基于冠氣溫差的棗樹根區(qū)土壤水分預(yù)報模型

王東豪， 張江輝， 白云崗， 劉洪波

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆水利水電科學(xué)研究院， 新疆 烏魯木齊 830049)

1 研究背景

了解并掌握植物生長對水分虧缺響應(yīng)規(guī)律，迅速而準(zhǔn)確地診斷植物水分狀況是優(yōu)化灌溉決策的基礎(chǔ)。冠氣溫差反映了植物與大氣及土壤之間的能量交換，是表征植物生理生態(tài)過程及能量平衡狀況的重要參數(shù)[1-3]。近年來隨著紅外測溫技術(shù)的快速發(fā)展，冠氣溫差法正成為診斷植物水分狀況的重要手段之一，能夠快速測定較大范圍的植物水分狀況[4-5]。在農(nóng)作物研究領(lǐng)域，通過監(jiān)測作物冠氣溫差預(yù)報作物及土壤水分狀況，在基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究方面已經(jīng)取得了重要進展[6-17]。在果樹學(xué)研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者在試驗研究與果樹水分虧缺預(yù)報模型構(gòu)建方面也取得了一定進展。試驗研究方面，Remorini等[18]就桃樹葉溫與植株水分狀況的關(guān)系進行了初步分析；Ballester等[19]研究指出冠氣溫差能夠較好地預(yù)測柑橘的水分虧缺狀況；Giuliani等[20]研究指出利用樹體熱像數(shù)據(jù)監(jiān)測蘋果樹及桃樹水分脅迫具有很好的理論基礎(chǔ)及應(yīng)用前景。預(yù)報模型構(gòu)建方面，張勁松等[21]與孟平等[22]在分析蘋果樹冠氣溫差與氣象因子及土壤含水量間關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了基于冠氣葉氣溫差的蘋果園土壤水分預(yù)報模型；李濤等[23]從氣象學(xué)理論的角度闡明了冠層溫度與大氣溫度的關(guān)系，提出了以能量守恒定律為基礎(chǔ)的冠氣溫度模擬模型。但總體而言，冠層溫度在果樹水分狀況診斷方面的理論及應(yīng)用研究仍較少，對于棗樹冠氣溫差方面的應(yīng)用研究未見報道。本文以冠氣溫差理論公式為基礎(chǔ)，分析冠氣溫差與冠層凈輻射、空氣相對濕度、風(fēng)速等冠層微氣象要素及土壤含水量的理論關(guān)系，得到基于冠氣溫差的棗樹根區(qū)土壤水分預(yù)報模型；利用紅外測溫儀觀測得到棗樹主要生長季節(jié)冠層溫度、冠層微氣象要素及棗樹根區(qū)土壤含水量實測數(shù)據(jù)，推求預(yù)報模型參數(shù)，對所建模型進行驗證；在此基礎(chǔ)之上，提出棗樹冠氣溫差閾值。旨在提供以冠氣溫差為基礎(chǔ)的棗樹水分狀況診斷方法，為發(fā)展研究區(qū)棗樹適時適量的高效灌溉提供理論指導(dǎo)，促進農(nóng)業(yè)灌溉水資源的高效利用。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設(shè)在新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局灌溉試驗站。試驗區(qū)地處亞歐大陸中心，新疆腹地，塔里木盆地北緣，東經(jīng)86°10′，北緯41°35′，海拔905 m左右，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，干旱少雨且風(fēng)沙較多，蒸發(fā)強烈，晝夜溫差大，多年平均降水量58.6 mm，年最大蒸發(fā)量2 788.2 mm(E20蒸發(fā)皿)，年平均風(fēng)速2.4 m/s，最大風(fēng)速22 m/s，年平均氣溫11.5℃，最低氣溫-30.9℃，最高氣溫42.2℃，年日照時數(shù)2 860～3 096 h，無霜期約為191 d。試驗區(qū)灌溉水主要來自孔雀河，平均灌水礦化度為0.8 g/L，土壤以砂質(zhì)壤土為主，環(huán)刀法測得0～100 cm土層平均容重為1.63 g/cm3，飽和含水量為0.4427 cm3/cm3，田間持水量0.2798 cm3/cm3，有機質(zhì)含量8.09～9.85 g/kg，速效氮19.3～65.5 mg/kg，速效磷8.9～13.2 mg/kg，速效鉀49.5～86.4 mg/kg。

