極端干旱條件下苦豆子蒸散量日變化研究

高冠龍, 張小由, 朱 平, 趙 虹

(1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 蘭州 730000;2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3.浙江瑞啟檢測技術(shù)有限公司, 杭州 310000)

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極端干旱條件下苦豆子蒸散量日變化研究

高冠龍1,2, 張小由1, 朱 平1,2, 趙 虹3

(1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 蘭州 730000;2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3.浙江瑞啟檢測技術(shù)有限公司, 杭州 310000)

基于波文比—能量平衡法的實(shí)測資料，對極端干旱條件下苦豆子地的蒸散量及能量通量進(jìn)行了連續(xù)測定，并針對蒸散量與能量平衡的日變化特點(diǎn)進(jìn)行了分析與探討，結(jié)果表明：(1) 蒸散速率在苦豆子不同的生長階段具有不同的變化趨勢，7月份為雙峰型，其余的月份為單峰型；(2) 在晴朗無云的天氣條件下，苦豆子蒸散速率的日變化表現(xiàn)出明顯的晝夜差異，即單峰或雙峰曲線趨勢，夜間水汽凝結(jié)，蒸散速率為負(fù)值；(3) 在晴朗無云的天氣條件下，苦豆子蒸散速率的變化趨勢與凈輻射、熱通量的日變化都具有相同的峰型；(4) 隨著太陽輻射的逐漸增強(qiáng)，氣溫和水汽壓均升高，蒸散作用增強(qiáng)。風(fēng)速增大的同時(shí)，蒸散速率也隨著升高。土壤溫度升高值的變化趨勢與蒸散速率的變化趨勢基本一致。各環(huán)境因子對蒸散速率影響程度依次為：土壤溫度升高值>冠層上方水汽壓>氣溫>風(fēng)速。

極端干旱; 苦豆子; 蒸散量; 日變化

苦豆子(SophoraalopecuroidesL.)是豆科槐屬植物，主要分布于我國西北各省區(qū)，別名香豆、苦甘草、苦豆草、歐苦參、苦豆根、西豆根、草槐(甘肅)、白頭蒿子、布亞(維語)、胡蘭—寶雅(蒙語)等[1]?？喽棺訛槎嗄晟荼局参?，抗風(fēng)固沙作用強(qiáng)；耐干旱，抗風(fēng)蝕且有良好的沙生特性[2]。另外，苦豆子具有清熱燥濕、止痛、殺蟲等功效，在化妝品、生物制藥、動(dòng)物飼料等領(lǐng)域用途廣泛[3]。近年來由于荒漠化日趨嚴(yán)重，植被大面積退化，苦豆子野生資源量急劇下降[4]。由于苦豆子廣泛分布于我國的西北干旱區(qū)，水分成為了制約苦豆子生長的重要因素。目前，國內(nèi)學(xué)者關(guān)于苦豆子的研究主要集中于其藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面，除此之外，鄭祥霖等[5]研究了額濟(jì)納綠洲苦豆子種群的蓋度和地上生物量的空間分布及特征，趙雪等[6]分析了額濟(jì)納綠洲供水持續(xù)惡化和改善后苦豆子群落結(jié)構(gòu)和生長狀態(tài)的變化，高曉原等[7]研究了不同灌水量條件下苦豆子的生長發(fā)育情況及對其有效成分積累的影響，而關(guān)于苦豆子蒸散耗水機(jī)理的研究工作尚未開展。

波文比—能量平衡法的物理概念明確、計(jì)算方法簡單，對大氣層沒有特別的要求和限制，且通常情況下精度較高，在國內(nèi)外應(yīng)用較多[8-10]。蒸散影響著區(qū)域氣候和全球水循環(huán)[11]，因此，關(guān)于蒸散量的研究一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)[12-14]。在生態(tài)學(xué)中，能量因子的研究一直是非常重要的組成部分[15]。近地面層輻射平衡和熱量平衡的分配結(jié)構(gòu)表征了大氣與地面之間的湍流交換強(qiáng)弱，是決定小氣候形成的基本因素[16-17]。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者針對能量平衡做了大量的研究，總結(jié)了不同下墊面和不同氣候條件下的輻射收支、熱量平衡和蒸散分配的時(shí)空變化規(guī)律[18-24]。本文運(yùn)用波文比—能量平衡觀測系統(tǒng)，針對極端干旱條件下苦豆子蒸散量的日變化特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行研究，目的在于研究苦豆子的蒸散耗水機(jī)理，這對于其保護(hù)和恢復(fù)工作以及綠洲生態(tài)需水研究有著重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

