丹 楊,杜靈通,*,王 樂,馬龍龍,喬成龍,吳宏玥,孟 晨

1 寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復省部共建國家重點實驗室培育基地, 銀川 750021 2 寧夏大學西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室, 銀川 750021

蒸散發(fā)(Evapotranspiration,ET)由蒸發(fā)和蒸騰組成,是陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤-植被-大氣間水分消耗的主要途徑,也是生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)中最重要的水文過程之一[1]。Oki[2]等指出陸地生態(tài)系統(tǒng)有59%的降水通過蒸散發(fā)返回大氣圈,在干旱區(qū)比例更高;同時,蒸散發(fā)也是聯(lián)系植物氣孔行為、水分利用和碳交換的關鍵生態(tài)過程[3],對維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要的意義。在干旱的荒漠草原地區(qū),水分供應是維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素,而蒸散發(fā)又可指示草地生態(tài)系統(tǒng)水分消耗情況,所以定量研究其蒸散發(fā)過程和生態(tài)系統(tǒng)耗水規(guī)律,對旱區(qū)水資源管理與植被重建都具有重要的指導意義。由于長期的過度放牧和開墾,我國西北荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴重,20世紀90年代開始,國家在荒漠草原地區(qū)實施了一系列的生態(tài)治理工程,有較強的耐沙埋、耐旱等生物學特性的中間錦雞兒(Caraganaintermedia)灌木,常被作為生態(tài)治理工程的首選播植樹種。然而,荒漠草原地區(qū)大面人工種植中間錦雞兒(俗稱檸條)會造成草地灌叢化現(xiàn)象發(fā)生,在起到防沙治沙和增加植被蓋度作用的同時,也加速了土壤水分消耗,使土壤水分的空間異質(zhì)性和破碎化程度加強[4],進而導致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的改變,影響了草地生態(tài)系統(tǒng)的水文過程[5-6]。灌叢化的生態(tài)效應是生態(tài)學、土壤學、水文學等學科的研究前沿與熱點[7],目前我國關于人工灌叢化對生態(tài)水文影響方面的研究較少,已有研究多集中在群落尺度[4],重點關注植物多樣性、土壤水分變化和水分的空間異質(zhì)性等[8- 12]。荒漠草原蒸散發(fā)的研究多集中于大尺度蒸散發(fā)時空變化規(guī)律方面,關于人工灌叢化對在區(qū)域尺度蒸散發(fā)的影響還缺乏定量研究,特別是灌叢化在引起土壤水文過程變化的同時,是否改變了植被冠層蒸散發(fā)特征和組分結(jié)構(gòu),進而影響區(qū)域的地-氣水汽交換過程。

因缺少荒漠草原人工灌叢化過程中的同期蒸散發(fā)觀測數(shù)據(jù),荒漠草原灌叢化對生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的影響只能通過模型模擬來研究。目前用來估算生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的模型種類多樣,其中Choudhury-Monteith[13]、Dolman[14]、Physiological Principles in Predicting Growth(3-PG)[15]以及地表能量平衡模型(Surface Energy Balance System,SEBS)等模型[16]能夠較好的模擬蒸散發(fā)總量,但所需驅(qū)動參數(shù)較多,且難以精確模擬蒸散發(fā)組分;Penman-Monteith[17]、Priestley-Taylor[18]等模型參數(shù)簡單,但常要結(jié)合觀測實驗才能拆分組分,不能直接獲取組分結(jié)構(gòu)[19];Shuttleworth-Wallace模型[20]參數(shù)簡單,可以直接獲取蒸散發(fā)組分數(shù)據(jù),但不能模擬出因植被類型改變而引起的蒸散發(fā)及其組分變化。生物地球化學模型(Biome Bio-Geochemical Cycles,Biome-BGC)[21]可以模擬氣候驅(qū)動下的生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)變化過程,但在相同氣候條件下,較難區(qū)分出不同植被類型的生態(tài)系統(tǒng)水分耗散過程。地球呼吸系統(tǒng)模擬模型(Breathing Earth System Simulator,BESS)[22]驅(qū)動數(shù)據(jù)易于獲取,不僅能模擬生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)總量變化,還可模擬蒸散發(fā)的蒸發(fā)與蒸騰組分。為此,本研究以寧夏鹽池縣的荒漠草原為例,利用Biome-BGC模型模擬荒漠草原灌叢化前后冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)變化,并以此驅(qū)動BESS模型來模擬蒸散發(fā)及組分,研究荒漠草原人工灌叢化對蒸散發(fā)及其組分的影響,以便為荒漠草原地區(qū)生態(tài)重建提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location map of study area

