石佛寺人工湿地芦苇群落蒸散发计算与分析

周林飞，许化龙，董福君，成 遣

（1.沈阳农业大学 水利学院，沈阳110866；2.辽宁省石佛寺水库管理局，沈阳120003）

湿地是地球上最具生产力的生态系统之一，也是最富生物多样性的系统之一，在自然界中发挥许多至关重要的生态功能和净化环境的作用，具有重要的社会、经济和生态效益［1］。湿地水文过程包括蒸散发、降水、径流和地下水交换等环节。其中，湿地蒸散发过程作为湿地水分损失的主要途径，是水文过程研究的重要内容［2］。湿地地表有很多种水面的表现形式，其中芦苇沼泽的水面为季节性水面，即丰水期（春季融雪后或汛期）为水面，枯水期为陆面。在这种形态中，挺水植物芦苇群落的蒸散发包括植物芦苇蒸腾和土壤蒸发。在植物群落中，植株本身对水面遮挡阻碍了水面蒸发的同时，自身的蒸腾作用又会促进水面蒸发，两种作用相互交叠共同影响下垫面的蒸散发。

迄今为止，国内外监测计算植物蒸散发的方法有很多种，如水文学法、微气象学法、红外遥感法、植物生理学法、SPAC水分传输综合模拟法等，每一种方法都是根据一定的对象和条件发展起来的。在微气象学法计算植物蒸散发中，Penman-Monteith公式在我国得到了广泛的应用与研究，其优点如下：可以全面考虑影响蒸散的大气物理特性和植物的生理特性，具有很好的物理依据，能比较清楚地反映蒸散的变化过程及影响机制。本文以此公式为基础计算石佛寺人工湿地芦苇蒸散发过程，为芦苇群落生态需水及湿地内水资源优化配置提供依据。

1 研究地区概况与基础数据

1.1 研究区概况

石佛寺水库是辽宁省最大的平原水库，位于沈阳市沈北新区黄家乡和法库县依牛堡乡（北纬42°8′—42°11′N，东经123°25′—123°32′E），距沈阳市47km，铁岭市16km。所属流域为辽河流域，属温带大陆性季风气候，四季分明，冬季严寒干燥，夏季湿热多雨，温度适宜，光照充足。年平均气温为7.5℃，全年无霜期约为153d，年均降水量为672.9mm，太阳辐射时数为2 652.2h，属北方长日照区。为改善生态环境，石佛寺水库于2009年进行生态蓄水，同时建立石佛寺人工湿地，位于水库库区内辽河的左岸，选取的湿地植物为适宜东北地区生长存活的芦苇、蒲草和荷花，经过4a的运行芦苇的面积为171.04hm2，蒲草185.70hm2，荷花107.17hm2。随着湿地内逐年的生态建设，目前湿地内已经形成了一个包括挺水植物、沉水植物、浮水植物和漂浮植物的较为完善的湿地生态系统，与库区内生态水面一起构成了东北地区典型大型表面流人工湿地，湿地总面积20.68km2。

1.2 基础数据

选择新城子国家基准站（北纬42°03′，东经123°53′），位于石佛寺人工湿地水陆交界处，在湿地影响范围内。石佛寺人工湿地建于2009年初，由于水源充分，芦苇群落当年长势就比较好，随着生态环境的不断改善，芦苇群落面积不断扩大，经遥感调查目前面积已经达到171.04hm2。由于水源充分，人工湿地内芦苇群落一直长势良好，面积逐年扩大。本研究选择气象数据为2009年5月至2012年9月逐日空气相对湿度（RH），空气温度（T），降水量（P），风速（U2），太阳净辐射（Rn）等气象资料。

2 研究方法

2.1 间接法计算芦苇潜在蒸散发

近年来，人们对利用气象资料计算作物蒸散发（作物需水量）的方法进行了广泛的研究，在对这些方法分析的基础上提出了多种计算方法，可以把这些计算方法分为两大类［3－5］。一类是惯用法，一类是通过参考作物蒸发蒸腾量计算作物蒸散发的间接法。

