基于Penman-Monteith方程模擬青海云杉生長季日蒸騰過程

左亞凡,賀康寧,*,柴世秀,俞國峰,李遠(yuǎn)航,林 莎,陳 琪,王瓊琳

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,水土保持國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；北京市水土保持工程技術(shù)研究中心；林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心,北京 100083 2 大通縣氣象局,青海 810100

森林作為地球上主要的陸地類生態(tài)系統(tǒng),隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,由于人類的不合理活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成一定破壞,導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇,降水格局發(fā)生變化,尤其是黃土高原和青藏高原等干旱及半干旱地區(qū),近五十年來的年均地表氣溫每10年就會(huì)上升0.2—0.3 ℃,增幅高于全國均值5—10倍[1-2]。林分蒸騰量的準(zhǔn)確模擬,能夠?yàn)榱植葜脖粌?yōu)化與林分結(jié)構(gòu)調(diào)整提供合理的理論依據(jù),加強(qiáng)林分穩(wěn)定性,提高水分利用效率,對(duì)于解決黃土高原地區(qū)因全球變暖所帶來的干旱問題具有重要意義。

蒸騰作用是樹木耗水的主要途徑,它通過控制植物葉片氣孔的開閉,將葉片內(nèi)的水分散失到空氣中的過程；植物的氣孔成為了土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)間進(jìn)行水分傳輸?shù)闹匾ǖ?氣孔的開閉行為與氣孔阻力密切相關(guān),如何準(zhǔn)確的確定氣孔阻力,將成為精確模擬林分蒸騰量的前提。隨著蒸散研究的不斷發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)提出了不同的蒸散估算模型,其中 Penman-Moteith方程(以下簡稱PM方程)是目前公認(rèn)的具有精度高、適用性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)的蒸散估算模型[3]。PM方程不僅能夠以天為單位,還能以月為單位對(duì)蒸散進(jìn)行模擬估算。然而PM方程的參數(shù)眾多,其中氣孔阻力是最為敏感且難以直接測得的參數(shù)[4],國內(nèi)外對(duì)如何準(zhǔn)確計(jì)算冠層氣孔阻力已經(jīng)做了大量的研究,Hatifield[5]、李召寶[6]通過實(shí)際觀測得到的蒸騰量和各項(xiàng)環(huán)境因子,利用不同公式對(duì)小麥的冠層氣孔阻力進(jìn)行了反推估算；Szeicz等[7]則利用實(shí)測的葉片氣孔阻力,結(jié)合葉面積的空間垂直分布結(jié)構(gòu),對(duì)大麥的冠層氣孔阻力進(jìn)行了估算；Tuner等[8]利用能量平衡原理結(jié)合冠層溫度估算出水稻的冠層氣孔阻力；葉片氣孔阻力雖然可以通過Li- 1600等儀器直接測得,但是植物冠層內(nèi)的葉片所接受的太陽輻射差異較大,并且葉片之間的生理特性也不同,無法精確得出總的冠層氣孔阻力。

目前的研究還大多集中于田間農(nóng)作物,對(duì)喬木的研究比較少,本文將利用反推法對(duì)冠層阻力進(jìn)行估算,旨在建立能夠準(zhǔn)確估算蒸騰量的模型,以評(píng)價(jià)PM方程在林木冠層尺度的適用性。然而PM方程在實(shí)際運(yùn)用中,常常把植被和土壤作為一個(gè)整體來計(jì)算,無法區(qū)分林木蒸騰和土壤蒸發(fā),筆者利用冠層整體氣孔阻力rsT代替原方程中的氣孔阻力rc,對(duì)PM方程進(jìn)行修正,從而把林木冠層蒸騰分離出來,更加準(zhǔn)確的預(yù)測冠層蒸騰量。因此如何精確模擬rsT將成為本研究的重點(diǎn)。以青海省大通縣塔爾溝小流域?yàn)槔?采用反推法,利用修正后的PM方程反推求出rsT,并建立rsT與常規(guī)氣象因子之間的回歸方程,進(jìn)一步模擬蒸騰量,輔以莖流計(jì)測定的蒸騰量實(shí)測值作為模型的檢驗(yàn)指標(biāo),以期建立可以準(zhǔn)確估算青海云杉生長季(5—10月)蒸騰量的模型。