鹽池縣(37°04′—38°10′N,106°30′—107°47′E)位于寧夏回族自治區(qū)東部(圖1),北接毛烏素沙漠,屬于黃土丘陵向鄂爾多斯臺地的過渡地帶,是我國典型的北方農(nóng)牧交錯帶。鹽池是典型的大陸性季風氣候,氣溫冬冷夏熱,晴天多,日照充足,光能豐富,降雨少。鹽池氣象站觀測的1958—2017年的年平均氣溫為8.34℃,年均降水量為296.99 mm,屬于典型的溫帶大陸性氣候。全縣自東南向西北由干草原向荒漠草原過渡。鹽池近幾十年在防沙治沙中,對荒漠草原自然植被干擾強烈,大面積人工種植中間錦雞兒(Caraganaintermedia)灌木,經(jīng)野外調(diào)查測量中間錦雞兒種植條帶間距6—7 m,株距平均不足1 m,平均高度1.40 m,現(xiàn)已形成約8.9×104hm2的以中間錦雞兒為優(yōu)勢種的灌叢化荒漠草原景觀[23]。其間主要天然植物種有達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、短花針茅(Stipabreviflora)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、賴草(Leymussecalinus)、老瓜頭(Cynanchumkomarovii)等。該縣土壤類型主要是灰鈣土,其次是黑壚土和風沙土,其中南部黃土高原丘陵區(qū)以黑壚土為主,其次為灰鈣土,北部鄂爾多斯緩坡丘陵區(qū)以風沙土、灰鈣土為主。

1.2 數(shù)據(jù)1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0),選取鹽池站點1954—2016年的日最高氣溫、日最低氣溫和日累積降水量數(shù)據(jù)。利用山地氣候模型MT-CLIM 4.3進一步模擬得到日均溫度、飽和水汽壓差、入射短波輻射和日照時長數(shù)據(jù)[24]。

1.2.2遙感數(shù)據(jù)

BESS模型為避免不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品在同化過程中帶來的不確定性,統(tǒng)一使用中分辨率成像光譜儀(The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)產(chǎn)品作為輸入數(shù)據(jù),包括MO(Y)D04_L2氣溶膠產(chǎn)品、MO(Y)D05_L2水汽產(chǎn)品、MO(Y)D06_L2云產(chǎn)品、MO(Y)D07_L2大氣廓線產(chǎn)品、MO(Y)D11_L2地表溫度產(chǎn)品、MCD12Q1地表覆蓋產(chǎn)品、MCD43B2反照率產(chǎn)品(表1)。在多云天氣下,因MODIS的氣溫、露點溫度和地表溫度存在質(zhì)量問題,為此,本研究利用美國國家大氣海洋局(NOAA)的NECP/NCAR再分析數(shù)據(jù)替代。

1.2.3其他數(shù)據(jù)

模型的其他輸入數(shù)據(jù)有全球植被聚集指數(shù)數(shù)據(jù)[25],全球C3和C4植物分布圖[26],柯本氣候類型分布圖(http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/)(表1),北京師范大學發(fā)布的土壤粒度分布數(shù)據(jù)[27],大氣二氧化碳濃度觀測數(shù)據(jù)(https://www.co2.earth/)。此外,還有本項目研究的實測數(shù)據(jù),包括來自站點測量的緯度、海拔、反照率等數(shù)據(jù),野外實測得到的草本植物與灌叢的高度均值,使用元素分析儀(Vario MACRO)和Van SOEST改進范式法測定的部分鹽池荒漠草原草本植物與中間錦雞兒灌木的生理生態(tài)參數(shù)。模型驗證使用了北京林業(yè)大學寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站2012年的開路渦度相關觀測數(shù)據(jù)。

表1 遙感空間數(shù)據(jù)參數(shù)

1.3 方法

本文采用Biome-BGC模型分別模擬單一草地和單一灌叢狀態(tài)下的生物生長過程和冠層葉面積指數(shù)(Leaf Area Index,LAI)變化,并將逐日葉面積指數(shù)作為BESS模型的輸入?yún)?shù),驅(qū)動BESS模型模擬鹽池荒漠草原地區(qū)原始草地和人工灌叢化后的中間錦雞兒灌木兩種植被情境下的生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)及其組分構(gòu)成,以此來研究荒漠草原人工灌叢化前后生態(tài)系統(tǒng)的地氣水汽交換特征變化。

