肖 玉,謝高地,甄 霖,徐 潔,3,王洋洋

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院, 北京 100083

森林氣候調(diào)節(jié)功能是指森林生態(tài)系統(tǒng)在生長過程中,通過植被蒸騰和土壤蒸發(fā)作用吸收周圍空氣熱量,增加空氣水汽含量,從而達(dá)到降溫增濕效果。Li等[1]利用遙感影像對比森林與臨近開闊地發(fā)現(xiàn),熱帶森林全年都具有顯著的降溫作用,溫帶森林夏季也具有一定降溫作用,而冬季具有增溫作用,并且發(fā)現(xiàn)增溫或降溫效應(yīng)主要受蒸散作用和地表反照率兩個過程驅(qū)動。Zeng等[2]基于耦合土地-大氣全球氣候模型與葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),1982年以來全球綠色覆蓋使得地表溫度降低了(0.09±0.02)C,其中蒸散作用降溫效果顯著。局地尺度上,Fahmy等[3]在埃及開羅實地測定發(fā)現(xiàn),城市森林可以改善溫度和相對濕度等大氣微氣候,從而改善行人舒適度。Lee等[4]通過對比北美渦度相關(guān)通量塔觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),6—9月森林最高溫度比相應(yīng)地區(qū)開闊地低,但最低溫比開闊地高。Zhang等[5]根據(jù)北美和東亞渦度相關(guān)通量塔觀測結(jié)果得出類似結(jié)果,森林月平均最高溫度都低于開闊地,但月平均最低溫度卻高于開闊地,森林植被能降低區(qū)域溫差。Martini等[6]在巴西Curitiba市通過實地監(jiān)測發(fā)現(xiàn),城市森林中樹木的數(shù)量和密度與空氣溫度和相對濕度密切相關(guān)?？梢?從區(qū)域到局地尺度,森林能通過蒸散作用來改變區(qū)域溫度與濕度條件而影響區(qū)域氣候,特別是炎熱夏季能緩解高溫,給人類提供更為舒適的生活環(huán)境。

三北工程黃土高原丘陵溝壑區(qū)位于我國中部,是半濕潤向半干旱氣候過渡區(qū)域,也是暖溫帶闊葉林向典型草原和荒漠草原過渡區(qū)域。從20世紀(jì)80年代初以來,包括三北工程、退耕還林、天然林保護(hù)等生態(tài)工程建設(shè)使得黃土高原森林覆蓋度有了較大幅度提高[7],導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境要素以及物質(zhì)循環(huán)與能量交換過程發(fā)生變化[8-9],進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給產(chǎn)生影響[10]。李玉山[8]認(rèn)為,黃土高原植被增加使得區(qū)域內(nèi)的水文小循環(huán)增強(qiáng),而與區(qū)域外部之間的水文大循環(huán)減弱。茍嬌嬌等[11]通過遙感與站點數(shù)據(jù)分析認(rèn)為,退耕還林(草)工程實施10年后黃土高原植被覆蓋增加,植被可增加地表蒸散發(fā)作用從而具有降溫效應(yīng)。

本研究在分析20世紀(jì)80年代初以來三北工程黃土高原丘陵溝壑區(qū)森林覆被變化基礎(chǔ)上,利用Penman-Monteith公式,模擬計算1980—2015年三北工程黃土高原丘陵溝壑區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)在植被生長活躍期(6—9月)的蒸散量及其吸熱量,分析研究區(qū)森林通過蒸散過程提供區(qū)域降溫增濕服務(wù),為認(rèn)識研究區(qū)森林在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候中發(fā)揮作用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

