文章信息
- 王石言, 王力, 韩雪, 张林森
- Wang Shiyan, Wang Li, Han Xue, Zhang Linsen
- 黄土塬区盛果期苹果园的蒸散特征
- Evapotranspiration Characteristics of Apple Orchard at Peak Period of Fruiting in Loess Tableland
- 林业科学, 2016, 52(1): 128-135
- Scientia Silvae Sinicae, 2016, 52(1): 128-135.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160115
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文章历史
- 收稿日期:2015-03-12
- 修回日期:2015-12-08
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作者相关文章
2. 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 杨凌 712100;
3. 西北农林科技大学园艺学院 杨凌 712100
2. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Tableland Yangling 712100;
3. College of Horticulture, Northwest A&F University Yangling 712100
蒸散是维持陆面水分平衡的重要组成部分,也是维持地表能量平衡的主要部分,是陆地表层水分循环过程中最大与最难估算的量。水量平衡是水文现象与水文过程分析研究的基础,也是水资源数量和质量计算及评价的依据。Grier等(1977)首次提出“水量平衡”以来,基于水量平衡法估算蒸散得到了广泛应用(Yaseef et al., 2010; 于红博,2009)。王彦辉等(2005)采用“多树水分平衡法”研究了宁夏固原市赵千户林场14年生华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)的蒸散,结果显示蒸腾估算值与热脉冲法的计算值相近。近几年,一系列研究表明,蒸散组分在水量平衡中所占比例最大,是林分水分损失的主要环节,并与降水相关(Yaseef et al., 2010; 叶兵,2007; 杨帆等,2007)。Yaseef等(2010)对半干旱地区40年生人工地中海松(Pinus halepensis)林进行了4年蒸散研究,指出林地蒸散是水量平衡中的最大组分,蒸散量与降水量的比值为85%(降水大于300 mm)~100%(降水小于250 mm),平均值为94%,并且随年降水量降低而增大; 叶兵(2007)对北京延庆地区7—10月小叶杨(Populus simonii)林与刺槐(Robinia pseudoacacia)林进行水量平衡计算,结果表明自然降水量不能满足树木生长蒸散耗水水分需求。
目前水资源缺乏地区的蒸散研究是生态水文领域的热点,也是探究林分耗水规律及水分利用效率的关键,国内外关于森林、草地与农田等生态系统方面的蒸散研究已取得较多成果( Wang et al.,2012; Katul et al.,2012; ElMaayar et al., 2006; Pauwels et al., 2006)。黄土高原气候干燥,水资源匮乏,水土流失严重,生态环境脆弱,是退耕还林(草)的重点地区。在黄土高原典型塬区——长武塬,以苹果(Malus pumila)为主的林业得到快速发展。截至2012年底,长武县苹果林面积已发展到1.7万hm2,占耕地面积的76%,苹果经济林成为了全县农业发展的主要产业(张义等,2011; 张英明,2008);但是,目前关于该地区苹果经济林的蒸散研究还相对较少。鉴于此,本研究基于水量平衡原理,在生长季期间对长武塬区旱果园进行蒸散量测定,分析不同的降水年型果园生长季的蒸散规律及其与降水和土壤贮水量间的关系,探讨其生态水文响应机制,旨在为区域性苹果经济林的可持续发展与管理提供科学指导,同时也是对黄土高原不同立地蒸散研究的有益补充。
