西南猕猴桃园蒸散发变化及敏感性分析

黄耀威，何清燕,2，姜守政，崔宁博*，赵 璐，郑顺生，杨斌环，邹清垚，王琪凯

（1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室/水利水电学院，成都 610065；2.四川省农业机械研究设计院，成都 610066；3.佳沃（成都）现代农业有限公司，成都 611600）

西南猕猴桃园蒸散发变化及敏感性分析

黄耀威1，何清燕1,2，姜守政1，崔宁博1*，赵 璐1，郑顺生1，杨斌环1，邹清垚1，王琪凯3

（1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室/水利水电学院，成都 610065；2.四川省农业机械研究设计院，成都 610066；3.佳沃（成都）现代农业有限公司，成都 611600）

【目的】研究西南地区猕猴桃园气候因子和LAI对蒸散发（ET）的影响，Kc和Kcb的季节性变化。【方法】基于2018—2019 年大田试验和Penman-Monteith 模型，分析了西南猕猴桃园近地层水汽通量的控制机理，采用敏感性分析方法量化了猕猴桃园ET对气象要素的敏感性，基于单（双）作物系数法计算了Kc（Kcb）。【结果】①2018—2019年猕猴桃生育期蒸散发（ET）日平均值分别为2.71 mm/d 和2.31 mm/d，空气动力项ET（ETaero）分别为1.87 mm/d和1.71 mm/d，占总ET的0.69 和0.74；②2018—2019 年生育期猕猴桃ET对VPD的敏感性最高，其次是rc、Rn-G和ra；③2018—2019 年生育期猕猴桃园Kc值随生育期先增大后减小，Kcb值在生育后期有增大的趋势，2018、2019年的Kc平均值分别为0.93 和0.85，Kcb平均值分别为0.43 和0.41。【结论】本研究发现空气动力项是驱动猕猴桃园ET的主要因素，ET对VPD的敏感性最高。

猕猴桃园；蒸散发（ET）；Penman-Monteith 模型；敏感性；作物系数

0 引 言

【研究意义】中国的猕猴桃种植面积和产量均居世界第一，分别占全球的68.2%和50.6%[1]。2020 年，四川省猕猴桃种植面积5 万hm2，产量46 万t，产值突破80 亿元。四川成都平原是我国五大猕猴桃产区之一，也是国内人工栽培猕猴桃最早、应用效果最好的地区之一[2]。近年来，成都平原猕猴桃种植面积有继续增大的趋势，猕猴桃种植已成为西南地区农业经济发展及产业脱贫的一项支柱性产业，但季节性干旱与工程性缺水严重制约了西南地区的猕猴桃生产[3-4]。因此进行猕猴桃耗水规律及蒸散发研究对水资源调配及猕猴桃稳产高产具有重要实用价值。

【研究进展】ET与植物的生理活动以及产量的形成有着密切的联系，是一个集能量与物质交换以及生态和水文相互作用的内在复杂过程[5]。全面分析ET及其组分（土壤蒸发、作物蒸腾）变化规律，量化不同驱动因素对ET的影响，对于研究农田生态系统、农田小气候以及大气水循环等至关重要。近年来，国内外学者对不同农田下垫面ET的变化规律和影响因素做了大量的研究。Stoy 等[6]量化了植被对水文和能量收支的影响，通过线性扰动分析来评估生态系统对物理驱动因子降雨和水汽压差（VPD）、生物驱动因子叶面积指数（LAI）和内在气孔导度（gs）等驱动因素的敏感性。Li 等[7]研究表明，相对于其他气候与植被生理因素，ET对玉米冠层导度的敏感性最高，冠层导度主导了能量分配的过程。Noa 等[8]量化了“赤霞珠”葡萄园生长季ET模式及驱动因素，结果表明，葡萄不同物候期的耗水变化很大，在整个生育期以及抽梢期和果实成熟期LAI是最强驱动因素（分别为44.81%、59.57%和33.54%），空气温度在开花期和果实生长期的影响最大（分别为48.14%和23.36%）。Geng 等[9]量化了气象因素和植物生理因素对中国某丘陵茶园ETa（作物蒸腾与土壤蒸发）的影响，其中Rn是茶园蒸散发的主要驱动力，其次是VPD和LAI。

为获得较高的猕猴桃产量，猕猴桃园常采用灌溉措施；计算猕猴桃的需水量，对节约灌溉用水至关重要。Penman-Monteith 法因其简单和稳定的特点，是目前最广泛使用的基于气候的作物需水量估计方法；特定作物需水量（ETc）的估算是由作物参考蒸散量（ET0）乘以作物系数（Kc）得来的[10]。然而，与完全覆盖土壤的均匀植被相比，木本和藤蔓植物拥有异质的、稀疏的植被表面，和更加复杂的冠层，这种方法对于木本植物和不完全覆盖的作物具有一定的不确定性[11]。基础作物系数Kcb是基于双作物系数法将植株蒸腾从作物蒸散发中分离出来的部分，对于特定的气候条件与作物种类，其计算结果更接近实际情况，尤其适用稀疏的植被表面[12-13]。

