全 文 ：中国生态农业学报 2010年 1月 第 18卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2010, 18(1): 62−66


* 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(HKY-JBYW-2007-15)资助
** 通讯作者: 赵元忠(1956~), 男, 高级工程师, 主要从事农田水利工程、旱区节水灌溉等方面的研究。E-mail: gsgpx@163.com
翟治芬(1983~), 博士生, 主要从事农业节水研究。E-mail: zhaizhifen0821@163.com
收稿日期: 2009-06-20 接受日期: 2009-08-05
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00062
秸秆和地膜覆盖下春玉米农田腾发特征研究*
翟治芬 1,2 赵元忠 3** 景 明 4 张建华 1,5 卢艳敏 6
(1. 甘肃农业大学工学院 兰州 730070; 2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 100081;
3. 甘肃省水利科学研究院 兰州 730000; 4. 黄河水利科学研究院 郑州 450003;
5. 中国农业大学工学院 北京 100083; 6. 衡水学院 衡水 053000)
摘 要 通过大型称重式蒸渗仪和小型蒸发器测定秸秆和地膜覆盖下不同灌水处理春玉米地的腾发量, 并结
合气象、春玉米叶面积及产量等数据比较不同覆盖方式和灌水处理的优越性。分析了棵间蒸发量与降雨和灌
水的脉冲性关系、降雨对腾发总量和参考作物腾发量的影响, 得到各处理下不同生育阶段春玉米棵间蒸发占
腾发总量的比例为大−小−大, 且秸秆覆盖较地膜覆盖减少无效蒸发的作用强, 利用不同处理下腾发总量与叶
面积指数所呈现的线性函数关系, 可求得春玉米各生育阶段的作物系数和全生育期的水分利用效率。结果表
明: 河西干旱地区适度调亏对水分利用效率影响不大, 地膜覆盖下种植春玉米比秸秆覆盖效果好。
关键词 地膜覆盖 秸秆覆盖 腾发总量 棵间蒸发 调亏灌溉 春玉米 河西干旱地区
中图分类号: S318 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)01-0062-05
Evapotranspiration characteristics of spring maize under film and straw mulch
ZHAI Zhi-Fen1,2, ZHAO Yuan-Zhong3, JING Ming4, ZHANG Jian-Hua1,5, LU Yan-Min6
(1. College of Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. Institute of Environment
and Sustainable Development on Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3. Gansu Research
Institute of Water Conservancy, Lanzhou 730000, China; 4. Huanghe Research Institute of Water Conservancy,
Zhengzhou 450003, China; 5. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China;
6. Hengshui College, Hengshui 053000, China)
Abstract Using film and straw mulch and different irrigation methods, an experiment was conducted to determine evapotranspira-
tion from spring maize land. Large-scale weighing lysimeter and miniature evaporator were used to measure evapotranspiration,
which combined with weather, leaf area, yield data and other auxiliary data were used to compare the advantage of different mulch
and irrigation methods. The measured data were analyzed to learn pulse relations between rainfall, irrigation with soil evaporation,
and stage effect of rainfall on total and reference crop evapotranspiration. It is indicated that proportion of soil evaporation to
evapotranspiration shows “high-low-high” changing rule at different growth stages. Straw mulch presents better effect on reducing
invalid evapotranspiration than film mulch. The relation between evapotranspiration and leaf area index of different treatments is
better with a much linear functional relationship. Trough the relationship model, crop coefficients for different growth stages of
spring maize and water use efficiency for the entire growth period are determined. The experimental results indicate that deficient
irrigation has little effect on water use efficiency in arid Hexi region. The effectiveness of deficient irrigation is better in spring maize
with film mulch than with straw mulch.
Key words Film mulch, Straw mulch, Evapotranspiration, Soil evaporation, Deficient irrigation, Spring maize, Arid Hexi
region
(Received June 20, 2009; accepted Aug. 5, 2009)
节水农业的宗旨是提高农业水利用效率, 最大
限度地利用天然降水, 以较少的水分消耗获得尽可
能多的经济产量[1]。从农艺上考虑, 降低农田无效蒸
发是提高农业用水效率的重要途径, 农田覆盖不仅
第 1期 翟治芬等: 秸秆和地膜覆盖下春玉米农田腾发特征研究 63