1.3.1Biome-BGC模型

Biome-BGC模型[21]由美國蒙大拿大學森林學院陸地動態(tài)數(shù)值模擬研究所提出,是用來模擬全球和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳、氮和水循環(huán)的生理生態(tài)過程模型[28]。它以氣象、土壤條件和植被類型等作為輸入變量,模擬生態(tài)系統(tǒng)光合作用、呼吸作用和土壤微生物分解過程。本研究針對草地和灌叢兩種生態(tài)系統(tǒng)類型,對驅(qū)動Biome-BGC模型的18個關鍵生理生態(tài)參數(shù)進行本地化實測或借鑒已有研究[29](表2),其他26個生理生態(tài)參數(shù)取模型默認值,來模擬鹽池不同植被(草地和灌叢)狀態(tài)下的植被生長過程和葉面積指數(shù)(LAI)[21]。

1.3.2BESS模型

BESS模型[22]是一種生物物理模型,用于模擬高時空分辨率的生態(tài)系統(tǒng)碳、水通量交換過程。它基于Farquhar光合作用模型,并耦合一維大氣輻射傳輸模塊、雙葉冠層輻射傳輸模塊和碳吸收—氣孔導度—能量平衡模塊,BESS模型通過計算大氣輻射和冠層輻射傳輸來量化陽光/陰影冠層的通量貢獻值,從而提高模擬精度[33]。BESS模型的輸入數(shù)據(jù)包括站點位置、遙感數(shù)據(jù)、聚集指數(shù)、C3與C4植被分布和氣候類型等。本研究通過Biome-BGC模型輸出的草地和灌叢植被LAI生長變化及兩種植被類型的特性參數(shù),來驅(qū)動BESS模型模擬原始荒漠草原和人工灌叢化草原的生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)及其組分。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸散發(fā)模擬結(jié)果精度驗證

本研究使用基于渦度相關系統(tǒng)觀測獲得的2012年鹽池荒漠草原灌草生態(tài)系統(tǒng)通量數(shù)據(jù)[34]進行驗證,由于降雨會影響通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量,故將降雨天數(shù)據(jù)剔除,并從原始半小時頻率的觀測數(shù)據(jù)累加計算出日尺度蒸散發(fā)數(shù)據(jù),得到302個實測蒸散發(fā)樣本。本文根據(jù)生理生態(tài)參數(shù)定義,模擬出的是單一草地生態(tài)系統(tǒng)和單一灌叢生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā),而渦度相關系統(tǒng)觀測到的是鹽池荒漠草原地表灌草混合系統(tǒng)的蒸散發(fā)。根據(jù)鹽池縣人工灌叢區(qū)的植被調(diào)查結(jié)果,統(tǒng)計了10個調(diào)查區(qū)每個20 m×20 m樣方中的灌木和草地蓋度比例,確定灌草混合系統(tǒng)的草地占比為77%,灌叢占比為23%,根據(jù)該灌草比例計算模擬灌草系統(tǒng)蒸散發(fā),與渦度相關蒸散發(fā)進行對比,并利用均方根誤差(RMSE)來評價模擬效果。結(jié)果顯示,整體上模擬與實測值極顯著相關(P<0.01),RMSE為0.58 mm/d。盡管模型模擬在高值區(qū)對蒸散發(fā)有一定的低估現(xiàn)象,但Biome-BGC與BESS模型相結(jié)合的蒸散發(fā)模擬值整體上能解釋實測值的變化趨勢,具有一致性和可信性(圖2)。因此,Biome-BGC與BESS模型相結(jié)合的方法適用于鹽池縣人工灌叢化前后的生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)模擬。

表2 Biome-BGC模型中草地及灌叢的本地化生理生態(tài)參數(shù)

圖2 鹽池蒸散發(fā)日尺度模擬值與實測值對比 Fig.2 Correlation of daily simulated ET and observed ET in Yanchi country

