劉鳳山, 林 輝, 林興生， 羅海凌, 林占熺

(福建農(nóng)林大學(xué) 國家菌草工程技術(shù)研究中心， 福建 福州 350002)

1 研究背景

巨菌草(Pennisetum giganteum. sp.)原產(chǎn)于北非地區(qū)，于1999年在福建農(nóng)林大學(xué)菌草研究所草圃中試種成功，是一種單子葉禾本科狼尾草屬植物[1]。過去10年中，先后在寧夏騰格里沙漠東緣、內(nèi)蒙古阿拉善和西藏林芝等地區(qū)開展巨菌草防風(fēng)固沙效益的研究；在內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)開展巨菌草治理砒砂巖的研究[1-2];在新疆、青海、內(nèi)蒙古和山東等畜牧業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，廣泛種植巨菌草作為牛羊飼料[1]。根據(jù)最近的文獻(xiàn)報道，巨菌草在克拉瑪依[3]、昌吉市[4]、呼倫貝爾市鄂溫克旗[5]、陜西榆林風(fēng)沙草灘區(qū)[6]以及河北中南部[7]等地區(qū)正在開展廣泛的引種、標(biāo)準(zhǔn)化種植等相關(guān)的推廣工作。

巨菌草推廣的地區(qū)同時存在生態(tài)環(huán)境惡化和干旱缺水問題。種植巨菌草后，區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)生了一定的改善[2]。但是巨菌草巨大的生物量對水分的消耗問題日益引起重視。作為主要的耗水過程[8]，準(zhǔn)確地預(yù)測和估算蒸散量(ET)及其變化過程對巨菌草產(chǎn)業(yè)發(fā)展的很多方面都十分關(guān)鍵，例如灌溉制度、節(jié)水途徑和潛力、抗旱性能提升以及產(chǎn)量預(yù)測等[9]。到目前為止，巨菌草蒸散規(guī)律的研究相對缺乏，尤其是不同區(qū)域的水分管理策略需要深入認(rèn)識蒸散發(fā)過程與氣象條件的內(nèi)在聯(lián)系，對于提高水分利用效率和維持巨菌草可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于福建農(nóng)林大學(xué)國家菌草工程技術(shù)研究中心塑料棚內(nèi)(26°5′21″N，119°14′49″E)。利用盆栽控制實(shí)驗獲得巨菌草的蒸散發(fā)動態(tài)，實(shí)驗采用的土壤為沙壤土，土壤肥力偏低。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均日照時數(shù)1 700～1 980 h，降水量900～2 100 mm，年均氣溫16～20 ℃。春季雨水多，濕度大，夏季悶熱高溫，多雷雨臺風(fēng)天氣，秋季天高云淡，日照充足[10]。試驗開展期間(2015年6月22日-8月29日)，常出現(xiàn)連續(xù)陰天和連續(xù)晴天的天氣狀況，對于本研究提供了較好的氣象背景。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

2.2.1 觀測數(shù)據(jù) 試驗盆的直徑和高度分別為28.5和38 cm，底部密封，間隔50 cm放置在大棚內(nèi)。供試巨菌草采用大小相似的種莖種植，每盆4株，發(fā)芽后選擇健壯、間隔較大的2株作為后續(xù)研究之用，4次重復(fù)。灌溉量為25 mm/7 d，每日18:00-19:00通過稱重法獲得巨菌草的蒸散量[11]，測量間隔分為1～7 d不等，灌溉前后加測一次。

2.2.2 模擬數(shù)據(jù) 利用SiB2模型模擬巨菌草的蒸散發(fā)過程。SiB2模型是在SiB(Simple Biosphere Model)基礎(chǔ)上，由Sellers 等[12]改進(jìn)的基于植物生理過程[13]的土壤-植被-大氣模式，對陸-氣界面的CO2、蒸散發(fā)和能量平衡有良好的模擬效果[14-16]。在2015年氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(降水?dāng)?shù)據(jù)修改為實(shí)際灌溉量)下，對觀測數(shù)據(jù)期內(nèi)的蒸散發(fā)過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明(圖1)，該模型對累積蒸散發(fā)動態(tài)的模擬效果良好，累積蒸散發(fā)的模擬值與實(shí)測值的線性決定系數(shù)為0.99，模擬的累積誤差為38.9±6.3 mm。

