干旱绿洲区微喷灌枣园蒸散量时空尺度转换研究
2022-03-26马英杰
张 洋，马英杰
(新疆农业大学水利与土木工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830052)
新疆拥有得天独厚的地理位置和政策导向优势，特色林果业已经成为当地经济和社会发展的支柱产业[1]。新疆红枣的产量约占全国总产量的25%[2]，其经济价值突出。环塔里木盆地红枣的种植面积约占全疆的90%，其中大部分仍以漫灌为主[3]，灌水定额高达15 000～18 000 m3·hm-2,这种漫灌方式使水资源的利用效率降低，并且导致了水资源的严重短缺，制约了当地经济的可持续发展[4]。
在农田系统中，栽培植物绝大部分的吸水量通过蒸散形式被消耗[5]，蒸散包括植株蒸腾和土壤蒸发，是农田生态系统中水热平衡的重要组成部分。在不同时空尺度下如何准确测定作物蒸散量这一热点问题[6-8]始终被众多学者关注。主要的测量方法有光合作用仪法[9]、茎流法[10]、蒸渗仪法[11]、涡度相关法[12]、大孔径闪烁仪法[13]及遥感法[14]。由于测量方法的原理、技术、假设理论及背景环境等都不尽相同，各有其局限性和优势。通过长期的实践证明，茎流法是单株尺度下植物蒸腾量测定较为可靠的方法，其测量精度较高，测量范围广，可适用于不同地区[15-16]、较多类型的植物[17-18]，可在野外苛刻的环境下对植物蒸腾量进行长时间定点连续测定。涡度相关法理论完备、假设条件少，其他仪器测量数据的精度常用涡度系统的数据作为参考依据，目前被广泛应用于农田、草原、森林等[19-21]生态系统的蒸散研究。枣树的蒸散量研究在黄土高原地区较多[22-23],且研究的内容测重于枣树蒸散量的特征分析及蒸散模型[24-26]，而新疆枣树蒸散量的研究较少[27]。
以微型蒸渗仪[28]测定的土壤蒸发量和茎流计测定的单棵枣树蒸腾量作为枣树的蒸散量，称为茎流系统。茎流系统测得点(单棵枣树)尺度的蒸散量与涡度系统测量面(枣园)尺度的蒸散量，其测量尺度有很大不同，而两者的关系究竟如何还有待研究。本文通过对茎流系统与涡度系统测定的点(枣树)、面(枣园)尺度的蒸散量值进行对比，分析不同时空尺度下二者蒸散量的关系，探究点、面尺度间蒸散量的转换关系，旨在为干旱区枣树蒸散量尺度的转换研究提供方法和思路，为制定新疆枣园科学的灌溉制度提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验区位于新疆阿克苏市南工业园内，80°22′E，41°08′N，海拔1 133 m。试验枣园地势较为平坦，园内东南角高，西北角相对较低。地处塔里木盆地北部，属于大陆性南温带干旱气候，光照资源丰富，四季分明。多年平均日照时数达2 911 h，多年平均太阳辐射5 671.36 w·m-2，年平均降雨量为68.4 mm，多年平均气温11.2℃，日最高温40.9℃，日最低温为-27.4℃，无霜期长达212 d。土壤的物理性质参数见表1。
表1 土壤剖面基本物理性状
1.2 试验材料
试验时间：2020年4—11月，供试灰枣树在2000年栽植，树龄20 a，平均株高约4 m，株行距2.0 m×4.0 m。试验区采用微喷灌溉，管道布置在2行树中间，管径20 mm，微喷头流量47 L·h-1，喷头间距3.0 m，喷洒半径1.5 m。灌溉制度采用当地的制度，在枣树花期前每10 d左右灌水，一次灌水时长为约10 h；花期后每5天左右灌水，一次灌水时长约5 h。通过对成龄灰枣树在整个生育期的观察和记录，把生育期划分为4个部分，见表2。
表2 枣树生育期的划分/(m-d)
1.3 项目测定及方法
本试验采用涡度系统对枣园蒸散量进行测定，采用茎流系统对枣树蒸散量进行测定。
