基于“三温模型”的风沙采煤沉陷区柠条锦鸡儿灌丛蒸腾特征研究

党晓宏 徐立杰 高 永,3 张凯辉 冯亚亚

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院,内蒙古 呼和浩特 010018;2.内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站,内蒙古 鄂尔多斯 017400;3.中央与地方共建风沙物理重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010018;4.内蒙古赤峰市克什克腾旗水利局,内蒙古 赤峰 025350)

采矿活动不但占用和破坏大量土地,而且在矿山开采过程中还会通过粉尘、潜在的酸性废水排放、地表径流、滑坡、塌陷等过程再次污染及破坏周边土地资源,并使周边环境不断恶化[1]。特别是矿山恢复治理区域土壤养分缺乏,不适当的护理或长期的搁置可能会永久性损害植被的健康[2]。恢复治理区植被恢复状况是评价恢复治理工作效果的重要指标之一。

我国95%的煤炭开采采用井工开采的方式,这种方式会导致矿区大面积的塌陷下沉,导致环境进一步恶化,加速了土地荒漠化进程[3]。因此,做好矿区的植被恢复工作是煤炭开采的前提。水分是矿区植被恢复的主要限制因子[4-5],探明该地区水分循环过程对植被恢复具有重要意义。植物蒸腾是干旱、半干旱地区水分散失的主要途径,董学军等[6]以毛乌素沙地几种沙地灌木为研究对象,发现影响毛乌素沙地灌木生态系统蒸散发主要来自于植物蒸腾作用。常见的测量单株植物蒸腾的方法在野外条件下具有一定的局限性:“称重法”和“光合仪法”容易对植物叶片造成损伤,影响植物正常生长;“蒸渗仪”结果最准确但价格昂贵、设备笨重导致其难以在野外应用[7]。一种能在野外条件下测定植株实际蒸腾耗水的方法在生态修复工作中具有重要意义。

“三温模型”是邱国玉等提出的测算蒸散发的方法。由于该模型的核心参数是表面温度、参考表面温度和气温,故被称为“三温模型”,具有参数少、计算简单、应用范围广和结果精准等特点[8-10]。红外热成像技术能观测人体肉眼不可见的红外波段的光谱,将其转变为可见的热图像[11],具有高通量性、非接触性、高分辨等特征[12]。在应用“三温模型”时使用烘干植物叶片作为参考叶片[13],但是在实际测定中往往不具备烘干条件,因此研究人员常使用绿色的纸张作为参考叶片进行观测[14-16]。由于不同地区植物叶片种类不同,因此选择的绿色纸张也应有所不同,但目前对于纸张的选择方式尚缺少普适性强的成果。确定适合半干旱地区植物蒸腾测定的参考叶片对于该方法在半干旱地区的推广应用具有重要意义。

本试验以毛乌素沙地采煤沉陷区生态修复树种柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)为研究对象,采用“热红外遥感+三温模型”方法探究绿色便签纸和绿色卡纸作为参考叶片时与烘干植物叶片的差别,确定适合荒漠地区植物蒸腾测量的参考叶片,同时明晰影响该区域柠条锦鸡儿蒸腾的主要气象因子,为非接触、无损伤、高精度测定荒漠灌丛蒸腾速率提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗(38°46′～38°51′N,110°21′～110°23′E)。 该区域为典型的大陆性季风气候,年均降水量为362 mm,主要集中在6～9月。气温年际变化较大,多年平均气温为7.3℃。年均潜在蒸发量为2 297.4～2 838.7 mm。风向以西北风为主,年平均风速为3.3 m/s。风沙天气频发,年均大风日数在50 d左右,且主要集中在4～5月。土壤以风沙土为主,土壤发育程度较低,养分含量十分缺乏。由于采矿活动影响,导致该区域野生植物退化严重,植被以人工植被为主,包括柠条锦鸡儿、沙柳(Salixpsammophila)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、小叶杨(Populussimonii)等,零星生长有油蒿(Artemisiadesertorum)和沙米(Agriophyllum pungens)等小灌木及一年生草本植物。

