氣象因素對(duì)柑桔樹(shù)植株日間蒸騰作用的影響研究

葛 亮，董曉華，李 璐，趙 喬，嚴(yán)冬英

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430072； 3.中國(guó)電建貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550081)

0 前 言

蒸騰作用指的是土壤中的水分進(jìn)入植物體內(nèi)，經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的生理作用后轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵膺M(jìn)入大氣的過(guò)程[1]。蒸騰作用是植株生理活動(dòng)中最重要的一環(huán)，承擔(dān)著水分在植物中的運(yùn)移任務(wù)，99%的水分在被植物吸收之后都通過(guò)蒸騰作用散失到了大氣中，只有接近1%的水分在被植物吸收之后儲(chǔ)存在植物體內(nèi)[2]。蒸騰作用在土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位，研究植物的蒸騰作用是揭示植物生理活動(dòng)內(nèi)在規(guī)律的核心[3]。蒸騰作用主要發(fā)生在白天，伴隨著太陽(yáng)光照強(qiáng)度、輻射以及大氣溫度的上升而逐漸發(fā)生，夜間也存在蒸騰作用但十分微弱，所以本文重點(diǎn)研究柑桔樹(shù)日間的蒸騰作用規(guī)律。

植物所處環(huán)境的氣象因素對(duì)植物的蒸騰作用起著至關(guān)重要的影響，確定氣象因素與植物蒸騰速率之間的關(guān)系能為研究、計(jì)算作物的需水量奠定理論基礎(chǔ)。目前對(duì)于植物蒸騰速率的研究主要從以下3個(gè)方面展開(kāi)，分別是：植株蒸騰量的測(cè)定方法研究[4]、植株蒸騰量與氣象因素之間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究、植物蒸騰量的計(jì)算及預(yù)測(cè)研究。

目前植株蒸騰量的測(cè)定方法主要有：蒸滲儀法[5]、渦度相關(guān)法[6]、莖流法[7]、熱脈沖法[8]、熱平衡法[9]、熱擴(kuò)散探針(TDP)法[10]以及氣孔計(jì)法[11]等。其中蒸滲儀法與渦度相關(guān)法是通過(guò)測(cè)量植物所處下墊面的水量以及熱量變化來(lái)推求植物的實(shí)際蒸發(fā)量，兩種方法具有完備的物理學(xué)基礎(chǔ)和高精密度；莖流法、熱脈沖法、熱平衡法以及熱擴(kuò)散探針(TDP)法是對(duì)植株枝干內(nèi)的液流量、熱量等因素的變化進(jìn)行測(cè)量以推求植物的蒸騰速率；氣孔計(jì)法主要是對(duì)植物葉片的蒸騰速率進(jìn)行測(cè)量，不能進(jìn)行連續(xù)精確的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量[12]。在這些測(cè)量方法中，熱脈沖法的精度較高，誤差較小，可以進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的自動(dòng)測(cè)量，并且對(duì)植物本身的損傷相對(duì)較小，該方法在植物蒸騰量的測(cè)量領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。

許多學(xué)者應(yīng)用以上測(cè)量方法，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量植物的蒸騰速率和氣象條件，來(lái)研究氣象因素對(duì)植物蒸騰速率的影響規(guī)律[13]。王穎苗等[14]研究了蘋果樹(shù)的蒸騰作用，發(fā)現(xiàn)蘋果樹(shù)的蒸騰作用受到各個(gè)氣象因素的綜合影響；高浩等研究了單株油蒿的耗水特性以及與氣象要素之間的關(guān)系[15]，找出了影響蒸騰速率的主要因素有大氣濕度、太陽(yáng)凈輻射、大氣溫度等；孫立等[16]使用熱平衡法測(cè)量了柑桔樹(shù)的莖流蒸騰速率，研究了各個(gè)氣象因素與柑桔樹(shù)蒸騰速率之間的關(guān)系，找出了影響柑桔樹(shù)蒸騰速率的主要?dú)庀笠蛩?；董曉華、趙喬等[17]研究了二氧化碳濃度對(duì)柑桔樹(shù)蒸騰速率的影響，結(jié)果表明二氧化碳濃度超過(guò)500×10-6ppm時(shí)會(huì)對(duì)植物的蒸騰作用起抑制效果。

