黄土高原农牧交错带SVAT系统能量平衡模拟

成向荣，虞木奎，黄明斌，邵明安

（1.中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 富阳311400；2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌712100）

植被覆盖及其变化通过改变地表属性对地表能量通量的传输及分配产生重要影响，已受到越来越多的关注［1］。地表与大气能量的交换代表了大气物理气候系统的下边界条件，准确地确定地表的水热通量并清楚地认识能量和水汽在边界层内的传输过程，对于理解气候变化具有重要意义［2］。近年来，不同学科的科学家对土壤－植被－大气系统内部能量物质传输过程进行了广泛深入的研究［3，4］，我国在这方面的研究大多集中在农田生态系统［2］，少数干旱、半干旱地区人工植被SPAC（soil－plant－atmosphere continum）系统内水热交换及能量平衡的模拟研究也主要针对沙漠或荒漠地区［5］。气候变化背景下北方草地生产力及植被特征等方面开展了一些研究［6，7］，但黄土高原农牧交错带稀疏植被覆盖下SVAT（soil－vegetation－atmosphere tansfer）系统水分能量传输模拟研究仍然十分薄弱。黄土高原农牧交错带作为典型的生态环境脆弱区，降水稀少，风沙地貌和流水侵蚀地貌交错分布，植被退化、沙化严重。土地利用／土地覆盖的变化不仅对区域水量平衡有重要影响，也对感热、潜热、动量交换和长波辐射在地表、植被与大气间的分配及其传输产生深远的影响。土壤－植被－大气系统内部能量和物质的传输过程控制着水循环与植物生长的微气候环境，影响植物的分布和生长。因此，定量了解能量通量在SVAT系统各界面的传输与分配是必要的，有利于深入认识土地利用／土地覆盖的变化对能量和水量平衡的影响。

本研究采用具有代表性的一维多层水热传输SHAW （the simultaneous heat and water，V 2.3）模型，对黄土高原农牧交错带代表性植被类型的能量平衡进行模拟研究，以便明确不同植被类型覆盖下土壤－枯落物－植被冠层间能量传输及分配特征，为农牧交错带土地利用方式的转变对气候变化的影响提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

野外试验在中国科学院水利部水土保持研究所神木侵蚀与环境试验站进行，该站位于黄土高原农牧交错带中部的陕西神木县六道沟流域（东经110°21′～110°23′，北纬38°46′～38°51′）。研究区年均降水量437.4mm，50% 以上集中在7－8月。2007年4－9月降水量为329.2mm，比同期多年均值低10%左右。年均气温8.4℃，≥10℃年活动积温为3 248.0℃，无霜期153d，全年日照时数2 836h，年总太阳辐射量为5 922MJ／m2，年水面蒸发量在2 000mm左右，属中温带半干旱气候。土壤主要以黄绵土和风沙土为主。

六道沟流域植被类型属于灌丛草原类型，目前天然灌丛已破坏殆尽，主要以人工植被为主。本研究选取紫花苜蓿（Medicagosativa）（以下简称苜蓿）、柠条（Caraganakorshinskii）、油松（Pinustabulaeformis）、天然短花针茅（Stipabungeana）草地和谷子（Setariaitalica）5种代表性植被类型，采用一维水热传输SHAW模型来对比分析2007年4－9月不同植被覆盖下土壤层－枯落物层－植被冠层能量传输特征。

1.2 野外观测

在六道沟流域5种植被类型的地块内分别建立20m×20m的固定样地2块，调查主要植物参数，其中林木叶面积采用HEMI－VIEW冠层分析系统测定，其他3种植物采用叶面积－质量换算法确定，共测定3次，测定时间分别为5月上旬、7月中旬和9月下旬。植物根系分布通过剖面法测定，每种植物选择平均样株（丛）3个，挖掘至根系最大分布深度。建立的试验样地土壤均为黄绵土，质地较为均一，土壤机械组成通过马尔文MS2000激光粒度仪测定。土壤水分特征曲线采用离心机法测定，每个样地3次重复，土壤孔隙分布指数（b），进气吸力（Ψe）通过RETC软件拟合的土壤水分特征曲线求取。土壤水分通过中子仪测定，每个样地内埋设400cm长的中子管3根，其中表层（0～10cm）土壤水分通过烘干法测定，测定时间间隔约为2周1次。气象参数，如太阳辐射、大气温度、大气湿度和土壤温度等，由安装在短花针茅草地的标准全自动气象站记录，数据记录间隔为1h。

1.3 SHAW模型介绍

SHAW模型描述垂直方向一维的冠层、雪被、枯落物、地表到土壤一定深度的水热传输过程。它以植被冠层以上的大气为上边界，以地表下土层为下边界，采用上边界以上的气象条件和下边界以下的土壤状况来确定系统的水热通量，步长为日或小时，视具体资料而定。该模型将土壤－枯落物－植被冠层分为若干层，计算各层次间的水热传输。能量传输过程的模拟计算主要应用以下方程。

