西北干旱荒漠綠洲區(qū)葡萄園水熱通量特征及其主要影響因素

朱永泰 陳惠玲 徐聰 秦文華 張揚(yáng) 何力揚(yáng) 朱高峰

摘 要： 為提高干旱綠洲區(qū)農(nóng)田地表過(guò)程的科學(xué)認(rèn)識(shí)及改善農(nóng)業(yè)水管理，該研究基于渦度相關(guān)技術(shù)，運(yùn)用葡萄園生長(zhǎng)季能量平衡觀測(cè)資料，分析了不同時(shí)間尺度的水熱通量變化特征，以及干旱平流和冠層導(dǎo)度 （Gc） 在不同生長(zhǎng)階段上對(duì)水熱通量的影響，并應(yīng)用通徑分析研究了環(huán)境因子對(duì)潛熱通量（LE）的影響路徑和程度。結(jié)果表明：（1）日尺度上，LE呈現(xiàn)出不同程度多峰狀，其余水熱通量總體上呈單峰狀。整體上，各生長(zhǎng)階段日間凈輻射（Rn）>LE >感熱通量（H）>土壤熱通量（G）。G相較于Rn呈現(xiàn)出明顯的滯后現(xiàn)象。（2）整個(gè)生長(zhǎng)季上，LE和H分別占白天可利用能量（Rn-G）的86%和14%，表明LE始終是白天葡萄園可利用能量的主要消耗項(xiàng)。干旱平流對(duì)白天LE的貢獻(xiàn)范圍為5%～59%，全生長(zhǎng)季平均貢獻(xiàn)為28%；Gc對(duì)LE的影響在生長(zhǎng)季上呈動(dòng)態(tài)變化，且在新梢生長(zhǎng)期和落葉期對(duì)LE的影響強(qiáng)于中間生長(zhǎng)階段。（3）LE主要受Rn的影響，飽和水汽壓差（VPD）和氣溫（Ta）對(duì)LE 的影響程度相近且僅次于Rn。通徑分析表明，Rn主要通過(guò)直接作用方法影響LE，VPD和Ta主要通過(guò)Rn對(duì)LE產(chǎn)生間接作用?？傊?，西北干旱荒漠綠洲葡萄園水熱通量存在明顯的日和季節(jié)變化特征，環(huán)境因子對(duì)其影響明顯，且各自影響程度與路徑存在差異。

關(guān)鍵詞： 干旱區(qū)， 葡萄， 水熱通量， 干旱平流， 通徑分析， 影響因素

中圖分類號(hào)： Q948? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? 文章編號(hào)： 1000-3142（2023）05-0900-12

Abstract： To improve our understanding of farmland surface process and agricultural water management in arid oasis area， we analyzed the characteristics of water and heat fluxes at different time scales， and the influence of arid advection and canopy conductance （Gc） on water and heat fluxes at different growth stages. In addition， we used path analysis to study the influence path of environmental factors on latent heat flux （LE）. In this paper， the water and heat fluxes were measured by eddy-covariance in 2017. The results were as follows： （1） LE showed multiple peaks， while the other fluxes were basically unimodal shapes at the daily scale. On the whole， the values of daily net radiation （Rn） were maximum， followed by LE， sensible heat flux （H） and soil heat flux （G） at each growth stage. The variation of diurnal G showed obvious lagged effect compared to that of Rn. （2） LE and H accounted for 86% and 14% （respectively） of daytime energy during the whole growing stages， indicating that LE was the main energy consumption item. The contribution of arid advection to daytime LE ranged from 5% to 59% with an average value of 28% at whole growing season. The influence of Gc on LE was stronger at the new shoot and leaf-fall stages than that in the middle growing season. （3） LE was mainly affected by Rn， followed by vapor pressure deficit （VPD） and air temperature （Ta）， and the influence degrees of VPD and Ta on LE were similar. Furthermore， the path analysis showed that Rn directly affected LE; VPD and Ta mainly affected LE indirectly through Rn. As a whole， the water and heat fluxes in vineyards of arid desert oasis in Northwest China display significant diurnal and seasonal variations， and the influences of environmental factors on these exists great discrepancies in magnitude and path.

Key words： arid area， grape， water and heat fluxes， arid advection， path analysis， influence factors

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，因其特殊功能性，在作物生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)中受人類活動(dòng)影響強(qiáng)烈（例如灌溉和耕作），因而成為涉及水分、熱量與物質(zhì)交換以及水文與生態(tài)循環(huán)相互作用內(nèi)在復(fù)雜的水文生態(tài)系統(tǒng)（Monteith et al.， 2008）。農(nóng)田水熱通量傳輸過(guò)程與作物生理生態(tài)過(guò)程、環(huán)境條件有著不可分割的聯(lián)系（Zhao et al.， 2018），研究其水熱通量特征是探明農(nóng)田與大氣間相互作用的關(guān)鍵，對(duì)合理分配及高效利用水資源至關(guān)重要（Wilson et al.， 2002）。目前，渦動(dòng)相關(guān)法（eddy covariance， EC）被公認(rèn)是研究地表和大氣之間的能量、水汽和二氧化碳交換的標(biāo)準(zhǔn)方法（Baldocchi， 2003）。