出于精確確定灌溉水量的需求，人們需要對(duì)植物的蒸騰量進(jìn)行估算，以便得出植物的需水量。目前關(guān)于植物蒸騰量計(jì)算的方法主要有：水量平衡法[18]、波文比-能量平衡法[19]、空氣動(dòng)力學(xué)法[20]以及世界糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，以下簡(jiǎn)稱FAO)提出的彭曼-蒙特斯模型(Penman-Monteith Model，以下簡(jiǎn)稱PM模型)法[21]。目前PM模型法應(yīng)用最為廣泛。徐俊增等[22]以矮型參考作物(草坪)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)比研究了11種計(jì)算潛在蒸騰量的方法，結(jié)果表明PM模型方法的結(jié)果最接近實(shí)測(cè)值；李璐等[23]觀測(cè)了柑桔樹(shù)的蒸騰變化規(guī)律，并在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)PM模型的參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)果比較理想。為了得到更加精確的結(jié)果，還有學(xué)者專門建立了針對(duì)特定地區(qū)特定植物的植株蒸騰預(yù)測(cè)模型[24]。劉賢趙等[25]對(duì)棉花植株進(jìn)行了研究，以PM模型為基礎(chǔ)引入了臨界阻力，建立了只需氣象參數(shù)就能得到棉花蒸騰量的預(yù)測(cè)模型；唐達(dá)、王輝等研究了干旱地區(qū)沙棘的莖流速率與環(huán)境因子的關(guān)系[26]，得到了氣象因素與沙棘莖流速率的關(guān)系模型。這些研究揭示了各類植物的蒸騰作用與氣象因素之間的規(guī)律，為精確確定灌溉水量和深入理解水文循環(huán)做出了貢獻(xiàn)。

柑桔是湖北省宜昌市的主要經(jīng)濟(jì)作物之一，研究柑桔樹(shù)的蒸騰速率與氣象因素的關(guān)系，能夠?yàn)楫?dāng)?shù)馗探劭茖W(xué)種植提供重要的理論依據(jù)。如前文所述，雖有許多學(xué)者對(duì)不同地區(qū)的不同樹(shù)種與氣象因素之間的關(guān)系做出了研究，但目前還沒(méi)有專門針對(duì)柑桔樹(shù)蒸騰速率預(yù)測(cè)模型的研究。

因此本文首先使用包裹式莖流計(jì)測(cè)量柑桔樹(shù)的蒸騰速率，結(jié)合氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究柑桔樹(shù)蒸騰速率的逐日變化特性以及氣象因素對(duì)蒸騰速率的影響規(guī)律；對(duì)氣象因素和實(shí)測(cè)蒸騰數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，提出了柑桔樹(shù)蒸騰速率的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，以便為研究柑桔樹(shù)蒸騰耗水、提高柑桔樹(shù)的水分利用效率以及宜昌地區(qū)柑桔樹(shù)的科學(xué)種植提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料是宜昌市當(dāng)?shù)氐母探蹣?shù)，樹(shù)高156 cm，樹(shù)冠高98 cm，主桿直徑21.8 mm，栽種在實(shí)驗(yàn)用的花盆中，花盆頂部直徑50 cm，花盆底直徑為30 cm，花盆高度為40 cm，使用當(dāng)?shù)馗探蹐@的土壤培育實(shí)驗(yàn)用柑桔樹(shù)。

蒸散發(fā)的觀測(cè)在湖北省宜昌市三峽大學(xué)校園內(nèi)的水文學(xué)實(shí)驗(yàn)室的大棚內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室大棚位于111°19′E、30°42′N。試驗(yàn)地是典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，每年平均日照時(shí)長(zhǎng)約為1 261～1 745 h，平均海拔為83 m，年平均降水量為992.1～1 404.1 mm。6月至7月為降雨多發(fā)期，每年的平均氣溫為13.1～18.0 ℃[17]。

