劉云飛，王文全

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830001)

地表不同下墊面向大氣的水分散發(fā)稱為ET，主要包括土壤蒸發(fā)和植物蒸騰2方面。ET是陸面生態(tài)過程的關(guān)鍵參數(shù)，也是水資源管理最重要的分量之一。對于水資源極度缺乏的干旱區(qū)，ET的監(jiān)測和控制對水資源的管理利用和區(qū)域的規(guī)劃可持續(xù)發(fā)展有著重要意義?；哪?綠洲交錯帶作為干旱沙漠地區(qū)綠洲的第一道生態(tài)屏障，對維護(hù)綠洲生態(tài)平衡、保護(hù)綠洲農(nóng)業(yè)具有重要意義，可以為保持荒漠生態(tài)系統(tǒng)的平衡，優(yōu)化配置綠洲水資源和確定綠洲的適宜規(guī)模提供理論參考。

現(xiàn)階段確定蒸散量的方法主要有5種：1)通過公式計算，包括Hargreave公式(溫度法)、Priestley-Taylor公式(輻射法)、Penman-Monteith公式(綜合法)，通過氣象數(shù)據(jù)計算蒸散發(fā)[1-3]；2)以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取參數(shù)構(gòu)建相關(guān)的模型來進(jìn)行估算[4]；3)蒸滲儀法，原理是通過測定某時段內(nèi)蒸滲儀總重量的變化，來確定時段內(nèi)的蒸發(fā)蒸散量[5-7]；4)波文比法能量平衡法；5)渦度相關(guān)法。其中，通過氣象數(shù)據(jù)計算蒸散發(fā)的方法需要的參數(shù)眾多，眾多參數(shù)的測量精度難以保證，使用上有一定的限制性；遙感技術(shù)獲得的是瞬時數(shù)據(jù)，無法對蒸散進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測，并且遙感技術(shù)提供的是區(qū)域尺度的地表參數(shù)，而需要的溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)則依賴近地面小尺度觀測的數(shù)據(jù)，存在著尺度不匹配的問題[8]；蒸滲儀法和波文比能量平衡法，在土壤水分含量極少的極端干旱區(qū)精度較差。渦度相關(guān)技術(shù)相對于其他方法，理論假設(shè)少，精度高，可以對地表ET實(shí)施長期的、連續(xù)的和非破壞性的定點(diǎn)監(jiān)測，有利于ET觀測的長期開展，并且可以在短期內(nèi)獲取大量高時間分辨率的ET與環(huán)境變化信息，已成為直接測定地表與大氣間水汽交換的標(biāo)準(zhǔn)方法[9]。

目前，干旱區(qū)蒸散發(fā)的研究主要集中在各種類型的農(nóng)田和防護(hù)林，牛建龍等[10]使用Penman-Monteith公式對新疆阿拉爾墾區(qū)的長期蒸散進(jìn)行計算，說明各種氣象因素對蒸散發(fā)變化的影響。司建華等[11]使用波文比-能量平衡法對荒漠綠洲蘆葦?shù)氐恼羯l(fā)進(jìn)行了研究。甘卓婷等[12]利用大型稱重式滲透儀黃土塬區(qū)蒸散發(fā)特征進(jìn)行了監(jiān)測。由于目前對荒漠綠洲交錯帶的蒸散規(guī)律研究較少，本文主要通過使用渦度相關(guān)法對荒漠-綠洲自然交錯帶蒸散發(fā)的日變化規(guī)律和月變化規(guī)律進(jìn)行研究。

