太行低山區荊條耗水特征及其與參考作物蒸散量的關系*

桑玉強，李 龍，施光耀，賈長榮，張勁松**

（1.河南農業大學林學院，鄭州 450002;2.中國林業科學研究院林業研究所/國家林業局林木培育重點實驗室，北京 100091;3.南京林業大學南方現代林業協同創新中心，南京 210037;4.濟源市林業工作站，濟源 459000）

太行山是華北平原重要的生態安全屏障，其南段緊鄰黃河，在貫徹黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略中扮演著重要角色。由于受到人為因素和自然災害的干擾，太行低山區植被退化嚴重、生態環境脆弱[1]。太行山地處半干旱季風氣候區，在全球氣候變暖、水資源緊缺的背景下，開展該地區植被耗水研究，對于揭示植被耗水規律、調整植被結構及布局、推動太行山生態保護與修復、構建中部生態安全屏障更具現實意義[2]。目前對該區植被耗水研究多見于刺槐（Robinia pseudoacacia）、栓皮櫟（Quercus variabilis）、側柏（Platycladus orientali）、油松（Pinus tabulaeformis）等喬木樹種[3-6]，灌木相對較少。與喬木相比，雖然灌木無明顯主干、生物量不大，但其根系發達，對環境適應能力強，在植被恢復中發揮著重要作用[7-8]。

荊條（Vitex negundo）為落葉灌木，廣泛分布于太行低山區、黃土高原等地，具有抗逆性強、生態可塑性高等特點[9]。近年來關于荊條耗水研究多采用TDP 技術進行[1,6,10]，但該方法因需要對樹干進行持續加熱從而對樹干產生一定的熱損傷[11]。因測量精度高，稱重式蒸滲儀被公認為是測量植被水分消耗的標準方法之一[12-13]，目前多應用于農作物耗水量的估算[14-15]、耗水模型評價驗證[16]等方面。楊帆曾采用非稱重式蒸滲儀對荊條耗水進行研究，但受觀測設備限制，在降水稀少的季節不能實現耗水日內變化測定[17]。本研究以太行低山區鄉土灌木樹種荊條為研究對象，在主要生長季利用大型稱重式蒸滲儀對荊條的耗水進行連續測量，并同步觀測相關氣象要素，通過使用FAO-56 推薦的Penman-Monteith公式計算ET0，分析荊條在自然條件下日內、日際及月際時間尺度的耗水動態變化，同時探究荊條對干旱環境的適應能力及荊條耗水與ET0的關系，嘗試建立估算荊條耗水的經驗模型，以期為太行低山區荊條耗水管理、植被建設、群落演替管理等提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地位于黃河小浪底國家森林生態系統定位研究站（35°01'45''N，112°28'08''E），華北地區太行山南麓、黃河中游，是典型的低山丘陵區，海拔410m左右，屬暖溫帶大陸性季風氣候[11]。植被類型以栓皮櫟-側柏人工混交林為主。土壤成分為棕壤和石灰巖風化母質淋溶性褐土，土壤結構不良，石礫含量10%～18%，土層厚度小于50cm。全年日照時數為2368h，0℃以上年均有效積溫為5282℃·d，年均氣溫12.4～14.3℃。年均降水量641.7mm，降水季節分配不均，6-9月降水量438.0mm，占全年降水量68.3%，年均蒸發量1611.2mm。

采用三臺長×寬×深=3m×3m×3m 規格的QYZS-201 型懸掛式大型稱重式蒸滲儀，儀器測量精度為120g，換算為水深為0.015mm。整個土箱用作栽培池，利用周圍原狀土土層結構填土，有效模擬了當地土壤層次環境。于2015年3月移栽生長狀態和冠幅基本一致的荊條灌叢，每臺蒸滲儀移栽4 株，均勻分布在蒸滲儀內，密度為4444 株·hm-2。在蒸滲儀土壤表面覆蓋白色透明厚塑料膜，在塑料膜上預留一定數量的透水孔，盡可能避免土壤蒸發的同時方便降水下滲，塑料膜定期更換周期為一個月。試驗時間為2019年5-10月。

1.2 數據獲取

蒸滲儀數據自動獲取時間間隔為1h，數據可通過儀器配置的電腦傳輸至服務器。一日內各小時數據的累加即為日耗水量。通過對3 臺蒸滲儀數據進行平均得到最終數據。

氣象資料數據取自地面標準氣象站（距離蒸滲儀20m），對太陽輻射（Ra，W·m-2）、空氣溫度（Ta，℃）、風速（V，m·s-1）、相對濕度（RH，%）、降水量（P，mm）等氣象因子進行連續觀測。所有傳感器均與CR1000 型數據采集器（Campbell Sci.USA）相連，每10min 輸出1 組平均值，觀測時間與蒸滲儀同步。采用當地氣象局數據計算參考作物蒸散量。

