徐利岗，杜 历，李金泽，汤 英，王怀博，唐 瑞

(宁夏水利科学研究院，银川 750021)

蒸腾作用是植物以蒸汽的形式散失水分的过程，即植物根部吸收土壤水分，通过茎运输到植株顶部，从叶表面蒸腾散失[1]，而蒸腾耗水99.8%以上来自于树干液流[2]。因此可以采用植物生理学原理[3]、热技术茎流计[4]等方法测定植株液流量从而确定植物蒸腾耗水量。石磊从枝叶、单木、林分和区域(流域)4个尺度上，综合评述了当前国内外关于林木蒸腾耗水量的测算方法，对比分析了不同测算方法的测定对象、适用条件及优缺点[5]。也有学者利用树干液流分析了不同径级的西伯利亚红松[6]、胡杨[7]、梭梭[8]、玉米[9]、覆膜旱作稻田[10]、混播草坪草[11]的蒸腾耗水规律。孙龙[12]分析了不同土壤水分对沙棘、沙枣、柠条和多花柽柳的蒸腾耗水的影响特征。莫康乐[13]、徐利岗[14,15]、高浩[16]则分别分析了人工杨树林、干旱区枸杞及单株油蒿的蒸腾耗水与土壤含水率及环境因子间的相关关系。学者们大多是针对某种作物的蒸腾耗水在不同时间尺度上的变化特征及规律进行相关探讨，但以土壤、植物、大气为连续体全面分析并模拟蒸腾耗水的研究较少。本文以宁夏枸杞为研究对象，采用包裹式茎流监测系统连续监测自然生长条件下的枸杞2015年全生育期(4-10月)树干液流量，在试验区设置自动墒情监测系统以及自动气象站，分别监测枸杞全生育期根区土壤含水率变化及有试验区气象参数。基于中国气象数据网(http://data.cma.cn/site/index.html)提供的银川站近10 a日气象资料计算了枸杞全生育期日参考作物腾发量，基于各类数据构建了干旱区枸杞蒸腾耗水量与参考作物腾发量ET0以及蒸腾耗水量与枸杞茎粗、根区土壤含水量、气象要素及饱和水气压等SPAC系统关键因子的相关关系及模拟模型，为枸杞水分亏缺诊断、需水量的计算与精量控制灌溉提供理论依据。

1 研究区概况

研究区地处西北干旱内陆地区，位于宁夏北部，干旱少雨，蒸发量大，日照充足，积温较高。多年平均气温8.8 ℃，年日照时数为2 800～3 100 h，多年平均降雨量195 mm，蒸发量1 864 mm，无霜期155 d左右，年平均风速2～6 m/s，土壤冻结深度0.8～1.2 m。地下水水量丰富，主要为灌溉入渗、降水入渗及贺兰山山前侧向补给，地下水埋藏一般在1.0～3.0 m左右，矿化度小于1.0 g/L。核心试验区位于中国灌溉试验宁夏中心站试验基地枸杞种植区(106°42′E 38°27′N，海拔1 115 m)，总面积0.333 hm2，枸杞种植株行距为1 m×3 m，选择一块长势均等，冠幅适中，无病虫害的片区(21 m×24 m)作为枸杞树干液流试验测定区域。试验区土壤类型为淡灰钙土，0～40 cm土壤颗粒组成：粒径2.0～0.25 mm占49.4%，0.25～0.05 mm占31.6%，0.05～0.02 mm占2.0%，0.02～0.002占4.4%，<0.002 mm占12.6%，按美国土壤分类制为壤质砂土。试验灌溉水源为地下水,矿化度0.46 g/L，符合灌溉水质标准要求。

2 试验材料与方法

2.1 试验设置及设备安装

(1)试验对象为4年生宁夏枸杞，品种为宁杞7号。在试验区域内选取5棵基径分别为2.3、2.6、2.9、3.2、3.5 cm的典型样株(处理编号分别为T1、T2、T3、T4及T5)。在距地面10 cm以上树干顺直段安装意大利包裹式植物茎流监测系统(EL-100)的Dynagage包裹式茎流传感器，进行枸杞茎干液流监测。取得2015年4-10月枸杞全生育期树干液流数据，数据步长为60 min。