1.3.1 枣园蒸散量的测定 园内试验仪器布置如图1所示，通过涡度系统对枣园蒸散量进行测定。本试验涡度相关系统设立在枣园的中心位置，该系统由三维超声风速仪和红外气体分析仪一体机(IRGASON, Campbell Scientific, USA)组成，架设高度6.0 m；四分量辐射计(CNR4)架设高度4.2 m；土壤热通量板(HFP01)埋设于地下5.0 cm处，两块土壤热通量板间距1.0 m，分别埋在干燥区域和湿润区域；采集涡度相关所有仪器观测的数据采集器CR3000，安装高度1.5 m，数据采集器程序设定为每秒采集数据10次，每30 min记录一次数据，CR3000内载Campbell Easy-Flux DL在线全修正软件(Campbell Scientific Inc.2016)修正数据。在后期数据处理的过程中，依据以下原则对异常数据剔除和修补：传感器出现异常的数据、超出物理意义的异常数据及降雨前后1 h的数据。通过对观测的数据进行分析，枣园能量闭合度0.81。计算蒸散量通过以下公式计算：
图1 试验区喷灌枣园仪器布设图
(1)
(2)
ET=0.0018×LE/λ
(3)
式中,LE为潜热通量(W·m-2)；H为显热通量(W·m-2)；λ为汽化潜热(J·g-1)；CP为空气定压比热(J·kg-1·K-1)；ω′为垂直风速脉动量(m·s-1)；P′为比湿脉动量(g·m-3);ρ为干空气密度(g·m-3)；T′为温度脉动量(℃)；ET为蒸散量(mm)。
1.3.2 枣树蒸腾量的测定 本试验随机选取长势基本一致、无病虫害且生长健康的灰枣树3棵。通过针式茎流计对其进行茎流速率的测定。3棵样树的探针都安装在同样高度的位置以及每棵树上的两根探针间隔距离也相同，其中加热探针距地面40 cm，另一根探针距加热探针上方12 cm，并用泡沫板进行固定，用反光膜和隔热膜进行包裹，在探针上方用胶布对其包裹密封，防止水流顺着枣树的茎干流下并接触传感器。为了保持空气的流通性，探针下方不进行密封。每30min采集并记录一次数据。茎流速率计算公式如下：
(4)
S=0.1364C1.6936
(5)
T=SU
(6)
式中,U为茎流速率(ml·cm-2·min-1);ΔT为两探针之间的温度差(℃)；ΔTmax为晚间两个探针之间最大温差(℃)；S为边材面积(cm2)；C为树体周长(cm)；T为枣树蒸腾量(mm·m-2)。
1.3.3 土壤蒸发量的测定 在测量茎流的3棵样树下，通过自制微型蒸渗仪测定土壤的蒸发量。微型蒸渗仪是由两个PVC管组成。外侧的PVC管长为200 mm，直径为125 mm；内侧PVC管长为150 mm，直径为110 mm，底部有钢丝网封底。在生育期内，选取一棵样树，沿株距方向50 cm处布置1个微型蒸渗仪，沿行距方向每隔50 cm布置1个微型蒸渗仪，共布置4个；3棵样树共计15个微型蒸渗仪。在每次灌水次日的10:30用电子秤(精度为0.01 g)对内侧PVC管土壤进行换土称重，每次灌水前一天早上10∶30对内侧PVC管土壤称重，两次测量后重量的差值为此次灌水周期内土壤蒸发量的实测值，降完雨后则需及时换土称重。计算公式如下：
(7)
式中,E为土壤蒸发量(mm·m-2)；A为灌溉后一天与前一天微型蒸发器质量差值(g)；π为圆周率；r为除去壁厚的PVC内管半径(cm)。
1.3.4 数据评价标准 采取均方根误差与观测值标准差比率(RSR)和纳什系数(NSE)作为本试验数据精度的评价指标。计算结果在0≤RSR≤0.5,0.75
(8)
(9)
2 结果与分析
2.1 典型日茎流速率和潜热通量的变化规律
通过茎流速率可以间接推算出枣树的蒸腾量，通过潜热通量可以间接计算出蒸散量。在枣树整个生育期内选取各个月典型日(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)进行茎流速率和潜热通量的对比分析，如图2所示。
图2 枣园各月典型日茎流速率和潜热通量变化规律
