李傳金,胡順軍,鄭博文

1 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所, 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011

2 新疆阿克蘇農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 阿克蘇 843000

3 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

蒸散同時發(fā)生在地表能量傳輸過程和地表水文循環(huán)過程之中,并影響著地表生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境變遷。區(qū)域蒸散發(fā)包括水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植被蒸騰,它受到氣象因子(氣溫、氣壓、濕度等)、下墊面類型、地表結(jié)構(gòu)及粗糙度等因素的影響[1]。沙漠蒸散作為干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)水量平衡和能量平衡的主要平衡項(xiàng),是連接其生態(tài)過程和水文過程的重要紐帶[2]。古爾班通古特沙漠深居亞歐大陸腹地,是我國最大的以固定與半固定沙丘為主的沙漠,遠(yuǎn)離海洋,降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,地下水位埋深大,土壤含水量低。梭梭是古爾班通古特沙漠分布最廣的荒漠灌木,耐干旱、貧瘠、嚴(yán)寒和高溫,抗鹽堿和風(fēng)沙,具有較強(qiáng)的荒漠環(huán)境適應(yīng)能力[3]。因此,研究梭梭群落蒸散發(fā)對防止干旱區(qū)沙漠水資源無謂耗散,揭示其水分循環(huán)和能量平衡特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)水、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)的和諧發(fā)展等具有十分重要的意義。

波文比-能量平衡法是英國物理學(xué)家Bowen[4]提出的一種測定蒸散量的方法,其理論基礎(chǔ)是地面能量平衡與近地層梯度擴(kuò)散理論。該方法的物理概念明確,理論基礎(chǔ)可靠,計(jì)算方法簡單,對大氣層沒有特別的要求和限制,通常情況下精度較高,常作為檢驗(yàn)其它蒸散量計(jì)算方法精度的判別標(biāo)準(zhǔn)[5-7]。長期以來,國內(nèi)外許多學(xué)者運(yùn)用波文比-能量平衡法對干旱條件下不同植物的蒸散和熱量平衡做了大量研究,閆人華等[8]根據(jù)2010年7—9月波文比能量觀測系統(tǒng)觀測的天山北麓綠洲-荒漠過渡帶芨芨草地的小氣候資料,分析了該地區(qū)不同天氣條件下地表能量及其能量分配日變化特征,結(jié)果表明晴天、陰天、雨天地表能量分量曲線分別呈單峰型、多峰型、偏峰型變化特征；司建華等[9]利用波文比-能量平衡法對額濟(jì)納綠洲檉柳種群2003年5—10月的蒸散量進(jìn)行了測定,結(jié)果表明在晴朗無云的條件下, 蒸散速率日變化呈單峰型,蒸散與風(fēng)速呈正相關(guān)；此外,張振宇等[10]、高冠龍等[11]、Peacock等[12]也利用波文比-能量平衡法分別對干旱地區(qū)向日葵、苦豆子、蘆葦?shù)戎参锏哪芰科胶饧罢羯⑦M(jìn)行了試驗(yàn)分析,均取得了較好的研究成果。梭梭作為荒漠生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢種[13],有關(guān)梭梭林蒸散及能量平衡方面的研究卻很少,張曉艷等[14]利用渦度相關(guān)法測定了2014年7月—2015年6月民勤綠洲-荒漠過渡帶梭梭人工林的蒸散量,結(jié)果表明梭梭蒸散呈先增加后減小的趨勢；王澤鋒等[3]利用水量平衡法測定了古爾班通古特沙漠南緣2016年梭梭生長季的蒸散量,結(jié)果表明蒸散特征呈多峰變化。目前對于古爾班通古特沙漠南緣梭梭群落能量平衡和蒸散的日、季節(jié)變化特征等都缺乏較為全面的認(rèn)識和了解。

