韓云環(huán) 馬柱國(guó) 李明星 陳亮

1 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)學(xué)院，石家莊 050061

2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候—環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

1 引言

已有的研究表明，過(guò)去300年人類活動(dòng)已經(jīng)影響了42%～68%的陸地表面（Vitousek et al., 1997;Hurtt et al., 2006）。除溫室氣體和氣溶膠外，土地利用/覆蓋變化（Land Use/Cover Change, LUCC）是人類活動(dòng)影響氣候的另外一個(gè)重要因素（IPCC,2013），其影響著局地、區(qū)域和全球的氣候變化（邵璞和曾曉東, 2012; Mahmood et al., 2014）。LUCC主要通過(guò)生物地球物理和生物地球化學(xué)過(guò)程影響氣候，其中生物地球化學(xué)過(guò)程是通過(guò)向大氣排放或者吸收溫室氣體進(jìn)而改變碳循環(huán)過(guò)程來(lái)影響氣候系統(tǒng)（Pielke et al., 2002; Brovkin et al., 2013）；而生物物理過(guò)程是通過(guò)引起地表屬性和下墊面性質(zhì)（如地表反照率、粗糙度、土壤濕度）的變化（Yu and Xie, 2013），改變陸面過(guò)程中波文比以及降水在蒸散發(fā)、徑流和土壤水之間的分配來(lái)進(jìn)一步對(duì)氣候產(chǎn)生影響（Notaro et al., 2006; Findell et al., 2007; Wang et al., 2020），它不僅影響溫度、降水，也會(huì)對(duì)季風(fēng)和大氣環(huán)流產(chǎn)生影響（Lei et al., 2008; Imhoff et al.,2010; Lee et al., 2011; Zha et al., 2019）。LUCC是自然和人為共同影響最顯著的問(wèn)題，其與氣候變化和人類活動(dòng)的相互作用是全球變化研究的核心內(nèi)容之一（傅伯杰等, 2005; 劉紀(jì)遠(yuǎn)等, 2011）。

LUCC對(duì)氣候變化影響的研究主要包括氣候效應(yīng)的觀測(cè)研究和模擬研究。在觀測(cè)中很難將土地利用/覆蓋變化對(duì)局地氣候的影響信息從全球變化的大背景中剝離（華文劍等, 2014），而模擬研究中的問(wèn)題包括模型誤差、物理過(guò)程和參數(shù)的不確定性、對(duì)研究尺度和高時(shí)空分辨率輸入數(shù)據(jù)的依賴等（Verburg et al., 2004; 張華和張勃, 2005）。目前，多數(shù)模擬工作都是采用理想的敏感性土地覆蓋試驗(yàn)，如符淙斌和袁慧玲（2001）利用虛擬極端情況模擬東亞地區(qū)自然植被恢復(fù)后對(duì)區(qū)域氣候和環(huán)境的可能影響程度；Zheng et al.（2002）設(shè)計(jì)了不同程度的植被退化試驗(yàn)研究植被變化對(duì)區(qū)域氣候的可能影響及其機(jī)制；陳海山和張葉（2013）將中國(guó)東部沿海城市的百分比增加到50%探討此區(qū)域大規(guī)模城市化對(duì)東亞冬季風(fēng)的可能影響；這些沒(méi)有考慮人類活動(dòng)影響下的實(shí)際變化情況，不能反映實(shí)際LUCC的影響。也有一些關(guān)于真實(shí)LUCC氣候效應(yīng)的模擬研究，如Wang et al.（2014）基于WRF模擬2001～2008年LUCC的氣候效應(yīng)，得出LUCC使中國(guó)大部分區(qū)域溫度升高；陳海山等（2015）基于區(qū)域氣候模式RegCM4.0探討了1990～2010 年中國(guó)LUCC對(duì)區(qū)域氣候的影響，表明LUCC的影響有顯著的季節(jié)性差異，不同地區(qū)LUCC對(duì)氣候影響的機(jī)理不同；王明娜等（2016）利用WRF模擬分析了2001～2010 年中國(guó)北方半干旱區(qū)LUCC對(duì)地表溫度的影響，得出LUCC導(dǎo)致局地多年平均溫度降低。由于模式物理過(guò)程、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和使用資料等不同，這些研究結(jié)果之間存在差異，對(duì)于中國(guó)LUCC的氣候效應(yīng)仍不能得出確切的結(jié)論。

不同來(lái)源的土地覆蓋數(shù)據(jù)存在差異，也導(dǎo)致模擬結(jié)果存在不確定性（陳鋒和謝正輝, 2008），土地覆蓋數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是數(shù)值試驗(yàn)可靠和準(zhǔn)確的基礎(chǔ)（Wang et al., 2014）。遙感數(shù)據(jù)可以以較高的時(shí)空分辨率準(zhǔn)確地描述地球表面，逐漸成為創(chuàng)建土地覆蓋模型初始場(chǎng)的重要數(shù)據(jù)源。已有研究表明，現(xiàn)有的國(guó)際土地覆蓋中，MODIS土地覆蓋數(shù)據(jù)在中國(guó)有更高的整體分類精度和可靠性（冉有華等, 2009;楊永可等, 2014）。隨著退耕還林/還草工程的實(shí)施，中國(guó)區(qū)域的土地利用/覆蓋從2000年開始發(fā)生了較大變化（Hvistendahl, 2012; Fan et al., 2015; Piao et al.,2015; Hua et al., 2017），全面啟動(dòng)退耕還林/還草工程后，工程建設(shè)的任務(wù)和目標(biāo)是要求到2010年完成一定的規(guī)模，2001～2010年是國(guó)家實(shí)施此工程以來(lái)土地利用/覆蓋變化最顯著的10年。因此，本文針對(duì)人類活動(dòng)作用下中國(guó)區(qū)域真實(shí)的LUCC情況，利用2001～2010年的MODIS觀測(cè)土地覆蓋數(shù)據(jù)分析中國(guó)區(qū)域21世紀(jì)以來(lái)的LUCC及其影響。