1 研究区概况研究区位于陕西省咸阳市长武县以西12 km的陕甘交界处(107°40′30″ — 107°42′30″ E,35°12′16″ —35°16′00″N)。该地区是典型的黄土高原丘陵沟壑区,塬面地势平坦,土层深厚,海拔1 220 m。属暖温带半湿润大陆性季风气候,最大年降水量813.2 mm,最小年降水量369.5 mm,多年平均降水量584.0 mm,且多集中在7—9月,占全年降水量的54.9%; 年均气温9.1 ℃,全年无霜期171天,年辐射总量为4 837 k·m-2(宋孝玉等,2005)。森林植被属暖温带落叶阔叶林,多数分布在沟壑坡地,主要树种有油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐、杨树(Populus)等(边亮等,2009); 农林作物主要是苹果经济林、小麦(Triticum aestivum)与玉米(Zea mays)等,主要分布在塬面上。土壤类型为黏黑垆土,母质为中壤质马兰黄土,全剖面土质均匀疏松,土壤侵蚀严重; 地下水埋深50~80 m,不参与水分循环。
长武塬区光照充足、海拔高、温差大,是我国苹果最佳适生区之一。中国果树所在全国苹果区划报告中指出,以陕西渭北旱塬为代表的西北黄土高原是全球唯一7项指标全部达标的苹果适生区,其中包括长武县(朱海霞,2004)。自20世纪90年代以来,随着农村产业结构不断调整,加之实施退耕还林工程,长武县耕地大部分转为苹果园,苹果产业已成为全县经济发展与农业生产的支柱产业(张英明,2008)。
本研究选择7~9年生已进入盛果期的苹果园,林地呈南北走向,长70 m、宽16 m,面积1 120 m2。 果树品种为红富士,平均树高3.0 m,平均冠幅3.2 m,平均胸径8 cm; 株行距3.5 m×4.0 m,林分密度720株·hm-2。 林内地势平坦,无灌溉水输入。 果园的培育及管理模式均采取当地常规方法,定期进行病虫害防治、保墒追肥、清除杂草,适时拉枝剪梢与套袋。
2 研究方法 2.1 基于水量平衡法的蒸散估算
将地表至果树冠层的地上部分与0~600 cm深的土壤综合体看作一完整黑箱,
运用水量平衡法,于2012—2014年生长季期间(4月15日—10月15日)对苹果园的蒸散量进行估算。特定时空尺度条件下水量平衡公式(Yaseef et al., 2010; Rosenqvist et al., 2010; 王彦辉等,2005; Boulet et al., 2000; 林耀明等,2000; 孙长忠等,1996)为:
P+U+Ri-ET-I-Ro-D=ΔS。
(1)
由于研究区气候干旱及地下水埋深在50 m以下,因此地下水上升量U可忽略; 又由于研究区土质疏松、地势平坦,入渗能力较强,因此径流量Ri与Ro可忽略; 另外,张义等(2011)研究得出长武塬面果园土壤水分下渗深度约为260 cm,而本研究中土层深度为6 m,故深层渗漏量D可略去不计(王安志等,2002); 由于冠层截留的水分会以气体形式进入大气,因此蒸散量在包括植被蒸腾及林地土壤蒸发的基础上,增加冠层截留项。蒸散量估算的简化水量平衡方程(Boulet et al., 2000; 康绍忠等,1990)如下:
ET+I=P-ΔS。
(2)
由距试验样地50 m处的自动气象观测站对2012—2014年的降水量P(mm)进行连续监测,每小时记录1次。为保证降水数据的连续性,在试验林外空旷处放置简易雨量筒,在单次降水事件结束30 min内观测降水量,人工记录降水起止时间,计算降水历时。本研究采用常用降水年型标准来划分降水年型(张北赢等,2008; 陶林威等,2000)。
丰水年:Pi>$\bar P$+0.33δ;
枯水年:Pi<$\bar P$+0.33δ。
(3)
根据长武地区1957—2006年多年降水资料计算得出降水均方差为133.3 mm(陈杰等,2009),即降水量小于540.0 mm为枯水年,大于628.0 mm为丰水年。
