白 巖，朱高峰，張 琨，馬 婷

蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，干旱環(huán)境與氣候變化協(xié)同創(chuàng)新中心, 蘭州 730000

基于樹(shù)干液流及渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的葡萄冠層蒸騰及蒸散發(fā)特征研究

白 巖，朱高峰*，張 琨，馬 婷

蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，干旱環(huán)境與氣候變化協(xié)同創(chuàng)新中心, 蘭州 730000

針對(duì)西北干旱區(qū)綠洲經(jīng)濟(jì)作物葡萄樹(shù)冠層蒸騰及蒸散發(fā)特征的相關(guān)問(wèn)題，在甘肅省敦煌市南湖綠洲開(kāi)展無(wú)核白葡萄樹(shù)液流速率及蒸散發(fā)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)，采用基于熱平衡原理的包裹式莖流計(jì)，詳細(xì)分析了典型生長(zhǎng)季7—9月份葡萄樹(shù)蒸騰耗水規(guī)律，使用“單位葉面積上的平均液流速率SF×葉面積指數(shù)LAI”的方法，實(shí)現(xiàn)了從單株到林分冠層蒸騰的尺度擴(kuò)展，并通過(guò)與渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)所測(cè)蒸散發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)比，詳細(xì)研究了葡萄地冠層蒸騰及蒸散發(fā)規(guī)律。結(jié)果表明：典型生長(zhǎng)季中葡萄樹(shù)液流速率日變化為單峰型曲線(xiàn)，日均耗水量從2.76 kg到10kg不等，胸徑越大的葡萄樹(shù)日均耗水量越大；冠層蒸騰及蒸散發(fā)日變化曲線(xiàn)亦為單峰型，白天8:00—12:00與17:00—20:00期間,葡萄冠層蒸騰與蒸散發(fā)曲線(xiàn)均比較吻合，該時(shí)間段葡萄地蒸散發(fā)絕大部分來(lái)源于葡萄冠層蒸騰，而12:00—17:00之間由于午后太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈土壤蒸發(fā)量增加，葡萄蒸散發(fā)大于冠層蒸騰；典型生長(zhǎng)季3個(gè)月中，葡萄冠層蒸騰量的變化范圍在1.88—8.12 mm/d之間, 日均冠層蒸騰量為6.12 mm/d，蒸散發(fā)在1.74 mm/d 至10.78 mm/d之間，日均蒸散發(fā)量為7.13 mm/d；日均土壤蒸發(fā)量約為1.01 mm/d，只占總蒸散發(fā)量的14.2%，日均冠層蒸騰占日均蒸散發(fā)的比重達(dá)到85.8%，說(shuō)明該生長(zhǎng)階段冠層蒸散發(fā)以作物蒸騰為主。

樹(shù)干液流；熱平衡原理；渦動(dòng)相關(guān)；冠層蒸騰；蒸散發(fā)

蒸散發(fā)包括土壤蒸發(fā)和植被蒸騰兩部分，是全球水循環(huán)和地表能量平衡的重要組成部分，在土壤-植物-大氣連續(xù)體的能量、質(zhì)量和動(dòng)量交換中有重要作用[1-2]。蒸散發(fā)也是水分利用效率計(jì)算、灌溉管理、水資源分配中不可缺少的數(shù)據(jù)。我國(guó)西北干旱區(qū)包括陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆五省區(qū)及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，面積約3.5×106km2，占國(guó)土面積的32%。該地區(qū)降雨量稀少，氣候干燥，日照和蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，地表徑流較少，生態(tài)環(huán)境條件脆弱，因而水成為該區(qū)域最稀缺的資源[3]。清楚地認(rèn)識(shí)西北干旱區(qū)典型生態(tài)系統(tǒng)作物蒸散發(fā)規(guī)律及水分運(yùn)移機(jī)制，有助于全面了解區(qū)域能量平衡和水分循環(huán)，同時(shí)對(duì)于西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)穩(wěn)定也具有十分重要意義。

渦動(dòng)相關(guān)方法(EC)是目前公認(rèn)的直接測(cè)定大氣與生態(tài)系統(tǒng)之間水熱交換通量最可靠的方法[4-5]，利用渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)可以較準(zhǔn)確地測(cè)定植物林分尺度的冠層水熱通量，但其難以區(qū)分作物蒸騰、土壤蒸發(fā)各自對(duì)冠層蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)大小[6-7]。樹(shù)干液流(SF)指蒸騰在植物體內(nèi)引起的上升液流，目前應(yīng)用熱技術(shù)測(cè)量植物樹(shù)干液流的方法已經(jīng)日趨成熟[8-9]，但熱技術(shù)僅能測(cè)定單樹(shù)尺度的植物蒸騰耗水量，為此許多學(xué)者利用胸徑[10-11]、邊材面積[12-13]、葉面積[14-15]等作為擴(kuò)展指標(biāo)對(duì)單樹(shù)蒸騰耗水量進(jìn)行擴(kuò)展，從而估算出林分尺度的冠層蒸騰量[16-17]。

