侯蘭功，肖洪浪

（1.滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州239000；2.中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州730000）

黑河流域下游的額濟(jì)納綠洲處于阿拉善高原與北山荒漠的交界帶，氣候極端干旱，自然條件極為嚴(yán)酷，生態(tài)環(huán)境極端脆弱。在這里，水是生態(tài)環(huán)境演化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子和生態(tài)系統(tǒng)維持的主要制約因素［1－3］。對(duì)植物蒸散發(fā)的研究有助于更深入地了解極端干旱區(qū)荒漠綠洲的水分平衡問(wèn)題，并能夠?yàn)榇_定綠洲的實(shí)際生態(tài)需水量提供依據(jù)，從而為合理的利用水資源，保護(hù)和維持荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供幫助。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究的野外波文比能量平衡觀測(cè)站點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟額濟(jì)納旗七道橋胡楊林保護(hù)區(qū)（42°21′N，101°15′E），高程 920.5m，面積 1 333 hm2。該地區(qū)深處內(nèi)陸，氣候極端干旱，多年平均氣溫8.2℃，多年平均降水量為36.6mm，且主要集中在6—8月。多年平均自由水面蒸發(fā)量為3 505.7 mm，大約是降水量的100倍。年均相對(duì)濕度為42%～35%，濕潤(rùn)系數(shù)低于0.009%，是中國(guó)最干旱的地區(qū)之一。

1.2 研究方法

1.2.1 觀測(cè)方法 波文比—能量觀測(cè)系統(tǒng)是由美國(guó)COMPBELL公司生產(chǎn)的。將波文比觀測(cè)系統(tǒng)的上下臂分別安裝在研究區(qū)空曠的草地冠層頂部上方的0.25m和1.25m處，上下臂安裝有空氣溫度、相對(duì)濕度探頭；在1.25m處安裝風(fēng)速和風(fēng)向探頭，并在1.25m處安裝總輻射和凈輻射探頭，在地下8cm處安裝土壤溫度、土壤水分、熱通量探頭，所有項(xiàng)目每20min觀測(cè)一次。

1.2.2 實(shí)際蒸散量（ETc）計(jì)算 波文比能量平衡法（BREB）已經(jīng)被廣泛用來(lái)估算蒸散耗水量［4－7］，計(jì)算蒸散系數(shù)［8］，研究植物與水的關(guān)系［9－11］，校正其他的蒸散模型計(jì)算結(jié)果［12－14］。該方法只需要空氣溫度和濕度梯度以及太陽(yáng)凈輻射與土壤熱通量即可計(jì)算蒸散量，因此被認(rèn)為是估算實(shí)際蒸散發(fā)較為簡(jiǎn)便、有效的方法。該方法表達(dá)式如下：

式中：Rn——太陽(yáng)凈輻射（W／m2）；ETc——實(shí)際蒸散發(fā)（mm）；G——土壤熱通量（W／m2）；ΔT——上下空氣溫度差（℃）；Δe——上下水汽壓差（kPa）；λ——汽化潛熱（MJ／kg）；γ——干濕球常數(shù)（kPa／℃）。

本文收集了研究區(qū)2005年5月16日至9月30日的連續(xù)波文比觀測(cè)數(shù)據(jù)與自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)。為了體現(xiàn)植物在生長(zhǎng)季節(jié)的快速變化，本文選用半個(gè)月為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，運(yùn)用式（1）計(jì)算綠洲草地在生長(zhǎng)季節(jié)每半個(gè)月的實(shí)際蒸散量。

1.2.3 參考蒸散（ET0）與蒸散系數(shù)（Kc）的計(jì)算 利用波文比能量平衡法估算出植物的實(shí)際蒸散量（ETc），按照蒸散系數(shù)（Kc）的定義［15］，即蒸散系數(shù)（Kc）等于實(shí)際蒸散量（ETc）與參考蒸散量（ET0）的比值，就可以很容易的確定所研究植物的蒸散系數(shù)。對(duì)于參考蒸散發(fā)的計(jì)算，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的FAO56Penman—Monteith（簡(jiǎn)稱FAO56P—M）模型只需要輸入很少的幾個(gè)氣象參數(shù)即可進(jìn)行計(jì)算，被公認(rèn)為不論在濕潤(rùn)氣候條件下還是干旱氣候條件下計(jì)算參考蒸散量最精確的模型之一［15－18］。因此，只要確定某種植物的蒸散系數(shù)，即可利用少量的氣象參數(shù)，不依賴于特定的蒸散觀測(cè)點(diǎn)，就可以很容易地估算出該植被區(qū)的實(shí)際蒸散量。FAO56P—M計(jì)算公式如下：

