基于氣象條件的巨菌草蒸散發動態研究

劉鳳山, 林 輝, 林興生， 羅海凌, 林占熺

(福建農林大學 國家菌草工程技術研究中心， 福建 福州 350002)

1 研究背景

巨菌草(Pennisetum giganteum. sp.)原產于北非地區，于1999年在福建農林大學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、內蒙古阿拉善和西藏林芝等地區開展巨菌草防風固沙效益的研究；在內蒙古鄂爾多斯地區開展巨菌草治理砒砂巖的研究[1-2];在新疆、青海、內蒙古和山東等畜牧業發達地區，廣泛種植巨菌草作為牛羊飼料[1]。根據最近的文獻報道，巨菌草在克拉瑪依[3]、昌吉市[4]、呼倫貝爾市鄂溫克旗[5]、陜西榆林風沙草灘區[6]以及河北中南部[7]等地區正在開展廣泛的引種、標準化種植等相關的推廣工作。

巨菌草推廣的地區同時存在生態環境惡化和干旱缺水問題。種植巨菌草后，區域生態環境發生了一定的改善[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]，準確地預測和估算蒸散量(ET)及其變化過程對巨菌草產業發展的很多方面都十分關鍵，例如灌溉制度、節水途徑和潛力、抗旱性能提升以及產量預測等[9]。到目前為止，巨菌草蒸散規律的研究相對缺乏，尤其是不同區域的水分管理策略需要深入認識蒸散發過程與氣象條件的內在聯系，對于提高水分利用效率和維持巨菌草可持續發展有重要意義。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

試驗區位于福建農林大學國家菌草工程技術研究中心塑料棚內(26°5′21″N，119°14′49″E)。利用盆栽控制實驗獲得巨菌草的蒸散發動態，實驗采用的土壤為沙壤土，土壤肥力偏低。研究區屬于亞熱帶季風氣候，年平均日照時數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)，常出現連續陰天和連續晴天的天氣狀況，對于本研究提供了較好的氣象背景。

2.2 數據獲取

2.2.1 觀測數據 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。供試巨菌草采用大小相似的種莖種植，每盆4株，發芽后選擇健壯、間隔較大的2株作為后續研究之用，4次重復。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 模擬數據 利用SiB2模型模擬巨菌草的蒸散發過程。SiB2模型是在SiB(Simple Biosphere Model)基礎上，由Sellers 等[12]改進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、蒸散發和能量平衡有良好的模擬效果[14-16]。在2015年氣象數據驅動(降水數據修改為實際灌溉量)下，對觀測數據期內的蒸散發過程進行了模擬，結果表明(圖1)，該模型對累積蒸散發動態的模擬效果良好，累積蒸散發的模擬值與實測值的線性決定系數為0.99，模擬的累積誤差為38.9±6.3 mm。

圖1 SiB2模型對累積蒸散發的模擬效果

2.2.3 氣象數據 氣象數據來自于國家氣象科學數據共享服務平臺中2015年的福州市氣象數據。該數據經過統一的質量控制，數據正確率和質量極高。數據集中包含大氣壓強p， hPa；風速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SD， h等。數據并沒有缺失，無需補缺。研究過程中，用實際灌溉量替代降水量進行分析。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數據根據日照時數與輻射的關系獲得[17]，凈輻射Rn，W/m2；土壤含水量SW， %和冠層導度gc，mol/(m2·s)數據來自于SiB2模型的模擬數據[12]。

2.3 數據處理

本文采用模擬數據替代觀測數據，利用統計方法分析環境因子對蒸散發的影響過程，并遴選出蒸散發的關鍵控制因素，建立多元回歸關系。然后，根據多元回歸關系和環境因子計算出的蒸散發，與觀測數據進行線性擬合，進一步確保該回歸關系具有一定的適用性。

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

3 結果與討論

3.1 蒸散發和氣象因素的變化過程

圖3為蒸散發ET和氣象數據波動圖。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。數據顯示，以上氣象數據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是蒸散發能量來源的指標，每日太陽最長的照射時間為11.2 h，經常發生SD連續為0或者連續大于9 h的現象。連續陰天減少太陽到達地面的輻射和光照，造成水分無法及時排掉，并對植物的生理、生長和產量等產生顯著影響[18-19]。灌溉的水分在連續晴天條件下會脅迫巨菌草的生長，降低光合速率、蒸騰速率和氣孔導度[20-21]。

