影響草坪蒸散各類型因子間的典型相關(guān)分析

黃瑞霞，王建光* ，2，劉志帥，張慧敏，張忠婷

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.教育部草地資源重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

草坪是一個有機整體，由草坪草地上莖葉和根系及表土層所構(gòu)成〔1-2〕。在草坪功能作用過程中，其耗水量主要由草坪蒸散引起。影響草坪蒸散的因子包括生長因子、土壤水分因子、氣候因子等多方面，其中它們又由彼此相關(guān)的不同指標所構(gòu)成，這些影響草坪蒸散指標間的相互關(guān)系一直備受關(guān)注。在建立草坪蒸散模型過程中，需要從眾多影響草坪蒸散的指標中選取具有代表性的，從而達到簡化指標的目的，做到有的放矢。目前對于影響草坪蒸散因素的研究比較單一，各因素之間的相互關(guān)系研究也較少〔3-8〕。本文以建植于2004年的庭院休閑成熟草坪為研究對象，以長期的觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，運用典型相關(guān)分析方法，對影響草坪蒸散指標的組合進行相關(guān)性分析，從每組變量中選取能夠代表整個組合的少數(shù)幾個指標，為草坪的蒸散規(guī)律提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進而為精準節(jié)水灌溉制度的建立提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古呼和浩特市內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)東校區(qū)庭院休閑草坪綠地，地處東經(jīng)111°71′、北緯40°81′，海拔為1056m，屬于典型的蒙古高原半干旱地區(qū)。年均降水量380mm左右，主要集中在7～8月份，年平均氣溫6.7℃，干燥度為1.3～3.5〔9〕。試驗地草坪土壤基況見表1。

表1 土壤基況表Table1 The basic situation of soil

1.2 試驗材料

試驗地于2004年夏季用草地早熟禾(PoapratensisL.)草皮鋪植建成，歷年養(yǎng)護到位，修剪高度約8cm，屬成熟草坪。

1.3 試驗設(shè)計

試驗隨機設(shè)置彼此隔離的3個小區(qū)，小區(qū)面積5m×10m，在每個小區(qū)四周均嵌入30cm深的防滲膜作為隔離，并設(shè)置1m寬的保護行。于2015-2018年雨季結(jié)束后每年9月和10月的上、中、下旬各選取相對晴朗的一天對試驗所需各因素進行同期測定，進行試驗前，對各小區(qū)進行灌溉至田間持水量。

1.4 測定內(nèi)容及方法

1.4.1 生長因子測定

在每個小區(qū)隨機選取3個10cm×10cm的樣方，共9個測試樣方，在每個樣方內(nèi)測定草坪草的枝條數(shù)，地上生物量，枯落物量及0～30cm土層根系量。草坪草枝條數(shù)采用人工計數(shù)法，取平均值記錄其分枝數(shù)。地上生物量與枯落物量采用烘干稱重法，將樣方內(nèi)草坪草齊地面剪掉，同時將樣方內(nèi)地表枯落物收集起來，把草坪草與枯落物分別裝入已知重量的信封袋中，置于65℃烘干至恒重，用精確度0.01天平稱其各自的重量。根系量的測定采用直徑8cm根鉆取樣，取樣前將地上枯草層去除干凈，將所取土樣裝入1mm的網(wǎng)兜，采用活水沖洗方式洗凈，置于65℃烘箱烘干至恒重，稱其重量。

1.4.2 土壤水分因子測定

在每個小區(qū)中隨機選取3個測試樣點，共計9個測試樣點，每個樣點嵌入地下60cm深1根套管，采用智能TDR感應(yīng)器探頭(TRIME-PIOC-IPH T3)，對位于0～15cm、15～30cm、30～45cm、45～60cm土層的土壤容積含水量進行測量。

1.4.3 氣候因子測定

從早晨6∶00時至傍晚18∶00時，每間隔2小時采用小型手持氣象儀對各小區(qū)草坪近地面15cm處的溫度、濕度、風(fēng)速等氣候因素進行測定，每個小區(qū)重復(fù)3次。

1.4.4 草坪蒸散量的測定

本研究取從早晨6∶00時至傍晚18∶00時0～30cm深度土壤含水量的差值為日蒸散量。

草坪蒸散量公式〔7〕：∑E=r+W1-W2

式中：∑E-蒸散量(mm/d)；r-某一時期內(nèi)的降水量和灌溉量(mm)；W1-某一時期開始時的土壤含水量(%)；W2-某一時期終止時的土壤含水量(%)。

1.5 統(tǒng)計分析方法

使用SAS9.0(Statistical Analysis System)和Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計運算，并根據(jù)標準化典型變量的線性表達式進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響草坪蒸散指標的統(tǒng)計描述