1.2 试验设计

1.2.1 研究对象选择

本试验在2019年9月25日晴朗无云的天气下进行,选择毛乌素沙地东北缘采煤沉陷区典型生态修复树种人工飞播柠条林作为试验区,面积1 762.85 m2,海拔1 228 m。依据树冠不受遮蔽原则,在试验区内选择7株生长健康、不受其他植株遮蔽的柠条锦鸡儿作为试验对象(表1)。

表1 试验选取柠条的生长指标Table 1 Growth indexes of caragana korshinskii was selected in the experiment

1.2.2 表面温度拍摄

使用Fluke TiR4FT 热成像仪(Fluke TiR4FT Infrared Camera)获取柠条锦鸡儿叶片及各参考叶片的温度,该仪器配备320×240焦平面阵列(FPA)探测器,选用标准红外镜头,视场为23°×17°,热敏度为≤0.05℃,发射率设定为0.95。测量时段为9∶00～17∶00,步长 2 h,相邻的两次拍摄顺序相反且镜头垂直于冠层且冠层顶端距镜头1 m以上。将参考叶片布设于无蒸腾冠层上方,参考叶片布设的倾斜角度、方位等尽量和同时观测的植物叶片保持一致,为保证参考叶片和植物叶片受到相同的光照,拍摄前0.5 h将参考叶片布设于试验样地。

1.2.3 叶片温度提取

在FLUKE中国官网下载Fluke Smart View 4.3软件提取叶片温度,植物冠层热红外图像及可见光图像如图1(a)、图1(b)所示,结合图1(a)和图1(b)可以将图像中的土壤及植物进行区分,红色区域(土壤)温度比植被(蓝色区域)高,对蓝色部分进行温度提取,图1(c)中白色方框代表提取一次的叶片温度,重复提取15次,以15次的均值作为该时刻柠条灌丛的叶温,如图1(d)所示。

图1 柠条的热红外温度图像及其温度提取结果Fig.1 Results of Caragana korshinskii and temperature extraction

1.2.4 参考叶片筛选

经过调查,卡纸和便签纸是研究区最容易获得的绿色纸张,因此使用上述两种绿色纸张(卡纸叶片和便签纸叶片均为当地文具用品店购买,卡纸厚0.2 mm,便签纸厚0.1 mm)和烘干植物叶片作为参考叶片从叶片温度和蒸腾结果两方面进行比较,确定适合测定该地区植物蒸腾的参考叶片。由图2可知:便签纸表面温度和干叶片及卡纸叶片存在较大差异。当便签纸作为参考叶片时,柠条在9∶00时的蒸腾速率为4.95 mm/h,与干叶片在该时刻的蒸腾速率有极显著差异(P=0.005＜0.01)。

图2 叶片温度日变化Fig.2 Diurnal variation of leaf temperature

以叶片温度变化以及计算结果作为选择参考叶片的指标,发现便签纸不适合作为柠条锦鸡儿的参考叶片,当缺乏植物烘干条件时卡纸可以作为干叶片的替代品计算植物蒸腾。

1.2.5 气象因子测定

使用Vaisala WXT520移动气象站同步测定研究区气温、太阳辐射、空气湿度、风速等气象因素,气象数据10 min的平均值由CR200X数据采集器计算和记录。

1.2.6 基于“三温模型”的植物蒸腾计算

“三温模型”原理已有不少文献进行了阐述,本研究中仅使用植被蒸腾模型,以下对其加以介绍。

当地表被植被覆盖时,可以忽略土壤热通量,植被表面的能量平衡方程可以表示为

式中,LEc为植被的潜热通量,W/m2;Rn,c是植被吸收的太阳净辐射,W/m2;Hc是显热通量,W/m2。

Hc可表示为

式中,ρ是空气密度,为1.39 kg/m3;Cp是空气定压比热(在平均空气状况下,其值约为1.013×10-3MJ/(kg·K);Tc是植被冠层温度,K;Ta是空气温度,K;ra是空气动力学阻抗,s/m。其可通过参考叶片计算,参考叶片无蒸腾作用,且不会导致周围环境发生显著改变,ra计算公式如下:

式中,Tp是参考植被的冠层温度,K;Rn,cp是参考植被吸收的净辐射,W/m2。结合上述公式即可得到植被蒸腾的计算公式:Rn,c可以利用以下公式计算:

