基于三温模型的盆栽柑橘蒸腾规律研究
2021-12-06董晓华赵文义张庆玉严东英
樊 旭，董晓华，赵文义，张庆玉，严东英，葛 亮，李 璐
（1.湖北省水电工程智能视觉监测重点实验室（三峡大学），湖北宜昌443002；2.水电工程智能视觉监测宜昌市重点实验室（三峡大学），湖北宜昌443002；3.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002；4.云南省滇中引水工程建设管理局大理分局，云南大理671000；5.长江三峡技术经济发展有限公司，北京101149）
0 引言
植被蒸散发是全球水循环及地表能量平衡的关键环节。长期以来，植物蒸散量研究在水文学、土壤学、农业和林业等领域一直备受关注。作物蒸发蒸腾量的估算方法主要包括水文学方法、微气象法、植物生理学方法和红外遥感法，其中红外遥感法应用最为广泛。遥感技术能够提供不同空间尺度的地物特征信息，将ET 模型应用到缺乏详细气象数据的区域，反映该区域ET 的瞬时分布情况[1]，随着红外热成像技术发展的日趋成熟，红外遥感方法在植被蒸腾蒸散模型中应用更为深入。近年来已出现多种基于红外遥感技术估算植被蒸发蒸腾量模型，多为经验模型[2-6]，如Seguin 等提出基于冠气温差估算农田日蒸腾量的S-I 模型[7]，以及基于地表能量平衡原理的物理模型，例如SEBS 模型[8,9]，利用卫星遥感数据获得地表系列参数，结合地面观测气象资料推算地表蒸散发，但SEBS 模型需要大量微气象参数，且参数计算过程复杂。1996年邱国玉等[10]引入参考表面温度提出以表面温度、参考表面温度和气温为核心的三温模型估算蒸散发，避免空气动力学阻力等参数难以获取的困难。三温模型具有参数少、计算简单、容易遥感获取等优点[11]。三温模型作为近年来创新的蒸散发估算模型，在流域蒸散发方向已得到长足发展[12-18]，在树木冠层蒸腾方向研究相对较少。以往基于三温模型估算植物蒸腾速率的研究中，主要考虑冠层顶部温度的获取[19]，没有深入探究植物冠层空间异质性导致不同方位蒸腾速率的变化差异，选取冠层顶部温度代表冠层温度，限制了三温模型估算植物单株尺度蒸腾速率的模拟精度。
柑橘树作为重要的农业经济作物，研究柑橘树蒸腾规律有助于挖掘其增产潜力。本研究以柑橘树为研究对象，采用五点测温法，从5 个方位（东面、南面、西面、北面、顶面）拍摄柑橘树冠层的红外图像，利用三温模型估算柑橘树冠层不同方位蒸腾速率，得到柑橘树冠层叶片蒸腾速率的空间变化规律。
1 材料和方法
1.1 试验场地
试验于湖北省宜昌市三峡大学校园试验大棚内进行，试验场地具体位置111°18′20.45″N，30°43′45.35″E，海拔高度79m。试验区属于亚热带季风性湿润气候，降雨充沛，年降水量1 100～1 200 mm，全年盛行东南风。年平均气温约16～17 ℃，月平均气温在27～28 ℃左右，其中7、8月份气温最高。
1.2 试验设计
本试验选取生长状况良好，冠层均匀的宜昌本地柑橘树为研究对象，树高156 cm，冠层高110 cm，主杆直径20 mm，栽种在试验用花盆中，花盆顶部直径50 cm，花盆底直径30 cm，花盆高度40 cm，使用本地柑橘园土壤培育试验用柑橘树。柑橘树主杆部位绑有茎流计探头以监测植株茎流速率，分别于柑橘树冠层8个方位特征叶片设置一张绿色纸片为参考叶片，相应纸片温度为参考冠层温度（图1），大棚内空气流通，配有FSR-4 便携式气象仪监测相关气象因子。于充分供水条件下进行盆栽柑橘树试验，试验前对柑橘树进行充分灌水至花盆底部水分溢出，每日上午10∶30 使用土壤水分测量仪（简称TDR）对柑橘树盆栽土壤水含量进行监测并灌水处理，使盆栽土壤水含量保持在田间持水量。试验于2021年6月进行，日间选取8∶00-18∶00 测定时段，在晴天，间隔一小时拍摄一轮红外图像，每次重复拍摄两遍，每轮拍摄在十分钟内完成，选取拍摄质量较好的图像进行处理。考虑到柑橘树冠层的空间异质性，本试验利用testo890 热成像仪从柑橘树冠层五个方向（东、南、西、北方向及顶部）拍摄红外图像，获取全方位冠层温度信息。热成像仪配备640×480焦平面阵列探测器，可同时获取307 200 个像素温度值，红外光谱波段为8～14µm，选用标准红外镜头，视场角42°×32°，空间分辨率1.13 mrad，发射率设为0.97。拍摄镜头距离冠层1.5 m 左右，采集图像传至电脑后，通过热成像仪配套软件(IRSoft)处理柑橘树红外图像。试验于2021年6月13日至6月16日进行。