1.2 樹(shù)干莖流速率的測(cè)定

使用SF-DL2包裹式熱平衡莖流計(jì)，連續(xù)地對(duì)柑桔樹(shù)的莖流速率進(jìn)行觀測(cè)記錄。探頭安裝在柑桔樹(shù)主桿距離地面40 cm處，探頭以下部分不存在分枝以保證測(cè)量數(shù)據(jù)為植物的總體莖流。在對(duì)儀器進(jìn)行安裝之前，先使用砂紙和濕抹布去除柑桔樹(shù)主桿的灰塵死皮，保持測(cè)量部位干凈光滑，之后等莖稈變干后在觀測(cè)部位涂抹植物油以防探頭與植物黏連。在莖稈和探頭內(nèi)分別涂抹G4絕緣硅膠，用以防止探頭部位發(fā)生熱電偶腐蝕，并用鋁箔保護(hù)探頭。最后使用膠帶封住探頭的兩頭，以防雜質(zhì)進(jìn)入進(jìn)入探頭部位，對(duì)儀器的測(cè)量結(jié)果造成影響。將莖流計(jì)設(shè)置為每10 min測(cè)量記錄一次數(shù)據(jù)。柑桔樹(shù)的莖流速率Tr根據(jù)公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Tr為柑桔樹(shù)的莖流速率，g/h；Pin為熱源恒定功率，W；Qv為垂直方向上的導(dǎo)熱，W；Qr表示以輻射的方式向周圍散熱，W；Cp為水的比熱，J/(g·℃)；dT為兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)間溫度的均值，℃。

柑桔樹(shù)最適合生長(zhǎng)在環(huán)境溫度為23～31 ℃，空氣濕度為60%～90%的氣候條件下[17]。實(shí)驗(yàn)在2017年11月份進(jìn)行，白天大氣溫度在20～25 ℃范圍內(nèi)，大氣濕度在40%～80%范圍內(nèi)，屬于適宜柑桔樹(shù)生長(zhǎng)的環(huán)境條件。在實(shí)驗(yàn)期間，于每天上午11時(shí)整對(duì)柑桔樹(shù)澆水。

1.3 環(huán)境因子的測(cè)定

使用FSR-4便攜式氣象儀對(duì)各個(gè)氣象因素進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。主要對(duì)以下氣象因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)：太陽(yáng)凈輻射Rn(W/M2)、大氣溫度K(℃)、大氣相對(duì)濕度RH(%)、露點(diǎn)溫度Td(℃)、風(fēng)速V(m/s)。氣象儀的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔與莖流計(jì)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔相同，設(shè)置為10 min。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本文采用相關(guān)性分析法確定影響蒸騰速率的主要?dú)庀笠蛩兀瑢?duì)主要?dú)庀笠匾约巴接^測(cè)得到的柑桔樹(shù)莖流速率進(jìn)行回歸分析和擬合，以建立氣象因素與柑桔樹(shù)蒸騰速率之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀０言摻?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M結(jié)果與PM模型的模擬結(jié)果以及實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以評(píng)價(jià)本文經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木_性。

2 結(jié)果與分析

2.1 柑桔樹(shù)蒸騰速率的逐日變化規(guī)律

如圖 1是11月1日至5日柑桔樹(shù)蒸騰速率的觀測(cè)結(jié)果。柑桔樹(shù)的蒸騰速率每天的變化曲線表現(xiàn)為雙峰型，并在正午時(shí)產(chǎn)生明顯的“午休”現(xiàn)象[27]。所謂的“午休”現(xiàn)象是植物為了適應(yīng)高溫環(huán)境，降低自身在正午時(shí)段的水分損失而進(jìn)化出來(lái)的生存方式。植物為了減少自身水分的蒸散[28]，降低了葉片氣孔的開(kāi)合程度[29]，從而引發(fā)了這種現(xiàn)象。有研究表明大氣溫度、CO2的濃度、太陽(yáng)凈輻射、大氣相對(duì)濕度、植物體內(nèi)的水分含量等因素均與植物的“午休”現(xiàn)象有著密切的聯(lián)系。