我國(guó)西北干旱內(nèi)陸區(qū)降水很少，屬于典型的水資源短缺地區(qū)。葡萄是中國(guó)西北干旱綠洲區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物之一，近幾年得到了大量種植（孫文強(qiáng)，2018）。雖然當(dāng)?shù)爻渥愕墓庹諚l件滿足葡萄生長(zhǎng)，但種植葡萄需要大量水進(jìn)行灌溉來(lái)滿足其水分需求，水資源的大量需求和資源短缺成為人們急需解決的問(wèn)題。管理人員在葡萄園周圍種植白楊樹作為防護(hù)林，以期減少不必要的水分損失（McNaughton， 1988），但是一方面防護(hù)林也會(huì)消耗水分，另一方面如果不能正確理解干旱綠洲區(qū)農(nóng)田地表水熱通量過(guò)程，這依然會(huì)造成水資源浪費(fèi)（丁日升等，2014）。同時(shí)，綠洲與荒漠之間的平流效應(yīng)使得葡萄園能量交換過(guò)程與環(huán)境因子變得更為復(fù)雜（Ding et al.， 2015），而針對(duì)干旱區(qū)葡萄園平流效應(yīng)對(duì)水熱通量的影響也需進(jìn)一步定量化研究，這對(duì)于我們能否正確理解干旱綠洲區(qū)農(nóng)田地表過(guò)程至關(guān)重要。

生理因素和環(huán)境因素對(duì)水熱通量有著重要的影響作用。冠層導(dǎo)度（canopy conductance，Gc）是影響農(nóng)田水熱通量最主要的作物生理因子，反映了作物對(duì)環(huán)境的綜合響應(yīng)，也是計(jì)算潛熱通量模型的關(guān)鍵參數(shù)（Monteith et al.， 2008）。然而，很少有研究量化干旱內(nèi)陸區(qū)Gc對(duì)葡萄園水熱通量的控制特征。另外，針對(duì)環(huán)境因子對(duì)水熱通量的影響，目前研究采用的方法大多為簡(jiǎn)單相關(guān)、多元回歸分析（陽(yáng)伏林等，2014; 馮禹等，2018；鄭思宇等，2020），但這些方法都無(wú)法獲得環(huán)境因素對(duì)水熱通量的影響路徑。而通徑分析將相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)，其經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化去掉了單位可以相互比較，從而可以反映各自變量對(duì)因變量的影響程度和相對(duì)重要性（Zhang et al.， 2016）。

基于以上考慮，本研究選擇甘肅敦煌市南湖鎮(zhèn)干旱綠洲區(qū)無(wú)核白葡萄園作為對(duì)象，基于EC系統(tǒng)測(cè)定的2017年葡萄園水熱通量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)以下研究目標(biāo)：（1）揭示西北干旱區(qū)葡萄園在不同生長(zhǎng)階段水熱通量變化及分配特征；（2）量化Gc和干旱平流對(duì)水熱通量的影響；（3）使用通徑分析明確環(huán)境因子對(duì)水熱通量的影響機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究于2017年生長(zhǎng)季（5—10月）在中國(guó)甘肅省敦煌市南湖鎮(zhèn)沙漠綠洲區(qū)葡萄園進(jìn)行，試驗(yàn)地位于94°06′ E、39°55′ N，年平均氣溫在9～10 ℃之間，年平均降水量為36.9 mm，海拔在1 100～1 300 m之間（王尚濤，2019）。研究區(qū)屬于暖濕帶干旱氣候，四季分明，日照時(shí)間長(zhǎng)，降水少，蒸發(fā)強(qiáng)，土壤類型為隱域性土壤， 主要有草甸土和鹽漬土等，研究區(qū)內(nèi)有較大面積的濕地分布， 水源來(lái)自黨河河床的滲漏補(bǔ)給。

試驗(yàn)樣地（450 m×160 m）位于敦煌南湖綠洲西南部，無(wú)核白葡萄是當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)作物，葡萄種植株距約1 m，行間距3 m，葡萄的熟制是一年一熟，生長(zhǎng)季一般為四月底或五月初至九月底或十月初，可以將葡萄全生長(zhǎng)季劃分為5個(gè)生長(zhǎng)階段，即新梢生長(zhǎng)期（DOY 121～147 d）、開花坐果期（DOY 148～171 d）、果實(shí)膨大期（DOY 172～222 d）、著色成熟期（DOY 223～262 d）、落葉期（DOY 263～283 d），其中DOY表示年積日（day of year）。為保證葡萄正常生長(zhǎng)， 平均25 d左右進(jìn)行1次人工漫灌， 土壤水分較為充足。

