華北土石山區荊條潛在蒸散量及作物系數分析

蔣麗婭，張家興，程向芬，高 峻，桑玉強＊，張勁松

(1. 河南農業大學林學院，河南 鄭州 450002；2. 中國林業科學研究院林業研究所，國家林業和草原局林木培育重點實驗室，北京100091；3. 河南黃河小浪底地球關鍵帶國家野外科學觀測研究站，河南 濟源 459000)

蒸散（Evapotranspiration，ET）是植物蒸騰量與植株間土壤蒸發量之和，是土壤-植物-大氣系統（Soil-Plant-Atmosphere-Continuum，SPAC）中重要的水交換過程，對植物的生長發育情況有重要影響，是陸地水文循環的重要組成部分[1]。在全球氣候變化的背景下，深入了解蒸散過程對天氣預報、干旱監測、區域水資源管理及全球氣候變化等研究具有重要意義[2]。目前測定蒸散的方法較多，主要有波文比能量平衡法、遙感法、液流法、渦度相關法和作物系數法等[3-7]，其中聯合國糧農組織（Food and Agriculture Organization，FAO）推薦采用作物系數法來估算不同類型生態系統蒸散量[8]，并得到了廣泛應用。作物系數（Crop coefficient, Kc）指水分充足條件下植物的實際蒸散量（潛在蒸散量）與參考蒸散量的比值，是計算植物蒸散量和確定不同時期灌水量的重要參數之一。李霞等[9]通過建立作物系數估算模型計算得到了科爾沁地區草甸及沙丘試驗區的植物蒸散量，經過驗證發現，計算值與實測值有較好的對應關系；李豐琇等[10]利用雙作物系數法估算并區分了新疆阿克蘇地區局部覆膜滴灌條件下干旱區夏玉米生育期內蒸散量；Drechsler 等[11]得到了美國加利福尼亞州杏園的作物系數，為計算該地的植物需水量奠定基礎；Qiu 等[12]利用改進的作物系數模型合理預測了水稻-冬小麥輪作系統的蒸散量。葉面積指數（Leaf Area Index, LAI）是植物的主要生長指標之一，對植物蒸散起著十分重要的作用。王賀壘等[13]發現華北地區茄子的作物系數與葉面積指數呈線性關系；李哲等[14]研究發現陜北山地蘋果葉面積指數與作物系數有較好的指數回歸關系，并建立了蒸散量估算模型；Eliades 等[15]利用葉面積指數構建了油桃作物系數模型，提高了灌溉效率。

當前對植物蒸散及作物系數的研究大都集中在農作物[16-18]及果蔬[19-22]方面，關于灌木的研究相對較少，且研究區域大多集中在西北干旱地區[23-24]，華北地區相對較少[25-26]。華北土石山區是華北平原重要的生態安全屏障，其南端緊鄰黃河，在黃河流域生態保護和高質量發展中發揮著重要作用。荊條（Vitex negundoL. var.heterophylla(Franch.)Rehd.）是華北土石山區的鄉土樹種，也是該地的優勢灌木，在當地的植被建設中占有重要地位。本文以華北土石山區荊條灌叢為對象，利用2021 年荊條生育期內的蒸滲儀數據、逐日氣象數據、葉面積指數及新梢生長量數據，分析荊條各生育期潛在蒸散量與作物系數變化趨勢，以期為當地的山區流域水資源管理和植被修復提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于河南省濟源市境內的河南黃河小浪底地球關鍵帶國家野外科學觀測研究站（35°01′45″ N，112°28′08″ E），地處華北土石山區的太行山南麓，是典型的低山丘陵區。海拔400 m 左右，屬暖溫帶大陸性季風氣候，主要植被類型為暖溫帶落葉闊葉林及針闊混交林等。土壤母質多為石灰巖，風化淋溶后形成褐土，土層厚度50～80 cm，石礫含量10%～18%[27]，全年平均日照時數為2 368 h，0 ℃以上年均有效積溫為5 282 ℃，年均氣溫12.4～14.3 ℃。年均降水量641.7 mm，降水季節分配不均，6—8 月平均降水量438.0 mm，占全年降水量68.3%，年均蒸發量1 611.2 mm。