青海云杉(Piceacrassifolia)是我國青藏高原東部祁連山地區(qū)的主要人工林樹種,是該地區(qū)的頂級(jí)群落樹種,多為純林或與華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)等喬木形成混交林,在維持區(qū)域生物多樣性、促進(jìn)水分循環(huán)、能量流動(dòng)、碳增匯及生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)中發(fā)揮著非常重要作用[9]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省西寧市大通回族土族自治縣,該縣地處青海省東部,祁連山東段的南麓,屬于黃土高原與青藏高原的過渡區(qū),位于東經(jīng)100°51′—101°56′,北緯36°43′—37°23′,海拔大約2280—4622 m。大通深處內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,地居中緯度地區(qū), 海拔較高,屬于大陸性高原氣候。年輻射總量為547.03—615.93 kJ/cm2,全境年平均日照時(shí)數(shù)為2605 h。該地區(qū)氣溫垂直分布明顯,晝夜溫差較大,年平均氣溫為2.8℃,一年中氣溫最高的三個(gè)月為6、7、8月。大通縣降水日數(shù)多、強(qiáng)度小,降雨量的季節(jié)分配極不均勻,多年平均降雨量為508 mm左右,年降雨量達(dá)到450—820 mm不等,其中植物生長季(5—10月)降雨量約占全年降雨量的87%。大通縣境內(nèi)土壤垂直分布較為明顯,主要的土地類型有高山石質(zhì)土、高山草甸土、山地棕褐土、黑鈣土、栗鈣土、潮砂土等。

大通縣的森林植被主要分布在北川河及其支流的河谷兩岸,主要的造林樹種包括青海云杉(Piceacrassifolia)、青楊(Populuscathayana)、白樺(Betulaplatyphylla)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)、檸條(Caraganaintermedia)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn)、甘蒙檉柳(Tamarixaustromongolica)、寧夏枸杞(Lyciumbarbarum)、山杏(Armeniacavulgaris)等。

2 研究材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)地位于青海省大通縣的青海云杉純林固定樣地(中坡,37°1′53.712″N,101°40′50.022″E),樣地面積為25 m×25 m；樣地平均樹高為10.96 m；平均胸徑為11.71 cm；平均冠幅度為7.05 m2,詳見表1。在樣地內(nèi)選取三棵長勢良好的青海云杉標(biāo)準(zhǔn)木作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,每木檢尺數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 樣地基本信息

表2 樣樹信息

(1)莖流速率的測定

采用植物莖流計(jì)(Dynamax公司生產(chǎn),Sapflow32,美國)進(jìn)行全天候不間斷觀測。該莖流測量系統(tǒng)可以安裝基于熱擴(kuò)散原理的TDP探針式熱擴(kuò)散傳感器,安裝方法為先在磨好的樹干上鉆孔,再將探針小心插入,最后用用橡皮泥和泡沫塑料密封空隙,防止水分滲入,最后用保溫毯包裹。每間隔1 min測量一次數(shù)據(jù),每30 min記錄存儲(chǔ)一次數(shù)據(jù)。所測的日蒸騰量為三棵標(biāo)準(zhǔn)木的平均值。

液流密度采用Granier于1987年提出的模型進(jìn)行計(jì)算[10]:

(1)

(2)

式中,Js為液流密度(g cm-2min-1)；Tmax為探針之間的最大溫差；T0為瞬時(shí)溫差；EC為蒸騰速率(mm/min)；SA為邊材面積(cm2)；A為冠幅投影面積(m2)。EC為30 min內(nèi)的平均蒸騰速率,將時(shí)間尺度擴(kuò)大到1 d,即為日蒸騰量。

(2)環(huán)境因子的測定

測量的環(huán)境因子主要為氣象因素,測量的環(huán)境因子主要為氣象參數(shù),使用布設(shè)于樣地林間空地的便攜式氣象站(DAVIS公司生產(chǎn),Vantage Pro2 Plus,美國)對(duì)小氣候環(huán)境進(jìn)行觀測。測量的主要參數(shù)有太陽輻射,大氣溫度,大氣相對(duì)濕度,氣壓,降水量,風(fēng)速等。

本文還考慮了溫度(T,℃)和空氣相對(duì)濕度(RH,kPa)的協(xié)同作用,采用水汽壓虧缺(VPD,kPa)來表示:

(3)