2.2 人工灌叢化對荒漠草原LAI的影響

葉面積指數(shù)(LAI)定義為單位地表面積上植物葉片總面積占地表面積的比例[35],它是生態(tài)系統(tǒng)水文過程的關鍵參數(shù)[36]。Biome-BGC模型通過時間序列的氣象數(shù)據(jù)和植被類型參數(shù)模擬生態(tài)系統(tǒng)過程,氣象數(shù)據(jù)的時間序列越長,模擬出的效果就會越準確[24]。故本研究使用1954—2016年的氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動Biome-BGC模型,并將高程、緯度、土壤、CO2等本地化數(shù)據(jù)輸入模型,分別選取草地和灌叢兩種植被類型,來模擬鹽池荒漠草原區(qū)63年來兩種植被類型的LAI序列。從模擬結(jié)果來看,草地LAI年最大值的多年平均為0.20,在0.19—0.22間變化;灌叢LAI年均最大值的為多年平均為0.67,在0.54—0.80間變化;灌叢LAI的年際波動范圍明顯高于草地(圖3)。從LAI的周期來看,草地和灌叢具有相似的波動特征,他們的波動過程與氣候波動同步。

從兩種植被類型的年內(nèi)LAI變化特征來看(圖4),草地LAI隨著年內(nèi)生長過程表現(xiàn)出典型的單峰曲線,變化范圍是0—0.20,在8月中旬達到峰值,在此之前LAI平穩(wěn)緩慢增長,而8月中旬之后,LAI開始下降,同時變化速率加快,到十月底降回0值。草地LAI變化體現(xiàn)了鹽池主要一年生草本植物的枯榮過程,草本植物在生長季開始后,復蘇生長,隨著溫度升高和降水增多,葉片分裂、伸長和增大;生長季結(jié)束后,草本植物葉片開始快速枯黃、衰落。灌叢相對于草地,其年內(nèi)LAI的變化幅度大,但也同樣具有明顯的生長季特征,全年變化范圍在0—0.67之間,不同的是其生長季變化分為三個階段,生長季初期灌叢LAI處于快速上升過程,在6月初開始生長的速度減緩,直到8月底LAI達到全年的最大峰值,之后開始快速下降,在生長季結(jié)束后降到0值。鹽池荒漠草原人工種植的中間錦雞兒為多年生灌木,其葉片雖然也會隨著四季變化而枯榮,但其復蘇生長和枯落速度均大于草本植物(圖4)。從以上的模擬結(jié)果可以看出,荒漠草原人工灌叢化會改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的LAI年際和年內(nèi)特征,而這種植被結(jié)構(gòu)和LAI的變化勢必導致生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的變化。

圖3 草地和灌叢的年最大LAI年際變化 Fig.3 Interannual variation of max yearly LAI of grassland and shrub

圖4 草地和灌叢的生長季LAI變化 Fig.4 Daily LAI of grassland and shrub during growing season

2.3 人工灌叢化對蒸散發(fā)年際與年內(nèi)變化的影響

前文述及荒漠草原人工灌叢化會導致平均LAI增高和年內(nèi)變化特征改變,同時會引起植被高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化[37]。所以本研究依據(jù)野外實測草地和中間錦雞兒灌叢高度,以及Biome-BGC模型模擬出的兩種植被類型的LAI數(shù)據(jù)序列,結(jié)合同期其他遙感觀測數(shù)據(jù),來驅(qū)動BESS模型模擬荒漠草原人工灌叢化對陸地生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的影響。由于模型所需的MODIS陸地和大氣遙感產(chǎn)品在寧夏地區(qū)從2002年下半年開始才有正常數(shù)據(jù),因此,本研究只模擬了鹽池荒漠草原2003—2016年的原始草地及灌叢化后的生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)。模擬結(jié)果顯示,草地和灌叢的年均蒸散發(fā)分別是251.74 mm和281.42 mm,荒漠草原人工灌叢化后,生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)平均增加了29.69 mm。草地年蒸散發(fā)在213.44—281.97 mm之間,而灌叢年蒸散發(fā)在235.40—327.57 mm,人工灌叢化增加了蒸散發(fā)的波動范圍(圖5)。從時間序列來看,灌叢和草地的年蒸散發(fā)在2005至2006年間達到了近14年的最低谷,最小值都在2006年,分別為235.40 mm和213.44 mm,蒸散發(fā)年際波動主要與極端氣象干旱有關,2005年是寧夏近14年的氣象降水的極端虧缺年[38],極端干旱會導致生態(tài)系統(tǒng)供水不足,出現(xiàn)蒸散發(fā)的低谷,之后生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)逐漸恢復[39]。從日尺度的草地和灌叢蒸散發(fā)關系來看,灌叢蒸散發(fā)普遍高于草地蒸散發(fā),散點主要落于1∶1線的上方(圖5),人工灌叢化前草地的蒸散發(fā)為0.69 mm/d,人工灌叢化后灌叢的蒸散發(fā)0.77 mm/d,人工灌叢化導致荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)增加了約1.12倍。

