改进一种简约模型，通过基于冠层内空气温度的水分胁迫指数来模拟城市树木的蒸腾作用

《Agricultural and Forest Meteorology》：Improving a parsimonious model for simulating urban tree transpiration using a water stress index based on within-canopy air temperature

本研究改进了BTA蒸散模型，引入基于树冠内空气温度（Tc）与参考温度（Tr）的归一化水分胁迫指数（NCTI），通过七棵街道树木的蒸散观测数据验证模型性能。结果表明，改进后的BTA-Tc模型在干旱期显著降低BTA模型的过估计问题，Nash-Sutcliffe效率提升10%。NCTI能有效捕捉不同树种（灰盒树与白杉树）季节性水分胁迫特征，并证实街道干井装置可减少早旱季25%的水分胁迫。该模型为城市树木水分利用监测与绿色基础设施评估提供了实用工具。

　　城市树木在城市生态系统中扮演着至关重要的角色，它们通过蒸腾作用有效地降低城市地表温度，从而缓解城市热岛效应。然而，在城市环境中，准确估计树木的蒸腾量（E_c）仍然是一个挑战，这主要由于缺乏可靠的评估方法以及对树根区土壤湿度的监测存在固有复杂性，尤其是在干旱时期。本研究改进了一种简化机制模型（BTA，Buckley, Turnbull & Adams），引入了一种新的基于树冠内空气温度（T_c）和灌溉公园参考温度（T_r）的归一化树冠温度水分胁迫指数（NCTI），以更精确地评估树木水分状况。

在干旱时期，原版BTA模型常常高估蒸腾量，这使得其在评估城市树木的水分状况时存在偏差。本研究通过将T_c与T_r的差异作为水分胁迫的指标，有效提升了模型的准确性。测试结果表明，改进后的BTA-T_c模型在两种树种（白木（Melia azedarach）和灰箱（Eucalyptus microcarpa））的蒸腾量预测上，总体的纳什-苏特cliffe效率（NSE）提升了10%。这表明，新的NCTI能够更好地反映树木在不同季节中的水分胁迫模式。对于白木树，水分胁迫主要通过早晨的空气升温速率来识别；而对于灰箱树，水分胁迫则主要通过下午的温度差异来判断。

研究还发现，NCTI能够有效展示城市绿地设计中的水分敏感装置（如干井）在缓解街道树木水分胁迫方面的积极作用。特别是在干旱季节初期，这些装置显著提升了树木的水分供应。这种改进后的模型不仅适用于特定的树种和地点，而且由于其数据需求简单，可以轻松应用于其他地区、树种或气候条件，从而为监测城市树木的水分使用和评估绿色基础设施在变化气候条件下的表现提供了一种实用的方法。

城市树木所面临的环境条件与自然环境中的树木存在显著差异，包括污染、人为破坏、高温、根部空间受限以及大气水分需求增加等因素。这些条件使得树木的水分供应更为有限，进而影响其蒸腾作用和冷却效果。传统的蒸腾量监测方法，如涡度协方差法，由于需要较大的风向区域，通常不适用于城市环境。土壤-植物水文模型则因难以准确监测根部区域的水分状况而受到限制，尤其是在城市街道中存在不透水表面、土壤压实和复杂的地下结构（如管道和设备）的情况下。

本研究中使用的BTA模型基于叶级生理反应的机制模型，其简化版本仅需短波辐射和水汽压亏缺等基础数据即可运行。尽管该模型在稳定的水分条件下表现良好，但在水分供应波动较大的情况下，其预测能力受到限制。为了克服这一问题，研究团队引入了基于T_c的水分胁迫函数，从而提升模型在干旱条件下的表现。该函数利用树冠内空气温度与参考温度之间的差异，以反映水分供应的动态变化。

研究中安装了iButton传感器，用于测量树冠内空气温度，这些传感器放置在接近垂直的枝干上，并配备太阳辐射屏蔽器以减少辐射对温度测量的影响。同时，气象数据（包括空气温度、太阳辐射、降水量和风速）来自附近的一个城市公园气象站，该站定期灌溉，提供了无水分胁迫的参考温度。这些数据被用于模型的运行和潜在蒸腾量（E_c）的计算。

在模型校准和验证过程中，采用了遗传算法进行参数优化，将数据分为校准集和验证集，以评估模型的性能。结果显示，对于灰箱树，使用基于下午温度差的NCTI（f_2）模型在提升模型精度方面表现最佳；而对于白木树，使用基于早晨温度变化率的NCTI（f_5或f_6）模型更为有效。这种差异反映了不同树种在水分胁迫响应上的独特性。

此外，研究还通过比较装有干井和未装干井的街道上的NCTI值，揭示了干井在缓解树木水分胁迫方面的实际效果。结果显示，在干旱季节初期，干井能够减少树木水分胁迫达25%。然而，在干旱季节后期，这种效果并不显著，表明干井的水分储存效果有限。

研究团队还发现，不同树种的NCTI值存在差异，这可能是由于它们在水分利用和蒸腾反应上的不同生理机制所致。尽管需要进一步的生理测量（如气孔导度和植物水分势）来验证这一假设，但NCTI的引入为城市树木水分胁迫的评估提供了一种新的视角。通过结合树冠内空气温度和参考温度，NCTI不仅能够捕捉水分胁迫的季节性变化，还能为城市水资源管理和绿色基础设施评估提供实用工具。

综上所述，本研究展示了通过引入NCTI来改进BTA模型在城市环境中评估树木蒸腾和水分胁迫的有效性。这种方法不仅提高了模型的准确性，还为城市树木的水分管理提供了新的思路和工具，有助于缓解城市热岛效应和提升城市绿化效果。