由圖 1可見(jiàn)，柑桔樹(shù)的蒸騰速率在單日內(nèi)的總體變化規(guī)律是先增后減。每日蒸騰作用在上午8∶00左右啟動(dòng)，并在其后迅速上升。柑桔植株的每日平均蒸騰速率為21.58 g/h，最大值為39.25 g/h。柑桔樹(shù)的蒸騰速率在每天的10∶30-12∶30達(dá)到第一個(gè)峰值，在12∶30-13∶30急劇下降，14∶30-16∶00柑桔樹(shù)的蒸騰速率上升至第二個(gè)峰值，隨后蒸騰速率持續(xù)回落，到18∶30以后下降到極低值。由于柑桔樹(shù)夜間蒸騰速率十分微弱，本文著重研究柑桔樹(shù)日間蒸騰速率的變化規(guī)律及其影響因素。

圖1 柑桔樹(shù)蒸騰速率的每日變化Fig.1 The daily change process of the stem flow rate of citrus trees

2.2 不同氣象因素與柑桔樹(shù)蒸騰速率之間的關(guān)系

本研究首先對(duì)柑桔樹(shù)蒸騰速率與各個(gè)氣象因素進(jìn)行相關(guān)性分析，找出影響最大的氣象因素，之后進(jìn)行回歸分析，得出擬合方程。每日各個(gè)氣象因素與蒸騰速率的變化對(duì)比見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，各個(gè)氣象因素對(duì)柑桔樹(shù)的蒸騰速率有著不同的影響，例如太陽(yáng)凈輻射和大氣溫度與柑桔樹(shù)的蒸騰速率變化有著相似的趨勢(shì)，在太陽(yáng)凈輻射與大氣溫度出現(xiàn)明顯升高趨勢(shì)之后的一段時(shí)間植物才會(huì)漸漸啟動(dòng)蒸騰作用，并且隨著這兩個(gè)氣象因素的升高而升高，在太陽(yáng)凈輻射與大氣溫度下降到一天中的最低水平之后，柑桔樹(shù)的蒸騰作用也隨之結(jié)束；大氣相對(duì)濕度則與柑桔樹(shù)的蒸騰速率有著相反的趨勢(shì)，大氣相對(duì)濕度升高往往會(huì)導(dǎo)致柑桔樹(shù)蒸騰速率降低；露點(diǎn)溫度對(duì)蒸騰速率的影響沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性；風(fēng)速的高低對(duì)植物蒸騰速率的影響呈現(xiàn)出多樣的效果，較高的風(fēng)速可以減小葉片周圍的蒸汽阻力，促進(jìn)蒸騰作用，但風(fēng)速過(guò)高也會(huì)使植物葉片的氣孔開(kāi)合度降低，在一定程度上抑制植物的蒸騰作用。下面本文將單獨(dú)分析各個(gè)氣象因素對(duì)植物蒸騰速率產(chǎn)生的影響。

圖2 各氣象因素與蒸騰速率的變化過(guò)程對(duì)比Fig.2 The comparison of the changes of the meteorological factors and the transpiration rate