圖1 SiB2模型對累積蒸散發(fā)的模擬效果

2.2.3 氣象數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)來自于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺中2015年的福州市氣象數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)一的質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)正確率和質(zhì)量極高。數(shù)據(jù)集中包含大氣壓強(qiáng)p， hPa；風(fēng)速WS，m/s；空氣溫度t，℃；相對濕度RH， %；水汽壓e， hPa；降水P， mm；日照時數(shù)SD， h等。數(shù)據(jù)并沒有缺失，無需補(bǔ)缺。研究過程中，用實(shí)際灌溉量替代降水量進(jìn)行分析。采用修正Tetens公式和RH計算了飽和水汽壓差VPD， hPa 。太陽輻射SR， W/m2數(shù)據(jù)根據(jù)日照時數(shù)與輻射的關(guān)系獲得[17]，凈輻射Rn，W/m2；土壤含水量SW， %和冠層導(dǎo)度gc，mol/(m2·s)數(shù)據(jù)來自于SiB2模型的模擬數(shù)據(jù)[12]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本文采用模擬數(shù)據(jù)替代觀測數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計方法分析環(huán)境因子對蒸散發(fā)的影響過程，并遴選出蒸散發(fā)的關(guān)鍵控制因素，建立多元回歸關(guān)系。然后，根據(jù)多元回歸關(guān)系和環(huán)境因子計算出的蒸散發(fā)，與觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，進(jìn)一步確保該回歸關(guān)系具有一定的適用性。

根據(jù)SD和P發(fā)生的時間，篩選出連續(xù)晴天(DOY 206-219)和連續(xù)陰天(DOY 220-225)等兩種天氣類型(圖2)，對蒸散發(fā)和環(huán)境因素進(jìn)行歸一化處理，利用歸一化指數(shù)展示并分析了蒸散發(fā)日變化的影響因素。

3 結(jié)果與討論

3.1 蒸散發(fā)和氣象因素的變化過程

圖3為蒸散發(fā)ET和氣象數(shù)據(jù)波動圖。由圖3可以看出，試驗期間ET和氣象要素具有明顯的波動。巨菌草ET的波動范圍在0.5～6.9 mm/d，平均值為3.9 mm/d；氣象要素的變化范圍分別為：WS在1.13～7.89 m/s，t在23.65～31.88 ℃，RH在59.38～94.00 %，e在24.9～33.0 hPa。數(shù)據(jù)顯示，以上氣象數(shù)據(jù)之間沒有顯示出明顯的同步或異步變化過程。

灌溉是蒸散發(fā)的唯一水分來源。在試驗期間，P以人工灌溉為主，前期的灌溉量在15 mm/d以下，巨菌草生長到后期，平均每次灌溉30 mm/d左右(圖2)。SD是蒸散發(fā)能量來源的指標(biāo)，每日太陽最長的照射時間為11.2 h，經(jīng)常發(fā)生SD連續(xù)為0或者連續(xù)大于9 h的現(xiàn)象。連續(xù)陰天減少太陽到達(dá)地面的輻射和光照，造成水分無法及時排掉，并對植物的生理、生長和產(chǎn)量等產(chǎn)生顯著影響[18-19]。灌溉的水分在連續(xù)晴天條件下會脅迫巨菌草的生長，降低光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度[20-21]。

圖2 日照時數(shù)和灌溉量在試驗期間的變化過程

3.2 蒸散發(fā)季節(jié)變化的影響因素

分別利用線性和二次三項式擬合的方法對環(huán)境因素與日蒸散量的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)t、RH、SD、SR、VPD和Rn與ET具有良好的關(guān)系(表1)。根據(jù)決定系數(shù)(R2)的大小，t、SD和VPD與ET的關(guān)系呈單峰關(guān)系，均隨這些變量的增大而先增后減，并分別在31.5 ℃、10.6 h、44.5 hPa達(dá)到最大值。線性和二次三項式擬合得到的決定系數(shù)，對于RH、SR和Rn等變量的差別較小，表明兩種關(guān)系均對這些變量與ET的關(guān)系有較好的擬合效果。從二次三項式的拐點(diǎn)而言，在RH、SR和Rn的實(shí)際變化范圍內(nèi)，變量與蒸散發(fā)呈線性關(guān)系，線性回歸可以更加簡單的描述自變量與蒸散發(fā)的關(guān)系。隨著RH、SR和Rn的增大，ET的響應(yīng)分別為降低、增大和增大。