目前，綜合利用樹(shù)干液流及渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)來(lái)測(cè)定西北干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)作物冠層蒸散發(fā)的研究還比較少[18]。本試驗(yàn)采用渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)測(cè)定典型生長(zhǎng)季葡萄冠層蒸散發(fā)，同時(shí)采用樹(shù)干液流技術(shù)研究葡萄樹(shù)的生理生長(zhǎng)規(guī)律及耗水特性，利用葉面積結(jié)合葉面積指數(shù)(LAI)對(duì)單株葡萄蒸騰耗水量進(jìn)行擴(kuò)展，從而估算出可與渦動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比的葡萄冠層蒸騰量。本研究綜合使用樹(shù)干液流及渦動(dòng)相關(guān)兩種技術(shù)，旨在較全面地掌握典型生長(zhǎng)季葡萄樹(shù)的作物蒸騰、土壤蒸發(fā)以及蒸散發(fā)規(guī)律，為西北干旱區(qū)沙漠綠洲水資源的有效利用和科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省敦煌市西南70km的南湖綠洲境內(nèi)，東臨庫(kù)姆塔格沙漠，地理位置在94°06′—94°09′E，39°51′—39°55′N(xiāo)之間，總面積11.06 km2，海拔高度范圍在1100—1297 m之間，氣候?qū)倥瘻貛Ц珊敌詺夂?，年均日較差在16—20℃之間，年平均溫度9.3 ℃，全年降水稀少，年均降水量36.9 mm，平均無(wú)霜期145 d，年日照時(shí)數(shù)為3115—3247 h，年總輻射量在5903.4—6309.5 MW/ m2之間，土壤類(lèi)型為隱域性土壤，主要有沼澤土、草甸土和鹽漬土等[19]。研究區(qū)地勢(shì)平坦，地表植被均質(zhì)，種植作物95%以上為無(wú)核白葡萄樹(shù)。無(wú)核白葡萄對(duì)生長(zhǎng)條件要求嚴(yán)格，而敦煌南湖地區(qū)因其高溫、干旱、生長(zhǎng)期長(zhǎng)的氣候特點(diǎn)，成為我國(guó)除新疆吐魯番、內(nèi)蒙古烏海之外，最適宜無(wú)核白葡萄樹(shù)栽培的優(yōu)良場(chǎng)所之一。

核心研究區(qū)(450m×160m)位于敦煌南湖綠洲西南部(圖1)，在區(qū)內(nèi)開(kāi)展了葡萄樹(shù)干液流及蒸散發(fā)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)，觀(guān)測(cè)日期為葡萄典型生長(zhǎng)季7月份至9月份。區(qū)內(nèi)有穩(wěn)定灌溉水源，葡萄地平均每20d進(jìn)行1次人工漫灌，土壤供水條件充分。無(wú)核白葡萄樹(shù)生長(zhǎng)季長(zhǎng)約140d左右，每年5月初發(fā)芽，5月底開(kāi)花，9月初果實(shí)成熟。

圖1 研究區(qū)示意圖(包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地范圍、儀器架設(shè)及觀(guān)測(cè)樣樹(shù)位置、風(fēng)向圖及源區(qū)分析結(jié)果) Fig.1 Schematic plot of study site (Includes the scope of study site, instrument, sample trees and wind rose plot and the result of footprint analysis)

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

在核心研究區(qū)內(nèi)選擇6棵不同徑級(jí)、生長(zhǎng)良好、樹(shù)干較為通直、無(wú)被擠壓的無(wú)核白葡萄樹(shù)作為試驗(yàn)對(duì)象，各樣樹(shù)具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 觀(guān)測(cè)樣樹(shù)參數(shù)Table 1 Parameters of the sample-trees used for sap flow measurement