各月典型日的茎流速率和潜热通量变化总体上呈现出先增大后减小的趋势。各时期从启动时间、最大增幅或降幅时间及峰值时间都有很明显差异。启动时间上茎流速率在4月的6∶00—7∶00，其余各月在8∶00—9∶00；潜热通量在4—6月的启动时间为8∶00—9∶00，7—9月为9∶00—10∶00，潜热通量相对茎流速率的启动时间上有明显的滞时性。茎流速率和潜热通量最大增幅和降幅时间大都在10∶00—13∶00和17∶30—20∶30。茎流速率和潜热通量峰值均在4月最小、8月最大，分别为0.03、0.05 mm·30min-1；0.17、0.29 mm·30min-1。在整个生育期内于30 min尺度下对茎流速率和潜热通量进行相关性分析，相关系数为0.878(P<0.01，N=8832)，潜热通量和茎流速率具有显著相关关系。
通过各典型日对茎流速率和潜热通量变化规律进行分析，发现在一天中11∶30—18∶00，茎流速率的波动幅度相对于潜热通量更加平缓。主要因为两种仪器的工作原理不同，茎流计通过探针测定枣树液流流过两根探针的温差计算茎流速率；涡度系统通过测定大气中的气象指标进而对潜热通量进行推算，其结果受气象条件的影响较大，而气象条件对枣树茎流速率的影响相对滞后，因此茎流速率相对潜热通量的变化趋势较为平缓。在22∶00至次日8∶00，潜热通量和茎流速率都趋于零或在趋于零的过程中小范围内波动，但潜热通量在4、5月的9∶30至次日的4∶30出现明显的震荡现象，通过气象数据分析，发现夜间大风导致涡度系统测定的潜热通量出现波动。
2.2 枣树各生育期蒸散量与枣园蒸散量变化分析
通过茎流系统测量的枣树蒸散量和通过涡度系统测定的枣园蒸散量，其观测结果如图3和表3所示。茎流系统和涡度系统监测的蒸散量变化规律基本相同，从萌芽展叶期(D1)、花期(D2)的逐渐增大，果实膨大期(D3)达到最大，到成熟期(D4)内逐渐减小。这4个时期茎流系统和涡度系统测得蒸散量的平均值依次为：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。各生育期的土壤蒸发量和枣树蒸腾量的平均值依次为：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。全生育期蒸腾量为403.2 mm，占蒸散量的75%，各生育期的蒸腾量占比蒸散量的大小依次为D4>D3>D2>D1。各生育期的蒸腾量大小依次为D3>D4>D2>D1，土壤蒸发量的大小依次为D3>D2>D4>D1。
表3 枣园各灌水周期的蒸发蒸腾量及蒸散量
图3 枣园各生育期蒸发蒸腾量及蒸散量的变化规律
2.3 不同时间尺度下枣园茎流系统和涡度系统测定蒸散量相关分析
微型蒸渗仪是以灌水周期对土壤蒸发量进行测定的，所以茎流系统和涡度系统同样以灌水周期作为相同的时间尺度。二者测定的枣园蒸散量如图4a所示，茎流系统和涡度系统测量的变化规律基本一致，且茎流系统测得的总蒸散量为538.37 mm，与涡度系统的蒸散量仅差4.98 mm，比例仅为0.93%。在灌水周期时间尺度下，整个生育期内二者差值在0.01～3.25 mm的范围内波动，花期和果实膨大期茎流系统测得的蒸散量大多数都略高于涡度系统，一般认为涡度系统测量蒸散量的结果比其他方法略小[29]。通过对茎流系统和涡度系统测定的枣园蒸散量进行线性回归分析，结果如图4(b)所示，二者具有较高的相关性，回归方程为：Y=0.965X，R2=0.832。通过统计分析，NSE=0.78，RSR=0.47，数据计算结果极好。
图4 灌水周期内枣园茎流系统和涡度系统测定蒸散量的相关分析
根据每日的参考作物蒸发蒸腾量在灌水周期内所占权重对每日土壤蒸发量进行加权分配得到日土壤蒸发量。日尺度下二者测定的枣园蒸散量如图5(a)所示。茎流系统和涡度系统测得枣园蒸散量的变化范围分别为：0.32～4.97 mm和0.31～5.12 mm。在日尺度下，整个生育期内二者差值在0.01～1.87 mm的范围内波动，在灌水当天和后两天中两个系统测得蒸散量的差值较大(约1 mm)，可能是因为没有实际测量的日土壤蒸发量，仅从灌水周期尺度推延到日尺度的过程存在一定偏差。整个生育期内二者蒸散量在花期和果实膨大期的差值波动相对于成熟期较小。通过对茎流系统和涡度系统测定枣园的蒸散量进行线性回归分析，结果如图5(b)所示，二者具有较高的相关性，回归方程为：Y=0.964X，R2=0.674，NSE=0.67，RSR=0.57，数据计算结果良好。综上表明，以茎流计和微型蒸渗仪组成的茎流系统可以测定枣园尺度下的蒸散量，且具有较高的可靠性，进而可以用茎流系统测定的单棵枣树尺度蒸散量向枣园尺度蒸散量转换。