式中：ET0——每天的參考蒸散發(fā)（mm／d）；Rn——太陽(yáng)凈輻射［MJ／（m2·d）］；G——土壤熱通量［MJ／（m2·d）］；Δ——飽和水汽壓曲線斜率（kPa／℃）；γ——干濕球常數(shù)（kPa／℃）；Ta——平均大氣溫度（℃）；u2——2m 處風(fēng)速（m／s）；es——飽和水汽壓（kPa）；ea——實(shí)際水汽壓（kPa）。

蒸散系數(shù)計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 綠洲草地生長(zhǎng)季蒸散（ETc）變化

2005年生長(zhǎng)季（5月16日—9月30日）草地的蒸散發(fā)量隨時(shí)間的變化情況如圖1所示，整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)草地的蒸散量呈單峰型分布趨勢(shì)。在生長(zhǎng)季初期（5月后半月）草地平均蒸散量為3.519mm／d；進(jìn)入6月份后蒸散量快速增加，在6月后半月達(dá)到整個(gè)生長(zhǎng)季的最大值6.724mm／d；此后蒸散量隨時(shí)間呈逐漸下降趨勢(shì)，在9月后半月達(dá)到生長(zhǎng)季的最低值1.215mm／d。而整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)（大約138d），草地總的蒸散量為446.96mm。

在生長(zhǎng)季內(nèi)，草地的蒸散量與太陽(yáng)凈輻射和土壤含水量的變化趨勢(shì)基本一致，太陽(yáng)凈輻射和土壤含水量的峰值都是出現(xiàn)在草地蒸散最旺盛的6月份（圖1a，1c）；而氣溫的變化趨勢(shì)相對(duì)滯后于蒸散量的變化，氣溫的最大值出現(xiàn)在7月份（圖1d）；蒸散量與空氣相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)相反，相對(duì)濕度的最低值出現(xiàn)在蒸散發(fā)最旺盛的6月份，最高值出現(xiàn)在蒸散發(fā)相對(duì)較弱的8月份（圖1b）。

圖1 草地生長(zhǎng)季內(nèi)蒸散量隨時(shí)間分布

2.2 參考蒸散（ET0）

在生長(zhǎng)季內(nèi)，參考蒸散量的分布情況與草地的實(shí)際蒸散量分布基本一致（圖2）。在6月份和7月前半月參考蒸散量最大，都在10mm／d以上；在這之后，參考蒸散量隨時(shí)間逐漸降低。雖然太陽(yáng)凈輻射最高值出現(xiàn)在6月份，但氣溫最高值卻出現(xiàn)在7月前半月，因此6月份和7月前半月的參考蒸散量相差較小，均在10mm／d以上，明顯高于生長(zhǎng)季其他各時(shí)間段的參考蒸散量。

圖2 參考蒸散與實(shí)際蒸散的分布趨勢(shì)比較

2.3 生長(zhǎng)季草地蒸散系數(shù)（Kc）

草地生長(zhǎng)季蒸散系數(shù)的分布趨勢(shì)與草地實(shí)際蒸散量的分布趨勢(shì)一致。在生長(zhǎng)季，草地的蒸散系數(shù)主要可以分為3個(gè)階段：初始階段，從5月到6月前半月，蒸散系數(shù)從初始值的0.395快速增加到0.515；在植物生長(zhǎng)中期，蒸散系數(shù)達(dá)到了生長(zhǎng)季的最大值0.623；在草地生長(zhǎng)后期，蒸散系數(shù)快速下降，直至植物停止生長(zhǎng)，蒸散系數(shù)降到0.452（圖3）。

蒸散系數(shù)綜合反映了植物特性和土壤蒸發(fā)的影響。在生長(zhǎng)季初期，草地剛剛萌發(fā)新芽，此時(shí)溫度剛剛回升，土壤蒸發(fā)較弱，因此初始蒸散系數(shù)較低；進(jìn)入6月份后，草地葉面積達(dá)到最大，太陽(yáng)凈輻射和氣溫也都達(dá)到高值，此時(shí)土壤含水量也達(dá)到最大，蒸發(fā)達(dá)到最強(qiáng)，因此這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的蒸散系數(shù)達(dá)到生長(zhǎng)季最大值；而進(jìn)入生長(zhǎng)季后期，植物生長(zhǎng)減緩，逐漸凋萎，土壤含水量快速降低，蒸發(fā)減弱，因此蒸散系數(shù)也快速下降，直至降到生長(zhǎng)季最低。

圖3 生長(zhǎng)季草地蒸散系數(shù)（Kc）隨時(shí)間分布情況

3 結(jié)論

本研究的目的是為了估算中國(guó)西北極端干旱區(qū)荒漠綠洲草地生長(zhǎng)季的蒸散量以及蒸散系數(shù)。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在生長(zhǎng)季內(nèi)，草地的實(shí)際蒸散量與蒸散系數(shù)的變化趨勢(shì)一致，最大值均出現(xiàn)在6月份，這主要是由于這個(gè)時(shí)間段內(nèi)光熱條件以及土壤水分含量較高，有效地促進(jìn)了草地的蒸發(fā)量。本研究得到的結(jié)果，可在生長(zhǎng)季缺乏蒸散發(fā)觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，運(yùn)用普通的氣象數(shù)據(jù)估算出草地生長(zhǎng)季的實(shí)際蒸散量。可以為確定草地的生態(tài)需水量提供依據(jù)，從而為制定極端干旱區(qū)綠洲的生態(tài)維持與恢復(fù)方案提供幫助。

［1］ 韋東山，張秋良，王立明，等.額濟(jì)納地區(qū)草地可持續(xù)經(jīng)營(yíng)策略［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2003（5）：26－28.

