張 洋，馬英杰

(新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院, 新疆 烏魯木齊 830052)

新疆擁有得天獨厚的地理位置和政策導(dǎo)向優(yōu)勢，特色林果業(yè)已經(jīng)成為當?shù)亟?jīng)濟和社會發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。新疆紅棗的產(chǎn)量約占全國總產(chǎn)量的25%[2]，其經(jīng)濟價值突出。環(huán)塔里木盆地紅棗的種植面積約占全疆的90%，其中大部分仍以漫灌為主[3]，灌水定額高達15 000～18 000 m3·hm-2,這種漫灌方式使水資源的利用效率降低，并且導(dǎo)致了水資源的嚴重短缺，制約了當?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[4]。

在農(nóng)田系統(tǒng)中，栽培植物絕大部分的吸水量通過蒸散形式被消耗[5]，蒸散包括植株蒸騰和土壤蒸發(fā)，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中水熱平衡的重要組成部分。在不同時空尺度下如何準確測定作物蒸散量這一熱點問題[6-8]始終被眾多學者關(guān)注。主要的測量方法有光合作用儀法[9]、莖流法[10]、蒸滲儀法[11]、渦度相關(guān)法[12]、大孔徑閃爍儀法[13]及遙感法[14]。由于測量方法的原理、技術(shù)、假設(shè)理論及背景環(huán)境等都不盡相同，各有其局限性和優(yōu)勢。通過長期的實踐證明，莖流法是單株尺度下植物蒸騰量測定較為可靠的方法，其測量精度較高，測量范圍廣，可適用于不同地區(qū)[15-16]、較多類型的植物[17-18]，可在野外苛刻的環(huán)境下對植物蒸騰量進行長時間定點連續(xù)測定。渦度相關(guān)法理論完備、假設(shè)條件少，其他儀器測量數(shù)據(jù)的精度常用渦度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，目前被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田、草原、森林等[19-21]生態(tài)系統(tǒng)的蒸散研究。棗樹的蒸散量研究在黃土高原地區(qū)較多[22-23],且研究的內(nèi)容測重于棗樹蒸散量的特征分析及蒸散模型[24-26]，而新疆棗樹蒸散量的研究較少[27]。

以微型蒸滲儀[28]測定的土壤蒸發(fā)量和莖流計測定的單棵棗樹蒸騰量作為棗樹的蒸散量，稱為莖流系統(tǒng)。莖流系統(tǒng)測得點(單棵棗樹)尺度的蒸散量與渦度系統(tǒng)測量面(棗園)尺度的蒸散量，其測量尺度有很大不同，而兩者的關(guān)系究竟如何還有待研究。本文通過對莖流系統(tǒng)與渦度系統(tǒng)測定的點(棗樹)、面(棗園)尺度的蒸散量值進行對比，分析不同時空尺度下二者蒸散量的關(guān)系，探究點、面尺度間蒸散量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，旨在為干旱區(qū)棗樹蒸散量尺度的轉(zhuǎn)換研究提供方法和思路，為制定新疆棗園科學的灌溉制度提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于新疆阿克蘇市南工業(yè)園內(nèi)，80°22′E，41°08′N，海拔1 133 m。試驗棗園地勢較為平坦，園內(nèi)東南角高，西北角相對較低。地處塔里木盆地北部，屬于大陸性南溫帶干旱氣候，光照資源豐富，四季分明。多年平均日照時數(shù)達2 911 h，多年平均太陽輻射5 671.36 w·m-2，年平均降雨量為68.4 mm，多年平均氣溫11.2℃，日最高溫40.9℃，日最低溫為-27.4℃，無霜期長達212 d。土壤的物理性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 土壤剖面基本物理性狀

1.2 試驗材料

試驗時間：2020年4—11月，供試灰棗樹在2000年栽植，樹齡20 a，平均株高約4 m，株行距2.0 m×4.0 m。試驗區(qū)采用微噴灌溉，管道布置在2行樹中間，管徑20 mm，微噴頭流量47 L·h-1，噴頭間距3.0 m，噴灑半徑1.5 m。灌溉制度采用當?shù)氐闹贫?，在棗樹花期前?0 d左右灌水，一次灌水時長為約10 h；花期后每5天左右灌水，一次灌水時長約5 h。通過對成齡灰棗樹在整個生育期的觀察和記錄，把生育期劃分為4個部分，見表2。

