嚴(yán)東英，董曉華，李 璐，趙 喬，葛 亮，洪江新

(1. 三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430072；3. 中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550081；4. 宜昌晟泰水電實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 444200)

0 引 言

蒸騰作用是植物通過葉片將體內(nèi)的水分以水蒸氣的形式蒸散到大氣中的過程，是植物耗水的主要方式。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)植被新陳代謝過程中所需水分不足5%，而蒸騰耗水量占整個(gè)植株耗水量的90%以上，樹木99%以上的液流用于植物的蒸騰[1]，所以通常用液流量直接反映樹木的蒸騰耗水能力。蒸騰作用是土壤-植物-大氣連續(xù)體系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的水熱平衡[2]，它也是一種復(fù)雜的、維持植物生長發(fā)育的重要的生理過程。因此長期以來，植物蒸騰問題受到了水文學(xué)、氣象學(xué)、自然地理土壤學(xué)、農(nóng)學(xué)、林學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的共同關(guān)注。

植物蒸騰作為水文循環(huán)中的重要一環(huán)，研究植物的蒸騰規(guī)律對于認(rèn)識水文循環(huán)過程、了解植物蒸騰與氣象環(huán)境的關(guān)系具有重要的意義。同時(shí)植物蒸騰是水資源配置中的重要組成部分，測量植株蒸騰量的大小對于水資源合理配置具有重要的指導(dǎo)作用[3]。在我國，諸多學(xué)者對砂巖區(qū)[4]、水蝕風(fēng)蝕復(fù)合區(qū)[5]、城市森林建設(shè)區(qū)[6]等不同樹種的蒸騰規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同樹種蒸騰耗水的變化特征、蒸騰量的大小差異，為該地區(qū)樹種的栽培管理及水資源合理利用提供支持。蒸騰作用不僅受植物體本身的調(diào)節(jié)和控制，很大程度上還受外界環(huán)境因子的影響[7-9]。張西平等[10]采用相關(guān)分析法研究了黃瓜植物蒸騰量與氣象因子的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在日光溫室膜下，日最高溫度和日平均相對濕度與蒸騰量存在線性關(guān)系；趙宏瑾等[11]對榆樹蒸騰速率日變化及影響因子進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響榆樹蒸騰速率的主要影響因子為大氣溫度和光合有效輻射。同時(shí)氣象因子不同，作物生長也存在差異[12]。沈陳華等對氣象因子影響水稻[13]、玉米[14]、蘋果[15]等植株產(chǎn)量及質(zhì)量的研究，為植株選擇適宜的種植環(huán)境提供依據(jù)，以此使作物達(dá)到高質(zhì)高產(chǎn)的目的。

本文研究對象柑橘樹[16]和枇杷樹[17]均是四季常綠小喬木，是湖北省宜昌市的重要經(jīng)濟(jì)作物，也是兩種廣泛種植的綠化植物。對于柑橘樹，董曉華等[2]研究了光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度對柑橘樹蒸騰規(guī)律的影響，通過人工氣候室控制實(shí)驗(yàn)過程中光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度，發(fā)現(xiàn)了柑橘樹蒸騰速率隨二氧化碳濃度的升高先增加后降低，隨光照強(qiáng)度的增加而升高；李璐等[18]觀測了柑橘樹的日蒸騰規(guī)律，根據(jù)氣象因子和葉面積指數(shù)，對Penman-Monteith模型[19]進(jìn)行修正，用修正后的模型模擬了柑橘樹的蒸騰過程，發(fā)現(xiàn)具有較高的準(zhǔn)確性。對于枇杷樹，僅有為促進(jìn)果樹生長發(fā)育，提高果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)，采取的適宜灌溉方式[20]、合理的灌水量[21]、適時(shí)適量施肥等一些技術(shù)措施的研究，尚無對其蒸騰規(guī)律以及氣象因子對其蒸騰規(guī)律影響的研究分析。

因此本研究采用包裹式莖流計(jì)法[22]，對盆栽單株柑橘樹與枇杷樹的蒸騰過程進(jìn)行了測定，利用氣象儀對其氣象因子進(jìn)行采集，以研究柑橘樹與枇杷樹的蒸騰耗水規(guī)律，比較兩種植株的蒸騰速率差異，分析蒸騰與植株個(gè)體、氣象因子的關(guān)系，以深入理解不同植物的蒸騰規(guī)律，并為提高灌溉用水效率提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)于2017年8月17日-2017年8月19日在湖北省宜昌市三峽大學(xué)水文與水資源實(shí)驗(yàn)室室外實(shí)驗(yàn)場進(jìn)行，地理位置111°19′E、30°42′N，海拔高度是79.90 m。試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，春秋較長，雨水豐沛且多在夏季，無霜期較長。多年平均降水量1 215.60 mm，平均氣溫16.90 ℃。