式中,a、b、c分別為0.611 kPa、17.052、240.97℃[11]。

(3)消光系數(shù)、葉面積指數(shù)測定

葉面積指數(shù)(LAI)用冠層分析儀拍照定點(diǎn)觀測,然后使用WinSCANOPY 2006a軟件對(duì)照片進(jìn)行分析處理計(jì)算。消光系數(shù)(k)的計(jì)算方法為:

(4)

式中,Rn為林冠上方接收到的太陽凈輻射(J m-2d-1),Rns為穿透林冠到達(dá)林冠下的輻射(J m-2d-1)。

2.2 應(yīng)用理論

(1)Penman-Monteith方程及其修正公式

Penman聯(lián)合法是目前公認(rèn)的適用性最強(qiáng)、計(jì)算結(jié)果精確可靠的估算方法。Penman于1948年首先提出無水汽水平運(yùn)輸情況下參考作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算公式；Monteith在Penman公式的基礎(chǔ)上,引入了氣孔阻力(rc)的概念；隨后,Bowen和Rosenberg提出在能量平衡模式中利用表面溫度和近地面湍流運(yùn)動(dòng)的關(guān)系來改進(jìn)Monteith提出的公式,并引入了中性層結(jié)下的空氣動(dòng)力學(xué)阻力(ra)。

現(xiàn)如今,Penman-Monteith的通用公式為:

(5)

式中,

(6)

(7)

(8)

在P-M公式中,假定大氣為中性層結(jié)構(gòu),ra空氣動(dòng)力學(xué)阻力可采用下式計(jì)算[12]:

(9)

式中,λ為氣化潛熱(J/g),在氣溫為t時(shí),λ=2498.9-2.33t；E為莖流速率(mm/d);α為時(shí)間尺度系數(shù),時(shí)間尺度為小時(shí)時(shí),α=3600,時(shí)間尺度為日時(shí),α=86400；Δ為飽和水汽壓關(guān)于溫度的曲線的斜率(kPa/℃)；Rn為林冠接受的太陽凈輻射(J m-2d-1)；ρ為大氣密度(kg/m3)；Cp為定壓比熱(1012 J kg-1K-1)；ea為實(shí)際空氣水汽壓(kPa)；et為大氣溫度為t時(shí)的飽和水汽壓；ra為空氣動(dòng)力學(xué)阻力(s/m)；rc為冠層阻力(s/m)t為大氣溫度(℃)；RH為空氣相對(duì)濕度(%)；Z為蒸散層2 m以上高度(m)；Z0為粗糙度(m),此處取0.075H,H為樹高；d為零平面位移(m)；u為Z高度處的實(shí)測風(fēng)速(m/s)。

在假定動(dòng)量、熱量以及水汽運(yùn)送的邊界層阻力相差較小的情況下,即令rah(熱傳輸阻力)≈rav(水汽傳輸阻力)≈ra也就是將林分的林冠層看作一個(gè)整體,假設(shè)是一片大葉子,而且在考慮氣壓訂正后,可用冠層整體氣孔阻力rsT替換冠層阻力rc[13],修正后的公式如下:

(10)

式中,P0/P為氣壓訂正,P0/P=10L/(18400(1+t/273)),L為實(shí)驗(yàn)地的海拔高度(m)；k為消光系數(shù)；LAI為葉面積指數(shù)。

(2)潛在蒸散量計(jì)算

本研究采用基于PM方程的FOA-PM公式計(jì)算樣地的潛在蒸散量,該公式在考慮了多種氣象因素后,將物質(zhì)傳送方法與能量平衡相結(jié)合,是目前公認(rèn)的誤差最小的潛在蒸散量估算方法[14-15]。公式如下:

(11)

式中,ET0為潛在蒸散量(mm/d)；u2為2 m處的風(fēng)速(m/s)；T為日平均溫度(℃)；其余參數(shù)均與上文中介紹的參數(shù)意義相同

(3)冠層整體氣孔阻力rsT的計(jì)算

冠層整體氣孔阻力是修正后的PM公式中的關(guān)鍵參數(shù),其大小由葉片氣孔的開關(guān)程度所決定,而葉片氣孔開閉程度主要受環(huán)境因子的影響[16]。上述公式中除冠層整體氣孔阻力rsT外的各項(xiàng)參數(shù),均可通過布設(shè)的儀器精確測量出來,目前,冠層整體氣孔阻力rsT的主要推算方法為經(jīng)驗(yàn)公式反推法,即通過測量出PM修正公式中的各項(xiàng)參數(shù),包括實(shí)際的蒸騰速率,從而反推出rsT值；再構(gòu)建出rsT和環(huán)境因子的回歸模型,預(yù)測出生長季的冠層整體氣孔阻力。

