采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)樹(shù)種蒸騰特征及能量收支

徐立杰, 黨曉宏,2, 高 永,3, 馮亞亞, 李傳福

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400; 3.中央與地方共建風(fēng)沙物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

檸條(Caraganakorshinskii)、沙柳(Salixpsammophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)是半干旱地區(qū)主要的鄉(xiāng)土樹(shù)種，因其具備良好的防風(fēng)固沙能力，同時(shí)也具有較高的的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此成為該地區(qū)主要的生態(tài)修復(fù)樹(shù)種，研究其蒸騰耗水量及樹(shù)種對(duì)環(huán)境的改善能力對(duì)于半干旱區(qū)水分調(diào)控及生態(tài)修復(fù)具有重要意義。目前對(duì)于3種植物的蒸騰特征的研究已有較多研究[1-2]。植物蒸騰是干旱、半干旱地區(qū)水分散失的主要途徑，但常見(jiàn)的測(cè)量單株植物蒸騰的方法在測(cè)定沉陷區(qū)植物蒸騰速率時(shí)具有一定的局限性，稱重法和光合儀容易對(duì)植物葉片造成損傷，影響植物正常生長(zhǎng)；莖流計(jì)測(cè)得的莖流量不完全等于蒸騰耗水量；蒸滲儀測(cè)定結(jié)果最準(zhǔn)確但昂貴的價(jià)格和笨重的體型導(dǎo)致其難以在野外中應(yīng)用[3]。探索一種能夠在野外條件下測(cè)定植株實(shí)際蒸騰耗水的方法對(duì)研究荒漠地區(qū)植物蒸騰具有重要意義?！叭郎啬Ｐ汀笔乔駠?guó)玉等人提出的測(cè)算蒸散發(fā)的方法，由于該模型的核心參數(shù)是植被表面溫度、參考表面溫度和氣溫，故被稱為“三溫模型”，具有參數(shù)少、計(jì)算簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣、結(jié)果精準(zhǔn)等特點(diǎn)[4-6]，紅外熱成像技術(shù)能觀測(cè)人體肉眼不可見(jiàn)的紅外波段的光譜，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像[7]，具有高通量性、非接觸性、高分辨等特征[8]。本試驗(yàn)以毛烏素沙地采煤沉陷區(qū)常見(jiàn)生態(tài)修復(fù)樹(shù)種為研究對(duì)象，探究熱紅外遙感+“三溫模型”的方法在半干旱地區(qū)應(yīng)用過(guò)程中，適合采煤沉陷地區(qū)植物蒸騰測(cè)量的參考葉片，并確定3種主要樹(shù)種的蒸騰特征以及在蒸騰過(guò)程中能量收支情況，為沙區(qū)植被恢復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗(38°50′—39°50′N(xiāo)，109°30′—110°30′E)。該區(qū)域?yàn)榈湫偷拇箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫7.3 ℃，全年溫差巨大，風(fēng)沙天氣頻發(fā)，年均降水量362 mm，年均潛在蒸發(fā)量2 297.4～2 838.7 mm。土壤主要以風(fēng)沙土為主，有機(jī)質(zhì)含量低，氮、磷、鉀元素十分缺乏。該區(qū)域由于采礦活動(dòng)導(dǎo)致野生植物退化嚴(yán)重，植被以檸條、沙柳、沙棘等人工植被為主，零星生長(zhǎng)有油蒿(Artemisiadesertorum)和沙米(Agriophyllumpungens)等灌草。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 研究對(duì)象選擇 本試驗(yàn)于2019年9月25日(晴朗無(wú)云的天氣)進(jìn)行，選擇毛烏素沙地東北緣采煤沉陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)示范區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)，面積約為1 762.85 m2，海拔1 228 m。依據(jù)樹(shù)冠不受遮蔽原則，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇7株不受其他植株遮蔽，生長(zhǎng)健康的檸條作為試驗(yàn)對(duì)象，用于參考葉片的篩選。同時(shí)在該區(qū)域選擇株高冠幅相似的檸條(高120 cm左右)、沙棘(高110 cm左右)、沙柳(高250 cm左右)各三株作為試驗(yàn)對(duì)象，用于植物蒸騰特征的研究(參考葉片為綠色卡紙)，沙柳為人工種植，沙棘和檸條為飛播種植。

