桑玉強(qiáng)， 張勁松

(1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 鄭州 450002；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100091)

核桃(JuglansregiaL.)為華北山區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種，因其堅(jiān)果具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和良好的醫(yī)療保健功效，深受人們喜愛(ài)[1]。核桃喜濕潤(rùn)，灌溉是該地區(qū)保證核桃高產(chǎn)、果園栽培管理的常見(jiàn)措施，研究核桃蒸騰耗水變化有助于提高水分利用效率，對(duì)于水資源緊缺的華北山區(qū)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

蒸騰是植物耗水的主要方式，主要通過(guò)木質(zhì)部液流來(lái)實(shí)現(xiàn)。在日尺度以上，可用液流表示樹(shù)木蒸騰量[2]。近30年來(lái)，樹(shù)木液流一直是樹(shù)木生理生態(tài)學(xué)、森林水文學(xué)、林業(yè)氣象學(xué)、森林生態(tài)學(xué)等相關(guān)學(xué)科及領(lǐng)域共同關(guān)注的重要研究?jī)?nèi)容。由于在測(cè)定液流的過(guò)程中連續(xù)加熱觀測(cè)(如1年以上)對(duì)樹(shù)干產(chǎn)生熱傷效應(yīng)，不僅對(duì)樹(shù)木造成傷害，而且會(huì)影響觀測(cè)精度，再加上受人力、物力等影響，使得長(zhǎng)期野外連續(xù)觀測(cè)樹(shù)干液流具有一定難度。因此國(guó)內(nèi)不少學(xué)者分析了樹(shù)木液流與氣象因子的關(guān)系并建立了二者的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚3- 8]。但由于各氣象因子不是獨(dú)立作用于液流，而且氣象因子與液流的關(guān)系并不是表現(xiàn)為簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，存在黑箱性。此外，液流與氣象因子之間存在一定的時(shí)滯性[9- 12]，故模型的精度和應(yīng)用受到一定限制。鑒于此，如能建立一個(gè)可表達(dá)光、溫、水、熱等氣象因子的綜合變量并尋找出與液流變化間的關(guān)系表達(dá)式，將有助于提高液流估算模型的廣泛應(yīng)用。

參考作物蒸散量(Reference EvapotranspirationET0)是作物需水量預(yù)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)，反映了不同地區(qū)、不同時(shí)期大氣的蒸散能力，與作物種類(lèi)、土壤類(lèi)型等無(wú)關(guān)[13]。ET0綜合考慮了太陽(yáng)輻射、水汽壓虧缺、風(fēng)速及氣溫等氣象因子，對(duì)植物液流產(chǎn)生直接影響[14]，因此，比較研究不同時(shí)間尺度下液流對(duì)ET0的響應(yīng)機(jī)制，建立基于ET0的液流預(yù)測(cè)模型對(duì)于精確估測(cè)植物耗水、確定土地水分承載力等具有重要科學(xué)意義。馬長(zhǎng)明等[15- 17]雖然研究了核桃液流變化及其與氣象因子的關(guān)系，但僅基于單氣象因子角度分析，并沒(méi)有建立液流與ET0二者的模型。胡瓊娟[18]雖然建立了液流與ET0的關(guān)系模型，但僅觀測(cè)了1個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)數(shù)據(jù)，并沒(méi)有對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。基于此，本文研究了華北低丘山地核桃3個(gè)主要生長(zhǎng)季節(jié)的液流變化特征，試圖建立不同時(shí)間尺度核桃液流與氣象因子、ET0的擬合模型，并對(duì)擬合模型進(jìn)行驗(yàn)證，以期為當(dāng)?shù)睾颂业拈L(zhǎng)期水分管理提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(35°01′N(xiāo)，112°28′E)站區(qū)內(nèi)。該定位研究站隸屬于中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(China Forest Ecology Research Network CFERN)，地處河南省濟(jì)源市境內(nèi)的太行山南段與黃河流域的交接處，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，定位站中心地區(qū)海拔410 m，以人工林為主。試驗(yàn)地全年日照時(shí)數(shù)為2367.7 h，年日照率為54%，≥0℃的年平均積溫為5282 ℃，≥10℃的年平均積溫達(dá)4847 ℃。歷年平均年降水量641.7 mm，年蒸發(fā)量1611.2 mm。由于受季風(fēng)氣候的影響，年內(nèi)季節(jié)性分布不均勻。6—9月多年平均降水量為438.0 mm，占全年的68.3%[6]。