本試驗(yàn)柑橘樹取自宜昌市秭歸縣茅坪鎮(zhèn)柑橘園，試驗(yàn)枇杷樹取自宜昌本地。兩種植株自身具體特征值見表1。

表1 柑橘樹與枇杷樹形態(tài)特征值Tab.1 Morphological characteristic values of citrus trees and loquat trees

1.2 莖流計(jì)測莖流的方法

包裹式莖流計(jì)是測量莖流的一種技術(shù)[23]，通過莖流計(jì)測量得知植物蒸騰量。其測量原理是基于能量平衡原理，傳感器測量莖稈內(nèi)液流攜帶熱量的變化，并將之轉(zhuǎn)換為植株實(shí)時(shí)的蒸騰速率[24]。傳感器一般將植物加溫1～5 ℃，對植物非侵入，無傷害。

莖流計(jì)測量植物蒸騰速率的基本原理是，當(dāng)莖流計(jì)的熱源以恒定的功率Pin(單位：W)作用于莖稈后，在不考慮莖稈本身熱容量的情況下，液流所攜帶的能量被分解為4個(gè)部分：①隨水流上升向上傳輸?shù)哪芰縌f(單位：W)；②與垂直方向向上部分及下部分的水流發(fā)生熱交換的能量(單位：W)；③以輻射形式向四周散熱的能量Qr(單位：W)；④莖稈內(nèi)存儲的能量W(單位：W)。根據(jù)莖流中熱源傳輸?shù)乃俾室约芭c徑向、橫向的熱交換程度，運(yùn)用熱平衡原理進(jìn)行計(jì)算求得莖稈的水流通量，即植株的蒸騰速率。上述能量平衡方程[25,26]如公式(1)所示：

Pin=Qf+Qv+Qr+Qs

(1)

測定植物蒸騰量的方法主要有稱重式蒸滲儀法、水量平衡法、能量波文比法等，但它們只是計(jì)算植物的總蒸散量，無法將植物蒸騰與土壤的蒸發(fā)分開。而莖流計(jì)則是可以通過加熱植物莖稈來測量液流速率，進(jìn)而計(jì)算植物蒸騰量的一種儀器，該方法的2個(gè)顯著的特點(diǎn)是不需要標(biāo)定、不需要將溫度傳感器插入莖稈中便可直接測量。

1.3 試驗(yàn)預(yù)處理

試驗(yàn)前選擇健康、枝葉茂盛的植株進(jìn)行維護(hù)。試驗(yàn)前18 h，將兩種盆栽植株充分灌溉，保證試驗(yàn)開始時(shí)盆栽土壤已達(dá)到充分供水的狀態(tài)。同時(shí)在盆栽土壤表面及其盆底用一層保鮮膜全部覆蓋，防止水分從盆地和土壤表面散發(fā)。

檢查包裹傳感器與莖稈包裹處是否貼合，去除小的枝葉和萌芽后，對莖稈打磨處理，清理莖稈后涂抹植物油，預(yù)防不定根生成。安裝莖流計(jì)傳感器時(shí)，包裹內(nèi)部尤其是加熱片和熱電偶絲上，均勻涂抹G4 復(fù)合物，以防止傳感器熱電金屬絲遇水腐蝕。

1.4 試驗(yàn)儀器安裝

選擇合適內(nèi)徑的傳感器，將傳感器小心地安裝在被測區(qū)，包裹好絕緣、防輻射鋁箔材料，最后用塑料薄膜密封以防止雨水進(jìn)入。安裝好后將數(shù)據(jù)饋線與數(shù)據(jù)采集器連接，接通電源并設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔。同時(shí)接通氣象儀數(shù)據(jù)采集器，用于記錄太陽凈輻射、大氣溫度、環(huán)境濕度等各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，其測定時(shí)間與莖流計(jì)同步。

1.5 數(shù)據(jù)采集與處理

將數(shù)據(jù)采集器與筆記本電腦相連，當(dāng)儀器監(jiān)測的各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定后用筆記本電腦采集數(shù)據(jù)。將測得的莖流數(shù)據(jù)和各項(xiàng)氣象因子數(shù)據(jù)處理為小時(shí)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分析計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 柑橘樹與枇杷樹蒸騰規(guī)律