1.2 渦度通量及環(huán)境因子的測(cè)定

潛熱通量（latent heat flux，LE）和感熱通量（sensible heat flux，H）通過(guò)渦度相關(guān)（EC）系統(tǒng)測(cè)定，該儀器可以在復(fù)雜、惡劣的天氣條件下正常運(yùn)行，提供較為精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，儀器安裝在實(shí)驗(yàn)樣地中間，距離地面4 m，基本滿足測(cè)定對(duì)通量貢獻(xiàn)區(qū)的要求。另外，4個(gè)土壤熱通量板（HFP01SC，Hukseflux，Netherlands）安裝在地面以下5 cm處，土壤熱通量（soil heat flux，G）通過(guò)平均來(lái)自傳感器的熱通量數(shù)據(jù)的4個(gè)方向來(lái)計(jì)算。日間凈輻射（net radiation，Rn）采用測(cè)量輻射傳感器（NR01， Hukseflux， Netherlands）進(jìn)行測(cè)量。以上所有觀測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器（CR1000， Campbell， USA）計(jì)算并存儲(chǔ)，采集時(shí)間為30 min。本研究使用 Eddy Pro6.0 軟件對(duì)EC系統(tǒng)所采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與校正。當(dāng)一天內(nèi)數(shù)據(jù)缺失小于2 h時(shí)，采用線性插值法進(jìn)行插補(bǔ)，而對(duì)于缺失數(shù)據(jù)較多的，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）進(jìn)行插補(bǔ)（張琨等，2014）。最終利用處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行能量閉合分析（圖1），閉合率達(dá)到87%，這與之前類似情況下在葡萄園進(jìn)行的研究結(jié)果相當(dāng)（Ferreira et al.， 2012）。

研究區(qū)安裝了小型自動(dòng)氣象站，用以測(cè)量并記錄冠層氣溫（air temperature，Ta，℃）、冠層相對(duì)濕度（relative humidity，RH，%）、風(fēng)速（wind speed，WS，m·s-1）、土壤體積含水量（volumetric water content，VWC，m3·m-3）等環(huán)境因子。其中，Ta與RH的測(cè)量采用溫濕度傳感器（HHMP60， Vaisala， Finland）；WS采用二維風(fēng)速儀（5103， R. M. Young， USA）進(jìn)行測(cè)量；VWC采用土壤水分傳感器（ML2x， Delta T， UK）測(cè)量。

1.3 指標(biāo)計(jì)算

平流作用對(duì)LE的貢獻(xiàn)率（Rad）可由下列式子計(jì)算得到（McNaughton， 1976）。

1.4 通徑分析

通徑分析可將因果變量間的相關(guān)系數(shù)分為直接作用（直接通徑系數(shù)）和間接作用（間接通徑系數(shù)），以研究因果關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分析獨(dú)立變量對(duì)因變量的直接和間接重要性（Kozak et al.， 2006）。通徑分析采用結(jié)構(gòu)方程模型方法，該模型融合了因素分析與線性回歸分析的統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)因果模型進(jìn)行識(shí)別估計(jì)和驗(yàn)證。本文初步考慮的環(huán)境因素有Rn、Ta、VPD、WS、降水和VWC，經(jīng)過(guò)逐步回歸分析篩選出主要環(huán)境因素（即通過(guò)顯著性檢驗(yàn)），最終利用通徑分析評(píng)價(jià)主要環(huán)境變量（Rn、Ta、VPD和WS）對(duì)LE的直接和間接影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境狀況變化

圖2為試驗(yàn)期間環(huán)境因子季節(jié)變化。從圖2可以看出，該地區(qū)在整個(gè)生長(zhǎng)季降水次數(shù)少且量少，全生長(zhǎng)季僅在7月底發(fā)生過(guò)一次超過(guò)10 mm的降水，小的降水事件（低于10 mm）對(duì)土壤體積含水量（VWC）影響很小，但在有效降水事件（大于10 mm）發(fā)生時(shí)，VWC能明顯受到影響。此外，由于研究區(qū)內(nèi)會(huì)定期進(jìn)行灌溉，所以VWC呈現(xiàn)周期性下降的特征，灌溉后的最大值為0.28 m3·m-3。飽和水汽壓差（VPD）在整個(gè)生長(zhǎng)季上整體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，平均最低的是10月（0.74 kPa），最高的是5月（1.81 kPa）。氣溫（Ta）整體而言都呈先上升后下降趨勢(shì)，在7月達(dá)到最大值（23.55 ℃），在9月下降至最小值（9.5 ℃）。風(fēng)速（WS）整體趨勢(shì)而言比較平穩(wěn)，但日間波動(dòng)很大，最大值為1.23 m·s-1，最小值為0.11 m·s-1。大氣相對(duì)濕度（RH）在整個(gè)生長(zhǎng)季呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，最大為7月（55.5%），最小為5月（30.0%）。葡萄生理因素的解釋對(duì)于研究水熱通量變化也至關(guān)重要。葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）從生長(zhǎng)初期的0.80 m2·m-2增加到了生長(zhǎng)中期的4.10 m2·m-2，然后逐漸下降到生長(zhǎng)末期。冠層導(dǎo)度（Gc）和LAI大致呈現(xiàn)出相同變化，Gc從生長(zhǎng)初期的1.3 mm·s-1增加到生長(zhǎng)中期的12.2 mm·s-1（圖2： e）。