圖5 BESS模擬的草地和灌叢蒸散發(fā)及他們之間的關系Fig.5 Evapotranspiration of grassland and shrub simulated by BESS and their relationship

圖6 灌叢化前后蒸散發(fā)、蒸發(fā)和蒸騰的年內(nèi)變化及差值Fig.6 The temporal series and difference of evapotranspiration, evaporation and transpiration before and after shrub encroachment

從年內(nèi)變化來看,草地和灌叢的蒸散發(fā)在年內(nèi)月變化呈單峰曲線,兩種植被類型的蒸散發(fā)在冬季(1月和12月)最小;生長季初期隨著氣候變暖、冰雪消融出現(xiàn)短暫波動后,二者的蒸散發(fā)均開始增加,在8月份達到峰值,草地和灌叢在8月份的日蒸散發(fā)均值分別為1.27 mm/d和1.56 mm/d;生長季結(jié)束后,二者的蒸散發(fā)開始下降,直到生長季結(jié)束蒸散發(fā)降到最低(圖6)。草地和灌叢在非生長季(1—3月和11—12月)蒸散發(fā)差異不大,即人工灌叢化對荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)冬季蒸散發(fā)的影響不明顯,這是因為草本和灌木植被在非生長季均進入休眠期,葉片枯落,不發(fā)生光合作用和蒸騰耗水;從生長季植被復蘇開始,灌叢蒸散發(fā)就開始逐漸高于草地蒸散發(fā),且隨著生長季的來臨,植被生長越茂盛,灌叢蒸散發(fā)就越強,灌叢蒸散發(fā)與草地蒸散發(fā)的差值亦越大,其中8月份蒸散發(fā)平均差值可達0.29 mm/d;生長季結(jié)束后,二者的差異也隨著蒸散發(fā)的減弱而縮小(圖6)。從蒸散發(fā)組分量的年內(nèi)變化來看,荒漠草原人工灌叢化對其蒸騰影響很大,即大量種植中間錦雞兒會明顯增強區(qū)域植被在生長季的蒸騰量,進而導致整個荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)增強,生態(tài)系統(tǒng)耗水量增加,這個特征在生長季表現(xiàn)明顯。人工灌叢化對蒸發(fā)雖然也有影響,但強度明顯不及蒸騰量,隨著生長季的來臨和夏秋季降雨量的增多,灌叢的蒸發(fā)略強于草地的蒸發(fā),這可能與中間錦雞兒的冠層結(jié)構(gòu)有關,相對于草本植被,中間錦雞兒的莖稈和葉片會截留更多的降水,進而增強了雨后冠層蒸發(fā)。以上可知,荒漠草原人工灌叢化會對植被蒸騰作用產(chǎn)生明顯影響,進而增強植被土壤系統(tǒng)的蒸散發(fā),導致生態(tài)系統(tǒng)的耗水量增強。

2.4 人工灌叢化對蒸散發(fā)組分結(jié)構(gòu)的影響

前節(jié)得出荒漠草原人工灌叢化增強了生態(tài)系統(tǒng)整體蒸散發(fā),然而蒸散發(fā)由蒸騰和蒸發(fā)兩種組分共同組成,為研究灌叢對兩種組分結(jié)構(gòu)的影響,利用BESS模型模擬了兩種植被類型的蒸散發(fā)組分(圖7),從中可以看出,人工灌叢化不僅影響到了蒸散發(fā)總量變化,還引起了組分結(jié)構(gòu)的變化。從組分結(jié)構(gòu)來看,荒漠草原不管是否發(fā)生灌叢化,均表現(xiàn)出蒸發(fā)大于蒸騰的規(guī)律。2003—2016年間,草地蒸騰在48.08—56.42 mm之間,平均為52.59 mm,草地蒸發(fā)在159.18—225.76 mm之間,平均為199.15 mm;而灌叢蒸騰在59.32—84.23 mm之間,平均為70.87 mm,灌叢蒸發(fā)在168.24—243.34 mm之間,平均為210.55 mm。從不同年份兩種植被類型的蒸騰/蒸發(fā)比例來看,灌叢均高于同年的草地,多年平均值由26.79%增加到33.84%,即荒漠草原人工灌叢化過程改變了生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)結(jié)構(gòu)比例(圖7)。從14年的平均值來看,人工灌叢化導致生態(tài)系統(tǒng)蒸騰量平均增加了1.35倍,蒸發(fā)量增加了1.06倍,其中2014年的蒸騰量增加了1.50倍,為近14年最高,可見荒漠草原人工灌叢化對生態(tài)系統(tǒng)蒸騰的增強作用強于對蒸發(fā)的增強作用。這是由于鹽池荒漠草原人工灌叢化是一種在草本植被的草地上按不同行距和株距種植中間錦雞兒灌木,進而演替成灌叢的過程,相對于原本全是稀疏草本植物的草地生態(tài)系統(tǒng),灌叢化后的中間錦雞兒不僅冠層生物量大,且耗水量也比草本植物高,從而導致灌叢化后蒸騰量強烈增加。