1.2.2 參考葉片布設(shè) 卡紙和便簽紙是研究區(qū)容易獲得的綠色紙張，因此使用上述兩種紙張和烘干植物葉片(校本部烘干帶至研究區(qū))作為參考葉片，兩種紙張均購(gòu)買(mǎi)于當(dāng)?shù)匚木咂返?。將兩種紙張裁剪為長(zhǎng)約5 cm，寬約2 cm的矩形參考葉片。將參考葉片布設(shè)于無(wú)蒸騰冠層上方，參考葉片布設(shè)的傾斜角度、方位參數(shù)盡量和同時(shí)觀測(cè)的植物葉片保持一致，為保證參考葉片和植物葉片受到相同的溫度和光照，拍攝前半小時(shí)將參考葉片布設(shè)于試驗(yàn)樣地。

1.2.3 表面溫度拍攝及提取 使用Fluke TiR4 FT熱成像儀獲取植物葉片及各參考葉片的溫度，該儀器配備320×240焦平面陣列(FPA)探測(cè)器，選用標(biāo)準(zhǔn)紅外鏡頭，視場(chǎng)為23°×17°，熱敏度為≤0.05 ℃，發(fā)射率設(shè)定為0.95。測(cè)量時(shí)段為9：00—17：00，步長(zhǎng)2 h，相鄰的兩次拍攝順序相反[9]，鏡頭垂直于冠層且冠層頂端距鏡頭1 m以上[10]。將拍攝的圖像導(dǎo)入電腦端，在FLUKE中國(guó)官網(wǎng)下載Fluke Smart View 4.3軟件對(duì)圖像中冠層范圍進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)其冠層溫度進(jìn)行提取(溫度單位修改為攝氏度)，重復(fù)提取15次，以15次的均值作為該時(shí)刻檸條灌叢的葉溫。

1.2.4 氣象因子測(cè)定 使用Vaisala WXT520移動(dòng)氣象站同步測(cè)定研究區(qū)氣溫、太陽(yáng)輻射、空氣濕度、風(fēng)速等氣象因素，氣象數(shù)據(jù) 10 min的平均值由 CR200X數(shù)據(jù)采集器計(jì)算和記錄。

1.2.5 基于“三溫模型”的植物蒸騰計(jì)算 當(dāng)?shù)乇肀恢脖桓采w時(shí)，可以忽略土壤熱通量，植被表面的能量平衡方程可以表示為：

LEc=Rn,c-Hc

(1)

式中：LEc為植被的潛熱通量(W/m2),即植物蒸騰；Rn,c是植被吸收的太陽(yáng)凈輻射(W/m2)；Hc是顯熱通量(W/m2)。Hc可表示為

HC=ρCp(Tc-Ta)/ra

(2)

式中：ρ是空氣密度,為1.39 kg/m3；CP是空氣定壓比熱(在平均空氣狀況下,其值約為1.013×10-3MJ/(kg·K)；TC植被冠層溫度;Ta是空氣溫度,單位均為K；ra是空氣動(dòng)力學(xué)阻抗(s/m)。其值可通過(guò)參考葉片計(jì)算,參考葉片無(wú)蒸騰作用,且不會(huì)導(dǎo)致周?chē)h(huán)境發(fā)生顯著改變,ra計(jì)算公式為:

ra=ρCp(Tc,p-Ta)/Rn,cp

(3)

式中：Tc,p是參考植被的冠層溫度(K)；Rn,cp是參考植被吸收的凈輻射(W/m2)。

結(jié)合上述公式即可得到植被蒸騰的計(jì)算公式：

LEc=Rn,c-Rn,cp〔(Tc-Ta)/(Tc,p-Ta)〕

(4)

式中：(Tc-Ta)/(Tc,p-Ta)即為植物蒸騰擴(kuò)散系數(shù)(hat),可用于反映植物水分狀況。

凈輻射可用以下公式推算：

Rn=(1-α)Rs+ΔR1

(5)

Rn=(1-α)Rs+5.675×10-8

(6)

ΔR1=(0.4+0.6Rs/Rs0)

(7)

(8)

