石佛寺人工濕地蘆葦群落蒸散發(fā)計(jì)算與分析

周林飛，許化龍，董福君，成 遣

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽(yáng)110866；2.遼寧省石佛寺水庫(kù)管理局，沈陽(yáng)120003）

濕地是地球上最具生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)之一，也是最富生物多樣性的系統(tǒng)之一，在自然界中發(fā)揮許多至關(guān)重要的生態(tài)功能和凈化環(huán)境的作用，具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益［1］。濕地水文過程包括蒸散發(fā)、降水、徑流和地下水交換等環(huán)節(jié)。其中，濕地蒸散發(fā)過程作為濕地水分損失的主要途徑，是水文過程研究的重要內(nèi)容［2］。濕地地表有很多種水面的表現(xiàn)形式，其中蘆葦沼澤的水面為季節(jié)性水面，即豐水期（春季融雪后或汛期）為水面，枯水期為陸面。在這種形態(tài)中，挺水植物蘆葦群落的蒸散發(fā)包括植物蘆葦蒸騰和土壤蒸發(fā)。在植物群落中，植株本身對(duì)水面遮擋阻礙了水面蒸發(fā)的同時(shí)，自身的蒸騰作用又會(huì)促進(jìn)水面蒸發(fā)，兩種作用相互交疊共同影響下墊面的蒸散發(fā)。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)計(jì)算植物蒸散發(fā)的方法有很多種，如水文學(xué)法、微氣象學(xué)法、紅外遙感法、植物生理學(xué)法、SPAC水分傳輸綜合模擬法等，每一種方法都是根據(jù)一定的對(duì)象和條件發(fā)展起來的。在微氣象學(xué)法計(jì)算植物蒸散發(fā)中，Penman-Monteith公式在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用與研究，其優(yōu)點(diǎn)如下：可以全面考慮影響蒸散的大氣物理特性和植物的生理特性，具有很好的物理依據(jù)，能比較清楚地反映蒸散的變化過程及影響機(jī)制。本文以此公式為基礎(chǔ)計(jì)算石佛寺人工濕地蘆葦蒸散發(fā)過程，為蘆葦群落生態(tài)需水及濕地內(nèi)水資源優(yōu)化配置提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

石佛寺水庫(kù)是遼寧省最大的平原水庫(kù)，位于沈陽(yáng)市沈北新區(qū)黃家鄉(xiāng)和法庫(kù)縣依牛堡鄉(xiāng)（北緯42°8′—42°11′N，東經(jīng)123°25′—123°32′E），距沈陽(yáng)市47km，鐵嶺市16km。所屬流域?yàn)檫|河流域，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬季嚴(yán)寒干燥，夏季濕熱多雨，溫度適宜，光照充足。年平均氣溫為7.5℃，全年無霜期約為153d，年均降水量為672.9mm，太陽(yáng)輻射時(shí)數(shù)為2 652.2h，屬北方長(zhǎng)日照區(qū)。為改善生態(tài)環(huán)境，石佛寺水庫(kù)于2009年進(jìn)行生態(tài)蓄水，同時(shí)建立石佛寺人工濕地，位于水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)遼河的左岸，選取的濕地植物為適宜東北地區(qū)生長(zhǎng)存活的蘆葦、蒲草和荷花，經(jīng)過4a的運(yùn)行蘆葦?shù)拿娣e為171.04hm2，蒲草185.70hm2，荷花107.17hm2。隨著濕地內(nèi)逐年的生態(tài)建設(shè)，目前濕地內(nèi)已經(jīng)形成了一個(gè)包括挺水植物、沉水植物、浮水植物和漂浮植物的較為完善的濕地生態(tài)系統(tǒng)，與庫(kù)區(qū)內(nèi)生態(tài)水面一起構(gòu)成了東北地區(qū)典型大型表面流人工濕地，濕地總面積20.68km2。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選擇新城子國(guó)家基準(zhǔn)站（北緯42°03′，東經(jīng)123°53′），位于石佛寺人工濕地水陸交界處，在濕地影響范圍內(nèi)。石佛寺人工濕地建于2009年初，由于水源充分，蘆葦群落當(dāng)年長(zhǎng)勢(shì)就比較好，隨著生態(tài)環(huán)境的不斷改善，蘆葦群落面積不斷擴(kuò)大，經(jīng)遙感調(diào)查目前面積已經(jīng)達(dá)到171.04hm2。由于水源充分，人工濕地內(nèi)蘆葦群落一直長(zhǎng)勢(shì)良好，面積逐年擴(kuò)大。本研究選擇氣象數(shù)據(jù)為2009年5月至2012年9月逐日空氣相對(duì)濕度（RH），空氣溫度（T），降水量（P），風(fēng)速（U2），太陽(yáng)凈輻射（Rn）等氣象資料。