土地利用/覆蓋變化對(duì)氣候影響的關(guān)鍵過(guò)程是陸面和大氣的相互作用（Deng et al., 2013），陸面過(guò)程對(duì)解釋LUCC影響氣候變化的物理機(jī)制尤為重要（張強(qiáng), 1998），陸面模式的不斷完善為研究陸面過(guò)程變化問(wèn)題提供了理想的工具?；诖?，本文利用2001年和2010年MODIS觀測(cè)的土地覆蓋數(shù)據(jù)，生成兩套中國(guó)陸表覆蓋資料，運(yùn)用CLM模式模擬分析2001～2010年LUCC對(duì)陸面過(guò)程中能量平衡和水分循環(huán)的影響，為探討LUCC對(duì)氣候的影響及可能機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)、模式介紹和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

中分辨率成像光譜儀（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS）土地覆蓋數(shù)據(jù)由搭載在美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）的Terra（AM-1）和Aqua（PM-1）兩顆衛(wèi)星上的MODIS反演獲取。本文所用MODIS土地覆蓋分為由國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（International Geosphere Biosphere Programme,IGBP）定義的17類，其空間分辨率為500 m。

觀測(cè)的溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)采用中國(guó)地面氣溫（降水）月值0.5°（緯度）×0.5°（經(jīng)度）格點(diǎn)數(shù)據(jù)集v2.0，該數(shù)據(jù)是基于國(guó)家氣象信息中心基礎(chǔ)資料專項(xiàng)整編的中國(guó)地面2472臺(tái)站資料，利用薄盤樣條法插值生成的格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

用于驗(yàn)證模擬結(jié)果的觀測(cè)土壤濕度來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/[2015-09-10]）的中國(guó)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集，觀測(cè)時(shí)間為每月的8日、18日和28日，包含10 cm、20 cm、50 cm、70 cm、100 cm共5層土壤相對(duì)濕度值。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，剔除了缺測(cè)值較多的站點(diǎn)數(shù)據(jù)，從全國(guó)778個(gè)站點(diǎn)中選取了232個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；同時(shí)為保證與模式結(jié)果的可比性，把相對(duì)濕度單位換算成與模式結(jié)果相對(duì)應(yīng)的體積含水量，分析的時(shí)間段也與模式模擬時(shí)間相對(duì)應(yīng)，為2001～2008共8年。

與模式模擬結(jié)果對(duì)比檢驗(yàn)的潛熱通量數(shù)據(jù)來(lái)自于Jung et al.（2009）的研究結(jié)果。它是基于全球渦度相關(guān)通量觀測(cè)塔的數(shù)據(jù)，通過(guò)模型樹集成MTE（Model Tree Ensemble）算法得到。該資料為全球1982～2011年的月值數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.5°。

2.2 CLM模式介紹

陸面模式CLM（Community Land Model）結(jié)合了 LSM（Bonan, 1996）、IAP94（Dai and Zeng,1997）和BATS（Dickinson et al., 1993）等陸面模式的優(yōu)點(diǎn)后發(fā)展成第三代陸面過(guò)程模式（Oleson et al., 2004）。大量研究對(duì)模式中的陸面參數(shù)和水文過(guò)程進(jìn)行改善，更新了基于MODIS資料的下墊面數(shù)據(jù)集和冠層截留方案（Lawrence and Chase,2007; Thornton and Zimmermann, 2007），引進(jìn)并完善了徑流、地下水、凍土和碳氮循環(huán)過(guò)程，改進(jìn)了蒸發(fā)、土壤可利用含水量等算法（Niu et al., 2005,2007; Niu and Yang, 2006），發(fā)展成為CLM3.5。CLM模式廣泛地考慮了生物物理過(guò)程、生物地球化學(xué)過(guò)程、水文過(guò)程和動(dòng)態(tài)植被過(guò)程，用來(lái)模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)中能量、水分、化學(xué)元素和微量氣體等的循環(huán)過(guò)程。本文所使用的版本（CLM3.5），為了訂正陸面水循環(huán)過(guò)程的偏差，引入了描述土壤孔隙度的參數(shù)化方案，改善了土壤濕度模擬中的偏差（李明星和馬柱國(guó), 2015），并且在中國(guó)各區(qū)域CLM3.5模擬結(jié)果與觀測(cè)的土壤濕度、蒸散（潛熱）和徑流均有高達(dá)0.8以上的相關(guān)系數(shù)（李明星等, 2011; Li and Ma, 2015; Li et al., 2017），表明在區(qū)域尺度上CLM3.5能夠較好描述月及更長(zhǎng)時(shí)間尺度的水分能量過(guò)程的變化特征和趨勢(shì)（Li and Ma, 2010）。本文通過(guò)進(jìn)一步對(duì)CLM3.5模擬的潛熱通量和土壤濕度結(jié)果與觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，表明其確實(shí)有較好的可用性（見3.1節(jié)）。

