太行低山區(qū)荊條耗水特征及其與參考作物蒸散量的關(guān)系*

桑玉強(qiáng)，李 龍，施光耀，賈長榮，張勁松**

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，鄭州 450002;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京 100091;3.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037;4.濟(jì)源市林業(yè)工作站，濟(jì)源 459000）

太行山是華北平原重要的生態(tài)安全屏障，其南段緊鄰黃河，在貫徹黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略中扮演著重要角色。由于受到人為因素和自然災(zāi)害的干擾，太行低山區(qū)植被退化嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱[1]。太行山地處半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，在全球氣候變暖、水資源緊缺的背景下，開展該地區(qū)植被耗水研究，對于揭示植被耗水規(guī)律、調(diào)整植被結(jié)構(gòu)及布局、推動太行山生態(tài)保護(hù)與修復(fù)、構(gòu)建中部生態(tài)安全屏障更具現(xiàn)實意義[2]。目前對該區(qū)植被耗水研究多見于刺槐（Robinia pseudoacacia）、栓皮櫟（Quercus variabilis）、側(cè)柏（Platycladus orientali）、油松（Pinus tabulaeformis）等喬木樹種[3-6]，灌木相對較少。與喬木相比，雖然灌木無明顯主干、生物量不大，但其根系發(fā)達(dá)，對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，在植被恢復(fù)中發(fā)揮著重要作用[7-8]。

荊條（Vitex negundo）為落葉灌木，廣泛分布于太行低山區(qū)、黃土高原等地，具有抗逆性強(qiáng)、生態(tài)可塑性高等特點[9]。近年來關(guān)于荊條耗水研究多采用TDP 技術(shù)進(jìn)行[1,6,10]，但該方法因需要對樹干進(jìn)行持續(xù)加熱從而對樹干產(chǎn)生一定的熱損傷[11]。因測量精度高，稱重式蒸滲儀被公認(rèn)為是測量植被水分消耗的標(biāo)準(zhǔn)方法之一[12-13]，目前多應(yīng)用于農(nóng)作物耗水量的估算[14-15]、耗水模型評價驗證[16]等方面。楊帆曾采用非稱重式蒸滲儀對荊條耗水進(jìn)行研究，但受觀測設(shè)備限制，在降水稀少的季節(jié)不能實現(xiàn)耗水日內(nèi)變化測定[17]。本研究以太行低山區(qū)鄉(xiāng)土灌木樹種荊條為研究對象，在主要生長季利用大型稱重式蒸滲儀對荊條的耗水進(jìn)行連續(xù)測量，并同步觀測相關(guān)氣象要素，通過使用FAO-56 推薦的Penman-Monteith公式計算ET0，分析荊條在自然條件下日內(nèi)、日際及月際時間尺度的耗水動態(tài)變化，同時探究荊條對干旱環(huán)境的適應(yīng)能力及荊條耗水與ET0的關(guān)系，嘗試建立估算荊條耗水的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，以期為太行低山區(qū)荊條耗水管理、植被建設(shè)、群落演替管理等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗地位于黃河小浪底國家森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站（35°01'45''N，112°28'08''E），華北地區(qū)太行山南麓、黃河中游，是典型的低山丘陵區(qū)，海拔410m左右，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候[11]。植被類型以栓皮櫟-側(cè)柏人工混交林為主。土壤成分為棕壤和石灰?guī)r風(fēng)化母質(zhì)淋溶性褐土，土壤結(jié)構(gòu)不良，石礫含量10%～18%，土層厚度小于50cm。全年日照時數(shù)為2368h，0℃以上年均有效積溫為5282℃·d，年均氣溫12.4～14.3℃。年均降水量641.7mm，降水季節(jié)分配不均，6-9月降水量438.0mm，占全年降水量68.3%，年均蒸發(fā)量1611.2mm。

采用三臺長×寬×深=3m×3m×3m 規(guī)格的QYZS-201 型懸掛式大型稱重式蒸滲儀，儀器測量精度為120g，換算為水深為0.015mm。整個土箱用作栽培池，利用周圍原狀土土層結(jié)構(gòu)填土，有效模擬了當(dāng)?shù)赝寥缹哟苇h(huán)境。于2015年3月移栽生長狀態(tài)和冠幅基本一致的荊條灌叢，每臺蒸滲儀移栽4 株，均勻分布在蒸滲儀內(nèi)，密度為4444 株·hm-2。在蒸滲儀土壤表面覆蓋白色透明厚塑料膜，在塑料膜上預(yù)留一定數(shù)量的透水孔，盡可能避免土壤蒸發(fā)的同時方便降水下滲，塑料膜定期更換周期為一個月。試驗時間為2019年5-10月。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