2 研究方法

2.1 間接法計(jì)算蘆葦潛在蒸散發(fā)

近年來，人們對(duì)利用氣象資料計(jì)算作物蒸散發(fā)（作物需水量）的方法進(jìn)行了廣泛的研究，在對(duì)這些方法分析的基礎(chǔ)上提出了多種計(jì)算方法，可以把這些計(jì)算方法分為兩大類［3－5］。一類是慣用法，一類是通過參考作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算作物蒸散發(fā)的間接法。

本研究選用間接法計(jì)算蘆葦潛在蒸散發(fā)。蘆葦在不同的生育期地表水文狀況不同，地表有時(shí)土壤裸露，有時(shí)積水，因此蘆葦?shù)恼羯l(fā)包括土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)，或者是水面蒸發(fā)和植物散發(fā)。首先利用氣象因子計(jì)算逐日的參考作物蒸發(fā)蒸騰量（潛在蒸發(fā)量），然后用蘆葦各生育階段的作物系數(shù)乘以參考作物蒸發(fā)蒸騰量，來計(jì)算蘆葦生育期逐日的蒸散發(fā)［6］，見公式（1）。

式中：ET0——計(jì)算時(shí)段內(nèi)的參考作物蒸發(fā)蒸騰量；Kci——相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的作物系數(shù)；ETci——作物時(shí)段i的蒸散發(fā)。

2.2 FAO Penman-Monteith（98）模型

FAO Penman-Monteith（98）模型是以氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)，計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量，具有相對(duì)較小誤差的方法。參考作物是指一種假想作物，高度0.12 m，葉面阻力固定為70m／s，反照率0.23，類似經(jīng)過修剪，高度一致，正常生長(zhǎng)，大面積覆蓋地面，水分供應(yīng)充足的綠色草類植物［7］。計(jì)算公式見式（2）。

式中：ET0——標(biāo)準(zhǔn)參考作物潛在蒸散發(fā)量（mm／d）；Rn——太陽(yáng)凈輻射［MJ／（m2·d）］；G——土壤熱通量密度［MJ／（m2·d）］，G＝0.12［Ti－（Ti－1＋Ti－2＋Ti－3）／3］，Ti——當(dāng) 日 平 均 氣 溫 （℃），Ti－1，Ti－2，Ti－3分別是前三日的平均氣溫（℃）；T——2m 高度平均氣溫日 最高、最低氣溫；U2——2m 高度處風(fēng)速（m／s）；es——飽和 水 氣 壓 （kPa）ea——實(shí)際水氣壓（kPa），ea＝esRHmean；Δ——飽和水氣 壓 曲 線 斜 率 （kPa／℃）， Δ ＝γ為干濕表常數(shù)

（kPa／℃）。以日為時(shí)間間隔計(jì)算參照作物潛在蒸發(fā)量時(shí)，土壤熱通量變化不大，即Gday≈0［8］。

2.3 蘆葦生育期的劃分與蒸散發(fā)特征

蘆葦生育期的劃分是作物系數(shù)Kc分階段確定的依據(jù)。根據(jù)全國(guó)《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》中劃分作物生育階段的標(biāo)準(zhǔn)，并參考遼寧省相關(guān)部門多年實(shí)際觀測(cè)資料，將蘆葦整個(gè)生育期劃分為4個(gè)階段，從5月1日起，初始期，生長(zhǎng)期，穩(wěn)定期，枯萎期分別為10，30，80，20d，到9月20日結(jié)束。對(duì)多年生蘆葦而言，作物在生長(zhǎng)初始期，植株密度很小，植株覆蓋率僅達(dá)到10%，蒸散發(fā)量主要由潮濕土壤貢獻(xiàn)或由株間水面蒸發(fā)貢獻(xiàn)。在生長(zhǎng)期，蘆葦快速生長(zhǎng)，覆蓋面積不斷增大，覆蓋率從10%提高到80%以上；穩(wěn)定期階段，覆蓋率達(dá)到最大值，蘆葦葉面積變化不大；此兩階段的蒸散發(fā)量主要由蘆葦?shù)纳l(fā)和水面蒸發(fā)構(gòu)成。進(jìn)入枯萎期，蘆葦停止生長(zhǎng)（植株高度不變、葉數(shù)不變）直至植株收割或枯萎［8］。