本文所需要的數據主要包括氣象數據、蒸滲儀數據、荊條葉面積指數及新梢生長量數據，計算指標主要包括參考作物蒸散量及作物系數。

1.2 數據來源及計算

1.2.1 潛在蒸散量 荊條的潛在蒸散量由蒸滲儀直接獲取，試驗采用3 臺長 × 寬 × 高為3 m × 3 m ×3 m 的大型稱重式蒸滲儀測量2021 年土壤水分充足條件下荊條生育期內（5 月1 日—10 月31 日）潛在蒸散量。蒸滲儀型號為QYZS-201（中國，西安清遠測控技術有限公司），測量精度為0.015 mm。每臺蒸滲儀內均勻種植4 株生長基本一致的荊條，種植密度約為4 444 株·hm-2，荊條樹齡為10 a，每1 h 獲取一組數據。蒸滲儀內埋有AV-EC5 土壤水分探頭（美國，AVALON 公司），精度 ± 3%，數據采集器為RR-2016（中國，北京雨根科技公司），采集和存儲時間間隔30 min，可監測觀測期內蒸滲儀內土壤水分變化。試驗期間保持蒸滲儀內的荊條一直處于水分充足狀態，即平均土壤含水量保持在田間持水量的75%以上，其中，田間持水量為28%。當平均土壤含水量低于田間持水量的75%時，對蒸滲儀進行灌水處理，使土壤含水量提高。

1.2.2 氣象數據 在蒸滲儀南側20 m 處，建有地面標準氣象站，其中的氣象監測設備均由美國AVALON 公司生產，主要包括AV-10TH 空氣溫濕度傳感器、AV-30WS 風速計、AV-30WD 風向傳感器、AV-3665R 翻斗式雨量計、AV-410BP 大氣壓力計、AV-10T 溫度傳感器等，可持續測量試驗期間（5 月1 日—10 月31 日）的風速、風向、降雨、大氣壓強、氣溫、相對濕度及日照時數等氣象數據，所有傳感器均與CR1000 型數據采集器（美國，Campbell 公司）相連，每10 min 可采集并存儲一組數據。

1.2.3 葉面積指數及新梢生長量 荊條葉面積指數用LAI-2 200 冠層分析儀（美國，LICOR 公司）測量，在荊條生育期內選擇早上日出前或傍晚太陽落山后或陰天對蒸滲儀內的荊條進行測量，每個測量3 個重復，測量間隔為15 d。在每株荊條上選取一個新梢，用鋼卷尺測量新梢長度并計算新梢生長量，每15 d 左右測量一次，直至試驗結束。

葉面積指數及新梢生長量的測量起始時間均為2021 年5 月1 日，結束時間為當年的10 月31 日。

1.2.4 參考作物蒸散量 參考作物蒸散量（Reference crop evapotranspiration，ET0）為“假設植物高度為0.12 m，冠層阻力為70 s·m-1，反照率為0.23 的參考冠層的蒸散量，相當于生長旺盛、長勢一致、完全覆蓋地面且水分供應充足的開闊綠色草地的蒸散量”。 FAO 推薦使用 Penman-Monteith 方法作為計算ET0的標準方法[8]，具體公式為：

式中，Rn為作物表面凈輻射/(MJ·m-2·d-1)；G 為土壤熱通量/(MJ·m-2·d-1)；T 為日均氣溫/℃；U2為距離地面2 m 高處的風速/(m·s-1)；es為日飽和水汽壓/kPa；ea為實際水汽壓/kPa；Δ 為溫度—飽和水汽壓關系曲線在溫度T 處的切線斜率/(kPa·℃-1)；γ 為濕度計常數/(kPa·℃-1)，γ=0.66。以上各參數計算公式如下[8]：

