西南獼猴桃園蒸散發(fā)變化及敏感性分析

黃耀威，何清燕,2，姜守政，崔寧博*，趙 璐，鄭順生，楊斌環(huán)，鄒清垚，王琪凱

（1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計院，成都 610066；3.佳沃（成都）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司，成都 611600）

西南獼猴桃園蒸散發(fā)變化及敏感性分析

黃耀威1，何清燕1,2，姜守政1，崔寧博1*，趙 璐1，鄭順生1，楊斌環(huán)1，鄒清垚1，王琪凱3

（1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計院，成都 610066；3.佳沃（成都）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司，成都 611600）

【目的】研究西南地區(qū)獼猴桃園氣候因子和LAI對蒸散發(fā)（ET）的影響，Kc和Kcb的季節(jié)性變化?！痉椒ā炕?018—2019 年大田試驗(yàn)和Penman-Monteith 模型，分析了西南獼猴桃園近地層水汽通量的控制機(jī)理，采用敏感性分析方法量化了獼猴桃園ET對氣象要素的敏感性，基于單（雙）作物系數(shù)法計算了Kc（Kcb）?！窘Y(jié)果】①2018—2019年獼猴桃生育期蒸散發(fā)（ET）日平均值分別為2.71 mm/d 和2.31 mm/d，空氣動力項(xiàng)ET（ETaero）分別為1.87 mm/d和1.71 mm/d，占總ET的0.69 和0.74；②2018—2019 年生育期獼猴桃ET對VPD的敏感性最高，其次是rc、Rn-G和ra；③2018—2019 年生育期獼猴桃園Kc值隨生育期先增大后減小，Kcb值在生育后期有增大的趨勢，2018、2019年的Kc平均值分別為0.93 和0.85，Kcb平均值分別為0.43 和0.41?！窘Y(jié)論】本研究發(fā)現(xiàn)空氣動力項(xiàng)是驅(qū)動獼猴桃園ET的主要因素，ET對VPD的敏感性最高。

獼猴桃園；蒸散發(fā)（ET）；Penman-Monteith 模型；敏感性；作物系數(shù)

0 引 言

【研究意義】中國的獼猴桃種植面積和產(chǎn)量均居世界第一，分別占全球的68.2%和50.6%[1]。2020 年，四川省獼猴桃種植面積5 萬hm2，產(chǎn)量46 萬t，產(chǎn)值突破80 億元。四川成都平原是我國五大獼猴桃產(chǎn)區(qū)之一，也是國內(nèi)人工栽培獼猴桃最早、應(yīng)用效果最好的地區(qū)之一[2]。近年來，成都平原獼猴桃種植面積有繼續(xù)增大的趨勢，獼猴桃種植已成為西南地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)脫貧的一項(xiàng)支柱性產(chǎn)業(yè)，但季節(jié)性干旱與工程性缺水嚴(yán)重制約了西南地區(qū)的獼猴桃生產(chǎn)[3-4]。因此進(jìn)行獼猴桃耗水規(guī)律及蒸散發(fā)研究對水資源調(diào)配及獼猴桃穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)具有重要實(shí)用價值。

【研究進(jìn)展】ET與植物的生理活動以及產(chǎn)量的形成有著密切的聯(lián)系，是一個集能量與物質(zhì)交換以及生態(tài)和水文相互作用的內(nèi)在復(fù)雜過程[5]。全面分析ET及其組分（土壤蒸發(fā)、作物蒸騰）變化規(guī)律，量化不同驅(qū)動因素對ET的影響，對于研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田小氣候以及大氣水循環(huán)等至關(guān)重要。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對不同農(nóng)田下墊面ET的變化規(guī)律和影響因素做了大量的研究。Stoy 等[6]量化了植被對水文和能量收支的影響，通過線性擾動分析來評估生態(tài)系統(tǒng)對物理驅(qū)動因子降雨和水汽壓差（VPD）、生物驅(qū)動因子葉面積指數(shù)（LAI）和內(nèi)在氣孔導(dǎo)度（gs）等驅(qū)動因素的敏感性。Li 等[7]研究表明，相對于其他氣候與植被生理因素，ET對玉米冠層導(dǎo)度的敏感性最高，冠層導(dǎo)度主導(dǎo)了能量分配的過程。Noa 等[8]量化了“赤霞珠”葡萄園生長季ET模式及驅(qū)動因素，結(jié)果表明，葡萄不同物候期的耗水變化很大，在整個生育期以及抽梢期和果實(shí)成熟期LAI是最強(qiáng)驅(qū)動因素（分別為44.81%、59.57%和33.54%），空氣溫度在開花期和果實(shí)生長期的影響最大（分別為48.14%和23.36%）。Geng 等[9]量化了氣象因素和植物生理因素對中國某丘陵茶園ETa（作物蒸騰與土壤蒸發(fā)）的影響，其中Rn是茶園蒸散發(fā)的主要驅(qū)動力，其次是VPD和LAI。