2.2.1 柑桔樹(shù)蒸騰速率與太陽(yáng)凈輻射的關(guān)系

由圖2中柑桔樹(shù)每日的蒸騰速率與太陽(yáng)凈輻射變化關(guān)系可知，柑桔樹(shù)蒸騰速率的變化規(guī)律與太陽(yáng)凈輻射的變化規(guī)律的總體趨勢(shì)相同，太陽(yáng)輻射大約在每天的6:30開(kāi)始作用于植物體，蒸騰作用開(kāi)啟的時(shí)間出現(xiàn)較明顯的滯后現(xiàn)象[30]，比太陽(yáng)輻射的啟動(dòng)時(shí)間晚1.5 h左右，然后伴隨著太陽(yáng)輻射的逐步提高而迅速上升。在正午時(shí)間段(12∶30-14∶30)莖流呈下降趨勢(shì)并達(dá)到極小值，之后又上升到原有莖流水平，太陽(yáng)輻射于11∶50達(dá)到峰值230 W/m2時(shí)，柑桔樹(shù)的蒸騰速率反而處于低谷。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是植物自身為了渡過(guò)溫度較高的正午，關(guān)閉了葉片上的部分氣孔，從而能夠盡可能地保存自身的水分[26]。16∶00之后太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變低，柑桔樹(shù)蒸騰速率也隨之下降，17∶00后太陽(yáng)輻射降為0 W/m2，柑桔樹(shù)蒸騰作用在滯后30 min后下降到每日的最低水平。當(dāng)太陽(yáng)凈輻射小于200 W/m2，蒸騰速率隨太陽(yáng)凈輻射的提高而升高；而當(dāng)太陽(yáng)凈輻射大于200 W/m2，蒸騰速率隨太陽(yáng)凈輻射升高而下降。

2.2.2 柑桔樹(shù)蒸騰速率與大氣溫度的關(guān)系

由圖2中柑桔樹(shù)每日的蒸騰速率與大氣溫度的變化關(guān)系可知，柑桔樹(shù)每日的蒸騰速率變化與大氣溫度變化規(guī)律有著相同的趨勢(shì)。6∶00大氣溫度伴隨著光照強(qiáng)度的升高同樣逐步升高，蒸騰作用在大氣溫度升高約1.5 h之后開(kāi)始啟動(dòng)。大氣溫度在每天的14∶40左右達(dá)到最高值，而蒸騰速率在植物“午休”作用的影響下反而下降到了極小值，之后又迅速回升到較高水平，16∶00蒸騰速率伴隨著大氣溫度的降低迅速降低。18∶00后溫度維持在20 ℃左右，蒸騰速率也下降到了一天中的最低水平。

2.2.3 柑桔樹(shù)蒸騰速率與大氣相對(duì)濕度的關(guān)系

由圖2中柑桔樹(shù)每日的蒸騰速率與大氣相對(duì)濕度的變化關(guān)系可知，柑橘樹(shù)每日的蒸騰速率與大氣相對(duì)濕度的變化規(guī)律趨勢(shì)相反。試驗(yàn)地夜間的大氣相對(duì)濕度較高(86.5%±20%)，6:30之后隨著氣溫的升高大氣濕度逐漸降低，并在大氣濕度開(kāi)始降低約1.5 h后柑桔樹(shù)的蒸騰速率開(kāi)始逐步升高，15∶00時(shí)大氣濕度處于一天中的最低值40%左右，空氣較為干燥，此時(shí)蒸騰作用處于中午的休眠階段，同樣達(dá)到極小值，之后逐漸回升到正常水平。16∶00后隨著濕度逐漸回升，柑桔樹(shù)的蒸騰速率迅速下降。當(dāng)濕度大于50%時(shí)，莖流速率隨著濕度的增加而快速降低。

2.2.4 柑桔樹(shù)蒸騰速率與露點(diǎn)溫度的關(guān)系

露點(diǎn)溫度代表了空氣的絕對(duì)濕度[31]。由圖2中的液流速率與露點(diǎn)的日變化過(guò)程圖可知，露點(diǎn)溫度于每日的6∶00開(kāi)始升高，蒸騰作用的啟動(dòng)時(shí)間滯后于該時(shí)間2∶00左右。在11∶00左右達(dá)到最大值13.35 ℃。蒸騰速率曲線與露點(diǎn)溫度的變化曲線之間并沒(méi)有明顯的相似規(guī)律，兩者的相關(guān)性不大。