【切入点】随着社会经济发展，西南季节性干旱区农业用水供需矛盾逐渐突出，尤其是近年来由于气候变化，西南降雨时空分布不均，干旱发生有增大趋势[14]。我国ET相关的研究主要集中在北方干旱区和半干旱区，西南季节性干旱区猕猴桃ET的变化规律和驱动因素还尚未有相关研究。【拟解决的关键问题】本研究基于Penman-Monteith 模型，通过分析2018—2019 年猕猴桃园下垫面水汽通量（转化为ETEC）的季节性变化规律，阐明猕猴桃园ET的辐射项ETrad和空气动力学项ETaero的变化规律和驱动因素，量化猕猴桃园ET对气象要素的敏感性并更新猕猴桃园生育期作物系数（Kc）与基础作物系数（Kcb），为该区域农业生产管理与水资源优化配置提供科学的理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省成都市蒲江县国家现代农业产业园区，蒲江猕猴桃产业示范基地（30°19′N，103°25′E，海拔高度约为537 m）。研究区属于亚热带季风湿润气候，1960—2019 年多年平均温度16.3 ℃，平均降水量1 280 mm，主要集中在5—9 月，年日照时间1 122 h，相对湿度84%。试验区地形属于浅丘区，土壤类型以黄壤土为主，10～100 cm 土壤体积质量1.27～1.35 g/cm3，田间持水率、饱和持水率、有效持水率分别为38.18%、44.53%、18.75%（体积含水率）。研究对象为7 a 生金艳猕猴桃果树。试验区果树分布规则，果树冠层高度在1.70～2.00 m，胸径8～10 cm，行距5 m，株距4 m，种植密度约为450 株/hm2。

1.2 数据采集及处理

气象数据主要由锦州阳光气象科技有限公司生产的自动气象站（TRM-ZS3）采集，包括净辐射（Rn，W/m2）、土壤热通量（G，W/m2）、土壤含水率（SWC，%）、空气温度（Ta，℃）、空气相对湿度（RH，%）、风速（u，m/s）。冠层叶面积指数（LAI）通过叶面积指数仪（Canopy-LAI2000）每1～2 周测量1 次。

本研究采用闭路涡度相关系统（CPEC，Campbell Scientific Inc，美国）观测猕猴桃园区潜热通量（LE），并通过LE转换为ET（ET=LE/λ，λ为汽化潜热）。CPEC系统主要由三维超声风速仪（Model CSAT3）、闭路红外 CO2/H2O 气体分析仪（EC155）、温湿度计（HMP45C）、数据采集器（CR6）及供电系统组成。原始的 10 Hz 通量数据经过 Datalogger Support Software 4.4 处理。数据校正及插补方法参见[15]。2018—2019 年猕猴桃生育期30 min 能量闭合度分别为0.92 和0.95，R2分别为0.70 和0.76；日尺度上能量闭合度分别为1.06 和1.13，R2分别为0.88 和0.86，因此，本研究涡度相关系统测量的数据是可靠的[15]。土壤热通量（G）在日尺度上变化较小，忽略不计。

本研究采用TDP 植物茎秆液流自动监测系统（RR-1016，北京雨根科技有限公司，中国）测定猕猴桃树干瞬时液流密度。根据Granier 方法将探头测得的温差数据转换为液流密度（Fd，m/s）[16]：

式中：ΔT为上下探针的温度差（℃）；ΔTmax为上下探针的最大温差，此时假设树干无垂直液流通量。猕猴桃蒸腾采用计算（Tsap，mm/d）为：

式中：As为每单位占地面积中猕猴桃导水木质部面积，其计算见参考文献[15]。

1.3 研究方法

1.3.1 Penman-Monteith 模型

根据Penman-Monteith 理论，ET可以看作是辐射项（ETrad）与空气动力学项（ETaero）之和[17]：

式中：λET为水汽通量（MJ/（m2·d））；Δ 为饱和水汽压与温度曲线的斜率（kPa/℃）；VPD为饱和水气压差（kPa）；γ为干湿温度计常数（kPa/℃）；Rn为净辐射（MJ/（m2·d））；G为土壤表面热通量（MJ/（m2·d））；ρa为空气密度（1.29 kg/m3）；cp为空气的比热容（1 005 J/（kg·K））；ra为空气动力学阻力（s/m）；rc为冠层阻力（s/m）；ra计算式为：

式中：z为涡度相关仪的测量高度（8 m）；d为零平面位移，d=0.67hc；hc为猕猴桃冠层的平均高度；k为卡门常数，取0.41；u*为涡度相关系统测量的摩阻风速（m/s）；rc计算式为[18]：

基于涡度实测的ETEC反推rc，代入式（4）、式（5），求出ETrad（辐射项）和ETaero（空气动力学项），从而分析ETrad和ETaero对ET分别的贡献及量化气候因子对ETrad和ETaero的影响。

1.3.2 敏感性分析

根据Penman-Monteith 方程[18]：

式中：水汽通量可以看作受4 个变量的共同作用，即可供能量项（Rn-G）、水汽压差项（VPD）、空气动力学阻力（ra）和冠层阻力项（rc）。因此，