蒸滲儀數(shù)據(jù)自動獲取時間間隔為1h，數(shù)據(jù)可通過儀器配置的電腦傳輸至服務(wù)器。一日內(nèi)各小時數(shù)據(jù)的累加即為日耗水量。通過對3 臺蒸滲儀數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得到最終數(shù)據(jù)。

氣象資料數(shù)據(jù)取自地面標(biāo)準(zhǔn)氣象站（距離蒸滲儀20m），對太陽輻射（Ra，W·m-2）、空氣溫度（Ta，℃）、風(fēng)速（V，m·s-1）、相對濕度（RH，%）、降水量（P，mm）等氣象因子進(jìn)行連續(xù)觀測。所有傳感器均與CR1000 型數(shù)據(jù)采集器（Campbell Sci.USA）相連，每10min 輸出1 組平均值，觀測時間與蒸滲儀同步。采用當(dāng)?shù)貧庀缶謹(jǐn)?shù)據(jù)計算參考作物蒸散量。

飽和水汽壓虧缺（VPD）是反映實際水汽壓與飽和狀態(tài)水汽壓差距的指標(biāo)，其計算式為[3]

式中，VPD 為飽和水汽壓虧缺（kPa）；Tmean為平均氣溫（℃）；RHmean為平均相對濕度（%）。

采用FAO-56 Penman-Monteith 公式計算逐日參考作物蒸散量（ET0），計算式為[18]

式中，ET0為參考作物蒸散量（mm·d-1）；Rn 為凈輻射量（MJ·m-2·d-1)； G 為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1)，取Rn 的5%；T 為日平均氣溫（℃）；u2為距離地面2m 高處風(fēng)速（m·s-1）；es 為飽和水汽壓（kPa）；ea 為實際水汽壓（kPa）；Δ為溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線的切線斜率（kPa·℃-1）；γ為濕度計常數(shù)（kPa·℃-1）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0 與Origin 2018 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 太行低山區(qū)荊條的耗水特征

2.1.1 典型天氣日荊條耗水量逐時變化

于荊條生長旺期，分別選擇典型晴天（8月15日，Ra 為25.6MJ·m-2）與陰天（8月25日，Ra 為11.8MJ·m-2）分析典型天氣下荊條耗水逐時變化的特征（圖1）。由圖1 可見，典型晴天荊條小時耗水量日內(nèi)變化呈現(xiàn)顯著的寬峰曲線，8：00 耗水量開始迅速增加，12：00-17：00 維持在較高水平，峰值出現(xiàn)在15：00，達(dá)0.69mm·h-1，之后逐漸減小，20：00前后接近于日內(nèi)最小值，荊條耗水強(qiáng)度為0.24mm·h-1。典型陰天條件下荊條小時耗水量日內(nèi)變化進(jìn)程同樣表現(xiàn)為單峰曲線，但波峰較晴天變窄（15：00-17：00），且峰值出現(xiàn)時間較晚（16：00），數(shù)值為0.42mm·h-1，到達(dá)峰值后迅速下降，全天平均耗水強(qiáng)度為0.12mm·h-1，僅為晴天的一半。

與晴天相比，陰天太陽輻射較弱，溫度較低，相對濕度較大，飽和水汽壓虧缺較小，因而導(dǎo)致荊條的蒸騰拉力弱、耗水少。典型晴天荊條耗水日內(nèi)變化曲線與太陽輻射、溫度、飽和水汽壓虧缺一致，與相對濕度相反，耗水峰值出現(xiàn)時間比太陽輻射最大值出現(xiàn)時間滯后了2h。典型陰天荊條耗水和各氣象因子的變化曲線與晴天相似，但太陽輻射于8：00開始增加，最大值出現(xiàn)在15：00，較晴天推遲了2h。與之相對應(yīng)，荊條耗水于9：00 以后緩慢增加，時間明顯滯后，波峰變窄，峰值變小，出現(xiàn)在16：00。說明在降水充沛、土壤水分相對充足的條件下，影響荊條耗水的主要因子為氣象要素，其中太陽輻射對荊條耗水的調(diào)控更明顯。