為避免氣象變化帶來的影響，本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)選用氣象條件相近下測得的蒸騰數(shù)據(jù)，即選取了2017年8月17日-2017年8月19日的數(shù)據(jù)。柑橘樹與枇杷樹蒸騰速率數(shù)據(jù)對比如圖 1(a)所示，試驗(yàn)期間同期氣象數(shù)據(jù)如圖 1(b)所示。

圖1 柑橘樹與枇杷樹蒸騰速率和同期氣象因子測量結(jié)果(2017年8月17日-8月19日)Fig.1 Transpiration rate and contemporaneous meteorological factors of citrus trees and loquat trees (August 2017)

由圖1可知柑橘樹與枇杷樹蒸騰速率均為多峰曲線，并且均出現(xiàn)了明顯的晝夜變化規(guī)律，夜晚由于植物光合作停止、溫度低、濕度大等原因，幾乎沒有液流量。柑橘樹日均蒸騰量為850.41 g，枇杷樹日均蒸騰量為1227.36 g，兩種植株蒸騰量相比較，枇杷樹日均蒸騰量要比柑橘樹多44.33%(376.95 g)。兩株植物蒸騰啟動(dòng)時(shí)間大致均為上午8∶00，上午開始蒸騰速率較小，隨時(shí)間變化，蒸騰速率迅速增加。中午由于高輻射、高溫，植物葉面部分氣孔關(guān)閉或者縮小，蒸騰速率下降，導(dǎo)致兩種植株均出現(xiàn)不同程度的午休現(xiàn)象，相比柑橘樹，枇杷樹午休現(xiàn)象更明顯。午休過后蒸騰速率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，枇杷樹蒸騰速率變化曲線較陡且峰值范圍較寬，柑橘樹蒸騰速率變化曲線較平緩且峰值范圍較窄，具體變化情況如表2所示。

表2 柑橘樹與枇杷樹蒸騰速率變化特征值Tab.2 Characteristic values of transpiration rate changes in citrus trees and loquat trees

試驗(yàn)期間氣象數(shù)據(jù)，包括土壤溫度、大氣溫度、環(huán)境濕度、太陽凈輻射、露點(diǎn)溫度，采用FSR-4便攜式氣象儀連續(xù)測定。從圖1中可以看出，3 d試驗(yàn)期間各個(gè)氣象要素變化不大，尤其是對蒸騰影響較大的幾個(gè)因素，如太陽凈輻射、大氣溫度、環(huán)境濕度。試驗(yàn)期間大氣溫度、土壤溫度均高于露點(diǎn)溫度，因此不會發(fā)生凝結(jié)作用，不會對蒸騰試驗(yàn)造成影響。

2017年8月17日，從上午8點(diǎn)起，隨時(shí)間變化，兩種植株枇杷樹和柑橘樹蒸騰速率逐漸加快。到上午10∶00枇杷樹蒸騰速率達(dá)到第一個(gè)峰值189.27 g/h，在午后14∶00出現(xiàn)明顯的午休現(xiàn)象，此時(shí)蒸騰速率達(dá)到低谷值115.15 g/h，其降幅為74.12 g/h。午休過后蒸騰速率隨時(shí)間又開始加快，到15∶00時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)峰值148.47 g/h，其升幅為33.32 g/h，枇杷樹平均蒸騰速率為108.30 g/h。到中午11∶00柑橘樹蒸騰速率達(dá)到第一個(gè)峰值77.16 g/h，在中午12∶00出現(xiàn)午休現(xiàn)象，此時(shí)蒸騰速率達(dá)到低谷值60.04 g/h，其降幅為15.12 g/h。午休過后蒸騰速率隨時(shí)間又開始加快，到15∶00時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)峰值93.32 g/h，其升幅為33.28 g/h，柑橘樹平均蒸騰速率為57.56 g/h。其余兩天變化規(guī)律與2017年8月17號基本一致。

本次試驗(yàn)選取的枇杷樹和柑橘樹自身的一些特征值如表 1所示。其株高基本相近，分別為118、114 cm。胸徑分別為1.53、1.87 cm；冠層寬度分別為79、90 cm；冠層高度分別為50、68 cm，這3個(gè)特征值均存在著一定的差異。枇杷樹葉革質(zhì)，披針形、頁面褶皺，葉下面灰棕色絨毛，柑橘樹葉子堅(jiān)硬，葉面光滑且有蠟質(zhì)薄膜，這些不同特點(diǎn)可能是導(dǎo)致這兩種植株蒸騰規(guī)律的不同的原因。