生長因子包含草坪草的枝條密度、地上生物量、枯落物和根系量，土壤水分因子包含地下土層0～15cm、15～30cm、30～45cm和45～60cm的土壤含水量，氣候因子包含近地面15cm處的溫度、濕度和風(fēng)速。對影響草坪蒸散的指標進行統(tǒng)計分析，其基本統(tǒng)計特征值見表2。

表2 影響草坪蒸散指標的基本統(tǒng)計特征值表Table2 The basic statistical characteristics of various factors affecting the lawn evapotranspiration

由表2可知，在各指標的偏度值中，除氣候因子中風(fēng)速的偏度值較大外，其余評價指標的偏度值都較小，符合正態(tài)分布。在各指標的峰度值中，枝條密度、深度0～15cm土層含水量、深度15～30cm土層含水量、風(fēng)速和溫度的峰度值較大，其中風(fēng)速的峰度值為正數(shù)，表現(xiàn)為相比于正態(tài)分布該數(shù)據(jù)分布比較陡峭，為尖頂峰，而其余幾個為負數(shù)的數(shù)值相比于正態(tài)分布比較平坦，為平頂峰，其余指標峰度值較小。生長因子中的生物量、枯落物和根系量與氣候因子中風(fēng)速和溫度的變異系數(shù)較大，說明其數(shù)據(jù)的離散程度較大，受外界因素影響較大。在上述所有指標中，風(fēng)速的偏度、峰度和變異系數(shù)均比較大，分別為1.54、1.98和30.93%，說明其很不穩(wěn)定，受多種因素影響。

2.2 草坪蒸散量與各類型影響因子間的相關(guān)性分析

對生長因子、土壤水分因子和氣候因子與草坪蒸散量及其所含指標的相關(guān)性進行分析，其結(jié)果見表3。

表3 草坪蒸散量與各影響因素的關(guān)系及各影響因素間的相關(guān)性Table 3 The relationship between turf evapotranspiration and various influencing factors and their correlation

由表3可知，生長因子、土壤水分因子和氣候因子與草坪蒸散量及其所包含指標具有較強的相關(guān)性。在生長因子中，所包含的各指標之間表現(xiàn)為正相關(guān)；在土壤水分因子中，不同深度土層含水量之間也表現(xiàn)為正相關(guān)；在氣候因子中，所包含的3個指標兩兩之間均呈現(xiàn)在負相關(guān)；即所選取指標對草坪蒸散有影響，且所包含指標符合變量組合典型相關(guān)的要求。

2.3 影響草坪蒸散的生長因子、土壤水分因子和氣候因子組合間的典型相關(guān)分析

典型相關(guān)分析是研究兩組變量間的相互依賴關(guān)系〔10-14〕，分析兩組變量之間相關(guān)性的一種方法，從每組變量中選取能夠代表整個組合的少數(shù)幾個指標，通過分析選出變量間的相關(guān)性來表示原始兩組數(shù)據(jù)間的相關(guān)性〔15-17〕。對于兩組變量X(x1，x2，...，xn)和Y(y1，y2，...，ym)，其典型相關(guān)基本步驟為，首先，數(shù)據(jù)的標準化，將不同量綱的變量歸一化；其次，提取典型相關(guān)分析的綜合變量V1和W1；最后，如果提取出來的典型變量V1和W1對原始數(shù)據(jù)的解釋能力欠佳，考慮繼續(xù)提取典型變量V2和W2，以此方法重復(fù)進行至所提取的典型變量能更好的解釋原始數(shù)據(jù)的變化。將生長因子，氣候因子和土壤水分因子進行典型相關(guān)分析，其分析結(jié)果見表3。

表4 影響草坪蒸散的各因素組合間的典型相關(guān)分析Table 4 The typical correlation analysis of various factors affecting the lawn evapotranspiration

由表4可知，在三組變量組合中，兩兩之間均具有顯著的相關(guān)性。生長因子與氣象因子的典型相關(guān)系數(shù)為0.71，表明氣候因子對草坪生長因子有影響，即溫度、濕度和風(fēng)速對枝條密度、地上生物量、枯落物和根系量有影響。在該模型中，地上生物量在生長因子的線性組合中負荷量最大，溫度在氣候因子的線性組合中負荷量最大，分別為0.83和1.22，表明地上生物量受氣候因子中溫度的影響最大。