圖3 ET和氣象數(shù)據(jù)的波動

表1 巨菌草蒸散發(fā)季節(jié)變化的相關(guān)因素

從蒸散發(fā)的能量和動力學(xué)角度可以較好的理解蒸散發(fā)與環(huán)境變量的關(guān)系。t、RH和VPD代表了大氣對地表和植物水分的吸收能力，t和VPD越高、RH越低，空氣對地面和植物體內(nèi)水分的動力學(xué)輸送能力越強(qiáng)，有利于水分向大氣運(yùn)動。SD、SR和Rn是植物蒸散發(fā)的能量來源，能量越多，越有利于水分子的動能和向大氣的擴(kuò)散，進(jìn)而促進(jìn)蒸散發(fā)的發(fā)生[22]。

ET同時受到SW、gc等因素的影響。雖然本文揭示ET主要受氣象條件的影響，但是在水分虧缺狀態(tài)下，不僅減少地表水分蒸發(fā)，而且造成植物氣孔減小甚至關(guān)閉，增大水分向大氣散失過程中的氣孔阻力[23]。t、SD和VPD與ET的關(guān)系呈單峰關(guān)系，也在一定程度上受SW和gc的影響。例如，消除gc對t的線性影響(兩者關(guān)系非常弱)，空氣溫度與蒸散發(fā)的線性擬合方程為：ET=0.87t+ 25.06，R2=0.64。消除gc對t的線性影響之后，決定系數(shù)的大小與未消除之前t與ET用二次三項式擬合的決定系數(shù)接近，說明消除gc對ET的干擾后，在t變化范圍內(nèi)對ET具有線性促進(jìn)作用，并提高了對ET的解釋能力。

ET與gc的關(guān)系較弱，與E和T在巨菌草不同生長期的占比不同具有較大關(guān)系。在巨菌草生長初期，地表裸露面積較大，土壤E對ET的貢獻(xiàn)較大，gc對T的調(diào)控對ET的波動占比較低；隨著巨菌草的生長，T占ET的比例逐漸增加，gc通過蒸騰作用對ET的影響逐漸增強(qiáng)。因此，gc對ET隨時間具有不同的關(guān)系，難以用數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)[24]。

選擇ET季節(jié)動態(tài)的影響因素，建立了蒸散發(fā)與氣象因素的多元回歸關(guān)系：

ET=2.78t-0.082RH+0.91SR-1.25VPD-

0.97Rn-32.1,R2=0.86

(1)

利用方程(1)和相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，計算得到的ET數(shù)據(jù)與實(shí)測結(jié)果的線性決定系數(shù)為0.99，計算值比實(shí)測值大3.38±7.64 mm(圖4)，能夠較好地預(yù)測巨菌草ET的季節(jié)變化規(guī)律。

根據(jù)黑河上游的觀測結(jié)果，草地蒸散發(fā)的影響因素包括：風(fēng)速、氣壓、空氣溫度、相對濕度、太陽輻射和土壤溫度等，通徑分析表明空氣溫度是最主要的影響因素，其次為土壤水分，風(fēng)速和土壤濕度[25]。本文的研究同樣支持空氣溫度是巨菌草的重要影響因素，太陽輻射、日照時數(shù)和凈輻射等能量因素也有一定的影響，這與巨菌草光合作用能力強(qiáng)和生物量大有密切關(guān)系[2]。

圖4 多元回歸方程對累積蒸散發(fā)的預(yù)測效果

3.3 蒸散發(fā)日變化的影響因素

在晴朗天氣，ET和環(huán)境因素(如Rn、gc、t和SR)具有明顯的日變化過程見圖5。由圖5可見，除了gc由于光合午休現(xiàn)象呈雙峰變化過程外，其他因素均呈單峰變化過程：中午最高，夜晚最低。在白天，ET與太陽輻射因素(如Rn和SR)具有一致的變化過程；夜晚太陽輻射因素波動較小，t與ET的變化過程相對一致。線性回歸分析表明，Rn、gc、t和SR對ET的決定系數(shù)分別為0.85、0.61、0.45、0.86。良好的太陽輻射條件提供了充足的水分，ET在該灌溉周期中變幅較小，距離灌溉時間越久，ET呈輕微下降的過程，這與土壤表層逐漸干燥造成的蒸發(fā)過程減弱有關(guān)，但是gc控制的蒸騰下降過程不明顯。