在前人研究的基礎(chǔ)上,本文基于2018年古爾班通古特沙漠南緣站點(diǎn)的實(shí)際觀測資料,利用波文比-能量平衡法,對該地區(qū)梭梭群落能量平衡分量特征、不同天氣條件下的蒸散變化特征和季節(jié)蒸散規(guī)律進(jìn)行全面分析,進(jìn)一步增強(qiáng)對古爾班通古特沙漠南緣梭梭群落能量循環(huán)及蒸散變化過程的基本認(rèn)識,為梭梭群落植被保護(hù)、受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于古爾班通古特沙漠南緣(44°22.63′ N,87°55.21′ E,海拔400 m左右)(圖1)。該區(qū)屬溫帶荒漠氣候,年平均降水量128.7 mm,冬春兩季降水量約占全年降水量的30%—45%,冬春季的積雪時間可達(dá)4個月；年潛在蒸發(fā)量約為2000 mm；年平均氣溫7.19℃,極端最高氣溫41.5℃,極端最低氣溫-37℃[15-16]。土壤質(zhì)地單一,為典型沙漠風(fēng)沙土,土壤干容重1.52—1.67 g/cm3,潛水位埋深9—10 m[17]。丘間地植被以梭梭為主,地表覆蓋植被種類有200余種,多為角果藜、沙蒿以及叉毛蓬等草本植物和短命植物,部分地表覆蓋有荒漠結(jié)皮[16,18-19]。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位置及波文比儀器圖

1.2 研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源

試驗(yàn)觀測于2018年4月1日—10月31日,在古爾班通古特沙漠南緣北沙窩試驗(yàn)場選擇相對平坦開闊的丘間地安裝波文比系統(tǒng)(Campbell Scientific Inc, USA),監(jiān)測氣象和輻射數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器(CR100-XT)、凈輻射儀(NRLITE)、高精度溫濕度探頭(083D-1-6)、風(fēng)向傳感器(020C-1-L25)、土壤熱通量板(HFP01-L-L35)、風(fēng)速傳感器(010C-1-L25)等組成。數(shù)據(jù)采集器和傳感器由蓄電池和太陽能板提供電能；凈輻射儀安裝在離地面3.5 m處；上下兩層溫濕度探頭安裝高度為離地面3 m和5 m；風(fēng)速探頭安裝高度為離地面2 m；共有兩個土壤熱通量板,分別埋于地下3 cm和5 cm。數(shù)據(jù)采集器設(shè)定5 s采集一次數(shù)據(jù),取10 min的平均數(shù)作為一次記錄。梭梭群落的植被蓋度為20%—30%,在梭梭生長旺盛期,平均冠幅為199 cm×192 cm[3]。

1.2.2數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)能量守恒原理,下墊面能量平衡方程為[20]：

Rn=λET+H+G+AD+PH+M

(1)

式中,Rn為凈輻射量(W/m2)；λET為潛熱通量(W/m2),λ為汽化潛熱(J/kg),ET為蒸散量(kg m-2s-1)；H為顯熱通量(W/m2)；G為土壤熱通量(W/m2)；AD為由平流作用引起的能量水平交換量(W/m2)；PH為光合作用引起的能量轉(zhuǎn)換量(W/m2)；M為其它能量轉(zhuǎn)換量(W/m2)。

當(dāng)下墊面均一,且面積較大時,氣象要素的鉛直梯度遠(yuǎn)比水平梯度大,由平流作用產(chǎn)生的能量水平交換項(xiàng)AD可略去不計(jì)。此外,由于PH項(xiàng)和M項(xiàng)的總和通常比測量能量平衡主要分量時的實(shí)際誤差還要小,一般情況下也可以忽略,則式(1)可以簡化為：

Rn=λET+H+G

(2)

根據(jù)邊界擴(kuò)散理論,蒸發(fā)面上的水汽、熱量擴(kuò)散可用以下方程描述：

(3)

(4)

式中,ρ為空氣密度(kg/m3)；P為大氣壓(kPa)；Cp為空氣定壓比熱(J kg-1K-1)；Kw和Kh分別為λET和H輸送的湍流交換系數(shù)(m2/s)；?e/?z為水汽壓梯度(kPa/m),?T/?z為溫度梯度(℃/m)。