能改变近地面下垫面的性质和能量平衡, 对改善农
田小气候和作物生长同样具有重要意义[2]。甘肃省
武威地区春玉米生长期内, 大气蒸散力强、日照时
间长、相对湿度低, 棵间蒸发是土壤水分散失的主
要部分。本研究利用大型称重式蒸渗仪与小型(棵间)
蒸发器、气象观测数据相结合的方法[3−4], 准确地监
测了该区逐日蒸发蒸腾、蒸发过程[5], 在土壤水分平
衡方程的基础上对土壤棵间蒸发和春玉米蒸腾量
进行计算 , 得到作物系数 [6], 为该区地膜和秸秆覆
盖条件下春玉米农田节水灌溉提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况及试验设计
试验于 2008 年 4~10 月在甘肃省武威市中心灌
溉实验站进行。实验站地处黄羊河灌区、杂木河灌
区、清源灌区交汇地带, 属典型的内陆性荒漠生态
区, 2008年春玉米全生育期内降水量 88.6 mm。土壤
质地属灰钙质轻砂壤土, 土壤肥力水平较低, 地下
水埋深 30 m。试验分小麦秸秆覆盖(j)和地膜覆盖(f)
两种覆盖方式, 每种覆盖方式下分充分灌溉(ck, 土
壤水分不低于田间持水率的 60%)和调亏灌溉(3, 拔
节~抽穗期灌水量为田间持水率的 50%~60%, 灌浆~
蜡熟期灌水量为田间持水率的 40%~50%, 其他阶段
土壤水分低于田间持水率的 60%时灌水)两种灌水
方式, 即有 j3、jck、f3和 fck 4个处理, 3次重复, 每
小区面积 12.6 m×3 m。供试春玉米品种为“金穗 1
号”, 播种行、株距 30 cm×30 cm。地膜覆盖处理
每小区覆盖 1.2 m×12.6 m的塑料薄膜两条, 秸秆覆
盖处理每小区均匀覆盖小麦秸秆 10 kg。春玉米于
2008年 4月 18日播种, 地膜覆盖处理 9月 7日收获,
总计 142 d; 秸秆处理 9月 20日收获, 总计 155 d。
1.2 主要测试项目及方法
1.2.1 棵间蒸发量 利用埋设在作物行间的小型蒸
发器(Micro- lysimeter)的换土称重法测定。每个小区
布置 3 个 Micro-lysimeter, 取平均值。为保证桶内
水分与土壤湿度相同, 每周换取 1 次原状土称重,
灌水或降雨亦要换取土样; 同时桶上覆盖与试验小
区相同。每日 9: 00称重(以避免露水影响)。灌水日
停测, 灌水日当天的棵间蒸发量参照灌后第 2 d 棵
间蒸发量与参考作物需水量的比值补齐[7]。
1.2.2 作物实际蒸腾量 用建于田间的大型称重式
蒸渗仪测定。蒸渗仪面积为 2.5 m×2.5 m, 深 3 m, 蒸
渗仪内作物生长情况与大田作物基本一致。由于武
威市气候干旱、地下水深度较大, 不考虑渗漏。在地
膜和秸秆两种覆盖方式的正常灌水条件下(fck和 jck)
测定数据, 可以保证其测定数据对大田种植春玉米
蒸发蒸腾的修订。
1.2.3 气象资料 由实验场自动气象站测定, 通过
Penman-Monteith公式计算参考作物腾发量。
1.2.4 叶面积测定 由叶面积仪测定。
1.2.5 土壤水分测定 每隔 8 d 用中子仪测定, 在
各次灌水前后、收后加测。测定深度为 1.2 m, 每 20
cm为 1层, 10 cm处加测, 共 7层。
1.2.6 产量测定 在生育期结束后, 每小区取 10株,
进行考种, 根据种植密度求得理论产量。在 2009年
1月, 测定完全自然风干后的玉米实际产量。
2 结果与分析
2.1 降雨和灌水对春玉米农田蒸发的影响
利用微型蒸渗仪测定的春玉米生育期内地膜和
秸秆覆盖下棵间蒸发受降雨和灌水影响的变化过程
如图 1a所示, 利用大型称重式蒸渗仪和气象数据求
得的参考作物蒸发蒸腾量受降雨影响的逐日变化过
程如图 1b所示。
地膜和秸秆覆盖下 , 从播种到拔节期日棵间
蒸发速率均较高 , 最高达 13.88 mm·d−1、13.84
mm·d−1, 这主要是由于前期玉米叶面积较小, 田间
耗水主要为棵间蒸发。随着春玉米的生长, 叶面积
逐渐增大 , 田间耗水主要以植株的蒸腾耗水为主 ,
日棵间蒸发速率逐渐减小, 抽穗到灌浆期内维持在
很低的水平, 均低至 0.25 mm·d−1。蜡熟期后由于
频繁降雨加之叶片枯黄 , 日棵间蒸发值有所增加 ,
最高值地膜覆盖为 7.13 mm·d−1、秸秆覆盖为 6.62
mm·d−1。春玉米的耗水高峰期在拔节后, 特别是抽
穗、灌浆期间, 地膜覆盖拔节后耗水量占全生育期
总耗水量的 67.75%、秸秆覆盖占 56.72%。整个生育
期内地膜覆盖始终比秸秆覆盖的棵间蒸发大, 最大
差值达 7.39 mm。这主要是由于地膜的透射和阻隔
作用以及覆盖与地表之间饱和水汽层的滞后作用引
起的。秸秆覆盖和地膜覆盖下总蒸发蒸腾量分别为
950.65 mm和 886.59 mm, 大型称重式蒸渗仪测定值
分别为 935.1 mm 和 734.8 mm, 总蒸发量分别为
411.11 mm 和 423.38 mm, 总蒸腾量分别为 539.54
mm和 463.21 mm。地膜覆盖下蒸发蒸腾总量较低的
原因是地膜覆盖缩短了玉米的生育期时间。经分析
计算春玉米生长期的气象因素(4月 1日~9月 30日)
得到总降水量约为 88.6 mm。利用 Penman- Monteith
公式计算秸秆覆盖和地膜覆盖下玉米生长期的参照
腾发量 ET0分别为 766.30 mm和 736.80 mm, 总蒸发
蒸腾与总参照蒸发蒸腾量的比例分别为 1.24和 1.20。
整个生育期内的棵间蒸发、蒸发蒸腾总量、参
考作物腾发量的变化曲线均成脉冲状, 其变化趋势
64 中国生态农业学报 2010 第 18卷