額濟(jì)納綠洲的地理位置大致為99°03′—100°00′E，40°30′—42°30′N，屬阿拉善臺地的一部分，是黑河末端的大型沖積扇，東為巴丹吉林沙漠，西為馬鬃山山地，北到中蒙邊界，南到黑河下游上端的鼎新綠洲，綠洲面積3.12×104km2。由西南部剝蝕低山殘丘、中東部沖積平原、湖盆洼地與南部巴丹吉林沙漠等組成，海拔為850～1 100 m，總地形向東北傾斜；屬極端大陸性氣候，該地區(qū)年均降水量不足40 mm，最少降水量為7.0 mm；蒸發(fā)量高達(dá)2 500～4 000 mm，空氣相對濕度不足35%；年均氣溫8.6℃，年均風(fēng)速4.4 m/s，全年8級以上大風(fēng)日數(shù)平均54 d，屬極端干旱區(qū)。本次試驗(yàn)于2013年5—9月份在額濟(jì)納旗一道橋附近的一處天然生長的苦豆子地進(jìn)行，面積約為0.87 hm2，覆蓋度在80%以上，地下水埋深為1.5～3.5 m，苦豆子平均株高35 cm。樣地周圍生長有天然胡楊樹，樹齡為20～25 a，平均樹高在10 m左右，平均胸徑12 cm。

1.2 觀測項(xiàng)目

試驗(yàn)采用波文比—能量觀測系統(tǒng)對苦豆子的蒸散發(fā)進(jìn)行連續(xù)測定，該系統(tǒng)由美國COMPBELL公司生產(chǎn)，觀測項(xiàng)目包括：總輻射、凈輻射、土壤熱通量、土壤溫度、上下端空氣溫濕度、水汽壓、風(fēng)速、風(fēng)向等。自動(dòng)數(shù)采儀對各觀測項(xiàng)目每20 min記錄1次。

1.3 能量平衡方程及各分量計(jì)算

Bowen于1926年提出了波文比(β)這一概念，并以下墊面的水熱交換為基礎(chǔ)，假定熱量交換系數(shù)和水汽的湍流交換系數(shù)相等，其能量平衡方程為：

Rn=λE+H+G

(1)

(2)

(3)

式中：Rn——凈輻射；λE——潛熱通量；H——顯熱通量；G——土壤熱通量；ρ——空氣密度；P——大氣壓；CP——空氣定壓比熱；kw，kh——潛熱、顯熱交換系數(shù)；ε——水汽分子對于空氣分子的重量比；Δz——觀測高度差。

根據(jù)莫寧—奧布霍夫相似理論，假設(shè)Kw=Kh，同時(shí)引入波文比β(顯熱通量與潛熱通量之比)，并將微分化為差分得：

(4)

式中：γ——濕度常數(shù)系數(shù)，代入常數(shù)則公式簡化為：

(5)

即植物層蒸散量(E)為：

(6)

式中：ΔT——上下空氣溫度差；Δe——上下飽和氣壓差。根據(jù)邊界層擴(kuò)散理論，當(dāng)只考慮熱量和水汽的垂直輸送時(shí)，可以利用波文比方法計(jì)算出植物的蒸發(fā)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸散速率日變化分析

在每個(gè)月選擇一個(gè)晴朗無云的天氣，對苦豆子的蒸散速率日變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在晴朗無云的天氣條件下，苦豆子的蒸散速率表現(xiàn)出明顯的晝夜變化趨勢。由圖1可知，上午隨著太陽輻射的逐漸增強(qiáng)，氣溫逐漸升高，蒸散速率逐漸增大，12：00左右達(dá)到峰值。隨后，太陽輻射減弱，氣溫逐漸降低，空氣中的相對濕度增加，苦豆子葉片內(nèi)外水汽壓差減小，蒸散速率隨之降低。夜間水汽凝結(jié)，蒸散速率為負(fù)值。

