本文发表于《中国水土保持科学》2024年第22卷第3期“研究快报”栏目。
旨为精准确定在充分供水状态下栓皮栎幼苗的叶气温差与大气饱和水汽压差(VPD)的线性回归关系，从而对前人得出的CWSI(crop water stress index)经验模型进行优化。在河南农业大学林学院科研基地盆栽栓皮栎幼苗，用干湿参考面法，测定气温、太阳辐射、叶气温差、大气饱和水汽压差，通过能量平衡原理理论分析和计算，确定栓皮栎幼苗的CWSI模型合理的上、下基线。
干旱缺水影响植物正常生长，生态系统就会破坏，受损生态系统的恢复也会因水分缺乏而变得困难。在山地还直接导致水土流失加速。干旱使土壤水分缺乏导致植物水分吸收不足、蒸腾作用受阻，光合作用降低，进而影响非结构性碳积累和结构器官建成。了解植物受干旱胁迫影响，首先要测定土壤水分含量，其次是植物对水分变化的响应，以及生态系统主要植物对水分需求的量值，即植物受旱响应指标。植物对水分胁迫有一定耐受力，不同程度的干旱对植物产生危害程度不一。所以，了解土壤水分的动态变化和植物的响应程度，需要长时间系统的土壤水分监测。
土壤水分监测，主要有土钻法、挖掘法、中子仪法、微根管法，以及时域反射仪法等方法。土钻法原理简单，测定数据准确，但测定效率低；中子仪法可连续多次测定，获得土壤水分动态，但仪器价格高；电容式传感器可多点连续测定，测量土壤水分效率高，但数据准确性不高。这些方法还存在一个共同问题是因布点数量有限，获得的数据有限。研究发现，感知植物叶温可以了解土壤水分，它能较好地被无人机和遥感平台利用。
植物的叶温与气温不同，叶温和气温之差称为叶气温差(或冠气温差)。叶气温差的大小与土壤水分有较好的相关规律，这使遥感大面积获知土壤水分成为现实。1981年由Jackson等提出作物水分胁迫指数(crop water stress index，CWSI)理论模型，后经过很多学者进一步完善。CWSI模型在农业、林业、园林、生态等很多领域起到很大的作用，但该模型的下基线确定不准确。尽管研究CWSI模型的学者都确定其下基线，但理论参数不易确定，或经验方法的理论依据不足，使确定下基线及由此得到的CWSI模型诊断结果不能令人满意。笔者以栓皮栎(Quercus variabilis)为对象，通过叶片表面能量平衡分析，确定CWSI模型下基线。为精确控制和测定土壤水分，采用盆栽法。为消除单花盆种植的边际效应，将花盆按小区布置，边缘加保护行。叶温测定采用热电偶法，以获得更准确的叶温，确定准确的下基线。
讨论：
Payero等研究CWSI模型上下基线，认为太阳辐射是主要因子，与本研究结果一致。赵福年等发现施氮和作物生长也影响下基线。Testi等认为受太阳辐射影响，模型基线有日变化，但没有量化。Yazar等研究认为气象因素的差异是影响CWSI模型上下基线的最主要因子，Jensen等认为辐射和风速使CWSI模型基线的回归性较差，在本研究中得到印证，推荐在12：00时测定叶气温差和气象数据，进行CWSI计算。而且发现风对叶温影响较大，因此推荐静风或微风时进行测定。
Idso等建立了26种不同作物物种的下基线，发现晴天下基线截距明显大于多云天气，但单纯的经验模型没有很强的适用性。Taghvaeian等建立的玉米的CWSI模型下基线呈环形，不能很好地展现叶气温差与VPD的相关关系。Alderfasi等研究计算出的冬小麦CWSI模型中的下基线与Howell等得出的下基线有很大程度上的不同，表现为基线斜率的不同，且下基线截距前者明显小于后者，相关性也不同。综合来看，纯经验模型下基线的不确定性给CWSI模型的推广带来了一定的局限。
笔者根据能量平衡原理对CWSI模型中的下基线进行改进。CWSI模型包括经验模型和理论模型。经验模型的参数简单，但考虑的因子数量不足，影响模型应用；理论模型的线性回归关系复杂，难以进行试验验证。所以两者都具有一定的局限性。本研究由前人的纯经验下基线上升为半经验半理论的下基线，是综合二者的特点的优化。
结论：
1) 通过能量平衡方程的热量收支计算方法可以更准确确定叶气温差与VPD的关系，进而优化CWSI模型。
2) 对于栓皮栎，用干湿参考面法修正了CWSI经验模型下基线，计算得出栓皮栎下基线的线性回归方程为Δt湿=-1.218V+1.987，通过干参考面法确定了CWSI经验模型中的上基线为Δt干=0.007Q+1.621。并求出优化下基线后的栓皮栎CWSI经验模型：
3) 用栓皮栎叶气温差结合太阳辐射和空气湿度θ诊断土壤水分的模型为θ=-24.65I+27.91。
4) 用本研究相同的方法构建不同作物的CWSI模型和土壤水分诊断模型，可以根据遥感叶温和气象站的太阳辐射、气温和空气湿度诊断不同农作物或林木植物的土壤湿度。
栓皮栎干参考面叶气温差与太阳辐射的关系
栓皮栎湿参考面叶气温差与饱和水气压差的关系
土壤水分诊断的叶气温差和土壤湿度
栓皮栎干旱胁迫指数与土壤湿度之间的关系
王谦, 解英超, 李明蔚, 李强, 陈景玲, 寇渊博. 基于能量平衡原理的栓皮栎幼苗土壤水分胁迫指数下基线研究[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(3): 162-168. DOI: 10.16843/j.sswc.2022167.
WANG Qian, XIE Yingchao, LI Mingwei, LI Qiang, CHEN Jingling, KOU Yuanbo. Study on base line of CWSI for Quercus variabilis seedlings based on energy balance principle[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(3): 162-168. DOI: 10.16843/j.sswc.2022167.
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