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 液流速率及氣象因子的測(cè)定

根據(jù)FLOW32包裹式植物莖流計(jì)的安裝要求，在6棵樣樹(shù)主干灌溉水位以上安裝莖流計(jì)，用以采集葡萄樹(shù)液流速率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集間隔為30min。核心研究區(qū)東南角布設(shè)有自動(dòng)氣象站、土壤溫濕度傳感器，用以采集風(fēng)速、風(fēng)向、凈輻射、光合有效輻射、土壤溫濕度、降雨量、大氣壓強(qiáng)等氣象因子數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集間隔為30min。其中，凈輻射(Rn)依據(jù)自動(dòng)氣象站四分量輻射計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。自動(dòng)氣象站輻射正下方地下50mm處，分四個(gè)方位(東、南、西、北)埋有的熱通量板，土壤熱通量(G)依據(jù)通量板數(shù)據(jù)平均求得。

2.2.2 渦動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)處理及源區(qū)分析

核心研究區(qū)自動(dòng)氣象站塔上架設(shè)有渦動(dòng)相關(guān)儀(EC)，葡萄冠層高度2.5 m，渦動(dòng)相關(guān)儀架設(shè)高度4 m，試驗(yàn)觀(guān)測(cè)期間7—9月份主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)(圖1)。渦動(dòng)相關(guān)儀的觀(guān)測(cè)值是其觀(guān)測(cè)源區(qū)內(nèi)的加權(quán)平均值，通量貢獻(xiàn)源區(qū)分析可用來(lái)對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，確定觀(guān)測(cè)到的通量是否來(lái)源于所感興趣的研究區(qū)域[20]。本試驗(yàn)通量貢獻(xiàn)源區(qū)分析使用FSAM 足跡解析模型[21]，分析結(jié)果如圖1所示，全天主要通量源區(qū)均落在核心試驗(yàn)區(qū)葡萄地內(nèi)，其中紅圈代表白天大氣不穩(wěn)定層結(jié)時(shí)80%通量源區(qū)分布(150m)，藍(lán)圈代表夜間大氣穩(wěn)定層結(jié)時(shí)80%通量源區(qū)分布(250m)。

應(yīng)用渦動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)有必要進(jìn)行相關(guān)校正[22-23]，本試驗(yàn)使用EddyPro4.1.0軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從處理后的數(shù)據(jù)中刪除摩擦風(fēng)速小于0.1的記錄，取2013年7月至9月的數(shù)據(jù)做能量閉合分析，其閉合率達(dá)到88%，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。使用經(jīng)處理后的潛熱(LE)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為冠層蒸散發(fā)數(shù)據(jù)(ETec)。

2.2.3 液流速率的計(jì)算方法

FLOW32包裹式植物莖流計(jì)的工作原理、安裝方法及液流速率計(jì)算方法均依據(jù)儀器使

用手冊(cè)《Dynagage Manual》，液流速率F依據(jù)莖熱平衡原理[24]，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，F(xiàn)為液流速率 (g/s)；Pin為熱量輸入 (W)；Qr為徑向散熱 (W)；Qv為豎向?qū)?(W)；Cp為水的比熱 (4.186 J/g×C)；dT為豎向兩熱電偶電壓和的平均值 (℃)。其中Qr、Qv、dT通過(guò)傳感器測(cè)得并自動(dòng)計(jì)算得出，在數(shù)據(jù)采集程序中輸入胸徑全橫截面積、胸徑大小參數(shù), 可直接輸出液流速率的結(jié)果。

2.2.4 冠層蒸騰的尺度擴(kuò)展方法

為使莖流計(jì)所測(cè)單樹(shù)液流數(shù)據(jù)能夠與渦動(dòng)相關(guān)所測(cè)冠層蒸散發(fā)進(jìn)行對(duì)比，本試驗(yàn)采用Soegaard等[25]“單位葉面積上的平均液流速率SF×葉面積指數(shù)LAI”的擴(kuò)展方法，將單樹(shù)尺度葡萄液流數(shù)據(jù)擴(kuò)展為林分尺度冠層蒸騰，具體擴(kuò)展方法如下：

(2)

式中，Esf為擴(kuò)展后葡萄冠層蒸騰 (mm / h)；SF為6棵樣樹(shù)總的液流速率 (kg / h)；LA為總?cè)~面積 (m2)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)6棵樣樹(shù)的平均葉片葉面積及總?cè)~片數(shù)求得，平均葉片葉面積與白云崗等[26]對(duì)無(wú)核白葡萄樹(shù)葉面積的測(cè)定結(jié)果較為一致；LAI為葉面積指數(shù)。