2 材料與方法

本研究所選取的核桃人工林樣地位于濟(jì)源市克井鎮(zhèn)半陽(yáng)坡中部的退耕還林地，土壤類(lèi)型為褐土，核桃人工林林齡為5a，株行距為3 m×4 m，平均株高3.5 m，平均胸徑11 cm。核桃品種為中林3號(hào)。

在核桃林帶中間選取長(zhǎng)勢(shì)較好、樹(shù)干通直的4棵作為被測(cè)樣株(表1)，在其基徑部位南北兩個(gè)方向分別安裝TDP探針，具體安裝方法見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。為避免木質(zhì)部栓塞化對(duì)液流速率的影響，來(lái)年開(kāi)始測(cè)定前，將TDP探針適當(dāng)移動(dòng)位置。測(cè)定時(shí)間為2008—2010年的4—9月份。在被測(cè)木周?chē)x擇6棵與被測(cè)木胸徑接近的樹(shù)木，用生長(zhǎng)錐測(cè)定其邊材、心材大小，平均后確定邊材面積。將每棵樹(shù)南北兩個(gè)方向平均作為該樹(shù)液流值，用4棵樣株的液流平均值作為最終值分析單株液流變化。

在樣地附近50 m處采用小氣候自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)觀測(cè)空氣溫度(Ta)、相對(duì)濕度(RH)、風(fēng)速(V)、太陽(yáng)總輻射(Ra)、降雨量(P)等氣象要素。Ra、V、Ta、RH及P所采用的傳感器(探頭)分別為L(zhǎng)I200X、05103、HMP45C、TE525M。數(shù)據(jù)采集器為CR10X，每2 min采集1次，每10 min輸出1組平均值。觀測(cè)時(shí)間與樹(shù)干液流同步。

表1 被測(cè)樣株基本特征

參考作物蒸散量(ET0)計(jì)算公式為[13]：

(1)

式中，ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d)，Rn為凈輻射(MJ m-2d-1)，G為土壤熱通量(MJ m-2d-1)，r為干濕計(jì)常數(shù)(kPa/℃)，T為日平均氣溫(℃)，u2為2 m高度處風(fēng)速(m/s)，es和ea分別為飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓(kPa)，Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的斜率(kPa/℃)。

3 結(jié)果與分析

3.1 核桃液流變化特征

3.1.1 核桃液流日變化特征

首先選取典型晴天(2010- 05- 10)和陰雨天氣(2010- 07- 23)，分析核桃液流速率與氣象因子的變化關(guān)系(圖1)。其中5月10日太陽(yáng)輻射為23.8 MJ/m2，7月23日降雨量為54.6 mm。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，典型晴天核桃液流速率峰值較寬(8：00—16：00)，液流速率日變化曲線與太陽(yáng)輻射基本一致，但波峰寬于太陽(yáng)輻射(圖1)。氣溫與飽和水汽壓虧缺變化趨勢(shì)相似，液流速率達(dá)到峰值后，二者呈繼續(xù)上升趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在16：30(圖1)。說(shuō)明液流速率受到多個(gè)氣象因子的相互影響，與單個(gè)氣象因子并不存在完全的同步性。7月23日為典型降雨天氣，降雨從14：20開(kāi)始，一直持續(xù)到第2天。當(dāng)日氣溫、飽和水汽壓虧缺及太陽(yáng)輻射較5月10日均有不同程度下降(圖1)，液流速率也隨之發(fā)生變化。當(dāng)日核桃液流速率峰值出現(xiàn)在12：30，最大液流速率為0.478 L/h，低于晴天日最大液流速率(0.629 L/h)，而且波峰很窄，達(dá)到峰值后迅速下降。

3.1.2 核桃液流月變化特征

對(duì)于核桃田間水分管理而言，開(kāi)展日尺度以上水分變化研究更具有實(shí)踐意義，能為核桃節(jié)水灌溉提供指導(dǎo)和參考。為此，本文著重分析月尺度水平核桃液流變化，以期為當(dāng)?shù)睾颂宜止芾硖峁├碚搮⒖?。圖2顯示了連續(xù)3個(gè)觀測(cè)季節(jié)核桃液流(SF)月變化特征及其與氣溫(Ta)、飽和水汽壓虧缺(VPD)、太陽(yáng)輻射(Ra)及風(fēng)速(V)的關(guān)系。

從圖2可以看出，隨著氣溫的升高，核桃葉片逐漸展開(kāi)，核桃液流量逐漸增大，進(jìn)入5月份后，液流急劇增加，6月份達(dá)到峰值，隨著雨季的到來(lái)，降雨量和降雨日增加，7、8月份核桃液流量逐步下降，至9月份基本降至最低值。月尺度上SF與Ta、Ra、VPD變化趨勢(shì)具有很好的一致性。以2010年為例，4—9月份單株核桃液流量為841.77 L，6月份液流量最大，為217.95 L，9月份液流最小，為86.08 L，液流最大月與最小月相差131.88 L，4—9月份平均日液流量和月液流量分別為4.68 L和140.29 L。