2.1.2 生長季荊條耗水量逐日變化

圖2 顯示，生長季荊條日耗水表現(xiàn)為“弱-強(qiáng)-弱”的變化趨勢，即生長季的前期和后期耗水較少，中期耗水較多。5月1日-6月30日為低耗水期，該階段耗水量為0.20～4.36mm，日均耗水量1.46mm。7月1日-9月30日為高耗水期，該階段耗水量為0.31～6.38mm，日均耗水量3.96mm。10月1-31日為低耗水期，該階段耗水量為0.20～3.91mm，日均耗水量 1.95mm。整個觀測期荊條日均耗水量2.79mm。荊條表現(xiàn)出的上述逐日耗水變化規(guī)律與荊條自身生長發(fā)育及階段降水量有較大關(guān)系，具體表現(xiàn)為，荊條4月中下旬返青后，5-6月雖然進(jìn)入生長季，但生長較為緩慢，LAI 僅為1.4，加上該階段降水稀少，只有6 次降水，降水量僅為74.5mm，微弱的降水對土壤水分供給不足。進(jìn)入7月后，荊條進(jìn)入生長旺盛期，枝葉繁茂，LAI 為2.9，較5-6月增加了1.5，加上該地區(qū)進(jìn)入雨季，降水量增加，高溫、高濕的天氣使荊條日耗水量增大，并一直持續(xù)到9月。7-9月荊條LAI 為3.8，有27 次降水，降水量為368.2mm。進(jìn)入10月，荊條LAI 雖然與前一階段變化不大，但生長趨于衰退。該階段降水量為83.9mm，但因太陽輻射減弱、空氣溫度降低，多日的陰雨天氣使該階段荊條耗水量并不大。荊條的逐日耗水變化說明荊條耗水除了與自身生長周期有關(guān)外，還受到土壤水分及氣象要素等外界因素的共同影響，在外界環(huán)境不利于荊條生長的條件下，荊條會對自身進(jìn)行適度調(diào)節(jié)，以與外界環(huán)境條件相適應(yīng)。

2.1.3 生長季荊條耗水量逐月變化

由圖3 可見，荊條月耗水量差異較大，耗水主要集中在7-9月，各月耗水量由大到小分別為8月＞7月＞9月＞10月＞6月＞5月，整個觀測期荊條共消耗水分513.5mm，其中耗水量最大的8月和最少的5月差值為100.24mm。荊條在5-6月耗水較少，平均月耗水44.64mm，主要原因在于雖然該階段Ta 開始緩慢回升（平均溫度24.9℃）、Ra 增強(qiáng)（月均值為629.0MJ·m-2），但此時荊條剛進(jìn)入生長期，LAI 小，只有1.38，因此，蒸騰強(qiáng)度弱、耗水較少。7月荊條進(jìn)入生長旺期，LAI 較之前增加了1.3，Ta 升高3.3℃，強(qiáng)大的蒸騰拉力使得荊條從土壤中吸收更多水分以滿足其消耗需求，使得7月荊條耗水遠(yuǎn)大于6月。8月、9月荊條處于生長旺期，LAI 為4.3，達(dá)到生長季最大，加上該階段降水量充沛（302.9mm），土壤水分充足，使得8月、9月荊條耗水量維持在較高水平。進(jìn)入10月，荊條開始逐漸進(jìn)入生長衰退期，且隨著Ta 逐漸降低（18.8℃）、Ra 逐漸減少（月均值396.5MJ·m-2），荊條耗水逐漸減少。

從圖3 中還可發(fā)現(xiàn)，整個生長季節(jié)荊條月耗水量與月降水量一致性較好，整體上降水量越多，荊條耗水量越大，二者表現(xiàn)為線性正相關(guān)關(guān)系。主要生長季降水量為526.6mm，荊條耗水量513.5mm，表明整個生長季該地區(qū)降水可滿足荊條耗水需求，但因不同月份間降水差異較大，會給荊條生長造成一定影響。主要表現(xiàn)在5-6月降水較少，累計降水量只有74.5mm，供水不足，荊條容易遭受水分脅迫，生長受到一定限制。其余月份則不存在水分制約情況，降水可滿足荊條正常生長與耗水需求。

