基于SPAC系統的干旱區枸杞蒸騰耗水模擬與分析

徐利崗，杜 歷，李金澤，湯 英，王懷博，唐 瑞

(寧夏水利科學研究院，銀川 750021)

蒸騰作用是植物以蒸汽的形式散失水分的過程，即植物根部吸收土壤水分，通過莖運輸到植株頂部，從葉表面蒸騰散失[1]，而蒸騰耗水99.8%以上來自于樹干液流[2]。因此可以采用植物生理學原理[3]、熱技術莖流計[4]等方法測定植株液流量從而確定植物蒸騰耗水量。石磊從枝葉、單木、林分和區域(流域)4個尺度上，綜合評述了當前國內外關于林木蒸騰耗水量的測算方法，對比分析了不同測算方法的測定對象、適用條件及優缺點[5]。也有學者利用樹干液流分析了不同徑級的西伯利亞紅松[6]、胡楊[7]、梭梭[8]、玉米[9]、覆膜旱作稻田[10]、混播草坪草[11]的蒸騰耗水規律。孫龍[12]分析了不同土壤水分對沙棘、沙棗、檸條和多花檉柳的蒸騰耗水的影響特征。莫康樂[13]、徐利崗[14,15]、高浩[16]則分別分析了人工楊樹林、干旱區枸杞及單株油蒿的蒸騰耗水與土壤含水率及環境因子間的相關關系。學者們大多是針對某種作物的蒸騰耗水在不同時間尺度上的變化特征及規律進行相關探討，但以土壤、植物、大氣為連續體全面分析并模擬蒸騰耗水的研究較少。本文以寧夏枸杞為研究對象，采用包裹式莖流監測系統連續監測自然生長條件下的枸杞2015年全生育期(4-10月)樹干液流量，在試驗區設置自動墑情監測系統以及自動氣象站，分別監測枸杞全生育期根區土壤含水率變化及有試驗區氣象參數。基于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/site/index.html)提供的銀川站近10 a日氣象資料計算了枸杞全生育期日參考作物騰發量，基于各類數據構建了干旱區枸杞蒸騰耗水量與參考作物騰發量ET0以及蒸騰耗水量與枸杞莖粗、根區土壤含水量、氣象要素及飽和水氣壓等SPAC系統關鍵因子的相關關系及模擬模型，為枸杞水分虧缺診斷、需水量的計算與精量控制灌溉提供理論依據。

1 研究區概況

研究區地處西北干旱內陸地區，位于寧夏北部，干旱少雨，蒸發量大，日照充足，積溫較高。多年平均氣溫8.8 ℃，年日照時數為2 800～3 100 h，多年平均降雨量195 mm，蒸發量1 864 mm，無霜期155 d左右，年平均風速2～6 m/s，土壤凍結深度0.8～1.2 m。地下水水量豐富，主要為灌溉入滲、降水入滲及賀蘭山山前側向補給，地下水埋藏一般在1.0～3.0 m左右，礦化度小于1.0 g/L。核心試驗區位于中國灌溉試驗寧夏中心站試驗基地枸杞種植區(106°42′E 38°27′N，海拔1 115 m)，總面積0.333 hm2，枸杞種植株行距為1 m×3 m，選擇一塊長勢均等，冠幅適中，無病蟲害的片區(21 m×24 m)作為枸杞樹干液流試驗測定區域。試驗區土壤類型為淡灰鈣土，0～40 cm土壤顆粒組成：粒徑2.0～0.25 mm占49.4%，0.25～0.05 mm占31.6%，0.05～0.02 mm占2.0%，0.02～0.002占4.4%，<0.002 mm占12.6%，按美國土壤分類制為壤質砂土。試驗灌溉水源為地下水,礦化度0.46 g/L，符合灌溉水質標準要求。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗設置及設備安裝

(1)試驗對象為4年生寧夏枸杞，品種為寧杞7號。在試驗區域內選取5棵基徑分別為2.3、2.6、2.9、3.2、3.5 cm的典型樣株(處理編號分別為T1、T2、T3、T4及T5)。在距地面10 cm以上樹干順直段安裝意大利包裹式植物莖流監測系統(EL-100)的Dynagage包裹式莖流傳感器，進行枸杞莖干液流監測。取得2015年4-10月枸杞全生育期樹干液流數據，數據步長為60 min。

(2)安裝美國產WatchDog 2900ET自動氣象站1臺，實時監測試驗區太陽輻射、氣壓、相對濕度、溫度、降雨量、風速、露點溫度等氣象要素，獲取2015年1月1日-12月31日逐日氣象數據，數據步長為60 min。

(3)安裝意大利LSI-LASTEM公司生產土壤墑情監測站，分別在距典型樣株樹干水平20 cm處，縱剖面安裝土壤水分傳感器，安裝深度分別為20、40、60及80 cm處，獲取2015年1-12月逐日土壤含水率數據，數據步長為60 min。