光合午休是植物的一種普遍現(xiàn)象，與環(huán)境因素具有密切關(guān)系。根據(jù)對大豆光合午休的分析，不同時刻午休的影響因素是不同的，11：00主要由于氣孔導(dǎo)度下降造成，13：00-15：00主要是VPD和葉溫過高造成，15：00氣孔導(dǎo)度通過影響VPD和葉溫對光合的下降起重要的間接作用[26]。青儲玉米的光合午休現(xiàn)象主要與強(qiáng)烈的光照有關(guān)系，通過一系列光保護(hù)機(jī)制耗散過剩的光能[27]。巨菌草產(chǎn)生光合午休的時刻主要在中午13：00-15：00，可能與VPD和t過高造成的細(xì)胞失水過程過快有密切聯(lián)系，通過氣孔或者非氣孔因素限制水分的散失[28]。

圖5 晴天ET和環(huán)境因素的日變化規(guī)律

在連續(xù)陰天條件下，ET和環(huán)境因素(如Rn、gc、t和SR)具有明顯的日變化過程，且不同日期的變化幅度差別很大(圖6)。陰天造成Rn、t和SR具有較大幅度的下降，中午太陽能量的降低緩解了巨菌草由于水分和光能等因素產(chǎn)生的光合午休影響[26-28]，gc呈單峰變化過程。ET與Rn、gc、t和SR等因素的變化具有較好一致性，在太陽輻射因素偏低過程中，ET相對較低，在期間的2次晴天中，有較大幅度的提升。因此，在日變化過程中，ET與太陽輻射能量具有密切的關(guān)系。線性回歸分析表明，Rn、gc、t和SR對ET的決定系數(shù)分別為0.94、0.64、0.68、0.95。草地的觀測結(jié)果表明，裸露土地ET的峰值出現(xiàn)在13：00，草地覆蓋地區(qū)ET的峰值時間在14：00左右[25]。在連續(xù)晴天條件下，巨菌草的光合作用在中午時分暫時停止，從而減緩了ET在中午時刻的增加幅度，峰值出現(xiàn)在13：00，14:00的ET出現(xiàn)較大幅度的下降。但是連續(xù)陰天條件下，ET在14：00下降的幅度非常緩和。

圖6 陰天ET和環(huán)境因素的日變化規(guī)律

4 結(jié) 論

巨菌草的ET動態(tài)及其規(guī)律是其灌溉制度、節(jié)水途徑和潛力、抗旱性能提升以及產(chǎn)量預(yù)測等問題的關(guān)鍵過程。本文利用ET的觀測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，深入分析了福州地區(qū)氣象條件、植物特征和土壤水分含量等因素對巨菌草ET過程的影響，獲得了巨菌草ET的日變化和季節(jié)變化動態(tài)、確立了環(huán)境因素對巨菌草ET的主要影響過程、并建立了基于氣象條件的巨菌草ET的預(yù)測方程。研究結(jié)果對于提高巨菌草的水分利用效率和可持續(xù)發(fā)展有重要意義。主要結(jié)論如下：

(1) 試驗期間巨菌草ET的波動范圍在0.5～6.9 mm/d，平均值為3.9 mm/d；氣象要素WS、t、RH、e、SD、P的波動范圍分別為1.13～7.89 m/s、23.65～31.88℃、59.38%～94.00 %、24.9～33 hPa、0～11.2 h、14.7～31.6 mm/次，并經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)陰天和晴天的情況。

(2) 巨菌草ET的主要影響因素包括：t、RH、SD、SR、VPD、Rn等。在各自的變化范圍內(nèi)，t、SD和VPD與ET的關(guān)系呈單峰關(guān)系，隨這些變量的增大而先增后減，并分別在31.5℃、10.6 h、44.5 hPa達(dá)到最大值；隨著RH、SR和Rn的增大，ET分別線性降低、增大和增大。

(3) 建立了福州地區(qū)巨菌草ET與氣象因素的多元回歸關(guān)系，對巨菌草ET波動的解釋力可達(dá)99%，誤差為3.38±7.64 mm。

(4) 連續(xù)晴天條件下，ET和Rn、gc、t和SR具有明顯的日變化過程，其中g(shù)c呈雙峰變化過程，其他因素均呈單峰變化過程；Rn和SR可以解釋85%以上ET的變化；受表層土壤水分含量下降的影響，距離灌溉時間越久，ET呈輕微下降的過程。

(5) 連續(xù)陰天條件下，Rn、gc和SR呈單峰變化過程，ET和t在單峰變化過程中出現(xiàn)了一定的波動；Rn和SR可以解釋94%以上ET的變化；陰天造成的太陽能量缺乏是ET變化的主要因素，減弱了SW和gc對ET的制約，太陽輻射對ET的解釋能力高于連續(xù)晴天。