2.2.5 葉面積指數(shù)LAI的獲取方法

利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)可以較準(zhǔn)確估算出如地表溫度、葉面積指數(shù)LAI、反照率等地表變量[27-28]。本研究區(qū)地勢(shì)平坦，地表植被均質(zhì)，綜合使用單點(diǎn)測(cè)量工具LAI-2200及Landsat-8高分辨率遙感數(shù)據(jù)，得到7—9月份葉面積指數(shù)LAI的變化范圍很小(4.43—4.64)，這是由于該階段葡萄樹(shù)處于成熟期，生長(zhǎng)狀態(tài)穩(wěn)定，冠層郁閉，葉面積變化不明顯。遙感數(shù)據(jù)獲取時(shí)間分別為2013年8月2日和9月10日，空間分辨率為30m，采用ENVI 5.0軟件對(duì)原始圖像進(jìn)行幾何糾正、輻射校正和大氣校正，裁剪出核心研究區(qū)，并根據(jù)以下步驟得到LAI：

(1)采用Sobrino等[29]的方法來(lái)計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI)，計(jì)算公式如下：

(3)

式中,ρn為近紅外波段反射率，ρv為紅光波段反射率。

(2)采用孫鵬森等[30]的方法來(lái)計(jì)算基于NDVI的葉面積指數(shù)LAI，計(jì)算公式如下：

LAI=6.211×NDVI-1.088

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 典型生長(zhǎng)季葡萄樹(shù)的蒸騰耗水規(guī)律

圖2 典型生長(zhǎng)季各樣樹(shù)液流速率晝夜變化規(guī)律(誤差線(xiàn)代表各晴天平均液流速率的標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.2 Diurnal dynamics of mean sap flow velocity of different sample trees in a typical growth season

樹(shù)木林分蒸騰是由每棵樹(shù)的單樹(shù)蒸騰組成的，分析單樹(shù)蒸騰耗水對(duì)于掌握林分尺度的冠層蒸騰變化規(guī)律具有至關(guān)重要的意義。因此，選擇4棵不同胸徑樣樹(shù)，分析典型生長(zhǎng)季晴天條件下各樣樹(shù)的液流速率晝夜變化規(guī)律(圖2)，其中DG2#葡萄樹(shù)7月份的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失。從圖2可以看出，葡萄樹(shù)液流速率的晝夜變化曲線(xiàn)均為單峰型，液流啟動(dòng)時(shí)間在9:00—10:00之間，12:00—13:00點(diǎn)到達(dá)峰值后，持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間高峰值波動(dòng)，到17:00—18:00左右開(kāi)始下降，20:00—21:00后到達(dá)最低水平。隨胸徑增大液流速率平均日變化曲線(xiàn)呈峰值增大、峰形拓寬趨勢(shì)，表明胸徑大小是影響葡萄液流速率隨時(shí)間變化的重要因子[31]。不同月份各樣樹(shù)液流速率晝夜變化曲線(xiàn)區(qū)別較明顯，這與各樣樹(shù)葉面積、冠幅等生理生長(zhǎng)狀況變化緊密相關(guān)[32]。典型生長(zhǎng)季DG1#樣樹(shù)日均液流速率為(120.1±20.9) g/h，DG2#樣樹(shù)日均液流速率為(166.4±35.6) g/h，DG3#樣樹(shù)日均液流速率為(225.9±33.1) g/h，DG4#樣樹(shù)樹(shù)日均液流速率為(242.0±13.5) g/h，胸徑越大的樣樹(shù)日均液流速率越大。

選用6棵樣樹(shù)的液流數(shù)據(jù)累計(jì)求和，得到典型生長(zhǎng)季各樣樹(shù)日耗水量變化序列(圖3)。其中DG2#樣樹(shù)7月份數(shù)據(jù)缺失，觀(guān)測(cè)從8月13日開(kāi)始。如圖3所示, 各樣樹(shù)的日耗水量區(qū)別明顯，變化范圍大致在2—15 kg。胸徑越大的樣樹(shù)日耗水量越大，與圖2所示胸徑越大的樣樹(shù)日均液流速率越大的規(guī)律是一致的。陰雨天各樣樹(shù)日耗水量均大幅降至2 kg左右，這是由于雨天云層遮蔽太陽(yáng)輻射減弱，葡萄葉片氣孔內(nèi)外蒸汽壓梯度較小，蒸騰耗水量大幅度下降[33]。

圖3 典型生長(zhǎng)季各胸徑樣樹(shù)的日耗水量及降雨量變化Fig.3 Dynamics of daily water consumption of different sample trees and precipitation in a typical growth season