2.3 大氣驅(qū)動(dòng)場(chǎng)和陸面數(shù)據(jù)

除了模式物理過(guò)程，大氣驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的質(zhì)量是影響陸面模式模擬結(jié)果的一個(gè)關(guān)鍵因素（Dickinson et al., 2006），應(yīng)用實(shí)際觀測(cè)資料對(duì)于提高大氣驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的質(zhì)量具有重要的意義。因此本文采用中國(guó)氣象局的觀測(cè)氣象資料（http://data.cma.cn/[2010-09-08]）構(gòu)建一個(gè)中國(guó)區(qū)域的大氣驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，包含氣溫、降水、氣壓、風(fēng)速、比濕和輻射6個(gè)物理量。通過(guò)觀測(cè)資料插補(bǔ)和網(wǎng)格化，建立了空間分辨率約0.5°（緯度）×0.5°（經(jīng)度），時(shí)間分辨率3 h（每日8次），時(shí)間跨度為2001～2008年的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，由于輻射觀測(cè)資料時(shí)空覆蓋太低，所以直接采用了Princeton 的資料（Sheffield et al., 2006; Li and Ma, 2010）。

陸面數(shù)據(jù)包括地形、土壤質(zhì)地、土壤顏色、植被功能類型和生理學(xué)參數(shù)。陸地網(wǎng)格單元的植被部分有17種植被功能類型（plant functional types,PFTs），文中不同地表陸面數(shù)據(jù)的差異主要是PFTs不同，相對(duì)應(yīng)的莖、葉面積指數(shù)和冠層高度等參數(shù)也不同，描述了不同植被生物物理和生物化學(xué)過(guò)程的差異。兩種不同植被覆蓋的PFTs分別為2001年、2010年MODIS觀測(cè)的植被覆蓋類型和比例，MODIS的PFTs分類與CLM3.5不同，當(dāng)一些格點(diǎn)上MODIS出現(xiàn)特定的分類而CLM的PFTs中沒(méi)有時(shí)，將根據(jù)格點(diǎn)的位置信息和兩種分類類型的性質(zhì)，判斷每個(gè)點(diǎn)MODIS的特定類型所對(duì)應(yīng)的CLM中屬性最接近的PFT，從而確定具體位置上MODIS類型對(duì)應(yīng)的CLM中的類型及相應(yīng)比例，將 MODIS的 PFTs在 CLM中展現(xiàn)出來(lái)。除去PFTs，生成兩套不同地表陸面數(shù)據(jù)的其他數(shù)據(jù)均用CLM3.5原始的地形、土壤屬性和生理學(xué)參數(shù)等資料，這些數(shù)據(jù)主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和MODIS產(chǎn)品獲得（Lawrence and Chase, 2007）。

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮到陸面模式對(duì)初值的敏感性和模式對(duì)各物理量的“記憶性”，首先檢測(cè)CLM模式各物理量達(dá)到平衡所需的時(shí)間，各物理量的計(jì)算采用區(qū)域平均值，區(qū)域大小為包括整個(gè)中國(guó)陸面的矩形區(qū)域（19.5°N～54.5°N，73.5°E～134.5°E）。嚴(yán)格按照檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（Cai et al., 2014），重復(fù)運(yùn)行2001年的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)直到各個(gè)變量達(dá)到平衡，調(diào)整期時(shí)長(zhǎng)定為n，如果

經(jīng)過(guò)各量的調(diào)整期檢驗(yàn)后，本文分別利用2001年和2010年的陸面覆蓋數(shù)據(jù)，重復(fù)利用2001～2008年的大氣驅(qū)動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行了80年的積分運(yùn)算，模式積分時(shí)間步長(zhǎng)為30 min，模擬結(jié)果每個(gè)月輸出一次。前面72年結(jié)果作為調(diào)整期，使用最后8年的模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析。本研究設(shè)計(jì)2組試驗(yàn)的區(qū)別就是地表土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)不同，用2001年和2010年的地表差異描述2001～2010年的土地利用/覆蓋變化情況，從而研究LUCC對(duì)中國(guó)區(qū)域陸面過(guò)程的影響。為了便于表述，應(yīng)用2001年、2010年陸面覆蓋資料的模擬結(jié)果分別命名為E2001和E2010。

中國(guó)區(qū)域土地利用覆蓋類型及其變化復(fù)雜多樣，本文選取典型區(qū)域分析不同LUCC 對(duì)陸面過(guò)程的影響異同。所選研究區(qū)域海拔高度有較大空間差異性（圖1a），年平均氣溫受海拔高度和緯度的影響，從北到南遞增（圖1b）；年降水量由西北至東南遞增（圖1c），依次形成干旱、半干旱、半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)等氣候類型。大部分研究區(qū)域溫度顯著增加（圖1d），年降水量不同程度的減少（圖1e），呈現(xiàn)明顯的暖干化趨勢(shì)，此地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)氣候和地表變化特別敏感，是研究LUCC影響的理想?yún)^(qū)域。

表1 區(qū)域平均各變量調(diào)整期時(shí)間Table 1 Spin-up time for individual variables based on averaged values for the whole China a

圖1 （a）3個(gè)典型區(qū)域位置和地形；（b）1961～1990年年平均氣溫、（c）年平均降水量；基于1961～2010年數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的（d）年平均氣溫變化趨勢(shì)、（e）年平均降水量變化趨勢(shì)。黑色圓點(diǎn)表示通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)Fig. 1 (a) Location and topography of the three typical regions; (b) mean annual air temperature and (c) mean annual precipitation during 1961–1990;(d) trends of mean annual air temperature and (e) trends of mean annual precipitation calculated based on data from 1961 to 2010. The black dots denote the 0.05 significance level