本文選取了日間(08:00—20:00)的三種常規(guī)氣象因子(飽和水汽壓差VPD,空氣相對(duì)濕度RH,大氣溫度T)作為基本變量,探究其與冠層整體氣孔阻力的響應(yīng)關(guān)系。以往的研究發(fā)現(xiàn),在實(shí)際的回歸中,一個(gè)回歸模型表達(dá)一整天的數(shù)據(jù)其模擬結(jié)果誤差較大,因?yàn)閞sT受到很多環(huán)境因子的影響,通常把一天的數(shù)據(jù)分時(shí)段回歸,可達(dá)到較為理想的效果[17]。由于植被的蒸騰主要?jiǎng)恿碓从谔栞椛?而夜間樹木氣孔幾乎處于關(guān)閉狀態(tài),并受到很小的輻射通量,因此可假定青海云杉上方的凈輻射量小于或等于土壤熱通量時(shí)其蒸騰量為零[18],只對(duì)有太陽輻射的時(shí)間段(08:00—20:00)進(jìn)行模擬。

為降低生長季內(nèi)氣候變化造成的誤差進(jìn)行分月模擬,利用以下日期內(nèi):5月10日—5月19日；6月1日—6月6日；7月1日—7月5日；8月1日—8月5日；9月1日—9月5日；10月1日—10月5日獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。建立每個(gè)月份的回歸關(guān)系式,最后帶入PM方程對(duì)蒸騰量進(jìn)行預(yù)測。

(4)誤差分析

為進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性,將采用均方根誤差(Root Mean Squared Error, RMSE)、平均絕對(duì)誤差(Mean Absolute Deviation, MAE)和平均相對(duì)誤差(Mean Relative Error, MRE)分析日蒸騰量的模擬值與實(shí)測值的誤差,計(jì)算公式如下:

(12)

(13)

(14)

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用EXCEL 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、誤差分析、擬合系數(shù)計(jì)算,使用Origin 2018進(jìn)行繪圖,并用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 生長季日蒸騰量變化趨勢

使用莖流計(jì)所測得的日蒸騰量如圖1所示,在整個(gè)生長季中,青海云杉日蒸騰量的總體變化趨勢不大,其峰值(4.55 mm)出現(xiàn)在7月10日,在8月27日達(dá)到最低值(0.05 mm),平均日蒸騰速率為1.20 mm,生長季總蒸騰量為220.21 mm,總潛在蒸散量為305.20 mm,日蒸騰量與日潛在蒸散量變化趨勢基本相同。各月蒸騰量與潛在蒸散量的比值為7月(79.68%)>8月(72.71%)>6月(72.53%)>5月(67.08%)>9月(66.48%)>10月(64.29%),生長季日蒸騰量與潛在蒸散量變化曲線均為單峰型。

圖1 青海云杉生長季內(nèi)日蒸騰量、日潛在蒸散量、日均溫及日降雨量變化Fig.1 Changes in daily evapotranspiration, daily potential evapotranspiration, average daily temperature and daily rainfall during the growing season of Qinghai Spruce

3.2 時(shí)滯效應(yīng)

由于本研究采用反推法利用莖流速率實(shí)測值求得rsT,因此務(wù)必考慮冠層蒸騰與樹干莖流是否存在時(shí)間滯后問題。本文將通過反推求出的rsT與飽和水汽壓差(VPD)、空氣相對(duì)濕度(RH)和溫度(T)分別進(jìn)行相關(guān)性分析,以0.5 h的間隔頻率進(jìn)行錯(cuò)位移動(dòng),探求滯前3 h到滯后3 h內(nèi)的相關(guān)系數(shù)變化規(guī)律,具體如圖2所示。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn),rsT與T和VPD的相關(guān)系數(shù)均在滯后0.5 h時(shí)達(dá)到最高值,分別為0.714和0.685；而rsT與RH的相關(guān)系數(shù)在無時(shí)滯0 h達(dá)到了峰值(R=0.734),與滯后0.5 h(R=0.722)結(jié)果十分接近,造成這種情況的原因可能是進(jìn)行錯(cuò)位移動(dòng)的間隔略大,其相關(guān)系數(shù)的最大值可能出現(xiàn)在0—0.5 h之間,為了簡化研究過程,本文的后續(xù)研究均以滯后0.5 h作為校正。

