华北山区核桃液流变化特征及对不同时间尺度参考作物蒸散量的响应

桑玉强， 张劲松

(1. 河南农业大学林学院， 郑州 450002；2. 中国林业科学研究院林业研究所/国家林业局林木培育重点实验室， 北京 100091)

核桃(JuglansregiaL.)为华北山区重要的经济树种，因其坚果具有极高的营养价值和良好的医疗保健功效，深受人们喜爱[1]。核桃喜湿润，灌溉是该地区保证核桃高产、果园栽培管理的常见措施，研究核桃蒸腾耗水变化有助于提高水分利用效率，对于水资源紧缺的华北山区具有现实指导意义。

蒸腾是植物耗水的主要方式，主要通过木质部液流来实现。在日尺度以上，可用液流表示树木蒸腾量[2]。近30年来，树木液流一直是树木生理生态学、森林水文学、林业气象学、森林生态学等相关学科及领域共同关注的重要研究内容。由于在测定液流的过程中连续加热观测(如1年以上)对树干产生热伤效应，不仅对树木造成伤害，而且会影响观测精度，再加上受人力、物力等影响，使得长期野外连续观测树干液流具有一定难度。因此国内不少学者分析了树木液流与气象因子的关系并建立了二者的经验模型[3- 8]。但由于各气象因子不是独立作用于液流，而且气象因子与液流的关系并不是表现为简单的线性关系，存在黑箱性。此外，液流与气象因子之间存在一定的时滞性[9- 12]，故模型的精度和应用受到一定限制。鉴于此，如能建立一个可表达光、温、水、热等气象因子的综合变量并寻找出与液流变化间的关系表达式，将有助于提高液流估算模型的广泛应用。

参考作物蒸散量(Reference EvapotranspirationET0)是作物需水量预测的关键参数，反映了不同地区、不同时期大气的蒸散能力，与作物种类、土壤类型等无关[13]。ET0综合考虑了太阳辐射、水汽压亏缺、风速及气温等气象因子，对植物液流产生直接影响[14]，因此，比较研究不同时间尺度下液流对ET0的响应机制，建立基于ET0的液流预测模型对于精确估测植物耗水、确定土地水分承载力等具有重要科学意义。马长明等[15- 17]虽然研究了核桃液流变化及其与气象因子的关系，但仅基于单气象因子角度分析，并没有建立液流与ET0二者的模型。胡琼娟[18]虽然建立了液流与ET0的关系模型，但仅观测了1个生长季节数据，并没有对模型进行验证。基于此，本文研究了华北低丘山地核桃3个主要生长季节的液流变化特征，试图建立不同时间尺度核桃液流与气象因子、ET0的拟合模型，并对拟合模型进行验证，以期为当地核桃的长期水分管理提供理论依据。

1 试验地概况

试验地位于黄河小浪底森林生态系统定位研究站(35°01′N，112°28′E)站区内。该定位研究站隶属于中国森林生态系统定位研究网络(China Forest Ecology Research Network CFERN)，地处河南省济源市境内的太行山南段与黄河流域的交接处，属暖温带大陆性季风气候，定位站中心地区海拔410 m，以人工林为主。试验地全年日照时数为2367.7 h，年日照率为54%，≥0℃的年平均积温为5282 ℃，≥10℃的年平均积温达4847 ℃。历年平均年降水量641.7 mm，年蒸发量1611.2 mm。由于受季风气候的影响，年内季节性分布不均匀。6—9月多年平均降水量为438.0 mm，占全年的68.3%[6]。

2 材料与方法

本研究所选取的核桃人工林样地位于济源市克井镇半阳坡中部的退耕还林地，土壤类型为褐土，核桃人工林林龄为5a，株行距为3 m×4 m，平均株高3.5 m，平均胸径11 cm。核桃品种为中林3号。

在核桃林带中间选取长势较好、树干通直的4棵作为被测样株(表1)，在其基径部位南北两个方向分别安装TDP探针，具体安装方法见文献[6]。为避免木质部栓塞化对液流速率的影响，来年开始测定前，将TDP探针适当移动位置。测定时间为2008—2010年的4—9月份。在被测木周围选择6棵与被测木胸径接近的树木，用生长锥测定其边材、心材大小，平均后确定边材面积。将每棵树南北两个方向平均作为该树液流值，用4棵样株的液流平均值作为最终值分析单株液流变化。