2.2.5 柑桔樹(shù)蒸騰速率與風(fēng)速的關(guān)系

風(fēng)對(duì)植物的蒸騰作用起到至關(guān)重要的影響，但由于自然環(huán)境中風(fēng)速的變化較不穩(wěn)定，導(dǎo)致其對(duì)植物蒸騰作用的影響十分復(fù)雜。高風(fēng)速可能會(huì)迫使植物關(guān)閉或縮小自身一部分的氣孔，使得植物蒸騰減弱，而低風(fēng)速會(huì)有助于氣孔周圍濕度較高的空氣的擴(kuò)散，使葉片周圍的蒸騰阻力變小，進(jìn)而促進(jìn)了蒸騰作用。由圖 2中的液流速率與風(fēng)速的每日變化過(guò)程圖可知，柑桔樹(shù)液流蒸騰速率曲線與風(fēng)速的變化曲線具有相似的變化規(guī)律，但是兩者的相關(guān)性不大，由于風(fēng)速的變化具有不確定性，所以對(duì)液流蒸騰速率也會(huì)產(chǎn)生不同程度影響。

2.3 各氣象因素與柑桔樹(shù)蒸騰速率的相關(guān)性分析

為了研究各個(gè)氣象因素與柑桔樹(shù)蒸騰速率的相關(guān)程度，用柑桔樹(shù)蒸騰速率與氣象因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。相關(guān)分析可以衡量?jī)山M數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性的強(qiáng)弱，用相關(guān)系數(shù)r來(lái)代表其分析結(jié)果[32]，相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算如公式(2)所示。

(2)

各氣象因素與蒸騰速率的相關(guān)關(guān)系圖見(jiàn)圖3。

各氣象因素與蒸騰速率的相關(guān)系數(shù)(r)見(jiàn)表 1。

表1 各氣象因素與柑桔樹(shù)蒸騰速率的相關(guān)系數(shù)

結(jié)果表明柑桔樹(shù)蒸騰速率與大氣溫度、太陽(yáng)凈輻射正相關(guān)，與大氣相對(duì)濕度負(fù)相關(guān)，各個(gè)氣象因素對(duì)柑桔樹(shù)的蒸騰速率的影響程度為：大氣溫度(0.849)>太陽(yáng)凈輻射(0.813)>大氣相對(duì)濕度(-0.810)>風(fēng)速(0.570)>露點(diǎn)溫度(0.219)。在各個(gè)氣象因素中，大氣溫度對(duì)柑桔樹(shù)的蒸騰速率影響最大。

2.4 各氣象因素與柑桔樹(shù)蒸騰速率的回歸分析

為了更深入研究各個(gè)氣象因素與柑桔樹(shù)蒸騰速率之間的關(guān)系，本文建立了兩者之間的回歸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。以太?yáng)凈輻射、大氣溫度、大氣相對(duì)濕度這3項(xiàng)氣象因素為自變量，以柑桔樹(shù)的蒸騰速率為因變量進(jìn)行回歸分析。擬合結(jié)果如公式(3)所示：

Tr=0.062Rn+0.759K-0.191H+3.657,R2=0.821

(3)

式中：Tr為柑桔樹(shù)的蒸騰速率，g/h；Rn為凈輻射量，W/m2；K為大氣溫度，℃；RH為大氣相對(duì)濕度，%；R2為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臎Q定系數(shù)。

圖3 氣象因素與莖流速率的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation between meteorological factors and stem flow rate

決定系數(shù)R2是模擬值與實(shí)際觀測(cè)值擬合程度的度量，R2越接近1說(shuō)明兩者的擬合程度越好。決定系數(shù)R2的計(jì)算公式如公式(4)所示。

(4)

式中：SR是回歸平方和；Sr是總離差平方和，計(jì)算方法見(jiàn)公式(5)、(6)。

(5)

(6)

該模型的決定系數(shù)R2=0.821，擬合度較高。由此可見(jiàn)，該回歸方程能較好地反映各氣象因素對(duì)柑桔樹(shù)蒸騰速率變化的影響。

2.5 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团cPM模型的模擬結(jié)果的對(duì)比

為了驗(yàn)證本文的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木?，將?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M結(jié)果與PM模型的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。PM模型是由FAO于1990年3月舉辦的作物需水量計(jì)算方法研討會(huì)上提出的基于彭曼(Penman)模型改進(jìn)的模型，該模型的模擬精度較高，在參考作物需水量的研究中有著廣泛的應(yīng)用[33]。