三北工程黃土高原丘陵溝壑區(qū)位于我國黃土高原地區(qū)(33°41′—41°15′ N,100°50′—114°2′ E),包括青海東部、甘肅南部、寧夏南部、陜西中部和南部、山西西部以及內(nèi)蒙部南部區(qū)域(圖1)。該區(qū)面積為30.65萬km2,海拔高度為310—5208 m。該區(qū)氣候?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候,是溫帶半濕潤氣候向半干旱氣候過渡區(qū),年降雨量為400 mm左右,降雨量從東南向西北逐漸減少,多年平均蒸發(fā)量820—1650 mm,多年平均氣溫為9℃。土壤類型包括褐土、黑壚土和黃綿土,土壤毛管孔隙過大,易于蒸發(fā),保水性較差[12]。森林類型包括落葉闊葉林、常綠針葉林、落葉針葉林、針闊混交林和灌叢,以落葉闊葉林為主。該區(qū)樹種包括楊樹(Populusspp.)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、樺樹(Betulaspp.)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、油松(Pinustabulaeformis)、落葉松(Larixprincipisrupprechtii)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)等。該區(qū)域歷史上森林分布廣泛,由于人類活動導(dǎo)致森林植被破壞,水土流失問題嚴(yán)重。20世紀(jì)70年代末以來,國家開展了三北防護(hù)林建設(shè)、小流域治理、七大江河水土保持重點工程、全國“八大片”治理(黃土高原有無定河、皇甫川、三川河等)、退耕還林(草)等生態(tài)工程[13],林草植被有了較大恢復(fù)。由于研究區(qū)內(nèi)有多種恢復(fù)森林植被的生態(tài)工程實施,難以在空間上進(jìn)行區(qū)分。因此,本研究以三北工程黃土高原丘陵溝壑區(qū)內(nèi)所有森林為研究對象,評價其蒸散過程對區(qū)域氣候調(diào)節(jié)作用。

圖1 研究區(qū)地理位置、高程和森林植被分布Fig.1 Location, DEM and vegetation of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中使用的1980、2000、2010和2015年1 km×1 km土地覆被數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率在90%以上[14]。1980、2000、2010和2015年6月1日—9月30日逐日降溫、氣溫、日照、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)來自中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)(http://data.cma.cn/),包括風(fēng)速、日照時數(shù)、氣壓、氣溫、水汽壓、相對濕度、降水等,該氣象數(shù)據(jù)經(jīng)中國氣象局嚴(yán)格質(zhì)量監(jiān)控,數(shù)據(jù)精度和實有率達(dá)到99%以上。在Excel中選取6—9月逐日數(shù)據(jù)利用Penman-Monteith公式計算均值,在ArcGIS軟件中通過簡單Krig插值獲得植被生長季潛在蒸散、降水等氣象柵格數(shù)據(jù)(1 km)。DEM數(shù)據(jù)分辨率為90 m,來源于美國奮進(jìn)號航天飛機(jī)的雷達(dá)地形測繪SRTM(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)數(shù)據(jù),經(jīng)由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載。

1.3 研究方法

本研究中的降溫增濕服務(wù)是指三北工程黃土高原丘陵溝壑區(qū)在植物生長旺季(6—9月)森林通過植被蒸騰作用與土壤蒸發(fā),增加空氣濕度,同時在蒸散過程中吸收周邊熱量而降低區(qū)域溫度,為人類社會經(jīng)濟(jì)活動提供更為舒適的環(huán)境。本研究暫不考慮森林植被對地表反照率影響導(dǎo)致區(qū)域溫度變化。本研究假設(shè)研究區(qū)是一個相對封閉的空間,其水平范圍為三北工程黃土高原丘陵溝壑區(qū)或所屬各省邊界,垂直高度為混合層高度。在該空間范圍內(nèi)熱量與水汽充分混合而不與外界發(fā)生交換。森林蒸散作用發(fā)生后將引起該空間范圍熱量和水汽含量變化,從而影響其溫度與濕度。

1.3.1增濕

森林增濕量是指森林生態(tài)系統(tǒng)植被與土壤蒸散帶來水汽量,也就是森林蒸散量。本研究采用《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》[15]中方法計算實際蒸散量：

(1)

式中,Qw為實際蒸散量(mm)；P為多年平均年降水量(mm)；ETo為多年平均潛在蒸散量(mm)；ω為下墊面(土地覆被)影響系數(shù),其取值參考《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》(表1)。

