基于SPAC系統(tǒng)的干旱區(qū)枸杞蒸騰耗水模擬與分析

徐利崗，杜 歷，李金澤，湯 英，王懷博，唐 瑞

(寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

蒸騰作用是植物以蒸汽的形式散失水分的過(guò)程，即植物根部吸收土壤水分，通過(guò)莖運(yùn)輸?shù)街仓觏敳浚瑥娜~表面蒸騰散失[1]，而蒸騰耗水99.8%以上來(lái)自于樹(shù)干液流[2]。因此可以采用植物生理學(xué)原理[3]、熱技術(shù)莖流計(jì)[4]等方法測(cè)定植株液流量從而確定植物蒸騰耗水量。石磊從枝葉、單木、林分和區(qū)域(流域)4個(gè)尺度上，綜合評(píng)述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于林木蒸騰耗水量的測(cè)算方法，對(duì)比分析了不同測(cè)算方法的測(cè)定對(duì)象、適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)[5]。也有學(xué)者利用樹(shù)干液流分析了不同徑級(jí)的西伯利亞紅松[6]、胡楊[7]、梭梭[8]、玉米[9]、覆膜旱作稻田[10]、混播草坪草[11]的蒸騰耗水規(guī)律。孫龍[12]分析了不同土壤水分對(duì)沙棘、沙棗、檸條和多花檉柳的蒸騰耗水的影響特征。莫康樂(lè)[13]、徐利崗[14,15]、高浩[16]則分別分析了人工楊樹(shù)林、干旱區(qū)枸杞及單株油蒿的蒸騰耗水與土壤含水率及環(huán)境因子間的相關(guān)關(guān)系。學(xué)者們大多是針對(duì)某種作物的蒸騰耗水在不同時(shí)間尺度上的變化特征及規(guī)律進(jìn)行相關(guān)探討，但以土壤、植物、大氣為連續(xù)體全面分析并模擬蒸騰耗水的研究較少。本文以寧夏枸杞為研究對(duì)象，采用包裹式莖流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)自然生長(zhǎng)條件下的枸杞2015年全生育期(4-10月)樹(shù)干液流量，在試驗(yàn)區(qū)設(shè)置自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及自動(dòng)氣象站，分別監(jiān)測(cè)枸杞全生育期根區(qū)土壤含水率變化及有試驗(yàn)區(qū)氣象參數(shù)?；谥袊?guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)提供的銀川站近10 a日氣象資料計(jì)算了枸杞全生育期日參考作物騰發(fā)量，基于各類(lèi)數(shù)據(jù)構(gòu)建了干旱區(qū)枸杞蒸騰耗水量與參考作物騰發(fā)量ET0以及蒸騰耗水量與枸杞莖粗、根區(qū)土壤含水量、氣象要素及飽和水氣壓等SPAC系統(tǒng)關(guān)鍵因子的相關(guān)關(guān)系及模擬模型，為枸杞水分虧缺診斷、需水量的計(jì)算與精量控制灌溉提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處西北干旱內(nèi)陸地區(qū)，位于寧夏北部，干旱少雨，蒸發(fā)量大，日照充足，積溫較高。多年平均氣溫8.8 ℃，年日照時(shí)數(shù)為2 800～3 100 h，多年平均降雨量195 mm，蒸發(fā)量1 864 mm，無(wú)霜期155 d左右，年平均風(fēng)速2～6 m/s，土壤凍結(jié)深度0.8～1.2 m。地下水水量豐富，主要為灌溉入滲、降水入滲及賀蘭山山前側(cè)向補(bǔ)給，地下水埋藏一般在1.0～3.0 m左右，礦化度小于1.0 g/L。核心試驗(yàn)區(qū)位于中國(guó)灌溉試驗(yàn)寧夏中心站試驗(yàn)基地枸杞種植區(qū)(106°42′E 38°27′N(xiāo)，海拔1 115 m)，總面積0.333 hm2，枸杞種植株行距為1 m×3 m，選擇一塊長(zhǎng)勢(shì)均等，冠幅適中，無(wú)病蟲(chóng)害的片區(qū)(21 m×24 m)作為枸杞樹(shù)干液流試驗(yàn)測(cè)定區(qū)域。試驗(yàn)區(qū)土壤類(lèi)型為淡灰鈣土，0～40 cm土壤顆粒組成：粒徑2.0～0.25 mm占49.4%，0.25～0.05 mm占31.6%，0.05～0.02 mm占2.0%，0.02～0.002占4.4%，<0.002 mm占12.6%，按美國(guó)土壤分類(lèi)制為壤質(zhì)砂土。試驗(yàn)灌溉水源為地下水,礦化度0.46 g/L，符合灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)置及設(shè)備安裝

