黃瑞霞，王建光* ，2，劉志帥，張慧敏，張忠婷

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.教育部草地資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

草坪是一個(gè)有機(jī)整體，由草坪草地上莖葉和根系及表土層所構(gòu)成〔1-2〕。在草坪功能作用過程中，其耗水量主要由草坪蒸散引起。影響草坪蒸散的因子包括生長因子、土壤水分因子、氣候因子等多方面，其中它們又由彼此相關(guān)的不同指標(biāo)所構(gòu)成，這些影響草坪蒸散指標(biāo)間的相互關(guān)系一直備受關(guān)注。在建立草坪蒸散模型過程中，需要從眾多影響草坪蒸散的指標(biāo)中選取具有代表性的，從而達(dá)到簡(jiǎn)化指標(biāo)的目的，做到有的放矢。目前對(duì)于影響草坪蒸散因素的研究比較單一，各因素之間的相互關(guān)系研究也較少〔3-8〕。本文以建植于2004年的庭院休閑成熟草坪為研究對(duì)象，以長期的觀測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，運(yùn)用典型相關(guān)分析方法，對(duì)影響草坪蒸散指標(biāo)的組合進(jìn)行相關(guān)性分析，從每組變量中選取能夠代表整個(gè)組合的少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)，為草坪的蒸散規(guī)律提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)而為精準(zhǔn)節(jié)水灌溉制度的建立提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古呼和浩特市內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)東校區(qū)庭院休閑草坪綠地，地處東經(jīng)111°71′、北緯40°81′，海拔為1056m，屬于典型的蒙古高原半干旱地區(qū)。年均降水量380mm左右，主要集中在7～8月份，年平均氣溫6.7℃，干燥度為1.3～3.5〔9〕。試驗(yàn)地草坪土壤基況見表1。

表1 土壤基況表Table1 The basic situation of soil

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地于2004年夏季用草地早熟禾(PoapratensisL.)草皮鋪植建成，歷年養(yǎng)護(hù)到位，修剪高度約8cm，屬成熟草坪。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)隨機(jī)設(shè)置彼此隔離的3個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積5m×10m，在每個(gè)小區(qū)四周均嵌入30cm深的防滲膜作為隔離，并設(shè)置1m寬的保護(hù)行。于2015-2018年雨季結(jié)束后每年9月和10月的上、中、下旬各選取相對(duì)晴朗的一天對(duì)試驗(yàn)所需各因素進(jìn)行同期測(cè)定，進(jìn)行試驗(yàn)前，對(duì)各小區(qū)進(jìn)行灌溉至田間持水量。

1.4 測(cè)定內(nèi)容及方法

1.4.1 生長因子測(cè)定

在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)10cm×10cm的樣方，共9個(gè)測(cè)試樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)測(cè)定草坪草的枝條數(shù)，地上生物量，枯落物量及0～30cm土層根系量。草坪草枝條數(shù)采用人工計(jì)數(shù)法，取平均值記錄其分枝數(shù)。地上生物量與枯落物量采用烘干稱重法，將樣方內(nèi)草坪草齊地面剪掉，同時(shí)將樣方內(nèi)地表枯落物收集起來，把草坪草與枯落物分別裝入已知重量的信封袋中，置于65℃烘干至恒重，用精確度0.01天平稱其各自的重量。根系量的測(cè)定采用直徑8cm根鉆取樣，取樣前將地上枯草層去除干凈，將所取土樣裝入1mm的網(wǎng)兜，采用活水沖洗方式洗凈，置于65℃烘箱烘干至恒重，稱其重量。

1.4.2 土壤水分因子測(cè)定

在每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)選取3個(gè)測(cè)試樣點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)測(cè)試樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)嵌入地下60cm深1根套管，采用智能TDR感應(yīng)器探頭(TRIME-PIOC-IPH T3)，對(duì)位于0～15cm、15～30cm、30～45cm、45～60cm土層的土壤容積含水量進(jìn)行測(cè)量。

1.4.3 氣候因子測(cè)定

從早晨6∶00時(shí)至傍晚18∶00時(shí)，每間隔2小時(shí)采用小型手持氣象儀對(duì)各小區(qū)草坪近地面15cm處的溫度、濕度、風(fēng)速等氣候因素進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)小區(qū)重復(fù)3次。

1.4.4 草坪蒸散量的測(cè)定

本研究取從早晨6∶00時(shí)至傍晚18∶00時(shí)0～30cm深度土壤含水量的差值為日蒸散量。

草坪蒸散量公式〔7〕：∑E=r+W1-W2

式中：∑E-蒸散量(mm/d)；r-某一時(shí)期內(nèi)的降水量和灌溉量(mm)；W1-某一時(shí)期開始時(shí)的土壤含水量(%)；W2-某一時(shí)期終止時(shí)的土壤含水量(%)。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析方法

使用SAS9.0(Statistical Analysis System)和Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化典型變量的線性表達(dá)式進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響草坪蒸散指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)描述