降水對區(qū)域的蒸散發(fā)有很大影響[13]，塔南地區(qū)雖處于極端干旱區(qū)，也有一定降水，該地區(qū)蒸散對降水的響應(yīng)的關(guān)系還沒有研究。Fisher等[14]提出了一種基于Priestley-Taylor模型的PT-Fi模型，該模型以植被覆蓋度為依據(jù)，將凈輻射劃分為冠層凈輻射和土壤凈輻射，利用較少的且便于獲取的常規(guī)氣象參數(shù)將土壤蒸發(fā)和植被蒸騰分開，具有較高的實(shí)用性[15]。本文擬運(yùn)用渦度相關(guān)儀觀測和田荒漠區(qū)平坦下墊面蒸散特征，并以PT-Fi模型研究蒸散組分特征，以期為荒漠地區(qū)水資源管理以及開發(fā)利用提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于和田市策勒縣中國科學(xué)院策勒沙漠研究站，地理坐標(biāo)37°00′57″N，80°43′45″E，海拔高度1 318.6 m。在行政區(qū)劃上，隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)策勒縣。距策勒縣城近10 km，距和田市100 km。該區(qū)地勢平坦，海拔落差小，土壤以風(fēng)沙土、灌淤土為主。策勒站南依昆侖山脈，北接塔克拉瑪干沙漠，在氣候區(qū)劃上，屬暖溫帶極端干旱區(qū)，全年干旱少雨，年均降水量35.1 mm，蒸發(fā)潛力2 595.3 mm，平均氣溫11.9 ℃，最高氣溫41.9 ℃，極端最低氣溫-23.9 ℃，無霜期196 d；全年盛行西北風(fēng)，大風(fēng)天氣3～9 d，沙塵暴20 d，揚(yáng)沙90 d，浮塵150 d。觀測區(qū)植物種類以荒漠灌、草占優(yōu)勢，主要植物群落以駱駝刺(AlhagisparsifoliaShap)、檉柳(TamarixchinensisLour)、花花柴(Kareliniacaspia(Pall.)Less)為主，觀測區(qū)附近的綠洲防護(hù)林帶為新疆楊、白楊和桑樹為主。

2 研究方法

2.1 下墊面蒸散觀測

1951年澳大利亞科學(xué)家Swinbank提出用渦度相關(guān)技術(shù)計算碳水通量，因?yàn)榇怪憋L(fēng)速的平均值較小，可忽略垂直平流量，只考慮湍流通量，則有單位質(zhì)量的流體物質(zhì)S在充分發(fā)展湍流中平均向上的通量[16]：

(1)

用渦度相關(guān)法表示的水汽通量[16]：

根據(jù)綠洲荒漠交錯帶植被的生長特點(diǎn)，本研究數(shù)據(jù)時間段為2016年3—10月，渦度相關(guān)儀原始數(shù)據(jù)采集頻率為10 Hz，后期處理采用EddyPro軟件進(jìn)行。氣象數(shù)據(jù)來源為中國科學(xué)院策勒沙漠研究站荒漠區(qū)的氣象站數(shù)據(jù)，土壤熱通量數(shù)據(jù)為渦度相關(guān)儀附帶的土壤熱通量傳感器測得。

2.2 蒸散組分計算

Fisher等[14]根據(jù)Priestley-Taylor公式提出的PT-Fi模型具有原理簡單、參數(shù)獲取相對容易的特點(diǎn)，PT-Fi模型僅需少量數(shù)據(jù)資料便可計算下墊面蒸散，并能將蒸散不同組分有效分開。其原理是將到達(dá)地表的地表凈輻射分為冠層接收的凈輻射和裸露土壤接收的凈輻射2部分，其劃分的依據(jù)為植被覆蓋率。需要輸入的參數(shù)有地表凈輻射(netradiation，Rn)，植被歸一化指數(shù)(NDVI)，土壤植被調(diào)整系數(shù)(soiladjustedvegetation index，SAVI)，最大空氣濕度(maximum air temperature，Tmax)，水汽壓(watervapor pressure，ea)。PT-Fi模型將蒸散分為土壤蒸發(fā)、冠層截留蒸發(fā)和植被蒸騰三部分。

ET=ETs+ETi+ETc。(3)

式中：ET為總蒸散(mm)；ETs為土壤蒸發(fā)(mm)；ETi為灌層截留蒸發(fā)(mm)；ETc為灌層蒸騰(mm)。灌層截流蒸發(fā)指降水后被灌層截留在植被表面部分的水分蒸發(fā)，該部分蒸發(fā)只有在降水后的短時間內(nèi)才有，并且研究區(qū)內(nèi)干旱少雨，且植被相對較少，因此在本研究中將該組分忽略，即將公式(3)改為公式：

ET=ETs+ETc。(4)

根據(jù)PT-Fi模型，ETs計算公式：

ETs=αΔ(fwet+fSM-fSMfwet)(Rns-G)÷(Δ+γ)；(5)

fwet=RH4，fSM=RHVPD÷β，β=1.0 kPa。(6)

式中：fwet為表面相對濕度(%)；fSM為土壤水分限制因子，無量綱；α為Priestley-Taylor公式中的系數(shù)；Δ為溫度-飽和水氣壓斜率(kPa·℃-1)；γ為干濕表常數(shù)(kPa·℃-1)；RH為空氣相對濕度(%)；VPD為飽和水氣壓差(kPa)；β為敏感性因子(kPa)；Rns為土壤凈輻射量(MJ·m-2)；G為土壤熱通量(MJ·m-2)。公式中，Rns為觀測區(qū)綜合葉面積指數(shù)(LAI)，凈輻射量(Rn)和輻射量修正系數(shù)計算獲得。

