太行低山区荆条耗水特征及其与参考作物蒸散量的关系*

桑玉强，李 龙，施光耀，贾长荣，张劲松**

（1.河南农业大学林学院，郑州 450002;2.中国林业科学研究院林业研究所/国家林业局林木培育重点实验室，北京 100091;3.南京林业大学南方现代林业协同创新中心，南京 210037;4.济源市林业工作站，济源 459000）

太行山是华北平原重要的生态安全屏障，其南段紧邻黄河，在贯彻黄河流域生态保护和高质量发展国家战略中扮演着重要角色。由于受到人为因素和自然灾害的干扰，太行低山区植被退化严重、生态环境脆弱[1]。太行山地处半干旱季风气候区，在全球气候变暖、水资源紧缺的背景下，开展该地区植被耗水研究，对于揭示植被耗水规律、调整植被结构及布局、推动太行山生态保护与修复、构建中部生态安全屏障更具现实意义[2]。目前对该区植被耗水研究多见于刺槐（Robinia pseudoacacia）、栓皮栎（Quercus variabilis）、侧柏（Platycladus orientali）、油松（Pinus tabulaeformis）等乔木树种[3-6]，灌木相对较少。与乔木相比，虽然灌木无明显主干、生物量不大，但其根系发达，对环境适应能力强，在植被恢复中发挥着重要作用[7-8]。

荆条（Vitex negundo）为落叶灌木，广泛分布于太行低山区、黄土高原等地，具有抗逆性强、生态可塑性高等特点[9]。近年来关于荆条耗水研究多采用TDP 技术进行[1,6,10]，但该方法因需要对树干进行持续加热从而对树干产生一定的热损伤[11]。因测量精度高，称重式蒸渗仪被公认为是测量植被水分消耗的标准方法之一[12-13]，目前多应用于农作物耗水量的估算[14-15]、耗水模型评价验证[16]等方面。杨帆曾采用非称重式蒸渗仪对荆条耗水进行研究，但受观测设备限制，在降水稀少的季节不能实现耗水日内变化测定[17]。本研究以太行低山区乡土灌木树种荆条为研究对象，在主要生长季利用大型称重式蒸渗仪对荆条的耗水进行连续测量，并同步观测相关气象要素，通过使用FAO-56 推荐的Penman-Monteith公式计算ET0，分析荆条在自然条件下日内、日际及月际时间尺度的耗水动态变化，同时探究荆条对干旱环境的适应能力及荆条耗水与ET0的关系，尝试建立估算荆条耗水的经验模型，以期为太行低山区荆条耗水管理、植被建设、群落演替管理等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地位于黄河小浪底国家森林生态系统定位研究站（35°01'45''N，112°28'08''E），华北地区太行山南麓、黄河中游，是典型的低山丘陵区，海拔410m左右，属暖温带大陆性季风气候[11]。植被类型以栓皮栎-侧柏人工混交林为主。土壤成分为棕壤和石灰岩风化母质淋溶性褐土，土壤结构不良，石砾含量10%～18%，土层厚度小于50cm。全年日照时数为2368h，0℃以上年均有效积温为5282℃·d，年均气温12.4～14.3℃。年均降水量641.7mm，降水季节分配不均，6-9月降水量438.0mm，占全年降水量68.3%，年均蒸发量1611.2mm。

采用三台长×宽×深=3m×3m×3m 规格的QYZS-201 型悬挂式大型称重式蒸渗仪，仪器测量精度为120g，换算为水深为0.015mm。整个土箱用作栽培池，利用周围原状土土层结构填土，有效模拟了当地土壤层次环境。于2015年3月移栽生长状态和冠幅基本一致的荆条灌丛，每台蒸渗仪移栽4 株，均匀分布在蒸渗仪内，密度为4444 株·hm-2。在蒸渗仪土壤表面覆盖白色透明厚塑料膜，在塑料膜上预留一定数量的透水孔，尽可能避免土壤蒸发的同时方便降水下渗，塑料膜定期更换周期为一个月。试验时间为2019年5-10月。

1.2 数据获取

蒸渗仪数据自动获取时间间隔为1h，数据可通过仪器配置的电脑传输至服务器。一日内各小时数据的累加即为日耗水量。通过对3 台蒸渗仪数据进行平均得到最终数据。

气象资料数据取自地面标准气象站（距离蒸渗仪20m），对太阳辐射（Ra，W·m-2）、空气温度（Ta，℃）、风速（V，m·s-1）、相对湿度（RH，%）、降水量（P，mm）等气象因子进行连续观测。所有传感器均与CR1000 型数据采集器（Campbell Sci.USA）相连，每10min 输出1 组平均值，观测时间与蒸渗仪同步。采用当地气象局数据计算参考作物蒸散量。