圖1 典型天氣日核桃液流速率與氣象因子變化

圖2 核桃月液流量與氣象因子變化曲線(2008—2010年)

由于核桃液流與太陽(yáng)輻射、飽和水汽壓虧缺等氣象因子密切相關(guān)，飽和水汽壓虧缺又與氣溫、空氣相對(duì)濕度有關(guān)。為此，本文進(jìn)一步分析了月尺度水平核桃液流量與降雨量的關(guān)系(圖3)，以進(jìn)一步明確降雨量等氣象因子對(duì)核桃液流的影響。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)期間4—6月份降雨量相對(duì)較少，一直維持在較低水平，這個(gè)階段核桃主要消耗土壤水分以滿(mǎn)足其蒸騰需求。進(jìn)入7月份以后，降雨量急劇增加，降雨天氣和降雨強(qiáng)度均有所增加，土壤水分得到有效補(bǔ)充。以2010年為例，7月份降雨量為205.4 mm，遠(yuǎn)超過(guò)4—6月份降雨總和(104.0 mm)，其中7月24日當(dāng)日降雨量為61.9 mm。與7月份相比，8、9月份降雨有所減少，分別為132.5 mm和75.5 mm。比較核桃月液流量與月降雨量發(fā)現(xiàn)，核桃最大液流量出現(xiàn)在6月，最大降雨量則出現(xiàn)在7月，并不完全一致，其主要原因在于6月份雖然降雨少，但樹(shù)木生長(zhǎng)旺盛，氣溫高，空氣相對(duì)濕度小，強(qiáng)大的蒸騰拉力使核桃從土壤中吸收大量的水分(月平均土壤含水量為20.29%)，滿(mǎn)足其蒸騰需求。雖然7月份降雨量最多，土壤水分相對(duì)充足(月平均土壤含水量為23.24%)，但7月份降雨日為14d，較6月份(降雨日9d)增加了5d，且日降雨強(qiáng)度大。陰雨天氣條件下，空氣相對(duì)濕度幾乎達(dá)到飽和，液流較小，使得7月份的核桃液流量少于6月份。說(shuō)明月尺度水平液流除了受降雨影響外，還與氣象因子如太陽(yáng)輻射等因素有關(guān)。同時(shí)說(shuō)明在核桃耗水較多的5、6月份，核桃地土壤水分很有可能出現(xiàn)水分虧缺，需加強(qiáng)田間水分管理工作，以免對(duì)核桃掛果量和品質(zhì)造成影響。

圖3 核桃月液流與降雨量的關(guān)系(2008—2010年)

3.2 核桃液流對(duì)不同時(shí)間尺度氣象因子及ET0的響應(yīng)

影響植被液流變化的因素有很多，如植被自身生長(zhǎng)狀況、土壤水分、氣象因子等。其中ET0是表征大氣蒸散發(fā)能力，評(píng)價(jià)氣候干旱程度、植被需水量、農(nóng)作物生產(chǎn)潛力以及水資源供需平衡最重要的指標(biāo)之一。本文主要選取氣象因子和ET0，分析不同時(shí)間尺度下上述因素對(duì)核桃液流量的影響。

3.2.1 核桃液流與氣象因子的關(guān)系

表2列出了不同時(shí)間尺度下(日尺度、月尺度水平)核桃液流量與氣象因子的擬合方程。從表中可以看出，2種時(shí)間尺度下，核桃液流與各氣象因子存在較好的相關(guān)性，其中太陽(yáng)輻射是影響液流的主要?dú)庀笠蛩?。日尺度、月尺度下相關(guān)系數(shù)分別為0.682和0.975，月尺度的相關(guān)性要高于日尺度。表明時(shí)間尺度越大，擬合方程精度越高，在較大尺度水平下利用氣象因子擬合求算液流具有更大的精度。這與王文杰等[8]研究結(jié)果相一致。

表2 核桃液流與不同時(shí)間尺度氣象因子的擬合方程(2009—2010年)