2.3 土壤贮水量测定
在试验林内由南向北呈“一”字形依次布设6个土壤水分监测点,距东、西边缘均为8 m。土壤含水量测定采用中子仪法,仪器型号为CNC503B,测定深度为6 m,于2012—2014年4—10月每月15日和30日(5,7月和8月为31日)测定土壤水分。0~100 cm 阶段土层按每10 cm 记录读数1次,100~600 cm 土层按每 20 cm 记录读数1次,采用用6个测点数据的平均值作为该层土壤含水量值。土壤贮水量采用水深W(mm)表示,计算公式为:
W=∑θmρh
(4)
果园相邻2次测定的土壤贮水量的变化量(ΔW)计算公式如下:
ΔW=W2-W1。
(5)
苹果园4月15日—10月15日的土壤贮水量变化量(ΔS′)计算公式如下:
ΔS′=ΣΔW。
(6)
运用Microsoft Excel 2010、SPSS 17.0软件对试验数据进行统计分析及图形绘制。
3 结果与分析 3.1 降水量及变化规律2012年降水量为480.8 mm,是多年平均降水量的82.3%,为枯水年; 2013年降水量为547.6 mm,接近枯水年与平水年的划分线,是多年平均降水量的93.8%,为平水年; 2014年降水量为578.8 mm,与多年平均降水量持平,是多年平均降水量的99.1%,为平水年(表 1)。试验区降水量年内分布不均,脉动性大,集中在7—9月(图 1)。2012年7—9月降水量为305.2 mm,占全年降水量的63.5%; 2013年为392.2 mm,占70.3%; 2014年为350.0 mm,占59.7%。1—3月为降水第一阶梯,降水最少,为枯水期;4—6月为降水第二阶梯,降水量开始增多,为过渡期;7—9月降水量最大,处在第三阶梯,为丰水期;10—12月降水量又迅速降低至最低水平,为枯水期。降水事件主要发生在苹果营养生殖旺盛期,有利于树木有效利用。长武塬区2012—2014年降水量动态变化显示,3年平均降水量为535.7 mm,未达到枯水年与平水年界线降水量(540.0mm),水分供给不足。
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图1 各年份苹果园月降水量动态变化 Fig.1 Monthly variation of precipitation of apple orchard in three years |
2012和2013年降水量均未达到多年平均降水水平,根据式(5)和(6)计算果园生长季土壤贮水量变化量分别为 -12.1和-18.2 mm,土壤水分出现亏缺,果树以消耗前期土壤储水来保持正常生长; 2014年降水量接近多年平均降水水平,土壤贮水变化量为1.2 mm,略有增加(表 2)。2012和2014年苹果园生长季(4月15日—10月15日)土壤贮水量变化不明显(图 2),0~6 m土壤贮水量为160~200 mm,变化幅度小; 同时,4月16—8月30日,苹果处于叶幕形成等营养生殖阶段,水分需求量大于降水补给量,土壤贮水量整体略呈下降趋势; 9月1日—10月15日,果树对水分蒸散消耗降低,加之降水补给,土壤贮水量增加。从整体来看,2013年土壤贮水量较2012和2014年变化幅度大。2013年4月16日—7月16日间土壤贮水量变化曲线与2012,2013年的变化规律相似,整体呈下降趋势; 但是从7月中旬开始,土壤贮水量由176.4 mm增至219.8 mm,7月降水量为237.0 mm,较大的降水量满足了蒸散需求,同时使土壤贮水量迅速增加(图 1,2); 2013年8月前半月土壤贮水量迅速下降,一方面是因为8月降水少,仅为38.4 mm,土壤水分补充量小,另一方面是苹果处于果实膨大期及枝叶茂盛阶段,蒸散达到高峰期,导致该期土壤贮水量下降; 2013年8月15—9月15日,由于8月后半月的降水量为12.0 mm,9月前半月的降水量为24.0 mm(表 3),降水未形成土壤储水而直接以蒸散形式输出,致使土壤贮水量维持在较低水平; 随着9月后半月降水量增多(表 3),一部分降水进入土壤,土壤贮水量有所增加(表 2)。综上所述,土壤贮水量变化与降水量密切相关,降水量较小时,降水主要被植被吸收利用,土壤贮水量变化幅度较小; 只有在降水量骤增骤减时,土壤贮水量才对降水有显著的响应。