在样地附近50 m处采用小气候自动监测系统连续观测空气温度(Ta)、相对湿度(RH)、风速(V)、太阳总辐射(Ra)、降雨量(P)等气象要素。Ra、V、Ta、RH及P所采用的传感器(探头)分别为LI200X、05103、HMP45C、TE525M。数据采集器为CR10X，每2 min采集1次，每10 min输出1组平均值。观测时间与树干液流同步。

表1 被测样株基本特征

参考作物蒸散量(ET0)计算公式为[13]：

(1)

式中，ET0为参考作物蒸发蒸腾量(mm/d)，Rn为净辐射(MJ m-2d-1)，G为土壤热通量(MJ m-2d-1)，r为干湿计常数(kPa/℃)，T为日平均气温(℃)，u2为2 m高度处风速(m/s)，es和ea分别为饱和水汽压和实际水汽压(kPa)，Δ为饱和水汽压-温度曲线的斜率(kPa/℃)。

3 结果与分析

3.1 核桃液流变化特征

3.1.1 核桃液流日变化特征

首先选取典型晴天(2010- 05- 10)和阴雨天气(2010- 07- 23)，分析核桃液流速率与气象因子的变化关系(图1)。其中5月10日太阳辐射为23.8 MJ/m2，7月23日降雨量为54.6 mm。

从图1可以发现，典型晴天核桃液流速率峰值较宽(8：00—16：00)，液流速率日变化曲线与太阳辐射基本一致，但波峰宽于太阳辐射(图1)。气温与饱和水汽压亏缺变化趋势相似，液流速率达到峰值后，二者呈继续上升趋势，峰值出现在16：30(图1)。说明液流速率受到多个气象因子的相互影响，与单个气象因子并不存在完全的同步性。7月23日为典型降雨天气，降雨从14：20开始，一直持续到第2天。当日气温、饱和水汽压亏缺及太阳辐射较5月10日均有不同程度下降(图1)，液流速率也随之发生变化。当日核桃液流速率峰值出现在12：30，最大液流速率为0.478 L/h，低于晴天日最大液流速率(0.629 L/h)，而且波峰很窄，达到峰值后迅速下降。

3.1.2 核桃液流月变化特征

对于核桃田间水分管理而言，开展日尺度以上水分变化研究更具有实践意义，能为核桃节水灌溉提供指导和参考。为此，本文着重分析月尺度水平核桃液流变化，以期为当地核桃水分管理提供理论参考。图2显示了连续3个观测季节核桃液流(SF)月变化特征及其与气温(Ta)、饱和水汽压亏缺(VPD)、太阳辐射(Ra)及风速(V)的关系。

从图2可以看出，随着气温的升高，核桃叶片逐渐展开，核桃液流量逐渐增大，进入5月份后，液流急剧增加，6月份达到峰值，随着雨季的到来，降雨量和降雨日增加，7、8月份核桃液流量逐步下降，至9月份基本降至最低值。月尺度上SF与Ta、Ra、VPD变化趋势具有很好的一致性。以2010年为例，4—9月份单株核桃液流量为841.77 L，6月份液流量最大，为217.95 L，9月份液流最小，为86.08 L，液流最大月与最小月相差131.88 L，4—9月份平均日液流量和月液流量分别为4.68 L和140.29 L。

图1 典型天气日核桃液流速率与气象因子变化

图2 核桃月液流量与气象因子变化曲线(2008—2010年)

由于核桃液流与太阳辐射、饱和水汽压亏缺等气象因子密切相关，饱和水汽压亏缺又与气温、空气相对湿度有关。为此，本文进一步分析了月尺度水平核桃液流量与降雨量的关系(图3)，以进一步明确降雨量等气象因子对核桃液流的影响。

从图3中可以发现：试验期间4—6月份降雨量相对较少，一直维持在较低水平，这个阶段核桃主要消耗土壤水分以满足其蒸腾需求。进入7月份以后，降雨量急剧增加，降雨天气和降雨强度均有所增加，土壤水分得到有效补充。以2010年为例，7月份降雨量为205.4 mm，远超过4—6月份降雨总和(104.0 mm)，其中7月24日当日降雨量为61.9 mm。与7月份相比，8、9月份降雨有所减少，分别为132.5 mm和75.5 mm。比较核桃月液流量与月降雨量发现，核桃最大液流量出现在6月，最大降雨量则出现在7月，并不完全一致，其主要原因在于6月份虽然降雨少，但树木生长旺盛，气温高，空气相对湿度小，强大的蒸腾拉力使核桃从土壤中吸收大量的水分(月平均土壤含水量为20.29%)，满足其蒸腾需求。虽然7月份降雨量最多，土壤水分相对充足(月平均土壤含水量为23.24%)，但7月份降雨日为14d，较6月份(降雨日9d)增加了5d，且日降雨强度大。阴雨天气条件下，空气相对湿度几乎达到饱和，液流较小，使得7月份的核桃液流量少于6月份。说明月尺度水平液流除了受降雨影响外，还与气象因子如太阳辐射等因素有关。同时说明在核桃耗水较多的5、6月份，核桃地土壤水分很有可能出现水分亏缺，需加强田间水分管理工作，以免对核桃挂果量和品质造成影响。