圖1 5-9月苦豆子蒸散速率日變化特征

5月、6月苦豆子個(gè)體較小，蒸散速率也較小，5月份最大值在0.3 mm/h左右，6月份最大值在0.4 mm/h左右。7月份苦豆子蒸散速率最大，但是正午時(shí)分蒸散速率較低，這是由于氣溫過高致使葉片氣孔關(guān)閉，所以在正午前后出現(xiàn)兩個(gè)峰值，蒸散速率超過0.4 mm/h。8月份蒸散速率有所下降，最大值在0.3 mm/h左右。9月份苦豆子停止生長，蒸散速率下降，最大值在0.2 mm/h左右。

2.2 典型日蒸散速率與凈輻射、熱通量的關(guān)系

由圖2可以看出，苦豆子蒸散速率的變化趨勢與凈輻射、熱通量的變化趨勢基本一致，日變化都具有相同的峰型。蒸散速率與凈輻射強(qiáng)度、土壤熱通量都有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.937，0.835。凈輻射在清晨6：40左右由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值并逐漸開始上升，蒸散速率也隨著上升。隨后土壤向下傳導(dǎo)熱量，能量由大氣層流向土壤表層，土壤熱通量約2 h后轉(zhuǎn)為正值并開始上升。凈輻射在13：40左右達(dá)到最大值，然后迅速下降，蒸散速率也隨著下降。由大氣層流向土壤表層的能量減少，土壤熱通量約1 h后也迅速下降。在20：00以后，凈輻射與蒸散速率都轉(zhuǎn)為負(fù)值，隨后熱通量也變?yōu)樨?fù)值，大氣凝結(jié)過程開始。凈輻射大部分用于土壤蒸發(fā)和植物蒸散，所以蒸散速率與凈輻射、熱通量的變化趨勢基本一致。

2.3 蒸散速率日變化與環(huán)境因子的關(guān)系分析

影響蒸散速率變化的環(huán)境因子主要有：氣溫、土壤溫度升高值、風(fēng)速和冠層上方水汽壓，同樣選擇晴朗無云的天氣條件(2013年6月14日)，各環(huán)境因子對苦豆子蒸散速率日變化的影響見圖3。

由圖3可以看出，在清晨日出前后，由于太陽輻射較弱，氣溫和水汽壓也較低，蒸散作用很弱。隨著太陽輻射的逐漸增強(qiáng)，氣溫和水汽壓均升高，蒸散作用增強(qiáng)。在下午16：00左右，太陽輻射很強(qiáng)，氣溫和水汽壓達(dá)到最大值，蒸散速率受水汽壓、土壤含水量的影響[28]，提前達(dá)到最大值。隨后太陽輻射減弱，氣溫和水汽壓降低，蒸散速率波動(dòng)下降。風(fēng)速增大的同時(shí)，蒸散速率也隨著升高。土壤溫度升高值的變化趨勢與蒸散速率的變化趨勢基本一致，原因是土壤溫度的升高值是凈輻射和土壤熱通量的直接反映。利用SPSS 19.0對蒸散速率與各環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析，得到各環(huán)境因子對蒸散速率影響程度依次為：土壤溫度升高值(R=0.946)>冠層上方水汽壓(R=0.636)>氣溫(R=0.577)>風(fēng)速(R=0.379)。同步進(jìn)行線性和曲線估計(jì)擬合，選擇相關(guān)系數(shù)大者為最佳擬合模型，得到其回歸方程，蒸散速率日變化與單個(gè)環(huán)境因子的關(guān)系模型見表1。

圖2 2013年6月14日苦豆子蒸散速率與凈輻射、熱通量關(guān)系

圖3 環(huán)境因子對苦豆子蒸散速率日變化的影響

表1 蒸散速率日變化與單個(gè)環(huán)境因子的關(guān)系模型

蒸散速率與環(huán)境因子的綜合關(guān)系模型以蒸散速率為因變量，以各個(gè)環(huán)境因子為自變量，用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行多元線性逐步回歸分析，采用自后淘汰變量法，得到其綜合關(guān)系模型為：