圖7 灌叢化前后蒸散發(fā)組分及蒸騰/蒸發(fā)比年際變化Fig.7 Interannual variation and composition of evapotranspiration components before and after shrub encroachment

將BESS模型輸出的2003—2016逐日蒸散發(fā)組分數(shù)據(jù)求取月均值(圖8),可以看出人工灌叢化前后蒸散發(fā)組分的變化與蒸散發(fā)基本一致。其中草地和灌叢的蒸發(fā)在4—9月間略有差異,而在10月至次年的3月差異非常小;蒸騰則明顯表現(xiàn)出隨植被生長節(jié)律而變化的規(guī)律,即隨著植被年內(nèi)生長由弱到強再到弱的生長過程,蒸騰差異由小到大再變小。其中草地的最大蒸騰出現(xiàn)在7月,為12.74 mm,而灌叢的最大蒸騰出現(xiàn)8月,為17.22 mm。蒸騰占蒸散發(fā)比例最高的月份均是6月,草地蒸騰占蒸散發(fā)的比例為37%,灌叢蒸騰占蒸散發(fā)的比例為40%。蒸騰占蒸散發(fā)比例在非生長季均約為0,這一時期生態(tài)系統(tǒng)水分消耗主要為土壤蒸發(fā)。從季節(jié)性組分統(tǒng)計來看(圖8),人工灌叢化壓低了蒸發(fā)比例,增高了蒸騰比例。這種生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)組分結(jié)構(gòu)的變化,不僅表明荒漠草原人工灌叢化會增強水分消耗總量,還會引起水分耗散結(jié)構(gòu)的變化,從而對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性維持產(chǎn)生影響。

圖8 灌叢化前后蒸散發(fā)組分年內(nèi)變化及季節(jié)組分結(jié)構(gòu)Fig.8 The temporal series and seasonal composition of evapotranspiration components before and after shrub encroachment

3 討論

BESS模型模擬的人工灌從化過程主要體現(xiàn)在植被高度和LAI的改變,其中植被高度輸入的是測量均值,而LAI的輸入數(shù)據(jù)是日尺度數(shù)據(jù)序列。LAI數(shù)據(jù)序列通過Biome-BGC模型本地化參數(shù)后模擬獲得,其在灌叢化前后發(fā)生了較大的變化,而它是影響生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)變化的重要參數(shù)之一。柳藝博[40]、王亞蕊[41]等研究得出,中國北方地區(qū)蒸散發(fā)與LAI呈顯著正相關,這與本研究模擬的前提假設一致。已有研究表明“三北防護林工程”“退耕還林還草”等大范圍造林項目的實施造成中國北方地區(qū)LAI升高[42],這與本研究得出的人工灌叢化導致荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)LAI明顯升高的結(jié)果一致。張杰[43]等人在青藏高原東部地區(qū)的研究表明,由于物候期不同導致不同植被類型的LAI差異較大,這與本文得到的灌叢LAI峰值滯后于草地LAI的結(jié)論一致。這是由于草地和灌叢的生物節(jié)律不同,導致人工灌叢化的過程改變了的荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)年內(nèi)LAI的變化形態(tài)。