一致, 即每次灌水或降雨后达到峰值, 随着灌溉或
降雨后天数的增加逐渐降低, 直到下次灌水或降雨
(图 1)。故半干旱地区旱作农田的棵间蒸发和蒸发蒸
腾与能量和水分供应状况密切相关。这是由于半干
旱旱作玉米在整个生长期中水分供应处于不同程度
亏缺状态, 降雨和灌水后, 土壤表面多处于饱和阶
段, 土壤表层蒸发耗水量在毛细管作用下将土壤下
层水分输向地表, 使地表蒸发耗水量得到补充, 作
物的蒸腾和棵间蒸发相应增加。但随表层含水量的
逐渐减少, 毛细管逐渐断裂, 土壤液态水主要以薄
膜水形式运移, 速度越来越慢, 蒸发也逐渐减少。要
达到减少无效棵间蒸发应减少灌水次数, 从而提高
农业水利用效率。秸秆覆盖减少了表面湿润面积并缩
短了土壤表面湿润的时间, 可减少棵间蒸发损失。


图 1 降雨和灌水对棵间蒸发(a)及降雨对蒸发蒸腾量(b)的影响
Fig. 1 Effect of rainfall and irrigation on soil evaporation (a) and effect of rainfall on evapotranspiration (b)

2.2 覆盖条件下春玉米日蒸腾量(T)和棵间蒸发量
(E)与蒸发蒸腾(ET)的关系
春玉米生育期内 ET 是棵间土壤蒸发量 E 与作
物叶面蒸腾量 T 之和, 由根层土壤含水量观测数据
通过水量平衡计算得出。图 2 为各生育阶段棵间蒸
发与叶面蒸腾的比例关系, 不同生育阶段其比值变
化很大: 从播种到出苗阶段, 气温低, 特别是 4月 21
日有一次降雪 , 导致棵间蒸发比春玉米蒸腾量小 ;
从苗期到拔节期 , 气温逐渐上升 , 空气干燥 , 此时
植株矮小 , 叶面积指数小 , 叶面蒸腾量很低 , 棵间
土壤蒸发量 E 占蒸发蒸腾量 ET 的比例(分摊系数)
较大 , 达 60%以上 ; 抽穗期玉米叶面积达到最大 ,
春玉米转入旺盛生长和产量形成阶段, 需水强度大,
叶面蒸腾在阶段耗水中占据重要地位, 棵间蒸发量
占蒸发蒸腾量比例最小, 不到 20%; 灌浆成熟阶段,
由于植株叶片逐渐变黄, 叶面积系数减少, 叶面蒸
腾降低, 加之有少量降雨, 棵间蒸发占阶段蒸发蒸
腾量比例又有所回升。从全生育期看, 秸秆和地膜
覆盖下春玉米棵间蒸发量占总需水量的比分别为
43.24%、47.75%, 蒸腾耗水量占总蒸发蒸腾的比例
分别为 56.75%和 52.25%。抽穗期之前的各生育阶段
秸秆覆盖处理的分摊系数均小于地膜覆盖, 可见秸
秆覆盖能够在春玉米生长前期起到减少无效蒸发的
作用。
2.3 覆盖条件下春玉米叶面积指数(LAI)与棵间蒸
发(E)的关系
充分灌溉条件下, 棵间蒸发和作物蒸腾在总蒸
发蒸腾中所占的比例与冠层和棵间土壤所接受的净
辐射有关。由于叶片的消光作用, 冠层和土壤所接
受的净辐射与叶面积指数密切相关。图 3a表示在春
玉米整个生育期内, 棵间蒸发占田间蒸发蒸腾总量
的比例(E/ET)受叶面积指数(LAI)的影响, 并且符合
第 1期 翟治芬等: 秸秆和地膜覆盖下春玉米农田腾发特征研究 65