E=-2.67Δt+24.15p+3.786T-2325v+3.569

(7)

3 結(jié)論與討論

額濟(jì)納綠洲位于黑河下游，屬于極端干旱區(qū)，受環(huán)境條件的影響，苦豆子的蒸散量也較小，7月份蒸散量最大，但其最大值也僅維持在0.4 mm/h左右?？喽棺釉谄渖L季內(nèi)經(jīng)歷了萌發(fā)、開花、結(jié)果、枯萎等階段，蒸散速率在苦豆子不同的生長階段具有不同的變化趨勢，大致趨勢為低—高—低，這與于文穎等[29]對盤錦蘆葦濕地蒸散發(fā)特征的研究結(jié)果一致。7月份由于氣溫過高致使葉片氣孔關(guān)閉，所以在正午前后出現(xiàn)兩個(gè)峰值，其余的月份為單峰型?？喽棺拥恼羯⑺俾实娜兆兓憩F(xiàn)出明顯的晝夜差異，即單峰或雙峰曲線趨勢。夜間水汽凝結(jié)，蒸散速率為負(fù)值。

在晴朗無云的天氣條件下，苦豆子蒸散速率的變化趨勢與凈輻射、熱通量的變化趨勢基本一致，日變化都具有相同的峰型。這一結(jié)論與司建華[8]、張小由[17]等對額濟(jì)納綠洲檉柳種群蒸散量日變化的研究結(jié)果一致。

隨著太陽輻射的逐漸增強(qiáng)，氣溫和水汽壓均升高，蒸散作用增強(qiáng)。風(fēng)速增大的同時(shí)，蒸散速率也隨著升高。土壤溫度升高值的變化趨勢與蒸散速率的變化趨勢基本一致，原因是土壤溫度的升高值是凈輻射和土壤熱通量的直接反映。各環(huán)境因子對蒸散速率影響程度依次為：土壤溫度升高值>冠層上方水汽壓>氣溫>風(fēng)速。

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Diurnal Variation of Evapotranspiration ofSophoraalopecuroidesL.Under Extreme Dry Condition

GAO Guanlong1,2, ZHANG Xiaoyou1, ZHU Ping1,2, ZHAO Hong3

(1.ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.ZhejiangRuiqiTestingTechnologyCo.,Ltd.,Hangzhou310000,China)

We made use of the data which were measured by the Bowen Ratio-equilibrium Energy Method and measured the evapotranspiration and energy flux ofSophoraalopecuroidesL., analyzed the features of diurnal variation of evapotranspiration and energy equilibrium. The results showed that: (1) at different stages of growth ofsophoraalopecuroidesL. and in different seasons, the evapotranspiration rate varied widely, the diurnal variation showed a bimodal type in July, while it was a unimodal type in the rest months; (2) the diurnal variation of evapotranspiration rate ofSophoraalopecuroidesL. was obvious under the clear and cloudless term, the curve trend was bimodal or unimodal, the evapotranspiration rate in the evening was negative and the atmospheric condensation process proceeded; (3) under the clear and cloudless term, the peak types of diurnal variations of evapotranspiration rate were the same as net radiation and heat flux; (4) with the increase of solar radiation, the temperature and the vapor pressure rose, the evapotranspiration enhanced. It also enhanced when the wind speed increased. The variation trend of diurnal variation of evapotranspiration was the same as the variation of soil temperature. The influence of environmental factors on evapotranspiration rate in turn is the order: variation of soil temperature>vapor pressure above canopy>temperature>wind speed.

extreme dry condition;SophoraalopecuroidesL.; evapotranspiration; diurnal variation

2014-11-24

2014-12-05

國家自然科學(xué)資助項(xiàng)目(41271037);國家科技計(jì)劃課題(2012BAD16B00)

高冠龍(1988—),男,山西晉中人,博士生,研究方向?yàn)楹祬^(qū)生態(tài)學(xué)研究。E-mail:guanlong_gao@163.com

張小由(1963—),男,甘肅臨洮人,博士生導(dǎo)師,研究員,主要從事旱區(qū)生態(tài)學(xué)研究。E-mail:zhangxy@lzb.ac.cn

Q948

1005-3409(2015)05-0279-05