本文中，ET由渦度相關(guān)儀測定，ETs由PT-Fi模型計算可得，因此ETc的計算可由公式(7)得到：

ETc=ET-ETs。(7)

2.3 PT-Fi模型系數(shù)的修正

在PT-Fi模型中，γ受氣壓影響較大，本研究區(qū)海拔較高，氣壓值小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，因此該數(shù)值需進(jìn)行調(diào)整。

γ=0.665×10-3P。(8)

在PT-Fi模型中，α為Priestley-Taylor公式中的系數(shù)，由于在實(shí)際計算應(yīng)用中該系數(shù)值受下墊面和氣候環(huán)境因素影響明顯，具有明顯的地域性差異，因此需要對該系數(shù)值進(jìn)行修正。

Priestley-Taylor公式系數(shù)是耦合因子的倒數(shù)，可根據(jù)2 m高度處的日平均風(fēng)速計算[18]，計算公式：

α=Ω-1=[1+γγc÷(Δra+rra)]-1;(9)

γc÷ra=0.34u2，ra=208÷u2。(10)

式中：Ω是耦合因子；γ為干濕表常數(shù)(kPa·℃-1)；rc為灌層阻力(s·m-1)；ra為空氣動力學(xué)阻力(s·m-1)；u2為2 m高度處的平均風(fēng)速(m·s-1)。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒸散組分及其月變化特征

根據(jù)渦度相關(guān)數(shù)據(jù)計算下墊面蒸散總量，利用PT-Fi模型將蒸散總量分為土壤蒸散和植被蒸騰。觀測區(qū)中，在研究時段內(nèi)總蒸散量為276.44 mm；土壤蒸散130.94 mm，所占比例為47.4%；植被蒸騰145.50 mm，所占比例為52.6%；總降水量為43.4 mm，蒸散量大于降水量，多余的水分主要來自于地下水和觀測區(qū)周邊防護(hù)林灌溉水。各組分不同時間(月)的所占比例和蒸散量見表1。

表1 蒸散各組分的分布比例

由表1可知，總蒸散量、土壤蒸散量和植被蒸騰量呈現(xiàn)規(guī)律性變化特征。觀測區(qū)在3月份開始植被緩慢生長，生理活動逐漸加強(qiáng)，植被蒸騰量比較平穩(wěn)并略有增加，8月植被生理活動達(dá)到最強(qiáng)，同時蒸騰量也達(dá)到最大值，隨后9月植被生理活動減弱，蒸騰量也開始下降；在土壤蒸散方面，由于觀測區(qū)處在極端干旱區(qū)域，土壤水分含量極少，因此從3—10月波動相對于植被蒸騰較小。土壤蒸散量在3—8月隨著氣溫升高，也呈現(xiàn)逐漸增加趨勢。

由圖1可以看出，在5和9月份由于受到降水影響明顯升高，并在9月達(dá)到最大值，10月無降水，氣溫開始出現(xiàn)下降，土壤蒸散也隨之下降。另從降水量和蒸散組分變化可以看出，因?yàn)橹脖簧砘顒虞^弱，5、6月的降水主要通過土壤蒸散進(jìn)入大氣；8、9月由于植被生理活動較強(qiáng)，降水主要通過植被蒸散進(jìn)入大氣。所以，蒸散各組分所占比例中，土壤蒸散在5、6月有所增加，7、8月迅速減少，9、10月開始增加，而植被蒸騰呈相反趨勢變化。