（1）作物表面凈輻射量Rn

其中Rns為凈短波輻射，Rnl為凈長波輻射，Rns計算公式如下：

設地面接收到的日短波太陽輻射為Rs，Rs計算公式如下：

設反射太陽輻射為Rr，Rr計算公式如下：

設凈空太陽總輻射為Ra，Ra計算公式如下：

設凈空短波太陽輻射為Rso，Rso計算公式如下：

設凈長波太陽輻射為Rnl，Rnl計算公式如下：

以上公式中：Ra為凈空太陽總輻射，MJ·m-2·d-1；Rs為地面接收到的日短波太陽輻射，MJ·m-2·d-1；Rso為凈空短波太陽輻射，MJ·m-2·d-1；Rr為反射太陽輻射，MJ·m-2·d-1；Rns為凈短波太陽輻射，MJ·m-2·d-1；Rnl為凈長波太陽輻射，MJ·m-2·d-1；Rn為作物表面凈輻射，MJ·m-2·d-1；Gsc為太陽常數，MJ·m-2·min-1，Gsc=0.082 0；dr為日地相對距離；δ 為太陽磁偏角；φ 為緯度；Ws為日落時的角度；J 為年內天數；n 為實測日照時數，h；N 為最大天文日照時數，h；z 為地面海拔高程，m；α 為反射系數，FAO 推薦值為α=0.23；Tmax，K為日最高絕對溫度，（Tmax,K=Tmax+ 273.16 ℃）；Tmin,K為日最低絕對溫度，（Tmin,K=Tmin+ 273.16 ℃）；σ 為 Srefan-Boltzmann 常數， σ=4.903 × 10-9MJ·K-4·m-2·d-1；ea為實際水汽壓/kPa；as與bs為Angstrom 系數，as為全陰天輻射系數，as+bs是晴空輻射系數，as與bs分別取值為：as=0.25，bs=0.50[8]。

（2）土壤熱通量G

（3）日均氣溫T

（4）距離地面2 m 高處風速U2

（5）飽和水汽壓es

其中

（6）實際水汽壓ea

（7）溫度—飽和水汽壓關系曲線在溫度 T 處的切線斜率Δ

（8）濕度計常數γ

公式中：e0為0 ℃時的飽和水汽壓，e0=6.1 ×103 kPa；RHmean為平均相對濕度/%；Cp為空氣的定壓比熱，Cp=1.103 × 10-3MJ·kg-1·℃-1；ε 為水汽與干空氣分子比重，數值約為0.622；P 為實際氣壓/kPa；λ 為水的氣化潛熱，λ=2.501-（2.361 × 10-3）T；Uz為距離地面z 米高處風速/(m·s-1)；z 為距離地面高度/m。

1.2.5 作物系數 FAO 中規定了計算作物系數Kc 的具體公式[8]：

式中，ET 為潛在蒸散量/(mm·d-1)；ET0為參考作物蒸散量/(mm·d-1)。

1.3 荊條生育期的劃分

聯合國糧農組織根據植物的生長發育狀況，將植物生長發育過程統一劃分為4個時期：初始生長期、快速生長期、發育中期和發育后期[8]。基于對華北土石山區荊條灌叢的實地調查，將荊條生育期劃分為：5 月1 日—5 月20 日（展葉期）、5 月21日—7 月20 日（開花期）、7 月21 日—10 月10 日（結果期）、10 月11 日—10 月31 日（落葉期）。

1.4 數據處理

運用Excel 2021 軟件分析氣象數據、荊條潛在蒸散量、作物系數、葉面積指數及新梢生長量，并用插補法對異常值進行處理，用SPSS 25 軟件對作物系數與葉面積指數和新梢生長量進行雙變量相關性分析（＊＊為P＜0.01，＊為P＜0.05），運用Origin 2018 軟件對數據進行作圖。

2 結果與分析

2.1 參考作物蒸散量變化

根據2021 年5 月1 日至10 月31 日的逐日氣象數據，利用式（1-21）計算得到荊條生育期內的參考作物蒸散量ET0（圖1）。荊條生育期內ET0值整體呈下降趨勢，5、6 月份較高，7 月份后開始逐漸下降。實驗期間ET0總值為630.86 mm，日均值為3.43 mm·d-1，最大值和最小值分別為6 月5 日的13.14 mm·d-1和9 月18 日的0.16 mm·d-1。降雨量與ET0變化趨勢相反，5、6 月份降雨量較少，7—9 月份則顯著增加（表1）。最大降雨量出現在7 月20 日，為178.50 mm，觀測期降雨總量為1 259.60 mm。

表1 研究區氣象因子月變化Table 1 Monthly changes of meteorological factors in the experiment area

圖1 參考作物蒸散量及降雨量日變化Fig. 1 Daily variation in reference crop evapotranspiration and precipitation

2.2 荊條潛在蒸散量變化

圖2 為荊條生育期內潛在蒸散量日變化，荊條潛在蒸散量整體呈拋物線式波動變化，其中5 月份較低且日際波動較小；之后逐漸升高，在6—8 月份較高且日際波動也較大；9 月份后的數值及日際波動幅度均逐漸減小；最大值為7 月14 日的8.84 ± 0.14 mm·d-1，最小值為10 月31 日的0.79 ±0.37 mm·d-1。

圖2 荊條潛在蒸散量日變化Fig. 2 Daily variation of potential evapotranspiration of Vitex negundo L. var. heterophylla (Franch.) Rehd.