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图2 果园生长季土壤贮水量动态变化 Fig.2 ariation of soil water storage of apple orchard in growing seasons |
1)基于水量平衡法的蒸散估算 据统计,2012年4月16日—9月30日,降水430.2 mm,蒸散442.4 mm,蒸散量是降水量的1.03倍,蒸散耗水大于降水输入; 2013年4月15日—10月15日,降水499.4 mm,蒸散517.6 mm,蒸散量是降水量的1.04倍,蒸散耗水大于降水输入; 2014年4月17日—10月16日,降水486.0 mm,蒸散484.8 mm,蒸散量占降水量的99%,几乎接近(表 3)。2012年属枯水年,果园靠消耗前期土壤储水来保证林木水分需求; 2013年虽为平水年,但降水量比多年平均降水量小36.4 mm,接近平水年下限,果园蒸散耗水量仍大于降水量,土壤储水出现亏缺; 在平水年(2014年),降水量与多年平均降水量接近,可保证果园的水分需求。综上可知,当年降水量与多年平均降水量相近时,降水输入可满足林分蒸散消耗; 枯水年或降水量低于多年平均降水量较多的平水年,果园均会受水分胁迫,降水补充无法满足果园蒸散消耗。
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2012年生长季的蒸散最大值出现在9月前半月,第二大蒸散值出现在7月后半月,变化幅度为77.3 mm,均值与标准差分别为40.2和23.4 mm,变异系数为0.58; 在2013年,最大值出现在7月后半月,第二大蒸散值出现在9月后半月,变化幅度为135.1 mm,均值与标准差分别为43.1和42.3 mm,变异系数为0.98; 在2014年,最大值出现在9月前半月,第二大蒸散值出现在8月前半月,变化幅度为130.6 mm,均值与标准差分别为40.4和42.4 mm,变异系数为1.05。综合看来,在受水分胁迫的半干旱塬区,降水输入是林地系统水分利用的主要来源; 黄土塬区苹果园半月蒸散量高峰期出现在8月前后及9月初,蒸散脉动性较大。降水因子对蒸散及其变化起到关键作用(图 3),2012和2014年降水对蒸散的决定系数在0.99左右,但在降水变异性很大的2013年是0.52。
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图3 不同年份降水量与蒸散量的关系 Fig.3 Relation ship between the half-month precipitation and evapotranspiration in growing season of different years |
2)蒸散规律 长武塬区苹果园蒸散规律为双峰曲线,第一峰值首次出现在7月后半月或8月前半月,第二峰值出现在9月前半月(图 4),该时段是降水发生集中期及果实膨大期,前者为蒸散过程提供了水分来源,后者为蒸散耗水作用提供了动力。在2个峰值之间,存在蒸散低谷,主要发生在8月后半月(2012年出现于8月前半月),一方面是因为该阶段降水量较少,林地水源补给不足,另一方面因为前期降水未充分储存在土壤中。2013年8月前半月降水明显减少,但并未出现蒸散低谷,这是因为7月后半月降水量高达178.4 mm,有足够多的降水转换为土壤水,用于以后的蒸散; 而在8月后半月,降水量仍持续较小,土壤贮水不足,导致蒸散低谷出现。为更明确地分析长武塬区苹果园生长季内蒸散变化,将3年蒸散平均值绘于图 5。从图中可看出,,4月15日—6月30日,蒸散较低且程下降趋势,因为该阶段降水量较少,土壤水分补给不足,植被蒸腾和土壤蒸发等过程受到了水分胁迫,从而蒸散量逐渐降低; 7月1日—8月15日,果树处在挂果阶段,生理需水量增多,蒸散能力达到最大,同时,降水进入雨季,无水分胁迫,此阶段的实际蒸散达到最大; 8月后半月,出现蒸散低谷; 9月1日—10月15日,蒸散逐渐下降至较低水平。
