付剛,沈振西,張憲洲,武建雙,石培禮
(1.中國科學院地理科學與資源研究所 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室 拉薩高原生態(tài)系統(tǒng)研究站,北京100101;2.中國科學院研究生院,北京100049)
蒸散(evapotranspiration,ET)包括植被蒸騰(vegetation transpiration)和土壤蒸發(fā)(soil evaporation)2個部分,它是一個水從土壤、植被向大氣輸送的過程。在全球尺度上,幾乎2/3的降水將以蒸散的形式歸還給大氣[1]。同時在大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中,蒸散是水分收支平衡關(guān)系中的第二大組成部分[2],因此,蒸散在水循環(huán)過程中是一個非常重要的因子。
遙感以其獨特的優(yōu)勢為點到面的外推提供了可能,因此,遙感模型被極力推薦作為大區(qū)域連續(xù)蒸散管理的方法[3,4]。近年來,已有很多研究成功地運用遙感方法對蒸散進行了模擬[1,3,5-12]。
目前,物理模型和經(jīng)驗模型是2種常用的預測蒸散的方法[3]。物理模型是建立在表面能量平衡概念基礎上的,通過能量平衡等式對蒸散進行預測。其中,Penman-Monteith模型就是一個被廣泛運用的蒸散物理模型[13-16]。但是,Penman-Monteith蒸散模型自身存在缺點,它需要氣象數(shù)據(jù)、空氣動力學表面阻力參數(shù)作為輸入因子[3],這就限制了該模型的實際運用。而經(jīng)驗模型主要是建立植被指數(shù)(vegetation indices,VI)與蒸散間的統(tǒng)計關(guān)系并以此為基礎對蒸散進行預測。近年來,已有一些研究者成功利用經(jīng)驗統(tǒng)計模型,將渦度相關(guān)技術(shù)得到的水、碳通量外推到區(qū)域尺度。Zhang等[3]在森林生態(tài)系統(tǒng)中建立了增強型植被指數(shù)(enhanced vegetation indices,EVI)和蒸散間的關(guān)系。Nagler等[17]則指出通量觀測的蒸散和EVI有著很強的線性關(guān)系。Cleugh等[7]則利用通量數(shù)據(jù)和Penman-Monteith模型對蒸散進行了成功的模擬。這些研究結(jié)果為基于遙感和通量觀測的蒸散模擬提供了可靠依據(jù)。
很多研究并不是直接模擬蒸散,而是利用遙感對蒸散比(蒸散和可利用能量的比值)或者水分利用效率(water use efficiency,WUE)進行估計的方式間接模擬蒸散[1,3,5,11,12]。
高寒草甸是青藏高原典型植被之一,面積約1.2×106km2,相當于西藏全區(qū)草地總面積的30.92%;它在亞洲中部高寒環(huán)境以及世界高寒地區(qū)都具有代表性[18]。因此,對于高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的蒸散研究就顯得非常有意義?;诖?,本研究利用中分辨率成像光譜儀(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)影像數(shù)據(jù)和通量觀測數(shù)據(jù)模擬了藏北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的蒸散。
本研究的蒸散模型是建立在總初級生產(chǎn)力(gross primary productivity,GPP)和 WUE之比的概念上的。首先,利用植被指數(shù)和氣象數(shù)據(jù)建立WUE模型,然后利用植被光合模型模擬的GPP和WUE模型對蒸散進行模擬。