各生育期的潛在蒸散量見表2，變化顯著。在開花期最大，總值為336.26 ± 18.19 mm，日均值為5.51 ± 0.30 mm·d-1；其次為結果期，總值為266.78 ± 23.27 mm， 日均值為3.25 ± 0.28 mm·d-1；然后是展葉期，對應數值為71.86 ± 2.36 mm 和3.59 ± 0.12 mm·d-1；落葉期最小，對應數值分別為41.57 ± 3.61 mm 和1.98 ± 0.17 mm·d-1。在整個生育期，潛在蒸散量總值為716.47 ± 40.21 mm，日均值為3.89 ± 0.22 mm·d-1。

表2 荊條各生育期潛在蒸散量Table 2 Potential evapotranspiration in different growth stages of Vitex negundo L. var.heterophylla (Franch.) Rehd.

2.3 水分充足條件下的荊條生長發育變化

荊條生長發育狀況主要表現在LAI 和新梢生長量上。由表3 可知，荊條5 月份LAI 較低，僅為1.90 ± 0.07；隨著生育期推進和氣溫升高，6 月份的荊條葉片變大，數量增加，LAI 增長迅速；8 月份達到最大值2.93 ± 0.07，之后緩慢降低，10 月份降為最小值1.63 ± 0.08。

表3 荊條生理生長變化Table 3 Physiological growth changes of Vitex negundo L. var. heterophylla (Franch.) Rehd.

荊條的新梢生長量表現為5 月份生長最快，大小為6.85 ± 0.25 cm，說明5 月為荊條快速生長階段，主要表現為營養生長。從5 月中下旬開始，荊條進入花期，營養生長變緩，逐漸進入生殖生長階段，直到9 月份，荊條持續保持緩慢生長水平，進入穩定階段。10 月份新梢基本停止生長，增長量僅有0.003 ± 0.001 cm。

2.4 荊條作物系數變化及其與生理生長指標的關系

根據參考作物蒸散量ET0和荊條潛在蒸散量ET 及式（22），計算得到荊條作物系數Kc（圖3），可知其在生育期內呈先增后降的變化趨勢，最大值為8 月17 日的3.23 ± 0.17，最小值為10 月31 日的0.30 ± 0.14。整個生育期內的變化表現為在展葉期較低，之后逐漸增大到結果期的最大值，之后逐漸下降并在落葉期最小。Kc 的數值在整個生育期內平均為1.28 ± 0.16，在展葉期為0.98 ±0.05（0.45～1.70），開花期為1.25 ± 0.13（0.63～2.32），結果期為1.45 ± 0.22（0.94～3.23），落葉期為0.95 ± 0.14（0.30～1.54）。

圖3 各生育期荊條作物系數變化Fig. 3 Change of crop coefficient of Vitex negundo L. var. heterophylla (Franch.) Rehd. in different growth stages

有研究認為植物生理生長指標與Kc 有相關關系[17,28-31]。本文將Kc 與LAI 和新梢生長量進行相關分析并建立統計關系（圖4），圖中Kc 為15 d 平均值。可知，Kc 與LAI 間呈極顯著非線性正相關（p＜0.01），決定系數R2為0.736。Kc 與新梢生長量相關性不顯著（p＞0.05），決定系數R2為0.234 1。Kc 與LAI 的擬合關系優于新梢生長量，因此可通過測量荊條的LAI 來估算Kc，進而計算蒸散量。

圖4 荊條作物系數與葉面積指數和新梢生長量的關系Fig. 4 Relationship between crop coefficient and LAI and growth of new shoot length of Vitex negundo L. var.heterophylla (Franch.) Rehd.