2.2 荊條耗水量與ET0 的關(guān)系

2.2.1 荊條日耗水量與ET0的一致性比較

ET0指水分供應(yīng)充足條件下參照作物表面的蒸散速率，只與氣象因子有關(guān)，是表征氣候干濕程度、植被耗水量及水資源供需平衡的重要指標(biāo)之一[19]。為此，對荊條日耗水量變化曲線與ET0的一致性進(jìn)行比較，以期揭示二者之間的內(nèi)在關(guān)系。

由圖4 可見，荊條日耗水變化曲線與ET0的變化趨勢明顯分為兩個階段，具體表現(xiàn)為第一階段為5-6月，二者一致性較差，ET0明顯高于荊條耗水量，ET0為275.54mm，同期荊條耗水量僅為89.27mm，差值高達(dá)186.27mm。第二階段為7-10月，二者一致性較好，ET0為 402.76mm，荊條耗水量為424.26mm，差值為21.7mm，荊條耗水量略高于ET0。第一階段二者差異較大的主要原因在于該階段春旱現(xiàn)象明顯，降水較少，土壤水分供給不足，導(dǎo)致了荊條耗水維持在較低水平。而ET0是指在土壤水分充足條件下，只考慮氣候綜合要素對植物生長耗水的影響，因為不存在水分脅迫，故ET0值高于荊條耗水。進(jìn)入7月后，雨季來臨，土壤水分相對充足，水分脅迫不存在，荊條進(jìn)入生長盛期，耗水主要與氣象因子有關(guān)，與ET0的一致性表現(xiàn)較好。

2.2.2 荊條耗水量與ET0的擬合

因受到水分脅迫影響，5-6月荊條耗水與ET0差值較大。故選擇降水相對充沛、水分脅迫不明顯的7-10月，對奇數(shù)日荊條耗水與ET0進(jìn)行擬合（圖5），發(fā)現(xiàn)二者之間具有較好的對數(shù)關(guān)系，R2為0.7431。

對于圖5 中離散度較大的點，推測可能與土壤水分的波動有關(guān)。以8月3日和8月25日為例，二者間隔時間較短，可認(rèn)為荊條具有相同的LAI，消除因荊條自身生長產(chǎn)生的差異。8月3日與8月25日ET0非常接近，分別為2.64mm 和2.69mm，而荊條耗水分別為1.89mm 和2.89mm。8月3日（2.64mm、1.89mm）離散度較大，而8月25日（2.69mm、2.89mm）離散度小。8月3日和8月25日土壤水分分別為19.2%和23.0%，后者較前者大3.8%，說明在一定范圍內(nèi)土壤水分狀況越好，植物耗水與ET0二者之間的一致性越好。

2.2.3 荊條耗水估算值與實測值驗證

利用擬合方程結(jié)合7-10月偶數(shù)日ET0數(shù)據(jù)估算荊條耗水量，并將測量值與估算值進(jìn)行對比（圖6）。結(jié)果表明：使用擬合方程得出的估算值與實測值具有較好的一致性，其中估算值為211.03mm，實測值為 202.65mm，二者相差 8.38mm，RMSE 為0.90mm.d-1，RRMSE 為13.68%，精度較高。表明在降水較充沛的季節(jié)，利用相對容易獲得的ET0數(shù)據(jù)，結(jié)合擬合方程對荊條耗水進(jìn)行估算具有一定的科學(xué)性與可行性。在降水季節(jié)缺乏實測荊條耗水?dāng)?shù)據(jù)的情況下，可利用該擬合方程求算荊條耗水量，從而對荊條群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