飽和水汽壓虧缺（VPD）是反映實際水汽壓與飽和狀態水汽壓差距的指標，其計算式為[3]

式中，VPD 為飽和水汽壓虧缺（kPa）；Tmean為平均氣溫（℃）；RHmean為平均相對濕度（%）。

采用FAO-56 Penman-Monteith 公式計算逐日參考作物蒸散量（ET0），計算式為[18]

式中，ET0為參考作物蒸散量（mm·d-1）；Rn 為凈輻射量（MJ·m-2·d-1)； G 為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1)，取Rn 的5%；T 為日平均氣溫（℃）；u2為距離地面2m 高處風速（m·s-1）；es 為飽和水汽壓（kPa）；ea 為實際水汽壓（kPa）；Δ為溫度-飽和水汽壓關系曲線的切線斜率（kPa·℃-1）；γ為濕度計常數（kPa·℃-1）。

1.3 數據處理

采用SPSS 22.0 與Origin 2018 進行數據統計分析與圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 太行低山區荊條的耗水特征

2.1.1 典型天氣日荊條耗水量逐時變化

于荊條生長旺期，分別選擇典型晴天（8月15日，Ra 為25.6MJ·m-2）與陰天（8月25日，Ra 為11.8MJ·m-2）分析典型天氣下荊條耗水逐時變化的特征（圖1）。由圖1 可見，典型晴天荊條小時耗水量日內變化呈現顯著的寬峰曲線，8：00 耗水量開始迅速增加，12：00-17：00 維持在較高水平，峰值出現在15：00，達0.69mm·h-1，之后逐漸減小，20：00前后接近于日內最小值，荊條耗水強度為0.24mm·h-1。典型陰天條件下荊條小時耗水量日內變化進程同樣表現為單峰曲線，但波峰較晴天變窄（15：00-17：00），且峰值出現時間較晚（16：00），數值為0.42mm·h-1，到達峰值后迅速下降，全天平均耗水強度為0.12mm·h-1，僅為晴天的一半。

與晴天相比，陰天太陽輻射較弱，溫度較低，相對濕度較大，飽和水汽壓虧缺較小，因而導致荊條的蒸騰拉力弱、耗水少。典型晴天荊條耗水日內變化曲線與太陽輻射、溫度、飽和水汽壓虧缺一致，與相對濕度相反，耗水峰值出現時間比太陽輻射最大值出現時間滯后了2h。典型陰天荊條耗水和各氣象因子的變化曲線與晴天相似，但太陽輻射于8：00開始增加，最大值出現在15：00，較晴天推遲了2h。與之相對應，荊條耗水于9：00 以后緩慢增加，時間明顯滯后，波峰變窄，峰值變小，出現在16：00。說明在降水充沛、土壤水分相對充足的條件下，影響荊條耗水的主要因子為氣象要素，其中太陽輻射對荊條耗水的調控更明顯。

2.1.2 生長季荊條耗水量逐日變化

圖2 顯示，生長季荊條日耗水表現為“弱-強-弱”的變化趨勢，即生長季的前期和后期耗水較少，中期耗水較多。5月1日-6月30日為低耗水期，該階段耗水量為0.20～4.36mm，日均耗水量1.46mm。7月1日-9月30日為高耗水期，該階段耗水量為0.31～6.38mm，日均耗水量3.96mm。10月1-31日為低耗水期，該階段耗水量為0.20～3.91mm，日均耗水量 1.95mm。整個觀測期荊條日均耗水量2.79mm。荊條表現出的上述逐日耗水變化規律與荊條自身生長發育及階段降水量有較大關系，具體表現為，荊條4月中下旬返青后，5-6月雖然進入生長季，但生長較為緩慢，LAI 僅為1.4，加上該階段降水稀少，只有6 次降水，降水量僅為74.5mm，微弱的降水對土壤水分供給不足。進入7月后，荊條進入生長旺盛期，枝葉繁茂，LAI 為2.9，較5-6月增加了1.5，加上該地區進入雨季，降水量增加，高溫、高濕的天氣使荊條日耗水量增大，并一直持續到9月。7-9月荊條LAI 為3.8，有27 次降水，降水量為368.2mm。進入10月，荊條LAI 雖然與前一階段變化不大，但生長趨于衰退。該階段降水量為83.9mm，但因太陽輻射減弱、空氣溫度降低，多日的陰雨天氣使該階段荊條耗水量并不大。荊條的逐日耗水變化說明荊條耗水除了與自身生長周期有關外，還受到土壤水分及氣象要素等外界因素的共同影響，在外界環境不利于荊條生長的條件下，荊條會對自身進行適度調節，以與外界環境條件相適應。