本研究选用间接法计算芦苇潜在蒸散发。芦苇在不同的生育期地表水文状况不同，地表有时土壤裸露，有时积水，因此芦苇的蒸散发包括土壤蒸发和植物散发，或者是水面蒸发和植物散发。首先利用气象因子计算逐日的参考作物蒸发蒸腾量（潜在蒸发量），然后用芦苇各生育阶段的作物系数乘以参考作物蒸发蒸腾量，来计算芦苇生育期逐日的蒸散发［6］，见公式（1）。

式中：ET0——计算时段内的参考作物蒸发蒸腾量；Kci——相应时段内的作物系数；ETci——作物时段i的蒸散发。

2.2 FAO Penman-Monteith（98）模型

FAO Penman-Monteith（98）模型是以气象数据为依据，计算参考作物蒸发蒸腾量，具有相对较小误差的方法。参考作物是指一种假想作物，高度0.12 m，叶面阻力固定为70m／s，反照率0.23，类似经过修剪，高度一致，正常生长，大面积覆盖地面，水分供应充足的绿色草类植物［7］。计算公式见式（2）。

式中：ET0——标准参考作物潜在蒸散发量（mm／d）；Rn——太阳净辐射［MJ／（m2·d）］；G——土壤热通量密度［MJ／（m2·d）］，G＝0.12［Ti－（Ti－1＋Ti－2＋Ti－3）／3］，Ti——当 日 平 均 气 温 （℃），Ti－1，Ti－2，Ti－3分别是前三日的平均气温（℃）；T——2m 高度平均气温日 最高、最低气温；U2——2m 高度处风速（m／s）；es——饱和 水 气 压 （kPa）ea——实际水气压（kPa），ea＝esRHmean；Δ——饱和水气 压 曲 线 斜 率 （kPa／℃）， Δ ＝γ为干湿表常数

（kPa／℃）。以日为时间间隔计算参照作物潜在蒸发量时，土壤热通量变化不大，即Gday≈0［8］。

2.3 芦苇生育期的划分与蒸散发特征

芦苇生育期的划分是作物系数Kc分阶段确定的依据。根据全国《灌溉试验规范》中划分作物生育阶段的标准，并参考辽宁省相关部门多年实际观测资料，将芦苇整个生育期划分为4个阶段，从5月1日起，初始期，生长期，稳定期，枯萎期分别为10，30，80，20d，到9月20日结束。对多年生芦苇而言，作物在生长初始期，植株密度很小，植株覆盖率仅达到10%，蒸散发量主要由潮湿土壤贡献或由株间水面蒸发贡献。在生长期，芦苇快速生长，覆盖面积不断增大，覆盖率从10%提高到80%以上；稳定期阶段，覆盖率达到最大值，芦苇叶面积变化不大；此两阶段的蒸散发量主要由芦苇的散发和水面蒸发构成。进入枯萎期，芦苇停止生长（植株高度不变、叶数不变）直至植株收割或枯萎［8］。

2.4 单作物系数Kc的确定

Kc系数是反映作物叶面蒸腾的基本作物系数，代表着植物高度、反照率、冠层阻力和棵间蒸发4个因素的综合作用。Kc值不仅随作物变化，更主要的是随作物的生育阶段而异。对该地区而言（表1），每年5月份前后为芦苇初始期，作物系数为Kcini；5月中旬到6月中旬为芦苇快速生长期，此阶段作物系数从Kcini变化到Kcmid；6月中旬、7、8月份为芦苇稳定期，此阶段作物系数为Kcmid；9月份为芦苇枯萎期，此阶段作物系数从Kcmid变化到Kcend。Kc作物系数的确定关键是确定Kcini、Kcmid和Kcend三个值，据此三个值可概化为时间平均值的作物系数变化过程线。