草原灌叢化是全球半干旱地區(qū)面臨的重要生態(tài)問題[44],半干旱區(qū)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中灌木的引入會改變原有植物群落的組成和結(jié)構(gòu),打破原有生態(tài)系統(tǒng)的光照、熱量、水分和養(yǎng)分的分配格局[45],影響生態(tài)水文結(jié)構(gòu),進而引起蒸散發(fā)總量的變化,導致土壤蒸發(fā)和植被蒸騰占比的重新分配[37]。張定海[46]等指出,干旱沙區(qū)引入人工灌叢后,隨著灌叢生長蓋度增加,根系伸長,土壤結(jié)皮增厚,導致冠層截留的降水增加,植被在加大土壤水分利用的同時,也降低了土壤入滲,導致土壤水分供需失衡。本研究得出,人工灌叢化增加了荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā),增強了陸地-大氣間的水汽交換過程,也改變了蒸騰和蒸發(fā)組分結(jié)構(gòu)。灌叢化引起的這種土壤-植被和植被-大氣間的生態(tài)水文過程變化,即一方面導致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)耗水增多,另一方面導致土壤水分消耗加劇,在荒漠草原降水供給不變的情況下,會影響到生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這一結(jié)果再次警示,在半干旱區(qū)的荒漠草原,通過大量人工種植灌木來進行防沙治沙和生態(tài)治理,尚存在生態(tài)水文機理不清的問題,其生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性和穩(wěn)定性需值得關注和研究,未來需加強這一系統(tǒng)的生態(tài)水文閾值及其水分動態(tài)平衡研究。

王芑丹[7]等研究表明,內(nèi)蒙古草原的灌叢化對蒸散發(fā)耗水影響不大,與本文結(jié)果不同,這與兩個研究區(qū)的原有生態(tài)系統(tǒng)類型不同及灌叢化過程存在差異有關。鹽池位于毛烏素沙地南緣,原本為退化的荒漠草原,為防止沙漠化大量種植中間錦雞兒灌木,從而引起人工灌叢化現(xiàn)象;內(nèi)蒙古太仆寺旗原本為典型草原,因草地自然退化、植被演替引起灌叢化現(xiàn)象,二者灌叢化過程存在較大差異,且典型草原的LAI遠大于荒漠草原[47]。在典型草原,自然灌叢化對整個生態(tài)系統(tǒng)的LAI影響不大;而在荒漠草原,人工灌叢化是人為種植灌木,增加植被蓋度,導致整個生態(tài)系統(tǒng)的LAI升高明顯。二者不同的灌叢化生態(tài)過程,導致各自的地-氣水文過程不同。本研究中非生長季蒸散發(fā)的主要來源是土壤蒸發(fā),灌叢和草地相差不大,而隨著夏季的到來,降雨增加,灌叢比草地的蓄水能力更強[48],雨后的冠層和土壤蒸發(fā)作用加強。本研究得到的灌叢化前后蒸散發(fā)和蒸騰變化規(guī)律,與Newman等[49]在美國新墨西哥州北部干旱區(qū)灌叢和草地斑塊中觀測的結(jié)果相同,但蒸發(fā)變化規(guī)律與本研究不一致,這與和干旱區(qū)半干旱區(qū)的土壤蒸發(fā)強度不同有關。此外,荒漠草原人工灌叢化是一個逐漸演替變化的過程,需要較長的時間完成,且中間變化的過程比較復雜,而模型未能將這一逐漸演替的過程恰當?shù)哪M出來,這是未來需要深入研究的方向。

4 結(jié)論

基于不同植被的生理生態(tài)參數(shù)以及鹽池荒漠草原的水熱條件,結(jié)合Biome-BGC模型和BESS模型,構(gòu)建灌叢化前后的兩種情景,模擬了2003—2016年鹽池縣荒漠草原人工灌叢化對生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)及其組分的影響,得出如下結(jié)論。Biome-BGC與BESS模型相結(jié)合的方法能夠模擬人工灌叢引入前后鹽池荒漠草原的生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)。人工灌叢化導致鹽池荒漠草原植被組成與結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,增加了植被冠層的葉面積指數(shù),從而增強了生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā),特別是生長旺季最為明顯。灌叢化也改變了生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的組分結(jié)構(gòu),導致蒸發(fā)比例降低、蒸騰比例增高。研究結(jié)論初步揭示了我國西北在防沙治沙和生態(tài)治理工程中,大量種植灌木會對荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)水分蒸散發(fā)產(chǎn)生影響,即增強了陸地-大氣間的水汽交換,增加了生態(tài)系統(tǒng)水分消耗,水分供應不足的半干旱地區(qū),將對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。