图3 核桃月液流与降雨量的关系(2008—2010年)

3.2 核桃液流对不同时间尺度气象因子及ET0的响应

影响植被液流变化的因素有很多，如植被自身生长状况、土壤水分、气象因子等。其中ET0是表征大气蒸散发能力，评价气候干旱程度、植被需水量、农作物生产潜力以及水资源供需平衡最重要的指标之一。本文主要选取气象因子和ET0，分析不同时间尺度下上述因素对核桃液流量的影响。

3.2.1 核桃液流与气象因子的关系

表2列出了不同时间尺度下(日尺度、月尺度水平)核桃液流量与气象因子的拟合方程。从表中可以看出，2种时间尺度下，核桃液流与各气象因子存在较好的相关性，其中太阳辐射是影响液流的主要气象因素。日尺度、月尺度下相关系数分别为0.682和0.975，月尺度的相关性要高于日尺度。表明时间尺度越大，拟合方程精度越高，在较大尺度水平下利用气象因子拟合求算液流具有更大的精度。这与王文杰等[8]研究结果相一致。

表2 核桃液流与不同时间尺度气象因子的拟合方程(2009—2010年)

SF、Ta、VPD、Ra、V单位分别为L、℃、Kpa、MJ/m2、m/s

3.2.2核桃液流与ET0的关系

图4分析了日尺度及月尺度下核桃液流量与ET0的关系。从图4中可以发现，在不同时间尺度下，核桃液流量与ET0均有较好的相关性，日和月尺度下的相关系数分别为0.5703和0.8104，后者的相关性大于前者，表明随着时间尺度的增加，二者的相关性越高，核桃液流与ET0一致性较好。鉴于ET0是某一地区气象因素的综合反映，且数据相对容易获取。因此利用建立的树木液流与气象因子的关系，结合相对容易获取的ET0等数据，可用于估算大尺度下树木液流量。

图4 不同时间尺度下核桃液流量与参考作物蒸散量(ET0)的关系(2009—2010年)

3.3 核桃液流拟合值与实测值对比验证

为了验证不同时间尺度、不同因素建立的液流拟合方程的精确性，结合2008年气象数据和ET0，采用上述2种拟合方程估算2008年数据，并用2008年实测数据进行比对，以验证拟合方程的精确性。

表3列出了利用不同时间尺度气象因子与核桃液流的拟合方程估算出液流模拟值与实测值的对比。从表中可以发现，不同时间尺度下核桃液流拟合值与实测值之间吻合性较好。其中日尺度下液流拟合值为995.37 L，与实测值相差102.14 L，误差为11.4%；月尺度下液流拟合值为972.56 L，与实测值相差79.33 L，误差为8.9%，说明在一定范围内，尺度越大，拟合误差越小，其主要原因在于大尺度水平下各个气象因子的波动性降低，变化趋势更趋于稳定。

表3 不同时间尺度核桃液流拟合值与实测值的比较(2008年)

图5列出了日尺度水平下利用ET0为变量对核桃液流的拟合值及与实测值的比较。从图中发现，利用ET0估算出的拟合值与实测值具有较好的一致性。其中，4—9月份液流实测值为893.23 L，ET0拟合值为992.98 L，二者误差为10.4%。

图6列出了月尺度水平下利用ET0为变量对核桃液流的拟合值及与实测值的比较。从图中可以看出，月尺度下利用ET0估算出的拟合值与实测值具有较好的一致性。其中，4—9月份液流实测值为893.23 L，ET0拟合值为974.17 L，二者误差为9.0%。月尺度下利用ET0拟合液流误差小于日尺度，与不同尺度气象因子拟合结果吻合。利用气象因子和ET0拟合液流二者差别不大，总体上ET0拟合效果略高于气象因子。因此在缺乏对树木液流进行连续观测的情况，利用相对容易获得的ET0对液流进行拟合不失为较好的办法。

图5 日尺度水平核桃液流值与实测值的比较(2008年)

图6 月尺度水平核桃液流值与实测值的比较(2008年)