2.1.3 生長季荊條耗水量逐月變化

由圖3 可見，荊條月耗水量差異較大，耗水主要集中在7-9月，各月耗水量由大到小分別為8月＞7月＞9月＞10月＞6月＞5月，整個觀測期荊條共消耗水分513.5mm，其中耗水量最大的8月和最少的5月差值為100.24mm。荊條在5-6月耗水較少，平均月耗水44.64mm，主要原因在于雖然該階段Ta 開始緩慢回升（平均溫度24.9℃）、Ra 增強（月均值為629.0MJ·m-2），但此時荊條剛進入生長期，LAI 小，只有1.38，因此，蒸騰強度弱、耗水較少。7月荊條進入生長旺期，LAI 較之前增加了1.3，Ta 升高3.3℃，強大的蒸騰拉力使得荊條從土壤中吸收更多水分以滿足其消耗需求，使得7月荊條耗水遠大于6月。8月、9月荊條處于生長旺期，LAI 為4.3，達到生長季最大，加上該階段降水量充沛（302.9mm），土壤水分充足，使得8月、9月荊條耗水量維持在較高水平。進入10月，荊條開始逐漸進入生長衰退期，且隨著Ta 逐漸降低（18.8℃）、Ra 逐漸減少（月均值396.5MJ·m-2），荊條耗水逐漸減少。

從圖3 中還可發現，整個生長季節荊條月耗水量與月降水量一致性較好，整體上降水量越多，荊條耗水量越大，二者表現為線性正相關關系。主要生長季降水量為526.6mm，荊條耗水量513.5mm，表明整個生長季該地區降水可滿足荊條耗水需求，但因不同月份間降水差異較大，會給荊條生長造成一定影響。主要表現在5-6月降水較少，累計降水量只有74.5mm，供水不足，荊條容易遭受水分脅迫，生長受到一定限制。其余月份則不存在水分制約情況，降水可滿足荊條正常生長與耗水需求。

2.2 荊條耗水量與ET0 的關系

2.2.1 荊條日耗水量與ET0的一致性比較

ET0指水分供應充足條件下參照作物表面的蒸散速率，只與氣象因子有關，是表征氣候干濕程度、植被耗水量及水資源供需平衡的重要指標之一[19]。為此，對荊條日耗水量變化曲線與ET0的一致性進行比較，以期揭示二者之間的內在關系。

由圖4 可見，荊條日耗水變化曲線與ET0的變化趨勢明顯分為兩個階段，具體表現為第一階段為5-6月，二者一致性較差，ET0明顯高于荊條耗水量，ET0為275.54mm，同期荊條耗水量僅為89.27mm，差值高達186.27mm。第二階段為7-10月，二者一致性較好，ET0為 402.76mm，荊條耗水量為424.26mm，差值為21.7mm，荊條耗水量略高于ET0。第一階段二者差異較大的主要原因在于該階段春旱現象明顯，降水較少，土壤水分供給不足，導致了荊條耗水維持在較低水平。而ET0是指在土壤水分充足條件下，只考慮氣候綜合要素對植物生長耗水的影響，因為不存在水分脅迫，故ET0值高于荊條耗水。進入7月后，雨季來臨，土壤水分相對充足，水分脅迫不存在，荊條進入生長盛期，耗水主要與氣象因子有關，與ET0的一致性表現較好。

2.2.2 荊條耗水量與ET0的擬合

因受到水分脅迫影響，5-6月荊條耗水與ET0差值較大。故選擇降水相對充沛、水分脅迫不明顯的7-10月，對奇數日荊條耗水與ET0進行擬合（圖5），發現二者之間具有較好的對數關系，R2為0.7431。

對于圖5 中離散度較大的點，推測可能與土壤水分的波動有關。以8月3日和8月25日為例，二者間隔時間較短，可認為荊條具有相同的LAI，消除因荊條自身生長產生的差異。8月3日與8月25日ET0非常接近，分別為2.64mm 和2.69mm，而荊條耗水分別為1.89mm 和2.89mm。8月3日（2.64mm、1.89mm）離散度較大，而8月25日（2.69mm、2.89mm）離散度小。8月3日和8月25日土壤水分分別為19.2%和23.0%，后者較前者大3.8%，說明在一定范圍內土壤水分狀況越好，植物耗水與ET0二者之間的一致性越好。