圖1 降水量、蒸散總量及其組分的月變化

3.2 下墊面蒸散發(fā)日變化特征

由圖2可知，不同季節(jié)的蒸散日變化規(guī)律分為3個階段：0：00—7：00和22：00—24：00為平穩(wěn)期，蒸散變化不大且趨近于0，為1 d中的最小值；7：00—14：00為上升期，在1 d中14：00前后的蒸散量達(dá)到最大；14：00—22：00為下降期，蒸散量逐漸降低。1 d中上升期和下降期經(jīng)歷時間基本相等，其中春季上升期斜率為0.100 2，夏季上升期斜率為0.155 6，秋季上升期斜率為0.094 5；春季下降期斜率為0.085 2，夏季下降期斜率為0.121 8，秋季下降期斜率為0.082 6(下降期斜率取絕對值)。由此可知，夏季的蒸散量日變化上升和下降速度均大于春季和秋季，春季和秋季的蒸散量上升和下降速度基本相同，春季略大于秋季，這主要是由于夏季的土壤蒸散和植被蒸騰作用高于春秋兩季。由3個蒸散階段表現(xiàn)出的特征可知，下墊面的蒸散發(fā)主要集中在日間，首先上升期由于在7：00土壤經(jīng)歷了夜間的散熱，溫度達(dá)到最低值，日間太陽照射后，土壤逐漸升溫蒸散加大；另一方面植被在夜間基本不進(jìn)行蒸騰作用[19-20]，在日間受光照和溫度升高的影響生理活動逐漸增強(qiáng)，因而蒸散量呈現(xiàn)逐漸上升趨勢；其次，在14：00前后蒸散量達(dá)到最大值后逐漸下降也是由于植被生理活動和土壤蒸散的減弱造成的；最后在夜間蒸散量進(jìn)入平緩期，也依然有少量的土壤蒸散和植被的夜間蒸散，但遠(yuǎn)小于日間。

圖2 春夏秋季平均蒸散的日變化

3.3 日蒸散變化與降水的關(guān)系

由于觀測區(qū)的氣候干旱，一次性的降水較少且時間短暫，在雨天對渦度相關(guān)儀器的影響不大，所以選取降雨當(dāng)天的蒸散變化與當(dāng)月晴天平均日蒸散變化進(jìn)行對比分析。

由圖3可知，日間降水對蒸散影響顯著，日間降水會大幅度降低蒸散量，降水當(dāng)日的蒸散量變化平緩，小于晴天時的蒸散量。主要原因是日間降水會降低溫度，當(dāng)月觀測區(qū)的平均溫度為26.65 ℃，在降水當(dāng)日的平均溫度只有19.39 ℃，最低氣溫出現(xiàn)在20：00，為13.7 ℃，溫度的降低對土壤蒸散和植被的生理活動都有減弱影響。在降水時，空氣濕度也會隨之增大，當(dāng)月的日平均相對濕度為33%，而當(dāng)日的平均相對濕度為60%，空氣濕度的增大也會相應(yīng)減少蒸散量。另外，在降水時處于陰天狀態(tài)，太陽輻射被大幅度削弱，甚至沒有，這也使蒸散量明顯降低。

圖3 日間降水蒸散量與晴天日均蒸散量的對比

圖4為夜間降水時蒸散量與當(dāng)月晴天日均蒸散量變化的對比，選取的日期為8月8日，由于在觀測時段內(nèi)，觀測區(qū)的夜間降水量極少出現(xiàn)，因此選擇降水出現(xiàn)在6：00—8：00，視為夜間降水，此時為太陽初升時，從而能夠減少降水對太陽輻射和溫度的影響。由圖可知，夜間降水當(dāng)日的蒸散量變化與晴天時的蒸散變化趨勢基本相同，在8：00時由于受到降水影響，蒸散量略小于日均值。隨后隨著太陽輻射增加，溫度逐漸升高，蒸散量都呈現(xiàn)增加趨勢，并且降水當(dāng)日的蒸散量增加大于日均值，這主要是由于短暫降水后，空氣濕度并未達(dá)到飽和狀態(tài)，同時增大了土壤表層含水量，降水事件也為植被提供了水源，因此土壤蒸散和植被蒸騰都會有所增加，而且夜間的蒸散活動微弱，夜間降水對溫度和太陽輻射的影響小，從而提高了降水當(dāng)日的總蒸散量。在14：00前后蒸散達(dá)到最大后，隨著植被生理活動減弱和溫度的逐漸降低，蒸散量也開始減小。

降水對蒸散的日變化影響也并不是絕對的，也受到環(huán)境因子的影響，當(dāng)陰雨天很短暫且降水量很小時，日間降水對蒸散量的影響微弱。根據(jù)現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，日間降水量影響蒸散量的臨界值為0.6～1 mm，即當(dāng)日間降水量超過1 mm，且降水時間小于2 h，就會對蒸散產(chǎn)生影響。夜間降水也是在達(dá)到一定的降水量才會對蒸散產(chǎn)生影響。在降水過后，后續(xù)的天氣狀況對蒸散變化也有很大影響。圖4中夜間降水后蒸散變化趨勢與晴天日均蒸散量變化接近，也是由于當(dāng)日降水過后為晴天，降水時氣溫低于同時段晴天日均溫度，但隨后溫度快速升高，提高了蒸散量，夜間降水當(dāng)日平均氣溫為28.6 ℃，當(dāng)月的平均氣溫為29.9 ℃，只是略低于均值，因此降水對日蒸散量的變化趨勢沒有影響。