根據(jù)相似理論,假設(shè)Kw=Kh,同時引用波文比β,即H與λET的比值,并將微分化為差分得：

(5)

式中,ΔT(上層溫度減下層溫度)為兩個高度的溫度差(℃),ΔT大于0表示逆溫；Δe(上層濕度減下層濕度)為兩個高度的水汽壓差(kPa),Δe大于0表示逆濕；γ為濕度計(jì)系數(shù)(kPa/℃),其計(jì)算公式為：

(6)

那么λET與H可以寫為：

(7)

(8)

為消除波文比-能量平衡法在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)較大的估算誤差,滿足以下條件之一的數(shù)據(jù)被剔除[8]：1)β→-1；2)Rn-G>0時,ΔT>-(λ/γCp)Δe；Rn-G<0時,ΔT<-(λ/γCp)Δe。缺失數(shù)據(jù)采用線性內(nèi)插法進(jìn)行補(bǔ)充。用Excel軟件整理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),Origin軟件制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 能量平衡分量日變化特征

選取2018年4月13日、7月28日和9月16日3個晴天,作為梭梭萌發(fā)期、旺盛期和枯落期的典型日,分析古爾班通古特沙漠南緣丘間地梭梭群落能量平衡的日變化特征。

梭梭生長季晴天凈輻射(Rn)日變化如圖2所示。生長季各時期晴天Rn均呈單峰狀分布,梭梭生長萌發(fā)期和旺盛期的Rn明顯高于枯落期,這與白云崗等[21]、馬虹等[22]和顏廷武等[23]的研究結(jié)果一致。白天Rn隨著太陽高度的增加而增加,最高值出現(xiàn)在13:30左右,梭梭生長萌發(fā)期最大值為544 W/m2,旺盛期次之(482 W/m2),枯落期最小(419 W/m2)。由于太陽直射點(diǎn)南移,梭梭枯落期日平均凈輻射通量最低,為71.14 W/m2,分別為梭梭萌發(fā)期和旺盛期的62.8%和59.6%。在沙漠生態(tài)系統(tǒng)中,從外界獲得的能量主要是Rn,它是植被蒸散的熱力驅(qū)動因子,用于沙漠植被蒸散消耗、加熱土壤和空氣熱交換。

圖2 太陽凈輻射典型日變化

圖3表示梭梭生長季土壤熱通量(G)的日變化。由圖發(fā)現(xiàn),G在日出前達(dá)到一天內(nèi)的最小值,梭梭生長萌發(fā)期最小值為-32 W/m2,旺盛期為-16 W/m2,枯落期為-30 W/m2。白天,G隨著Rn的增加而增加,變化明顯,最大值出現(xiàn)在15:30左右,比Rn推遲2 h,所呈現(xiàn)的滯后性與白云崗等[21]、李英年等[24]和王建雷等[25]的研究結(jié)果一致；深夜時G相對有所升高,這可能與水汽凝結(jié)、升華(蒸發(fā))耗熱和地-氣能量交換有關(guān)。梭梭萌發(fā)期G最大值為90 W/m2,枯落期G最大值為55 W/m2,旺盛期G最大值為52 W/m2。整個生長季G從11:00后開始為正值,吸收熱量,G在各階段轉(zhuǎn)為負(fù)值的時間不同,萌發(fā)期和枯落期在20:30—21:30后轉(zhuǎn)為負(fù)值,而旺盛期持續(xù)吸收熱量時間較長,直到23:30后G才轉(zhuǎn)為負(fù)值。G在梭梭生長萌發(fā)期變化幅度較大,旺盛期和枯落期變化幅度小。在沙漠生態(tài)系統(tǒng)中,G也是沙漠植被蒸散的驅(qū)動因子,它可以反映不同生態(tài)系統(tǒng)土壤溫度變化特征以及氣候特征,也可以反映土壤獲得能量的強(qiáng)弱[26]。因此,研究梭梭群落G的變化特征可以更好地了解該地區(qū)氣候變化以及區(qū)域內(nèi)能量收支平衡,為梭梭群落的生存防護(hù)提供參考價(jià)值。