式中：Rn太陽(yáng)輻射(W/m2)；Rs是太陽(yáng)輻射(W/m2)；α是地表反照率,(本試驗(yàn)中,α取值為0.22)； ΔR1是凈長(zhǎng)波輻射(W/m2)；Rs0是晴天太陽(yáng)輻射量(W/m2),本研究在晴朗無(wú)云的典型晴天進(jìn)行,因此認(rèn)為Rs0與Rs相等；εa是大氣發(fā)射率；εs是地表放射率(植被地表放射率取0.98)；σ是斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)〔σ=5.675×10-8W/(m2·K4)〕。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)氣象因子日變化

在“三溫模型”中，氣溫和太陽(yáng)輻射是測(cè)量植物蒸騰速率的關(guān)鍵因子。由圖1可知，氣溫和太陽(yáng)輻射均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；氣溫日變化類(lèi)似“鐘罩”形，波動(dòng)范圍較小，早上9：00氣溫最低，13：00時(shí)氣溫有最大值23.63 ℃；太陽(yáng)輻射在13：00時(shí)達(dá)到峰值741.07 W/m2，13：00后太陽(yáng)輻射變化幅度加快近于線性變化，17：00達(dá)到最小值123.16 W/m2。風(fēng)速日變化同氣溫及太陽(yáng)輻射日變化規(guī)律一致，13：00時(shí)風(fēng)速最大為2.61 m/s，17：00時(shí)風(fēng)速最小為0.81 m/s；空氣濕度日變化趨勢(shì)同氣溫及太陽(yáng)輻射相反，9：00時(shí)太陽(yáng)輻射和氣溫較低，空氣中水分較多，濕度最高，為39.21%。隨著氣溫和太陽(yáng)輻射的上升，空氣中的水分蒸發(fā)，空氣濕度開(kāi)始降低，在13：00處達(dá)到最低值22.94%，13：00—15：00間，相對(duì)濕度和氣溫變化幅度一致，15：00后濕度上升幅度加快，在17：00時(shí)濕度達(dá)到測(cè)定時(shí)間內(nèi)第二峰值30.49%。

圖1 研究區(qū)氣象因子日變化

2.2 參考葉片的篩選

由圖2可知，各參考葉片溫度日變化為“單峰型”，且均在13：00時(shí)達(dá)到峰值，但便簽紙溫度在太陽(yáng)輻射較高時(shí)遠(yuǎn)低于其他兩種參考葉片，與植物葉片溫度的差值較小，卡紙與干葉片溫度變化在15：00之前有較高的擬合度，但是15：00以后隨著太陽(yáng)輻射的降低速度加快，卡紙與干葉片間的溫差開(kāi)始變大，17：00時(shí)各葉片溫度大小關(guān)系為：干葉片>植物葉片>便簽紙≈卡紙。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)便簽紙作為參考葉片時(shí)，檸條在9：00時(shí)的瞬時(shí)蒸騰速率為4.95 mm/h，遠(yuǎn)大于其余兩種參考葉片同時(shí)刻的植物瞬時(shí)蒸騰速率，由圖3可知，當(dāng)以卡紙為參考葉片時(shí)，其計(jì)算結(jié)果與干葉片作為參考葉片的計(jì)算結(jié)果在9：00—15：00時(shí)有較高的吻合度，在13：00時(shí)達(dá)到最大值0.71 mm/h，在17：00時(shí)二者吻合程度較低。綜上所述，以表面溫度和計(jì)算結(jié)果作為選擇參考葉片的指標(biāo)發(fā)現(xiàn)綠色便簽紙不適合作為采煤沉陷區(qū)檸條的參考葉片，綠色卡紙可以在9：00—15：00間替代干葉片作為植物蒸騰測(cè)量的參考葉片。

圖2 各參考葉片溫度日變化

圖3 檸條蒸騰速率日變化

2.3 三種植物蒸騰特征

2.3.1 三種植物蒸騰速日變化規(guī)律及日蒸騰量 圖4是3種植物11：00—15：00間瞬時(shí)蒸騰速率日內(nèi)變化規(guī)律，3種植物蒸騰速率日內(nèi)變化趨勢(shì)均為“單峰型”，沙棘蒸騰速率在11：00時(shí)達(dá)到峰值0.61 mm/h，日蒸騰量為3.27 mm，檸條和沙柳瞬時(shí)蒸騰速率則在15：00時(shí)達(dá)到最大值，最大值分別為0.71和0.57 mm/h。日蒸騰量則為檸條3.80 mm，沙柳3.24 mm。和檸條相比，沙柳和沙棘蒸騰速率變化較為平緩，檸條在太陽(yáng)輻射和溫度高時(shí)蒸騰水平高于其他兩種植物。