2.2 試驗材料和方法

研究區(qū)棗樹為10 a生成齡灰棗，株行距2 m×3 m，株高2.6～3.2 m，冠幅3～4 m，垂直0～100 cm水平0～150 cm土層范圍內(nèi)吸收根根量占棗樹總吸收根根量的85%左右，為棗樹的主要根系層。棗樹生長期約為180 d，分為5個主要生育時段，萌芽期(4月上旬至4月中旬)，展葉期(4月下旬至5月中旬)、開花期(5月下旬至7月上旬)、幼果膨大期(7月上旬至8月下旬)、可開采成熟期(9月上旬至10月中旬)。棗樹采用漫灌方式進行灌溉，灌溉定額為15 000 m3/hm2，根據(jù)棗樹不同生育期需水，分10次進行灌水。主要觀測內(nèi)容及方法如下：

2.2.1 棗樹冠層小氣候觀測 在研究區(qū)中部選擇兩個試驗點A和B(圖1)，在試驗點A選擇4株代表性較好的以呈矩形分布的相鄰棗樹，在矩形中心處設(shè)置iMetos 氣象環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，在活動面(高度約2.0 m)上1.5 m高度采用CMP3、NHJQ55、IM5021D、A660611、05103L、IM5231傳感器(探頭)分別連續(xù)觀測太陽總輻射Q、冠層凈輻射Rn、空氣溫度Ta、相對濕度RH、風(fēng)速WS及降雨量P。系統(tǒng)采用CR1000X數(shù)據(jù)采集器每2 min采集1次數(shù)據(jù)，每10 min輸出1組平均值。觀測時期為2017年4月1日至2017年9月30日，棗樹全生育階段降雨量與ET0如圖2所示。

2.2.2棗樹冠層葉溫觀測 在2017年4月至9月典型晴天日14:00時，分別在試驗點A和B，采用FLUKE紅外測溫儀，于棗樹冠層上方0.5 m左右處，順太陽輻射方向、以45°俯角測定冠層葉溫Tc，每棵棗樹測3次，共測12個觀測值，取平均值作為棗樹冠層葉溫值；并于2017年4月至9月于選擇典型晴天、陰天日，在試驗點A，觀測Tc日變化，每旬觀測2～3 d。觀測時間8:00-20:00，每1 h觀測1次。

圖1 土壤水分觀測布置示意圖

圖2 2017年觀測期棗樹全生育階段降雨量與ET0

2.2.3 土壤水分觀測 在上述試驗點A和B的4棵棗樹所組成的矩形小區(qū)內(nèi)，于南、北向株間連線上等距離各位置3個觀測點，東、西向行間連線上等距離各布置4個觀測點(圖1)。于晴天日的12:00-16:00時段內(nèi)，采用PR2土壤剖面水分速測儀每隔20 cm測定土壤體積含水量，測定深度0～100 cm，每隔3～5 d測定1次，降雨、灌水后加測。觀測時間為2017年4月1日至9月30日。

2.3 理論分析

Jackson等[24]在冠層表面能量平衡與Penman-Monteith公式的基礎(chǔ)上給出了冠氣溫差的理論公式為：

(1)

