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蒲草群落蒸散耗水规律及影响因子研究



全 文 : 2016年2月
灌溉排水学报
Journal of Irrigation and Drainage
 第35卷第2期 
文章编号:1672-3317(2016)02-0090-05
蒲草群落蒸散耗水规律及影响因子研究
周林飞,高宇龙,张 静
(沈阳农业大学 水利学院,沈阳110866)
摘 要:利用Penman-Monteith模型及单作物系数法计算了2013年石佛寺人工湿地蒲草全生育期的逐日实际蒸
散量,对比分析了各时期的自由水面蒸发量,并采用偏相关法分析了影响蒲草群落实际蒸散量及水面蒸发量的气
象因子。结果表明,蒲草全生育期单位面积的累积蒸散量为607.96mm,整体呈先升高后下降趋势,其中稳定期蒸
散强度最大达到4.52mm/d,是生态需水的关键时期,相应全生育阶段的水面蒸发量为560.11mm,蒸散系数达到
1.09,说明蒲草的存在能够增加湿地水分的扩散;蒸腾和蒸发受各生育阶段气象因子的影响程度不同,主要受太阳
辐射和风速的影响。
关 键 词:蒲草群落;Penman-Monteith模型;实际蒸散量;对比分析
中图分类号:S164.1   文献标志码:A     doi:10.13522/j.cnki.ggps.2016.02.017
周林飞,高宇龙,张静.蒲草群落蒸散耗水规律及影响因子研究[J].灌溉排水学报,2016,35(2):90-94.
  目前,国内学者对影响湿地植被蒸散量的气候因子研究较多,对影响自由水面蒸发量的气候因子的研究
也很多。赵少延等[1]运用Penman-Monteith公式计算了三门峡库区芦苇群落的实际蒸散量,并分析了影响
实际蒸散量的主要气象因子。周林飞等[2]运用Penman-Monteith公式计算了2009—2012年石佛寺人工湿
地芦苇群落全生育期的实际蒸散量,并采用偏相关法分析了影响芦苇蒸散量的主要气候因子。赵成义等[3]
研究了阿克苏绿洲蒸发池水面的蒸发量,并分析了水面蒸发与气象要素的相关关系。以上研究均取得了一
定的成果,获得蒸发、蒸散量的同时能够研究气象因子对蒸发或蒸散的影响,但这类研究相对单一,很少有将
自由水面蒸发和植被蒸散结合起来同时进行深入研究的。为此,基于2013年石佛寺湿地内部气象站采集的
气象资料,计算蒲草群落全生育期的逐日蒸散量,并对比分析自由水面逐日蒸发量,基于此,采用偏相关法分
析影响水面蒸发和蒲草蒸散的气象因子并进行对比分析,探究各气象因子对不同生育阶段蒲草蒸腾和水面
蒸发的影响程度,以期为湿地管理部门提供一定的理论依据,对湿地生态需水量、空间水资源优化配置等实
际问题的解决有重要意义。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
石佛寺水库位于沈阳市沈北新区黄家乡和法库县依牛堡乡,距沈阳市47km。地处东经123.427°—
123.520°,北纬42.144°—42.188°之间,属温带大陆性气候,四季分明,冬季严寒干燥,夏季湿热多雨,温度适宜,
光照充足。年均气温为7.4℃,全年无霜期约为153d,年均降水量为705.4mm,太阳辐射时间为2 618.6h,属
北方长日照区。蒲草和芦苇因其根系发达、生物量大、生长率高,且有利于稳固床体表面和防止淤泥堵塞下
垫面等作用,被国际上公认为是湿地淡水水生植物的优势品种。经遥感调查目前湿地总面积为25.05km2,
是东北地区典型的大型表面流人工湿地。
  收稿日期:2015-01-05
  基金项目:辽宁省水利科技指导性计划项目(2011137-12);高等学校博士学科点专项基金项目(20112103120003)
  作者简介:周林飞(1971-),女,吉林长春人。副教授,博士,主要从事河流及湿地生态需水研究。E-mail:zlf924@163.com
  通讯作者:高宇龙(1988-),男,湖北襄阳人。硕士研究生,主要研究湿地蒸散发。E-mail:gysh1988@163.com
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1.2 基础数据
为了便于对湿地的研究,2012年9月在石佛寺人工湿地内设置AR5自动气象站,收集的气象数据包括
空气湿度、空气温度、太阳净辐射、风速、水面蒸发量、雨量、土壤湿度、土壤温度等,气象站自动采集,每10min
收集1次,水面蒸发量的测量采用E601蒸发皿。
1.3 蒲草生育期的划定
FAO根据作物的生长发育情况(作物高度,叶面积变化)和地面覆盖程度,将不同气候类型的作物生长
过程统一划分为4个生长阶段:初始生长期、快速生长期、稳定期和枯萎期[4]。基于对蒲草群落物候期的调
查研究,最终划定石佛寺人工湿地内的蒲草生育期为:4月20日—5月10日(初始生长期)、5月11日—6月