作為主要研究對(duì)象的3個(gè)典型區(qū)域（圖1a）分別為區(qū)域 1（106°N～114°N，40°E～44°E）、區(qū)域 2（104.5°N～107°N，36.5°E～40°E）和區(qū)域3（102°N～114°N，32°E～41°E）。這 3 個(gè)典型區(qū)域分別代表了不同的土地利用/覆蓋變化情況，各區(qū)針對(duì)的科學(xué)問(wèn)題不同。其中區(qū)域1為荒漠—草地過(guò)渡帶，是荒漠變草地的典型區(qū)域，此區(qū)域僅分析荒漠變草地的影響；區(qū)域2 為草地—灌木過(guò)渡帶，是荒漠或草地變灌木的典型區(qū)域，此區(qū)域僅分析荒漠或草地變灌木的影響。區(qū)域3黃土高原地區(qū)是氣候變化的敏感區(qū)，也是受人類活動(dòng)尤其是退耕還林影響較大的區(qū)域，受到廣泛關(guān)注（張強(qiáng)等, 2013,2014; Fan et al., 2015; Zhao et al., 2018），為了分析每一個(gè)典型區(qū)域LUCC的影響，選取的典型區(qū)域3和其他兩個(gè)區(qū)域有部分重合。黃土高原地區(qū)各土地類型變化比較復(fù)雜，比如荒漠減少1.76%，開放灌木增加0.23%，森林增加3.47%等（表2），文中分析區(qū)域3中LUCC的影響是整個(gè)區(qū)域所有變化影響的平均結(jié)果。

3 結(jié)果分析

3.1 模式檢驗(yàn)

在比較LUCC引起陸面過(guò)程的差異之前，很有必要檢驗(yàn)CLM模式的模擬性能。本節(jié)參照E2001模擬的土壤濕度和潛熱通量與觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)和評(píng)估模式的模擬能力。圖2a、2b分別是觀測(cè)和模擬的土壤濕度的空間分布。整體上，模擬和觀測(cè)土壤濕度的空間分布基本一致，模式能夠模擬出河套地區(qū)低值區(qū)和東北、江淮流域高值區(qū)的空間分布特點(diǎn)。觀測(cè)站點(diǎn)的土壤濕度與其對(duì)應(yīng)格點(diǎn)的模擬值的空間相關(guān)系數(shù)為0.59，它們之間的偏差與輸入場(chǎng)誤差、模式參數(shù)化、粗分辨率下的次網(wǎng)格效應(yīng)有關(guān)，由于單站觀測(cè)值存在很大的局地性，觀測(cè)點(diǎn)的小氣候環(huán)境與格點(diǎn)尺度的氣候驅(qū)動(dòng)存在的差異是模擬和觀測(cè)差異存在的主要原因。

圖2c、2d是觀測(cè)和模擬潛熱通量的空間分布，兩者分布一致，均由西北向東南遞增，模式能夠抓住北方潛熱通量較小，南方尤其是華南地區(qū)潛熱通量較大的特征，但模擬的結(jié)果中，干旱區(qū)數(shù)值偏小，濕潤(rùn)區(qū)數(shù)值偏大。模擬和觀測(cè)的潛熱通量的空間相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94。

本文選取站點(diǎn)密集，資料比較完整的黃土高原區(qū)域（102°N～114°N，32°E～41°E）檢驗(yàn)?zāi)M的土壤濕度和潛熱通量的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明2001～2008年，觀測(cè)和模擬的月平均土壤濕度和潛熱通量時(shí)間序列分別和其觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.83和0.97，均通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)。

表2 2001、2010年中國(guó)和黃土高原區(qū)域每種土地利用/覆蓋類型所占比例Table 2 Percentage for every land use/cover type in 2001 and 2010 in China and the Loess Plateau

以上結(jié)果及中國(guó)區(qū)域的觀測(cè)模擬對(duì)比驗(yàn)證（2.2節(jié)）表明，CLM3.5總體上能較好地模擬潛熱通量和土壤濕度的空間分布和時(shí)間變化特征，其水循環(huán)和能量平衡過(guò)程對(duì)逐月、年的變化具有較好的模擬能力，能夠適用于LUCC對(duì)陸面過(guò)程影響的數(shù)值模擬研究。

3.2 中國(guó)區(qū)域土地利用/覆蓋變化

圖3a是2001年土地利用/覆蓋空間分布，其主要類型的分布和干濕區(qū)分界線（200 mm、500 mm、800 mm年降水量等值線）基本吻合，表明降水決定了植被類型的分布。2001～2010年，中國(guó)區(qū)域荒漠減小0.92%，灌木減少0.97%，草地減小0.01%，農(nóng)田增加0.77%，森林增加2.86%，其中混合林增加最多為2.58%（表2），整體植被覆蓋度增加。圖3b是LUCC的空間分布，最明顯的變化區(qū)域位于干旱半干旱區(qū)過(guò)渡帶、半干旱半濕潤(rùn)區(qū)過(guò)渡帶和南方地區(qū)。整體來(lái)看，35°N以南的南方區(qū)域土地覆被類型復(fù)雜，變化最顯著（圖3b），這是因?yàn)楸狈街脖坏幕鶖?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于南方，南方地區(qū)一個(gè)小變化就會(huì)遠(yuǎn)大于北方地區(qū)的一個(gè)大變化；且南方地區(qū)水熱充沛，其LUCC影響的相對(duì)程度遠(yuǎn)低于北方區(qū)域LUCC影響的相對(duì)程度，這也是本文選取北方部分區(qū)域進(jìn)行研究的原因之一。