表2 棗樹生育期的劃分/(m-d)

1.3 項目測定及方法

本試驗采用渦度系統(tǒng)對棗園蒸散量進行測定，采用莖流系統(tǒng)對棗樹蒸散量進行測定。

1.3.1 棗園蒸散量的測定 園內(nèi)試驗儀器布置如圖1所示，通過渦度系統(tǒng)對棗園蒸散量進行測定。本試驗渦度相關(guān)系統(tǒng)設(shè)立在棗園的中心位置，該系統(tǒng)由三維超聲風速儀和紅外氣體分析儀一體機(IRGASON, Campbell Scientific, USA)組成，架設(shè)高度6.0 m；四分量輻射計(CNR4)架設(shè)高度4.2 m；土壤熱通量板(HFP01)埋設(shè)于地下5.0 cm處，兩塊土壤熱通量板間距1.0 m，分別埋在干燥區(qū)域和濕潤區(qū)域；采集渦度相關(guān)所有儀器觀測的數(shù)據(jù)采集器CR3000，安裝高度1.5 m，數(shù)據(jù)采集器程序設(shè)定為每秒采集數(shù)據(jù)10次，每30 min記錄一次數(shù)據(jù)，CR3000內(nèi)載Campbell Easy-Flux DL在線全修正軟件(Campbell Scientific Inc.2016)修正數(shù)據(jù)。在后期數(shù)據(jù)處理的過程中，依據(jù)以下原則對異常數(shù)據(jù)剔除和修補：傳感器出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)、超出物理意義的異常數(shù)據(jù)及降雨前后1 h的數(shù)據(jù)。通過對觀測的數(shù)據(jù)進行分析，棗園能量閉合度0.81。計算蒸散量通過以下公式計算：

圖1 試驗區(qū)噴灌棗園儀器布設(shè)圖

(1)

(2)

ET=0.0018×LE/λ

(3)

式中,LE為潛熱通量(W·m-2)；H為顯熱通量(W·m-2)；λ為汽化潛熱(J·g-1)；CP為空氣定壓比熱(J·kg-1·K-1)；ω′為垂直風速脈動量(m·s-1)；P′為比濕脈動量(g·m-3);ρ為干空氣密度(g·m-3)；T′為溫度脈動量(℃)；ET為蒸散量(mm)。

1.3.2 棗樹蒸騰量的測定 本試驗隨機選取長勢基本一致、無病蟲害且生長健康的灰棗樹3棵。通過針式莖流計對其進行莖流速率的測定。3棵樣樹的探針都安裝在同樣高度的位置以及每棵樹上的兩根探針間隔距離也相同，其中加熱探針距地面40 cm，另一根探針距加熱探針上方12 cm，并用泡沫板進行固定，用反光膜和隔熱膜進行包裹，在探針上方用膠布對其包裹密封，防止水流順著棗樹的莖干流下并接觸傳感器。為了保持空氣的流通性，探針下方不進行密封。每30min采集并記錄一次數(shù)據(jù)。莖流速率計算公式如下：

(4)

S=0.1364C1.6936

(5)

T=SU

(6)

式中,U為莖流速率(ml·cm-2·min-1);ΔT為兩探針之間的溫度差(℃)；ΔTmax為晚間兩個探針之間最大溫差(℃)；S為邊材面積(cm2)；C為樹體周長(cm)；T為棗樹蒸騰量(mm·m-2)。

1.3.3 土壤蒸發(fā)量的測定 在測量莖流的3棵樣樹下，通過自制微型蒸滲儀測定土壤的蒸發(fā)量。微型蒸滲儀是由兩個PVC管組成。外側(cè)的PVC管長為200 mm，直徑為125 mm；內(nèi)側(cè)PVC管長為150 mm，直徑為110 mm，底部有鋼絲網(wǎng)封底。在生育期內(nèi)，選取一棵樣樹，沿株距方向50 cm處布置1個微型蒸滲儀，沿行距方向每隔50 cm布置1個微型蒸滲儀，共布置4個；3棵樣樹共計15個微型蒸滲儀。在每次灌水次日的10:30用電子秤(精度為0.01 g)對內(nèi)側(cè)PVC管土壤進行換土稱重，每次灌水前一天早上10∶30對內(nèi)側(cè)PVC管土壤稱重，兩次測量后重量的差值為此次灌水周期內(nèi)土壤蒸發(fā)量的實測值，降完雨后則需及時換土稱重。計算公式如下：