7日(快速生长期)、6月8日—8月30日(稳定期)、8月31日—10月3日(枯萎期)。
1.4 单作物系数Kc的确定
  采用Penman-Monteith公式计算ET0,采用参考作物蒸散量单作物系数法计算蒲草全生育期的实际蒸
散量,应用SPSS软件分别对影响蒲草全生育期蒸散量和自由水面蒸发量的气象因子进行了偏相关分析,同
时对相关系数进行了显著性检验。
  石佛寺人工湿地内部常年存有积水且在作物初始生长
期植株密度小,实际蒸散发主要为积水蒸发,而且在初始生
长期蒲草与水稻的高度相近,因此,初始生长期的作物系数
可参考水稻在非标准情况下(RHmin≠45%,U2≠2m/s)的
最小相对空气湿度和风速进行调整,可按表1对Kc 进行
调整;根据石佛寺人工湿地内部气象站所测数据,经整理,
表1 蒲草初始生长期系数调整依据
最小相对湿度
风速/(m·s-1)
<2 =2 >2
<45% 1.10  1.15  1.20
=45% 1.05  1.10  1.15
>45% 1.00  1.05  1.10
可知湿地内平均最小相对湿度和平均风速分别为35.1%和2.8m/s,故确定蒲草初始生长期的作物系数
为1.20。
  快速生长期的作物系数是不断变化的,FAO-56并未给出其值,可根据式(1)通过初始生长期和稳定期
系数间的极值计算得到。
Kci =Kcprev+
i-Lprev
Lstag[ ]e (Kcnext-Kcprev), (1)
式中:i为作物在该阶段的实际生长时间;Kci为第i天对应的作物系数;Lstage为标准情况下该阶段的作物生
长时间;Kcprev为前1个生育阶段的作物系数;∑Lprev为之前所有生育阶段时间的总和;Kcnext为下一个生育阶
段的作物系数。
作物生长稳定期和枯萎期的作物系数根据式(2)进行调整计算。
Kc=Kc(Tab)+[0.04(u2-2)-0.004(RHmin-45)]h( )3
0.3
, (2)
式中:Kc(Tab)为调整前的作物系数;u2 为草参照面之上2m高度处的日平均风速(m/s);h为对应阶段作物高
度的平均值(m)。
表2 蒲草生育期作物系数调整
蒲草 时间段 Kc(Tab) U2/(m·s-1) RHmin/% h/m 调整后的Kc
初始期Kcini 0420—0510  0.6  2.81  35.12  0.25  1.20
生长期Kcini
0511—0607 - 2.79  46.80  1.05  1.205
0608—0627  1.20  3.05  45.27  1.8  1.235
0628—0707  1.20  3.18  53.89  2.0  1.210
0708—0717  1.20  3.07  58.04  2.0  1.192
0718—0727  1.20  2.86  56.14  2.0  1.191
稳定期Kcmid
0728—0806  1.20  3.16  49.48  2.0  1.225
0807—0816  1.20  2.75  46.07  2.0  1.223
0817—0830  1.20  2.91  45.86  2.0  1.229
0831—0906  0.6  2.60  42.02  2.0  0.632
枯萎期Kcend
0907—0913  0.6  2.23  38.67  2.0  0.689
0914—0923  0.6  2.45  35.42  2.0  0.650
0924—1003  0.6  2.60  34.15  2.0  0.660
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2 结果与分析
2.1 蒲草实际蒸散量计算与分析
1)Kc系数的调整
标准条件下,FAO-56推荐的蒲草初始生长期、稳定期和枯萎期的作物系数分别为0.6、1.2和0.6,根据
石佛寺湿地当地的气候情况及蒲草4个生长阶段的长度对作物系数进行修正,将相应数据代入式(1)和
式(2),计算结果如表2。
  2)全生育期ETc计算结果
将2013年AR5自动气象站采集的气象数据经整理后计算,得到蒲草群落全生育期的逐日参考蒸散量
ET0,再根据ET0 和调整后的Kc计算蒲草全生育期的逐日实际蒸散量,计算结果如图1所示。
图1 蒲草全生育期逐日蒸散量变化
  图1给出了蒲草全生育期的逐日蒸散量、趋势线及各生育期蒸散量均值线。由图1可知,蒲草全生育期
逐日蒸散量呈波动性变化,有开口向下的抛物线变化趋势且顶点处于蒲草生长阶段的稳定期内,反映出了气
候因子和作物生长发育对蒸散量变化影响的综合作用;蒲草全生育期蒸散量为607.96mm,日蒸散强度达
到3.64mm,4个生育阶段蒸散量分别为67.34、101.47、379.55、59.61mm,且蒸散强度呈明显阶段性变化,
4个生育阶段依次为3.21、3.62、4.52、1.75mm/d,其中稳定期蒸散强度最大,快速生长期次之,而枯萎期的