通過(guò)PM模型能夠計(jì)算出植物的參考騰發(fā)量。參考騰發(fā)量是參考作物在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的蒸騰蒸發(fā)量。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境是指耕作優(yōu)良和土壤水分充足的大田，本文實(shí)驗(yàn)于每日11點(diǎn)對(duì)柑桔樹(shù)進(jìn)行充分供水，使實(shí)驗(yàn)條件盡可能接近標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。參考作物是一種假定的作物，可以類比于高度均一，生長(zhǎng)旺盛，且供水條件充分的大面積綠色草地。該作物的各項(xiàng)數(shù)據(jù)假定為：高度0.12 m，表面阻力固定為70 m/s，反射率為0.23，地面覆蓋度100%。由于實(shí)際情況中地表覆蓋度、作物冠層特性、作物空氣動(dòng)力阻力與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和參照作物完全不同，所以實(shí)際作物蒸騰量與參照騰發(fā)量明顯不同。因此需要采用作物系數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正，將算得的參考騰發(fā)量與作物系數(shù)相乘才能得出植物的實(shí)際蒸發(fā)量[33]，計(jì)算植物每小時(shí)的實(shí)際蒸發(fā)量，得到植物的蒸騰速率。三者的關(guān)系見(jiàn)公式(7)。

ET=Kc·ET0

(7)

式中：ET為植物的實(shí)際蒸發(fā)量；Kc為植物的作物系數(shù)；ET0為PM模型計(jì)算得出的參考騰發(fā)量。

《FAO-56 作物需水量計(jì)算指南》[35]給定了柑桔樹(shù)的標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 FAO推薦的柑桔樹(shù)標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)

根據(jù)表2，本文柑桔樹(shù)的作物系數(shù)取Kc=0.55。

根據(jù)《FAO-56 作物需水量計(jì)算指南》[34]，PM模型以時(shí)間尺度分為小時(shí)、天、月三種計(jì)算方法，其中以小時(shí)為尺度的PM模型的結(jié)果最為精確。PM模型以小時(shí)為尺度的計(jì)算公式見(jiàn)公式(8)。

(8)

式中：G為土壤熱通量，G/m2，白天G為Rn的0.1倍；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；u2為地面以上2 m高處的風(fēng)速，m/s；es為空氣飽和水汽壓，kPa；ea為空氣實(shí)際水汽壓；kPa；Δ是飽和水汽壓和空氣溫度之間的關(guān)系曲線的斜率，kPa/℃。

溫度計(jì)常數(shù)γ可由公式(9)的計(jì)算得到。

(9)

式中：z為海拔高度，試驗(yàn)地的海拔高度為83 m。

飽和水汽壓es可由公式(10)計(jì)算得到。

(10)

實(shí)際水汽壓ea可由公式(11)計(jì)算得到。

ea=esKRH

(11)

飽和水汽壓溫度曲線上的斜率Δ是一個(gè)空氣溫度函數(shù)，可由公式(12)計(jì)算得到。

(12)

將10 min采集間隔采集到的氣象數(shù)據(jù)整理為1 h間隔的氣象數(shù)據(jù)，輸入到小時(shí)尺度的PM模型中，得到柑桔樹(shù)蒸騰速率的預(yù)測(cè)結(jié)果，并與本文經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)結(jié)果以及實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖4所示。

圖4 不同模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)蒸騰速率對(duì)比圖Fig.4 Comparison of simulation results of different models

由圖4可以看出經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约癙M模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際蒸騰速率的變化趨勢(shì)基本相同，PM模型的預(yù)測(cè)結(jié)果平均每日比實(shí)際數(shù)據(jù)高1～6 g/h，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相差1～4 g/h；PM模型預(yù)測(cè)的蒸騰速率每日啟動(dòng)時(shí)間比實(shí)際數(shù)據(jù)早1 h左右，而經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)的蒸騰速率啟動(dòng)的時(shí)間與實(shí)際數(shù)據(jù)更加接近；PM模型的預(yù)測(cè)結(jié)果在達(dá)到峰值之后迅速下降，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谶_(dá)到峰值之后的下降幅度與實(shí)際數(shù)據(jù)更吻合。從圖形上看經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)結(jié)果比PM模型的預(yù)測(cè)結(jié)果更加精確。PM模型與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投嘉茨軐?duì)柑桔樹(shù)的“午休”現(xiàn)象進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)模擬，有待于進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。