式中：ΔT為冠氣溫差，℃；Rn為冠層凈輻射，W/m2；ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為空氣熱容量，J/( kg·℃)；γ為溫度計常數(shù)，0.066 kPa/℃；Δ為飽和水汽壓-溫度關(guān)系曲線斜率；Ta為空氣溫度，℃；es為空氣的飽和水汽壓，kPa；ea為空氣實際的水汽壓，kPa；rc和ra分別為植物冠層阻力和空氣動力學(xué)阻力，s/m。

由公式(1)可知，冠氣溫差ΔT與冠層凈輻射Rn、植物冠層阻力rc、空氣動力學(xué)阻力ra以及空氣飽和壓差(es-ea)密切相關(guān)。空氣飽和壓差(es-ea)可以用空氣相對濕度RH來反映。空氣動力學(xué)阻力ra與植物株高H及風(fēng)速WS密切相關(guān)。植物冠層阻力rc主要由葉面阻力和氣孔阻力所控制，與葉面積指數(shù)、氣孔特性及植物水勢直接相關(guān)，而植物水勢又與土壤含水量密切相關(guān)，因此，植物冠層阻力rc可以用葉面積指數(shù)LAI、氣孔特性SC及土壤含水量SW表示。

以上分析表明，冠氣溫差ΔT與冠層凈輻射Rn、相對濕度RH、風(fēng)速WS、植物株高H、葉面積指數(shù)LAI、氣孔特性SC及土壤含水量SW均有關(guān)。這一關(guān)系可以表示為：

ΔT=f(Rn,RH,WS,H,LAI,SC,SW)

(2)

對于成齡果樹，株高H幾乎不發(fā)生變化。假定在果樹的整個生育時段，單位葉面積的氣孔導(dǎo)水能力相同，則整個生育階段單位面積植物葉片對冠氣溫差的影響程度相同，由此，可將式(2)簡化為：

ΔT=f(Rn,RH,WS,SW)

(3)

田間持水量FC是植物的有效水分上限，通常作為計算灌溉定額的標(biāo)準(zhǔn)。因此，采用土壤相對含水量RSW來表示土壤水分狀況：

(4)

基于以上分析，以土壤相對含水量RSW為預(yù)測值，以冠氣溫差ΔT與冠層凈輻射Rn、相對濕度RH及風(fēng)速WS為自變量，可建立基于冠氣溫差的棗樹根區(qū)土壤水分完全預(yù)報模型：

RSW=F(ΔT,Rn,RH,WS)

(5)

在缺乏氣象資料的情況下，以土壤相對含水量RSW為預(yù)測值，以冠氣溫差ΔT為自變量，建立基于冠氣溫差的棗樹根區(qū)土壤水分概化預(yù)報模型：

RSW=P(ΔT)

(6)

由于公式(5)和(6)的確切關(guān)系尚不清楚，采用回歸分析的方法，確定基于冠氣溫差的棗園根區(qū)土壤水分完全及概化預(yù)報模型表達式，并以不同生育階段的臨界土壤含水量為基礎(chǔ)，確定不同階段的臨界冠氣溫差ΔT，為棗樹的科學(xué)灌溉及基于冠氣溫差的棗樹水分虧缺診斷提供指導(dǎo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 棗樹冠氣溫差的日變化特征

眾多研究表明[11,14]，植物冠氣溫差在一天之內(nèi)呈現(xiàn)不同的變化，不同植物的冠氣溫差日變化特征存在顯著的差異。為了準(zhǔn)確的利用冠氣溫差預(yù)報棗樹根區(qū)土壤水分，有必要對棗樹冠氣溫差的日變化特征進行研究。

