度 20m，多年平均
降雨量为 515．1mm，其中 72．1％降雨发生在 6～9月份 ，冬小麦喷灌试验期间 2000年 10月 27日～2001年
6月 8日降雨雪量为 113．6mm，其中 2000年 10月 28日～2001年 2月 27日降雨雪 90mm，冬小麦快速生长
和产量形成的关键期降水相对不足是影响该区冬小麦高产稳产的瓶颈因素。试验设喷灌和地面灌 (对照)2
处理 ，喷灌试区面积为 148m×108m，喷头选择 18m×18m的正方形布置 ，共有 6条支管 ，每条支管安装 8个
喷头。因单井出水量 <60m ／h，故每次仅同时开启 2条支管。地 面灌试 区位 于喷灌试区西南边 ，面积为
200m×108m。冬小麦播种时间为 2000年 10月 27-28日，喷灌和地面灌处理收获时间分别为 2001年 6月
8日和 6月 4日，供试冬小麦品种为“95518”。小气候 自动观测系统 MAOS-I~采集 4个高度的干湿球温度、风
速风向、土壤温度 ，采集 间隔时间Y~sd,时 1次。喷灌 田间和地面灌 田间(对照)各安装 1座小气候 自动
*国家杰出青年科学基金项 目(4O125OO2)部分研究内容
收稿 日期：2002—12—18 改回日期：2003．0l_06
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104 中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
观测系统 ，4层干湿球和风速传感器分别距地面 0．5m、1．0m、2．0m和 4．0m。自2001年 4月 16日始冬小麦
高度已接近于0．5m，4层传感器高度相应调整至距地面 1．0m、2．0m、3．0m和 4．0m。地温传感器共 8层，分
别距地面 5cm、10cm、15cm、20cm、40cm、60cm和 100cm土层深度，每隔 7d将采集器数据传输到计算机 内。
土壤体积含 水量 用 中子水 分仪测定 ，测量土层深 度为 140cm，每隔 lOcm测 量 1次 。喷灌 和地 面灌 田间分别
布设 3根 中子 管 ，每 隔 5d测量 1次 。地 面灌 田间有 1个 大型蒸 渗仪 (精度为 0．016mm)可测量每 天腾 发量 。
喷灌和地面灌 2种处理灌水时间和灌水量 由田间中子水分仪测量的土壤水分决定，当 60cm土层土壤体积
含水量小于田问持水量的 60％时则应灌水。2000年 10月 28日～2001年 2月 27日降水量为 90ram，故喷
灌和地面灌处理 未进行冬灌 。2001年 4月 3日～收获期 喷灌 处理灌水 5次 ，灌水 量 223mm；地 面灌处 理灌
水 2次 ，灌水量 257mm。收获时喷灌 和地面灌 田间各取 5个 lm 样株测 产。距 2个小气候 观测系统约 80m
远处有 1个小型气象站 ，可观测降雨等气象要素。
2 结果与分析
2．1 喷灌对气温的影响
图 1 喷 灌 与 地面 灌处 理 气温 垂直 分 布 日变 化 (2001-05-18)
喷灌后第 2天(2001年 5月 18日)喷灌和地
面灌处理 田间气温垂 直分 布见 图 1，由 图 1可知
2种处理温度垂 直分 布不同 ，0：00时 2种 处理温
度分 布一致 ，1～4m 高度 均 出现逆 温 ，这 主要 是
因夜间冠层的长波辐射使冠层温度降低 ，进而影
响冠层 附近温度降低 。至 7：00后 太 阳辐 射增强
使冠层温度迅速升高，lm 和 4m高度温差迅速
减小 ，2种处 理逆 温 现 象逐 渐 消失 ，但 喷灌温 度
高于地 面灌 处理。随后各层 温度逐渐 升高 ，但 地
面灌 lm 高度 温度上 升较 快 ，而 喷灌处 理则 上升
较慢 。l1：00地面灌高 于喷灌 lm 高度温度 。这
时地面灌处 理剖面温度处 于 白天正常分 布 ，而 喷
灌处理温度在 1～4m高度 问相差 较小 ，11：00后
喷灌处理逐渐 出现逆温现象 ，而地面灌 处理气 温
Fig，1 Air temperature distribution within the vertical mnge from 1 tO 4m 分布却相反，im高度气温进一步升高(13：O0)，
under sprinklerirrigation and surfaceirigation onMay18，2001 随后由于太阳辐射强度和净辐射量 的减小 以及
冠 层蒸腾 ，使地面灌 田问lm高度温度迅速下降 ，至17：00时地面灌开始 出现逆温现象 ，而喷灌处理表现更
明 显 。 17：00后 2种 处
理温度 迅速降低 ，但喷
灌低于地面灌温度。喷