2.2.3 荊條耗水估算值與實測值驗證

利用擬合方程結合7-10月偶數日ET0數據估算荊條耗水量，并將測量值與估算值進行對比（圖6）。結果表明：使用擬合方程得出的估算值與實測值具有較好的一致性，其中估算值為211.03mm，實測值為 202.65mm，二者相差 8.38mm，RMSE 為0.90mm.d-1，RRMSE 為13.68%，精度較高。表明在降水較充沛的季節，利用相對容易獲得的ET0數據，結合擬合方程對荊條耗水進行估算具有一定的科學性與可行性。在降水季節缺乏實測荊條耗水數據的情況下，可利用該擬合方程求算荊條耗水量，從而對荊條群落結構進行管理。

3 討論與結論

3.1 討論

植被耗水是研究植被適應性及環境水分循環的重要指標[20-21]。本研究發現荊條耗水動態在典型晴天和陰天下均為單峰曲線，其中晴天為寬峰且峰值較大，陰天為窄峰且峰值較小，這與劉春鵬等[6]的研究結果一致，其原因在于與陰天相比，晴天植物葉片接受Ra 時間長，同時Ta 高，RH 小，葉片內外水汽壓梯度大且正午的太陽輻射強度大。日尺度上，荊條耗水在生長季的前半季變動較小，而在后半季出現較大的波動，楊帆[17]也發現了類似的現象。這主要是降水的季節分布不均及荊條自身的生理生長變化引起的。月尺度上荊條耗水呈現先增加后減小的趨勢，耗水主要集中在7-9月，與前人[1,10,22]的研究結果一致。相比之下，7-9月Ra 大，Ta 高，加之該階段為荊條處理生長旺盛期，荊條需要消耗大量的水分以滿足耗水及自身生長需求。莫康樂等[23]認為月尺度上，降水是影響植被耗水的主要因素。本研究也發現荊條月耗水與降水之間存在較好的線性關系。在地下水位較低的情況下，降水成為土壤水分補給的唯一來源，降水量的大小決定了土壤水分的高低，土壤水分則決定了植被耗水的整體水平。表明在一定程度上月降水量的大小決定了耗水的多少。觀測期內荊條共消耗水分513.5mm，與楊帆[17]的結論較接近，但與何春霞等[1]相差較大，可能與試驗期降水量和試驗方法有關。何春霞研究期間降水量僅為260.0mm，春旱和秋旱比較明顯，而本試驗期間降水量為526.6mm，差異很大。此外，受到探針長度與邊材寬度不完全一致的影響，采用TDP 技術測定荊條液流時存在低估耗水量的可能性[24-25]。

試驗觀測期降水量大于荊條耗水，說明整體上降水可滿足荊條消耗需求，但降水主要集中在荊條生長旺季，生長初期則存在季節性干旱，會對荊條的返青生長造成一定的影響。有研究表明荊條葉片、木質部結構及根系具有旱生植物的形態特征，與干旱貧瘠的環境條件相適應，具有較強的生態可塑性[26-28]。具體表現為水分充足時，荊條水分傳輸率高，耗水大。當土壤水分受到限制時，木質部會產生空穴化和栓塞，進而限制植物自身體內水分的散失，表現為較少的耗水量，呈現出一定的生態適應性。本研究發現5-6月荊條耗水量少，可能正是因為土壤水分供給相對不足，導致荊條啟動了自適應機制，從而減少水分消耗，加強自我保護。有研究發現自然條件下植被日耗水與ET0之間存在線性關系[11,29-30]，在土壤水分良好條件下二者相關性更高[31-32]。本研究發現在降水充沛季節荊條日耗水與ET0表現出很強的對數關系，進一步證實了當土壤水分不是限制因素時，植被耗水與ET0一致性更好。

3.2 結論

在主要生長季節，荊條耗水呈現單峰曲線，晴天為寬峰且峰值較大，陰天為窄峰且峰值較小。荊條耗水曲線與Ra、Ta 及VPD 具有較好的一致性，但峰值略滯后于Ra。荊條耗水日變化呈現為“弱-強-弱”的趨勢，即生長季的前期及后期日耗水強度小、中期大。主要生長季節荊條共耗水513.5mm，耗水主要集中在7-9月，占總耗水量的70.8%，其中8月最多，5月最少。期間降水量為526.6mm，從水量平衡的角度來看，降水可滿足荊條消耗需求，但不同月份供求差異較大，其中5-6月降水較少，荊條易遭受水分脅迫。荊條具有較強的環境適應性與生態可塑性。在干旱季節，荊條木質部產生栓塞或空穴化，啟動自適應機制，減少水分消耗。在降水豐富的7-10月，荊條耗水與ET0之間呈現顯著的對數關系，可結合ET0數據利用擬合方程對荊條耗水進行估算，干旱季節該擬合方程不具適用性。在今后的研究中，應計算出荊條作物系數，結合水分脅迫系數等參數，實現缺乏實測條件下荊條全生長季耗水量的估算。