1.3 蒸腾速率的测量方法
1.3.1 茎流计测量
利用FLOW32A - 1K 包裹式茎流计对柑橘树茎流速率进行连续监测记录。探头安装在柑橘树距离地面50 cm 主杆部位。探头下无分枝，确保测量数据为植物总茎流量。设置茎流计间隔10 min 测量记录一次数据[20]，柑橘树茎流速率Fd公式如下：
式中：Fd为柑橘树茎流速率，g/h；Pin为热源恒定功率，W；Qv为垂直方向上的导热，W；Qr表示以辐射的方式向周围散热，W；Cp为水的比热，J/(g·℃)；dT为两监测点间温度的均值，℃。蒸腾速率转换公式如下：
式中：Trc为柑橘树叶片蒸腾速率，J/(m2·s)；Ac为柑橘树有效叶片面积（1 015.75 cm2）；L为水汽的汽化潜热，取2.45×106J/kg[21]；将柑橘树的单位叶面积的蒸腾速率转换成茎流速率，与实测茎流速率进行比较，检验三温模型模拟精度。
1.3.2 基于三温模型估算蒸腾速率
三温模型为基于地表能量平衡方程的物理模型，太阳辐射为三温模型主要驱动因子，引入参考植被参数，估算植被蒸腾速率[22,23]。基于五点测温法的三温模型公式如下：
式中：Trc为冠层蒸腾速率，J/(m2·s)；Trc,i为冠层不同方位蒸腾速率，J/(m2·s)；Rnc,i为不同方位冠层净辐射，W/m2；Rnp,i为不同方位参考冠层净辐射，W/m2。i表示冠层不同方位，Tc,i、Tp,i、Ta分别表示冠层不同方位样本点温度、相应参考叶片温度、气温，℃。由太阳净辐射、温度参数推算得到冠层净辐射和参考冠层净辐射。
式中：Rns为太阳净辐射，W/m2；Rso为晴空太阳辐射量，W/m2；Rs为太阳辐射，W/m2；Ra为大气层外太阳辐射，MJ/(m2·d)；εα为大气放射率；εs为地表放射率（植被地表放射率取0.98）；σ 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，σ=5.675×10-8J/(m2·s·K4）；ΔR1为净长波辐射，W/m2；Rs/Rso为相对短波辐射；as为阴天（n=0） 地表短波辐射与大气层外太阳辐射的比例系数；(as+bs)为晴天(n=N)地表短波辐射与大气层外太阳辐射的比例系数；n为实际日照时数，h；N为最大可能日照时数，h；z为海拔高度，m。本文取as=0.25、bs=0.5[24]。
1.3.3 模型验证方法
模型的适应性通过决定系数（R2） 和均方根误差（RMSE）两个指标进行检验，公式如下：
式中：Q0为实测值；QP为模拟值；为实测平均值；为模拟平均值；n为实测数据个数；0
2 结果与分析
如图2所示，连续4 d 天试验中，试验场地太阳净辐射和气温日变化均呈不规则多峰曲线，太阳净辐射从日间6∶00-8∶00开始，在10∶00 左右迅速攀升至峰值，并在日间剧烈波动产生多次峰值，于午后15∶00 左右陡降，至18∶30-19∶00 降至极小值。相比日间气温，夜间气温波动曲线相对平缓，在5∶30-6∶30 出现转折，气温开始回升，在9∶00-10∶00迅速增加，于14∶00-15∶00左右达到峰值，其中6月14日14∶30 最高气温达42.1 ℃，随后气温急剧下降，至夜间20∶00 左右变化相对平缓。相比太阳净辐射，气温具有相对滞后性，这是由于大气吸收地表长波辐射，气温随之上升，直到午后太阳辐射减弱，大气辐射能量收支达到平衡，直至气温达极大值[25]。且太阳净辐射与植物茎流速率峰值变化具有相对时滞性。
如图3所示，盆栽柑橘日茎流变化趋势近似相同，整体呈现先升后降的多峰变化曲线，2021年6月13日至6月16日连续试验4 d天气晴朗，柑橘树茎流启动时间段为6∶20-7∶20，茎流速率在8∶00-10∶00 大幅上升，从10∶00 开始，茎流高峰时段持续6 h 以上，在14∶00-15∶30 时段出现茎流峰值，连续4 d 的茎流最大值先后为91.55、106.49、93.81、98.52 g/h，气温偏高导致茎流速率曲线变化陡峭，同时柑橘树在日间发生多次午休现象[26]。这是由于太阳辐射强度瞬时变化剧烈，当植物液流不能实时提供充足水分用于叶片蒸腾，植物叶片部分气孔自动关闭降低蒸腾失水，导致树干液流速度下降。之后，茎流速率呈显著下降趋势，茎流下降一直持续到20∶00 左右停止，此后夜间茎流大小基本保持为0，柑橘树日间茎流活跃时段持续12 h 以上。