通量觀測系統(tǒng)(91°04′E,30°30′N)位于拉薩市當雄縣草原站,該站距當雄縣城約3 km,地處念青唐古拉山的南緣,屬丘間盆地類型,地勢平坦。當雄縣素有拉薩北大門之稱,平均海拔4 200 m,位于藏北藏南的交錯地帶。該地區(qū)屬于高原性季風氣候。降水量有明顯的季節(jié)之分,80%的降水集中在生長季節(jié)的6-8月份。冰凍期較長,持續(xù)3個月(11月至翌年1月)。土壤類型為高寒草甸土,土壤厚度30~50 cm。植物根系主要分布在0~20 cm土層內(nèi)。植被類型屬于典型的藏北嵩草草甸植被,主要的植被類型有藏北嵩草(Kobresialittledalei)沼澤草甸和草原化小嵩草(K.parva)草甸。草原化小嵩草草甸的建群種主要有小嵩草、絲穎針茅(Stipacapillacea)、窄葉苔草(Carexmontis-everestii)等,伴生有多種密叢生嵩草。
通量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)取自當雄通量觀測系統(tǒng),該通量觀測系統(tǒng)以開路渦度相關(guān)系統(tǒng)(open-path eddy covariance system)為主,并對常規(guī)氣象要素進行觀測。該系統(tǒng)自2003年7月份開始運行。常規(guī)氣象要素主要包括光合有效輻射、空氣溫/濕度、水汽壓、降水量、土壤溫/濕度和顯熱/潛熱通量等。
本研究將光合有效輻射(photosynthetically active radiation,PAR)>10μmol/(m2·s)時作為白天,而光合有效輻射(PAR)≤10μmol/(m2·s)時作為晚上。摩擦風速u*的閾值采用了0.15 m/s。本研究假定白天和晚上的生態(tài)系統(tǒng)呼吸對溫度的響應一致,因此,可以利用晚上的生態(tài)系統(tǒng)呼吸模擬方程和白天的土壤溫度估計白天的生態(tài)系統(tǒng)呼吸。首先,利用Van’t Hoff指數(shù)關(guān)系,將晚上的u*>0.15 m/s的凈生態(tài)系統(tǒng)交換量(nighttime net ecosystem exchange,NEEn)數(shù)據(jù)和土壤5 cm 處的溫度(soil temperature,Ts)進行擬合,式(1)。然后根據(jù)擬合的方程和白天5 cm的土壤溫度估計白天的生態(tài)系統(tǒng)呼吸(ecosystem respiration,Re),用白天的凈生態(tài)系統(tǒng)交換量(daytime net ecosystem exchange,NEEd)減去估計的白天的生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re)就可以得到總初級生產(chǎn)力GPP,式(2)。利用GPP和PAR的關(guān)系,可以對缺失的GPP進行插補,進而可以將GPP合成為每8 d的GPP,從而可以與MODIS數(shù)據(jù)進行匹配。
本研究中的生態(tài)系統(tǒng)水平的水分利用效率WUE(g C/mm H2O)指的是每8 d的GPP和ET之比。利用通量觀測系統(tǒng)可以得到每8 d的GPPEC和ETEC,進而可以求得通量觀測的水分利用效率(WUEEC)。
本研究利用了MODIS的MOD09A1數(shù)據(jù)產(chǎn)品,該產(chǎn)品包括每8 d的7個波段的反射率值和一些質(zhì)量控制數(shù)據(jù)等。這7個波段分別對應可見光波段的紅波段(620~670 nm)、藍波段(459~479 nm)、綠波段(545~565 nm),2個近紅外波段(841~876 nm,1 230~1 250 nm)和2個短波紅外波段(1 628~1 652 nm,2 105~2 155 nm)。本研究利用了紅波段、近紅外波段(841~876 nm)、藍波段和短波紅外波段(1 628~1 652 nm)分別計算了歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation indices,NDVI)、增強型植被指數(shù)(enhanced vegetation indices,EVI)和陸地表面水分指數(shù)(land surface water indices,LSWI)。