圖3 土壤熱通量典型日變化

波文比(β)為H和λET之比,H大,λET小,則β大于1,反之,β小于1。圖4表示梭梭生長季β日變化過程。由圖看出,梭梭生長旺盛期β全天變化穩(wěn)定,在夜間有輕微波動。梭梭生長萌發(fā)期和枯落期8:00—18:30(白天)的β大小分別在1.51—7.21和1.05—7.26變化較小,而在19:00—次日07:00波動較大,變化復(fù)雜。夜間H和λET數(shù)值較小,且在正負(fù)值之間變化相對頻繁,H和λET的微小變化都可能引起β的劇烈變化。梭梭生長萌發(fā)期、旺盛期和枯落期β大于1的占比分別為50.7%、76.4%和45.2%,表明沙漠下墊面長期處于干旱狀態(tài),梭梭水分虧缺,蒸散受到抑制,湍流通量以H為主。β表征大氣-地表能量交換特征,荒漠生態(tài)系統(tǒng)中λET和H之間具有重要的交互作用,在潛熱蒸發(fā)消耗能量時,地表降溫,地表與臨近空氣溫差增大。因此,在干旱條件下荒漠生態(tài)系統(tǒng)中H占有主導(dǎo)地位[27]。

圖4 波文比典型日變化

2.2 典型日蒸散特征

不同生長階段、不同天氣條件下梭梭群落蒸散量的日內(nèi)變化如圖5所示。從圖中看出：旺盛期晴天(7月28日)和陰雨天(7月24日)蒸散量的日變化均呈雙峰型曲線,且峰值明顯,萌發(fā)期晴天(4月13日)、陰天(4月18日)和枯落期晴天(9月16日)、陰天(9月24日)變化趨勢相似,呈波動幅度較小的單峰型曲線變化,且峰值均較小。

圖5 典型日蒸散強(qiáng)度變化

旺盛期晴天8:00左右,梭梭群落開始蒸散并迅速增大；12:00左右蒸散強(qiáng)度達(dá)到最大(0.10 mm/h),隨后蒸散強(qiáng)度呈微弱減小趨勢,15:00左右蒸散強(qiáng)度達(dá)到一天內(nèi)的次高峰(0.09 mm/h),隨后迅速減小,21:00左右蒸散強(qiáng)度達(dá)到最小(-0.03 mm/h),由于氣溫的突然降低和空氣濕度的增大,蒸散表現(xiàn)為凝結(jié)過程,此后蒸散強(qiáng)度有小幅度上升并維持在一個較低水平。晴天時上午和下午蒸散強(qiáng)度呈對稱型,而陰雨天梭梭群落日蒸散表現(xiàn)得較為復(fù)雜,降雨時,雖然溫度較低,但水分補(bǔ)充相對較充足,蒸散量仍然很大。在梭梭生長萌發(fā)期和枯落期,陰天和晴天蒸散量日變化趨勢相似,因受云、氣溫以及降雨等的影響,蒸散強(qiáng)度波動幅度小,在-0.02—0.02 mm/h間變化,總體表現(xiàn)為日出前蒸散強(qiáng)度較低,日出后蒸散強(qiáng)度漸增,至日落后蒸散強(qiáng)度逐漸降低,20:00后,由于萌發(fā)期和枯落期氣溫、風(fēng)速以及土壤水分的不同,導(dǎo)致蒸散強(qiáng)度略有差異。