SF、Ta、VPD、Ra、V單位分別為L(zhǎng)、℃、Kpa、MJ/m2、m/s

3.2.2核桃液流與ET0的關(guān)系

圖4分析了日尺度及月尺度下核桃液流量與ET0的關(guān)系。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在不同時(shí)間尺度下，核桃液流量與ET0均有較好的相關(guān)性，日和月尺度下的相關(guān)系數(shù)分別為0.5703和0.8104，后者的相關(guān)性大于前者，表明隨著時(shí)間尺度的增加，二者的相關(guān)性越高，核桃液流與ET0一致性較好。鑒于ET0是某一地區(qū)氣象因素的綜合反映，且數(shù)據(jù)相對(duì)容易獲取。因此利用建立的樹(shù)木液流與氣象因子的關(guān)系，結(jié)合相對(duì)容易獲取的ET0等數(shù)據(jù)，可用于估算大尺度下樹(shù)木液流量。

圖4 不同時(shí)間尺度下核桃液流量與參考作物蒸散量(ET0)的關(guān)系(2009—2010年)

3.3 核桃液流擬合值與實(shí)測(cè)值對(duì)比驗(yàn)證

為了驗(yàn)證不同時(shí)間尺度、不同因素建立的液流擬合方程的精確性，結(jié)合2008年氣象數(shù)據(jù)和ET0，采用上述2種擬合方程估算2008年數(shù)據(jù)，并用2008年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證擬合方程的精確性。

表3列出了利用不同時(shí)間尺度氣象因子與核桃液流的擬合方程估算出液流模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比。從表中可以發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)間尺度下核桃液流擬合值與實(shí)測(cè)值之間吻合性較好。其中日尺度下液流擬合值為995.37 L，與實(shí)測(cè)值相差102.14 L，誤差為11.4%；月尺度下液流擬合值為972.56 L，與實(shí)測(cè)值相差79.33 L，誤差為8.9%，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，尺度越大，擬合誤差越小，其主要原因在于大尺度水平下各個(gè)氣象因子的波動(dòng)性降低，變化趨勢(shì)更趨于穩(wěn)定。

表3 不同時(shí)間尺度核桃液流擬合值與實(shí)測(cè)值的比較(2008年)

圖5列出了日尺度水平下利用ET0為變量對(duì)核桃液流的擬合值及與實(shí)測(cè)值的比較。從圖中發(fā)現(xiàn)，利用ET0估算出的擬合值與實(shí)測(cè)值具有較好的一致性。其中，4—9月份液流實(shí)測(cè)值為893.23 L，ET0擬合值為992.98 L，二者誤差為10.4%。

圖6列出了月尺度水平下利用ET0為變量對(duì)核桃液流的擬合值及與實(shí)測(cè)值的比較。從圖中可以看出，月尺度下利用ET0估算出的擬合值與實(shí)測(cè)值具有較好的一致性。其中，4—9月份液流實(shí)測(cè)值為893.23 L，ET0擬合值為974.17 L，二者誤差為9.0%。月尺度下利用ET0擬合液流誤差小于日尺度，與不同尺度氣象因子擬合結(jié)果吻合。利用氣象因子和ET0擬合液流二者差別不大，總體上ET0擬合效果略高于氣象因子。因此在缺乏對(duì)樹(shù)木液流進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)的情況，利用相對(duì)容易獲得的ET0對(duì)液流進(jìn)行擬合不失為較好的辦法。

圖5 日尺度水平核桃液流值與實(shí)測(cè)值的比較(2008年)

圖6 月尺度水平核桃液流值與實(shí)測(cè)值的比較(2008年)

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

在主要生長(zhǎng)季節(jié)，核桃液流具有明顯的時(shí)間變化特征，月液流最大出現(xiàn)在5、6月份，隨著雨季的到來(lái)，7、8月份液流有所下降。核桃液流年際變化主要由于年際降水差異引起。核桃液流與不同時(shí)間尺度下氣象因子、ET0均有較好的相關(guān)性，且隨著時(shí)間尺度的增加，二者間的相關(guān)性變大。其中，影響核桃液流的主要?dú)庀笠蜃訛樘?yáng)輻射。不同時(shí)間尺度下液流擬合值與實(shí)測(cè)值均具有較好的相關(guān)性。在缺乏對(duì)液流進(jìn)行連續(xù)測(cè)定的情況下，可以結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料及ET0等因子，利用建立的擬合方程對(duì)樹(shù)木液流進(jìn)行估算，具有較高的精確性。