氣候因子與土壤水分因子的典型相關(guān)系數(shù)較小，為0.65，表明氣候因子對土壤水分因子影響較弱，即溫度、濕度和風(fēng)速與土壤不同土層含水量的相關(guān)性較弱。在該模型中，溫度和濕度在氣候因子線性組合中負荷量較大，為0.9和1.06，而15～30cm土層含水量和30～45cm土層含水量在土壤水分因子的線性組合中負荷量較大，分別為0.95和1.17，表明溫度主要影響地下0～45cm土壤含水量。

相比于其他兩個組合，生長因子與土壤水分因子之間的典型相關(guān)系數(shù)最小，為0.62，表明土壤水分對草坪生長因子的影響程度最小，即枝條密度、地上生物量、枯落物和根系量與土壤含水量相關(guān)性較弱。在第一對模型中，枯落物和地上生物量在生長因子的線性組合中負荷量較大，分別為0.51和0.49；同時30～45cm土層含水量在土壤水分因子線性組合中負荷量較大，為0.74，在第二對模型中，枯落物和地上生物量在生長因子的線性組合中負荷量較大，為1.05和0.90；30～45cm土層含水量、15～30cm土層含水量和0～15cm土層含水量在土壤水分因子線性組合中負荷量較大，為0.87、0.83和0.45。綜合兩個變量組合模型，表明地上生物量和枯落物主要受0～45cm深度土壤含水量的影響。

3 討論

目前，簡單相關(guān)或回歸分析方法只是通過考慮單個指標間的關(guān)系，不容易抓住問題的本質(zhì)，不能反映一組變量與另一組變量的內(nèi)在關(guān)聯(lián)〔18〕。典型相關(guān)分析在兩組變量組合間的相關(guān)分析和預(yù)測分析中得到了廣泛應(yīng)用，是研究變量組合間關(guān)系的重要方法，但在草坪方面的應(yīng)用較少。在王倩〔11〕環(huán)境因素對檸條生長的研究中，得出土壤含水量對檸條的生長有較大影響，且檸條的生長又制約著地下土壤含水量，同時氣象因子對土壤含水量也有一定的作用。孫中峰〔19〕、孫中文〔20〕的研究表明，地形、植被等多重因子的共同作用導(dǎo)致了土壤水分的動態(tài)變化，土壤水分動態(tài)變化又是限制植被生長的主要因素。趙艷云〔21〕通過對檸條林的研究，得出生物量受不同坡位的影響，水分是其生長的主要限制因子。

本文通過分析得出，在影響草坪蒸散指標組間關(guān)聯(lián)上起主要作用的生長因子指標是地上生物量和枯落物。這與草坪蒸散由土壤蒸發(fā)和植物蒸騰兩部分組成相對應(yīng)，修剪留茬高度一定，地上生物量越多，用于蒸騰失水的葉面積也就越多，因而對草坪蒸散的影響也越大；枯落物則是從影響土壤蒸發(fā)的角度進而影響蒸散量，枯落物越多，對地表的覆蓋程度越大，進一步影響蒸散。起主要作用的土壤水分因子指標是0～45cm深度土壤含水量，這說明草坪蒸散的水分主要源于由近地表水分。起主要作用的氣候因子指標是溫度。綜上所述，利用典型相關(guān)分析簡化影響草坪蒸散指標是有效的。通過分析簡化后指標間的關(guān)系，得出組合間的關(guān)系為土壤水分因子和氣候因子共同影響生長因子，氣候因子影響土壤水分因子，這說明良好的生長不僅需要適宜的外界氣候，同時需要水分的供應(yīng)，而水分的多少又受氣候環(huán)境的影響。對于上述3個組合所包含的指標的關(guān)系可以概括為0～45cm深度土壤含水量和溫度共同影響地上生物量和枯落物，溫度主要影響地下0～45cm土壤含水量。對于氣候因子中溫度對生長因子中地上生物量和枯落物影響較大的這一結(jié)果，這是由于適宜的溫度使得植物生長發(fā)育良好，有機物合成多，生長迅速，地上生物量增加，而地上生物量又會由于自然或人為其他因素的影響，使得部分枝條凋落，進而形成枯落物。

4 結(jié)論

影響草坪蒸散的生長因子、土壤水分因子和氣候因子間均存在顯著相關(guān)性，生長因子與氣候因子的關(guān)系最為密切，相關(guān)系數(shù)為0.71；其次是氣候因子和土壤水分因子，相關(guān)系數(shù)為0.65；生長因子與土壤水分因子的典型相關(guān)系數(shù)最小，為0.62。綜合全部典型相關(guān)分析結(jié)果，在影響草坪蒸散生長因子中起主要作用的是地上生物量和枯落物，土壤水分因子中是0～45cm深度土壤含水量，氣候因子中是溫度。