确定Kcini、Kcmid和Kcend三个作物系数采用FAO－56推荐的分段单值平均法来确定［9－10］。根据FAO－56“作物需水量计算指南”中的表12，查出标准条件下各时期的作物系数的推荐值。所谓标准条件是指半湿润气候区（空气湿度≈45%；风速≈2m／s），供水充足，管理良好，生长正常，大面积高产的作物条件。石佛寺人工湿地的建设，是为了改善生态环境，湿地内每年都要保证固定的水面面积，生态水位一年四季保持在46.2m，可以通过湿地下游出口的闸门进行控制。因此芦苇沼泽群落常年存水，4个生育阶段水分供应都相当充分，通过遥感及湿地调研芦苇4 a来长势良好。所以石佛寺人工湿地满足管理良好、生长正常、大面积高产的标准条件。从研究气象资料分析来看，有的年份、有的阶段不能满足空气湿度≈45%；风速≈2m／s的条件，但可以通过系数调整来提高精度。因此石佛寺人工湿地可以通过此方法来确定各阶段的Kc值。湿地内常年积水（Reed Swamp standing water），查FAO－56“作物需水量计算指南”中的表12，得到 Kcini，Kcmid，Kcend分别为1.0，1.2，1.0，根据研究区的实际情况对其进行修正。

Kcini的修正：在初始阶段，芦苇植株未充分覆盖地面，可参考水稻类植物考虑非标准状态下（标准状态RHmin＝45%，U2＝2m／s）空气相对湿度和风速对Kc的影响（播种时地面存水10—20cm）修正初始阶段的系数Kcini，如表1所示。

表1 修正芦苇生长初始阶段的系数（地表存水10～20cm）

Kcmid和Kcend的修正：在生长稳定期和枯萎期阶段，按当地2m高处的日平均风速、每日最低相对湿度的平均值，进行调修正。Kcmid的修正公式如式（3）。当Kcend≥0.45时，利用式（4）进行修正，当 Kcend（推荐值）＜0.45时，Kcend＝Kcend（推荐值）。

式中：Kcmid——调整后的植物生长稳定期系数；Kcmid（推荐值）——调整前植物生长稳定期系数，查表为1.2；Kcend（推荐值）——调整前植物枯萎期系数，查表为1；U2——每日风速平均值（m／s，1m／s≤U2≤6 m／s，测量高度2m）；RHmin——每日最小相对湿度的平均（%，20%≤RHmin≤80%）；h——植物植物平均高度（m，0.1≤h≤10m）。

3 计算结果及分析

3.1 ET0 的计算

参考作物潜在蒸发量（ET0）主要表现的是作物蒸发蒸腾能力，存在显著相关性的指标包括平均温度、平均风速、相对湿度、净辐射等因素［11］。将收集的气象数据整理后代入式（2），参考作物潜在蒸发量如表2所示。

表2 参考作物潜在蒸散发量（ET0） mm

3.2 确定调整后的Kc值

将整理后气象数据与Kc（标准值）代入公式（3）和公式（4）得到调整后各阶段系数，如表3所示。

表3 调整后的Kc值

3.3 ETc的计算与分析

将计算得到的ET0及调整后各阶段Kc值代入式（1），计算得到芦苇实际蒸散发量。图1，图2分别为ETc月度、年际变化。由图可见：各月份中芦苇实际蒸散发量在6月份处于最大值，在此月份中芦苇属于快速生长期，蒸散发量较大。在9月份中处于最小值，在此月份中芦苇开出芦花停止生长，芦苇处于枯萎期，蒸散发量较小。在2009—2012年期间，芦苇实际蒸散发量属于逐年减少趋势。ETc与年份的相关性检验可知，二者的相关性极显著，其形成的线性方程表达式是：y＝－87.15x＋866.25。平均ETc与月份的相关性检验可知，二者的相关性极显著，其形成的线性方程表达式是：y＝－14.67x＋185.38。ETc整体趋势自2009年起至2012年呈现变小趋势，自5月份起至9月也呈变小趋势。