式中,ρred、ρnir和ρblue分別是 MODIS傳感器第1,2和3波段的數(shù)據(jù),而ρswir是第6波段的數(shù)據(jù)。系數(shù)G=2.5,C1=6,C2=7.5,L=1[19,20],其中C1和C2是氣溶膠等大氣影響物的校正系數(shù);L是冠層背景和雪覆蓋校正系數(shù)[19,21]。
蒸散ET是利用GPP和WUE得到的,即:
GPP是通過光合植被模型(vegetation photosynthetic model,VPM)估計的。式中,VIs表示植被指數(shù),Ta表示空氣溫度。關(guān)于VPM的詳細介紹可參照Xiao等[22-25]文獻。
為了得到WUE方程,即方程(7),對通量塔觀測的生長季節(jié)(5-10月)的水分利用效率(WUEEC)和植被指數(shù)(NDVI、EVI和LSWI)的關(guān)系,以及 WUEEC和氣象數(shù)據(jù)[包括光合有效輻射(photosynthetically active radiation,PAR)、空氣溫度(air temperature,Ta)、空氣相對濕度(relative air humidity,Ha)、土壤含水量(soil water content,SWC)、水汽壓(vapor pressure,Pv)、降水(precipitation,Precip)、潛熱通量(latent heat flux,LE)和顯熱通量(sensible heat flux,H)]的關(guān)系進行了分析。
簡單的線性相關(guān)分析表明,WUE和 NDVI(r=0.616)、EVI(r=0.584)、LSWI(r=0.472)、SWC(r=0.414)、H(r=-0.587)以及PAR(r=-0.461)都達到了極顯著水平;并且和 Ha(r=0.350)、Pv(r=0.345)也達到了顯著性水平;而和 Ta(r=0.145)、Precip(r=0.236)、LE(r=-0.058)沒有達到顯著性水平。
NDVI、EVI、LSWI、SWC、H、PAR、Ha和Pv(這8個因子和WUE的相關(guān)性都達到了顯著性水平)的相關(guān)分析結(jié)果表明(表1),每個因子都至少和其中4個其他因子的相關(guān)性達到了顯著或極顯著水平,說明沒有必要將這8個因子同時用來模擬WUE,而只需要從中篩選出1~3個因子即可。所采用的篩選方法是多重逐步線性回歸分析,使用軟件是SAS 9.1。
表1 與水分利用效率有顯著相關(guān)關(guān)系的8個因子間的相關(guān)分析Table 1 Correlation analysis among 8 factors which all have significant correlation with water use efficiency
鑒于截距項可能會影響自變量因子進入回歸方程的機會,因此,對有截距項和無截距項2種情況分別進行了多重逐步線性回歸分析。無論是否考慮截距項,都是NDVI入選,決定系數(shù)R2分別為0.362 6(有截距項)和0.893 0(無截距項);且考慮截距項時,截距項并沒有達到顯著水平(P=0.861 7),說明,此時截距項對解釋 WUE意義不大,因此,本研究只考慮沒有截距項的NDVI模擬的 WUE回歸方程(WUENDVI=1.255 0NDVI,P<0.000 1,n=46)。
如果只對氣象因子(SWC、H、PAR、Ha和Pv)和WUE進行多重逐步線性回歸分析,則考慮截距項時,H入選(WUEH=-0.010 8H+0.741 1,R2=0.326 4,P=0.000 1,n=46);而不考慮截距項時,Ha入選(WUEHa=0.629 7Ha,R2=0.848 6,P<0.000 1,n=46)。因此,雖然 Ha和 WUE的相關(guān)系數(shù)的絕對值小于 H 和 WUE的絕對值,但Ha比H更能解釋WUE的變異程度。
H和Ha都能夠在一定程度上解釋WUE的變異性,但是如果將兩者同時引入到WUE回歸方程中,會使得其中一個因子的估計值不能達到顯著水平,這可能與兩者的相關(guān)性較高有關(guān)(r=-0.785,P<0.01)。
簡單線性相關(guān)分析和多重逐步線性回歸分析結(jié)果表明,不同因子對WUE的影響程度不同。