本文使用以下3種指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的差異程度以及模型的優(yōu)劣。分別為：相關(guān)系數(shù)(Correlation coefficient-r)，均方根誤差(Root Mean Square Error-RMSE)，平均絕對(duì)誤差(Mean Absolute Deviation-MAD)。

相關(guān)系數(shù)能夠反映兩組數(shù)據(jù)線性關(guān)聯(lián)的接近程度，相關(guān)系數(shù)r∈[-1,1]，其絕對(duì)值越接近1則說(shuō)明兩組數(shù)據(jù)的線性關(guān)系越高；均方根誤差可以準(zhǔn)確反映模擬值相對(duì)于實(shí)測(cè)值的精度，均方根誤差越小，說(shuō)明模擬精度越高；平均絕對(duì)誤差可以準(zhǔn)確的反映預(yù)測(cè)值誤差的大小[35]。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算已在前文敘述，均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式見(jiàn)公式(13)、(14)。

(13)

(14)

表征模擬精度的指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同模型模擬精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)(0.901)較PM模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的相關(guān)性系數(shù)(0.793)更高，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的相關(guān)性更好；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的均方根誤差(7.785 8)小于PM模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的均方根誤差(7.832 1)，說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木_性比PM模型更高；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的平均絕對(duì)誤差(3.69%)要小于PM模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的平均絕對(duì)誤差(5.02%)，說(shuō)明PM模型的預(yù)測(cè)結(jié)果較經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)結(jié)果的誤差更高。綜合考慮以上指標(biāo)，可以認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M結(jié)果比PM模型的模擬結(jié)果更接近實(shí)際數(shù)據(jù)，說(shuō)明本文提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌驅(qū)Ω探蹣?shù)的蒸騰速率進(jìn)行比較準(zhǔn)確的模擬。

3 結(jié) 論

為研究柑桔樹(shù)蒸騰作用與各個(gè)氣象因素之間的內(nèi)在關(guān)系，本文使用了基于熱平衡原理的包裹式莖流計(jì)對(duì)柑桔樹(shù)的蒸騰速率進(jìn)行了持續(xù)的監(jiān)測(cè)，使用微型氣象站對(duì)各個(gè)氣象因素進(jìn)行了同步連續(xù)觀測(cè)，并使用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M了氣象因素與柑桔樹(shù)蒸騰速率之間的關(guān)系，結(jié)果表明：①柑桔樹(shù)的蒸騰速率表現(xiàn)為明顯的雙峰型曲線，且在氣溫較高的正午有明顯的“午休”現(xiàn)象。②柑桔樹(shù)的蒸騰速率與氣象因素聯(lián)系緊密，與太陽(yáng)輻射、大氣溫度、風(fēng)速、露點(diǎn)溫度這四個(gè)氣象因素表現(xiàn)為正相關(guān)，與大氣相對(duì)濕度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。③蒸騰作用的發(fā)生的時(shí)間往往落后于各個(gè)氣象因素的發(fā)生時(shí)間，柑桔樹(shù)的蒸騰作用表現(xiàn)出了明顯的滯后現(xiàn)象。④由氣象因素?cái)M合出了柑桔樹(shù)蒸騰速率的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，該模型模擬結(jié)果的各項(xiàng)精度指標(biāo)均高于PM模型的模擬結(jié)果，說(shuō)明本文提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)結(jié)果相較于PM模型的預(yù)測(cè)結(jié)果更接近實(shí)際數(shù)據(jù)，該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^PM模型能更精確地模擬柑桔樹(shù)的蒸騰速率。