影响草坪蒸散各类型因子间的典型相关分析

黄瑞霞，王建光* ，2，刘志帅，张慧敏，张忠婷

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2.教育部草地资源重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010019)

草坪是一个有机整体，由草坪草地上茎叶和根系及表土层所构成〔1-2〕。在草坪功能作用过程中，其耗水量主要由草坪蒸散引起。影响草坪蒸散的因子包括生长因子、土壤水分因子、气候因子等多方面，其中它们又由彼此相关的不同指标所构成，这些影响草坪蒸散指标间的相互关系一直备受关注。在建立草坪蒸散模型过程中，需要从众多影响草坪蒸散的指标中选取具有代表性的，从而达到简化指标的目的，做到有的放矢。目前对于影响草坪蒸散因素的研究比较单一，各因素之间的相互关系研究也较少〔3-8〕。本文以建植于2004年的庭院休闲成熟草坪为研究对象，以长期的观测数据为依据，运用典型相关分析方法，对影响草坪蒸散指标的组合进行相关性分析，从每组变量中选取能够代表整个组合的少数几个指标，为草坪的蒸散规律提供数据基础，进而为精准节水灌溉制度的建立提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古呼和浩特市内蒙古农业大学东校区庭院休闲草坪绿地，地处东经111°71′、北纬40°81′，海拔为1056m，属于典型的蒙古高原半干旱地区。年均降水量380mm左右，主要集中在7～8月份，年平均气温6.7℃，干燥度为1.3～3.5〔9〕。试验地草坪土壤基况见表1。

表1 土壤基况表Table1 The basic situation of soil

1.2 试验材料

试验地于2004年夏季用草地早熟禾(PoapratensisL.)草皮铺植建成，历年养护到位，修剪高度约8cm，属成熟草坪。

1.3 试验设计

试验随机设置彼此隔离的3个小区，小区面积5m×10m，在每个小区四周均嵌入30cm深的防渗膜作为隔离，并设置1m宽的保护行。于2015-2018年雨季结束后每年9月和10月的上、中、下旬各选取相对晴朗的一天对试验所需各因素进行同期测定，进行试验前，对各小区进行灌溉至田间持水量。

1.4 测定内容及方法

1.4.1 生长因子测定

在每个小区随机选取3个10cm×10cm的样方，共9个测试样方，在每个样方内测定草坪草的枝条数，地上生物量，枯落物量及0～30cm土层根系量。草坪草枝条数采用人工计数法，取平均值记录其分枝数。地上生物量与枯落物量采用烘干称重法，将样方内草坪草齐地面剪掉，同时将样方内地表枯落物收集起来，把草坪草与枯落物分别装入已知重量的信封袋中，置于65℃烘干至恒重，用精确度0.01天平称其各自的重量。根系量的测定采用直径8cm根钻取样，取样前将地上枯草层去除干净，将所取土样装入1mm的网兜，采用活水冲洗方式洗净，置于65℃烘箱烘干至恒重，称其重量。

1.4.2 土壤水分因子测定

在每个小区中随机选取3个测试样点，共计9个测试样点，每个样点嵌入地下60cm深1根套管，采用智能TDR感应器探头(TRIME-PIOC-IPH T3)，对位于0～15cm、15～30cm、30～45cm、45～60cm土层的土壤容积含水量进行测量。

1.4.3 气候因子测定

从早晨6∶00时至傍晚18∶00时，每间隔2小时采用小型手持气象仪对各小区草坪近地面15cm处的温度、湿度、风速等气候因素进行测定，每个小区重复3次。

1.4.4 草坪蒸散量的测定

本研究取从早晨6∶00时至傍晚18∶00时0～30cm深度土壤含水量的差值为日蒸散量。

草坪蒸散量公式〔7〕：∑E=r+W1-W2

式中：∑E-蒸散量(mm/d)；r-某一时期内的降水量和灌溉量(mm)；W1-某一时期开始时的土壤含水量(%)；W2-某一时期终止时的土壤含水量(%)。

1.5 统计分析方法

使用SAS9.0(Statistical Analysis System)和Excel 2010软件进行数据统计运算，并根据标准化典型变量的线性表达式进行分析。

2 结果与分析

2.1 影响草坪蒸散指标的统计描述

生长因子包含草坪草的枝条密度、地上生物量、枯落物和根系量，土壤水分因子包含地下土层0～15cm、15～30cm、30～45cm和45～60cm的土壤含水量，气候因子包含近地面15cm处的温度、湿度和风速。对影响草坪蒸散的指标进行统计分析，其基本统计特征值见表2。

