滴灌条件下枣园蒸散量的不同时空尺度转换研究

郑明，赵经华，马英杰，洪明

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

蒸散分为植株蒸腾和土壤蒸发两部分，是水循环和地表能量平衡的重要部分，在土壤-植物-大气系统中的能量、质量和动量交换起着重要作用[1-2]，因此，准确测定蒸散量对后续顺利地开展其它相关研究奠定基础。涡度相关法作为公认测定农田尺度蒸散量最可靠方法之一[3-4]，目前已经在森林[5]、草原[6]、农田[7]等生态系统方面已有广泛应用，因此涡度相关系统测定的数据常被用作其它仪器测定数据的精度评价的参考依据。茎流法也被作为测定植株蒸腾量最可靠的方法[8]，但仅能测定单株尺度的蒸腾量，为此许多学者利用胸径[9]、边材面积[10]等作为扩展指标对单株蒸腾量进行扩展，从而估算出林分尺度的蒸腾量[11]。土壤微型蒸发器作为测定土壤蒸发量的自制廉价仪器，已被广泛使用[12]，将其与茎流仪配合使用(简称茎流系统)可以测定单株树木蒸散量。

许多研究设置茎流仪记录数据的时间间隔一般为10 min，但目前大多数自动记录数据其它仪器设置记录数据时间间隔多为30 min，若将茎流仪与其它仪器一起使用时，数据时间尺度不能同步。若设置茎流仪记录数据时间间隔为30 min，目前尚未有研究证实30 min相比10 min记录时间对茎流速率与茎流量影响程度。茎流系统可以测定树木蒸散量，但相比涡度相关系统，茎流系统仅仅能测定单株树木蒸散量，对农田尺度下的蒸散量是否具有可靠的代表性还有待研究。微型蒸发器可以准确测定自然雨养、漫灌等土壤表面具有相近含水量的土壤蒸发量。在滴灌农田，滴灌带(管)周围湿润区与远离滴灌带(管)干燥区的土壤含水量相差较大，此时微型蒸发器布设位置及数量决定是否能代表整个农田地表的蒸发量，但关于滴灌条件下微型蒸发器布设位置及数量的研究文献很少。

基于上述研究背景，本文研究使用涡度相关系统、茎流仪及微型蒸发器在阿克苏地区枣园开展相关研究，主要对茎流仪设置不同时间间隔数据进行对比分析，为茎流仪与其它仪器设置相同时间间隔提供可靠依据；对比涡度相关系统测定蒸散量与茎流仪测定枣树蒸腾量的相关性，以保证茎流系统测定蒸散量向枣园尺度地推延；高密度布设微型蒸发器以便准确测定枣园土壤蒸发量，为缩减微型蒸发器数目及确定微型蒸发器布设位置提供可靠依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年5-9月在新疆阿克苏地区阿克苏市南工业园进行，试验区处天山中段的托木尔峰南麓，塔里木盆地北缘，塔克拉玛干沙漠北缘，属于典型的温带大陆性气候，年平均太阳总辐射量5671.36 W/m2，多年平均年日照时数2911 h，无霜期达212 d，多年平均气温11.2 ℃，最高日温度高达40.9 ℃，极端低温达到-27.4 ℃。

1.2 试验材料

试验区面积为300 m×300 m。供试果树为16a灰枣树，树体生长均匀，树体直径均在14～16 cm之间，树体株行距为2 m×4 m，树体均高4 m。

灌水方式为滴灌，滴灌带布置方式为一行三管，滴头流量3.2 L/h，滴头间距20 cm。滴灌带布设位置：与树行垂直距离为1.3 m，方向与树行平行，树行两侧各布设一条；滴灌管沿树行方向紧贴行向枣树布置。灌水周期与灌水量均根据当地农户经验确定。