為獲得較高的獼猴桃產(chǎn)量，獼猴桃園常采用灌溉措施；計算獼猴桃的需水量，對節(jié)約灌溉用水至關(guān)重要。Penman-Monteith 法因其簡單和穩(wěn)定的特點(diǎn)，是目前最廣泛使用的基于氣候的作物需水量估計方法；特定作物需水量（ETc）的估算是由作物參考蒸散量（ET0）乘以作物系數(shù)（Kc）得來的[10]。然而，與完全覆蓋土壤的均勻植被相比，木本和藤蔓植物擁有異質(zhì)的、稀疏的植被表面，和更加復(fù)雜的冠層，這種方法對于木本植物和不完全覆蓋的作物具有一定的不確定性[11]?；A(chǔ)作物系數(shù)Kcb是基于雙作物系數(shù)法將植株蒸騰從作物蒸散發(fā)中分離出來的部分，對于特定的氣候條件與作物種類，其計算結(jié)果更接近實(shí)際情況，尤其適用稀疏的植被表面[12-13]。

【切入點(diǎn)】隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，西南季節(jié)性干旱區(qū)農(nóng)業(yè)用水供需矛盾逐漸突出，尤其是近年來由于氣候變化，西南降雨時空分布不均，干旱發(fā)生有增大趨勢[14]。我國ET相關(guān)的研究主要集中在北方干旱區(qū)和半干旱區(qū)，西南季節(jié)性干旱區(qū)獼猴桃ET的變化規(guī)律和驅(qū)動因素還尚未有相關(guān)研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究基于Penman-Monteith 模型，通過分析2018—2019 年獼猴桃園下墊面水汽通量（轉(zhuǎn)化為ETEC）的季節(jié)性變化規(guī)律，闡明獼猴桃園ET的輻射項(xiàng)ETrad和空氣動力學(xué)項(xiàng)ETaero的變化規(guī)律和驅(qū)動因素，量化獼猴桃園ET對氣象要素的敏感性并更新獼猴桃園生育期作物系數(shù)（Kc）與基礎(chǔ)作物系數(shù)（Kcb），為該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理與水資源優(yōu)化配置提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省成都市蒲江縣國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，蒲江獼猴桃產(chǎn)業(yè)示范基地（30°19′N，103°25′E，海拔高度約為537 m）。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，1960—2019 年多年平均溫度16.3 ℃，平均降水量1 280 mm，主要集中在5—9 月，年日照時間1 122 h，相對濕度84%。試驗(yàn)區(qū)地形屬于淺丘區(qū)，土壤類型以黃壤土為主，10～100 cm 土壤體積質(zhì)量1.27～1.35 g/cm3，田間持水率、飽和持水率、有效持水率分別為38.18%、44.53%、18.75%（體積含水率）。研究對象為7 a 生金艷獼猴桃果樹。試驗(yàn)區(qū)果樹分布規(guī)則，果樹冠層高度在1.70～2.00 m，胸徑8～10 cm，行距5 m，株距4 m，種植密度約為450 株/hm2。