圖2 樹干莖流對(duì)不同氣象因子的時(shí)滯變化 Fig.2 Time-lapse changes of stem flow to different meteorological factors T:溫度Tempeture；RH:空氣相對(duì)濕度Relative humidity；VPD:飽和水汽壓差Saturated water vapor pressure difference

3.3 冠層氣孔阻力rsT與環(huán)境因子的響應(yīng)

水分脅迫會(huì)影響樹木冠層整體氣孔阻力,進(jìn)一步影響蒸騰速率。青海云杉生長季內(nèi),樣地的土壤水分動(dòng)態(tài)變化如圖3所示,土壤深度50 cm以下的含水量變化基本控制在15%—25%之間,在整個(gè)生長季內(nèi)變化不大。對(duì)土壤含水量與日蒸騰量做進(jìn)一步的相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)兩者之間的相關(guān)性極低,因此樣樹在生長季內(nèi)的蒸騰速率受到土壤水分脅迫的影響很小。本實(shí)驗(yàn)在研究冠層整體氣孔阻力rsT時(shí),可忽略土壤水分對(duì)其造成的影響,主要考慮常規(guī)氣象因子。

圖3 生長季樣地土壤水分動(dòng)態(tài)圖Fig.3 Dynamic map of soil moisture in growing season plots

3.3.1rsT與氣象因子的單因素回歸

以冠層整體氣孔阻力rsT為因變量,溫度(T)、空氣相對(duì)濕度(RH)和飽和水汽壓差(VPD)為自變量,應(yīng)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行回歸擬合。

冠層整體氣孔阻力rsT總體上與溫度(T)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨著溫度升高,葉片活性提高,氣孔導(dǎo)度增大,氣孔阻力減小,以進(jìn)行蒸騰作用,如圖4所示；而空氣相對(duì)濕度(RH)與冠層氣孔阻力rsT呈正相關(guān)關(guān)系,具體如圖5所示,這是因?yàn)榭諝庀鄬?duì)濕度的增加,rsT增大,會(huì)造成植物葉片內(nèi)外的水汽壓差減小,從而抑制蒸騰作用。如圖6所示,rsT與飽和水汽壓差(VPD)呈負(fù)相關(guān),是因?yàn)闇囟鹊纳邥?huì)導(dǎo)致葉片活性增加,氣孔導(dǎo)度增大,從而使冠層整體氣孔阻力減小；而林木冠層的飽和水汽壓差是水汽擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿?影響冠層蒸騰作用中水汽傳輸過程,所以當(dāng)VPD增大時(shí),葉片通過調(diào)節(jié)自身氣孔導(dǎo)度來保持體內(nèi)的水分平衡。

圖4 青海云杉生長季各月份冠層整體氣孔阻力與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between overall stomata resistance and temperature of spruce in Qinghai in each month of growing season

圖5 青海云杉生長季各月份冠層整體氣孔阻力與空氣相對(duì)濕度的關(guān)系Fig.5 Relationship between the overall stomata resistance of the canopy and the relative humidity of the air of Qinghai spruce in each month of the growing season

圖6 青海云杉生長季各月份冠層整體氣孔阻力與飽和水汽壓差的關(guān)系Fig.6 Relationship between the overall stomata resistance of the canopy and the saturated water vapor pressure of Qinghai spruce in each month of the growing season

3.3.2rsT與氣象因子的多因素回歸

冠層整體氣孔阻力rsT與氣象因子的多因素回歸模型如表3所示,通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)多因素回歸模型的決定系數(shù)R2普遍高于單因素回歸模型。

表3 冠層整體氣孔阻力rsT與氣象因子的多元回歸方程

3.4 模型驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的模擬精度,以更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)PM方程在林木冠層尺度的適用性,將所建立的氣象因子與rsT的多元回歸模型帶入PM方程中,采用5月20日—5月31日；6月7日—6月30日；7月6日—7月31日；8月6日—8月31日；9月6日—9月31日；10月6日—10月31日的連續(xù)蒸騰數(shù)據(jù)對(duì)模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,具體如圖8所示,發(fā)現(xiàn)蒸騰量的變化趨勢基本相同,與實(shí)測結(jié)果相近,但也有極個(gè)別天數(shù)的變化趨勢與實(shí)測結(jié)果相反。