(2)安装美国产WatchDog 2900ET自动气象站1台，实时监测试验区太阳辐射、气压、相对湿度、温度、降雨量、风速、露点温度等气象要素，获取2015年1月1日-12月31日逐日气象数据，数据步长为60 min。

(3)安装意大利LSI-LASTEM公司生产土壤墒情监测站，分别在距典型样株树干水平20 cm处，纵剖面安装土壤水分传感器，安装深度分别为20、40、60及80 cm处，获取2015年1-12月逐日土壤含水率数据，数据步长为60 min。

2.2 研究方法

采用饱和水汽压差VPD指标综合表达温度与空气相对湿度的协同效应[8]，以分析其对枸杞树干液流的影响。该指标计算公式如下：

(1)

VPD=E-ERh/100

式中：E为饱和水汽压，kPa；Rh为相对湿度，%；t为空气温度，℃。

数据的统计分析使用SPSS软件及Excel软件，其中不同月份树干液流的差异性采用Miniab16.0方差分析；树干液流与气象因子的相关性分析采用非参数检验Spearman分析方法，SPSS软件予以实现。

3 结果与分析

3.1 干旱区枸杞蒸腾耗水与作物参考腾发量相关关系及其模拟

3.1.1 研究区近10年作物参考腾发量变化特征分析

利用银川站2005-2014年各年4-10月日数据计算试验区近10 a的参考作物腾发量逐日系列并进行整理绘制研究区参考作物腾发量及气温变化过程线(见图1)。从图1可以看出，作物参考腾发量总体呈降低趋势，从2007年开始明显降低，4-10月平均气温波动较大，气温的变化对参考作物腾发量的变化影响不剧烈。

3.1.2 枸杞蒸腾耗水与作物参考腾发量的相关关系及模拟分析

基于枸杞全生育期逐日作物参考腾发量数据系列，分别选取D=2.6 cm及D=3.5 cm的两个典型样株相应时段枸杞树干液流数据进行互相关分析(见表1)，同时以枸杞树干液流量为应变量，参考作物腾发量为自变量构建拟合模型。考虑到枸杞各月蒸腾耗水变化特征不同，为了更准确模拟枸杞逐月的耗水量，绘制二者拟合散点图(见图2)，并建立4-10月逐月的模拟模型(见表2)。从表1可以看出，参考作物腾发量ET0与各月树干液流量S均具有极显著的正相关关系，相关系数分别为0.565～0.774及0.611～0.792，且均通过了P=0.01的显著性检验。D=2.6 cm与D=3.5 cm枸杞样株全生育期分别符合S=0.330 7ET0-0.201(R2=0.822 1)及S=0.451 5ET0-0.822 9(R2=0.641)的线性模型。

图1 研究区近10 a参考作物腾发量及气温变化过程线

基径/cm项目日液流量/(L·d-1)4月5月6月7月8月9月10月Pearson相关性0.513**0.565**0.666**0.618**0.762**0.732**0.774**D=2.6显著性(双侧)0.0030.00200.002000N20313031313031Pearson相关性0.647**0.728**0.792**0.726**0.611*0.739**0.712**D=3.5显著性(双侧)00000.03500N20313031313031