圖2 日照時數和灌溉量在試驗期間的變化過程

3.2 蒸散發季節變化的影響因素

分別利用線性和二次三項式擬合的方法對環境因素與日蒸散量的函數關系進行分析，發現t、RH、SD、SR、VPD和Rn與ET具有良好的關系(表1)。根據決定系數(R2)的大小，t、SD和VPD與ET的關系呈單峰關系，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達到最大值。線性和二次三項式擬合得到的決定系數，對于RH、SR和Rn等變量的差別較小，表明兩種關系均對這些變量與ET的關系有較好的擬合效果。從二次三項式的拐點而言，在RH、SR和Rn的實際變化范圍內，變量與蒸散發呈線性關系，線性回歸可以更加簡單的描述自變量與蒸散發的關系。隨著RH、SR和Rn的增大，ET的響應分別為降低、增大和增大。

圖3 ET和氣象數據的波動

表1 巨菌草蒸散發季節變化的相關因素

從蒸散發的能量和動力學角度可以較好的理解蒸散發與環境變量的關系。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水分的動力學輸送能力越強，有利于水分向大氣運動。SD、SR和Rn是植物蒸散發的能量來源，能量越多，越有利于水分子的動能和向大氣的擴散，進而促進蒸散發的發生[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下，不僅減少地表水分蒸發，而且造成植物氣孔減小甚至關閉，增大水分向大氣散失過程中的氣孔阻力[23]。t、SD和VPD與ET的關系呈單峰關系，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(兩者關系非常弱)，空氣溫度與蒸散發的線性擬合方程為：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接近，說明消除gc對ET的干擾后，在t變化范圍內對ET具有線性促進作用，并提高了對ET的解釋能力。

ET與gc的關系較弱，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的貢獻較大，gc對T的調控對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。因此，gc對ET隨時間具有不同的關系，難以用數學關系表達[24]。

選擇ET季節動態的影響因素，建立了蒸散發與氣象因素的多元回歸關系：

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

0.97Rn-32.1,R2=0.86

(1)

利用方程(1)和相關氣象數據，計算得到的ET數據與實測結果的線性決定系數為0.99，計算值比實測值大3.38±7.64 mm(圖4)，能夠較好地預測巨菌草ET的季節變化規律。

根據黑河上游的觀測結果，草地蒸散發的影響因素包括：風速、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和生物量大有密切關系[2]。

圖4 多元回歸方程對累積蒸散發的預測效果

3.3 蒸散發日變化的影響因素

在晴朗天氣，ET和環境因素(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過程減弱有關，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象，與環境因素具有密切關系。根據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象主要與強烈的光照有關系，通過一系列光保護機制耗散過剩的光能[27]。巨菌草產生光合午休的時刻主要在中午13：00-15：00，可能與VPD和t過高造成的細胞失水過程過快有密切聯系，通過氣孔或者非氣孔因素限制水分的散失[28]。

圖5 晴天ET和環境因素的日變化規律

在連續陰天條件下，ET和環境因素(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系。線性回歸分析表明，Rn、gc、t和SR對ET的決定系數分別為0.94、0.64、0.68、0.95。草地的觀測結果表明，裸露土地ET的峰值出現在13：00，草地覆蓋地區ET的峰值時間在14：00左右[25]。在連續晴天條件下，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，峰值出現在13：00，14:00的ET出現較大幅度的下降。但是連續陰天條件下，ET在14：00下降的幅度非常緩和。

圖6 陰天ET和環境因素的日變化規律

4 結 論

巨菌草的ET動態及其規律是其灌溉制度、節水途徑和潛力、抗旱性能提升以及產量預測等問題的關鍵過程。本文利用ET的觀測數據和模擬數據，深入分析了福州地區氣象條件、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的日變化和季節變化動態、確立了環境因素對巨菌草ET的主要影響過程、并建立了基于氣象條件的巨菌草ET的預測方程。研究結果對于提高巨菌草的水分利用效率和可持續發展有重要意義。主要結論如下：

(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，并經常出現連續陰天和晴天的情況。

(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，t、SD和VPD與ET的關系呈單峰關系，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) 建立了福州地區巨菌草ET與氣象因素的多元回歸關系，對巨菌草ET波動的解釋力可達99%，誤差為3.38±7.64 mm。

(4) 連續晴天條件下，ET和Rn、gc、t和SR具有明顯的日變化過程，其中gc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晴天。