將2017年棗樹萌芽期、展葉期、開花期、幼果膨大期及可開采成熟期的典型晴天日(4月11日、5月12日、6月18日、8月7日及9月18日)與典型陰天日(4月18日、5月11日、6月30日、7月26日及9月14日)冠氣溫差ΔT日變化點繪于圖3。由圖3可以看出，棗樹各生育時段的ΔT日變化均成多峰曲線分布趨勢，基本遵循拋物線軌跡，且各生育期ΔT最高值都出現(xiàn)在14:00左右。典型晴天棗樹ΔT變化幅度不同，且整體處于負(fù)值，這主要是由于棗樹的不同生育期的氣象條件和土壤水分狀況不同，棗樹的ΔT最低值可以達到-7.3℃。陰天天氣條件下，ΔT絕對值明顯低于晴天日，說明陰天日棗樹冠層冠氣溫差不如晴天明顯，如5月11日(陰天日)的ΔT值變化范圍為-2.2～1.8℃，而臨近的5月12日晴天日，其ΔT值變化范圍高達-4.9～-0.1℃。因此，預(yù)報棗樹根區(qū)土壤水分應(yīng)當(dāng)選擇晴天日14:00左右的冠氣溫差。

3.2 基于冠氣溫差的棗樹根區(qū)土壤水分預(yù)報模型

由于基于冠氣溫差的棗樹根區(qū)土壤水分完全預(yù)報模型與概化預(yù)報模型式(5)和式(6)的確切關(guān)系尚不清楚，即土壤相對含水量RSW與冠氣溫差ΔT、冠層凈輻射Rn、相對濕度RH及風(fēng)速WS4個指標(biāo)因子的關(guān)系尚不明確。因此，首先進行預(yù)處理，分別繪制土壤相對含水量RSW與冠氣溫差ΔT、冠層凈輻射Rn、相對濕度RH及風(fēng)速WS關(guān)系的散點圖如圖4所示。

圖3 典型晴天日與陰天日冠氣溫差日變化曲線

圖4 土壤相對含水量與冠氣溫差、冠層凈輻射、相對濕度及風(fēng)速關(guān)系的散點圖

由圖4可知，土壤相對含水量RSW與冠氣溫差ΔT、冠層凈輻射Rn、相對濕度RH及風(fēng)速WS都存在較強的線性關(guān)系。因此，采用多元線性回歸，對土壤相對含水量RSW與冠氣溫差ΔT、冠層凈輻射Rn、相對濕度RH及風(fēng)速WS之間的關(guān)系進行回歸，得到回歸方程為：

RSW=0.807-0.043ΔT-0.002Rn+0.004RH-

0.07WS

(7)

式中：RSW為無量綱參數(shù)，ΔT、Rn、WS的單位分別為℃、W/m2、m/s，RH以%表示。回歸方程復(fù)相關(guān)系數(shù)r為0.916，顯著性水平P<0.01，說明回歸模型具有統(tǒng)計學(xué)意義，均方根誤差RMSE為0.0560，平均相對誤差MRE為5.4%。因此，當(dāng)氣象數(shù)據(jù)較全時，以公式(7)作為基于冠氣溫差的棗樹根區(qū)土壤水分完全預(yù)報模型，可以獲得較準(zhǔn)確(MRE≤6%)預(yù)報棗樹根區(qū)的土壤水分狀況。

當(dāng)缺乏氣象數(shù)據(jù)時，采用簡單線性回歸分析，對土壤相對含水量RSW與冠氣溫差ΔT之間的關(guān)系進行回歸，得到回歸方程：

RSW=0.412-0.086ΔT

(8)

回歸方程相關(guān)系數(shù)r=0.818，顯著性水平P<0.01，回歸模型具有統(tǒng)計學(xué)意義，均方根誤差RMSE為0.0774，平均相對誤差MRE為8.9%。因此，當(dāng)缺乏氣象數(shù)據(jù)時，以式(8)作為基于冠氣溫差的棗樹根區(qū)土壤水分概化預(yù)報模型，在一定誤差范圍內(nèi)(MRE≤10%)可以預(yù)報棗樹根區(qū)土壤水分狀況。