3.2 樹(shù)干液流所測(cè)冠層蒸騰與渦動(dòng)相關(guān)所測(cè)蒸散發(fā)的對(duì)比

為對(duì)比分析經(jīng)公式(2)擴(kuò)展得到的葡萄冠層蒸騰Esf與渦動(dòng)相關(guān)所測(cè)葡萄蒸散發(fā)ETec的變化特征，選擇典型生長(zhǎng)季晴天條件下白天8:00—20:00半小時(shí)間隔的葡萄冠層蒸騰Esf及蒸散發(fā)ETec數(shù)據(jù)，繪出不同月份晴天條件下葡萄蒸騰及蒸散發(fā)日變化曲線(xiàn)(圖4)。

從圖4中可以看出，典型生長(zhǎng)季葡萄冠層蒸騰及蒸散發(fā)日變化曲線(xiàn)均為單峰型，且變化規(guī)律較為一致，從8:00開(kāi)始啟動(dòng)，11:00—17:00之間維持較高值波動(dòng)，到17:00以后降至較低水平。從誤差線(xiàn)可以看出，利用樹(shù)干液流冠層蒸騰曲線(xiàn)波動(dòng)較小，而渦動(dòng)相關(guān)所測(cè)蒸散發(fā)曲線(xiàn)波動(dòng)較大，這與儀器觀(guān)測(cè)手段、工作原理不同有關(guān)[22-23]。日變化曲線(xiàn)中冠層蒸騰的最大值在1.0mm/h左右，蒸散發(fā)的最大值在1.4 mm/h左右。白天8:00—12:00與17:00—20:00期間冠層蒸騰與蒸散發(fā)曲線(xiàn)均比較吻合，說(shuō)明這一時(shí)間段內(nèi)冠層蒸散發(fā)絕大部分來(lái)源于葡萄蒸騰作用。而12:00—17:00之間，各月份冠層蒸散發(fā)均大于蒸騰，是因?yàn)槲绾筇?yáng)輻射強(qiáng)烈，空氣溫度升高，來(lái)自土壤的蒸發(fā)量增加。不同月份中，7、8月冠層蒸騰與蒸散發(fā)的日變化規(guī)律較為一致，而9月份受葡萄樹(shù)葉面積減少影響午間冠層蒸騰量下降，土壤蒸發(fā)量增大。

圖4 不同月份晴天條件下冠層蒸騰Esf與蒸散發(fā)ETec的日變化(8:00—20:00之間，誤差線(xiàn)代表各晴天平均冠層蒸騰與平均蒸散發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.4 Daytime dynamics of canopy transpiration Esf and evapotranspiration ETec measured in different months

圖5 葡萄冠層蒸騰Esf及蒸散發(fā)ETec的連續(xù)日變化(07-13—09-12, 柱狀圖代表日累計(jì)冠層蒸騰與日累計(jì)蒸散發(fā)的比值)Fig.5 Daily dynamics of daily canopy transpiration Esf and daily evapotranspiration ETec

3.3 葡萄冠層蒸騰與蒸散發(fā)的連續(xù)日變化規(guī)律

為研究典型生長(zhǎng)季葡萄冠層蒸騰及蒸散發(fā)的連續(xù)日變化規(guī)律，依據(jù)半小時(shí)間隔的冠層蒸騰Esf及蒸散發(fā)ETec日累計(jì)量數(shù)據(jù)，繪出葡萄冠層蒸騰及蒸散發(fā)的連續(xù)日變化曲線(xiàn)(圖5)。其中由于渦動(dòng)相關(guān)儀工作故障，導(dǎo)致7月28日至8月1日之間部分蒸散發(fā)數(shù)據(jù)缺失。

從圖5中可以看出，葡萄冠層蒸騰與蒸散發(fā)之間差異顯著，且晴天條件下葡萄蒸散發(fā)均大于冠層蒸騰，二者的差額(即黑線(xiàn)與藍(lán)線(xiàn)之間的部分)便是土壤蒸發(fā)量。陰雨天氣條件下，冠層蒸騰及蒸散發(fā)差異較小且大幅降低至5 mm以下。冠層蒸騰與蒸散發(fā)的比值(Esf/ETec)大多在60%以上，然而受特殊天氣影響，冠層蒸騰與蒸散發(fā)的比值波動(dòng)較大(圖5)，個(gè)別日期中冠層蒸騰與蒸散發(fā)的比值出現(xiàn)過(guò)低(如8月26日，23.4%)或過(guò)高(如9月8日，108.4%)的現(xiàn)象，是由于特殊天氣狀況下渦動(dòng)相關(guān)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)不可靠所致[22-23]。典型生長(zhǎng)季3個(gè)月中，葡萄冠層蒸騰量的變化范圍在1.88—8.12 mm/d之間, 日均冠層蒸騰量為6.12 mm/d，蒸散發(fā)在1.74—10.78 mm/d之間，日均蒸散發(fā)為7.13 mm/d，。因而，日均土壤蒸發(fā)量約為1.01 mm/d，只占總蒸散發(fā)量的14.2%，而日均冠層蒸騰占日均蒸散發(fā)的比重達(dá)到85.8%，該生長(zhǎng)階段冠層蒸散發(fā)以作物蒸騰為主。