本研究使用涡度相关系统测定枣园蒸散量、茎流仪测定枣树蒸腾量、微型蒸发器测定枣园土壤蒸发量，探讨不同时间尺度茎流仪测定日蒸腾量的差异性、茎流系统测定单株枣树蒸散量与涡度相关系统测定果园尺度蒸散量的差异性、不同空间土壤蒸发量。枣园能量闭合度0.80。

1.3 项目测定及方法

1.3.1 枣园蒸散量测定

枣园蒸散量由涡度相关系统监测。涡度相关系统架设在试验田正中心位置，涡度相关系统三维超声风速仪与水热通量探头(IRGASON, Campbell Scientific, USA)架设高度为6 m；四分量辐射(CNR4)计架设高度为5.5 m；土壤热通量板(HFP01)埋于地表以下8 cm处，2块热通量板间距1 m，一块埋于滴灌管下湿润区，另一块埋于滴灌带与滴灌管之间干燥区；数据采集器程序设定为1 s采集10次数据，30 min记录一次数据，用CR3000内载Campbell Easy-Flux_DL在线全修正软件(Campbell Scientific Inc. 2016)修正数据。蒸散量由公式(1)与(2)计算，

(1)

(2)

1.3.2 植株蒸腾量测定

植株蒸腾量测定采用热扩散探针法(TDP法)，SF-G传感器(Ecomati, Germany)由2根探针组成，一根加热探针，通过给加热针加热来计算两根针的温度差和树干茎流。其中一根探针安装在加热探针正下方且距地面60 cm的树干上，上探针与下探针间距20 cm，共选取3棵样树进行安装，3棵样树的茎流速率均值代表枣园蒸腾速率。数据采集器自动监测和记录数据，每10 min、30 min、60 min记录一次数据。蒸腾速率由式(3)计算，日蒸腾量由式(4)计算，

(3)

T=S×U，

(4)

S=πR2-πr2。

(5)

其中：U为茎流速率，mL/(cm2·min)；ΔT为两探针之间温差值，℃；ΔTmax为晚间两探针之间温差最大值，℃。T为枣树蒸腾量，mm/m2；S为枣树边材面积，cm2；π为圆周率，取值为3.14；R为样树芯材与边材部分的半径，cm；r为芯材半径，cm。

1.3.4 土壤蒸发量测定

土壤蒸发量由自制微型蒸发器测定。微型蒸发器是由2个PVC管组成，其中内管直径110 mm，长15 cm；外管为直径125 mm，长20 cm。微型蒸发器布设位置见图1，选取3棵样树(即茎流仪选择的3棵样树)进行布设。将3棵样树布设的微型蒸发器相同编号3个微型蒸发器测定土壤蒸发量求均值，此均值代表距沿树行这一区域的土壤蒸发量，微型蒸发器将土壤共计划分11片区域。每次灌溉后一天早上10:00换取土壤进行灌后称重，灌溉前一天早上10:00使用精度为0.01 g电子秤将土壤与内管一起进行称重，两次称重质量差为此次灌水周期的土壤蒸发量，降雨后需及时进行称重。由公式(6)将土壤蒸发量换算成单位面积的蒸发量，

(6)

式(6)中：E为土壤蒸发量，mm/m2；A为灌溉后一天与灌溉前一天微型蒸发器质量差，g；π为圆周率，取值为3.1415926；r为内管半径，除去1 mm壁厚为5.4 cm。

图1 微型蒸发器及滴灌带布设位置Fig.1 Layout of micro evaporator and drip irrigation belt

1.3.5 数据评价标准

本研究采用纳什系数(NSE)、均方根误差与观测值标准差比率(RSR)评价数据精度，NSE与RSR由公式(7)与公式(8)计算。当0.750.7时，计算数据结果不可接受。

(7)

(8)

其中：ETwi为涡度相关系统测定枣园第i天蒸散量，mm；ETji为茎流系统测定枣园的i个蒸散量，mm；n为数据数量。

1.4 数据处理

采用Excel2010对数据进行统计、计算及绘图，使用SPSS对数据进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同时间步长下日蒸腾量的差异性分析