表2 影响草坪蒸散指标的基本统计特征值表Table2 The basic statistical characteristics of various factors affecting the lawn evapotranspiration

由表2可知，在各指标的偏度值中，除气候因子中风速的偏度值较大外，其余评价指标的偏度值都较小，符合正态分布。在各指标的峰度值中，枝条密度、深度0～15cm土层含水量、深度15～30cm土层含水量、风速和温度的峰度值较大，其中风速的峰度值为正数，表现为相比于正态分布该数据分布比较陡峭，为尖顶峰，而其余几个为负数的数值相比于正态分布比较平坦，为平顶峰，其余指标峰度值较小。生长因子中的生物量、枯落物和根系量与气候因子中风速和温度的变异系数较大，说明其数据的离散程度较大，受外界因素影响较大。在上述所有指标中，风速的偏度、峰度和变异系数均比较大，分别为1.54、1.98和30.93%，说明其很不稳定，受多种因素影响。

2.2 草坪蒸散量与各类型影响因子间的相关性分析

对生长因子、土壤水分因子和气候因子与草坪蒸散量及其所含指标的相关性进行分析，其结果见表3。

表3 草坪蒸散量与各影响因素的关系及各影响因素间的相关性Table 3 The relationship between turf evapotranspiration and various influencing factors and their correlation

由表3可知，生长因子、土壤水分因子和气候因子与草坪蒸散量及其所包含指标具有较强的相关性。在生长因子中，所包含的各指标之间表现为正相关；在土壤水分因子中，不同深度土层含水量之间也表现为正相关；在气候因子中，所包含的3个指标两两之间均呈现在负相关；即所选取指标对草坪蒸散有影响，且所包含指标符合变量组合典型相关的要求。

2.3 影响草坪蒸散的生长因子、土壤水分因子和气候因子组合间的典型相关分析

典型相关分析是研究两组变量间的相互依赖关系〔10-14〕，分析两组变量之间相关性的一种方法，从每组变量中选取能够代表整个组合的少数几个指标，通过分析选出变量间的相关性来表示原始两组数据间的相关性〔15-17〕。对于两组变量X(x1，x2，...，xn)和Y(y1，y2，...，ym)，其典型相关基本步骤为，首先，数据的标准化，将不同量纲的变量归一化；其次，提取典型相关分析的综合变量V1和W1；最后，如果提取出来的典型变量V1和W1对原始数据的解释能力欠佳，考虑继续提取典型变量V2和W2，以此方法重复进行至所提取的典型变量能更好的解释原始数据的变化。将生长因子，气候因子和土壤水分因子进行典型相关分析，其分析结果见表3。

表4 影响草坪蒸散的各因素组合间的典型相关分析Table 4 The typical correlation analysis of various factors affecting the lawn evapotranspiration

由表4可知，在三组变量组合中，两两之间均具有显著的相关性。生长因子与气象因子的典型相关系数为0.71，表明气候因子对草坪生长因子有影响，即温度、湿度和风速对枝条密度、地上生物量、枯落物和根系量有影响。在该模型中，地上生物量在生长因子的线性组合中负荷量最大，温度在气候因子的线性组合中负荷量最大，分别为0.83和1.22，表明地上生物量受气候因子中温度的影响最大。