2.2 水熱通量變化特征

將各生長(zhǎng)階段的Rn、LE、H、G進(jìn)行日尺度上平均，得到每個(gè)生長(zhǎng)階段的水熱通量日變化， 結(jié)果如圖3所示。LE在各生長(zhǎng)階段變化曲線呈現(xiàn)出不同程度的多峰狀，但在全生長(zhǎng)季上呈現(xiàn)出單峰狀，這主要是各個(gè)生長(zhǎng)階段LE峰值出現(xiàn)時(shí)間存在錯(cuò)位導(dǎo)致；Rn、H和G總體上均呈現(xiàn)出單峰狀。各能量分量日間均為正值，夜間除了LE，其他能量分量均在0附近且為負(fù)值，但不同生長(zhǎng)階段能量分量的正負(fù)轉(zhuǎn)換時(shí)間不同。LE最大值出現(xiàn)時(shí)間波動(dòng)很大，在11：30—14：30之間波動(dòng)，其中，新梢生長(zhǎng)期在14：30，開花坐果期、果實(shí)膨大期在13：30，著色成熟期在13：00，落葉期在14：00；最大值范圍是261.8～517.6 W·m-2，各生長(zhǎng)階段依次為339.3、517.6、496.9、472.2、261.8 W·m-2；全生長(zhǎng)季上，13：30最大值出現(xiàn)，為456.3 W·m-2。另外，LE夜間均大于0，在3.0～46.1 W·m-2 間變化，這可能是夜間由于天氣干旱引起的較高VPD所致。在新梢生長(zhǎng)期，LE的值較小且與H相近；在其他生長(zhǎng)階段LE與H差別很大。H峰值波動(dòng)范圍是47.5～223.2 W·m-2，在13：00—14：30之間出現(xiàn)峰值，各生長(zhǎng)階段依次為223.2、92.9、47.5、67.8、137.9 W·m-2；全生長(zhǎng)季上，13：30峰值出現(xiàn)，為89.0 W·m-2。G是Rn另外一個(gè)能量支出，其變化相對(duì)平緩且值很小，峰值波動(dòng)范圍是24.9～58.9 W·m-2，在夜間一般為負(fù)值，各生長(zhǎng)階段平均G分別為5.1、1.9、2.6、0.4、-1.3 W·m-2，表明日尺度G可以近似認(rèn)為為零。在不同生長(zhǎng)階段上，Rn為正值的時(shí)間長(zhǎng)度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，在果實(shí)膨大期最長(zhǎng)，達(dá)到12.5 h，在全生長(zhǎng)季上為11.5 h；另外，Rn的峰值出現(xiàn)在14：00—14：30之間，峰值有不同程度波動(dòng)，峰值波動(dòng)范圍為449.1～604.8 W·m-2，其中，各生長(zhǎng)階段依次為604.8、588.2、584.3、542.1、449.1 W·m-2，這種變化主要是受太陽(yáng)高度、天空云量以及下墊面作物生長(zhǎng)情況等影響；全生長(zhǎng)季上，14：00峰值出現(xiàn)，為572.1 W·m-2。除了新梢生長(zhǎng)期，其他生長(zhǎng)階段Rn的峰值出現(xiàn)時(shí)間均滯后于LE 1 h左右，其中，在落葉期達(dá)到了2.5 h。另外，Rn與H也存在類似的現(xiàn)象，G滯后于Rn現(xiàn)象較明顯，平均約為2.5 h。

為了避免由于LE和濕度梯度幅度小而造成的夜間測(cè)量誤差，水熱通量的季節(jié)變化和干旱平流對(duì)其影響的數(shù)據(jù)分析僅限于白天（Li & Yu， 2007）（Rn>0）。結(jié)果如圖4所示，Rn在新梢生長(zhǎng)期、開花坐果期和果實(shí)膨大期處于上升趨勢(shì)，平均從316.10 W·m-2上升到372.11 W·m-2，之后在著色成熟期和落葉期呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在新梢生長(zhǎng)期和開花坐果期，隨著葡萄樹的生長(zhǎng)，有許多新的樹枝和葡萄葉長(zhǎng)出，LE迅速增加，從117.82 W·m-2增加至180.56 W·m-2，而H在這兩個(gè)時(shí)期呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)且降至0附近，這就表明在這段時(shí)間Rn絕大多數(shù)轉(zhuǎn)換成了LE。在果實(shí)膨大期和著色成熟期，H幾乎一致維持在0附近，LE始終占據(jù)Rn的主要成分，并顯示出對(duì)Rn和環(huán)境變化相應(yīng)的變化。在落葉期，隨著葉子的褪落，LE逐漸降低，H有所回升。G除了在新梢生長(zhǎng)期外，在其他生長(zhǎng)階段均在0附近波動(dòng)，這主要是因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)期內(nèi)葡萄樹對(duì)地面覆蓋度不高，導(dǎo)致地面可以接收到一部分太陽(yáng)輻射。但值得注意的是，在落葉期G不但沒有回升，反而出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，這可能與期間Rn和Ta降低有關(guān)。

LE/（Rn-G）、H/（Rn-G）和β的季節(jié)變化如圖5和表1所示。LE/（Rn-G）在新梢生長(zhǎng)期（0.75）和落葉期（0.70）相對(duì)較低，而在中間3個(gè)生長(zhǎng)階段都接近1.0。整個(gè)生長(zhǎng)季的LE/（Rn-G）平均達(dá)到0.86。相比較于LE/（Rn-G），H/（Rn-G）顯示出相反的季節(jié)變化趨勢(shì)，從新梢生長(zhǎng)期的0.45迅速下降，然后在中間3個(gè)生長(zhǎng)階段一直維持在0附近，直到落葉期才有所回升。因此，β的季節(jié)性變化與H基本上一致，從新梢生長(zhǎng)期的0.60下降至0附近，然后在落葉期增加到0.35。LE/（Rn-G）>1或H/（Rn-G）<0表明葡萄冠層除了完全消耗可供能量外，還吸收了感熱通量用以蒸發(fā)水分，即發(fā)生了干旱感熱平流現(xiàn)象（McNaughton， 1976;Li & Yu， 2007）。然而，在整個(gè)生長(zhǎng)季中，LE/（Rn-G）>1或者H/（Rn-G）<0的天數(shù)有42 d，這表明該葡萄園的水熱通量除了受到葡萄生理因素和環(huán)境因素之外，還可能受到干旱平流的影響，需要我們進(jìn)一步研究。