表1 土地覆被影響系數(shù)ω參考取值

本研究中應(yīng)用了FAO-56推薦的Penman-Monteith公式[16]計算潛在蒸發(fā)量ETo：

(2)

式中,Rn參考作物表面凈輻射(MJ m-2d-1)；G為土壤熱通量密度(MJ m-2d-1)；T為月平均溫度(℃)；U2為2 m處風(fēng)速(m/s)；es飽和水汽壓(kPa)；ea實際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓溫度曲線的斜率(kPa/℃)；γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

凈輻射Rn：

Rn=Rns-Rnl

(3)

凈短波輻射Rns：

(4)

式中,n為日照時數(shù)(h)；N為最大日照時數(shù)(h)；Ra為總輻射(MJ m-2d-1)；N和Ra與緯度和季節(jié)有關(guān)。

凈長波輻射：

(5)

式中,Tkx、Tkn分別為最高氣溫、最低氣溫對應(yīng)的絕對溫度(K)。

土壤熱通量G：

G=0.14(Tmonthn-Tmonthn-1)≈0

(6)

2 m處風(fēng)速U2：

U2=4.87×Uz/ln(67.8z-5.42)

(7)

式中,Uz為z高度處測得的風(fēng)速(m/s)。

實際水汽壓ea：

(8)

水汽壓曲線斜率Δ：

(9)

濕度計算常量γ：

(10)

式中,P為氣壓(kPa)；λ為汽化潛熱(MJ/kg)。

氣壓：

(11)

式中,z為海拔高度(m)。

汽化潛熱λ：

λ=2.501-(2.361×10-3)×T

(12)

式中,T為平均溫度(℃)。

通過森林蒸散作用,增加大氣水汽含量,可使區(qū)域每日絕對濕度發(fā)生變化[17],計算公式為：

Δh=Qwd×1000/V

(13)

Qwd=Qw÷122

(14)

V=A×h

(15)

式中,Δh為某個區(qū)域的絕對濕度日增加量(g m-3d-1)；Qwd為某個區(qū)域日蒸散量(kg/d)；V為某個區(qū)域全域混合層高度內(nèi)空氣體積(m3)；Qw為研究區(qū)森林年蒸散量(kg/a)；A為某個區(qū)域全域面積(m2)；h為混合層高度(m),黃土高原混合層高度為677 m[18]。

同時,我們在計算絕對濕度變化基礎(chǔ)上可以計算森林蒸散作用對區(qū)域相對濕度變化的影響,區(qū)域相對濕度變化量計算公式為：

Δe=Δh×T÷218

(16)

式中,Δe為某個區(qū)域內(nèi)水汽壓每日變化量(hpa/d)；T為生長季平均溫度,絕對溫度(K),見表2；Δh為某個區(qū)域絕對濕度每日變化量(g m-3d-1)。

其次,飽和水汽壓(es)計算公式為：

lnes=21.382-(5.3475×103÷T)

(17)

則相對濕度變化量(Δf)的計算公式為：

Δf=Δe÷es×100%

(18)

表2 不同年份植被生長季(6—9月)研究區(qū)平均溫度

數(shù)據(jù)來源：國家氣象數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)通過插值后計算平均值

1.3.2降溫

研究區(qū)森林蒸散過程將液態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水,可通過20℃時水汽化熱計算蒸散過程中吸收周圍環(huán)境熱量及其降溫量。吸熱量計算公式為：

(19)

Qhij=Qwij×2453

(20)

式中,Qh為研究區(qū)森林年蒸散吸熱量(kJ/a)；a為柵格面積(1 km2)；Qhi為第i個森林柵格的單位面積年蒸散吸熱量(kJ m-2a-1)；2453 kJ/kg為20℃時水汽化熱。

在森林蒸散吸熱量基礎(chǔ)上,利用空氣的容積熱容量計算某個區(qū)域每日降溫效應(yīng)[17]：

ΔT=Qhd÷V÷ρc

(21)