經(jīng)T檢驗,WUEEC和 WUENDVI、WUEHa都沒有顯著性差異,而和 WUEH有顯著性差異,這可能和 WUE模擬方程的R2值有關(guān)(NDVI和Ha模擬的方程的R2值都在0.8以上,而H模擬的R2值則不到0.33)。同時,WUENDVI和WUEHa也沒有顯著性差異,且都與WUEH有顯著性差異。這表明,H對WUE的模擬效果最差。
WUEEC和模擬的水分利用效率(WUENDVI、WUEHa和 WUEH)都表現(xiàn)出了明顯的季節(jié)變化(圖1,表2):基本上為單峰曲線,峰值一般出現(xiàn)在生長旺季的7-8月份;總的來說,返青期(第121~152天)和枯黃期(第249~304天)都比生長期(第153~248天)的小。
圖1 通量觀測的水分利用效率和模擬的水分利用效率的季節(jié)變化Fig.1 Seasonal change of observed water use efficiency and modeled water use efficiency
2004-2005年WUE的年際變化趨勢(表2)是:返青期,除了2004年的 WUEEC大于2005年的 WUEEC外,模擬值都是2004年的小于2005年;生長期的值則都是2004年的大于2005年;枯黃期,WUEEC和WUEH都是2004年的大于2005年,而WUENDVI和WUEHa則是2004年的小于2005年。
通量觀測的蒸散(ETEC)和模擬的蒸散(ETNDVI、ETHa和ETH)的季節(jié)變化趨勢一致(圖2,表3):ET曲線為單峰曲線,模擬的ET曲線峰值出現(xiàn)在生長旺季的7-8月份;返青期(第121-152天)和枯黃期的值(第249-304天)都比生長期(第153-248天)的小。
2004-2005年ET的年際變化趨勢(表3)是:返青期的值都是2004年的大于2005年;生長期,除了2004年的ETNDVI小于2005年外,ETEC、ETHa和ETH都是2004年的大于2005年;枯黃期則都是2004年的小于2005年。2005年返青期的ETHa和ETH的平均數(shù)小于其標準差(表3),這說明Ha和H對返青期的ET的模擬效果較差。
表2 不同物候期的水分利用效率比較Table 2 Different phonological water use efficiency g C/mm H2 O
圖2 通量觀測的蒸散和模擬的蒸散季節(jié)變化Fig.2 Seasonal change of observed evapotranspiration and modeled evapotranspiration
2004和2005年枯黃期的最后一個8天(第297~304天)的ET量都為0(圖2),這主要是因為用VPM估計GPP時,由于此階段的空氣溫度已經(jīng)低于本研究在該模型中設定的最小空氣溫度(0℃),從而使得此時的GPP值為0。
2004年和2005年生長季節(jié)(5-10月份)的 ETEC、ETNDVI、ETHa和 ETH總量分別為541.716,678.646,713.321,1 081.969和407.042,697.108,655.209,1 026.448 mm H2O/m2。這些數(shù)據(jù)表明,模擬的生長季節(jié)的ET總量大于ETEC總量,其中ETH總量最大;除了ETNDVI外,2005年生長季節(jié)的ET總量小于2004年的;2004年生長季節(jié)的ETNDVI總量小于ETHa總量,而2005年生長季節(jié)的ETNDVI總量則大于ETHa總量。
通量觀測的蒸散(ETEC)和模擬的蒸散(ETH、ETHa和ETNDVI)的簡單線性回歸(圖3,表4)表明,2004年的模擬值比2005年的更接近于ETEC,即2004年的模擬結(jié)果好于2005年的;ETHa和ETNDVI比較接近,且都小于ETH,即H的模擬效果最差,這與前面提到的H對WUE的模擬效果最差一致;2004年NDVI的模擬效果好于Ha的模擬效果,而2005年則是Ha的模擬效果好于NDVI的。
2004-2005年2個生長季的ETEC和ETHa、ETNDVI的線性回歸方程分別是ETHa=1.311 8ETEC(R2=0.748 7,n=46,P<0.000 1)和 ETNDVI=1.298 5ETEC(R2=0.802 9,n=46,P<0.000 1),表明NDVI的模擬效果好于Ha。