(7)

式中,E為土壤蒸發(fā)量(mm·m-2)；A為灌溉后一天與前一天微型蒸發(fā)器質(zhì)量差值(g)；π為圓周率；r為除去壁厚的PVC內(nèi)管半徑(cm)。

1.3.4 數(shù)據(jù)評價標準 采取均方根誤差與觀測值標準差比率(RSR)和納什系數(shù)(NSE)作為本試驗數(shù)據(jù)精度的評價指標。計算結(jié)果在0≤RSR≤0.5,0.750.7,NSE≤0.5范圍時，計算結(jié)果不接受。

(8)

(9)

2 結(jié)果與分析

2.1 典型日莖流速率和潛熱通量的變化規(guī)律

通過莖流速率可以間接推算出棗樹的蒸騰量，通過潛熱通量可以間接計算出蒸散量。在棗樹整個生育期內(nèi)選取各個月典型日(4月21日、5月17日、6月24日、7月22日、8月15日和9月23日)進行莖流速率和潛熱通量的對比分析，如圖2所示。

圖2 棗園各月典型日莖流速率和潛熱通量變化規(guī)律

各月典型日的莖流速率和潛熱通量變化總體上呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。各時期從啟動時間、最大增幅或降幅時間及峰值時間都有很明顯差異。啟動時間上莖流速率在4月的6∶00—7∶00，其余各月在8∶00—9∶00；潛熱通量在4—6月的啟動時間為8∶00—9∶00，7—9月為9∶00—10∶00，潛熱通量相對莖流速率的啟動時間上有明顯的滯時性。莖流速率和潛熱通量最大增幅和降幅時間大都在10∶00—13∶00和17∶30—20∶30。莖流速率和潛熱通量峰值均在4月最小、8月最大，分別為0.03、0.05 mm·30min-1；0.17、0.29 mm·30min-1。在整個生育期內(nèi)于30 min尺度下對莖流速率和潛熱通量進行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.878(P<0.01，N=8832)，潛熱通量和莖流速率具有顯著相關(guān)關(guān)系。

通過各典型日對莖流速率和潛熱通量變化規(guī)律進行分析，發(fā)現(xiàn)在一天中11∶30—18∶00，莖流速率的波動幅度相對于潛熱通量更加平緩。主要因為兩種儀器的工作原理不同，莖流計通過探針測定棗樹液流流過兩根探針的溫差計算莖流速率；渦度系統(tǒng)通過測定大氣中的氣象指標進而對潛熱通量進行推算，其結(jié)果受氣象條件的影響較大，而氣象條件對棗樹莖流速率的影響相對滯后，因此莖流速率相對潛熱通量的變化趨勢較為平緩。在22∶00至次日8∶00，潛熱通量和莖流速率都趨于零或在趨于零的過程中小范圍內(nèi)波動，但潛熱通量在4、5月的9∶30至次日的4∶30出現(xiàn)明顯的震蕩現(xiàn)象，通過氣象數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)夜間大風導(dǎo)致渦度系統(tǒng)測定的潛熱通量出現(xiàn)波動。

2.2 棗樹各生育期蒸散量與棗園蒸散量變化分析

通過莖流系統(tǒng)測量的棗樹蒸散量和通過渦度系統(tǒng)測定的棗園蒸散量，其觀測結(jié)果如圖3和表3所示。莖流系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)監(jiān)測的蒸散量變化規(guī)律基本相同，從萌芽展葉期(D1)、花期(D2)的逐漸增大，果實膨大期(D3)達到最大，到成熟期(D4)內(nèi)逐漸減小。這4個時期莖流系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)測得蒸散量的平均值依次為：1.26 mm·d-1和1.33 mm·d-1、2.82 mm·d-1和2.92 mm·d-1、3.92 mm·d-1、3.67 mm·d-1以及2.56 mm·d-1和2.76 mm·m-2·d-1。各生育期的土壤蒸發(fā)量和棗樹蒸騰量的平均值依次為：0.39 mm·d-1和0.90 mm·d-1、0.75 mm·d-1和2.14 mm·d-1、1.13 mm·d-1和2.84 mm·d-1以及0.36 mm·d-1和2.22 mm·d-1。全生育期蒸騰量為403.2 mm，占蒸散量的75%，各生育期的蒸騰量占比蒸散量的大小依次為D4>D3>D2>D1。各生育期的蒸騰量大小依次為D3>D4>D2>D1，土壤蒸發(fā)量的大小依次為D3>D2>D4>D1。