2.4 單作物系數(shù)Kc的確定

Kc系數(shù)是反映作物葉面蒸騰的基本作物系數(shù)，代表著植物高度、反照率、冠層阻力和棵間蒸發(fā)4個(gè)因素的綜合作用。Kc值不僅隨作物變化，更主要的是隨作物的生育階段而異。對(duì)該地區(qū)而言（表1），每年5月份前后為蘆葦初始期，作物系數(shù)為Kcini；5月中旬到6月中旬為蘆葦快速生長(zhǎng)期，此階段作物系數(shù)從Kcini變化到Kcmid；6月中旬、7、8月份為蘆葦穩(wěn)定期，此階段作物系數(shù)為Kcmid；9月份為蘆葦枯萎期，此階段作物系數(shù)從Kcmid變化到Kcend。Kc作物系數(shù)的確定關(guān)鍵是確定Kcini、Kcmid和Kcend三個(gè)值，據(jù)此三個(gè)值可概化為時(shí)間平均值的作物系數(shù)變化過程線。

確定Kcini、Kcmid和Kcend三個(gè)作物系數(shù)采用FAO－56推薦的分段單值平均法來確定［9－10］。根據(jù)FAO－56“作物需水量計(jì)算指南”中的表12，查出標(biāo)準(zhǔn)條件下各時(shí)期的作物系數(shù)的推薦值。所謂標(biāo)準(zhǔn)條件是指半濕潤(rùn)氣候區(qū)（空氣濕度≈45%；風(fēng)速≈2m／s），供水充足，管理良好，生長(zhǎng)正常，大面積高產(chǎn)的作物條件。石佛寺人工濕地的建設(shè)，是為了改善生態(tài)環(huán)境，濕地內(nèi)每年都要保證固定的水面面積，生態(tài)水位一年四季保持在46.2m，可以通過濕地下游出口的閘門進(jìn)行控制。因此蘆葦沼澤群落常年存水，4個(gè)生育階段水分供應(yīng)都相當(dāng)充分，通過遙感及濕地調(diào)研蘆葦4 a來長(zhǎng)勢(shì)良好。所以石佛寺人工濕地滿足管理良好、生長(zhǎng)正常、大面積高產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)條件。從研究氣象資料分析來看，有的年份、有的階段不能滿足空氣濕度≈45%；風(fēng)速≈2m／s的條件，但可以通過系數(shù)調(diào)整來提高精度。因此石佛寺人工濕地可以通過此方法來確定各階段的Kc值。濕地內(nèi)常年積水（Reed Swamp standing water），查FAO－56“作物需水量計(jì)算指南”中的表12，得到 Kcini，Kcmid，Kcend分別為1.0，1.2，1.0，根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行修正。

Kcini的修正：在初始階段，蘆葦植株未充分覆蓋地面，可參考水稻類植物考慮非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)RHmin＝45%，U2＝2m／s）空氣相對(duì)濕度和風(fēng)速對(duì)Kc的影響（播種時(shí)地面存水10—20cm）修正初始階段的系數(shù)Kcini，如表1所示。

表1 修正蘆葦生長(zhǎng)初始階段的系數(shù)（地表存水10～20cm）

Kcmid和Kcend的修正：在生長(zhǎng)穩(wěn)定期和枯萎期階段，按當(dāng)?shù)?m高處的日平均風(fēng)速、每日最低相對(duì)濕度的平均值，進(jìn)行調(diào)修正。Kcmid的修正公式如式（3）。當(dāng)Kcend≥0.45時(shí)，利用式（4）進(jìn)行修正，當(dāng) Kcend（推薦值）＜0.45時(shí)，Kcend＝Kcend（推薦值）。

式中：Kcmid——調(diào)整后的植物生長(zhǎng)穩(wěn)定期系數(shù)；Kcmid（推薦值）——調(diào)整前植物生長(zhǎng)穩(wěn)定期系數(shù)，查表為1.2；Kcend（推薦值）——調(diào)整前植物枯萎期系數(shù)，查表為1；U2——每日風(fēng)速平均值（m／s，1m／s≤U2≤6 m／s，測(cè)量高度2m）；RHmin——每日最小相對(duì)濕度的平均（%，20%≤RHmin≤80%）；h——植物植物平均高度（m，0.1≤h≤10m）。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 ET0 的計(jì)算

參考作物潛在蒸發(fā)量（ET0）主要表現(xiàn)的是作物蒸發(fā)蒸騰能力，存在顯著相關(guān)性的指標(biāo)包括平均溫度、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、凈輻射等因素［11］。將收集的氣象數(shù)據(jù)整理后代入式（2），參考作物潛在蒸發(fā)量如表2所示。