2.2 研究方法

采用飽和水汽壓差VPD指標綜合表達溫度與空氣相對濕度的協同效應[8]，以分析其對枸杞樹干液流的影響。該指標計算公式如下：

(1)

VPD=E-ERh/100

式中：E為飽和水汽壓，kPa；Rh為相對濕度，%；t為空氣溫度，℃。

數據的統計分析使用SPSS軟件及Excel軟件，其中不同月份樹干液流的差異性采用Miniab16.0方差分析；樹干液流與氣象因子的相關性分析采用非參數檢驗Spearman分析方法，SPSS軟件予以實現。

3 結果與分析

3.1 干旱區枸杞蒸騰耗水與作物參考騰發量相關關系及其模擬

3.1.1 研究區近10年作物參考騰發量變化特征分析

利用銀川站2005-2014年各年4-10月日數據計算試驗區近10 a的參考作物騰發量逐日系列并進行整理繪制研究區參考作物騰發量及氣溫變化過程線(見圖1)。從圖1可以看出，作物參考騰發量總體呈降低趨勢，從2007年開始明顯降低，4-10月平均氣溫波動較大，氣溫的變化對參考作物騰發量的變化影響不劇烈。

3.1.2 枸杞蒸騰耗水與作物參考騰發量的相關關系及模擬分析

基于枸杞全生育期逐日作物參考騰發量數據系列，分別選取D=2.6 cm及D=3.5 cm的兩個典型樣株相應時段枸杞樹干液流數據進行互相關分析(見表1)，同時以枸杞樹干液流量為應變量，參考作物騰發量為自變量構建擬合模型。考慮到枸杞各月蒸騰耗水變化特征不同，為了更準確模擬枸杞逐月的耗水量，繪制二者擬合散點圖(見圖2)，并建立4-10月逐月的模擬模型(見表2)。從表1可以看出，參考作物騰發量ET0與各月樹干液流量S均具有極顯著的正相關關系，相關系數分別為0.565～0.774及0.611～0.792，且均通過了P=0.01的顯著性檢驗。D=2.6 cm與D=3.5 cm枸杞樣株全生育期分別符合S=0.330 7ET0-0.201(R2=0.822 1)及S=0.451 5ET0-0.822 9(R2=0.641)的線性模型。

圖1 研究區近10 a參考作物騰發量及氣溫變化過程線

基徑/cm項目日液流量/(L·d-1)4月5月6月7月8月9月10月Pearson相關性0.513**0.565**0.666**0.618**0.762**0.732**0.774**D=2.6顯著性(雙側)0.0030.00200.002000N20313031313031Pearson相關性0.647**0.728**0.792**0.726**0.611*0.739**0.712**D=3.5顯著性(雙側)00000.03500N20313031313031

注：**為0.01顯著水平；*為0.01顯著水平；4月9日安裝設備，10日起有完整莖流數據，故4月份樣本數為20。

圖2 枸杞樹干液流日累積量與作物日參考作物騰發量散點圖

表2 逐月枸杞樹干液流量與參考作物騰發量模擬模型

3.2 枸杞蒸騰耗水與SPAC系統關鍵參數模擬分析

分別整理2015年4-10月各月及全生育期(4-10月)枸杞典型樣株的生長指標、生理指標、根區土壤含水率以及各類氣象數據及水汽壓差數據系列，對各參量進行互相關關系分析，限于篇幅僅列舉全生育期(見表3)的相關關系表。從各時段各參數互相關分析表可以看出，不同時段枸杞蒸騰耗水與基徑、土壤含水率、太陽平均輻射、溫度及水汽壓差等SPAC系統關鍵參數均呈顯著正相關關系，且均通過了P=0.01的顯著性檢驗，相關系數分別為0.628、0.184、0.474、0.483及0.202。說明干旱區枸杞的蒸騰耗水受這些參數的顯著影響。同時，基莖與土壤含水率呈顯著性正相關(P=0.01)，土壤含水率與太陽平均輻射及溫度呈顯著反相關關系(P=0.01)相關系數分別為0.106及0.207，水汽壓差與太陽輻射成顯著反相關關系(P=0.01)，與溫度呈顯著性正相關關系(P=0.01)。依據各參量與蒸騰耗水間相關分析的顯著性程度，以枸杞日液流量S為應變量，枸杞基徑r、根區土壤含水率θ、太陽輻射Rs、溫度T及飽和水汽壓差VPD為自變量，進行多元回歸分析，建立枸杞耗水量與各診斷參量逐月擬合模型(見表4)，各月樹干液流與各參數成多元線性回歸方程，且擬合系數為0.547～0.837，擬合度較好。