4 结论与讨论

4.1 结论

在主要生长季节，核桃液流具有明显的时间变化特征，月液流最大出现在5、6月份，随着雨季的到来，7、8月份液流有所下降。核桃液流年际变化主要由于年际降水差异引起。核桃液流与不同时间尺度下气象因子、ET0均有较好的相关性，且随着时间尺度的增加，二者间的相关性变大。其中，影响核桃液流的主要气象因子为太阳辐射。不同时间尺度下液流拟合值与实测值均具有较好的相关性。在缺乏对液流进行连续测定的情况下，可以结合当地的气象资料及ET0等因子，利用建立的拟合方程对树木液流进行估算，具有较高的精确性。

4.2 讨论

深入研究核桃液流动态变化及其影响机制对于加强核桃田间水分管理、提高水资源利用率具有重要意义。马长明等[15- 17]研究了河北省平山县核桃不同物候期液流变化特征，对不同物候期核桃水分消耗具有指导作用，并就核桃液流与气象因子的关系进行了分析，但没有涉及到参考作物蒸散量。陈杰等[19]分析了新疆阿克苏地区核桃液流变化，分析了液流与气象因子的关系，并将液流量与基于Penman-Monteith的参考作物蒸散量进行了比较，但并没有利用拟合方程对估算值与实测值进行验证。本文连续3个生长季节测算分析了不同时间尺度下核桃液流与气象因子及ET0的关系，并利用建立的拟合方程对树木液流进行估算，具有一定的科学性和操作性。

鉴于ET0是多个气象因子的综合反映，研究液流与ET0的关系有助于揭示液流对气象因子的响应机制。Er-Raki[14]分析了地中海地区摩洛哥果园橄榄(OleaeuropaeaL.)蒸腾与ET0的关系，发现基于液流测定值获得的蒸腾受ET0影响较大，蒸腾与ET0变化趋势相似，尤其在水分不受限制条件下一致性更好，并建立了日尺度下二者的线性拟合方程(决定系数R2=0.84)。胡琼娟[18]分别建立了核桃生育期内液流与气象因子、ET0的关系模型，发现液流与ET0具有很好的线性相关性，但仅观测了一个生长季节数据，并没有对模型进行验证。Pereira等[20]利用Penman-Monteith公式计算了核桃的耗水量，并与热技术法进行了比较，发现在日尺度和充分灌溉条件下，可用Penman-Monteith公式估算耗水量，并建立了液流、ET0及叶面积之间的关系模型。Cammalleri等[21]比较分析了橄榄树(cv.NocellaradelBelice)蒸腾与ET0的相似性，并计算了蒸腾在ET0总量中所占的比例。以上研究均表明ET0与树木液流密切相关。本文分别利用日尺度、月尺度下气象因子和ET0对核桃液流进行了拟合，发现月尺度水平拟合性好于日尺度，相对而言，ET0的拟合效果略高于气象因子，再次证实了将ET0用于分析气象因子对液流影响的科学性和可行性。

研究不同时间尺度下液流与气象因子的关系主要目的有：一是分析不同时间尺度下环境因子对树干液流影响的精度，二是确定不同时间尺度下影响树干液流的主要影响因子。有研究栓皮栎人工林树干液流对不同时间尺度气象因子及水面蒸发的响应[6]，发现随着时间尺度的增加，液流与上述因子相关性越强；在不同时间尺度下，影响树干液流的最主要气象因子均为太阳辐射。同一时期，液流与水面蒸发的相关性大于气象因子。王文杰等[8]研究了不同时间尺度下兴安落叶松树干液流密度与环境因子的关系，发现时间尺度不同，对树干液流影响因子不同。随着尺度由大到小，对树干液流影响最大的因子有从地下土壤环境因子向地上直接影响叶片蒸腾的环境因子转换的趋势。本文通过分析日尺度、月尺度下核桃液流与气象因子及ET0的关系，证实随着时间尺度的增加，液流与上述因子相关性越强。这与之前对栓皮栎的研究结果一致[6]。同时证明，ET0与水面蒸发一样，二者均作为气象条件的综合反映，与树干液流量具有较好的相关性，在树木液流不能实现连续观测的地区，可利用能综合反映气象因子的ET0、水面蒸发等指标估算液流，不但精度高，而且容易实现，具有一定的科学性和可行性。

本文主要分析了单株核桃液流变化特征及其影响机制，在今后的研究中应侧重单株到果园进行耗水尺度扩展，结合土壤水分变化从水分供求关系分析核桃耗水变化，更有利于指导当地的核桃水分管理。

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