式中,Tr是蒸腾速率,mm/h;Rs是太阳辐射,W/m2;α是地表反照率,取值为0.22。

2 结果与分析

2.1 研究区气象因子日变化规律

气象因子为植物蒸腾提供能量,因此其影响植物蒸腾速率。由图3可知:气温、太阳辐射和风速随着测定时间呈先升高后降低的变化趋势,且在13∶00时达到最大值。相对空气湿度变化则与之相反。对于气温而言,其波动范围较小,早上9∶00时气温最低,13∶00时气温最高,为23.63℃;对于太阳辐射而言,太阳辐射在13∶00时达到峰值741.07 W/m2,13∶00后太阳辐射变化幅度加快近于线性变化,17∶00时达到最小值123.16W/m2。对于风速而言,13∶00时风速为2.61 m/s。对于空气相对湿度而言,9∶00时太阳辐射和气温较低,空气中水分较多,湿度最高,为39.21%,随着气温和太阳辐射的上升,空气中的水分蒸发,空气湿度开始降低,在13∶00处达到最低值22.94%,15∶00后湿度上升速度加快,在17∶00时湿度达到测定时间内第二峰值30.49%。

图3 研究区气象因子日变化Fig.3 Diurnal variation of meteorological factors in sample area

2.2 柠条锦鸡儿灌丛蒸腾速率日变化规律与日蒸腾量

依据提取的叶温、气温和太阳辐射结合“三温模型”计算了柠条锦鸡儿蒸腾速率并绘出了柠条蒸腾速率日变化曲线(图4)。柠条锦鸡儿日蒸腾速率为“单峰型”,在13∶00时达到峰值,为0.71 mm/h。 以瞬时蒸腾速率作为基础对柠条锦鸡儿的日蒸腾量进行了计算,发现其日蒸腾量为4.64 mm。

图4 柠条锦鸡儿蒸腾速率日变化Fig.4 Diurnal variation of transpiration rate of Caragana korshinskii

2.3 影响荒漠灌丛柠条蒸腾速率的主要气象因子分析

影响植物蒸腾作用的因素包括内因和外因,气象因子是影响蒸腾速率的主要外因。由表2可知:柠条锦鸡儿蒸腾速率(Tr)与太阳辐射(Rs)和风速(Vs)分别呈显著正相关和极显著正相关,相关系数分别为0.932,0.961;Vs与Rs之间呈显著正相关,相关系数为0.938。气温(Ta)与相对空气湿度(Rh)之间呈极显著负相关。在各气象因子中,Vs和Rs是影响柠条锦鸡儿蒸腾的主要气象因子。

表2 柠条蒸腾速率与气象因子的相关关系Table 2 Correlation between transpiration rate of Caragana korshinskii and meteorological factors

3 讨 论

植物叶片温度是环境和植物共同影响叶片能量平衡的结果。20世纪中后期以来,大量研究表明植物叶片温度与蒸腾密切相关[17]。植物通过蒸腾作用消耗叶片吸收和产生的热量,使叶片温度维持在一定范围内,防止叶片生理组织受损,保证植物的正常生长[18]。因此,植物蒸腾速率可以通过叶片温度进行计算,“三温模型”通过引入参考叶片的概念在温度差方法的基础上消除了难以测定的空气动力学阻力,使植物蒸腾的计算过程变得简单,应用范围更广[14]。

植物叶片在长期进化过程中形成了不同的结构来适应当地环境。因此,在选择参考叶片时应因地制宜选择适合该地区植物的参考叶片。在选取参考叶片时应同时考虑获取的简单性和结果的准确性两大特点。本试验本着获取简单的原则,选择绿色卡纸和便签纸作为参考叶片进行植物蒸腾计算,但和柠条叶片相比,便签纸厚度较薄,卡纸的厚度和柠条叶片类似。由于参考叶片不具备蒸腾降温作用,其温度变化主要受太阳辐射的影响,当辐射强度较高时,其温度远高于植物叶片[19],不同厚度的参考叶片吸收太阳辐射的能力不同,便签纸温度在正午时分仅略高于叶片温度,与卡纸和干叶片温度相差极大,这一结果和QIU等[20]、凌军等[21]测得的在强太阳辐射下干叶与植物叶的温度差值不符。而卡纸叶片与干叶片温度在太阳辐射较高时温度变化极为吻合,随着太阳辐射的减小吻合度略有降低,但计算结果不存在显著性差异,表明卡纸可以代替干叶片进行荒漠地区植物蒸腾速率的计算。