2.3 水熱通量的影響因素分析

2.3.1 冠層導(dǎo)度對(duì)水熱通量的影響 在整個(gè)生長(zhǎng)季上，LE對(duì)Gc的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和敏感性 ［即（dLE/LE）/（dGc/Gc）=1-Ω］發(fā)生了較大的變化，從新梢生長(zhǎng)階段初期的0.75下降到果實(shí)膨大期的0.40，然后在落葉期又上升到0.70（圖6）。結(jié)果表明氣孔對(duì)生長(zhǎng)季前期和后期LE的控制作用強(qiáng)于中期。Monteith和Unsworth （2008）還提出，對(duì)于與大氣耦合良好的冠層（1-Ω>0.5），氣孔控制水分流失；而弱耦合冠層的蒸騰作用受氣孔控制較差，主要依賴輻射能。此外，考慮到葡萄冠層LAI的劇烈變化（圖2： e），1-Ω在整個(gè)生長(zhǎng)季是動(dòng)態(tài)的，我們認(rèn)為這是合理的。

2.3.2 干旱平流對(duì)水熱通量的影響 為準(zhǔn)確了解干旱平流對(duì)水熱通量的影響，本文計(jì)算了LE的干旱平流貢獻(xiàn)率（Rad），結(jié)果如圖7和表1所示。干旱平流對(duì)LE的貢獻(xiàn)率范圍為5%～59%，在整個(gè)生長(zhǎng)季平均為28%。開花坐果期的干旱平流發(fā)生的天數(shù)最多（14 d），但新梢生長(zhǎng)期發(fā)生的干旱平流強(qiáng)度最高（34%）。

2.3.3 環(huán)境因素對(duì)水熱通量的影響機(jī)制 從表2可以看出，由于各環(huán)境因子直接和間接共同作用，在前4個(gè)生長(zhǎng)階段以及全生長(zhǎng)季， 對(duì)LE影響的環(huán)境因子排序關(guān)系（相關(guān)系數(shù)）均為Rn>Ta>VPD>WS；而在落葉期，對(duì)LE影響的環(huán)境因子排序關(guān)系為Rn>VPD>Ta>WS，VPD和Ta對(duì)LE影響程度差異很小。可以看出Rn始終是影響LE的最主要環(huán)境因子，其次是VPD和Ta，WS的影響最小。

直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)分別表示環(huán)境因子通過(guò)直接和間接方式對(duì)LE的影響程度。從表2可以看出，各環(huán)境因子直接通徑系數(shù)絕對(duì)值排序在各個(gè)生長(zhǎng)階段有所不同，主要還是體現(xiàn)在Ta和VPD的差異上，除了在新梢生長(zhǎng)期Ta大于VPD外，其余時(shí)期皆為VPD大于Ta，但無(wú)論是在各生長(zhǎng)階段還是在全生長(zhǎng)季，Rn最大，WS最小，這說(shuō)明Rn對(duì)半小時(shí)尺度LE的直接作用最大，而WS對(duì)于LE的直接作用最小。此外，無(wú)論在各生長(zhǎng)階段，各環(huán)境因子只有Rn的直接通徑系數(shù)大于間接通徑系數(shù)之和，說(shuō)明Rn對(duì)半小時(shí)尺度LE的影響主要體現(xiàn)在直接作用上，而其余環(huán)境因子均主要體現(xiàn)為間接影響。Rn對(duì)LE的間接作用主要通過(guò)與Ta和VPD的互相作用產(chǎn)生影響。而Ta、VPD和WS均通過(guò)Rn對(duì)LE產(chǎn)生影響。

3 討論

日尺度上，LE變化曲線在各生長(zhǎng)階段呈現(xiàn)出不同程度多峰狀，主要是因?yàn)橹形缙陂gTa過(guò)高，葡萄葉片氣孔適度閉合，進(jìn)入“午休”狀態(tài)，導(dǎo)致蒸騰作用下降，LE也降低（Zhang et al.， 2007；黃天宇等，2019）。LE日變化在全生長(zhǎng)季上卻呈現(xiàn)單峰狀，這主要是LE在各生長(zhǎng)階段峰值出現(xiàn)時(shí)間錯(cuò)位導(dǎo)致。Rn、H和G日變化總體上均呈現(xiàn)出不同程度單峰狀，H在不同生長(zhǎng)階段的日變化區(qū)別明顯，G變化一直保持平緩狀態(tài)，研究結(jié)果與前人在各種下墊面類型上的結(jié)果一致（丁日升等，2014；鄭思宇等，2020；余昭君等，2020）。G日變化相對(duì)于Rn呈現(xiàn)出穩(wěn)定滯后，黃天宇等（2019）也發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。各能量分量日間均為正值，夜間除了LE，其他能量分量均在0附近且為負(fù)值，但不同生長(zhǎng)階段能量分量的正負(fù)轉(zhuǎn)換時(shí)間不同，這主要是不同生長(zhǎng)階段的環(huán)境不同導(dǎo)致。