Qhd=Qh÷122

(22)

式中,ΔT為某個區(qū)域每日溫度變化量(℃/d)；Qhd為某個區(qū)域森林蒸散過程中每日損失熱量(kJ/d)；V為某個區(qū)域全域混合層高度內(nèi)空氣體積(m3)；ρc為空氣的容積熱容量,其值為1.256 kJ m-3℃-1。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)森林覆被變化

1980—2015年研究區(qū)森林從5.32×104km2增加至5.44×104km2,增加了2.25%。從土地轉(zhuǎn)移矩陣來看,森林與其他土地覆被之間轉(zhuǎn)換較為頻繁：1980—2015年土地覆被轉(zhuǎn)移過程中,1980年森林中74.85%保持不變,另外25.15%的森林轉(zhuǎn)變其他土地覆被類型,其中轉(zhuǎn)為草地的最多,占1980年森林面積的17.02%,其次為農(nóng)田,占7.15%；從2015年森林來看,73.21%的森林保持不變,另有26.79%的森林由其他土地覆被轉(zhuǎn)變而來,其中來自草地的土地最多,占2015年森林面積的16.77%,其次是農(nóng)田,占9.44%(表3)。

比較1980年轉(zhuǎn)出的森林覆被與2015年轉(zhuǎn)入的森林覆被可以看出,更多的草地、農(nóng)田以及荒漠轉(zhuǎn)入森林,更多的森林轉(zhuǎn)出為聚落和濕地?？梢?隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,森林不可避免地被人類占用,用于各類城鎮(zhèn)與鄉(xiāng)村居住、工礦企業(yè)生產(chǎn)以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),如甘肅東部平?jīng)鍪?。與此同時,隨著各類生態(tài)建設(shè)工程實施[13],更多的荒草地、低產(chǎn)田或坡耕地、荒漠等轉(zhuǎn)變?yōu)樯?如陜西中部延安市(圖2)?？傮w上,研究區(qū)森林覆被面積增加,森林覆蓋度逐步提升。

表3 1980—2015年研究區(qū)土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣/km2

圖2 1980—2015年研究區(qū)森林轉(zhuǎn)變空間分布Fig.2 Distribution of forest tranfer in the study area from 1980 to 2015

3.2 研究區(qū)森林實際蒸散量

1980年以來,在植物生長季(6—9月)研究區(qū)森林實際蒸散總量為1.19×1010—1.40×1010t/a,平均實際蒸散量為219—257 mm(圖3)。張淑蘭等[19]利用SWIM模型模擬涇河流域上游森林全年實際蒸散量為425—545 mm。Gao等[20]基于Budyko假設(shè)模擬了1990—2014年黃土高原全年實際蒸散量為352—396 mm。賀康寧[21]通過定位觀測發(fā)現(xiàn)位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)的山西方山縣刺槐林6—9月蒸散量為272—300 mm。由于本研究僅計算6—9月森林蒸散量,本研究結(jié)果低于張淑蘭等和Gao等計算的全年實際蒸散量,但與賀康寧實地測定6—9月結(jié)果具有可比性。

本研究結(jié)果顯示1980—2015年森林實際蒸散總量與平均實際蒸散量均先增加,但在2015年明顯下降(圖3)。陸地生態(tài)系統(tǒng)平均實際蒸散量除了受植被類型影響外,還受太陽輻射、溫度、降水等因素影響,實際蒸散量與風(fēng)速和降水正相關(guān),而與日照時數(shù)和溫度負(fù)相關(guān)[22-23]。本研究中1980—2015年6—9月潛在蒸散量基本保持穩(wěn)定,但是6—9月降雨量在2010—2015年出現(xiàn)大幅度下降,降低了22%。因此,降雨量是導(dǎo)致2015年6—9月森林實際蒸散量低于其他年份的主要因素[24]。同時,通過對比用一年份不同土地覆被實際蒸散量,我們發(fā)現(xiàn)森林平均實際蒸散量顯著高于其他土地覆被類型(圖4)。因此,通過各類生態(tài)工程增加森林面積將有助于提升區(qū)域蒸散量。