图 2 秸秆覆盖(a)和地膜覆盖(b)下棵间蒸发与
总蒸发蒸腾关系
Fig. 2 Relationship between soil evaporation (E) and
evapotranspiration (ET) under straw (a) and film mulch (b)

叶面积指数大, E/ET 值小的变化规律。当叶面积指
数 LAI 较小时, 春玉米田相对棵间土壤蒸发强度明
显高于 LAI 较大的情况, 且在蒸发递减阶段随表层
土壤含水率的降低而下降的速率非常快, 表明在地
表春玉米覆盖度较低时, 由于土壤表面接受的太阳
净辐射较多, 地表失水较快; 当 LAI较大时, 由于冠
层对净辐射的截留, 加之作物冠层内的空气相对湿
度较高, 土壤表层失水速率相对较慢。春玉米整个
生育期内 , E/ET 与实测作物 LAI 的关系为 : 当
16时,
E/ET 曲线变化趋势较为平缓。但各个处 理存在一
定差异: f3和 j3在抽穗期的 LAI明显低于 fck和 jck,
在灌浆期则反之; 这主要由水分调亏所引起, 说明
控制灌水可使 E／ET与 LAI的关系发生变化。
考虑土壤棵间蒸发与叶面积指数的极限条件 ,
由实测资料回归分析得出两者相关关系(图 3b)。图 3
表明除 fck外, 另外 3个处理的棵间蒸发 E与叶面积
指数 LAI 均具有较好的对数相关关系: j3、jck、f3
和 fck的决定系数分别为 0.972 6、0.950 4、0.680 2、
0.486 8。可见秸秆覆盖下春玉米生育期内 E与 LAI
相关性较好, 而地膜覆盖下由于土壤表层湿润程度
较低, E与 LAI相关性较低。
2.4 覆盖条件下作物系数的确定
作物系数为作物最大腾发量与参照作物腾发量
的比值, 由 0i cET k k ET= ⋅ ⋅ 求得, 式中 kc为充分灌溉
下的作物系数, ki为非充分灌溉下的作物系数。

图 3 春玉米不同阶段棵间蒸发与叶面积指数的关系
Fig. 3 Relations between soil evaporation (E) and leaf area
index (LAI) at different spring maize stages

表 1 表明, 地膜覆盖和秸秆覆盖下, 作物系数
kc均呈小−大−小的规律, 即从播种开始增加到抽穗、
灌浆达到最大值后又有所下降。fck与 jck作物系数
的区别主要表现在抽穗之后, jck的作物系数在抽穗
期达到最大 1.43, 而 fck的作物系数在灌浆期达到最
大 1.39。这主要是由于地膜覆盖的增温保墒作用主
要体现在春玉米的生长前期, 随着玉米植株的生长
和气温的升高, 土壤中的水分成为制约植株生长的
主要因素, 而此时秸秆在地表形成了一个物理隔离
层, 能够有效减少土壤表层的水分蒸发。与其他生
育期相比, 处理 j3和 f3在拔节期和蜡熟期的作物修
正系数间明显差别较大, 说明水分亏缺是作物修正
系数的一个重要影响因素。作物系数最为重要的影
响因素还是其自身的生理生态指标 , 例如作物种
类、品种、冠层发育状况、叶面积指数等。
2.5 春玉米产量与水分利用效率的关系
春玉米的最终产量与耗水量的关系可表示为 :
/WUE Y ET= , 其中 Y为产量(kg·hm−2), ET为取得
Y时的耗水量(m3·hm−2), Y/ET即为水分利用效率。由
表 2可知, 秸秆覆盖下 j3的 WUE为 1.538 kg·m−3,
较 jck大 4.20%, 而地膜覆 盖下 f3的WUE为 1.799
kg·m−3, 较 fck小 0.33%, 说明秸秆覆盖下受水分的
影响程度比地膜覆盖强。同时地膜覆盖下水分利用
66 中国生态农业学报 2010 第 18卷