4 討論

4.1 葡萄單樹(shù)尺度蒸騰耗水特征

不同胸徑、邊材面積、葉面積大小的樹(shù)木蒸騰耗水量存在顯著差異，通過(guò)分析單樹(shù)尺度的蒸騰耗水量，結(jié)合以上指標(biāo)可以估算出林分尺度的蒸騰耗水量[11,16,18]。本研究典型生長(zhǎng)季各樣樹(shù)最大液流量為1.92 kg/h，比Tarara等[34]采用相同莖流計(jì)所測(cè)葡萄液流速率最大值(1.50kg/ h)略高，主要是由于敦煌南湖綠洲地處沙漠腹地，氣候干燥，光照強(qiáng)烈，且有良好的灌溉條件。此外，灌溉方式、栽培品種、種植間隔和朝向等因素也會(huì)導(dǎo)致不同研究葡萄樹(shù)蒸騰耗水特征的差異[35]。典型生長(zhǎng)季6棵樣樹(shù)日均耗水量從2.76 kg到10kg不等, 與許浩等[36]所測(cè)塔克拉瑪干沙漠腹地多枝檉柳日均耗水量相當(dāng)。

諸多研究發(fā)現(xiàn), 樹(shù)木邊材面積與蒸騰、胸徑與蒸騰之間為線(xiàn)性或指數(shù)相關(guān)關(guān)系[10-13]。本研究葡萄胸徑與日均耗水量之間同樣存在著顯著的指數(shù)關(guān)系，且不同月份的回歸關(guān)系差異明顯(圖6)。其中，7月份隨胸徑增大各樣樹(shù)日均耗水量的增幅最為顯著(R2= 0.95)，從7月份到9月份，隨胸徑增大日均耗水量的增幅逐步下降。胸徑與蒸騰之間存在指數(shù)相關(guān)關(guān)系，可能是由于與高大喬木相比，多年生葡萄冠層矮小枝葉繁茂，胸徑較大的葡萄樹(shù)葉面積增幅更大所導(dǎo)致。不同月份回歸關(guān)系的差異性則說(shuō)明，隨著葡萄樹(shù)自身生長(zhǎng)狀況及物候期變化，其蒸騰耗水量與胸徑或其他指標(biāo)之間的關(guān)系存在季節(jié)或月份變化，因而我們使用胸徑或其他指標(biāo)估算林分蒸騰耗水量時(shí)，應(yīng)將這種可能存在的季節(jié)及月份變化考慮在內(nèi)。

圖6 不同月份各樣樹(shù)胸徑大小與日均耗水量的曲線(xiàn)回歸Fig.6 Nonlinear regressions between diameter at breast height (DBH) and mean water consumption of different sample trees in different months

4.2 葡萄冠層尺度蒸騰及蒸散發(fā)特征

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究采用蒸滲儀[37]、波文比能量平衡系統(tǒng)[38-39]、渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)[40-41]等技術(shù)來(lái)分析葡萄地水分利用狀況。本研究綜合使用樹(shù)干液流及渦動(dòng)相關(guān)兩種技術(shù)，在分析典型生長(zhǎng)季葡萄冠層蒸騰及蒸散發(fā)日變化規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，二者均為單峰型曲線(xiàn)，且所體現(xiàn)的規(guī)律較為一致，說(shuō)明采用“單位葉面積上的平均液流速率SF×葉面積指數(shù)LAI”這種擴(kuò)展方法來(lái)估算葡萄冠層蒸騰量，以及采用渦動(dòng)相關(guān)方法來(lái)測(cè)定葡萄地蒸散發(fā)，這兩種方法均較為可靠適用。本研究沒(méi)有分析夜間葡萄蒸騰及蒸散發(fā)變化規(guī)律，這是由于：(1)夜間莖部熱存儲(chǔ)不包括在熱平衡項(xiàng)之中，夜間莖部熱存儲(chǔ)量難以估算，故熱平衡法所測(cè)夜間液流數(shù)據(jù)存在一定誤差[42-43]；(2)夜間湍流發(fā)展不充分，渦動(dòng)相關(guān)方法在測(cè)定夜間通量時(shí)存在低估現(xiàn)象[44-45],使用渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)不能得到準(zhǔn)確可靠的夜間水熱通量數(shù)據(jù)。然而諸多研究表明，在某些植被類(lèi)型中夜間蒸騰仍然存在，并且占到其日耗水量的5%—30%[33, 46]。目前已有經(jīng)熱脈沖技術(shù)改進(jìn)的熱率方法等[47]來(lái)測(cè)定植物夜間低液流甚至負(fù)液流，從而使得精確掌握植物夜間及全天蒸騰變化規(guī)律成為可能。然而，利用渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)還無(wú)法全面掌握植物冠層全天蒸散發(fā)變化規(guī)律。