2.2 柑橘樹和枇杷樹的蒸騰速率與氣象因子的關(guān)系

為研究柑橘樹和枇杷樹蒸騰速率與氣象因子日變化規(guī)律，選用了2017年8月17日的數(shù)據(jù)，并且選取了蒸騰速率較為明顯時(shí)對應(yīng)的同期氣象數(shù)據(jù)，即從早上6∶00到晚上20∶00的數(shù)據(jù)為研究對象(如圖2所示)。由圖可知：太陽凈輻射、大氣溫度和土壤溫度的變化規(guī)律與柑橘樹和枇杷樹的蒸騰速率變化規(guī)律大致成正相關(guān)關(guān)系，而環(huán)境濕度與柑橘樹和枇杷樹的蒸騰速率則具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。從早上6∶00到上午10∶00，兩種植株的蒸騰速率隨著時(shí)間在迅速的增加，而環(huán)境濕度則隨著時(shí)間變化在不斷減少，在10∶00時(shí)枇杷樹的蒸騰速率出現(xiàn)了第一個(gè)峰值189.27 g/h，環(huán)境濕度也出現(xiàn)了一個(gè)低谷值。15∶00以后蒸騰速率隨時(shí)間不斷減少，而環(huán)境濕度則隨時(shí)間不斷增加。太陽凈輻射與柑橘樹和枇杷樹的蒸騰速率變化規(guī)律基本一致，在上午11∶00時(shí)太陽凈輻射出現(xiàn)一天中最大值316 W/m2，此時(shí)柑橘樹的蒸騰速率也出現(xiàn)第一個(gè)峰值77.16 g/h。

為進(jìn)一步研究枇杷樹和柑橘樹的蒸騰速率與氣象因子的相關(guān)性關(guān)系，本文選用了2017年8月17日兩種植株的蒸騰速率與各氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析。結(jié)果如表3。

圖2 柑橘樹和枇杷樹蒸騰速率與各氣象因子對比圖Fig.2 Comparison of transpiration rate and meteorological factors in citrus trees and loquat trees

表3 柑橘樹和枇杷樹蒸騰速率與各氣象因子的相關(guān)關(guān)系Tab.3 Correlation between transpiration rate of citrus trees and loquat trees and meteorological factors

注：其中ET為植株蒸騰速率，g/h；Rn為太陽凈輻射，W/m2；RH為環(huán)境濕度，%；Ta為大氣溫度，℃；Ts為土壤溫度，℃。

由回歸分析結(jié)果表3可知：柑橘樹和枇杷樹蒸騰速率均與太陽凈輻射、大氣溫度、土壤溫度成正比，而與環(huán)境濕度成反比。對于柑橘樹，各主要?dú)庀笠蜃酉嚓P(guān)關(guān)系為：環(huán)境濕度(0.79)>土壤溫度(0.76)>太陽凈輻射(0.75)>大氣溫度(0.65)；對于枇杷樹，各主要?dú)庀笠蜃酉嚓P(guān)關(guān)系為：太陽凈輻射(0.77)>環(huán)境濕度(0.75)>大氣溫度(0.70)>土壤溫度(0.46)。

3 結(jié)論與討論

本研究通過對柑橘樹和枇杷樹蒸騰規(guī)律的比較分析，以及對影響兩種植株蒸騰速率的氣象因子進(jìn)行觀測，得出了以下主要結(jié)論：①柑橘樹和枇杷樹蒸騰速率均為多峰曲線，白天蒸騰變化比較明顯，夜間幾乎沒有液流；枇杷樹日均蒸騰量要大于柑橘樹44.33%(376.95 g)；柑橘樹蒸騰速率變化曲線則較平緩，枇杷樹蒸騰速率變化曲線較陡。②上午8∶00以后隨著太陽凈輻射增強(qiáng)、溫度升高，液流速率急劇增加；中午出現(xiàn)不同程度的午休現(xiàn)象，相比柑橘樹，枇杷樹午休現(xiàn)象更明顯；午休過后蒸騰速率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。③柑橘樹和枇杷樹蒸騰速率均與太陽凈輻射、大氣溫度、土壤溫度成正比，而與環(huán)境濕度成反比。其中土壤溫度對柑橘樹蒸騰速率的影響相較枇杷樹要大，土壤溫度與枇杷樹的相關(guān)系數(shù)為0.46，而柑橘樹的達(dá)到了0.76，其他氣象因子對兩種植株蒸騰速率的影響大小基本一致。本研究對柑橘樹和枇杷樹的蒸騰速率及其氣象因子進(jìn)行了分析，需要指出的是，植株的蒸騰速率除受氣象因子的影響外，還受樹種的生理狀況、季節(jié)、極端氣候等的影響，因此在對植株蒸騰速率進(jìn)行研究時(shí)，也需要綜合考慮這些因素。