图5 日尺度下枣园茎流系统和涡度系统测定蒸散量的相关分析
3 讨 论
涡度系统测量枣园蒸散量时受外界气象因素影响较大，尤其是大风天气，而茎流计基本不受天气影响，二者结合使用更能准确地测量枣园蒸散量及反映枣园蒸散发的变化规律。在典型日(6月24日)夜间有明显的液流活动，因为白天枣树蒸腾活动剧烈，为了减少树体水分的亏缺和过度消耗，通过在夜间进行水分的补给以维持自身的动态水分平衡[30]。此外，在阿克苏地区夜间空气仍然处于干燥状态，且夜间的液流活动受空气流动影响较大，以维持夜间蒸腾导致的水分缺失[31]。
通过微喷的灌溉方式，枣园蒸腾量占蒸散量75%，这一比例间接反映了无效用水量(土壤蒸发量)的情况。微喷的灌溉方式相对于大水漫灌，有效减少了无效用水，相对于滴灌而言无效用水的比例略有增加，郑明等[32]对于枣园滴灌局部湿润的土壤蒸发量研究表明，土壤蒸发量占总蒸散量的19.74%。但微喷的灌溉方式更有利于田间小气候的调节[33]，尤其在枣树的花期和果实膨大期降雨量少、空气干燥、相对湿度较低、环境温度较高，此时微喷灌对降低近地表面的空气温度和平均温度作用显著，同时能增加枣园内日平均相对湿度和降低近地表面与冠层间的温度，为枣树的蒸散发提供一个适宜的环境，农田在滴灌条件下的蒸散发能力明显低于地表漫灌[34]。
通过对茎流系统和涡度系统测定枣园蒸散量分析，二者显著相关，但线性回归方程的拟合度并不很好。原因有两点：首先，这和两种仪器的测量原理与测量尺度有关。涡度系统通过大气中垂直风速和水汽密度的协方差来计算蒸散量[35]，单位时间内枣园尺度下经过红外气体分析仪的水汽密度和风速的大小会直接影响其测定结果；茎流计则是在单位时间内单棵枣树尺度下经过两根探针的液流温差来计算枣树蒸腾量[36]。其次，蒸散量差异与土壤蒸发量有关。本试验下的枣园灌溉充分，枣树的蒸腾量不考虑因土壤含水量太低而导致枣树蒸腾受抑制的情况。当地表的土壤含水率较大时，土壤蒸发越剧烈，在相同的外界气象条件下，枣树蒸腾量也基本相同，但占比总的蒸散量较小，反之当地表含水量较小时，蒸腾量占比蒸散量较大[37]。因此，建议灌溉的时间放在阴天或者晚间，减少不必要的无效水蒸发。
在茎流系统测定单棵枣树尺度蒸散量向枣园尺度蒸散量推延的过程发现，茎流系统与涡度系统测定蒸散量的变化趋势和规律较为一致，灌水周期尺度下NSE=0.78，RSR=0.47，R2=0.832，数据计算结果极好；日尺度下NSE=0.67，RSR=0.57，R2=0.674，数据计算结果良好。和其他尺度转换的研究[38-39]相比，本试验田由果农精心管理，树龄基本相同、树干直径差别较小，因此茎流系统测定单棵枣树的蒸散量可以较好地向枣园尺度蒸散量转换。不同地区必须分析影响单棵树蒸散量差异的因素(树的叶面积指数、树干直径、冠层大小、种植模式等)，未来在区域尺度与遥感技术更好地结合使用。
4 结 论
1)由于两种仪器测量原理的不同，茎流速率在一天中的波动变化与潜热通量相比较为平缓，外界气象条件的突变对涡度系统的数据观测影响很大。
2)枣园整个生育期的蒸腾量占比蒸散量的大小依次为D4>D3>D2>D1。各生育期的蒸腾量大小依次为D3>D4>D2>D1，土壤蒸发量的大小依次为D3>D2>D4>D1。
3)茎流系统和涡度系统在日尺度和灌水周期尺度下测得枣园的蒸散量在整个生育期内的变化规律基本相同，通过相关分析和回归拟合，二者测得的数据一致性较高。茎流系统测得的总蒸散量为538.37 mm，与涡度系统的蒸散量仅差4.98 mm。因此，茎流系统测得点(单棵枣树)尺度的蒸散量能够推延涡度系统测量面(枣园)尺度的蒸散量。