圖3 1980—2015年6—9月森林蒸散與降雨 Fig.3 Forest evapotranspiration in June to September from 1980—2015AET: Actual evapotranspiration; PET: potential evapotranspiration

圖4 1980—2015年6—9月不同土地覆被平均蒸散量 Fig.4 Average AET in in June to September of different cover types from 1980 to 2015

對不同省區(qū)而言,由于研究區(qū)森林主要分布在陜西和山西,位于這兩省的森林6—9月實際蒸散量較高,大約占研究區(qū)的64%左右。各省區(qū)之間6—9月森林平均實際蒸散量相差不大。從空間分布格局上看,位于陜西中南部、山西南部、甘肅東部地區(qū)的森林6—9月平均實際蒸散量相對較高,而位于青海、山西北部和內(nèi)蒙古地區(qū)森林相對較低。從1980—2000年,森林實際蒸散量相對較低的區(qū)域在減少,但2000—2010年增加,而2010—2015年大幅度減少,特別是位于陜西中部和山西南部地區(qū)森林實際蒸散量下降最明顯(圖4)。

圖5 1980—2015年研究區(qū)森林平均實際蒸散量空間分布Fig.5 Distribution of forest average AET in the study area from 1980 to 2015

3.3 研究區(qū)森林增濕效果

1980—2015年研究區(qū)森林通過蒸散作用可以使區(qū)域6—9月絕對濕度每日增加0.47—0.55 g/m3,其中2000年增加最少,而2010年增加最多；相對濕度每日增加2.87%—3.32%,2015年增加最少,而1980年增加最多。就不同省區(qū)而言,森林面積較多的山西和陜西絕對濕度與相對濕度增加量較高,森林分布較少的寧夏相對較低?？梢?森林有助于調(diào)節(jié)區(qū)域溫濕度。蘇泳嫻等[25]通過遙感影像模擬發(fā)現(xiàn),廣州市城區(qū)裸地的空氣濕度基本在36%以下,而有植被覆蓋地方的空氣濕度均在45%以上,有植被覆蓋地方的空氣濕度比裸地可高9%以上。段文標(biāo)等[26]通過野外觀測發(fā)現(xiàn),小興安嶺闊葉紅松混交林相對濕度顯著高于空曠地。徐明潔等[27]通過野外觀測研究了千煙洲人工針葉林林內(nèi)水汽壓高于林外,表現(xiàn)出明顯的增濕效應(yīng)。吳菲等[28]發(fā)現(xiàn),夏季喬灌草綠地比建筑地面相對濕度高6.2%—9.0%。秦仲等[29-30]在北京奧林匹克森林公園監(jiān)測發(fā)現(xiàn),與開闊地相比,欒樹群落可在夏季白天降低空氣溫度0.43—7.53℃,增加相對濕度1%—22%；楊樹群落可降溫1.0—5.0℃,增加濕度4%—15%。與已有研究相比,本研究結(jié)果具有可比性?？梢?森林在植被生長旺季白天具有重要的降溫作用。

3.4 研究區(qū)森林降溫效果

1980—2015年,研究區(qū)森林在植被生長季(6—9月)通過蒸散作用吸收熱量為29.15×1015—34.26×1015kJ/a,單位面積蒸散吸熱量為53.72×108—63.13×108kJ hm-2a-1,通過蒸散吸熱的日降溫量為0.92—1.08℃/d,其中蒸散吸熱量、單位面積蒸散吸熱量及日降溫量最低的是2015年,最高的是2010年(表5)。