典型生長(zhǎng)季3個(gè)月中，葡萄冠層日均蒸騰量為 6.12 mm/d，日均蒸散發(fā)為7.13 mm/d，與其他國(guó)內(nèi)外葡萄地蒸散發(fā)研究相比較高[48-50]，是由于本研究?jī)H分析了典型生長(zhǎng)季3個(gè)月的數(shù)據(jù)，而非整個(gè)生長(zhǎng)季，因而均值較大。從圖5冠層蒸騰及蒸散發(fā)的連續(xù)日變化曲線(xiàn)中看到，7月份、8月份冠層蒸騰與蒸散發(fā)的比值(Esf/ETec)略大，但到9月份葡萄生長(zhǎng)末期該比值有所下降(圖5)。趙麗雯等[51]研究黑河中游綠洲農(nóng)田作物蒸騰和土壤蒸發(fā)時(shí)發(fā)現(xiàn)，玉米在生長(zhǎng)初期至發(fā)育階段，土壤蒸發(fā)量大于蒸騰量，從發(fā)育階段開(kāi)始蒸騰量逐漸占主導(dǎo)，到后期蒸騰量開(kāi)始逐漸減小而蒸發(fā)又逐漸增加。本研究葡萄樹(shù)處于生長(zhǎng)中期及后期，冠層蒸騰及蒸散發(fā)體現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律。此外，該生長(zhǎng)階段葡萄冠層蒸騰占蒸散發(fā)的平均比重達(dá)到85.8%，這是由于該時(shí)期葡萄樹(shù)枝葉生長(zhǎng)旺盛，冠層較為郁閉，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)計(jì)算得到的林分平均覆蓋度Pv達(dá)到90%左右，因而葡萄冠層蒸騰占據(jù)了蒸散發(fā)的絕大部分。通過(guò)計(jì)算日均蒸騰量及蒸散發(fā)的差值，得到葡萄地日均土壤蒸發(fā)量約為1.01 mm/d，只占總蒸散發(fā)量的14.2%。然而由于本研究未對(duì)土壤蒸發(fā)進(jìn)行同步觀(guān)測(cè)，因而缺乏對(duì)于土壤蒸發(fā)估算量的驗(yàn)證。今后將加強(qiáng)對(duì)葡萄完整生長(zhǎng)季土壤蒸發(fā)、土壤含水量、葉面積變化等方面的監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步增強(qiáng)“單位葉面積上的平均液流速率SF×葉面積指數(shù)LAI”這種擴(kuò)展方法的正確性和可靠性。

5 結(jié)論

本研究綜合使用樹(shù)干液流及渦動(dòng)相關(guān)兩種技術(shù)，采用基于熱平衡原理的包裹式莖流計(jì)，精確掌握了6棵葡萄樹(shù)的蒸騰耗水變化規(guī)律，使用“單位葉面積上的平均液流速率SF×葉面積指數(shù)LAI”這種擴(kuò)展方法，實(shí)現(xiàn)從單株到林分冠層蒸騰的尺度擴(kuò)展，從而通過(guò)與渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)所測(cè)蒸散發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，詳細(xì)分析了敦煌南湖地區(qū)葡萄冠層蒸騰及蒸散發(fā)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)典型生長(zhǎng)季中葡萄樹(shù)液流速率日變化為單峰型曲線(xiàn)，日均耗水量從2.76 kg到10kg不等。冠層蒸騰及蒸散發(fā)日變化曲線(xiàn)亦為單峰型，白天8:00—12:00與17:00—20:00期間葡萄地蒸散發(fā)絕大部分來(lái)源于葡萄冠層蒸騰，12:00—17:00之間，午后太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈土壤蒸發(fā)量增加，葡萄蒸散發(fā)大于冠層蒸騰。葡萄典型生長(zhǎng)季中，日均冠層蒸騰量為6.12 mm/ d，日均蒸散發(fā)為7.13 mm/ d，日均冠層蒸騰占日均蒸散發(fā)的比重達(dá)到85.8%，因而該階段冠層蒸散發(fā)以作物蒸騰為主。