由不同时间步长下枣园日蒸腾量结果(图2)可知：3种时间步长计算枣园日蒸腾量变化规律基本一致。10 min、30 min及60 min时间尺度下茎流速率计算枣园总蒸腾量分别为325.11 mm、325.49 mm与323.84 mm。30 min与10 min差值为0.38 mm，差值占比为0.17%，日均差值仅为0.0035 mm/d。60 min与10 min差值为-1.27 mm，差值占比为-0.39%，日均差值仅为-0.01 mm/d。说明这3种时间步长计算日蒸腾量结果基本一致。

图2 不同时间步长下计算枣园日蒸腾量变化规律Fig.2 Calculation of daily transpiration of jujube orchard under different time steps

2.2 枣园蒸散量与植株蒸腾量的相关性分析

蒸散量分为植株蒸腾量与土壤蒸发量两部分，准确测定枣园蒸散量与蒸腾量可以间接推算枣园土壤蒸发量，因此将涡度相关系统观测蒸散量与茎流仪观测蒸腾量进行不同时间尺度的相关性分析，从而为茎流系统测定枣园蒸散量奠定可靠基础。

2.2.1 30 min时间尺度下潜热通量与茎流速率变化规律

潜热通量(以下由LE代替)等价于蒸散量，LE与茎流速率(以下由U代替)均是由仪器直接测定，因此在30 min时间尺度下均使用涡度相关系统与茎流仪直接监测的物理量可以更好避免人为计算误差。

5月25日、6月19日、7月18日、8月13日代表各月份典型日，各月典型日LE与U变化规律见图3。

图3 枣园不同月份典型日潜热通量与茎流速率的变化规律Fig.3 Variation of latent heat flux and sap flow rate in typical days of jujube orchard in different months

由图3可知：

(1)各月份典型日9:00～21:00 LE与U均呈现先增大后减小变化规律。13:00～17:00LE变化波幅度较大，而U变化相对平缓。这主要与仪器工作原理有关，涡度相关系统通过测定大气的气象指标推算蒸散量，推算结果受气象影响较大；而茎流仪通过测定枣树温度差计算U，气象因子对树体U影响较滞缓，因此U相对平缓。21:00～次日9:00LE基本趋于0值，但在6月19日22:00～0:00与8月13日0:00～3:00出现波动现象，这是因为当日夜间出现大风，使得涡度相关性系统测定LE有所波动；而U在各月典型代表日的这一时段基本趋于0值。

(2)各月份典型日LE与U变化幅度明显不同。随着月份的增加，LE与U都在增加，LE由176 W/m2(5月)增至435 W/m2(8月)；U由0.3 g/(cm2·min)(5月)增至0.42 g/(cm2·min)(8月)。两者呈现相同变化规律。对30 min时间尺度下LE与U进行相关性分析，两者相关系数为0.876(P<0.01，N=4910)，LE与U具有显著相关关系。

2.2.2 日尺度下蒸散量与蒸腾量的相关性分析

试验田地处干旱地区，阴雨天气较少，因此不分析阴天蒸散与蒸腾的相关关系，默认枣树全生育期均为晴天。

枣园蒸散量与蒸腾量日尺度变化规律(图4a)显示：枣园蒸散量在1.18～6.03 mm/(m2·d)之间波动，枣园蒸腾量在1.06～4.46 mm/(m2·d)之间波动。5月6日至6月20日期间枣园蒸散与蒸腾日差值基本在1 mm以内，此后差值变大，但总体蒸散量与蒸腾量变化规律基本一致，两者具有相同的变化趋势。

对蒸散量与蒸腾量进行线性回归分析，结果见图4b，两者之间的线性回归方程为：y=1.1526x+0.0793，R2=0.6648，具有较高的相关性。说明蒸散量与蒸腾量具有较高的一致性。