饱和水汽压亏缺（VPD）是反映实际水汽压与饱和状态水汽压差距的指标，其计算式为[3]

式中，VPD 为饱和水汽压亏缺（kPa）；Tmean为平均气温（℃）；RHmean为平均相对湿度（%）。

采用FAO-56 Penman-Monteith 公式计算逐日参考作物蒸散量（ET0），计算式为[18]

式中，ET0为参考作物蒸散量（mm·d-1）；Rn 为净辐射量（MJ·m-2·d-1)； G 为土壤热通量（MJ·m-2·d-1)，取Rn 的5%；T 为日平均气温（℃）；u2为距离地面2m 高处风速（m·s-1）；es 为饱和水汽压（kPa）；ea 为实际水汽压（kPa）；Δ为温度-饱和水汽压关系曲线的切线斜率（kPa·℃-1）；γ为湿度计常数（kPa·℃-1）。

1.3 数据处理

采用SPSS 22.0 与Origin 2018 进行数据统计分析与图表绘制。

2 结果与分析

2.1 太行低山区荆条的耗水特征

2.1.1 典型天气日荆条耗水量逐时变化

于荆条生长旺期，分别选择典型晴天（8月15日，Ra 为25.6MJ·m-2）与阴天（8月25日，Ra 为11.8MJ·m-2）分析典型天气下荆条耗水逐时变化的特征（图1）。由图1 可见，典型晴天荆条小时耗水量日内变化呈现显著的宽峰曲线，8：00 耗水量开始迅速增加，12：00-17：00 维持在较高水平，峰值出现在15：00，达0.69mm·h-1，之后逐渐减小，20：00前后接近于日内最小值，荆条耗水强度为0.24mm·h-1。典型阴天条件下荆条小时耗水量日内变化进程同样表现为单峰曲线，但波峰较晴天变窄（15：00-17：00），且峰值出现时间较晚（16：00），数值为0.42mm·h-1，到达峰值后迅速下降，全天平均耗水强度为0.12mm·h-1，仅为晴天的一半。

与晴天相比，阴天太阳辐射较弱，温度较低，相对湿度较大，饱和水汽压亏缺较小，因而导致荆条的蒸腾拉力弱、耗水少。典型晴天荆条耗水日内变化曲线与太阳辐射、温度、饱和水汽压亏缺一致，与相对湿度相反，耗水峰值出现时间比太阳辐射最大值出现时间滞后了2h。典型阴天荆条耗水和各气象因子的变化曲线与晴天相似，但太阳辐射于8：00开始增加，最大值出现在15：00，较晴天推迟了2h。与之相对应，荆条耗水于9：00 以后缓慢增加，时间明显滞后，波峰变窄，峰值变小，出现在16：00。说明在降水充沛、土壤水分相对充足的条件下，影响荆条耗水的主要因子为气象要素，其中太阳辐射对荆条耗水的调控更明显。

2.1.2 生长季荆条耗水量逐日变化

图2 显示，生长季荆条日耗水表现为“弱-强-弱”的变化趋势，即生长季的前期和后期耗水较少，中期耗水较多。5月1日-6月30日为低耗水期，该阶段耗水量为0.20～4.36mm，日均耗水量1.46mm。7月1日-9月30日为高耗水期，该阶段耗水量为0.31～6.38mm，日均耗水量3.96mm。10月1-31日为低耗水期，该阶段耗水量为0.20～3.91mm，日均耗水量 1.95mm。整个观测期荆条日均耗水量2.79mm。荆条表现出的上述逐日耗水变化规律与荆条自身生长发育及阶段降水量有较大关系，具体表现为，荆条4月中下旬返青后，5-6月虽然进入生长季，但生长较为缓慢，LAI 仅为1.4，加上该阶段降水稀少，只有6 次降水，降水量仅为74.5mm，微弱的降水对土壤水分供给不足。进入7月后，荆条进入生长旺盛期，枝叶繁茂，LAI 为2.9，较5-6月增加了1.5，加上该地区进入雨季，降水量增加，高温、高湿的天气使荆条日耗水量增大，并一直持续到9月。7-9月荆条LAI 为3.8，有27 次降水，降水量为368.2mm。进入10月，荆条LAI 虽然与前一阶段变化不大，但生长趋于衰退。该阶段降水量为83.9mm，但因太阳辐射减弱、空气温度降低，多日的阴雨天气使该阶段荆条耗水量并不大。荆条的逐日耗水变化说明荆条耗水除了与自身生长周期有关外，还受到土壤水分及气象要素等外界因素的共同影响，在外界环境不利于荆条生长的条件下，荆条会对自身进行适度调节，以与外界环境条件相适应。