圖4 3種植物瞬時(shí)蒸騰速率變化規(guī)律及日蒸騰量

2.3.2 三種植物蒸騰擴(kuò)散系數(shù)變化規(guī)律 植被蒸騰擴(kuò)散系數(shù)(hat)是衡量植被蒸散量并評(píng)價(jià)其水分利用狀況的一種模型指標(biāo)，可反映植物根系土壤水分狀況，進(jìn)而指示作物水分虧缺。hat取值范圍為hat≤1，hat越小，說(shuō)明植被無(wú)水分虧缺或不受環(huán)境脅迫;hat越大則表明植被受到最大水分虧缺或環(huán)境脅迫。由圖5可知，3種植物的hat最大值在0.20左右，說(shuō)明植物在測(cè)量時(shí)間內(nèi)受到的水分脅迫程度輕微，主要原因是在測(cè)量前研究區(qū)經(jīng)歷了兩天的降雨過(guò)程，土壤水分較為充足。其中，檸條和沙柳的hat值日變化規(guī)律為“單峰型”，沙柳則為“雙峰型”。3種植物的hat日均值從大到小依次為：沙柳(0.18)>沙棘(0.11)>檸條(0.03)。說(shuō)明檸條抵抗脅迫的能力最強(qiáng)，沙柳抵抗脅迫的能力最差。

圖5 植物蒸騰擴(kuò)散系數(shù)(hat)變化規(guī)律及日均值

2.4 常見(jiàn)荒漠植物能量收支特征

地表能量收支是一種陸面過(guò)程，包括太陽(yáng)能和地球內(nèi)能在地表物質(zhì)之間的傳遞輸送以及存在形式的轉(zhuǎn)變等。在本研究中能量收支指的是針對(duì)植物的能量收支情況，凈輻射通量(Rn)是指地表凈得的短波輻射和長(zhǎng)波輻射的和，是地表能量、動(dòng)量、水分輸送與交換過(guò)程中的主要能源。對(duì)于植物的蒸騰耗能需求具有重要意義。本研究中凈輻射依據(jù)太陽(yáng)輻射計(jì)算得到。顯熱通量(H)是物體或熱系統(tǒng)之間的熱量交換，不會(huì)發(fā)生相變，唯一改變的是溫度。單位時(shí)間內(nèi)，大氣與地表間沿鉛直向通過(guò)單位面積流過(guò)的熱量即為顯熱通量，又稱感熱通量。對(duì)于本研究，顯熱通量指的是植株向周?chē)h(huán)境釋放的能量，正值為朝空氣中釋放熱量，負(fù)值為吸收空氣中熱量。本研究顯熱通量通過(guò)能量平衡公式反推得到。由圖6可知，檸條凈輻射通量在13：00時(shí)最高，為463.62 W/m2；沙棘的凈輻射通量在11：00，13：00時(shí)較高，在456～460 W/m2之間，沙柳的凈輻射通量則在11：00最高，為450.24 W/m2。檸條和沙柳的顯熱通量存在小于0的情況，說(shuō)明該時(shí)刻凈輻射通量無(wú)法滿足植物蒸騰的需要，植物開(kāi)始從空氣中吸收能量來(lái)保證蒸騰的正常進(jìn)行，檸條從外界吸收的熱量高于其他兩種植物。