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Research of transpiration and evapotranspiration from a grapevine canopy combining the sap flow and eddy covariance techniques

BAI Yan, ZHU Gaofeng*, ZHANG Kun, MA Ting

KeyLaboratoryofWesternChina′sEnvironmentalSystemswiththeMinistryofEducation,CollaborativeInnovationCentreforAridEnvironmentsandClimateChange,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China

In agriculture ecosystems, more than 90%of all water input is lost by evapotranspiration (ET). Thus, the accurate measurement ofETand its associated components (i.e., canopy transpiration and soil evaporation) are essential for many agricultural applications, such as irrigation scheduling, drainage, and yield forecasts. In the arid region of northwestern China, water resources are rare and are often the restricting factor for plant production. By comprehensively using the sap flow method and eddy covariance (EC) technique, the single tree sap flow velocity and evapotranspiration flux from the grapevine in a desert oasis ecosystem located in Nanhu County, China, were measured during a typical growing season from July 13 to September 12, 2013. Canopy transpiration was then obtained by multiplying the average sap flow per leaf area unit by the leaf area index (LAI), and compared with theEC-measured evapotranspiration flux. The results showed that the diurnal dynamics of sap flow velocity of all sample trees exhibited single peak curves. With increasing diameter of the grapevine at breast height (DBH), the peak in the diurnal variation of sap flow velocity tended to increase. Thus, the sap flow velocities of different single trees were mainly controlled by DBH. The average daily water consumption of the grapevine was exponentially associated with DBH, while the regression relationships differed significantly in different months. Mean water consumption of each sample trees ranged from 2.76 kg to 10kg during a typical growing season, which was consistent with previous studies on the water consumption ofTamarixramosissimain the hinterland of Taklimakan Desert in China. Daytime dynamics of canopy transpiration upscaled by sap flow (Esf) and evapotranspiration measured by EC (ETec) both exhibited the unimodal type, and their variation trends were also relatively identical. From 08:00to 12:00and 17:00to 20:00, there was good agreement between the values ofEsfandETec, which means that evapotranspiration primarily originated from canopy transpiration for this period. However, from 12:00to 17:00, the values ofEsfwere lower than those ofETec, due to the contributions of soil evaporation to the evapotranspiration process. During the study period, the daily evapotranspiration varied from 1.74 mm/d to 10.12 mm/d, with a mean value of 7.13 mm/d, while daily canopy transpiration ranged from 1.88 mm/d to 8.12 mm/d, with a mean value of 6.12 mm/d. The ratios of daily canopy transpiration to daily evapotranspiration varied from 60%to 98.3%, with a mean value of 85.8%. On cloudy and rainy days, the difference between daily evapotranspiration and daily canopy transpiration was very small, with both being less than 5 mm/d. These results indicate that evapotranspiration was dominated by canopy transpiration during the growth stage of the grapevine. The difference in daily evapotranspiration and daily canopy transpiration was daily soil evaporation with a mean value of 1.01 mm/d. However, this result still needs further experimental verification. Thus, the comprehensive use of the sap flow method and eddy covariance technique may help us to identify the characteristics evapotranspiration and its different components (canopy transpiration and soil evaporation) in ecosystem efficiently. This information will improve our understanding about how the evapotranspiration process interacts with environmental factors.

sap flow, heat balance method, eddy covariance, canopy transpiration, evapotranspiration

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(31370467)；教育部“新世紀(jì)人才”項(xiàng)目(NCET-11-0219);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(lzujbky-2013-m02)

2014- 05- 03; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2015- 05- 19

10.5846/stxb201405030871

*通訊作者Corresponding author.E-mail:zhugf@lzu.edu.cn

白巖，朱高峰，張琨，馬婷.基于樹(shù)干液流及渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的葡萄冠層蒸騰及蒸散發(fā)特征研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(23):7821- 7831.

Bai Y, Zhu G F, Zhang K, Ma T.Research of transpiration and evapotranspiration from a grapevine canopy combining the sap flow and eddy covariance techniques.Acta Ecologica Sinica,2015,35(23):7821- 7831.