(1)試驗(yàn)對(duì)象為4年生寧夏枸杞，品種為寧杞7號(hào)。在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)選取5棵基徑分別為2.3、2.6、2.9、3.2、3.5 cm的典型樣株(處理編號(hào)分別為T(mén)1、T2、T3、T4及T5)。在距地面10 cm以上樹(shù)干順直段安裝意大利包裹式植物莖流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(EL-100)的Dynagage包裹式莖流傳感器，進(jìn)行枸杞莖干液流監(jiān)測(cè)。取得2015年4-10月枸杞全生育期樹(shù)干液流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)步長(zhǎng)為60 min。

(2)安裝美國(guó)產(chǎn)WatchDog 2900ET自動(dòng)氣象站1臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)太陽(yáng)輻射、氣壓、相對(duì)濕度、溫度、降雨量、風(fēng)速、露點(diǎn)溫度等氣象要素，獲取2015年1月1日-12月31日逐日氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)步長(zhǎng)為60 min。

(3)安裝意大利LSI-LASTEM公司生產(chǎn)土壤墑情監(jiān)測(cè)站，分別在距典型樣株樹(shù)干水平20 cm處，縱剖面安裝土壤水分傳感器，安裝深度分別為20、40、60及80 cm處，獲取2015年1-12月逐日土壤含水率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)步長(zhǎng)為60 min。

2.2 研究方法

采用飽和水汽壓差VPD指標(biāo)綜合表達(dá)溫度與空氣相對(duì)濕度的協(xié)同效應(yīng)[8]，以分析其對(duì)枸杞樹(shù)干液流的影響。該指標(biāo)計(jì)算公式如下：

(1)

VPD=E-ERh/100

式中：E為飽和水汽壓，kPa；Rh為相對(duì)濕度，%；t為空氣溫度，℃。

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS軟件及Excel軟件，其中不同月份樹(shù)干液流的差異性采用Miniab16.0方差分析；樹(shù)干液流與氣象因子的相關(guān)性分析采用非參數(shù)檢驗(yàn)Spearman分析方法，SPSS軟件予以實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 干旱區(qū)枸杞蒸騰耗水與作物參考騰發(fā)量相關(guān)關(guān)系及其模擬

3.1.1 研究區(qū)近10年作物參考騰發(fā)量變化特征分析

利用銀川站2005-2014年各年4-10月日數(shù)據(jù)計(jì)算試驗(yàn)區(qū)近10 a的參考作物騰發(fā)量逐日系列并進(jìn)行整理繪制研究區(qū)參考作物騰發(fā)量及氣溫變化過(guò)程線(見(jiàn)圖1)。從圖1可以看出，作物參考騰發(fā)量總體呈降低趨勢(shì)，從2007年開(kāi)始明顯降低，4-10月平均氣溫波動(dòng)較大，氣溫的變化對(duì)參考作物騰發(fā)量的變化影響不劇烈。

3.1.2 枸杞蒸騰耗水與作物參考騰發(fā)量的相關(guān)關(guān)系及模擬分析

基于枸杞全生育期逐日作物參考騰發(fā)量數(shù)據(jù)系列，分別選取D=2.6 cm及D=3.5 cm的兩個(gè)典型樣株相應(yīng)時(shí)段枸杞樹(shù)干液流數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)分析(見(jiàn)表1)，同時(shí)以枸杞樹(shù)干液流量為應(yīng)變量，參考作物騰發(fā)量為自變量構(gòu)建擬合模型。考慮到枸杞各月蒸騰耗水變化特征不同，為了更準(zhǔn)確模擬枸杞逐月的耗水量，繪制二者擬合散點(diǎn)圖(見(jiàn)圖2)，并建立4-10月逐月的模擬模型(見(jiàn)表2)。從表1可以看出，參考作物騰發(fā)量ET0與各月樹(shù)干液流量S均具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.565～0.774及0.611～0.792，且均通過(guò)了P=0.01的顯著性檢驗(yàn)。D=2.6 cm與D=3.5 cm枸杞樣株全生育期分別符合S=0.330 7ET0-0.201(R2=0.822 1)及S=0.451 5ET0-0.822 9(R2=0.641)的線性模型。