蒸散强度小于其他时期。
图2 自由水面逐日蒸发量变化
2.2 蒲草蒸散量与水面蒸发量对比分析
由图2可知,自由水面逐日蒸发量亦呈波动性变化,同时有开口向下的抛物线变化趋势,但相较于图1
中蒲草群落的逐日蒸散量变化,其蒸发波动性较小且抛物线趋势变化更加平缓,没有明显梯度变化,反映了
气候因子对自由水面蒸发量变化影响作用,同时体现出蒲草的蒸腾作用对实际蒸散量产生的影响;全生育期
内的自由水面蒸发量为560.11mm,日蒸发强度达到3.35mm/d,但均小于蒲草群落,蒸散系数(蒲草群落
蒸散量与自由水面蒸发量之比)为1.09,说明蒲草的存在加大了水分的散失,间接反映了湿地系统与水生系
统功能和结构的不同;4个生育阶段所对应的水面蒸发量分别为62.4、83.9、324.0、89.8mm,相应的日蒸发
强度分别为2.97、3.00、3.86、2.64mm/d,蒸散系数分别为1.08、1.21、1.17、0.66,说明蒲草的存在能够阶
段性影响水分的散失,当蒲草处于前3个生育阶段时将明显增加水分的扩散,处于枯萎期时能明显减少水分
的散失,产生这种情况的原因与蒲草的生理特性有主要关系,前3个生育时期,蒲草处于生理活跃期,蒸腾强
度大,蒸散量逐渐增加,而枯萎期蒲草处于生理衰减期,蒸腾强度急速下降,且大量腐败叶占据了水面,减少
了水面的蒸发面积,故而枯萎期的蒸散系数小于1。
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2.3 蒲草蒸散量与水面蒸发量的影响因子对比分析
选择空气温度(T)、风速(U)、空气湿度(RH)、太阳辐射(Rn)和实际水汽压(ea)等5类气候因子作为蒲
草蒸腾和自由水面蒸发的主要影响因子进行偏相关分析,结果见表3。
表3 蒲草群落蒸散量、自由水面蒸发量与气象因子的偏相关系数
时间段 类型 ETc—T  ETc—U  ETc—RH  ETc—Rn ETc—ea
全生育期
蒲草群落 0.350  0.519** -0.453** 0.710** 0.297
自由水面 0.134  0.675** -0.520** 0.711** 0.292**
初始期
蒲草群落 0.708* 0.937** -0.732** 0.872** -0.228
自由水面 0.191  0.818** -0.597** 0.698** 0.168
生长期
蒲草群落 0.255  0.899** -0.083  0.830** -0.144
自由水面 0.491* 0.722** -0.308  0.728** 0.059
稳定期
蒲草群落 0.326** 0.871** -0.402** 0.952** -0.08
自由水面 0.329** 0.625** 0.046  0.803** -0.182
枯萎期
蒲草群落 0.740** 0.915** -0.342  0.856** -0.679**
自由水面 0.377* 0.653** 0.218  0.665** -0.319
 注  *、**分别表示通过了显著性水平为0.05和0.01的t检验。
  由表3可知,在全生育期,蒲草群落蒸散量和自由水面蒸发量均与气温、风速、和水汽压正相关,与空气
湿度负相关;对于蒲草群落,气温与实际水汽压对蒸散量的影响未通过显著水平检验,而对于自由水面蒸发,
仅有气温的影响未通过显著水平检验。在各生育阶段,气温、风速与太阳辐射对蒸发和蒸散均起到正相关作
用,空气湿度和实际水汽压对蒲草群落的蒸散量均起负相关作用;而对自由水面蒸发量的影响有阶段性变
化,其中太阳辐射与风速对蒸发蒸散的影响均通过了0.01的显著水平检验。
  为了研究影响蒲草蒸散与水面蒸发的主要气象因子,将表3中未通过显著性水平检验的气象因子排除,
经整理后得到气象因子对蒸发、蒸散影响的排序表,结果见表4。
表4 气象因子影响程度排序
类型 时间段 影响程度次序 类型 时间段 影响程度次序
全生育期 Rn>U>RH 全生育期阶段 Rn>U>RH>ea
初始期 U>Rn>RH>T 初始期阶段 U>Rn>RH
蒲草群落 生长期 U>Rn 自由水面 快速生长阶段 Rn>U>T
稳定期 Rn>U>RH>T 稳定期阶段 Rn>U>T
枯萎期 U>Rn>T>ea 枯萎期阶段 Rn>U>T
3 结 论
1)利用Penman-Monteith公式及单作物系数法,计算得到2013年石佛寺人工湿地蒲草全生育期的实
际蒸散量为607.96mm,日均蒸散量为3.64mm/d,4个生育阶段的蒸散量呈先升高后下降趋势,分别为
67.34、101.47、379.55、59.61mm,日均蒸散强度依次为3.21、3.62、4.52、1.75mm/d,枯萎期的蒸散强度明
显小于其他时期。
2)对应的自由水面在蒲草全生育期的蒸发量为560.11mm,日均蒸散量为3.35mm/d,相应的4个生