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图4 2012—2014年苹果园蒸散量生长季变化 Fig.4 Variation of evapotranspiration of the apple orchard in growing seasons in 2012—2014 |
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图5 苹果园蒸散量生长季动态变化 Fig.5 The variation of averaged half-month evapotranspi- ration of apple orchard in growing season |
2013年8月前半月与2014年10月前半月的蒸散估算值为接近于零的微小负值(-0.1和-0.6 mm),属于理论上讲的不可能事件,这可能与忽略水量平衡方程中的径流项等有关。一方面,果园样地虽地表平坦,但也可能存在少量径流; 另一方面,长武塬区海拔1220 m,9月末及10月初昼夜温差很大,经常出现晨雾现象,枝叶上易形成凝结水,滴入土壤,导致对蒸散量的低估。
3.4 降水和土壤水与蒸散间的关系降水、土壤水及蒸散为果园水文循环的3个主要环节,其中土壤水可看作中间连接环节。由图 2,4和5可知,对于较小的降水,在土壤中的储存时间不会很长,短时间内即可蒸散输出;对于较大的降水,如2013年7月后半月,土壤储存雨水时间较长,可被后期蒸散利用。综述所述,黄土塬区苹果园对降水响应快速,且降水几乎全部用于蒸散。
4 讨论本研究基于水量平衡原理探讨了黄土塬面苹果园生长季的蒸散规律,4—6月随着叶芽生长、果实膨大,林木对水分需求开始增加,此时降水及土壤水分是蒸散的主要限制因子; 7—9月进入雨季,水分胁迫相对降低,植被蒸腾增大,同时太阳辐射增强,空气温度升高等环境因子致使土壤蒸发也增大,导致实际蒸散量增大。杨帆等(2007)研究表明,年内蒸散高峰期出现于植被生长旺盛及水分相对充足的7—9月; 陈锡云等(2000)对黄土高原丘陵区山地果园4—10月期间的蒸散研究也表明其蒸散规律呈双峰型,分别出现在6—7月和8—9月。本研究结果有效地反映了果园系统蒸散过程与降水和土壤水间的相关性,确定了水分因子在蒸散过程中的重要性。阳伏林等(2014)对黄土高原春小麦(Triticum aestivum)的研究结果表明,蒸散量占降水量的比值高达95.7%;Yaseef等(2010)同样指出多数森林蒸散占降水比例在90%以上,尤其在干旱环境中,蒸散所占比例更大; Roserberg等(1983)研究显示,降水有70%通过蒸散返回大气,干旱区可达90%以上。本研究中,2012—2014年整体的降水都未达到多年平均降水量,果园系统的水分输入小于水分的输出,从长远来看,若土壤贮水连续出现亏缺,可能发生土壤干化现象,造成果园水分供需矛盾,降低林分生产力,影响苹果的产量和品质(Naor et al., 2008; Zofia et al., 2004),因此,需采取合理举措,保证果园的水分需求。
5 结论1)黄土高原丘陵沟壑区的长武塬苹果园在生长季的蒸散规律为双峰曲线,第一峰值出现在7月后半月或8月前半月,第二峰值出现在9月前半月,且在2个蒸散高峰间存在“蒸散低谷”。
2)塬面苹果园蒸散与降水密切相关。当降水量较小时,降水几乎全部消耗于蒸散; 当降水量较大时,多余降水转化为土壤水,供后期苹果园的蒸散消耗。苹果园以蒸散形式对降雨的输入快速做出生态水文响应,是经济林系统对水分胁迫环境的适应能力,保证了果树生长对水分的要求。
3)在不同降水年型,苹果园蒸散存在差异,枯水年或偏枯的平水年的苹果园蒸散量大于降水量,需要消耗前期土壤储水; 平水年的降水输入与林分蒸散持平,即降水量可满足苹果园蒸散需求。
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