圖1 研究區(qū)近10 a參考作物騰發(fā)量及氣溫變化過(guò)程線

基徑/cm項(xiàng)目日液流量/(L·d-1)4月5月6月7月8月9月10月Pearson相關(guān)性0.513**0.565**0.666**0.618**0.762**0.732**0.774**D=2.6顯著性(雙側(cè))0.0030.00200.002000N20313031313031Pearson相關(guān)性0.647**0.728**0.792**0.726**0.611*0.739**0.712**D=3.5顯著性(雙側(cè))00000.03500N20313031313031

注：**為0.01顯著水平；*為0.01顯著水平；4月9日安裝設(shè)備，10日起有完整莖流數(shù)據(jù)，故4月份樣本數(shù)為20。

圖2 枸杞樹(shù)干液流日累積量與作物日參考作物騰發(fā)量散點(diǎn)圖

表2 逐月枸杞樹(shù)干液流量與參考作物騰發(fā)量模擬模型

3.2 枸杞蒸騰耗水與SPAC系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)模擬分析

分別整理2015年4-10月各月及全生育期(4-10月)枸杞典型樣株的生長(zhǎng)指標(biāo)、生理指標(biāo)、根區(qū)土壤含水率以及各類(lèi)氣象數(shù)據(jù)及水汽壓差數(shù)據(jù)系列，對(duì)各參量進(jìn)行互相關(guān)關(guān)系分析，限于篇幅僅列舉全生育期(見(jiàn)表3)的相關(guān)關(guān)系表。從各時(shí)段各參數(shù)互相關(guān)分析表可以看出，不同時(shí)段枸杞蒸騰耗水與基徑、土壤含水率、太陽(yáng)平均輻射、溫度及水汽壓差等SPAC系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且均通過(guò)了P=0.01的顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)分別為0.628、0.184、0.474、0.483及0.202。說(shuō)明干旱區(qū)枸杞的蒸騰耗水受這些參數(shù)的顯著影響。同時(shí)，基莖與土壤含水率呈顯著性正相關(guān)(P=0.01)，土壤含水率與太陽(yáng)平均輻射及溫度呈顯著反相關(guān)關(guān)系(P=0.01)相關(guān)系數(shù)分別為0.106及0.207，水汽壓差與太陽(yáng)輻射成顯著反相關(guān)關(guān)系(P=0.01)，與溫度呈顯著性正相關(guān)關(guān)系(P=0.01)。依據(jù)各參量與蒸騰耗水間相關(guān)分析的顯著性程度，以枸杞日液流量S為應(yīng)變量，枸杞基徑r、根區(qū)土壤含水率θ、太陽(yáng)輻射Rs、溫度T及飽和水汽壓差VPD為自變量，進(jìn)行多元回歸分析，建立枸杞耗水量與各診斷參量逐月擬合模型(見(jiàn)表4)，各月樹(shù)干液流與各參數(shù)成多元線性回歸方程，且擬合系數(shù)為0.547～0.837，擬合度較好。

表3 枸杞全生育期(4-10月)多參數(shù)之間相關(guān)關(guān)系

注：**在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);*在0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表4 日液流量與多參數(shù)的線性回歸模型

3.3 多參數(shù)枸杞蒸騰耗水模型驗(yàn)證

對(duì)多診斷參數(shù)擬合模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)，選取基徑分別為3.5和2.6 cm典型樣株5-10月份逐月1-15日的逐日液流量S、枸杞基徑r、根區(qū)土壤含水率θ、太陽(yáng)輻射Rs、溫度T及飽和水汽壓差VPD等參數(shù)實(shí)測(cè)值，帶入各月擬合方程，進(jìn)行擬合精度檢驗(yàn)(見(jiàn)表5)。從表5可以看出，對(duì)各月不同基徑枸杞的15日累計(jì)耗水量的擬合?；鶑綖?.5 cm時(shí)，模擬值與實(shí)測(cè)值誤差為-5.80%～2.52%，累計(jì)平均誤差僅為-0.93%?；鶑綖?.6 cm時(shí)，模擬值與實(shí)測(cè)值誤差為-2.36%～3.01%，累計(jì)平均誤差僅為0.69%。繪制不同基徑6月、8月及9月的實(shí)測(cè)值與模擬值過(guò)程線(見(jiàn)圖3)可以看出，二者擬合度較好。