生長因子包含草坪草的枝條密度、地上生物量、枯落物和根系量，土壤水分因子包含地下土層0～15cm、15～30cm、30～45cm和45～60cm的土壤含水量，氣候因子包含近地面15cm處的溫度、濕度和風(fēng)速。對(duì)影響草坪蒸散的指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其基本統(tǒng)計(jì)特征值見表2。

表2 影響草坪蒸散指標(biāo)的基本統(tǒng)計(jì)特征值表Table2 The basic statistical characteristics of various factors affecting the lawn evapotranspiration

由表2可知，在各指標(biāo)的偏度值中，除氣候因子中風(fēng)速的偏度值較大外，其余評(píng)價(jià)指標(biāo)的偏度值都較小，符合正態(tài)分布。在各指標(biāo)的峰度值中，枝條密度、深度0～15cm土層含水量、深度15～30cm土層含水量、風(fēng)速和溫度的峰度值較大，其中風(fēng)速的峰度值為正數(shù)，表現(xiàn)為相比于正態(tài)分布該數(shù)據(jù)分布比較陡峭，為尖頂峰，而其余幾個(gè)為負(fù)數(shù)的數(shù)值相比于正態(tài)分布比較平坦，為平頂峰，其余指標(biāo)峰度值較小。生長因子中的生物量、枯落物和根系量與氣候因子中風(fēng)速和溫度的變異系數(shù)較大，說明其數(shù)據(jù)的離散程度較大，受外界因素影響較大。在上述所有指標(biāo)中，風(fēng)速的偏度、峰度和變異系數(shù)均比較大，分別為1.54、1.98和30.93%，說明其很不穩(wěn)定，受多種因素影響。

2.2 草坪蒸散量與各類型影響因子間的相關(guān)性分析

對(duì)生長因子、土壤水分因子和氣候因子與草坪蒸散量及其所含指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析，其結(jié)果見表3。

表3 草坪蒸散量與各影響因素的關(guān)系及各影響因素間的相關(guān)性Table 3 The relationship between turf evapotranspiration and various influencing factors and their correlation

由表3可知，生長因子、土壤水分因子和氣候因子與草坪蒸散量及其所包含指標(biāo)具有較強(qiáng)的相關(guān)性。在生長因子中，所包含的各指標(biāo)之間表現(xiàn)為正相關(guān)；在土壤水分因子中，不同深度土層含水量之間也表現(xiàn)為正相關(guān)；在氣候因子中，所包含的3個(gè)指標(biāo)兩兩之間均呈現(xiàn)在負(fù)相關(guān)；即所選取指標(biāo)對(duì)草坪蒸散有影響，且所包含指標(biāo)符合變量組合典型相關(guān)的要求。

2.3 影響草坪蒸散的生長因子、土壤水分因子和氣候因子組合間的典型相關(guān)分析

典型相關(guān)分析是研究?jī)山M變量間的相互依賴關(guān)系〔10-14〕，分析兩組變量之間相關(guān)性的一種方法，從每組變量中選取能夠代表整個(gè)組合的少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)，通過分析選出變量間的相關(guān)性來表示原始兩組數(shù)據(jù)間的相關(guān)性〔15-17〕。對(duì)于兩組變量X(x1，x2，...，xn)和Y(y1，y2，...，ym)，其典型相關(guān)基本步驟為，首先，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，將不同量綱的變量歸一化；其次，提取典型相關(guān)分析的綜合變量V1和W1；最后，如果提取出來的典型變量V1和W1對(duì)原始數(shù)據(jù)的解釋能力欠佳，考慮繼續(xù)提取典型變量V2和W2，以此方法重復(fù)進(jìn)行至所提取的典型變量能更好的解釋原始數(shù)據(jù)的變化。將生長因子，氣候因子和土壤水分因子進(jìn)行典型相關(guān)分析，其分析結(jié)果見表3。

表4 影響草坪蒸散的各因素組合間的典型相關(guān)分析Table 4 The typical correlation analysis of various factors affecting the lawn evapotranspiration

由表4可知，在三組變量組合中，兩兩之間均具有顯著的相關(guān)性。生長因子與氣象因子的典型相關(guān)系數(shù)為0.71，表明氣候因子對(duì)草坪生長因子有影響，即溫度、濕度和風(fēng)速對(duì)枝條密度、地上生物量、枯落物和根系量有影響。在該模型中，地上生物量在生長因子的線性組合中負(fù)荷量最大，溫度在氣候因子的線性組合中負(fù)荷量最大，分別為0.83和1.22，表明地上生物量受氣候因子中溫度的影響最大。

氣候因子與土壤水分因子的典型相關(guān)系數(shù)較小，為0.65，表明氣候因子對(duì)土壤水分因子影響較弱，即溫度、濕度和風(fēng)速與土壤不同土層含水量的相關(guān)性較弱。在該模型中，溫度和濕度在氣候因子線性組合中負(fù)荷量較大，為0.9和1.06，而15～30cm土層含水量和30～45cm土層含水量在土壤水分因子的線性組合中負(fù)荷量較大，分別為0.95和1.17，表明溫度主要影響地下0～45cm土壤含水量。