2.3 季節(jié)蒸散特征

在梭梭整個生長季(4—10月),梭梭群落蒸散量為279.67 mm,日均蒸散強(qiáng)度1.31 mm/d,圖6反映了梭梭群落蒸散強(qiáng)度的季節(jié)變化。如圖所示,夏季(6—8月)蒸散量最大,春季(4—5月)次之,秋季(9—10月)最?。徽羯?qiáng)度隨梭梭不同生長階段具有明顯變化,4月至7月呈增加趨勢,7月至10月呈減少趨勢,最大值出現(xiàn)在7月,最小值出現(xiàn)在10月。4月平均蒸散強(qiáng)度0.83 mm/d,蒸散總量為24.93 mm；5月平均蒸散強(qiáng)度1.38 mm/d,并出現(xiàn)次高峰,蒸散總量為42.82 mm；6月梭梭進(jìn)入生長旺盛期,但蒸散強(qiáng)度卻減小到1.02 mm/d,蒸散總量降低至30.51 mm；7月和8月氣溫升高,梭梭處于生長旺盛期,蒸騰作用強(qiáng)烈,7月平均蒸散強(qiáng)度達(dá)到最大2.39 mm/d,且蒸散總量最大(74.02 mm)。9月氣溫降低,凈輻射量減小,梭梭生長進(jìn)入枯落期,蒸散強(qiáng)度急劇減小到0.82 mm/d,10月蒸散強(qiáng)度減小到0.62 mm/d。

圖6 梭梭群落蒸散季節(jié)變化

蒸散主要受氣象、植物特性和土壤三大因素的影響,當(dāng)土壤水分供應(yīng)充分時,蒸散只取決于氣象和植物因素,當(dāng)土壤水分不充足時,蒸散受上述3種因素的制約[28-30]。梭梭生長季0—400 cm土體土壤貯水量(圖7)變化在130—140 mm之間,水分脅迫影響嚴(yán)重,梭梭群落的蒸散受到氣象、自身生長特性以及土壤水分的影響。

圖7 土壤貯水量變化

梭梭在6月進(jìn)入生長旺盛期,蒸散也進(jìn)入旺盛階段,從圖6中明顯看出6月的蒸散量卻急劇下降到30.51 mm,且低于5月的蒸散量。這是因?yàn)?—5月隨著Rn升高,凍土全面融化,蒸散逐月增加,6月30 d中陰雨天氣占據(jù)多數(shù)(圖8),只有8 d是晴天,由于光照條件不足,Rn較5月份降低,梭梭群落蒸散受到抑制；由圖9可以發(fā)現(xiàn),生長季λET和H占據(jù)了Rn的主體,6月H大于λET,即用于空氣熱交換的能量大于用于梭梭蒸散的能量,所以6月蒸散總量呈現(xiàn)下降的趨勢。受水分脅迫的影響,梭梭整個生長時期的H大于λET；7—8月雖然Rn呈下降趨勢,但梭梭生長狀況良好,其生物學(xué)特性是這兩個月蒸散量較大的主導(dǎo)因素,且此階段內(nèi)λET大于H,與其余生長階段相反。9—10月梭梭進(jìn)入生長枯落期,隨著水分、溫度等條件的缺乏,生理活動微弱,蒸散也處于較低水平。梭梭蒸散的季節(jié)變化特征與干旱區(qū)草地[10]、檉柳[31]蒸散的季節(jié)變化特征相類似。

圖8 天氣狀況變化

圖9 凈輻射能的分配特征

3 結(jié)論

(1)梭梭生長季各時期凈輻射的日變化均呈單峰狀分布,最高值出現(xiàn)在13:30左右,萌發(fā)期和旺盛期的凈輻射高于枯落期；土壤熱通量總體也呈單峰狀分布,最大值出現(xiàn)時間比凈輻射滯后2 h；波文比在旺盛期全天變化穩(wěn)定,在萌發(fā)期和枯落期白天波動幅度小,夜間波動較大,且顯熱通量在生長時期內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)。

(2)在晴天和陰雨天條件下,旺盛期梭梭群落日內(nèi)蒸散強(qiáng)度變化幅度較大,呈雙峰型曲線,萌發(fā)期和枯落期變化幅度較小,呈單峰型曲線；旺盛期的日均蒸散強(qiáng)度大于萌發(fā)期和旺盛期。

(3)2018年古爾班通古特沙漠南緣梭梭群落生長季(4—10月)蒸散量為279.67 mm,日均蒸散強(qiáng)度1.31 mm/d。季節(jié)蒸散總體呈夏季>春季>秋季的變化特征,蒸散強(qiáng)度隨梭梭不同生長階段具有明顯變化,最大值、最小值分別出現(xiàn)在7月和10月。