生長(zhǎng)季尺度上，平均LE/（Rn-G）為86%，表明LE是可供能量的主要消耗項(xiàng)。這與已有對(duì)華北平原小麥（Lei， 2010）、美國(guó)灌溉玉米田（Suyker et al.， 2008）和西北干旱區(qū)玉米農(nóng)田（丁日升等，2014；Zhang et al.， 2016）的研究結(jié)果類似。但與鄭思宇等（2020）和余昭君等（2020）研究同為葡萄農(nóng)田卻不在同種地理環(huán)境下的研究結(jié)果不同，后者表明H始終占據(jù)了能量的主要部分。導(dǎo)致出現(xiàn)這種差異可能是以下原因：（1）本研究區(qū)灌溉量充足，導(dǎo)致葡萄蒸騰量變大；（2）當(dāng)?shù)毓庹諚l件好，蒸騰拉力較大；（3）干旱平流效應(yīng)的產(chǎn)生，葡萄冠層會(huì)利用一部分H蒸發(fā)水分；（4）葡萄的冠層結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)能量分配產(chǎn)生一定的影響（Kool et al.， 2016）。這也說(shuō)明了環(huán)境條件以及種植技術(shù)對(duì)于水熱通量分配影響的重要性。本文還發(fā)現(xiàn)干旱平流對(duì)水熱通量影響顯著，全生長(zhǎng)季Rad在5%～59%之間，平均達(dá)到28%。Kool等（2018）對(duì)以色列干旱區(qū)滴灌葡萄園研究發(fā)現(xiàn)全生長(zhǎng)季平均Rad為8%，這可能是地理區(qū)域以及灌溉技術(shù)不同導(dǎo)致。干旱區(qū)灌溉良好的苜蓿田中，平流作用對(duì)總熱量的貢獻(xiàn)在28%～90%之間（Prueger et al.， 1996），影響程度遠(yuǎn)比本研究區(qū)大，這說(shuō)明即使在相近的平流作用下，水分的供應(yīng)與種植密度會(huì)對(duì)平流對(duì)水熱通量的Rad產(chǎn)生較大影響（Kool et al.， 2018）。相比較于在類似環(huán)境下的研究結(jié)果，兩者之間存在很大的相似，Rad范圍為1%～50%。

葡萄生理因素和環(huán)境因素是影響葡萄園LE的兩個(gè)主要方面。生理因素方面，我們發(fā)現(xiàn)Gc對(duì)LE的影響在整個(gè)生長(zhǎng)季上是動(dòng)態(tài)的，即Gc在生長(zhǎng)季初期和末期對(duì)葡萄LE的控制較強(qiáng)，而在中期對(duì)LE的控制較弱。這是由于前期和后期葡萄園LAI較低或者葡萄葉片在逐漸衰老，此時(shí)地表較干燥或粗糙，葉片表面的VPD和上方空氣的VPD相差不大，所以這個(gè)時(shí)段Gc對(duì)LE的控制較中期強(qiáng)；相反，生長(zhǎng)季中期葉片表面的VPD和上方空氣的VPD相差很大，因此Gc對(duì)LE的控制較初期和末期弱（Steduto & Hsiao， 1998; Monteith & Unsworth， 2008）。環(huán)境因素方面，通徑分析結(jié)果表明，LE主要受Rn的影響，VPD和Ta次之，且兩者的影響程度相近。Rn主要通過(guò)直接作用方法影響LE，而VPD和Ta主要通過(guò)Rn路徑對(duì)LE產(chǎn)生間接作用，這與Zhang等（2016）研究結(jié)果一致。太陽(yáng)輻射既能引起Ta和RH的變化，提高葉片溫度，使葉片內(nèi)外的水汽壓差增大，增強(qiáng)蒸騰速率，又能誘導(dǎo)氣孔開閉，因此是影響LE的最主要環(huán)境因子（龔雪文等，2018）。VPD表征了氣溫與相對(duì)濕度的綜合作用，是衡量空氣干燥程度的重要指標(biāo)，直接影響葡萄葉片氣孔開閉程度，影響葡萄蒸騰，因此是影響LE的另一個(gè)重要環(huán)境因子（邱讓建等，2018），但其影響方式主要通過(guò)Rn產(chǎn)生間接影響。另外，通徑分析清晰地顯示了環(huán)境因子之間復(fù)雜的作用路徑，符合在自然條件下各個(gè)環(huán)境因子之間是互相存在影響的事實(shí)。此外，張雪松等（2018）通過(guò)通徑分析方法辨識(shí)了不同時(shí)間尺度潛熱通量影響因子的路徑貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了在不同時(shí)間尺度上各環(huán)境因子的作用方式存在差異。因此，針對(duì)環(huán)境因子對(duì)于水熱通量的影響機(jī)制，還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本文基于渦度相關(guān)系統(tǒng)測(cè)定的葡萄園水熱通量數(shù)據(jù)及通徑分析方法，分析了西北干旱綠洲區(qū)葡萄園水熱通量變化特征及影響因素，主要得出以下結(jié)論：（1）日尺度上，LE在各生長(zhǎng)階段呈現(xiàn)出不同程度多峰狀，其余分量總體上呈單峰狀。Rn峰值最大為604.8 W·m-2，LE峰值最大為517.6 W·m-2，H峰值最大為223.2 W·m-2，G峰值最大僅為58.9 W·m-2。夜間LE始終大于零，其余分量小于零。G較Rn呈現(xiàn)出穩(wěn)定的滯后現(xiàn)象。（2）全生長(zhǎng)季上，LE始終是白天葡萄園可利用能量的主要消耗項(xiàng)；LE和H分別占生長(zhǎng)季白天可利用能量的86%和14%。此外，干旱平流對(duì)白天LE的貢獻(xiàn)率為5%～59%，全生長(zhǎng)季平均貢獻(xiàn)率為28%，尤其在開花坐果期較強(qiáng)；干旱平流對(duì)日尺度上能量不閉合可以解釋一半以上。因此，干旱平流對(duì)該研究區(qū)水熱通量的影響不容忽視。（3）Gc對(duì)LE的影響在整個(gè)生長(zhǎng)季上呈動(dòng)態(tài)變化，且在新梢生長(zhǎng)期和落葉期對(duì)LE的影響強(qiáng)于生長(zhǎng)季中期。此外，LE主要受Rn影響，兩者相關(guān)系數(shù)大于0.82；VPD和Ta次之，且兩者的影響程度相近；WS的影響最弱。Rn主要以直接方式影響LE，而VPD和Ta主要通過(guò)Rn對(duì)LE產(chǎn)生間接作用。