1.2 數(shù)據(jù)采集及處理

氣象數(shù)據(jù)主要由錦州陽光氣象科技有限公司生產(chǎn)的自動氣象站（TRM-ZS3）采集，包括凈輻射（Rn，W/m2）、土壤熱通量（G，W/m2）、土壤含水率（SWC，%）、空氣溫度（Ta，℃）、空氣相對濕度（RH，%）、風(fēng)速（u，m/s）。冠層葉面積指數(shù)（LAI）通過葉面積指數(shù)儀（Canopy-LAI2000）每1～2 周測量1 次。

本研究采用閉路渦度相關(guān)系統(tǒng)（CPEC，Campbell Scientific Inc，美國）觀測獼猴桃園區(qū)潛熱通量（LE），并通過LE轉(zhuǎn)換為ET（ET=LE/λ，λ為汽化潛熱）。CPEC系統(tǒng)主要由三維超聲風(fēng)速儀（Model CSAT3）、閉路紅外 CO2/H2O 氣體分析儀（EC155）、溫濕度計（HMP45C）、數(shù)據(jù)采集器（CR6）及供電系統(tǒng)組成。原始的 10 Hz 通量數(shù)據(jù)經(jīng)過 Datalogger Support Software 4.4 處理。數(shù)據(jù)校正及插補(bǔ)方法參見[15]。2018—2019 年獼猴桃生育期30 min 能量閉合度分別為0.92 和0.95，R2分別為0.70 和0.76；日尺度上能量閉合度分別為1.06 和1.13，R2分別為0.88 和0.86，因此，本研究渦度相關(guān)系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)是可靠的[15]。土壤熱通量（G）在日尺度上變化較小，忽略不計。

本研究采用TDP 植物莖稈液流自動監(jiān)測系統(tǒng)（RR-1016，北京雨根科技有限公司，中國）測定獼猴桃樹干瞬時液流密度。根據(jù)Granier 方法將探頭測得的溫差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為液流密度（Fd，m/s）[16]：

式中：ΔT為上下探針的溫度差（℃）；ΔTmax為上下探針的最大溫差，此時假設(shè)樹干無垂直液流通量。獼猴桃蒸騰采用計算（Tsap，mm/d）為：

式中：As為每單位占地面積中獼猴桃導(dǎo)水木質(zhì)部面積，其計算見參考文獻(xiàn)[15]。

1.3 研究方法

1.3.1 Penman-Monteith 模型

根據(jù)Penman-Monteith 理論，ET可以看作是輻射項(xiàng)（ETrad）與空氣動力學(xué)項(xiàng)（ETaero）之和[17]：

式中：λET為水汽通量（MJ/（m2·d））；Δ 為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率（kPa/℃）；VPD為飽和水氣壓差（kPa）；γ為干濕溫度計常數(shù)（kPa/℃）；Rn為凈輻射（MJ/（m2·d））；G為土壤表面熱通量（MJ/（m2·d））；ρa(bǔ)為空氣密度（1.29 kg/m3）；cp為空氣的比熱容（1 005 J/（kg·K））；ra為空氣動力學(xué)阻力（s/m）；rc為冠層阻力（s/m）；ra計算式為：

式中：z為渦度相關(guān)儀的測量高度（8 m）；d為零平面位移，d=0.67hc；hc為獼猴桃冠層的平均高度；k為卡門常數(shù)，取0.41；u*為渦度相關(guān)系統(tǒng)測量的摩阻風(fēng)速（m/s）；rc計算式為[18]：

基于渦度實(shí)測的ETEC反推rc，代入式（4）、式（5），求出ETrad（輻射項(xiàng)）和ETaero（空氣動力學(xué)項(xiàng)），從而分析ETrad和ETaero對ET分別的貢獻(xiàn)及量化氣候因子對ETrad和ETaero的影響。

1.3.2 敏感性分析

根據(jù)Penman-Monteith 方程[18]：

式中：水汽通量可以看作受4 個變量的共同作用，即可供能量項(xiàng)（Rn-G）、水汽壓差項(xiàng)（VPD）、空氣動力學(xué)阻力（ra）和冠層阻力項(xiàng)（rc）。因此，