气候因子与土壤水分因子的典型相关系数较小，为0.65，表明气候因子对土壤水分因子影响较弱，即温度、湿度和风速与土壤不同土层含水量的相关性较弱。在该模型中，温度和湿度在气候因子线性组合中负荷量较大，为0.9和1.06，而15～30cm土层含水量和30～45cm土层含水量在土壤水分因子的线性组合中负荷量较大，分别为0.95和1.17，表明温度主要影响地下0～45cm土壤含水量。

相比于其他两个组合，生长因子与土壤水分因子之间的典型相关系数最小，为0.62，表明土壤水分对草坪生长因子的影响程度最小，即枝条密度、地上生物量、枯落物和根系量与土壤含水量相关性较弱。在第一对模型中，枯落物和地上生物量在生长因子的线性组合中负荷量较大，分别为0.51和0.49；同时30～45cm土层含水量在土壤水分因子线性组合中负荷量较大，为0.74，在第二对模型中，枯落物和地上生物量在生长因子的线性组合中负荷量较大，为1.05和0.90；30～45cm土层含水量、15～30cm土层含水量和0～15cm土层含水量在土壤水分因子线性组合中负荷量较大，为0.87、0.83和0.45。综合两个变量组合模型，表明地上生物量和枯落物主要受0～45cm深度土壤含水量的影响。

3 讨论

目前，简单相关或回归分析方法只是通过考虑单个指标间的关系，不容易抓住问题的本质，不能反映一组变量与另一组变量的内在关联〔18〕。典型相关分析在两组变量组合间的相关分析和预测分析中得到了广泛应用，是研究变量组合间关系的重要方法，但在草坪方面的应用较少。在王倩〔11〕环境因素对柠条生长的研究中，得出土壤含水量对柠条的生长有较大影响，且柠条的生长又制约着地下土壤含水量，同时气象因子对土壤含水量也有一定的作用。孙中峰〔19〕、孙中文〔20〕的研究表明，地形、植被等多重因子的共同作用导致了土壤水分的动态变化，土壤水分动态变化又是限制植被生长的主要因素。赵艳云〔21〕通过对柠条林的研究，得出生物量受不同坡位的影响，水分是其生长的主要限制因子。

本文通过分析得出，在影响草坪蒸散指标组间关联上起主要作用的生长因子指标是地上生物量和枯落物。这与草坪蒸散由土壤蒸发和植物蒸腾两部分组成相对应，修剪留茬高度一定，地上生物量越多，用于蒸腾失水的叶面积也就越多，因而对草坪蒸散的影响也越大；枯落物则是从影响土壤蒸发的角度进而影响蒸散量，枯落物越多，对地表的覆盖程度越大，进一步影响蒸散。起主要作用的土壤水分因子指标是0～45cm深度土壤含水量，这说明草坪蒸散的水分主要源于由近地表水分。起主要作用的气候因子指标是温度。综上所述，利用典型相关分析简化影响草坪蒸散指标是有效的。通过分析简化后指标间的关系，得出组合间的关系为土壤水分因子和气候因子共同影响生长因子，气候因子影响土壤水分因子，这说明良好的生长不仅需要适宜的外界气候，同时需要水分的供应，而水分的多少又受气候环境的影响。对于上述3个组合所包含的指标的关系可以概括为0～45cm深度土壤含水量和温度共同影响地上生物量和枯落物，温度主要影响地下0～45cm土壤含水量。对于气候因子中温度对生长因子中地上生物量和枯落物影响较大的这一结果，这是由于适宜的温度使得植物生长发育良好，有机物合成多，生长迅速，地上生物量增加，而地上生物量又会由于自然或人为其他因素的影响，使得部分枝条凋落，进而形成枯落物。

4 结论

影响草坪蒸散的生长因子、土壤水分因子和气候因子间均存在显著相关性，生长因子与气候因子的关系最为密切，相关系数为0.71；其次是气候因子和土壤水分因子，相关系数为0.65；生长因子与土壤水分因子的典型相关系数最小，为0.62。综合全部典型相关分析结果，在影响草坪蒸散生长因子中起主要作用的是地上生物量和枯落物，土壤水分因子中是0～45cm深度土壤含水量，气候因子中是温度。