圖2 2001～2008年（a）觀測(cè)土壤濕度（0～49.3 cm）和（b）模擬土壤濕度（0～50 cm）、（c）觀測(cè)潛熱通量和（d）模擬潛熱通量Fig. 2 (a) Observed soil moisture (0–49.3 cm) and (b) simulated soil moisture (0–50 cm), (c) observed latent heat flux and (d) simulated latent heat flux during 2001–2008

圖3 （a）2001年土地利用/覆蓋類型空間分布和（b）2001～2010年主要土地利用/覆蓋類型的變化Fig. 3 (a) Spatial distribution of land use/cover types in 2001 and (b) changes in major land use/cover types in 2001–2010

3.3 LUCC對(duì)地表屬性的影響

葉面積指數(shù)（Leaf Area Index, LAI）是描述葉片的疏密程度和冠層結(jié)構(gòu)特征的重要參量，影響著土壤—植被—大氣之間物質(zhì)和能量的交換過(guò)程（Sprintsin et al., 2011; 劉洋等, 2013）。LAI變化是LUCC的“指示器”，是LUCC影響區(qū)域水循環(huán)和能量平衡過(guò)程的基礎(chǔ)。

試驗(yàn)中已將MODIS的各土地覆蓋類型對(duì)應(yīng)到CLM的PFTs，LAI是根據(jù)PFTs和CLM中各PFTs的月LAI數(shù)據(jù)得到。圖4a是中國(guó)區(qū)域2001～2010年LAI變化的空間分布。不難看出，差值較大的區(qū)域分布在氣候過(guò)渡帶和南方區(qū)域，且以LAI增大為主要特征，說(shuō)明相對(duì)于2001年，2010年中國(guó)區(qū)域植被整體變好。3個(gè)典型區(qū)域1、2、3 LAI的變化量分別為和

地表反照率是地表反射太陽(yáng)輻射與總?cè)肷涮?yáng)輻射之比，它決定了地表和大氣間的輻射能量的分配過(guò)程，直接影響地表吸收的凈輻射（Zhao and Zeng, 2002），是研究地表能量平衡過(guò)程的重要參數(shù)。

圖4b是LUCC引起的地表反照率的變化。除干旱區(qū)外，全國(guó)大部分的地表反照率發(fā)生了顯著變化，且以減小為主，尤以北方的河套平原和長(zhǎng)江流域中上游的地表反照率下降得明顯，這是因?yàn)樵摰貐^(qū)植被覆蓋顯著變好，地表變暗，地表反照率相應(yīng)減小。3個(gè)典型區(qū)域1、2、3的地表反照率變化量分別為?0.002、?0.03、?0.01。

3.4 LUCC對(duì)陸面能量平衡的影響

圖5a是LUCC引起的凈太陽(yáng)短波輻射的差異，由于地表反照率減小，大部分區(qū)域凈短波輻射變化均為正，除了典型區(qū)域2、東北西部、長(zhǎng)江流域上游顯著增加外，其他地區(qū)均沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明LUCC對(duì)地表吸收的凈太陽(yáng)短波輻射并沒(méi)有產(chǎn)生十分明顯的影響。但植被和土壤吸收的凈太陽(yáng)短波輻射在全國(guó)大范圍發(fā)生了顯著變化（圖5b、5c），表明LUCC改變了地面吸收的太陽(yáng)輻射在植被和土壤表面之間的分配。LUCC使植被吸收太陽(yáng)輻射增加，地表吸收太陽(yáng)輻射減小，這是因?yàn)橹脖桓采w增加后，植被攔截的太陽(yáng)輻射增加，而到達(dá)土壤表面的太陽(yáng)輻射則減小，3個(gè)典型區(qū)域植被吸收的太陽(yáng)輻射分別增加土壤表面吸收的太陽(yáng)輻射分別減少

圖4 LUCC引起的地表屬性差異（E2010減E2001，E2001、E2010分別為2001年、2010年陸面覆蓋資料的模擬結(jié)果）：（a）葉面積指數(shù)；（b）地表反照率。黑色圓點(diǎn)表示通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)Fig. 4 Surface property differences due to LUCC (E2010 minus E2001, E2001 and E2010 denotes simulation results with land cover data in 2001 and 2010, respectively): (a) Leaf Area Index (LAI); (b) albedo. The black dots denote the 0.05 significance level

圖5 LUCC引起的（a）凈太陽(yáng)短波輻射、（b）植被吸收太陽(yáng)短波輻射、（c）土壤吸收太陽(yáng)短波輻射、（d）植被葉面感熱通量、（e）土壤表面感熱通量、（f）感熱通量、（g）潛熱通量、（h）冠層蒸騰潛熱通量、（i）冠層蒸發(fā)潛熱通量、（j）土壤蒸發(fā)潛熱通量、（k）土壤熱通量、（l）凈長(zhǎng)波輻射的差異（E2010減E2001）。黑色圓點(diǎn)表示通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)Fig. 5 Differences of (a) absorbed solar radiation, (b) solar radiation absorbed by vegetation, (c) solar radiation absorbed by the ground, (d) sensible heat from vegetation, (e) sensible heat from the ground, (f) sensible heat flux, (g) latent heat flux, (h) canopy transpiration,(i) canopy evaporation, (j) ground evaporation, (k) heat flux into soil, and (l) net infrared (longwave) radiation due to LUCC (E2010 minus E2001).The black dots denote the 0.05 significance level