表 1 地膜和秸秆覆盖下春玉米各生育期的作物系数
Tab. 1 Crop coefficients in growth period of spring maize under film mulch and straw mulch
项目
Item
处理
Treatment
出苗
Emergence
苗期
Seedling
拔节
Jointing
抽穗
Heading
灌浆
Grouting
蜡熟
Waxing maturity
全生育期
Whole growth period
jck 1.16 1.19 1.20 1.43 1.29 1.02 1.24 kc
fck 1.11 1.19 1.23 1.33 1.39 1.16 1.25
j3 0.57 1.06 0.85 1.06 0.47 1.52 0.92 ki
f3 0.98 1.09 1.15 1.33 0.43 1.11 0.97

表 2 不同处理下春玉米的水分利用效率
Tab. 2 WUE of spring maize under different treatments
处理
Treatment
降雨
Rainfall (mm)
灌溉
Irrigation (mm)
土壤水分变化
Change of soil water (mm)
腾发量
ET (mm)
产量
Yield (kg·hm−2)
水分利用效率
WUE (kg·m−3)
j3 88.60 722.23 65.51 876.33 13 477.482 1.538
jck 88.60 765.43 96.61 950.65 14 030.004 1.476
f3 88.40 625.22 144.34 857.96 15 432.298 1.799
fck 88.40 694.89 103.30 886.59 16 006.568 1.805

效率比秸秆覆盖高, 可见从水分利用上看河西干旱
地区采用地膜覆盖种植春玉米比秸秆覆盖效果好。
3 结论与讨论
试验结果表明: (1) 秸秆覆盖和地膜覆盖下, 春
玉米地的棵间蒸发主要受表层土壤水分控制, 随着
表层土壤水分的散失棵间蒸发速率迅速下降。无论
灌水或降雨量的多少, 其后几天蒸发量较大。为达
到节水的目的, 实施灌溉时应减少灌水次数、缩小
灌溉的湿润面积、缩短土壤表层由湿润变干燥的时
间, 以减少棵间蒸发损失。(2) 秸秆和地膜覆盖下,
棵间蒸发占蒸发蒸腾总量比例随着地上部分玉米植
株及土壤含水量的变化而变化。其总的趋势是: 玉
米生育前期 (播种~拔节 )棵间蒸发的分摊系数为
0.4~0.7; 玉米抽穗期时由于玉米植株的生长, 迅速
下降到 0.2左右, 使得叶面蒸腾成为主要因素; 抽穗
之后随着叶面枯萎又呈逐渐增大趋势。地膜覆盖下
棵间蒸发的分摊系数比秸秆覆盖高, 秸秆覆盖有利
于减少无效蒸发。(3) 在春玉米生长期内, 土壤棵间
蒸发随叶面积指数增大而变小, 在土壤表面湿润时
E 与 LAI 的相关性较好, 而在土壤表面干燥时 E 与
LAI 的相关性较差。生产实践中可采取适应性措施,
如增加作物生长早期的叶面积指数和减少冠层下方
的表层土壤含水率, 以控制农田水分的非生产性消
耗。(4) 在春玉米整个生育期内, 秸秆和地膜覆盖下
的作物系数呈两头小中间大的规律, 且达到最大值
的生育阶段不同, 在选择覆盖方式时需适当考虑。(5)
地膜覆盖下的水分利用效率高于秸秆覆盖, 而适度
调亏对水分利用效率影响不大, 故河西干旱区种植
春玉米时采用地膜覆盖比秸秆覆盖效果好。
秸秆和地膜覆盖带来的农田小气候变化对土壤
蒸发的影响较复杂 , 不仅受到土壤含水量的影响 ,
而且与气候条件和作物冠层的大小有密切关系。本
试验仅针对河西地区特殊的气象条件下两种覆盖方
式做出比较。用 Micro-lysimeters测定春玉米棵间蒸
发是一种简单有效的方法, 但 Micro-lysimeters的长
度、直径、在土壤中存放的时间与位置以及不同水
分年型、灌溉制度和灌溉方式对作物棵间蒸发的影
响规律尚待进一步探讨。值得指出的是: 由于使用
土壤水分平衡方程计算作物总耗水量时没有测定根
层以下的渗漏量, 得到的总耗水量偏高, 水分利用
效率偏低, 需要在今后的研究中深入探讨。
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