圖6 3種植物能量收支狀況

3 討 論

不同地區(qū)的植物葉片在長(zhǎng)期進(jìn)化的過(guò)程中形成了不同的結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，因此在選擇參考葉片時(shí)應(yīng)該因地制宜，選擇適合該地區(qū)植物的參考葉片。在選取參考葉片時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮獲取的簡(jiǎn)單性和結(jié)果的準(zhǔn)確性兩大特點(diǎn)，本著獲取簡(jiǎn)單的原則，選擇綠色卡紙和便簽紙作為參考葉片進(jìn)行植物蒸騰的計(jì)算，但和檸條葉片相比，便簽紙厚度較薄，卡紙的厚度和檸條葉片類(lèi)似。由于參考葉片不具備蒸騰降溫作用，其溫度變化主要受太陽(yáng)輻射的影響，當(dāng)輻射強(qiáng)度較高時(shí)，其溫度遠(yuǎn)高于植物葉片。不同厚度的參考葉吸收太陽(yáng)輻射的能力不同，便簽紙溫度在正午時(shí)分僅略高于葉片溫度，和卡紙和干葉片溫度相差極大，這一結(jié)果和Qiu、凌軍等人[11-12]測(cè)得的在強(qiáng)太陽(yáng)輻射下干葉溫度高于植物葉的情況不符。而卡紙葉片與干葉片溫度在太陽(yáng)輻射較高時(shí)溫度變化極為吻合，隨著太陽(yáng)輻射的減小吻合度略有降低但計(jì)算結(jié)果不存在顯著性差異，結(jié)合Zhou等人[13]發(fā)現(xiàn)的三溫模型在9：00—16：00時(shí)具有較高的精確度的研究結(jié)果，說(shuō)明當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高時(shí)卡紙可以替代干葉片進(jìn)行荒漠地區(qū)植物蒸騰速率的計(jì)算。

植物在綠化環(huán)境的同時(shí)也可以降低環(huán)境溫度。蘇從先的研究表明，西北干旱荒漠地區(qū)的植物相較于周?chē)h(huán)境是一個(gè)冷源，形成冷島效應(yīng)[14]，植物的冷島效應(yīng)可以進(jìn)一步改善城市熱環(huán)境，提高生活質(zhì)量[15]。本試驗(yàn)中3種植物的顯熱通量存在接近零甚至小于零的情況，表明植物為滿足植物蒸騰的需要，從外界環(huán)境中吸收熱量以滿足植物蒸騰的消耗，從而達(dá)到降低外界環(huán)境溫度的目的，與于小惠研究發(fā)現(xiàn)草坪凈輻射通量低于潛熱通量的結(jié)果一致[16]。但不同植物的蒸騰水平不同，對(duì)水分的消耗和抵御脅迫的程度也有所不同。高永等人研究發(fā)現(xiàn)植物蒸騰同株高冠幅間具有很大關(guān)系[17]。本研究中沙柳株高及冠幅大于檸條和沙棘，但日蒸騰量和沙棘相仿，低于檸條，表明同水平下沙柳的蒸騰耗水量低于其他兩種植物。同時(shí)檸條累計(jì)蒸騰耗水量最高，說(shuō)明檸條的吸水能力更強(qiáng)，其適應(yīng)性也最強(qiáng)。邱國(guó)玉等人[18]在溫室通過(guò)對(duì)番茄、甜瓜等作物進(jìn)行的水分控制試驗(yàn)研究表明，hat值可以反映植物根系水分狀況，hat值越接近1受到的水分脅迫越大，本試驗(yàn)中沙柳的hat值平均值高于沙棘和檸條，說(shuō)明其抵御脅迫的能力最低，檸條抵抗脅迫的能力最強(qiáng)。

4 結(jié) 論

(1) 綜合參考葉片表面溫度變化規(guī)律和蒸騰計(jì)算結(jié)果表明綠色便簽紙不適合作為參考葉片進(jìn)行荒漠植物蒸騰的計(jì)算。綠色卡紙可以在9：00—15：00時(shí)作為參考葉片進(jìn)行植物蒸騰的測(cè)定。

(2) 沙柳、沙棘、檸條的蒸騰速率日變化規(guī)律為單峰曲線，最高瞬時(shí)蒸騰速率分別為0.57，0.61和0.71 mm/h，日蒸騰量大小為：檸條>沙棘>沙柳。3種植物蒸騰擴(kuò)散系數(shù)日均值從大到小依次為：沙柳(0.18)>沙棘(0.11)>檸條(0.03)。

(3) 植物可以從外界吸收熱量用于蒸騰從而達(dá)到降低環(huán)境溫度的目的，綜合3種植物蒸騰量和hat值，在進(jìn)行生態(tài)修復(fù)工作時(shí)，地勢(shì)平坦，水分狀況較好的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先考慮沙柳；在地勢(shì)險(xiǎn)要、水分分狀況較差的區(qū)域應(yīng)優(yōu)先考慮沙棘和檸條。