植被耗水是研究植被適應(yīng)性及環(huán)境水分循環(huán)的重要指標(biāo)[20-21]。本研究發(fā)現(xiàn)荊條耗水動態(tài)在典型晴天和陰天下均為單峰曲線，其中晴天為寬峰且峰值較大，陰天為窄峰且峰值較小，這與劉春鵬等[6]的研究結(jié)果一致，其原因在于與陰天相比，晴天植物葉片接受Ra 時間長，同時Ta 高，RH 小，葉片內(nèi)外水汽壓梯度大且正午的太陽輻射強(qiáng)度大。日尺度上，荊條耗水在生長季的前半季變動較小，而在后半季出現(xiàn)較大的波動，楊帆[17]也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。這主要是降水的季節(jié)分布不均及荊條自身的生理生長變化引起的。月尺度上荊條耗水呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，耗水主要集中在7-9月，與前人[1,10,22]的研究結(jié)果一致。相比之下，7-9月Ra 大，Ta 高，加之該階段為荊條處理生長旺盛期，荊條需要消耗大量的水分以滿足耗水及自身生長需求。莫康樂等[23]認(rèn)為月尺度上，降水是影響植被耗水的主要因素。本研究也發(fā)現(xiàn)荊條月耗水與降水之間存在較好的線性關(guān)系。在地下水位較低的情況下，降水成為土壤水分補(bǔ)給的唯一來源，降水量的大小決定了土壤水分的高低，土壤水分則決定了植被耗水的整體水平。表明在一定程度上月降水量的大小決定了耗水的多少。觀測期內(nèi)荊條共消耗水分513.5mm，與楊帆[17]的結(jié)論較接近，但與何春霞等[1]相差較大，可能與試驗期降水量和試驗方法有關(guān)。何春霞研究期間降水量僅為260.0mm，春旱和秋旱比較明顯，而本試驗期間降水量為526.6mm，差異很大。此外，受到探針長度與邊材寬度不完全一致的影響，采用TDP 技術(shù)測定荊條液流時存在低估耗水量的可能性[24-25]。

試驗觀測期降水量大于荊條耗水，說明整體上降水可滿足荊條消耗需求，但降水主要集中在荊條生長旺季，生長初期則存在季節(jié)性干旱，會對荊條的返青生長造成一定的影響。有研究表明荊條葉片、木質(zhì)部結(jié)構(gòu)及根系具有旱生植物的形態(tài)特征，與干旱貧瘠的環(huán)境條件相適應(yīng)，具有較強(qiáng)的生態(tài)可塑性[26-28]。具體表現(xiàn)為水分充足時，荊條水分傳輸率高，耗水大。當(dāng)土壤水分受到限制時，木質(zhì)部會產(chǎn)生空穴化和栓塞，進(jìn)而限制植物自身體內(nèi)水分的散失，表現(xiàn)為較少的耗水量，呈現(xiàn)出一定的生態(tài)適應(yīng)性。本研究發(fā)現(xiàn)5-6月荊條耗水量少，可能正是因為土壤水分供給相對不足，導(dǎo)致荊條啟動了自適應(yīng)機(jī)制，從而減少水分消耗，加強(qiáng)自我保護(hù)。有研究發(fā)現(xiàn)自然條件下植被日耗水與ET0之間存在線性關(guān)系[11,29-30]，在土壤水分良好條件下二者相關(guān)性更高[31-32]。本研究發(fā)現(xiàn)在降水充沛季節(jié)荊條日耗水與ET0表現(xiàn)出很強(qiáng)的對數(shù)關(guān)系，進(jìn)一步證實了當(dāng)土壤水分不是限制因素時，植被耗水與ET0一致性更好。

3.2 結(jié)論

在主要生長季節(jié)，荊條耗水呈現(xiàn)單峰曲線，晴天為寬峰且峰值較大，陰天為窄峰且峰值較小。荊條耗水曲線與Ra、Ta 及VPD 具有較好的一致性，但峰值略滯后于Ra。荊條耗水日變化呈現(xiàn)為“弱-強(qiáng)-弱”的趨勢，即生長季的前期及后期日耗水強(qiáng)度小、中期大。主要生長季節(jié)荊條共耗水513.5mm，耗水主要集中在7-9月，占總耗水量的70.8%，其中8月最多，5月最少。期間降水量為526.6mm，從水量平衡的角度來看，降水可滿足荊條消耗需求，但不同月份供求差異較大，其中5-6月降水較少，荊條易遭受水分脅迫。荊條具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性與生態(tài)可塑性。在干旱季節(jié)，荊條木質(zhì)部產(chǎn)生栓塞或空穴化，啟動自適應(yīng)機(jī)制，減少水分消耗。在降水豐富的7-10月，荊條耗水與ET0之間呈現(xiàn)顯著的對數(shù)關(guān)系，可結(jié)合ET0數(shù)據(jù)利用擬合方程對荊條耗水進(jìn)行估算，干旱季節(jié)該擬合方程不具適用性。在今后的研究中，應(yīng)計算出荊條作物系數(shù)，結(jié)合水分脅迫系數(shù)等參數(shù)，實現(xiàn)缺乏實測條件下荊條全生長季耗水量的估算。