圖7 青海云杉生長季內(nèi)各月份的日蒸騰量實(shí)測值與模擬值的比較Fig.7 Comparison of Measured and Simulated Daily Transpiration of Qinghai Spruce in Each Month

誤差分析結(jié)果如表4 所示,平均相對(duì)誤差介于9.118%—19.254%之間,最低均方根誤差為0.082,最低平均絕對(duì)誤差為0.07 mm；累計(jì)均方根誤差為0.200,累計(jì)平均絕對(duì)誤差為0.160,累計(jì)平均相對(duì)誤差為14.381%,誤差范圍比較合理。

表4 青海云杉生長季各月份日蒸騰量的模擬精度

4 討論

4.1 生長季日間蒸騰特征

根據(jù)莖流計(jì)實(shí)測值,青海云杉在生長季內(nèi)(5—10月)總?cè)臻g(08:00—20:00)蒸騰量為220.21 mm,低于劉敏等[19]在青海省大通縣所測得的青海云杉耗水量(306.45 mm),造成差異的原因可能是樹齡不同,本研究的青海云杉為20—30年生,而劉敏等測量的云杉為50年生。萬艷芳[20]研究發(fā)現(xiàn)祁連山地區(qū)的青海云杉平均液流密度隨月份變化呈先增大后減小的趨勢,即7月份最大,其次是6月和8月,9月和10月明顯減小,這與本研究的結(jié)果一致。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),8月份的日均溫度略大于7月份,但是8月蒸騰量(35.58 mm)卻顯著低于7月份(61.01 mm),可能是由于8月份該地區(qū)陰雨天較多,日照時(shí)間小于7月份,導(dǎo)致空氣濕度增加,造成植物葉片內(nèi)外的水汽壓差減小,從而抑制了植物的蒸騰作用。李世榮等在青海省大通縣的研究發(fā)現(xiàn),小麥、華北落葉松林和青海云杉天然林蒸騰量約占當(dāng)?shù)仄骄鶟撛谡羯⒘康?0.5%—95.0%；幼齡人工混交林林相對(duì)較小,只占潛在蒸散的52.8%—66.8%[21]；與本文研究結(jié)果相近(64.29%—79.28%)。

4.2 時(shí)滯效應(yīng)

本文采用錯(cuò)位對(duì)比分析法確定樹干莖流滯后于飽和水汽壓差、溫度0.5 h,胡興波等基于莖流計(jì)確定冠層蒸騰對(duì)氣象因子變化的響應(yīng)時(shí)滯為15 min[3]；陳琪等對(duì)華北落葉松的研究發(fā)現(xiàn)樹干液流滯后于氣象因子70 min[22]；趙平等研究表明馬占思樹具有較強(qiáng)的滯后效應(yīng),樣樹的液流變化滯后于光和有效輻射40—110 min[23]。

4.3 模型模擬

在青海云杉生長季內(nèi),飽和水汽壓差、溫度分別與冠層整體氣孔阻力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,空氣相對(duì)濕度與冠層整體氣孔阻力則呈正相關(guān)關(guān)系。這與李召寶等[6]對(duì)冬小麥冠層氣孔阻力的研究,孫林等[24]和陳琪等[22]對(duì)華北落葉松的研究結(jié)果相一致,但是環(huán)境因子對(duì)于不同樹種的不同生長階段有不同程度的響應(yīng),因此在相關(guān)性上會(huì)有一定差異。

在對(duì)林木蒸騰估算的研究中,大多是以小氣候因子為自變量,與蒸騰建立起相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型。張巖等[25]通過建立rsT與氣象因子的關(guān)系式,應(yīng)用常規(guī)氣象數(shù)據(jù)與PM方程對(duì)楊樹生長季的蒸騰量進(jìn)行連續(xù)模擬計(jì)算；戴劍鋒等[26]通過建立氣孔阻力與太陽輻射之間的定量關(guān)系,模擬了番茄的累計(jì)蒸騰量,但其僅建立出冠層氣孔阻力和環(huán)境因子的單因素回歸式來進(jìn)行預(yù)測,而冠層氣孔阻力往往會(huì)受到多種環(huán)境因子的影響,利用多因素回歸方程來確定冠層整體氣孔阻力,得到的模擬結(jié)果會(huì)更加可靠。李海光等[27]基于MATLAB對(duì)華北落葉松的蒸騰量進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),構(gòu)建了氣象因子和蒸騰耗水的數(shù)學(xué)模型,但是該方法的局限性較大,普適性較低。葛亮等[28]以三種環(huán)境因子為自變量建立了估算柑桔樹植株蒸騰量的經(jīng)驗(yàn)回歸模型,相較于PM方程更接近實(shí)際數(shù)據(jù),但是其對(duì)氣象數(shù)據(jù)的測量精度的要求較高,且目前只停留在盆栽試驗(yàn)。