由于植物冠层蒸腾速率存在空间分异性，全方位考虑叶片蒸腾速率更有利于准确估计植株的蒸腾速率。从图3可以看出，柑橘树叶片蒸腾速率与主杆茎流速率日变化曲线存在差异，柑橘树冠层蒸腾速率同样呈不规则的多峰变化曲线，冠层蒸腾速率从9∶00 开始迅速增加，于日间10∶00-17∶00 不同时间点达到峰值。但茎流首个峰值出现时间普遍滞后于叶片蒸腾，其中2021年6月14日滞后时长近3 h。由图3 说明，三温模型估算的蒸腾速率反映了叶片表面瞬时的水分散失情况，而茎流计测定的茎流速率反映为主杆液流特征，没有考虑茎秆内水流阻力和水容对液流传输产生的时滞效应，致使测定的茎流速率不能充分反映冠层蒸腾规律。两者日间变化曲线不太吻合，决定系数（R2）仅0.14，均方根误差（RMSE）为28.03 g/h，且日间冠层蒸腾速率极大值普遍高于茎流速率极大值，其中6月13日极大值差值为30.07 g/h。因此三温模型估算的叶片蒸腾速率不能实时反映柑橘树主杆茎流速率变化规律[27]。
从5个方位拍摄柑橘树冠层叶片，得到柑橘树不同方位冠层温度及参考冠层温度随时间变化图。参考叶片无蒸腾降温效应，故参考冠层温度普遍高于相应冠层温度，最大温差达3.6 ℃。同时午间时刻冠层温度与参考冠层温度温差偏大，相应蒸腾速率偏大，早晚时段温差偏小，相应蒸腾速率偏小。如图4所示，在8∶00-10∶00 时段，柑橘树不同方位冠层温度随气温升高而急速上升，在12∶00-14∶00 之间达极大值，其中6月14日13∶00 冠层北面温度达45 ℃，不同方位的冠层温度日变化规律基本一致，日间变化均呈不规则多峰曲线。但不同方位冠层温度存在一定差异，气温越高，不同方位的冠层温度差更显著。其中冠层顶面最高温度普遍高于其他方位冠层温度，且峰值时间提前于其他方位冠层温度，冠层东面温度与气温变化趋势相对一致。冠层东、南、西、北及顶面日间平均温度分别为33.78、 33.43、 33.63、 34.45、34.77 ℃，整体差异不大。不同方位冠层温度与气温差最大为4.3 ℃，最小为0 ℃。当正午气温较高时，为避免叶片表面温度升高而灼伤叶片，植物需通过蒸腾作用降低叶温，使冠层温度与气温温差增大。
植物冠层空间异质性影响冠层的微气象环境，如光照、温度和湿度等，致使冠层不同方位蒸腾速率存在差异。传统利用三温模型估算植物蒸腾速率仅考虑冠层顶部，从图5可以看出冠层顶部蒸腾速率与冠层整体蒸腾速率变化无明显规律，故综合考虑冠层全方位蒸腾速率能更精确估算植物冠层蒸腾速率。如图5所示，柑橘树冠层不同方位的蒸腾速率变化曲线差异显著，与实测茎流速率变化曲线差异较大。不同方位冠层蒸腾速率最大值为185.51 g/h，最小仅8.76 g/h，表明柑橘树冠层蒸腾速率比冠层温度空间差异性更大。取不同方位日间蒸腾速率算数平均值为对应的平均蒸腾速率，冠层东、南、西、北及顶面日间平均蒸腾速率分别为74.88、62.96、68.13、65.30、54.50 g/h，则日间平均蒸腾速率大小依次为：东面>西面>北面>南面>顶面，6月14日冠层不同方位蒸腾速率偏低，表明气温偏高时，植物蒸腾速率较小且空间差异越小。冠层不同方位蒸腾速率与冠层温度与气温温差呈负相关关系，这是由于不同方位的冠层净辐射相差不大，当冠层温度与气温温差越小，显热通量也越小，相应植物蒸腾潜热通量越大。
3 结论
为研究柑橘树茎流速率与冠层蒸腾速率的日间变化特征的差异性，本文使用基于热量平衡的包裹式茎流计对柑橘树主杆茎流速率进行监测，采用红外热成像技术获取柑橘树冠层不同方位的叶片温度，利用三温模型对柑橘树蒸腾速率日变化进行估算，分析了柑橘树冠层蒸腾速率的空间差异性，相关结论如下：①柑橘树茎流速率与冠层蒸腾速率均表现为不规则的多峰曲线，并多次出现午休现象，同时日间茎流首个峰值时间普遍滞后于冠层蒸腾速率峰值。②柑橘树不同方位冠层温度与气温日间变化趋势相同，且参考冠层温度高于相应冠层温度，气温越高时，不同方位冠层温度温差更大。③柑橘树冠层不同方位的蒸腾速率变化特征具有显著差异，同时冠层不同方位蒸腾速率与冠层温度与气温温差呈负相关关系。研究结论为探究植物蒸腾速率与茎流速率的关系提供了理论基础，展示了植物冠层蒸腾速率的空间变化特征。