表3 棗園各灌水周期的蒸發(fā)蒸騰量及蒸散量

圖3 棗園各生育期蒸發(fā)蒸騰量及蒸散量的變化規(guī)律

2.3 不同時間尺度下棗園莖流系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)測定蒸散量相關(guān)分析

微型蒸滲儀是以灌水周期對土壤蒸發(fā)量進行測定的，所以莖流系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)同樣以灌水周期作為相同的時間尺度。二者測定的棗園蒸散量如圖4a所示，莖流系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)測量的變化規(guī)律基本一致，且莖流系統(tǒng)測得的總蒸散量為538.37 mm，與渦度系統(tǒng)的蒸散量僅差4.98 mm，比例僅為0.93%。在灌水周期時間尺度下，整個生育期內(nèi)二者差值在0.01～3.25 mm的范圍內(nèi)波動，花期和果實膨大期莖流系統(tǒng)測得的蒸散量大多數(shù)都略高于渦度系統(tǒng)，一般認為渦度系統(tǒng)測量蒸散量的結(jié)果比其他方法略小[29]。通過對莖流系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)測定的棗園蒸散量進行線性回歸分析，結(jié)果如圖4(b)所示，二者具有較高的相關(guān)性，回歸方程為：Y=0.965X，R2=0.832。通過統(tǒng)計分析，NSE=0.78，RSR=0.47，數(shù)據(jù)計算結(jié)果極好。

圖4 灌水周期內(nèi)棗園莖流系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)測定蒸散量的相關(guān)分析

根據(jù)每日的參考作物蒸發(fā)蒸騰量在灌水周期內(nèi)所占權(quán)重對每日土壤蒸發(fā)量進行加權(quán)分配得到日土壤蒸發(fā)量。日尺度下二者測定的棗園蒸散量如圖5(a)所示。莖流系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)測得棗園蒸散量的變化范圍分別為：0.32～4.97 mm和0.31～5.12 mm。在日尺度下，整個生育期內(nèi)二者差值在0.01～1.87 mm的范圍內(nèi)波動，在灌水當天和后兩天中兩個系統(tǒng)測得蒸散量的差值較大(約1 mm)，可能是因為沒有實際測量的日土壤蒸發(fā)量，僅從灌水周期尺度推延到日尺度的過程存在一定偏差。整個生育期內(nèi)二者蒸散量在花期和果實膨大期的差值波動相對于成熟期較小。通過對莖流系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)測定棗園的蒸散量進行線性回歸分析，結(jié)果如圖5(b)所示，二者具有較高的相關(guān)性，回歸方程為：Y=0.964X，R2=0.674，NSE=0.67，RSR=0.57，數(shù)據(jù)計算結(jié)果良好。綜上表明，以莖流計和微型蒸滲儀組成的莖流系統(tǒng)可以測定棗園尺度下的蒸散量，且具有較高的可靠性，進而可以用莖流系統(tǒng)測定的單棵棗樹尺度蒸散量向棗園尺度蒸散量轉(zhuǎn)換。

圖5 日尺度下棗園莖流系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)測定蒸散量的相關(guān)分析

3 討 論

渦度系統(tǒng)測量棗園蒸散量時受外界氣象因素影響較大，尤其是大風天氣，而莖流計基本不受天氣影響，二者結(jié)合使用更能準確地測量棗園蒸散量及反映棗園蒸散發(fā)的變化規(guī)律。在典型日(6月24日)夜間有明顯的液流活動，因為白天棗樹蒸騰活動劇烈，為了減少樹體水分的虧缺和過度消耗，通過在夜間進行水分的補給以維持自身的動態(tài)水分平衡[30]。此外，在阿克蘇地區(qū)夜間空氣仍然處于干燥狀態(tài)，且夜間的液流活動受空氣流動影響較大，以維持夜間蒸騰導(dǎo)致的水分缺失[31]。