虽然大田试验证明“三温模型”性能与其他计算蒸腾的模型性能相当,和蒸渗仪的测量结果相比较也具有高精准度。但这是该方法首次应用于柠条的蒸腾测定,计算结果尚需与他人测定结果进行比较验证。光合仪可以用于树种蒸腾间的比较[7],因此可以将该方法与光合仪法进行蒸腾速率日变化规律的比较。本研究中柠条锦鸡儿蒸腾速率日变化为“单峰型”,13∶00时蒸腾速率最大,与杨国敏[22]、邵玲玲等[23]使用光合仪测得的柠条蒸腾速率日变化一致。蒸渗仪是测定单株植物实际蒸腾量的最佳方法,但无法对研究区生长多年的柠条进行测定,王幼奇等[24]在距研究区60 km的神木侵蚀与环境试验站使用称重式蒸渗仪对柠条的蒸腾耗水进行了测定,发现9月柠条日蒸腾量集中在3～5 mm,均值为3.17 mm,最大值接近6 mm,且降雨后的几天蒸腾量明显增加。由于试验开始前研究区有较大降雨(21、22日),且所测柠条锦鸡儿样丛株高大于王幼奇等[24]的试验对象(60 cm),因此日蒸腾量高于王幼奇等[24]测定的9月日平均蒸腾量,但计算值仍在王幼奇等[24]测得的柠条9月蒸腾量范围。上述结果表明:采用“三温模型+热成像技术”方法计算柠条锦鸡儿的蒸腾速率是可行的[23]。

植物蒸腾作用主要以气孔蒸腾的方式进行。影响气孔蒸腾作用的因素主要为土壤水分、光照强度、空气温湿度和风速等[25-26]。本研究发现,影响柠条锦鸡儿蒸腾速率的因素为太阳辐射和风速。该研究结果与谭娟对4种典型植物的研究结果相悖。其研究结果发现,影响典型植物蒸腾作用的因素为大气温度和土壤含水量。在毛乌素沙地,其光照资源非常丰富,随着太阳辐射逐渐增强,其大气温度逐渐增强,导致叶片内外蒸气压逐渐增大,从而增加了叶片水分蒸发速率。风是影响植物生长发育的外部环境因子,其主要通过影响边界层阻力影响植物蒸腾。黄磊等[27]研究表明,风速能促进植物蒸腾;但GRIDDINGS[28]研究表明,风速会抑制植物蒸腾,是因为风速增强将会导致植物叶片气孔关闭。本研究结果与黄磊等[27]的研究结果一致。这可能是因为风降低了叶片气孔周边的水汽浓度,导致其空地相对湿度降低,从而增加了水汽扩散梯度,最终加快了植物蒸腾速率[29]。

4 结 论

本研究利用“三温模型+热红外遥感”方法对不同类型参考叶片下的矿区典型生态修复树种柠条锦鸡儿的蒸腾速率进行了测定,确定了适合毛乌素沙地荒漠植被的参考叶片,为观测植物蒸腾作用提供了可靠的手段和思路。主要取得如下结论:

(1)研究区气温、太阳辐射和风速随着测定时间呈先升高后降低的变化趋势,且在13∶00达到最大值;相对空气湿度则与之相反。

(2)卡纸和干叶片作为参考叶片计算的柠条锦鸡儿蒸腾速率较吻合,13∶00时均达到0.71 mm/h的蒸腾速率最大值,以卡纸作为参考叶片时柠条日蒸腾量为4.26 mm,低于干叶片的4.64 mm。可见,绿色卡纸可以作为参考叶片计算柠条锦鸡儿蒸腾速率。

(3)太阳辐射、风速与柠条蒸腾速率分别呈显著正相关和极显著正相关,表明太阳辐射和风速是影响柠条蒸腾速率的主要环境因子。

(4)本研究野外试验时间较短,今后应该结合无人机和卫星热红外遥感,大范围、大尺度观测沉陷对蒸散的影响。