2.1.3 生长季荆条耗水量逐月变化

由图3 可见，荆条月耗水量差异较大，耗水主要集中在7-9月，各月耗水量由大到小分别为8月＞7月＞9月＞10月＞6月＞5月，整个观测期荆条共消耗水分513.5mm，其中耗水量最大的8月和最少的5月差值为100.24mm。荆条在5-6月耗水较少，平均月耗水44.64mm，主要原因在于虽然该阶段Ta 开始缓慢回升（平均温度24.9℃）、Ra 增强（月均值为629.0MJ·m-2），但此时荆条刚进入生长期，LAI 小，只有1.38，因此，蒸腾强度弱、耗水较少。7月荆条进入生长旺期，LAI 较之前增加了1.3，Ta 升高3.3℃，强大的蒸腾拉力使得荆条从土壤中吸收更多水分以满足其消耗需求，使得7月荆条耗水远大于6月。8月、9月荆条处于生长旺期，LAI 为4.3，达到生长季最大，加上该阶段降水量充沛（302.9mm），土壤水分充足，使得8月、9月荆条耗水量维持在较高水平。进入10月，荆条开始逐渐进入生长衰退期，且随着Ta 逐渐降低（18.8℃）、Ra 逐渐减少（月均值396.5MJ·m-2），荆条耗水逐渐减少。

从图3 中还可发现，整个生长季节荆条月耗水量与月降水量一致性较好，整体上降水量越多，荆条耗水量越大，二者表现为线性正相关关系。主要生长季降水量为526.6mm，荆条耗水量513.5mm，表明整个生长季该地区降水可满足荆条耗水需求，但因不同月份间降水差异较大，会给荆条生长造成一定影响。主要表现在5-6月降水较少，累计降水量只有74.5mm，供水不足，荆条容易遭受水分胁迫，生长受到一定限制。其余月份则不存在水分制约情况，降水可满足荆条正常生长与耗水需求。

2.2 荆条耗水量与ET0 的关系

2.2.1 荆条日耗水量与ET0的一致性比较

ET0指水分供应充足条件下参照作物表面的蒸散速率，只与气象因子有关，是表征气候干湿程度、植被耗水量及水资源供需平衡的重要指标之一[19]。为此，对荆条日耗水量变化曲线与ET0的一致性进行比较，以期揭示二者之间的内在关系。

由图4 可见，荆条日耗水变化曲线与ET0的变化趋势明显分为两个阶段，具体表现为第一阶段为5-6月，二者一致性较差，ET0明显高于荆条耗水量，ET0为275.54mm，同期荆条耗水量仅为89.27mm，差值高达186.27mm。第二阶段为7-10月，二者一致性较好，ET0为 402.76mm，荆条耗水量为424.26mm，差值为21.7mm，荆条耗水量略高于ET0。第一阶段二者差异较大的主要原因在于该阶段春旱现象明显，降水较少，土壤水分供给不足，导致了荆条耗水维持在较低水平。而ET0是指在土壤水分充足条件下，只考虑气候综合要素对植物生长耗水的影响，因为不存在水分胁迫，故ET0值高于荆条耗水。进入7月后，雨季来临，土壤水分相对充足，水分胁迫不存在，荆条进入生长盛期，耗水主要与气象因子有关，与ET0的一致性表现较好。

2.2.2 荆条耗水量与ET0的拟合

因受到水分胁迫影响，5-6月荆条耗水与ET0差值较大。故选择降水相对充沛、水分胁迫不明显的7-10月，对奇数日荆条耗水与ET0进行拟合（图5），发现二者之间具有较好的对数关系，R2为0.7431。

对于图5 中离散度较大的点，推测可能与土壤水分的波动有关。以8月3日和8月25日为例，二者间隔时间较短，可认为荆条具有相同的LAI，消除因荆条自身生长产生的差异。8月3日与8月25日ET0非常接近，分别为2.64mm 和2.69mm，而荆条耗水分别为1.89mm 和2.89mm。8月3日（2.64mm、1.89mm）离散度较大，而8月25日（2.69mm、2.89mm）离散度小。8月3日和8月25日土壤水分分别为19.2%和23.0%，后者较前者大3.8%，说明在一定范围内土壤水分状况越好，植物耗水与ET0二者之间的一致性越好。