表5 不同基莖各月方程擬合精度檢驗(yàn)表

4 結(jié) 論

本文以寧夏枸杞為研究對(duì)象，采用包裹式莖流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)自然生長(zhǎng)條件下的枸杞4-10月樹(shù)干液流量，同時(shí)利用自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及自動(dòng)氣象站，分別監(jiān)測(cè)枸杞全生育期根區(qū)土壤含水率變化及試驗(yàn)區(qū)氣象數(shù)據(jù)?；诟黝?lèi)數(shù)據(jù)分析構(gòu)建了干旱區(qū)枸杞蒸騰耗水量與參考作物騰發(fā)量ET0以及蒸騰耗水量與枸杞莖粗、根區(qū)土壤含水量、氣象要素及飽和水氣壓等SPAC系統(tǒng)關(guān)鍵因子的相關(guān)關(guān)系及模擬模型，為枸杞水分虧缺診斷、需水量的計(jì)算與精量控制灌溉提供理論依據(jù)。形成的主要結(jié)論有：

圖3 不同基徑枸杞樹(shù)干液流實(shí)測(cè)值及模擬值變化過(guò)程線

(1)枸杞生育期參考作物騰發(fā)量ET0與各月樹(shù)干液流量S均具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.565～0.774及0.611～0.792，且均通過(guò)了P=0.01的顯著性檢驗(yàn)。D=2.6 cm與D=3.5 cm枸杞樣株全生育期分別符合S=0.330 7ET0-0.201(R2=0.822 1)及S=0.451 5ET0-0.822 9(R2=0.641)的線性模型。

(2)不同時(shí)段枸杞蒸騰耗水與基徑、土壤含水率、太陽(yáng)平均輻射、溫度及水汽壓差等參數(shù)均呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.628、0.184、0.474、0.483及0.202，且都通過(guò)P=0.01顯著性檢驗(yàn)?；鶑脚c土壤含水率呈顯著性正相關(guān)(P=0.01)，土壤含水率與太陽(yáng)平均輻射及溫度呈顯著反相關(guān)關(guān)系(P=0.01)相關(guān)系數(shù)分別為0.106及0.207，水汽壓差與太陽(yáng)輻射成顯著反相關(guān)關(guān)系(P=0.01)，與溫度呈顯著性正相關(guān)關(guān)系(P=0.01)。

(3)依據(jù)各參量與蒸騰耗水間相關(guān)分析的顯著性程度，以枸杞日液流量S為應(yīng)變量，枸杞基徑r、根區(qū)土壤含水率θ、太陽(yáng)輻射Rs、溫度T及飽和水汽壓差VPD為自變量，進(jìn)行多元回歸分析，建立枸杞耗水量與各診斷參量擬合模型S4-10月=1.378r+0.017θ+0.004Rs+0.028T+0.34VPD-4.579(R2=0.693)。對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，基徑為3.5 cm時(shí)，模擬值與實(shí)測(cè)值誤差為-5.80%～2.52%，累計(jì)平均誤差僅為-0.93%；基徑為2.6 cm時(shí)，模擬值與實(shí)測(cè)值誤差為-6.24%～2.52%，累計(jì)平均誤差僅為0.69%，二者擬合度較好。

水分在土壤-植物-大氣連續(xù)體中不斷地循環(huán)遷移，蒸騰耗水是植物水分消耗的主要方式，而蒸騰耗水與植物水分生命表征直接相聯(lián)系，決定著植物的水分盈缺與灌溉與否。表征作物耗水及缺水狀況的診斷指標(biāo)主要有土壤水分、氣象要素和作物生理生態(tài)參量等三大類(lèi)，但這些指標(biāo)都存在各種各樣的局限性，如果單獨(dú)憑借某一類(lèi)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判則會(huì)出現(xiàn)失誤，如土壤水分僅僅反映了作物的水分供應(yīng)情況，并不能直接指示作物植株的耗水及水分狀況。因此，將土壤-植物-大氣作為一個(gè)有機(jī)整體，研究田間水分的循環(huán)過(guò)程和規(guī)律，探討以土壤水和作物關(guān)系、并考慮周?chē)髿猸h(huán)境的農(nóng)田水分調(diào)控機(jī)理，從綜合性、整體性、系統(tǒng)性角度出發(fā)研究作物缺水診斷及耗水規(guī)律將是作物需水信息研究的必然選擇，構(gòu)建作物多參數(shù)蒸騰耗水模型探討其在作物全生育期的變化規(guī)律，將為實(shí)時(shí)、適量的科學(xué)合理灌溉提供決策依據(jù)。

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