相比于其他兩個(gè)組合，生長因子與土壤水分因子之間的典型相關(guān)系數(shù)最小，為0.62，表明土壤水分對(duì)草坪生長因子的影響程度最小，即枝條密度、地上生物量、枯落物和根系量與土壤含水量相關(guān)性較弱。在第一對(duì)模型中，枯落物和地上生物量在生長因子的線性組合中負(fù)荷量較大，分別為0.51和0.49；同時(shí)30～45cm土層含水量在土壤水分因子線性組合中負(fù)荷量較大，為0.74，在第二對(duì)模型中，枯落物和地上生物量在生長因子的線性組合中負(fù)荷量較大，為1.05和0.90；30～45cm土層含水量、15～30cm土層含水量和0～15cm土層含水量在土壤水分因子線性組合中負(fù)荷量較大，為0.87、0.83和0.45。綜合兩個(gè)變量組合模型，表明地上生物量和枯落物主要受0～45cm深度土壤含水量的影響。

3 討論

目前，簡(jiǎn)單相關(guān)或回歸分析方法只是通過考慮單個(gè)指標(biāo)間的關(guān)系，不容易抓住問題的本質(zhì)，不能反映一組變量與另一組變量的內(nèi)在關(guān)聯(lián)〔18〕。典型相關(guān)分析在兩組變量組合間的相關(guān)分析和預(yù)測(cè)分析中得到了廣泛應(yīng)用，是研究變量組合間關(guān)系的重要方法，但在草坪方面的應(yīng)用較少。在王倩〔11〕環(huán)境因素對(duì)檸條生長的研究中，得出土壤含水量對(duì)檸條的生長有較大影響，且檸條的生長又制約著地下土壤含水量，同時(shí)氣象因子對(duì)土壤含水量也有一定的作用。孫中峰〔19〕、孫中文〔20〕的研究表明，地形、植被等多重因子的共同作用導(dǎo)致了土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，土壤水分動(dòng)態(tài)變化又是限制植被生長的主要因素。趙艷云〔21〕通過對(duì)檸條林的研究，得出生物量受不同坡位的影響，水分是其生長的主要限制因子。

本文通過分析得出，在影響草坪蒸散指標(biāo)組間關(guān)聯(lián)上起主要作用的生長因子指標(biāo)是地上生物量和枯落物。這與草坪蒸散由土壤蒸發(fā)和植物蒸騰兩部分組成相對(duì)應(yīng)，修剪留茬高度一定，地上生物量越多，用于蒸騰失水的葉面積也就越多，因而對(duì)草坪蒸散的影響也越大；枯落物則是從影響土壤蒸發(fā)的角度進(jìn)而影響蒸散量，枯落物越多，對(duì)地表的覆蓋程度越大，進(jìn)一步影響蒸散。起主要作用的土壤水分因子指標(biāo)是0～45cm深度土壤含水量，這說明草坪蒸散的水分主要源于由近地表水分。起主要作用的氣候因子指標(biāo)是溫度。綜上所述，利用典型相關(guān)分析簡(jiǎn)化影響草坪蒸散指標(biāo)是有效的。通過分析簡(jiǎn)化后指標(biāo)間的關(guān)系，得出組合間的關(guān)系為土壤水分因子和氣候因子共同影響生長因子，氣候因子影響土壤水分因子，這說明良好的生長不僅需要適宜的外界氣候，同時(shí)需要水分的供應(yīng)，而水分的多少又受氣候環(huán)境的影響。對(duì)于上述3個(gè)組合所包含的指標(biāo)的關(guān)系可以概括為0～45cm深度土壤含水量和溫度共同影響地上生物量和枯落物，溫度主要影響地下0～45cm土壤含水量。對(duì)于氣候因子中溫度對(duì)生長因子中地上生物量和枯落物影響較大的這一結(jié)果，這是由于適宜的溫度使得植物生長發(fā)育良好，有機(jī)物合成多，生長迅速，地上生物量增加，而地上生物量又會(huì)由于自然或人為其他因素的影響，使得部分枝條凋落，進(jìn)而形成枯落物。

4 結(jié)論

影響草坪蒸散的生長因子、土壤水分因子和氣候因子間均存在顯著相關(guān)性，生長因子與氣候因子的關(guān)系最為密切，相關(guān)系數(shù)為0.71；其次是氣候因子和土壤水分因子，相關(guān)系數(shù)為0.65；生長因子與土壤水分因子的典型相關(guān)系數(shù)最小，為0.62。綜合全部典型相關(guān)分析結(jié)果，在影響草坪蒸散生長因子中起主要作用的是地上生物量和枯落物，土壤水分因子中是0～45cm深度土壤含水量，氣候因子中是溫度。