（1）系统上边界面能量平衡方程为：

式中，Rn为净辐射（W／m2），H为感热通量（W／m2），LE为潜热通量（W／m2），G为土壤热通量（W／m2），L为蒸发潜热（J／kg），E为从土壤表面和植被冠层的总蒸散发量（kg／m2·s）。式中各项所表示的通量向下指向系统边界表面为正，观测总辐由太阳辐射和长波辐射在植被冠层、雪被层、枯落物层和土壤表面各个层次之间的传射、气温、风速和空气湿度以参数化的能量平衡通量表达式计算［8］。其中，净辐射由太阳辐射和长波辐射在植被冠层、雪被层、枯落物层和土壤表面各个层次之间的传输量来确定。由于太阳直接和散射辐射在系统中传输过程不同，太阳辐射计算又分为直接辐射和散射辐射在系统各层之间的传输、反射和吸收量。在植被冠层中辐射传输由叶面积指数和叶片分布方向确定。植被冠层的反射率由植物种类、叶面积和消光系数的关系来计算。土壤表面反射率由土壤含水量确定。长波入射辐射由气温和以观测太阳辐射估算的日平均云量来估算。系统上边界的感热和潜热通量由边界面和大气之间的气温和水汽含量梯度计算。地表以下热传导通量通过方程（1）计算，它须满足系统不同层次能量平衡通量的整体平衡。详细的模型描述和计算方法见Flerchinger和Pierson［9］及Flerchinger等［10］。

（2）SVAT系统能量的传输

1）植被冠层中能量传输过程为：

式中，z为从冠层顶垂直向下的距离（m），ke为冠层内的传输系数（m2／s），ρa是空气密度（kg／m3），ca为空气比热（J／kg℃），Hl为植被叶子的热量传输（W／m2），T为气温（℃），t为时间（s）。

2）地表枯落物层能量传输过程为：

式中，Cr和T分别为枯落物层的体积热容量（J／m3℃）和温度（℃），kr为枯落物层的热传导和热对流传输系数（W／m℃），hrr为枯落物层组成物的相对湿度，ρv′为枯落物层中的饱和水汽密度（kg／m3），ρv为枯落物层中的水汽密度（kg／m3），rh为枯落物层中组成物与空气之间的边界层阻力（s／m）。

3）土壤层中能量传输过程表示为：

式中，Cs和T分别为土壤的体积热容量（J／m3℃）和温度（℃），ks为土壤热传导系数（W／m ℃），ρl是水的密度（kg／m3），cl为水的比热（J／kg℃），ql为液态水通量（m／s），qv为水汽通量（kg／m2·s）。

1.4 模型输入

模型的初始输入包括植被参数、上边界层的气象条件和下边界土壤参数，气象参数以日为模拟时间步长输入观测值，土壤水分模拟深度400cm，取7个结点。模型运行所需的植被参数和土壤参数见表1和表2。

表1 六道沟流域代表性植被覆盖类型基本特征Table 1 Characteristics of typical vegetation cover types in Liudaogou watershed

表2 六道沟流域代表性植被覆盖类型土壤参数Table 2 Soil parameters of typical vegetation cover types in Liudaogou watershed

为评价模型的模拟效果，分别用模拟效率（model efficiency，ME），均方根差（root mean square error，RMSE）和平均偏差（mean bias error，MBE）来评价模型估计的精度。

式中，Mi和Ei分别为第i次测定值与模型模拟值，N是观测的次数。

2 结果与分析

2.1 模型验证

六道沟流域天然短花针茅草地2007年1月1日－9月28日（1～271d）平均每天的太阳短波辐射、地表净长波辐射和太阳净辐射的逐日变化的模拟如图1～3所示。从图中可以看出，太阳短波辐射和地表净长波辐射模拟值较实测值略微偏低，净辐射模拟值在60～100d明显估计偏低，其他时段与实测值具有很好的一致性。整个模拟期太阳短波辐射、地表净长波辐射和太阳净辐射的 ME分别为0.95，0.73和0.85，RMSE分别为15.8，17.5和18.4W／m2，MBE分别为－8.5，－11.7和－1.7W／m2，总体上模拟结果误差相对较小。通过太阳短波辐射、地表净长波辐射和太阳净辐射模拟值与实测值的验证表明，SHAW模型模拟的逐日辐射值与实测值基本吻合，模型总体估计精度较高，同时也说明在黄土高原农牧交错带模型模拟的结果是可靠的。