通過微噴的灌溉方式，棗園蒸騰量占蒸散量75%，這一比例間接反映了無效用水量(土壤蒸發(fā)量)的情況。微噴的灌溉方式相對于大水漫灌，有效減少了無效用水，相對于滴灌而言無效用水的比例略有增加，鄭明等[32]對于棗園滴灌局部濕潤的土壤蒸發(fā)量研究表明，土壤蒸發(fā)量占總蒸散量的19.74%。但微噴的灌溉方式更有利于田間小氣候的調(diào)節(jié)[33]，尤其在棗樹的花期和果實膨大期降雨量少、空氣干燥、相對濕度較低、環(huán)境溫度較高，此時微噴灌對降低近地表面的空氣溫度和平均溫度作用顯著，同時能增加棗園內(nèi)日平均相對濕度和降低近地表面與冠層間的溫度，為棗樹的蒸散發(fā)提供一個適宜的環(huán)境，農(nóng)田在滴灌條件下的蒸散發(fā)能力明顯低于地表漫灌[34]。

通過對莖流系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)測定棗園蒸散量分析，二者顯著相關(guān)，但線性回歸方程的擬合度并不很好。原因有兩點：首先，這和兩種儀器的測量原理與測量尺度有關(guān)。渦度系統(tǒng)通過大氣中垂直風速和水汽密度的協(xié)方差來計算蒸散量[35]，單位時間內(nèi)棗園尺度下經(jīng)過紅外氣體分析儀的水汽密度和風速的大小會直接影響其測定結(jié)果；莖流計則是在單位時間內(nèi)單棵棗樹尺度下經(jīng)過兩根探針的液流溫差來計算棗樹蒸騰量[36]。其次，蒸散量差異與土壤蒸發(fā)量有關(guān)。本試驗下的棗園灌溉充分，棗樹的蒸騰量不考慮因土壤含水量太低而導(dǎo)致棗樹蒸騰受抑制的情況。當?shù)乇淼耐寥篮瘦^大時，土壤蒸發(fā)越劇烈，在相同的外界氣象條件下，棗樹蒸騰量也基本相同，但占比總的蒸散量較小，反之當?shù)乇砗枯^小時，蒸騰量占比蒸散量較大[37]。因此，建議灌溉的時間放在陰天或者晚間，減少不必要的無效水蒸發(fā)。

在莖流系統(tǒng)測定單棵棗樹尺度蒸散量向棗園尺度蒸散量推延的過程發(fā)現(xiàn)，莖流系統(tǒng)與渦度系統(tǒng)測定蒸散量的變化趨勢和規(guī)律較為一致，灌水周期尺度下NSE=0.78，RSR=0.47，R2=0.832，數(shù)據(jù)計算結(jié)果極好；日尺度下NSE=0.67，RSR=0.57，R2=0.674，數(shù)據(jù)計算結(jié)果良好。和其他尺度轉(zhuǎn)換的研究[38-39]相比，本試驗田由果農(nóng)精心管理，樹齡基本相同、樹干直徑差別較小，因此莖流系統(tǒng)測定單棵棗樹的蒸散量可以較好地向棗園尺度蒸散量轉(zhuǎn)換。不同地區(qū)必須分析影響單棵樹蒸散量差異的因素(樹的葉面積指數(shù)、樹干直徑、冠層大小、種植模式等)，未來在區(qū)域尺度與遙感技術(shù)更好地結(jié)合使用。

4 結(jié) 論

1)由于兩種儀器測量原理的不同，莖流速率在一天中的波動變化與潛熱通量相比較為平緩，外界氣象條件的突變對渦度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)觀測影響很大。

2)棗園整個生育期的蒸騰量占比蒸散量的大小依次為D4>D3>D2>D1。各生育期的蒸騰量大小依次為D3>D4>D2>D1，土壤蒸發(fā)量的大小依次為D3>D2>D4>D1。

3)莖流系統(tǒng)和渦度系統(tǒng)在日尺度和灌水周期尺度下測得棗園的蒸散量在整個生育期內(nèi)的變化規(guī)律基本相同，通過相關(guān)分析和回歸擬合，二者測得的數(shù)據(jù)一致性較高。莖流系統(tǒng)測得的總蒸散量為538.37 mm，與渦度系統(tǒng)的蒸散量僅差4.98 mm。因此，莖流系統(tǒng)測得點(單棵棗樹)尺度的蒸散量能夠推延渦度系統(tǒng)測量面(棗園)尺度的蒸散量。