參考文獻(xiàn)：

BALDOCCHI DD， 2003. Assessing the eddy covariance technique for evaluating carbon dioxide exchange rates of ecosystems： past， present and future ［J］. Glob Change Biol， 9（4）： 479-492.

DING RS， KANG SZ， ZHANG YQ， et al.， 2014. Characteristics of water vapor and heat fluxes and the controlling factors over an maize field in the arid inland region ［J］. J Hydraul Eng， 45（3）： 312-319. ［丁日升， 康紹忠， 張彥群， 等， 2014. 干旱內(nèi)陸區(qū)玉米田水熱通量特征及主控因子研究 ［J］. 水利學(xué)報(bào)， 45（3）： 312-319.］

DING RS， TONG L， LI F， et al.， 2015. Variations of crop coefficient and its influencing factors in an arid advective cropland of northwest China ［J］. Hydrol Proc， 29（2）： 239-249.

FENG Y， HAO WP， GAO LL， et al.， 2018. Effects of plastic mulch on water and heat flux transfer in rained maize fields ［J］.Trans Chin Soc Agric Mach， 49（12）： 300-313. ［馮禹， 郝衛(wèi)平， 高麗麗， 等， 2018. 地膜覆蓋對(duì)旱作玉米田水熱通量傳輸?shù)挠绊懷芯?［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 49（12）： 300-313.］

FERREIRA MI， SILVESTRE J， CONCEICAO N， 2012. Crop and stress coefficients in rainfed and deficit irrigation vineyards using sap flow techniques ［J］. Irrig Sci， 30（5）： 433-447.

GONG XW， LIU H， SUN JS， et al.， 2018.Variation of evapotranspiration in different spatial scales for solar greenhouse tomato and its controlling meteorological factors ［J］. Trans Chin Soc Agric Eng， 33（8）： 166-175. ［龔雪文， 劉浩， 孫景生， 等， 2018. 日光溫室番茄不同空間尺度蒸散量變化及主控因子分析 ［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 33（8）： 166-175.］

HUANG TY， LIU TX， WANG GL， et al.， 2019. Dynamic change of water and heat fluxes and response to environmental factors in Cascade ecological zone ［J］. Res Soil Water Conserv， 26 （3）： 122-127. ［黃天宇， 劉廷璽， 王冠麗， 等， 2019. 科爾沁梯級(jí)生態(tài)帶水熱通量動(dòng)態(tài)變化及對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng) ［J］. 水土保持研究， 26（3）： 122-127.］

JARVIS PG， MCNAUGHTON KG， 1986. Stomatal control of transpiration： scaling up from leaf to region ［J］. Adv Ecol Res， 15（1）： 1-49.

KOOL D， BEN-GAL A， AGAM N， 2018. Within-field advection enhances evaporation and transpiration in a vineyard in an arid environment ［J］. Agric For Meteorol， 255： 104-113.

KOOL D， KUSTAS W， BEN-GAL A， et al.， 2016. Energy and evapotranspiration partitioning in a desert vineyard ［J］. Agric For Meteorol， 218-219： 277-287.

KOZAK M， KANG MS， 2006. Note on modern path analysis in application to crop science ［J］. Commun Biom Crop Sci， 1（1）： 32-34.

LEI H， 2010. Interannual and seasonal variability in evapotranspiration and energy partitioning over an irrigated cropland in the North China Plain ［J］. Agric For Meteorol， 150（4）： 581-589．

LI L， YU Q， 2007. Quantifying the effects of advection on canopy energy budgets and water use efficiency in an irrigated wheat field in the North China Plain ［J］. Agric Water Manag， 89（1/2）： 116-122.

MCNAUGHTON KG， 1976. Evaporation and advection. II. Evaporation downwind of a boundary separating regions having different surface resistances and available energies ［J］. Quart J Roy Meteorol Soc， 102（431）： 193-202.