图4 枣园蒸散量与蒸腾量的相关性分析Fig.4 Correlation analysis between evapotranspiration and transpiration in jujube orchard

2.3 枣园蒸散量尺度转换

植株蒸腾由茎流仪监测，土壤蒸发由微型蒸发器监测，将两者累加为蒸散量。由于微型蒸发器是以灌水周期为时间尺度测定土壤蒸发量，因此茎流系统与涡度相关系统测定枣园蒸散量的时间尺度为灌水周期。

茎流系统与涡度相关系统分别测定枣园蒸散量的结果(图5)表明：两种系统测定蒸散量数值基本一致，具有相同的变化规律及变化趋势，两者总差值为15.49 mm，差值占比为4.14%；其线性回归方程为y=0.9672x，R2为0.94，NSE为0.93、RSR为0.26。说明茎流系统测定枣园尺度蒸散量具有较高可靠性，茎流系统可以进行由单株蒸散量向枣园蒸散量的尺度转换。

图5 茎流系统与涡度相关系统测定枣园尺度蒸散量的相关关系Fig.5 Correlation between sap flow system and eddy covariance system for measuring evapotranspiration of jujube orchard scale

2.4 微型蒸发器布设位置确定

本研究以5月24～28日、6月23～27日、7月8～12日、8月12～16日4个灌水周期为例，观测日期内不同月份不同编号微型蒸发器的土壤蒸发量，结果(图6)显示：这4个灌水周期内的土壤蒸发量随微型蒸发器(以下使用编号代替)均样树布设距离的减小基本均呈现“W”型变化。1号与2号土壤蒸发量大于3号，这是因为1号、2号、3号虽均位于土壤干燥区，但1号与2号相比3号上方冠层较稀疏，阳光直射地表面积较大；4～7号土壤蒸发量大于1号、2号与3号，这是因为4号、5号、6号、7号位于土壤湿润区；8号与9号位于滴灌带与滴灌管之间的干燥区，土壤蒸发量较小；10号位于滴灌管滴头的湿润区，11号位于滴灌管正下方，所以蒸发量较大；11号相比6号土壤蒸发量较小，这是因为冠层遮阴度有关，11号位于枣树冠层正下方，土壤遮阴效果远高于6号。

在树体行间高密度布设微型蒸发器可以准确测定果园土壤蒸发，但是若试验处理与重复较多时，这种高密度布设微型蒸发器的方法会带来较大工作量，使得试验人员无法完成，因此在不影响数据可靠性的条件下，缩减微型蒸发器的数量。

图6 枣园各月代表性灌水周期内不同土壤位置蒸发动态Fig.6 evaporation dynamics of different soil positions in representative irrigation season of jujube orchard

由图6可知：2号测定值介于1号与3号，且2号测定值与1～3号测定均值相近，因此2号测定值可以代表1～3号测定均值。4号、5号与7号测定值相近，取3个微型蒸发器其中一个位置，微型蒸发器之间距离过近，会使换取土壤时互相干扰，故保留4号。6号测定值最大，无任何位置微型蒸发器可以代替，因此将6号保留。8号、9号与10号测定均值与8号测定值相近，而8号与2号测定值相近，因此认为2号可以代替8号、9号与10号。11号位于滴灌管正下方，此区域土壤蒸发量变异性较强，因此将其保留。缩减后仅布设2号、4号、6号及11号。

对保留的4个微型蒸发器测定值进行面积加权平均，计算出的缩减后测定值与缩减前测定值，结果(图7)显示：两者之间的线性回归方程为y=1.0246x，R2=0.93，说明两者之间具有较高相关性。缩减前测定果园土壤蒸发量为73.46 mm，缩减后测定果园土壤蒸发量为74.99 mm，两者差值为1.53 mm，说明缩减后微型蒸发器可以完全替代缩减前微型蒸发器。

图7 缩减后与缩减前微型蒸发器测定土壤蒸发量相关性分析Fig.7 Correlation analysis of soil evaporation measured with reduced evaporator before reduction