表4 研究區(qū)森林植被蒸散的增濕效果

不同省區(qū)森林6—9月單位面積蒸散吸熱量和蒸騰吸熱總量以陜西和山西相對較高,寧夏和青海較低。山西森林通過蒸散吸熱降溫效果最好,1980—2015年可使6—9月每日降溫達(dá)1.39—1.61℃/d,陜西可降溫1.13—1.45℃/d,寧夏降溫效果相對較差(表5)。Huang等[31]利用遙感影像和實地調(diào)查研究了美國巴爾的摩不同街區(qū)的植被覆蓋率和地表溫度之間的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)植被覆蓋率從64.26%下降到16.60%時地表溫度從27.34℃增加到39.76℃,溫差可以達(dá)到12.42℃。賈寶全和仇寬彪[32]通過遙感模擬分析了北京百萬畝造林降溫效果,結(jié)果顯示造林地的平均降溫幅度可達(dá)1.023℃。徐明潔等[27]通過野外觀測研究了千煙洲人工針葉林對區(qū)域溫濕度調(diào)節(jié)作用,發(fā)現(xiàn)林內(nèi)氣溫多年平均值低于林外0.5℃。Ahlswede和Thomas[33]通過模型模擬發(fā)現(xiàn),在美國東部的南方地區(qū)利用落葉闊葉林造林可維持較高的LAI,從而在夏季產(chǎn)生較高的地表溫度降溫量?？梢?本研究結(jié)果與其他研究結(jié)果具有可比性,在植被生長季森林具有明顯降溫作用。

表5 研究區(qū)不同省區(qū)森林蒸散吸熱降溫效果

4 結(jié)論與討論

森林通過植被蒸騰與土壤蒸發(fā)作用可以改善環(huán)境溫度與濕度條件。三北工程黃土高原丘陵溝壑區(qū)位于干旱少雨且夏季炎熱的黃土高原地區(qū),森林降溫增濕功能可調(diào)節(jié)區(qū)域氣候,為當(dāng)?shù)靥峁└孢m生存環(huán)境。本研究在分析1980—2015年研究區(qū)森林覆被變化基礎(chǔ)上,利用Penman-Monteith公式模擬計算了森林蒸散作用在區(qū)域氣候調(diào)節(jié)中的作用。研究結(jié)果顯示：(1)1980—2015年研究區(qū)森林面積增加了2.25%,主要來自荒草地、耕地和荒漠；(2)1980—2015年研究區(qū)森林蒸散總量為1.19×1010—1.40×1010t/a,單位面積蒸散量為219—257 mm,可使區(qū)域6—9月絕對濕度每日增加0.47—0.55 g/m3,相對濕度每日增加2.87%—3.32%,位于山西和陜西森林增濕效果較好；(3)森林通過蒸散作用吸熱量為29.15×1015—34.26×1015kJ /a,單位面積蒸散吸熱量為53.72×108—63.13×108kJ hm-2a-1,通過蒸散吸熱日降溫量為0.92—1.08 ℃/d,山西和陜西森林降溫效果較好；(4)研究區(qū)森林蒸散量在1980—2010年逐漸增加,但在2015年明顯下降,這主要是由降水減少導(dǎo)致。通過對比相同年份不同土地覆被發(fā)現(xiàn),森林實際蒸散量顯著高于其他土地覆被類型,未來在水資源承載能力范圍內(nèi)適當(dāng)增加森林面積,將有助于調(diào)節(jié)區(qū)域溫度與濕度,為人類提供更舒適的生存環(huán)境。

本研究主要關(guān)注三北工程黃土高原丘陵溝壑區(qū)森林通過蒸散作用吸收周圍環(huán)境熱量并增加大氣水汽含量,從而調(diào)節(jié)區(qū)域氣候。實際上,森林對區(qū)域氣候的影響還受植被對地表反照率改變的影響。一般研究認(rèn)為森林植被會降低地表反照率而增加對太陽輻射吸收,從而導(dǎo)致區(qū)域溫度升高,特別是高緯度地區(qū),森林具有明顯增溫作用。未來將進(jìn)一步探索在森林蒸散作用及其對地表反照率改變共同作用下區(qū)域氣候的響應(yīng)。