4.2 討論

深入研究核桃液流動(dòng)態(tài)變化及其影響機(jī)制對(duì)于加強(qiáng)核桃田間水分管理、提高水資源利用率具有重要意義。馬長(zhǎng)明等[15- 17]研究了河北省平山縣核桃不同物候期液流變化特征，對(duì)不同物候期核桃水分消耗具有指導(dǎo)作用，并就核桃液流與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行了分析，但沒(méi)有涉及到參考作物蒸散量。陳杰等[19]分析了新疆阿克蘇地區(qū)核桃液流變化，分析了液流與氣象因子的關(guān)系，并將液流量與基于Penman-Monteith的參考作物蒸散量進(jìn)行了比較，但并沒(méi)有利用擬合方程對(duì)估算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證。本文連續(xù)3個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)測(cè)算分析了不同時(shí)間尺度下核桃液流與氣象因子及ET0的關(guān)系，并利用建立的擬合方程對(duì)樹(shù)木液流進(jìn)行估算，具有一定的科學(xué)性和操作性。

鑒于ET0是多個(gè)氣象因子的綜合反映，研究液流與ET0的關(guān)系有助于揭示液流對(duì)氣象因子的響應(yīng)機(jī)制。Er-Raki[14]分析了地中海地區(qū)摩洛哥果園橄欖(OleaeuropaeaL.)蒸騰與ET0的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)基于液流測(cè)定值獲得的蒸騰受ET0影響較大，蒸騰與ET0變化趨勢(shì)相似，尤其在水分不受限制條件下一致性更好，并建立了日尺度下二者的線性擬合方程(決定系數(shù)R2=0.84)。胡瓊娟[18]分別建立了核桃生育期內(nèi)液流與氣象因子、ET0的關(guān)系模型，發(fā)現(xiàn)液流與ET0具有很好的線性相關(guān)性，但僅觀測(cè)了一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)數(shù)據(jù)，并沒(méi)有對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。Pereira等[20]利用Penman-Monteith公式計(jì)算了核桃的耗水量，并與熱技術(shù)法進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)在日尺度和充分灌溉條件下，可用Penman-Monteith公式估算耗水量，并建立了液流、ET0及葉面積之間的關(guān)系模型。Cammalleri等[21]比較分析了橄欖樹(shù)(cv.NocellaradelBelice)蒸騰與ET0的相似性，并計(jì)算了蒸騰在ET0總量中所占的比例。以上研究均表明ET0與樹(shù)木液流密切相關(guān)。本文分別利用日尺度、月尺度下氣象因子和ET0對(duì)核桃液流進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)月尺度水平擬合性好于日尺度，相對(duì)而言，ET0的擬合效果略高于氣象因子，再次證實(shí)了將ET0用于分析氣象因子對(duì)液流影響的科學(xué)性和可行性。

研究不同時(shí)間尺度下液流與氣象因子的關(guān)系主要目的有：一是分析不同時(shí)間尺度下環(huán)境因子對(duì)樹(shù)干液流影響的精度，二是確定不同時(shí)間尺度下影響樹(shù)干液流的主要影響因子。有研究栓皮櫟人工林樹(shù)干液流對(duì)不同時(shí)間尺度氣象因子及水面蒸發(fā)的響應(yīng)[6]，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間尺度的增加，液流與上述因子相關(guān)性越強(qiáng)；在不同時(shí)間尺度下，影響樹(shù)干液流的最主要?dú)庀笠蜃泳鶠樘?yáng)輻射。同一時(shí)期，液流與水面蒸發(fā)的相關(guān)性大于氣象因子。王文杰等[8]研究了不同時(shí)間尺度下興安落葉松樹(shù)干液流密度與環(huán)境因子的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)時(shí)間尺度不同，對(duì)樹(shù)干液流影響因子不同。隨著尺度由大到小，對(duì)樹(shù)干液流影響最大的因子有從地下土壤環(huán)境因子向地上直接影響葉片蒸騰的環(huán)境因子轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)。本文通過(guò)分析日尺度、月尺度下核桃液流與氣象因子及ET0的關(guān)系，證實(shí)隨著時(shí)間尺度的增加，液流與上述因子相關(guān)性越強(qiáng)。這與之前對(duì)栓皮櫟的研究結(jié)果一致[6]。同時(shí)證明，ET0與水面蒸發(fā)一樣，二者均作為氣象條件的綜合反映，與樹(shù)干液流量具有較好的相關(guān)性，在樹(shù)木液流不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)的地區(qū)，可利用能綜合反映氣象因子的ET0、水面蒸發(fā)等指標(biāo)估算液流，不但精度高，而且容易實(shí)現(xiàn)，具有一定的科學(xué)性和可行性。

本文主要分析了單株核桃液流變化特征及其影響機(jī)制，在今后的研究中應(yīng)側(cè)重單株到果園進(jìn)行耗水尺度擴(kuò)展，結(jié)合土壤水分變化從水分供求關(guān)系分析核桃耗水變化，更有利于指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐暮颂宜止芾怼?/p>

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