3.3 基于冠氣溫差棗樹根區(qū)土壤水分預(yù)測模型的驗證

為了檢驗基于冠氣溫差的棗樹根區(qū)土壤水分完全預(yù)報模型與概化預(yù)報模型公式(7)與(8)的可靠性，本文采用試驗點B的35組數(shù)據(jù)，對觀測數(shù)據(jù)進行驗證。結(jié)果表明：完全預(yù)報模型與概化預(yù)報模型均能較好的預(yù)報棗樹根區(qū)土壤水分狀況(圖5)。完全預(yù)報模型模擬值與實測值的均方根誤差RMSE為0.0485，平均相對誤差MRE為4.4%，最大和最小相對誤差分別為19.4%、0.2%；概化預(yù)報模型模擬值與實測值的均方根誤差RMSE為0.0734，平均相對誤差MRE為8.6%，最大和最小相對誤差分別為27.5%、0.9%。由此可見，當(dāng)棗園氣象資料完整時，應(yīng)該采用完全預(yù)報模型式(7)，對棗樹根區(qū)土壤水分進行準(zhǔn)確預(yù)報，當(dāng)缺乏氣象資料時，采用概化預(yù)報模型式(8)，也能夠?qū)棙涓鶇^(qū)土壤水分進行較好的預(yù)報。

圖5 相對土壤含水量的實測值與預(yù)測值

3.4 基于冠氣溫差的棗樹灌溉決策

為了采用冠氣溫差ΔT指導(dǎo)棗樹灌溉決策，首先要確定棗樹需要灌溉冠氣溫差閾值ΔTr，根據(jù)棗樹的灌溉試驗成果，可以確定棗樹不同生育期的土壤相對含水量閾值RSWr，將RSWr代入式(8)，就可以得到棗樹不同生育階段的ΔTr。大量研究表明，棗樹從發(fā)芽到果實開始成熟，土壤水分以保持田持的65%～70%為宜，因此，設(shè)定棗樹萌芽、展葉期和開花期RSWr為0.65，幼果膨大期RSWr為0.70，可開采成熟期RSWr為0.60。棗樹不同生育階段的ΔTr為：

(9)

當(dāng)冠氣溫差ΔT>ΔTr，即當(dāng)棗樹萌芽、展葉、開花期冠氣溫差ΔT>-2.77℃，幼果膨大期ΔT>-3.35℃，可開采成熟期ΔT>-2.19℃時，表明棗樹需要灌溉，冠氣溫差ΔT<ΔTr，則表明棗樹不需要灌溉。

4 結(jié) 論

(1)棗樹各生育期冠氣溫差呈現(xiàn)多峰曲線分布趨勢，晴天冠氣溫差變化幅度大于陰天，應(yīng)當(dāng)選擇晴天日14:00左右的冠氣溫差預(yù)報棗樹根區(qū)土壤水分狀況。

(2)基于冠氣溫差棗樹根區(qū)土壤水分預(yù)測模型具有較高的可靠性，當(dāng)氣象數(shù)據(jù)充足，采用完全預(yù)報模型可以較為準(zhǔn)確得到棗樹根區(qū)土壤水分狀況；當(dāng)缺乏氣象數(shù)據(jù)時, 采用概化預(yù)報模型可以在一定的誤差范圍內(nèi)預(yù)報棗樹根區(qū)土壤水分狀況。

(3)以冠氣溫差閾值為指標(biāo)，當(dāng)不同生育期棗樹冠氣溫差高于閾值時，表明棗樹需要灌溉，否則不需要灌溉。

目前，農(nóng)業(yè)氣象領(lǐng)域冠層葉溫和氣溫測定技術(shù)和方法已比較成熟，結(jié)合所建模型能夠有效監(jiān)測和預(yù)報棗樹根區(qū)水分狀況，指導(dǎo)棗樹適時適量灌溉，但冠氣溫差與棗樹生理過程的內(nèi)在關(guān)系，還需結(jié)合測定果樹生理生化指標(biāo)作進一步分析研究。