育阶段蒸发量分别为62.4、83.9、324.0、89.8mm,日均蒸发强度分别为2.97、3.00、3.86、2.64mm/d,与蒲
草群落相对比,除了枯萎期的蒸发量大于蒲草蒸散量,其他时期不论是累积还是日均蒸发量均小于蒲草群落
蒸散量,说明蒲草的存在能够增加水分的扩散。
3)蒲草在全生育期及各生育阶段的逐日蒸散量与水面蒸发量的相关程度依次为0.857、0.904、0.869、
0.849和0.778,且均通过了0.01的显著性水平检验,说明二者间的变化存在一定的内在规律;对影响蒲草
蒸散量和水面蒸发量的气象因子对比分析结果表明,太阳辐射和风速均为二者的主要影响因子,这是二者间
变化存有内在规律的根本原因所在。由于蒲草的生理特性,其他气象因子对蒲草的蒸散量产生阶段性影响,
且影响因子较为复杂;而大部分时间段除了太阳辐射和风速仅有气温对水面蒸发量产生显著影响,影响因子
较为单一;这又体现了二者间变化的差异性。
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参考文献:
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[4] ALLEN R G,PEREIRA L S,RAES D,et al.Crop Evapotranspiration:Guidelines for Computing Crop Water Requirements[M].
Rome,Italy:FAO,1998:51-202.
Study on Water Consumption Characteristics of Shifosi
Constructed Wetland Cattail Community Evapotranspiration
ZHOU Linfei,GAO Yulong,ZHANG Jing
(Colege of Water Resource,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China)
Abstract:Penman-Monteith model and single crop coefficient method were used to calculate the wetland
cattail whole growth period daily actual evapotranspiration in Shifosi,the free water surface evaporation of
each period and the impact of community cattail actual evapotranspiration and surface evaporation of mete-
orological factors were analyzed using partial correlation method.The results showed that the cumulative
growth period evapotranspiration of cattail unit area was 607.96mm,the overal downward trend of evap-
otranspiration were first increased and then decreased,and its maximum intensity of stabilize evapotranspi-
ration reached 4.52mm/d,which was a critical period of ecological water demand,the corresponding ful
stages in the water evaporation was 560.11mm,and evapotranspiration coefficient was 1.09,indicating
that the presence cattail increased the diffusion of water wetlands;transpiration and evaporation were af-
fected by different growth stages of meteorological factors in different degrees,mainly the solar radiation
and the wind speed.
Key words:cattail community;Penman-Monteith model;actual evapotranspiration;contrastive analysis
责任编辑:白芳芳
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