灌后 第 2天距 地 面 lm
高度 喷灌 和 地 面灌 处 理
温度 日变化 见 图 2，图 2
表 明 白天 8：00～ 18：00
喷灌 田间 lm 高 度 温 度
明 显 低 于 地 面 灌 处 理 ，
随高度 的增 加 而 喷灌 对
温 度 的影 响 明 显 减 小 。
2m 高 度 2种 处 理 温 度
相差较 小 ，4m 高度 时 喷
灌和地 面 灌处 理 温度 已
35
30
25
趟
赠 20
0：00 4：00 8：00 I 2：00 l 6：00 20：00 0：00
时 间
图 2 喷灌 与 地面 灌处 理 lm 高度 田 间
温度 日变化 (2001-05·18)
Fig．2 Daily temperature wave at height
of 1 m under sprinkler irrigation and
surface irigation on May 18，2001
27
25
21
19
1 7
05-23 05-26 05-29 06-0 l 06—04
日期f月一E1)
图 3 喷 灌 与地面 灌 处理 lm 高度
日平 均温 度 变化 (2001)
Fig．3 Average air temperature at height
of 1 m under sprinkler irigation and surface
irrigation from May 23 to June 4 in 2001
无 差异 。喷灌 和地面灌 田间 日平均温 度显示 (见 图 3)，距地 面 lm 高度 喷灌处 理 明显 低 于地面 灌温 度
，且 随
高度的增加而喷灌对温度的影响减弱。喷灌后 lm和 4m高度每天 7：00
、10：00和 13：00气 温变 化 比较见
图 4，由 图4可 知 喷 灌 后 第2天 至第 13天7：O0出 现逆 温 ，1m高 度 略 低 于4m高度 气 温
，而地面灌 1m高度
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第 4期 刘海 军 等 ：喷灌 对农 田小 气候 的影 响 研 究 105
40
35
30
p
25
r
20
l5
l0
0 2 4 6 8 10 I2 l4
喷灌后天数，d
40
35
p 30
事：s
2O
l5
10
0 2 4 6 8 10 I2 I4
喷灌后天数，d
图 4 喷 灌后 lm 与 4m 高 度 7：00、10：O0及 13：00气 温 变化
Fig．4 The effect of sprinkler irrigation on air temperature at heights of 1 and 4 m at 7：00，10：00 and 13：00
却略高于 4m高度气温；至 10：00时喷灌 lm高度略高于 4m高度气温，而地面灌 lm高度却明显高于 4m高
度气温 ，说 明冠层附近地面灌处理气温上升迅速，至13：00喷灌田间开始出现逆温 ，地面灌冠层附近温度仍高
于上面温度。表明喷灌对气温的变化和分布有明显影响 ，喷灌不仅影响当时田间温度，且喷灌后较长时间内
仍对 田间温 度产生一定影 响 。
2．2 喷灌对水汽压的影响
喷灌后第 2天喷灌和地面灌处理 田间 1～4m高度水汽压垂直分布 日变化见图 5，图 5表明 0：O0垂直剖
图 5 喷灌与地面灌处理灌水翌日水汽压垂直分布日变化(2001-05-18)
Fig．5 Daily vapor pressure distribution within the vertical range from 1
to 4 m under sprinkler irrigation and surface irrigation on May 18，2001
面各点水汽压相差较小 ，但喷灌 田间水汽压高于
地面灌处理 。随后 由于空气温度 的降低 ，田间相
对湿度增加(5：00)，2种处理水汽压差值逐渐减
小，这时冠层附近水汽压小于 4m 高度水汽压
值，其原因主要是 由于 4m高度温度高于冠层附
近，而 2点湿球 温度却相近。5：00后地面灌 田
间冠层温度迅速升高，而喷灌 田间冠层附近温度
增长较慢 ，此时喷灌 田间水汽压高于地面灌处
理 。至 12：00时 lm、2m、3m 和 4m 高 度 喷 灌
水汽压分别 高于地 面灌 处理 4．44hPa、3．85hPa、
4．13hPa和 3．31hPa，而这时冠层 附近喷灌和地
面灌田间空气温度相差最大。此后 由于辐射强
度的降低和 净辐 射 的减 小 以及 冠层 蒸 发耗 热 和
冠层长波辐射的影响，地面灌 lm高度温度迅速
下 降 ，喷