表3 不同物候期的蒸散比較Table 3 Different phonological evapotranspirationmm H 2 O/m2·d
圖3 通量觀測的蒸散和模擬的蒸散的線性擬合Fig.3 Linear fitting between modeled evapotranspiration and observed evapotranspiration
為了定量分析蒸散差值(ETEC-ETHa和ETEC-ETNDVI)的影響因子,本研究對蒸散差值和一些可能會造成該差值的11個因子(包括 WUEHa/WUENDVI、GPPVPM、NDVI、LSWI、EVI、SWC、PAR、Ha、Pv、H 和LE)進行了簡單的線性相關(guān)分析和多重逐步線性回歸分析。
簡單的相關(guān)分析表明:ETEC-ETHa和PAR、GPPVPM、NDVI、EVI、LSWI、WUENDVI的相關(guān)性分別都達到了顯著或極顯著水平,和其他5個因子的相關(guān)性沒有達到顯著性水平;而ETEC-ETNDVI和Ha、PAR、GPPVPM、WUEHa的相關(guān)性分別都達到了極顯著水平,和其他7個因子的相關(guān)性沒有達到顯著性水平。
多重逐步線性回歸分析結(jié)果表明,ETEC-ETHa和ETEC-ETNDVI的回歸方程分別是ETEC-ETHa=0.045 7PAR+2.405 4GPPVPM-4.606 4EVI-0.046 4LE (R2=0.942 5,P<0.000 1,n=46)和ETEC-ETNDVI=0.050 1PAR+1.322 0 GPPVPM-1.839 1EVI-0.036 3LE(R2=0.908 4,P<0.000 1,n=46)。
影響WUE的因子很多,包括來自植物的內(nèi)在因子和來自環(huán)境的外在因子[26,27]。不同的研究者對此的看法不盡相同。黃立華等[28]在對羊草(Leymuschinensis)受蘇打鹽堿脅迫下的 WUE進行研究時指出,隨著鹽堿迫害程度的增大,WUE有所提高。劉國利等[29]在研究紫花苜蓿(Medicagosativa)WUE時指出,水分脅迫可提高紫花苜蓿的 WUE。孫洪仁等[30]指出,紫花苜蓿不同茬次間的 WUE有差異。鄭有飛等[31]對小麥(Triticumaestivum)的 WUE的研究結(jié)果顯示,影響WUE的主要因子為光照、相對濕度、氣孔傳導率和土壤肥力等。楊秀芳等[32]則指出,WUE隨光合有效輻射通量密度的增大呈拋物線狀變化。Hatfield等[33]指出土壤管理措施(如耕種)能夠增加25%~40%的WUE。邵新慶等[34]則認為麥草覆蓋和免耕技術(shù)是提高WUE的重要措施之一。Oweis等[35]研究表明,WUE受灌溉、氮素和播種期的影響。Alfieri等[1]在用植被蒸騰模型對美國大平原草地的蒸騰效率進行模擬時,則假定WUE是個恒值。Zhang等[3]在對長白山地區(qū)森林的ET進行遙感模擬時指出,ET和NDVI、EVI以及空氣溫度的相關(guān)性很高,且和EVI的關(guān)系強于和NDVI的關(guān)系。
本研究結(jié)果表明,WUE和NDVI的關(guān)系最為密切;在只考慮氣候因子的情況下,WUE和H、Ha的關(guān)系最為密切。WUE和NDVI的相關(guān)關(guān)系強于WUE和EVI的,這一點和Zhang等[3]的結(jié)果恰好相反,這可能和植被類型有關(guān)[36-40],本試驗研究的是藏北地區(qū)的高寒草甸,而Zhang等[3]研究的是東北地區(qū)長白山的森林植被。除此之外,WUE還受到CO2的影響[41]。
表4 通量觀測的蒸散和模擬的蒸散的線性回歸方程(n=23)Table 4 Linear regression equations between observed evapotranspiration and modeled evapotranspiration from 2004 to 2005,respectively