MCNAUGHTON KG， 1988. Effects of windbreaks on turbulent transport and microclimate ［J］. Agr Ecosyst Environ， 22-23： 17-39.

MONTEITH J， UNSWORTH M， 2008. Principles of environmental physics ［M］. 3rd ed. New York， USA： Academic Press.

PRUEGER JH， HIPPS LE， COOPER DI. 1996. Evaporation and the development of the local boundary layer over an irrigated surface in an arid region ［J］. Agric For Meteorol， 78（3/4）： 223-237.

QIU RJ， YANG ZQ， JING YS， et al.， 2018. Analysis of water and heat flux over rice-wheat rotation field and influencing factors ［J］. Trans Chin Soc Agric Eng， 34（17）： 82-88. ［邱讓建， 楊再?gòu)?qiáng)， 景元書， 等， 2018. 輪作稻麥田水熱通量及影響因素分析 ［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 34（17）： 82-88.］

STEDUTO P， HSIAO TC， 1998. Maize canopiesunder two soil water regimes.Ⅲ. Variation in coupling with the atmosphere and the role of leaf area index ［J］. Agric For Meteorol， 89（3/4）： 201-213.

SUN WQ， 2018.Investigation and analysis on production and management of grape growers in Dunhuang City ［D］. Lanzhou： Gansu Agricultural University. ［孫文強(qiáng)， 2018. 敦煌市葡萄種植戶生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)現(xiàn)狀調(diào)查分析 ［D］. 蘭州： 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué).］

SUYKER AE， VERMA SB， 2008. Interannual water vapor and energy exchange in an irrigated maize-based agroecosystem ［J］. Agric For Meteorol， 148（3）： 417-427.

WANG ST， 2019. Characteristics of evapotranspiration and water up take of grapevine in an arid oasis ecosystem in Northwest China ［D］. Lanzhou： Lanzhou University. ［王尚濤， 2019. 干旱綠洲區(qū)農(nóng)田葡萄樹蒸散耗水及水分利用策略研究 ［D］. 蘭州： 蘭州大學(xué).］

WILSON K， BALDOCCHI D， AUBINET M， et al.， 2002. Energy partitioning between latent and sensible heat flux during the warm season at FLUXNET sites ［J］. Water Resour Res， 38（12）： 30-31.

YANG FL， ZHANG Q， WANG WY， et al.， 2014. Evapotranspiration and factors influencing evapotranspiration in the spring wheat farmland of Chinas Loess Plateau ［J］. Acta Ecol Sin， 34（9）： 2323-2328. ［陽(yáng)伏林， 張強(qiáng)， 王文玉， 等， 2014. 黃土高原春小麥農(nóng)田蒸散及其影響因素 ［J］. 生態(tài)學(xué)報(bào)， 34（9）： 2323-2328.］

YU ZJ， HU XT， RAN H， et al.， 2020. Characteristics of water and heat flux in vineyard in semi-humid area and its response to environmentalfactors ［J］. Water Saving Irrig， 4（2）： 96-101. ［余昭君， 胡笑濤， 冉輝， 等， 2020. 半濕潤(rùn)地區(qū)葡萄園水熱通量特征及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng) ［J］. 節(jié)水灌溉， 4（2）： 96-101.］

ZHANG BZ， KANG SZ， ZHANG L， et al.， 2007. Estimation of seasonal crop water consumption in a vineyard using Bowen ratio-energy balance method ［J］. Hydrol Proc， 21（26）： 3635-3641.

ZHANG K， ZHU GF， BAI Y， et al.， 2014. Gap filling for evapotranspiration based on BP artificial neural networks ［J］. J Lanzhou Univ （Nat Sci Ed）， 50（3）： 348-355. ［張琨， 朱高峰， 白巖， 等， 2014. 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的渦度相關(guān)儀觀測(cè)蒸散量的數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法 ［J］. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 50（3）： 348-355.］

ZHANG XS， YAN YL， HU ZH， 2018. Using path analysis to identify impacting factors of evapotranspiration at different time scales in farmland ［J］. Chin J Agrometeorol， 38（4）： 201-210. ［張雪松， 閆藝蘭， 胡正華， 2018. 不同時(shí)間尺度農(nóng)田蒸散影響因子的通徑分析 ［J］. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象， 38（4）： 201-210.］

ZHANG YY， ZHAO WZ， HE JH， et al.， 2016. Energy exchange and evapotranspiration over irrigated seed maize agroecosystems in a desert-oasis region， northwest China ［J］. Agric For Meteorol， 223： 48-59．

ZHAO P， KANG SZ， LI SE， et al.， 2018. Seasonal variations in vineyard ET partitioning and dual crop coefficients correlate with canopy development and surface soil moisture ［J］. Agric Water Manag， 197： 19-33.

ZHENG SY， WANG TL， WEI XG， et al.， 2020. Characteristics of water-heat flux in vineyard and its response to meteorological factors in solar greenhouse in the Northeast China ［J］. Agric Res Arid Areas， 38（4）： 200-206. ［鄭思宇， 王鐵良， 魏新光， 等， 2020. 東北日光溫室葡萄園水熱通量特征及其對(duì)氣象因子的響應(yīng) ［J］. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究， 38（4）： 200-206.］

（責(zé)任編輯 周翠鳴）