3 討論

ET0及潛在蒸散量的變化特征主要與氣候環境和植物自身生長有關。前人[32-35]研究結果發現ET0在試驗期間呈下降趨勢，與本文結果較一致。主要原因在于該地春季降雨稀少（表1），春旱現象較明顯，5 月1 日至6 月30 日降雨量僅133.60 mm，占觀測期間總降雨量的10.61%，導致相對濕度較低，5、6 月份分別為48.55%和55.12%；且溫度逐漸上升，6 月達到了最高值27.36 ℃；同時凈輻射也逐漸增加，5、6 月份分別為394.74 MJ·m-2和385.08 MJ·m-2，因此植物蒸散過程強烈，導致ET0值較高。該地7 月進入雨季，7—9 月份降雨事件頻發，降雨量高達1 093.10 mm，占觀測期間的86.78%，尤其7 和9 月份的降雨量分別為419.80 和432.20 mm。大量降雨及陰雨天氣使相對濕度升高，7—9 月份平均相對濕度均在80%以上，導致溫度和凈輻射快速下降，植物蒸散過程相應減弱，ET0值不斷降低。不同時間的ET0值大小略有差異主要與地域和氣候環境有關。荊條生育期內的潛在蒸散量呈拋物線式變化，與前人[36-40]研究結果相似，主要是因為植物潛在蒸散量除受氣象因子影響外，還與自身生長發育有關[41]。5 月份荊條剛開始生長，葉片較小，光合及蒸騰能力較弱，潛在蒸散量較低；6—8 月份荊條枝葉生長迅速，且溫度不斷升高，荊條生理活動強烈，潛在蒸散量不斷增加；9 月份后，荊條生長趨于穩定，溫度較8 月份有所降低，但降雨量比8 月份增加了191.10 mm，導致土壤水分過大，使得根區含氧量減少[3]，抑制了植物生理作用，加上荊條葉片逐漸脫落，蒸騰作用不斷下降，導致潛在蒸散量不斷降低。

大量研究表明Kc 因植物種類、研究區域及環境不同而差異顯著。胡永翔等[29]、仝國棟[42]、Ding 等[43]發現黃土高原地區滴灌棗樹、華北地區桃樹、西北地區白菜的Kc 均呈現先增后減的變化趨勢，與本文結果較為一致，但不同生育期內Kc 值大小略有差異，主要與作物種類及當地氣候環境有關。葉片可以顯著影響植株蒸騰，很多研究表明蒸散量受冠層LAI 直接影響[44]。Gong 等[45]對西北干旱地區蘋果樹、Testi 等[46]對西班牙橄欖樹、王亞蕊等[47]對華北落葉松人工林的研究結果均表明蒸散量與LAI 呈顯著正相關。Kc 是潛在蒸散量與ET0的比值，因此Kc 與LAI 同樣存在密切聯系。Munitz 等[48]發現以色列中部山區葡萄園Kc 與LAI 呈顯著線性關系，胡永翔等[29]發現黃土高原滴灌棗樹Kc 與LAI 存在顯著的二次曲線關系。本研究發現，荊條Kc 與LAI 存在極顯著非線性正相關（p＜0.01）。新梢生長量作為表征植物營養生長的指標，受植物生長發育與氣候因子的共同影響。陳秋帆等[49]發現用馬鈴薯植株高度計算Kc 較為接近實測值；但整體而言，其對植物光合、蒸騰等生理作用的調控不如LAI 直接，進而表現為與Kc 的相關性遠不如LAI。本研究表明，可以利用相對容易獲得的LAI 及其與Kc 的經驗模型，估算荊條的蒸散量，從而為華北土石山區荊條灌叢的蒸散量預測、水資源管理等提供理論依據。

4 結論

荊條生育期內，ET0值整體呈下降趨勢，5、6 月份較高，7 月份后開始逐漸下降；ET0總值為630.86 mm，日均值為3.43 mm·d-1。荊條潛在蒸散量呈拋物線式變化，開花期最大，落葉期最小；全生育期總值為716.47 ± 40.21 mm，日均值為3.89 ± 0.22 mm·d-1。荊條潛在蒸散量受ET0和荊條生育期共同作用。荊條Kc 呈先增后降的變化趨勢，結果期最大，落葉期最小，全生育期平均值為1.28 ± 0.16；可利用Kc 值與LAI 的極顯著非線性相關關系，借助相對容易獲取的LAI 數據，求算荊條蒸散量。