注：**为0.01显著水平；*为0.01显著水平；4月9日安装设备，10日起有完整茎流数据，故4月份样本数为20。

图2 枸杞树干液流日累积量与作物日参考作物腾发量散点图

表2 逐月枸杞树干液流量与参考作物腾发量模拟模型

3.2 枸杞蒸腾耗水与SPAC系统关键参数模拟分析

分别整理2015年4-10月各月及全生育期(4-10月)枸杞典型样株的生长指标、生理指标、根区土壤含水率以及各类气象数据及水汽压差数据系列，对各参量进行互相关关系分析，限于篇幅仅列举全生育期(见表3)的相关关系表。从各时段各参数互相关分析表可以看出，不同时段枸杞蒸腾耗水与基径、土壤含水率、太阳平均辐射、温度及水汽压差等SPAC系统关键参数均呈显著正相关关系，且均通过了P=0.01的显著性检验，相关系数分别为0.628、0.184、0.474、0.483及0.202。说明干旱区枸杞的蒸腾耗水受这些参数的显著影响。同时，基茎与土壤含水率呈显著性正相关(P=0.01)，土壤含水率与太阳平均辐射及温度呈显著反相关关系(P=0.01)相关系数分别为0.106及0.207，水汽压差与太阳辐射成显著反相关关系(P=0.01)，与温度呈显著性正相关关系(P=0.01)。依据各参量与蒸腾耗水间相关分析的显著性程度，以枸杞日液流量S为应变量，枸杞基径r、根区土壤含水率θ、太阳辐射Rs、温度T及饱和水汽压差VPD为自变量，进行多元回归分析，建立枸杞耗水量与各诊断参量逐月拟合模型(见表4)，各月树干液流与各参数成多元线性回归方程，且拟合系数为0.547～0.837，拟合度较好。

表3 枸杞全生育期(4-10月)多参数之间相关关系

注：**在0.01 水平(双侧)上显著相关;*在0.05 水平(双侧)上显著相关。

表4 日液流量与多参数的线性回归模型

3.3 多参数枸杞蒸腾耗水模型验证

对多诊断参数拟合模型进行精度检验，选取基径分别为3.5和2.6 cm典型样株5-10月份逐月1-15日的逐日液流量S、枸杞基径r、根区土壤含水率θ、太阳辐射Rs、温度T及饱和水汽压差VPD等参数实测值，带入各月拟合方程，进行拟合精度检验(见表5)。从表5可以看出，对各月不同基径枸杞的15日累计耗水量的拟合。基径为3.5 cm时，模拟值与实测值误差为-5.80%～2.52%，累计平均误差仅为-0.93%。基径为2.6 cm时，模拟值与实测值误差为-2.36%～3.01%，累计平均误差仅为0.69%。绘制不同基径6月、8月及9月的实测值与模拟值过程线(见图3)可以看出，二者拟合度较好。

表5 不同基茎各月方程拟合精度检验表

4 结 论

本文以宁夏枸杞为研究对象，采用包裹式茎流监测系统连续监测自然生长条件下的枸杞4-10月树干液流量，同时利用自动墒情监测系统及自动气象站，分别监测枸杞全生育期根区土壤含水率变化及试验区气象数据。基于各类数据分析构建了干旱区枸杞蒸腾耗水量与参考作物腾发量ET0以及蒸腾耗水量与枸杞茎粗、根区土壤含水量、气象要素及饱和水气压等SPAC系统关键因子的相关关系及模拟模型，为枸杞水分亏缺诊断、需水量的计算与精量控制灌溉提供理论依据。形成的主要结论有：

图3 不同基径枸杞树干液流实测值及模拟值变化过程线

(1)枸杞生育期参考作物腾发量ET0与各月树干液流量S均具有极显著的正相关关系，相关系数分别为0.565～0.774及0.611～0.792，且均通过了P=0.01的显著性检验。D=2.6 cm与D=3.5 cm枸杞样株全生育期分别符合S=0.330 7ET0-0.201(R2=0.822 1)及S=0.451 5ET0-0.822 9(R2=0.641)的线性模型。

(2)不同时段枸杞蒸腾耗水与基径、土壤含水率、太阳平均辐射、温度及水汽压差等参数均呈正相关关系，相关系数分别为0.628、0.184、0.474、0.483及0.202，且都通过P=0.01显著性检验。基径与土壤含水率呈显著性正相关(P=0.01)，土壤含水率与太阳平均辐射及温度呈显著反相关关系(P=0.01)相关系数分别为0.106及0.207，水汽压差与太阳辐射成显著反相关关系(P=0.01)，与温度呈显著性正相关关系(P=0.01)。

(3)依据各参量与蒸腾耗水间相关分析的显著性程度，以枸杞日液流量S为应变量，枸杞基径r、根区土壤含水率θ、太阳辐射Rs、温度T及饱和水汽压差VPD为自变量，进行多元回归分析，建立枸杞耗水量与各诊断参量拟合模型S4-10月=1.378r+0.017θ+0.004Rs+0.028T+0.34VPD-4.579(R2=0.693)。对模型进行验证，基径为3.5 cm时，模拟值与实测值误差为-5.80%～2.52%，累计平均误差仅为-0.93%；基径为2.6 cm时，模拟值与实测值误差为-6.24%～2.52%，累计平均误差仅为0.69%，二者拟合度较好。