2.2.3 荆条耗水估算值与实测值验证

利用拟合方程结合7-10月偶数日ET0数据估算荆条耗水量，并将测量值与估算值进行对比（图6）。结果表明：使用拟合方程得出的估算值与实测值具有较好的一致性，其中估算值为211.03mm，实测值为 202.65mm，二者相差 8.38mm，RMSE 为0.90mm.d-1，RRMSE 为13.68%，精度较高。表明在降水较充沛的季节，利用相对容易获得的ET0数据，结合拟合方程对荆条耗水进行估算具有一定的科学性与可行性。在降水季节缺乏实测荆条耗水数据的情况下，可利用该拟合方程求算荆条耗水量，从而对荆条群落结构进行管理。

3 讨论与结论

3.1 讨论

植被耗水是研究植被适应性及环境水分循环的重要指标[20-21]。本研究发现荆条耗水动态在典型晴天和阴天下均为单峰曲线，其中晴天为宽峰且峰值较大，阴天为窄峰且峰值较小，这与刘春鹏等[6]的研究结果一致，其原因在于与阴天相比，晴天植物叶片接受Ra 时间长，同时Ta 高，RH 小，叶片内外水汽压梯度大且正午的太阳辐射强度大。日尺度上，荆条耗水在生长季的前半季变动较小，而在后半季出现较大的波动，杨帆[17]也发现了类似的现象。这主要是降水的季节分布不均及荆条自身的生理生长变化引起的。月尺度上荆条耗水呈现先增加后减小的趋势，耗水主要集中在7-9月，与前人[1,10,22]的研究结果一致。相比之下，7-9月Ra 大，Ta 高，加之该阶段为荆条处理生长旺盛期，荆条需要消耗大量的水分以满足耗水及自身生长需求。莫康乐等[23]认为月尺度上，降水是影响植被耗水的主要因素。本研究也发现荆条月耗水与降水之间存在较好的线性关系。在地下水位较低的情况下，降水成为土壤水分补给的唯一来源，降水量的大小决定了土壤水分的高低，土壤水分则决定了植被耗水的整体水平。表明在一定程度上月降水量的大小决定了耗水的多少。观测期内荆条共消耗水分513.5mm，与杨帆[17]的结论较接近，但与何春霞等[1]相差较大，可能与试验期降水量和试验方法有关。何春霞研究期间降水量仅为260.0mm，春旱和秋旱比较明显，而本试验期间降水量为526.6mm，差异很大。此外，受到探针长度与边材宽度不完全一致的影响，采用TDP 技术测定荆条液流时存在低估耗水量的可能性[24-25]。

试验观测期降水量大于荆条耗水，说明整体上降水可满足荆条消耗需求，但降水主要集中在荆条生长旺季，生长初期则存在季节性干旱，会对荆条的返青生长造成一定的影响。有研究表明荆条叶片、木质部结构及根系具有旱生植物的形态特征，与干旱贫瘠的环境条件相适应，具有较强的生态可塑性[26-28]。具体表现为水分充足时，荆条水分传输率高，耗水大。当土壤水分受到限制时，木质部会产生空穴化和栓塞，进而限制植物自身体内水分的散失，表现为较少的耗水量，呈现出一定的生态适应性。本研究发现5-6月荆条耗水量少，可能正是因为土壤水分供给相对不足，导致荆条启动了自适应机制，从而减少水分消耗，加强自我保护。有研究发现自然条件下植被日耗水与ET0之间存在线性关系[11,29-30]，在土壤水分良好条件下二者相关性更高[31-32]。本研究发现在降水充沛季节荆条日耗水与ET0表现出很强的对数关系，进一步证实了当土壤水分不是限制因素时，植被耗水与ET0一致性更好。

3.2 结论

在主要生长季节，荆条耗水呈现单峰曲线，晴天为宽峰且峰值较大，阴天为窄峰且峰值较小。荆条耗水曲线与Ra、Ta 及VPD 具有较好的一致性，但峰值略滞后于Ra。荆条耗水日变化呈现为“弱-强-弱”的趋势，即生长季的前期及后期日耗水强度小、中期大。主要生长季节荆条共耗水513.5mm，耗水主要集中在7-9月，占总耗水量的70.8%，其中8月最多，5月最少。期间降水量为526.6mm，从水量平衡的角度来看，降水可满足荆条消耗需求，但不同月份供求差异较大，其中5-6月降水较少，荆条易遭受水分胁迫。荆条具有较强的环境适应性与生态可塑性。在干旱季节，荆条木质部产生栓塞或空穴化，启动自适应机制，减少水分消耗。在降水丰富的7-10月，荆条耗水与ET0之间呈现显著的对数关系，可结合ET0数据利用拟合方程对荆条耗水进行估算，干旱季节该拟合方程不具适用性。在今后的研究中，应计算出荆条作物系数，结合水分胁迫系数等参数，实现缺乏实测条件下荆条全生长季耗水量的估算。