吸收的太陽(yáng)輻射是感熱通量的來(lái)源，同植被和土壤表面吸收的太陽(yáng)輻射變化和分布相對(duì)應(yīng)，植被葉面感熱通量顯著增加，土壤表面感熱通量顯著減小，總感熱通量增加（圖5d、5e、5f）。與感熱通量的差異相比，LUCC引起的潛熱通量變化較?。▓D5g），且大部分地區(qū)均沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。潛熱通量是由地表蒸發(fā)、冠層蒸發(fā)和冠層蒸騰3個(gè)物理分量組成。土地利用/覆蓋變化后，植被覆蓋增加，葉面積增大，葉片攔截降水后葉面水分增多，冠層蒸騰和蒸發(fā)潛熱通量增加（圖5h、5i），但增加的葉面積阻礙了地氣之間的水熱交換，使土壤蒸發(fā)潛熱通量減少（圖5j），從而總潛熱通量尤其是北方地區(qū)變化不明顯。但LUCC引起了北方典型區(qū)域的冠層蒸散發(fā)和土壤蒸發(fā)潛熱通量的顯著變化，3個(gè)區(qū)域冠層蒸騰潛熱通量分別增加1.13 W m?2、1.21 W m?2、0.74 W m?2，冠層蒸發(fā)潛熱通量分別增加 0.27 W m?2、0.30 W m?2、0.23 W m?2，土壤蒸發(fā)潛熱通量分別減小了1.26 W m?2、1.55 W m?2、1.03 W m?2，總潛熱通量的變化為 0.14 W m?2、?0.04 W m?2、?0.06 W m?2。

圖6 LUCC引起的（a）總蒸散發(fā)、（b）冠層蒸發(fā)、（c）冠層蒸騰、（d）土壤蒸發(fā)、（e）截留、（f）入滲、（g）地表徑流、（h）土壤濕度的差異（E2010減E2001）。黑色圓點(diǎn)表示通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)Fig. 6 Differences of (a) evapotranspiration, (b) canopy evaporation, (c) canopy transpiration, (d) ground evaporation, (e) interception,(f) infiltration, (g) surface runoff, (h) volumetric soil water due to LUCC (E2010 minus E2001). The black dots denote the 0.05 significance level

土壤熱通量是反映土壤表層和深層之間的熱交換狀況的物理量（張宏等, 2012），影響著植物根系對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。整個(gè)中國(guó)區(qū)域土壤熱通量的變化均不顯著（圖5k），其變化具有明顯的南北差異，北方尤其是研究的典型區(qū)域，土壤熱通量增加，但35°N以南的南方地區(qū)土壤熱通量減小。3個(gè)典型區(qū)域土壤熱通量分別增加0.02 W m?2、0.03 W m?2、0.01 W m?2。土壤熱通量的變化相對(duì)于感熱、潛熱較小，其在能量平衡過(guò)程中比重較低。

圖5l顯示大部分LUCC顯著的區(qū)域凈長(zhǎng)波輻射均減少。地表發(fā)射的凈長(zhǎng)波輻射是地表發(fā)射長(zhǎng)波輻射和大氣逆輻射的差值，因?yàn)镋2001和E2010大氣長(zhǎng)波輻射相同，凈長(zhǎng)波輻射的變化跟地表發(fā)射長(zhǎng)波輻射的變化一致；又由斯蒂芬—玻爾茲曼定律的地表發(fā)射能量可知，地表發(fā)射能量的變化和地表溫度的變化一致，由此可推斷地表溫度也發(fā)生了類似凈長(zhǎng)波輻射的變化。

表3 各典型區(qū)域LUCC引起的地表屬性、能量通量和水分循環(huán)物理量的差異（E2010減E2001）Table 3 Differences in surface properties, energy fluxes, and water cycle variables caused by LUCC in each typical region(E2010 minus E2001)

圖7 各典型區(qū)域LUCC引起的不同深度土壤濕度的變化（E2010減E2001）Fig. 7 Changes in soil moisture at different depths in typical regions due to LUCC (E2010 minus E2001)

3.5 LUCC對(duì)陸面水分循環(huán)的影響

土地利用/覆蓋變化改變了區(qū)域的下墊面狀況，隨著地表粗糙度、感熱通量和潛熱通量等的變化，地表水循環(huán)過(guò)程也存在不同程度的響應(yīng)。蒸散發(fā)過(guò)程是連接大氣和陸面水文循環(huán)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它作為氣候系統(tǒng)的一個(gè)核心過(guò)程，將水文循環(huán)、能量收支和碳循環(huán)等緊密聯(lián)系起來(lái)（Jung et al.,2010）。蒸散（圖6a）及其3個(gè)分量（圖6b、6c、6d）與潛熱的變化結(jié)果一致（表3），由于冠層蒸發(fā)和冠層蒸騰的增加量和土壤蒸發(fā)的減小量部分抵消，總蒸散變化較小。蒸散的變化中，土壤蒸發(fā)變化最大，其次為冠層蒸騰，冠層蒸發(fā)量變化最小。