图1 各月份ETc平均值变化趋势

3.4 实际蒸散发量与气象因子的偏相关系数分析

偏相关系数反映了在其他因子不变的情况下自变量的变化对因变量的影响，消除了自变量之间的相互影响。数据进行标准化处理后，偏相关系数的数值大小可以反映自变量对因变量的影响程度［12］。将2009—2012年气象数据每月平均值与芦苇每月实际蒸散发量整理后代入SPSS16.0数据表中，得出主要气象因子与芦苇实际蒸散发量的偏相关系数，其中：ETc－Rn，ETc－T，ETc－U2，ETc－RH 的偏相关系数分别为0.993，0.708，0.492，－0.317。芦苇实际蒸散发量与净辐射（Rn）偏相关性最大，与相对湿度（RH）偏相关性最小。影响大小依次为净辐射、平均温度、风速、相对湿度。芦苇实际蒸散发量与净辐射（Rn）、平均温度（T）、风速（U2）相关系数为正，与相对湿度（RH）相关系数为负，说明净辐射、平均温度、风速的增加将使蒸散发量增大，而湿度增加将使蒸散发量减少。

图2 逐年ETc总量变化趋势

3.5 气象要素变化趋势分析

将2009—2012年间芦苇生育期内的气象要素随月份的年变化规律及相关性进行了分析，如表4所示。5月份、9月份的气象要素均不显著，6月份仅平均风速呈现显著上升趋势，7月份除平均风速不显著外，其余均极显著上升或下降趋势且十分明显。8月份平均气温、平均风速、最低气温呈极显著上升趋势，其余均不显著。

表4 各月气象要素年际变化趋势

续表4：

4 结论

以研究区2009—2012年逐日气象数据为基础，利用Penman-Monteith公式及单作物系数法，计算了芦苇全生育期内各月份实际蒸发量平均值5—9月分别为142.4，149，138.1，120.9，83.1mm；其中6月份最多，5月次之，9月份最少。自2009—2012年该地区芦苇实际蒸散发量分别为743.7，638.5，583.7，567.7mm，呈逐年递减趋势。

运用相关性分析得出自2009—2012年芦苇生育期蒸散发量逐年递减，在芦苇整个生育阶段芦苇实际蒸散发量呈现逐月减少趋势，并列出多年各气象因子的线性回归方程。应用偏相关性分析验证了影响芦苇蒸散发量的主要影响因子与实际常识相符，影响大小依次为净辐射、平均温度、风速、相对湿度。该文研究了芦苇全生育期的耗水规律，为该地区制定芦苇灌溉及芦苇湿地生态需水提供了依据。

［1］ 李九一.沼泽湿地生态储水量及生态需水量计算方法探究［J］.地理学报，2006，61（3）：289-296.

［2］ 许士国，马涛，王昊.芦苇沼泽湿地蒸散发分离量测方法及应用研究［J］.中国科学，2012，42（3）：325-332.

［3］ 康绍忠.作物需水量测定与计算［M］.北京：水利水电出版社，1995.

［4］ 于文颖，迟道才，何奇瑾，等.盘锦芦苇湿地蒸散发特征研究［J］.沈阳农业大学学报，2006，37（5）：758-762.

［5］ 张颖，郑西来，伍成成，等.辽河口芦苇湿地蒸散试验研究［J］.水科学进展，2011，22（3）：351-357.

［6］ 何俊仕，边晓东，付玉娟，等.西辽河平原主要作物耗水量及耗水规律研究［J］.节水灌溉，2012（11）：1-4.

［7］ 赵少延.三门峡库区芦苇湿地蒸散量及其影响因子分析［J］.人民黄河，2013，35（1）：19-22.

［8］ 王昊，许士国.扎龙湿地芦苇沼泽蒸散发计算与分析［J］.水利水电技术，2005，36（02）：22-24.

［9］ 刘钰，Pereira L S.对FAO推荐的作物系数计算方法的验证［J］.农业工程学报，2003，16（5）：26-30.

［10］ Allen R G，Pereira L S，Smith M，et al.FAO-56dual crop coefficient method for estimating evaporation from soil and application extensions［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2005，131（1）：2-13.

［11］ 王鹏飞，孙占祥，杨宁，等.辽西参考作物潜在腾发量变化及其气象影响因子研究［J］.辽宁农业科学，2010（3）：36-39.

［12］ 谢平，陈晓宏，刘丙军.参考作物腾发量与蒸发皿蒸发量的变化特征及变化原因分析［J］.灌溉排水学报，2008，27（5）：14-17.