表2 參考作物潛在蒸散發(fā)量（ET0） mm

3.2 確定調(diào)整后的Kc值

將整理后氣象數(shù)據(jù)與Kc（標(biāo)準(zhǔn)值）代入公式（3）和公式（4）得到調(diào)整后各階段系數(shù)，如表3所示。

表3 調(diào)整后的Kc值

3.3 ETc的計(jì)算與分析

將計(jì)算得到的ET0及調(diào)整后各階段Kc值代入式（1），計(jì)算得到蘆葦實(shí)際蒸散發(fā)量。圖1，圖2分別為ETc月度、年際變化。由圖可見：各月份中蘆葦實(shí)際蒸散發(fā)量在6月份處于最大值，在此月份中蘆葦屬于快速生長(zhǎng)期，蒸散發(fā)量較大。在9月份中處于最小值，在此月份中蘆葦開出蘆花停止生長(zhǎng)，蘆葦處于枯萎期，蒸散發(fā)量較小。在2009—2012年期間，蘆葦實(shí)際蒸散發(fā)量屬于逐年減少趨勢(shì)。ETc與年份的相關(guān)性檢驗(yàn)可知，二者的相關(guān)性極顯著，其形成的線性方程表達(dá)式是：y＝－87.15x＋866.25。平均ETc與月份的相關(guān)性檢驗(yàn)可知，二者的相關(guān)性極顯著，其形成的線性方程表達(dá)式是：y＝－14.67x＋185.38。ETc整體趨勢(shì)自2009年起至2012年呈現(xiàn)變小趨勢(shì)，自5月份起至9月也呈變小趨勢(shì)。

圖1 各月份ETc平均值變化趨勢(shì)

3.4 實(shí)際蒸散發(fā)量與氣象因子的偏相關(guān)系數(shù)分析

偏相關(guān)系數(shù)反映了在其他因子不變的情況下自變量的變化對(duì)因變量的影響，消除了自變量之間的相互影響。數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，偏相關(guān)系數(shù)的數(shù)值大小可以反映自變量對(duì)因變量的影響程度［12］。將2009—2012年氣象數(shù)據(jù)每月平均值與蘆葦每月實(shí)際蒸散發(fā)量整理后代入SPSS16.0數(shù)據(jù)表中，得出主要?dú)庀笠蜃优c蘆葦實(shí)際蒸散發(fā)量的偏相關(guān)系數(shù)，其中：ETc－Rn，ETc－T，ETc－U2，ETc－RH 的偏相關(guān)系數(shù)分別為0.993，0.708，0.492，－0.317。蘆葦實(shí)際蒸散發(fā)量與凈輻射（Rn）偏相關(guān)性最大，與相對(duì)濕度（RH）偏相關(guān)性最小。影響大小依次為凈輻射、平均溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度。蘆葦實(shí)際蒸散發(fā)量與凈輻射（Rn）、平均溫度（T）、風(fēng)速（U2）相關(guān)系數(shù)為正，與相對(duì)濕度（RH）相關(guān)系數(shù)為負(fù)，說明凈輻射、平均溫度、風(fēng)速的增加將使蒸散發(fā)量增大，而濕度增加將使蒸散發(fā)量減少。

圖2 逐年ETc總量變化趨勢(shì)

3.5 氣象要素變化趨勢(shì)分析

將2009—2012年間蘆葦生育期內(nèi)的氣象要素隨月份的年變化規(guī)律及相關(guān)性進(jìn)行了分析，如表4所示。5月份、9月份的氣象要素均不顯著，6月份僅平均風(fēng)速呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，7月份除平均風(fēng)速不顯著外，其余均極顯著上升或下降趨勢(shì)且十分明顯。8月份平均氣溫、平均風(fēng)速、最低氣溫呈極顯著上升趨勢(shì)，其余均不顯著。

表4 各月氣象要素年際變化趨勢(shì)

續(xù)表4：

4 結(jié)論

以研究區(qū)2009—2012年逐日氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Penman-Monteith公式及單作物系數(shù)法，計(jì)算了蘆葦全生育期內(nèi)各月份實(shí)際蒸發(fā)量平均值5—9月分別為142.4，149，138.1，120.9，83.1mm；其中6月份最多，5月次之，9月份最少。自2009—2012年該地區(qū)蘆葦實(shí)際蒸散發(fā)量分別為743.7，638.5，583.7，567.7mm，呈逐年遞減趨勢(shì)。

運(yùn)用相關(guān)性分析得出自2009—2012年蘆葦生育期蒸散發(fā)量逐年遞減，在蘆葦整個(gè)生育階段蘆葦實(shí)際蒸散發(fā)量呈現(xiàn)逐月減少趨勢(shì)，并列出多年各氣象因子的線性回歸方程。應(yīng)用偏相關(guān)性分析驗(yàn)證了影響蘆葦蒸散發(fā)量的主要影響因子與實(shí)際常識(shí)相符，影響大小依次為凈輻射、平均溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度。該文研究了蘆葦全生育期的耗水規(guī)律，為該地區(qū)制定蘆葦灌溉及蘆葦濕地生態(tài)需水提供了依據(jù)。

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