灌 和 地 25
面灌田间水汽压差也逐渐减小。喷灌和地面灌水汽压 日变化趋势基
本一致，但喷灌水汽压一般高于地面灌处理 ，尤其中午前后表现更明 20
∈
显。喷灌后第2天喷灌和地面灌处理lm高度水汽压日变化见图6，是
图 6表明 9：O0和18：00水汽压出现 2个峰值，其中 8：O0大于 18：00 *15
峰值。8：O0前喷灌和地面灌处理水汽压相差较小，这主要是由于夜
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106 中 国 生 态 农 业 学 报 第 ll卷
喷灌可有效改善田19空气湿度分布。图 8表明喷灌 田间地表温度 日变幅明显小于地面灌 田间处理 ，且这种
差异随 土层深 度 的加深 而迅速 减小 。到达 20cm 土层后 2种处理地 温 日变化 曲线基本一 致 ，5～100cm 土层
深度内喷灌平均地温高于地面灌处理。喷灌可降低田间气温 ，尤其是冠层附近温度；冠层上方出现的逆温时
间较长 ，逆温一定程度限制了水汽垂直交换；喷灌田间水汽压一般较高 ，冠层一大气水汽压驱动势减小 ，水汽
流量降低，使冠层附近蒸发力减小 ，有效降低了作物蒸腾和地表蒸发 ，减少了土壤水分无效消耗。喷灌改善
田间小气候 ，缓解和减弱了炎热气候下作物过度蒸腾失水对作物生理和生长所造成的不良影响，一定程度保
障了作物健壮生 长 。
05-29 06-0l 06-04
日期(月·日)
图 7 喷灌与地面灌处理 lm高度 日均
水 汽 压变化 (05-23~06·04)
Fig．7 Average diurnal vapor pressures at height
0f 1 m under sprinkler irrigation and surface
irrigation from May 23 tO June 4
0：00 4：00 8：00 l2：00 l6：00 20：00 0：00
时 问
图 8 喷灌 与地 面 灌处 理地 表 温 度 日变化
Fig．8 Daily soil temperature changes at ground
surface under sprinkler irrigation
and surface irrigation
2．3 喷灌对冬小麦产量及水分利用效率的影响
在无地 表径 流下 田间水 量平衡 可描述为 ：
ET = j+P +△W —D (1)
式中，ET为冬小麦生育期内腾发量(rnm)，J为灌水量 (rnrn)，P为降雨量(1Tim)，dxW 为播种和收获时 0～
135cm土层土壤水量变化(rnm)，D 为冬小麦生育期内通过地下 135cm断面水量(ram)。D采用定位通量法
计算，其表达式为：
D=∑qir (2)
i= 1
式中 ，i=l，2，3，⋯，”，表示把冬小麦生育期划分为 ”个时段 ，t，为第 i阶段的时间，本试验均采用 5d，q 为
第 i时段通过地下 135cm断面平均流量 ，用 Darcy公式计算 ：
q：一K(h) ÷ (3)
‘ _‘
式中，q为断面平均流量(cm／rain)，K(h)为非饱和导水率(cm／rain)，H ，H 分别为 130cm和 140cm深处土
壤水势 (cm)，h为土壤基质势 (crl1)，△ 为 2个水势 间垂 直距离 (10cm)。非饱和 导水 率模拟式 为 ：
K(h)= 9．6×10一 ×exp(一0．0198 f h {) (4)
土壤 基质势 (h)用下式确 定 ：
0 473 × 307 28 ，、
—307 2 8 h (5)
． + l
式中，0为土壤体 积含水量。由式 (2)～(5)计算 出喷灌 冬小麦生 育期 内通过 地下 135cm 断面水量 为
12．1ram，即通过该断面渗水量为 12．1mm。2000～2001年冬小麦生长季节降水总量为 l13．6ram，喷灌和地
面灌处理灌水量分别为 223mm和256．5ram，喷灌播种至收获时土壤贮水量变化为 ll2mm。由式(1)计算 出
喷灌 总耗水量为 436．5ram，地面灌作 物耗水量 为 459．4ram，2种灌 水处 理总耗水 量差别仅 5％左 右 。喷灌处
理产量 为 6430kg／hm2，地面灌处 理产量为 4455kg／hm2，2处 理 产量 差异 较大 。Ben Asher J
． 指 出 ，叶 片光
合速率和周围环境的水汽压差成反比，在以色列进行的大小区域尺度研究均显示光合速率随辐射／水汽压差
的增加 而增 加 ，该结论与本 试验结果相 一致 ，表 明喷灌 改善 田间小气 候 ，提高 冬小 麦产 量 。喷灌 水 分利用 效
∞ 如 加 m
、雠赠群刊
加 博 ¨ ￡!