截留直接與葉面積有關(guān)，LUCC引起的LAI增加使中國(guó)大部分區(qū)域截留顯著增加（圖6e），3個(gè)典型區(qū)域截留分別增加 0.014 mm d?1、0.016 mm d?1、0.009 mm d?1。同樣由于增加的葉片具有滯水作用，增加了下滲時(shí)間，中國(guó)大部分區(qū)域入滲量增加（圖6f），地表徑流減?。▓D6g），但除了區(qū)域1和區(qū)域2，其他區(qū)域均沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。3個(gè)典型區(qū)入滲量變化分別為 0.032 mm d?1、0.039 mm d?1、0.026 mm d?1。地表徑流量數(shù)值及變化均較小，3個(gè)區(qū)域的變化分別為?0.00044 mm d?1、0.00011 mm d?1、?2.82×10?5mm d?1。區(qū)域 2 由荒漠/草地變?yōu)楣嗄竞螅乇韽搅鞣炊黾?，可能原因是增加的植被減小了地表與大氣的水分交換，土壤蒸發(fā)減小量為0.054 mm d?1，而入滲量增加了 0.039 mm d?1，還有一部分水分以增加的地表徑流形式存在。

截留、蒸散、入滲、徑流等各水分循環(huán)分量共同影響著土壤濕度的變化，土壤濕度積累了地表水文過(guò)程的大部分信息，是陸氣相互作用中能量和物質(zhì)交換的調(diào)節(jié)器（李明星等, 2011）。中國(guó)北方的西北東部、華北和東北地區(qū)土壤濕度減小，其他地區(qū)土壤濕度增加，但僅干旱半干旱過(guò)渡帶上的土壤濕度發(fā)生了顯著變化（圖6h）。3個(gè)典型區(qū)域土壤濕度分別減小 0.01 m3m?3、0.02 m3m?3、0.01 m3m?3。

圖7是LUCC引起的各典型區(qū)域不同深度土壤濕度的變化，隨著深度加深，土壤濕度減小得越明顯，這是由于植被覆蓋增加后，葉面蒸騰量明顯增加，根系吸收深層土壤水分滿足作物蒸騰的需求，從而導(dǎo)致深層土壤濕度明顯變干。

綜上，LUCC通過(guò)改變大氣降水的分配影響水循環(huán)過(guò)程，植被覆蓋增加后，截留增加，冠層蒸散增加，土壤蒸發(fā)減小，入滲增加，徑流減小，土壤濕度減小，并且隨深度增加變干越明顯。

圖8 LUCC引起的地表熱力狀況的差異（E2010減E2001）：（a）葉面溫度和（b）地表溫度（黑色圓點(diǎn)表示通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)）；各典型區(qū)域（c）葉面溫度和（d）植被溫度的月變化Fig. 8 Differences in thermal conditions due to LUCC (E2010 minus E2001): (a) Vegetation temperature; (b) ground temperature (the black dots denote the 0.05 significance level); monthly variations of (c) vegetation temperature and (d) ground temperature change in typical regions

3.6 LUCC對(duì)地表熱力狀況的影響

圖8a、8b是LUCC引起的植被葉面溫度和地表溫度變化的空間分布。整體來(lái)看，大部分區(qū)域的葉面溫度和土壤表面溫度降低，但只有干旱半干旱區(qū)過(guò)渡帶和南方的局地區(qū)域變化顯著。3個(gè)典型區(qū)域植被葉面溫度變化為?0.22 K、0.13 K、?0.03 K，地表溫度變化為?0.13 K、?0.08 K、?0.11 K，僅區(qū)域2的植被葉面溫度和地表溫度變化顯著。3個(gè)區(qū)域的年平均葉面溫度變化增減不一，從月變化圖（圖8c）可得，生長(zhǎng)季尤其是5～8月，3個(gè)區(qū)域的葉面溫度均增加，其他月份溫度降低。這是因?yàn)?，?dāng)植被覆蓋增加后，植被吸收的太陽(yáng)輻射增加，引起葉面溫度升高，但植被蒸騰和蒸發(fā)增加帶走熱量，使葉面溫度降低，這兩個(gè)過(guò)程的綜合作用決定著葉面溫度的變化。土壤表面溫度減小主要是土壤表面吸收的凈太陽(yáng)短波輻射減少造成的，但區(qū)域2 在3～5月土壤表面溫度升高（圖8d），可能原因是地表反照率減小引起此時(shí)凈太陽(yáng)輻射增加，但植被葉面攔截的太陽(yáng)輻射增量較少，使到達(dá)土壤表面的太陽(yáng)輻射能量增加，從而土壤表面溫度升高。

綜上，植被覆蓋增加使生長(zhǎng)季葉面溫度升高，土壤表面溫度降低。

4 結(jié)論和討論

本文基于MODIS觀測(cè)的2001年和2010年兩種地表覆蓋數(shù)據(jù)，利用陸面模式CLM3.5模擬LUCC對(duì)陸面過(guò)程的影響，分析了兩種下墊面情形下能量通量、水分平衡和熱力狀況的差異。主要得出以下結(jié)論：

（1）在2001～2010年，中國(guó)LUCC最明顯的區(qū)域位于干旱半干旱區(qū)過(guò)渡帶、半干旱半濕潤(rùn)區(qū)過(guò)渡帶和南方地區(qū)。中國(guó)區(qū)域荒漠減少0.92%，灌木減少0.97%，草地減少0.01%，農(nóng)田增加0.77%，森林增加2.86%，植被覆蓋度整體增加。