表3 枸杞全生育期(4-10月)多參數之間相關關系

注：**在0.01 水平(雙側)上顯著相關;*在0.05 水平(雙側)上顯著相關。

表4 日液流量與多參數的線性回歸模型

3.3 多參數枸杞蒸騰耗水模型驗證

對多診斷參數擬合模型進行精度檢驗，選取基徑分別為3.5和2.6 cm典型樣株5-10月份逐月1-15日的逐日液流量S、枸杞基徑r、根區土壤含水率θ、太陽輻射Rs、溫度T及飽和水汽壓差VPD等參數實測值，帶入各月擬合方程，進行擬合精度檢驗(見表5)。從表5可以看出，對各月不同基徑枸杞的15日累計耗水量的擬合。基徑為3.5 cm時，模擬值與實測值誤差為-5.80%～2.52%，累計平均誤差僅為-0.93%。基徑為2.6 cm時，模擬值與實測值誤差為-2.36%～3.01%，累計平均誤差僅為0.69%。繪制不同基徑6月、8月及9月的實測值與模擬值過程線(見圖3)可以看出，二者擬合度較好。

表5 不同基莖各月方程擬合精度檢驗表

4 結 論

本文以寧夏枸杞為研究對象，采用包裹式莖流監測系統連續監測自然生長條件下的枸杞4-10月樹干液流量，同時利用自動墑情監測系統及自動氣象站，分別監測枸杞全生育期根區土壤含水率變化及試驗區氣象數據。基于各類數據分析構建了干旱區枸杞蒸騰耗水量與參考作物騰發量ET0以及蒸騰耗水量與枸杞莖粗、根區土壤含水量、氣象要素及飽和水氣壓等SPAC系統關鍵因子的相關關系及模擬模型，為枸杞水分虧缺診斷、需水量的計算與精量控制灌溉提供理論依據。形成的主要結論有：

圖3 不同基徑枸杞樹干液流實測值及模擬值變化過程線

(1)枸杞生育期參考作物騰發量ET0與各月樹干液流量S均具有極顯著的正相關關系，相關系數分別為0.565～0.774及0.611～0.792，且均通過了P=0.01的顯著性檢驗。D=2.6 cm與D=3.5 cm枸杞樣株全生育期分別符合S=0.330 7ET0-0.201(R2=0.822 1)及S=0.451 5ET0-0.822 9(R2=0.641)的線性模型。

(2)不同時段枸杞蒸騰耗水與基徑、土壤含水率、太陽平均輻射、溫度及水汽壓差等參數均呈正相關關系，相關系數分別為0.628、0.184、0.474、0.483及0.202，且都通過P=0.01顯著性檢驗。基徑與土壤含水率呈顯著性正相關(P=0.01)，土壤含水率與太陽平均輻射及溫度呈顯著反相關關系(P=0.01)相關系數分別為0.106及0.207，水汽壓差與太陽輻射成顯著反相關關系(P=0.01)，與溫度呈顯著性正相關關系(P=0.01)。

(3)依據各參量與蒸騰耗水間相關分析的顯著性程度，以枸杞日液流量S為應變量，枸杞基徑r、根區土壤含水率θ、太陽輻射Rs、溫度T及飽和水汽壓差VPD為自變量，進行多元回歸分析，建立枸杞耗水量與各診斷參量擬合模型S4-10月=1.378r+0.017θ+0.004Rs+0.028T+0.34VPD-4.579(R2=0.693)。對模型進行驗證，基徑為3.5 cm時，模擬值與實測值誤差為-5.80%～2.52%，累計平均誤差僅為-0.93%；基徑為2.6 cm時，模擬值與實測值誤差為-6.24%～2.52%，累計平均誤差僅為0.69%，二者擬合度較好。

水分在土壤-植物-大氣連續體中不斷地循環遷移，蒸騰耗水是植物水分消耗的主要方式，而蒸騰耗水與植物水分生命表征直接相聯系，決定著植物的水分盈缺與灌溉與否。表征作物耗水及缺水狀況的診斷指標主要有土壤水分、氣象要素和作物生理生態參量等三大類，但這些指標都存在各種各樣的局限性，如果單獨憑借某一類指標進行評判則會出現失誤，如土壤水分僅僅反映了作物的水分供應情況，并不能直接指示作物植株的耗水及水分狀況。因此，將土壤-植物-大氣作為一個有機整體，研究田間水分的循環過程和規律，探討以土壤水和作物關系、并考慮周圍大氣環境的農田水分調控機理，從綜合性、整體性、系統性角度出發研究作物缺水診斷及耗水規律將是作物需水信息研究的必然選擇，構建作物多參數蒸騰耗水模型探討其在作物全生育期的變化規律，將為實時、適量的科學合理灌溉提供決策依據。

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