3 讨论

(1)不同时间步长下茎流速率计算日蒸腾量规律基本一致，无明显差异性。这可能与树体茎流特性有关，枣树茎流在短时间步长下内液流相比长时间尺度较平缓，均呈现一致的变化规律。

枣园蒸散量与蒸腾量两者具有显著的相关性，但线性回归方程的拟合度并不高。原因为两种仪器工作原理、测定尺度不同，以及日土壤蒸发量不同。涡度相关系统通过大气中水汽密度与垂直风速的协方差计算蒸散量[13]，测定范围为枣园尺度，而茎流仪通过探针之间的温度差(热电偶原理)计算蒸腾量[14]，测定范围为单株枣树，因此蒸散量与蒸腾量存在一定偏差；此外还与日尺度土壤蒸发量不同有关，土壤蒸发量受表层土壤含水率影响。而本试验田为充分灌溉，灌水周期内枣树根区土壤含水率均大于田间持水率，因此对枣树蒸腾而言，不受土壤含水率过低而抑制枣树蒸腾。在相同气象条件下，枣树日蒸腾量基本一致，而土壤蒸发会因地表含水率变低出现在蒸散总量中占比变小。换而言之，当气象条件相同时，地表土壤含水率较大时，枣树蒸腾量在蒸散量中的占比较小，而当地表土壤含水率较低时，枣树蒸腾量在蒸散量中占比较大，因此枣园蒸腾与蒸散拟合程度不高。

(2)本研究发现茎流系统测定蒸散量可以推延枣园尺度蒸散量，其推延结果与涡度相关系统直接测定结果变化规律基本一致，两者之间R2高达0.94，NSE为0.93、RSR为0.26。本研究比其它尺度推延研究[9, 15]的拟合程度与效果更好。这可能是与作物种类[16-17]及特性[18-21]有关，其它相关研究中研究对象均存在树龄不同、树体直径差异过大现象，树龄与树体直径相差过大会使树体茎流规律不均一，难以找到联系因树龄与树体直径差别过大的树体液流规律，因此推延效果较差。而本研究枣树是由人为种植与管理，树体直径均在14-16 cm之间，树龄均为16a，树体之间差异较小，故尺度推延效果较好。茎流系统可以完成由单株尺度蒸散量向果园尺度蒸散量的转换，但由于微型蒸发器布设数目过多，使得工作量过大，因此本研究在空间尺度上观测不同位置的土壤蒸发规律，根据不同位置微型蒸发器的蒸发量、滴灌带布设位置及地表光照条件，将原来布置方式及数目改为保留2号、4号、6号及11号微型蒸发器，改后测定土壤蒸发量与改前土壤蒸发量仅差1.53 mm，两者的R2=0.93。

(3)本研究中的茎流系统可以推延果园尺度蒸散量，但试验是在树龄相同、树体直径相近的人工种植的枣园内进行，在树龄相差过大、树体直径不均匀的自然园林中适用性不强，此情况的园林进行推延园林尺度蒸散量还应分析单株树木蒸散量个体之间差异[22]，寻求这些差异之间的相关关系，以便更好达到推延效果。

4 结论

(1)10 min、30 min及60 min时间步长下计算枣树茎流量结果基本一致，可以将茎流仪记录数据时间设置为30 min及60 min，以便与其它仪器更好配合使用。

(2)两种方法计算的枣园蒸散量与蒸腾量具有较高的一致性，在忽略测量原理不同的条件下两者可以进行尺度转换。

(3)采用茎流系统与涡度相关系统分别测定枣园蒸散量具有较高的一致性；茎流系统在测定枣园尺度蒸散量方面具有较高的精度，茎流系统可以进行由单株枣树蒸散量向果园尺度蒸散量的尺度转换。

(4)缩减前与缩减后测定土壤蒸发量两者之间具有较高的相关性，缩减后微型蒸发器可以完全替代缩减前微型蒸发器。