本文通過建立冠層整體氣孔阻力的多元回歸方程,對(duì)青海云杉生長季的日間蒸騰量進(jìn)行模擬,平均相對(duì)誤差控制在了20%以內(nèi),最小為6月份9.862%,最大為7月份18.725%,母艷梅等[29]采用Noilhan提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算冠層阻力,通過PM方程模擬出太行山南麓栓皮櫟-側(cè)柏-刺槐人工混交林的蒸騰量比實(shí)際值相差21%；李仙岳等[30]利用Jarvis模型對(duì)櫻桃冠層氣孔阻力進(jìn)行推導(dǎo),蒸騰量的相對(duì)誤差控制在20%以內(nèi),最小為12.12%,模擬誤差與本研究較為相近。研究發(fā)現(xiàn),7月份的rsT與蒸騰量的擬合精度均為生長季各月份中的最低值,趙華等[31]的研究結(jié)果顯示,極端的高溫天氣以及高溫日數(shù)可能會(huì)對(duì)模擬精度產(chǎn)生影響；另外,李仙岳等[30]對(duì)于櫻桃的研究發(fā)現(xiàn)高輻射強(qiáng)度下的冠層氣孔阻力的擬合精度小于低輻射強(qiáng)度；根據(jù)本研究所在地區(qū)林業(yè)站資料,7月份日照時(shí)數(shù)達(dá)到206.9 h,超過25℃高溫的天數(shù)達(dá)到9天,為生長季中最高值,這可能是導(dǎo)致生長季中7月份模擬蒸騰量誤差較高的原因之一。

本文并未對(duì)夜間時(shí)段進(jìn)行研究,由于夜間不存在太陽輻射,植物葉片的氣孔開閉行為變得較為復(fù)雜,不能單純的建立回歸方程來估算rsT,而且植物的夜間液流通量包括組織補(bǔ)水和夜間蒸騰,無論是從模擬還是實(shí)測的角度來看,都無法有效的將夜間蒸騰分離出來,因此還需進(jìn)一步探討。同時(shí),隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,渦度協(xié)方差技術(shù)越來越成熟,未來有望將該技術(shù)引入PM方程中,能夠更準(zhǔn)確的獲取相關(guān)的氣象因子從而提高模擬精度。

5 結(jié)論

(1) 青海云杉生長季(5—10月)日蒸騰量隨月份而變化,呈先增高后降低的趨勢,總體為單峰曲線,月蒸騰量占潛在蒸散量的比例分別為7月(79.68%)>8月(72.71%)>6月(72.53%)>5月(67.08%)>9月(66.48%)>10月(64.29%)。

(2)青海云杉樹干莖流與氣象因子表現(xiàn)出一定時(shí)滯效應(yīng),具體表現(xiàn)為:樹干莖流與飽和水汽壓差(VPD)和溫度(T)均在滯后0.5 h相關(guān)系數(shù)達(dá)到最高值,分別為0.714和0.685,與空氣相對(duì)濕度(RH)的相關(guān)系數(shù)在無時(shí)滯0 h時(shí)達(dá)到最高值(R=0.744),與滯后0.5 h時(shí)(R=0.722)非常接近。

(3)冠層整體氣孔阻力(rsT)與常規(guī)氣象因子建立的回歸模型中,多因素回歸模型的決定系數(shù)普遍高于單因素回歸模型,rsT與溫度(T)、飽和水汽壓差(VPD)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系,與空氣相對(duì)濕度(RH)為正相關(guān)關(guān)系。

(4)蒸騰量的模擬驗(yàn)證表明,蒸騰量模擬值與實(shí)測值的變化趨勢基本相同,累計(jì)平均相對(duì)誤差為14.381%,累計(jì)平均絕對(duì)誤差為0.16 mm,累計(jì)均方根誤差為0.2；證明所建立的模型模擬效果基本可行。