圖4 夜間降水日蒸散量與晴天日均蒸散量的對比

4 小結(jié)與討論

根據(jù)中國科學(xué)院策勒沙漠研究站荒漠觀測區(qū)，2016年3—10月的渦度相關(guān)數(shù)據(jù)，分析了該地區(qū)荒漠環(huán)境下墊面蒸散的月變化和日變化特征，利用PT-Fi模型，對下墊面的蒸散組分進(jìn)行區(qū)分，并對各組分之間的占比關(guān)系和變化規(guī)律進(jìn)行了說明。通過對比日間降水、夜間降水和晴天日均蒸散量變化，分析降水對蒸散量產(chǎn)生的影響，得到下述結(jié)論。

對蒸散量不同季節(jié)日變化和月變化規(guī)律的分析表明，3—8月蒸散量逐漸上升，8月由于植物生理活動變強(qiáng)，溫度升高，降水增加達(dá)到最大值，9月開始蒸散迅速下降。不同季節(jié)日變化趨勢相近，可以將1 d分為3個階段，0：00—7：00、22：00—24：00為平穩(wěn)期，7：00—14：00為上升期，14：00—22：00為下降期。平穩(wěn)期所占日間總蒸散量約為9%左右，而14：00前后達(dá)到最大值的蒸散量占日間的約25%。夏季的日蒸散活動明顯高于春季和秋季，春季和秋季的日蒸散量基本相同，春季略大于秋季。

利用PT-Fi模型將下墊面的蒸散分為土壤蒸散和植被蒸騰2個部分，在觀測區(qū)研究時段內(nèi)，總蒸散量為276.44 mm，土壤蒸散為130.94 mm，所占比重為47.4%，植被蒸騰為145.50 mm，所占比重為52.6%。土壤蒸散所占比例在3—6月平穩(wěn)變化，逐漸增加，在7、8月植被生理活動達(dá)到最大時，比例降低，從9月開始逐漸上升。土壤蒸散量隨月份變化波動較小，受溫度影響，從3月開始到8月逐漸增加，但同時受降水影響也十分明顯，在降水最多的8、9月份達(dá)到最大值，10月隨著溫度和降水的降低而減少。植被蒸騰所占蒸散量比重變化趨勢，同土壤蒸散相反，3—6月所占比例較低，7、8月最大，9月開始下降。植被蒸散量在3—8月隨著氣溫上升，植被生理活動增強(qiáng)呈上升趨勢，9月開始迅速下降。根據(jù)不同比例所占比重可知，5月和6月份的降水主要通過土壤蒸散進(jìn)入大氣，7—9月的降水主要通過植被蒸騰進(jìn)入大氣。

通過對比分析日間降水、夜間降水和晴天日均蒸散量變化，可得到以下結(jié)論：日間降水對當(dāng)日蒸散量影響明顯，會增大空氣濕度、減少太陽輻射、降低溫度，降低土壤蒸散和植被蒸騰，從而使蒸散總量變小。夜間降水對蒸散總量的影響較弱，并且會增大日間蒸散量。降水對蒸散量的影響的大小，與降水量、降水時長也有密切關(guān)系，同時也受環(huán)境因子的影響。降水對蒸散量產(chǎn)生作用存在一個降水量與降水時長的臨界值，這個臨界值還需要確定。

荒漠綠洲交錯帶植被作為綠洲生態(tài)保護(hù)的第一道屏障下墊面蒸散發(fā)的研究，提供保證其基本的用水的理論依據(jù)，有利于維持其特有的生態(tài)環(huán)境和極端干旱地區(qū)荒漠化的治理。由于荒漠綠洲交錯帶環(huán)境的特殊性，目前研究較少，在對需水量的估算時應(yīng)對各類植被單獨(dú)的需水量和生長特征進(jìn)行監(jiān)測以進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度。而且荒漠綠洲交錯帶，不同季節(jié)，不同年份的蒸散量和植被耗水量變化特征還需要確定，因此建立長期可靠的監(jiān)測體系十分必要，這就需要精度的自動化觀測設(shè)備的支持。同時極端干旱地區(qū)的荒漠化治理和研究作為一項(xiàng)長期的任務(wù)，還需要政府的投入和支持，以及科學(xué)管理的創(chuàng)新。