（2）在2001年和2010年兩種土地利用/覆蓋背景下，LUCC引起大部分地區(qū)感熱通量增加，植被蒸騰、蒸發(fā)潛熱通量增加，土壤表面蒸發(fā)潛熱通量減小。土壤熱通量的變化相對(duì)于感熱、潛熱通量較小，其在能量平衡過(guò)程中比重較低。

（3）LUCC使大部分地區(qū)葉面蒸發(fā)和蒸騰均增加，土壤表面蒸發(fā)減小，徑流減小。中國(guó)西北東部、華北和東北地區(qū)土壤濕度減小，其他地區(qū)土壤濕度增加，僅干旱半干旱過(guò)渡帶上的土壤濕度發(fā)生了顯著變化。植被覆蓋增加使生長(zhǎng)季葉面溫度升高，其他月份溫度降低，全年土壤表面溫度均降低。

（4）當(dāng)?shù)湫瓦^(guò)渡帶區(qū)域由荒漠變?yōu)椴莸睾?，感熱通量增?.11 W m?2，潛熱通量增加0.14 W m?2；冠層蒸騰和蒸發(fā)分別增加 0.039 mm d?1、0.009 mm d?1，土壤濕度平均減小0.01 m3m?3，且隨深度增加變干越明顯，這是由于根系吸收了較多深層土壤水分，以滿足植被顯著增加的蒸騰而產(chǎn)生的結(jié)果。當(dāng)草地變?yōu)楣嗄緯r(shí)，其能量通量和水分循環(huán)的變化與上述結(jié)果類似。

本文模擬的大部分結(jié)果與相關(guān)研究結(jié)果一致，如植被覆蓋增加使感熱通量和潛熱通量增加（Zhang et al., 2020），總蒸散發(fā)增加（Wang et al.,2014, 2020），地表徑流減少（Li et al., 2016）；關(guān)于土壤濕度的變化，本文得出植被覆蓋變好以后，會(huì)引起中國(guó)北方各區(qū)域土壤濕度變干，這與過(guò)去的研究結(jié)果一致（李婧華等, 2013），尤其是關(guān)于黃土高原地區(qū)，觀測(cè)結(jié)果也表明，植被的恢復(fù)引起土壤濕度變干，并且深層土壤干層在不斷擴(kuò)張（Yang et al., 2012; Xiao et al., 2014; Deng et al., 2016）。關(guān)于模式結(jié)果中一些地方土壤濕度變化沒(méi)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，推斷有以下原因：LUCC的影響有明顯的季節(jié)差異（丁一匯等, 2005; 陳海山等, 2015; Lian et al.,2017），這可能導(dǎo)致LUCC影響的年平均結(jié)果不顯著；另外，文中研究LUCC的影響是基于2010年和2001年地表數(shù)據(jù)的對(duì)比，2010年仍處于退耕還林的前期，短期內(nèi)土地利用/覆蓋變化及其影響相對(duì)較小，可能導(dǎo)致結(jié)果不顯著。隨著退耕還林/還草工程的進(jìn)一步實(shí)施，近幾年的土地利用覆蓋數(shù)據(jù)相對(duì)于2001年的變化更明顯，水循環(huán)對(duì)LUCC的響應(yīng)會(huì)增大，從而LUCC的影響也會(huì)更顯著。因此，考慮較長(zhǎng)時(shí)間的退耕還林/還草引起的LUCC的影響和LUCC的季節(jié)性差異是值得進(jìn)一步研究的科學(xué)問(wèn)題。

由于使用數(shù)據(jù)資料、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和模式的差異，本研究得出的結(jié)果和前人的研究存在差異和不確定性。陳海山等（2006）、王平和沈潤(rùn)平（2013）等用CLM模擬指出，植被覆蓋的增加使土壤變得更濕，這與本文模式結(jié)果及觀測(cè)的結(jié)果正好相反；其主要原因可能是運(yùn)用的CLM模式版本、驅(qū)動(dòng)場(chǎng)、土地覆蓋數(shù)據(jù)、研究區(qū)域或者考慮的土壤濕度深度的差異造成的。本文的結(jié)論盡管是依賴于陸面模式的離線（offline）模擬結(jié)果，但我們從中不難看出植被變化對(duì)地表水熱過(guò)程具有重要的影響，這勢(shì)必影響到區(qū)域氣候的變化，進(jìn)一步的工作需要利用大氣—陸面耦合模式進(jìn)行深入研究。

此外，除了LUCC的影響，氣候變化也會(huì)對(duì)地表能量平衡和水分循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生影響。研究表明，黃土高原暖干化的趨勢(shì)引起地表感熱通量、潛熱通量和土壤熱通量呈減小趨勢(shì)，年際干濕波動(dòng)對(duì)能量平衡分量的影響顯著（張強(qiáng)等, 2013, 2014）。水分循環(huán)過(guò)程也與氣候變化密切相關(guān)，溫度、降水強(qiáng)度、降水持續(xù)時(shí)間和總降水量的變化影響著土壤濕度、徑流和蒸散發(fā)等水循環(huán)分量（Hua et al., 2013;Tang, 2020）。不同的氣候背景下，同樣LUCC的影響也會(huì)有差異（Pitman et al., 2011; 胡祖恒等,2018）。能量平衡和水分循環(huán)過(guò)程是受多因素影響的多個(gè)環(huán)節(jié)形成的復(fù)雜過(guò)程，下一步工作需要考慮更全面的因素才能掌握其實(shí)際的變化規(guī)律和機(jī)制。