［2］ 肖洪浪，程國(guó)棟.黑河流域水問(wèn)題與水管理的初步研究［J］.中國(guó)沙漠，2006，26（1）：1－5.

［3］ 周茂先，肖洪浪，羅芳，等.額濟(jì)納三角洲地下水鹽特征與植被生長(zhǎng)的相關(guān)研究［J］.中國(guó)沙漠，2004，24（4）：431－436.

［4］ 李佳陶，余偉蒞，李鋼鐵，等.不同地下水位胡楊蒸騰速率與葉水勢(shì)的變化分析［J］.內(nèi)蒙古林業(yè)科技，2006（1）：1－4.

［5］ Fritschen L J.Evapotranspiration rates of field crops determined by the Bowen ratio method［J］.Agron.J.，1966，58（3）：339－342.

［6］ Malek E，Bingham G E，McCurdy G D.Evapotranspiration from the margin and moist playa of a closed desert valley［J］.J.Hydrol.，1990，120（1／4）：15－34.

［7］ Wight J R，Hanson C L，Wright J L.Comparing Bowen ratio－energy balance systems for measuring ET［C］∥Allen R G，Van Bavel C M U.Management of Irrigation and Drainage Systems，Integrated Perspectives.New York：Am.Soc.Civ.Eng.，1993.

［8］ Cargnel M D，Orchansky A L，Brevedan R E，et al.Evaptranspiration measurements over a soybean crop［C］∥Camp C R，Sadler E J，Yoder R E.Evapotranspiration and Irrigation Scheduling.Proceedings of the International Conference，San Antonio：Am.Soc.Agric.Eng.，St.Joseph，MI，1996.

［9］ Malek E，Bingham G E.Growing season evapotranspiration and crop coefficient［C］∥Allen R G，Van Bavel C M U.Management of Irrigation and Drainage Systems，Integrated Perspectives.New York：Am.Soc.Civ.Eng.，1993.

［10］ Grant D A，Meinzer F C.Regulation of transpiration in field－grown sugarcane：evaluation of the stomatal response to humidity with the Bowen ratio technique［J］.Agric.For.Meteorol.，1991，53（3）：169－183.

［11］ Malek E，Bingham G E，McCurdy G D.Continuous measurement of aerodynamic and alfalfa canopy resist－ances using the Bowen ratio－energy balance and Penman－Monteith methods［J］.Boundary－Layer Meteorol，1992，59（1／2）：187－194.

［12］ Alves I，Perrier A，Pereira L S.Penman－Monteith equation：how good is the‘big leaf’［C］∥Camp C R，Sadler E J，Yoder R E.Evapotranspiration and Irrigation Scheduling.Proceedings of the International Conference，San Antonio：Am.Soc.Agric.Eng.，St.Joseph MI，1996.

［13］ Ortega－Farias S O，Cuenca R H，English M.Hourly reference evapotranspiration by Bowen ratio and Penman methods［C］∥Allen R G，Van Bavel C M U.Management of Irrigation and Drainage Systems，Integrated Perspectives.New York：Am.Soc.Civil Eng.，1993.

［14］ Farahani H J，Bausch W C.Performance of evapotranspiration models for maize－bare soil to closed canopy［J］.Trans.ASAE，1995，38（4）：1049－1059.

［15］ Todd R W，Klocke N L，Arkebauer T J.Latent heat fluxes from a developing canopy partitioned by energy balance－combination models［C］∥Camp C R，Sadler E J，Yoder R E.Evapotranspiration and Irrigation Scheduling.Proceedings of the International Conference.San Antonio：Am.Soc.Agric.Eng.，St.Joseph MI，1996.

［16］ Allen R G，Pereira L S，Raes D，et al.FAO 56Penman－Monteith model.FAO Irrigation and Drainage Paper 56，Rome，1998.

［17］ Walter I A，Allen R G，Elliott R，et al.ASCE’s Standardized Reference Evapotranspiration Equation［C］∥Proceedings of the 4th National Irrigation Symposium，2000.

［18］ Temesgen B，Eching S，Davidoff B，et al.Comparison of some reference evapotranspiration equations for California［J］.J.Irrig.Drain.Eng.ASCE，2005，131（1）：73－84.