簡單的線性相關(guān)分析和多重逐步回歸分析結(jié)果都顯示NDVI是最好的模擬WUE的因子。雖然2004年NDVI的ET模擬效果好于Ha的模擬效果,而2005年則是Ha的模擬效果好于NDVI的,但是綜合2004和2005年2個生長季節(jié)的ET數(shù)據(jù),可以得到NDVI的模擬效果好于Ha的??傊?,在研究的時間段內(nèi),NDVI是反應高寒草甸植被生態(tài)系統(tǒng)的WUE和ET的最好因子。
模擬的蒸散值大于通量觀測值(圖2,表4),尤其是2005年的更為明顯,即觀測的蒸散和模擬的蒸散間存在著不一致。產(chǎn)生不一致的可能原因來自2個方面,一是WUE的模擬;二是GPP的模擬。WUE的模擬是基于NDVI或氣候數(shù)據(jù)(Ha和H);GPP的模擬是基于VPM。所有影響WUE和GPP模擬的因子都可能造成觀測蒸散和模擬蒸散間的不一致。雖然NDVI或Ha模擬的WUE方程能夠解釋84%以上的WUE變異,且模擬的水分利用效率(WUENDVI和WUEHa)和觀測的水分利用效率(WUEEC)間差異不顯著,但是模擬的水分利用效率并沒有100%解釋WUEEC的變異,即模擬的水分利用效率和WUEEC間仍存在某種或幾種因素能夠解釋不足16%的WUEEC變異。植被光合模型模擬的總初級生產(chǎn)力(GPPVPM)和通量觀測的總初級生產(chǎn)力(GPPEC)兩者間的差異并不顯著,但該差異仍可能會對蒸散的模擬造成影響,關(guān)于可能會對GPP的模擬產(chǎn)生影響的因素的相關(guān)介紹可參照 Xiao等的研究[22-25]。
觀測的蒸散和模擬的蒸散的差值(ETEC-ETHa和ETEC-ETNDVI)的多重逐步線性回歸分析結(jié)果顯示,觀測的蒸散和模擬的蒸散間的差異主要由PAR、GPPVPM、EVI和LE共同解釋(R2>0.90)。與此同時,相關(guān)分析結(jié)果表明,ETEC-ETHa和其中的PAR、GPPVPM、EVI的相關(guān)性分別都達到了顯著性水平;而ETEC-ETNDVI和其中的PAR、GPPVPM的相關(guān)性分別都達到了極顯著水平。因此,ETEC-ETHa主要受PAR、GPPVPM和EVI的影響;而ETEC-ETNDVI主要受PAR和GPPVPM的影響。GPP是ET模擬中的一個關(guān)鍵因子,因此,GPP對觀測蒸散和模擬蒸散間的不一致可能會產(chǎn)生影響。PAR不僅是VPM中的一個重要參數(shù)[22-25],對于GPPVPM的模擬有直接影響,而且和WUE的相關(guān)性達到了極顯著水平,即PAR對于本研究所采用的蒸散模擬方法中的GPP和WUE都會產(chǎn)生影響。在VPM中,EVI被用來估計冠層尺度的葉綠素吸收的PAR的比例[22-25],是GPPVPM模擬的一個重要因子,同時EVI和WUE的相關(guān)性達到了極顯著水平,因此,對于觀測蒸散和模擬蒸散間的不一致也可能會產(chǎn)生一定的影響??傊?,對于觀測的蒸散和模擬的蒸散間的不一致而言,PAR和GPPVPM是2個非常重要的因子。
影響水分利用效率(WUE)的植被指數(shù)主要為NDVI,其模擬的水分利用效率(WUENDVI)和通量觀測的水分利用效率(WUEEC)間差異不顯著。
影響WUE的氣象因子主要是Ha和H,其中Ha模擬的水分利用效率(WUEHa)和WUEEC差異也不顯著,而H模擬的水分利用效率(WUEH)和WUEEC差異顯著。
WUE和ET都存在著季節(jié)變化和年際動態(tài),它們的季節(jié)變化趨勢為單峰曲線,峰值一般出現(xiàn)在生長旺季的7-8月份。2004年NDVI的ET模擬效果好于Ha的模擬效果,而2005年則是Ha的模擬效果好于NDVI的,因此,模擬的2004和2005年生長季節(jié)的ET總量分別為678.646 mm H2O/m2(來自NDVI的模擬結(jié)果)和655.209 mm H2O/m2(來自 Ha的模擬結(jié)果)。
通量觀測的蒸散(ETEC)和NDVI模擬的蒸散(ETNDVI)間的差異ETEC-ETNDVI主要受PAR和GPPVPM的影響;而ETEC和Ha模擬的蒸散(ETHa)間的差異ETEC-ETHa主要受PAR、GPPVPM和EVI的影響。
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