月 ∈坦
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第 4期 刘海军等 ：喷灌对农 田小气候的影响研究 107
率为1．47kg／m ，地面灌水分利用效率为 0．97kg／m ，喷灌 比地面灌处理高 52％。
3 小 结
喷灌可调节 田间温度与湿度，喷灌对冠层附近温度影响最明显，且随高度的升高这种影响迅速减弱。
1-4rn高度喷灌田间垂直剖面逆温持续时间较长。喷灌对 田间白天湿度影响较大，1～4rn高度喷灌水汽压
明显高于地面灌处理。喷灌对灌溉过程 中田间小气候产生影响，且喷灌后较长时间内这种影响一直存在。
喷灌处理和地面灌处理冬小麦全生育期总耗水量分别为 436．5mm和 459．4mm，产量分别为 6430kg／hm 和
4455kg／hmz，水分利用效率分别为 1．47kg／m 和 0．97kg／m ，故喷灌条件下耗水量较小，而产量和水分利用
效率较 高 。
参 考 文 献
1 陈志银 桑园喷灌的农业气象效应分析．杭州大学学报 (自然科学版)，1996，23(1)：92～98
2 黄寿波 ．农业小气候学 杭州 ：浙江大学出版社 ，2001
3 杨晓光 ，陈 阜，宫 飞等．喷灌条件下冬小麦生理特性及生态环境特点的试验研究 农业工程学报 ，2000，16(3)：35～37
4 刘海军 ，龚时宏，王广兴．喷灌条件下冬小麦生长及耗水规律的研究 灌溉排水，2000，19(1)：26～29
5 Frost K．R．．Schwalen H．C．Sprinkler evaporation losses．Agric Eng．，1995，36：526～528
6 Kohl K D．．Kohl R．A ．Deboer D．W ．Measurement of low pressure sprinkler evapo ration loss．Trans．ASAE，1987，30：1071～ 1074
7 Ayars J．E．，Hutmacher R．B．，Schoneman R A ，et a1．Influence of cotton canopy on sprinkler irrigation uniformity．Trans．ASAE，
1991，34：890～896
8 Li J ，Rao M Sprinkler water distributions as affected by winter wheat canopy．Irrig Sci．，2000，20：29～35
9 Kohl R．A ，Wright J．L．Air temperature and vapor pressure changes caused by sprinkler irrigation．Ag ron J ，1974，66：85～87
10 Tolk J．A．，Howell T．A．，Steiner J．L．，et a1．Role of transpiration suppression by evapo ration of intercepted water in improving irrigation
efficiency．Irrig Sci．，1995，16：89～95
11 Ben．Asher J．Arid lands irrigation and agro-productivity：a closed circuit from theories through models and laboratories to field implementa—
tion．Theory and Practice of Water Saving Agriculture．Beijing：China Water Power Press，2000．40～52
欢 迎 订 阅 2004 年 《应 用 与 环 境 生 物 学 报 》
《应用与环境生物学报》是由中国科学院成都生物研究所主办的学术期刊 ，主要报道我 国应用生物学 、环境生物学及相关
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