水分在土壤-植物-大气连续体中不断地循环迁移，蒸腾耗水是植物水分消耗的主要方式，而蒸腾耗水与植物水分生命表征直接相联系，决定着植物的水分盈缺与灌溉与否。表征作物耗水及缺水状况的诊断指标主要有土壤水分、气象要素和作物生理生态参量等三大类，但这些指标都存在各种各样的局限性，如果单独凭借某一类指标进行评判则会出现失误，如土壤水分仅仅反映了作物的水分供应情况，并不能直接指示作物植株的耗水及水分状况。因此，将土壤-植物-大气作为一个有机整体，研究田间水分的循环过程和规律，探讨以土壤水和作物关系、并考虑周围大气环境的农田水分调控机理，从综合性、整体性、系统性角度出发研究作物缺水诊断及耗水规律将是作物需水信息研究的必然选择，构建作物多参数蒸腾耗水模型探讨其在作物全生育期的变化规律，将为实时、适量的科学合理灌溉提供决策依据。

[1] 牛丽丽,张学培,曹奇光. 植物蒸腾耗水研究[J]. 水土保持研究,2007,14(2):158-160,163.

[2] Baker J M, Van Bavel H M. Measurement of mass flow of water in the stems of herbaceous plants[J]. Plant, Cell & Environment, 1987,10(9):777-782.

[3] 李薛飞,孟庆涛,黄建国,等.植物生理学原理测算树木蒸腾耗水速率方法综述[J]. 防护林科技, 2014,(3):93-95.

[4] 仇群伊,郭向红,孙西欢,等.热技术茎流计测定植物蒸腾耗水的应用[J]. 节水灌溉,2013,(12):70-73,78.

[5] 石 磊,盛后财,满秀玲, 等.不同尺度林木蒸腾耗水测算方法述评[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2016,40(4):149-156.

[6] 刘 华,佘春燕,白志强,等.不同径级的西伯利亚红松树干液流及蒸腾耗水特征的差异[J]. 西北植物学报,2016,36(2):390-397.

[7] 王海珍,韩 路,李志军.胡杨、灰叶胡杨蒸腾耗水规律初步研究[J]. 干旱区资源与环境,2009,23(8):186-189.

[8] 曹晓明,陈 曦,王卷乐,等.古尔班通古特沙漠南缘非灌溉条件下梭梭(Haloxylon amodendron)蒸腾耗水特征[J]. 干旱区地理,2013,36(2):292-302.

[9] 王淑庆,张岁岐,王小林.黄土塬区不同栽培模式下玉米蒸腾耗水规律的研究[J]. 中国生态农业学报, 2013,21(4):432-439.

[10] 石建初,金欣欣,李 森,等.覆膜旱作稻田水均衡及蒸腾耗水规律分析[J]. 水利学报, 2016,47(10):1 260-1 268.

[11] 李 楠,李海梅,刘洪庆.不同混播草坪草的蒸腾耗水特性研究[J]. 北方园艺,2012,(10):67-70.

[12] 孙 龙,彭祚登,王佳茜,等.不同土壤水分对4个灌木能源树种生长和蒸腾耗水的影响[J]. 中南林业科技大学学报,2015,35(10):54-61.

[13] 莫康乐,陈立欣,周 洁,等.永定河沿河沙地杨树人工林蒸腾耗水特征及其环境响应[J]. 生态学报, 2014,34(20):5 812-5 822.

[14] 徐利岗,苗正伟,杜 历,等.干旱区枸杞树干液流变化特征及其影响因素[J]．生态学报，2016,36(17):5 519-5 527.

[15] 徐利岗,杜 历,汤 英,等.干旱区枸杞蒸腾耗水变化特征及其影响因子响应分析[J]．干旱区地理，2016,39(6)：1 282-1 291.

[16] 高 浩,秦树高,朱林峰,等.单株油蒿蒸腾耗水特征及其与环境因素的关系[J]. 水土保持通报, 2016,36(2):76-81.