图1 2007年（1～271d）太阳短波辐射模拟值与实测值比较Fig.1 Simulated short－wave radiation values and measured values in 2007（from 1－271d）

图2 2007年（1～271d）地表净长波辐射模拟值与实测值比较Fig.2 Simulated long－wave radiation values and measured values in 2007（from 1－271d）

2.2 短波辐射

阴坡苜蓿地短波辐射能量主要被冠层吸收，其次进入土壤层表面，枯落物层吸收的短波辐射最少（表3）。同为阴坡的谷子地短波辐射主要进入土壤层表面，植被冠层和枯落物层吸收的短波辐射大致相同。这主要是因为谷子地5月下旬才播种，前期地表裸露，土壤层表面吸收较多的短波辐射。对谷子生育期（6－9月）短波辐射的分析表明，其传输特征与苜蓿地类似。阴坡短花针茅地系统吸收的短波辐射中有51%进入土壤层表面，其次被冠层吸收，枯落物层吸收最少。阳坡柠条林地短波辐射也主要进入植被冠层，但其量值比苜蓿地低；其次进入土壤层表面，枯落物层吸收的短波辐射比土壤层表面低7%。阳坡油松林地绝大部分短波辐射进入植被冠层，其次进入枯落物层，土壤层表面吸收的短波辐射量则非常少，仅为系统总量的4%。由此可见，在六道沟流域不同植被覆盖下，短波辐射在土壤层－枯落物层－植被冠层SVAT系统各层次中的分布呈现一定差异。阳坡油松林冠层吸收的短波辐射比例最高，其量值明显高于阳坡柠条林地、阴坡苜蓿地、短花针茅和谷子地；谷子地冠层吸收的短波辐射比例最小，但在生育期进入冠层的短波辐射接近阳坡柠条林地。需要指出的是，仅有少量太阳辐射进入油松林地土壤层表面，这是因为油松林郁闭度高，加之林下短花针茅覆盖度大，使得冠层接收了大部分能量，进而大大减少了能量向枯落物层，尤其是向土壤层传输。

图3 2007年（1～271d）太阳净短波辐射模拟值与实测值比较Fig.3 Simulated net short－wave radiation values and measured values in 2007 （from 1－271d）

表3 4－9月六道沟流域不同植被覆盖下SVAT系统短波辐射能对比Table 3 Comparison of short－wave radiation in different SVAT system from April to September in Liudaogou watershed W／m2

2.3 长波有效辐射

5种植被类型中以阴坡谷子地释放的长波有效辐射最高，其次为阴坡短花针茅草地，阴坡苜蓿地和阳坡柠条林地长波有效辐射量接近，均低于阴坡短花针茅地，阳坡油松林地的长波有效辐射最小（表4）。阴坡苜蓿地和阳坡柠条林地释放的长波有效辐射主要来自土壤层表面，约为系统长波有效辐射的50%；但苜蓿冠层释放的长波有效辐射约为系统总量的1／3，枯落物层放出的长波有效辐射较少；阳坡柠条林地植被冠层和枯落物层放出的长波有效辐射基本相同。阴坡短花针茅地绝大部分长波有效辐射也主要来自土壤层表面，植被冠层放出的长波有效辐射相对较少。阴坡谷子地土壤层表面释放的长波有效辐射最高，其次为枯落物层，植被冠层放出的长波有效辐射最少。阳坡油松林植被冠层释放的长波有效辐射比例高达91%，其次为枯落物层，土壤层表面的长波有效辐射非常少。土壤层表面长波有效辐射为正值，表明在植被冠层和枯落物层向大气放出有效辐射的同时，土壤层表面对长波有效辐射有一定的吸收作用。

表4 4－9月六道沟流域不同植被覆盖下SVAT系统长波有效辐射能对比Table 4 Comparison of long－wave effective radiation in different SVAT system from April to September in Liudaogou watershed W／m2

2.4 能量平衡的对比分析

2007年5种植被覆盖类型感热／净辐射的季节变化分析表明，整个模拟期感热／净辐射比例以油松最高，其次为柠条和短花针茅，苜蓿和谷子这一比例较低（图4）。谷子地从4月开始感热比例持续降低；苜蓿地4－7月感热比例变化不大，8－9月明显下降；油松、柠条和短花针茅的季节变化特征类似，4－6月逐渐降低，7月略有增加，然后又降低，各植被类型感热占净辐射的比例总体上随季节变化呈下降趋势。4－5月感热通量比例较高，这主要是因为研究区该时段降水稀少，地表植被覆盖度低，地表反照率高，对太阳辐射的吸收较小，反射较强有关。6－9月随植物覆盖度增大和降水的增加，感热占净辐射比例相应降低，尤其是9月最为显著，各植被类型感热比例由4月的44.4%～68.4%减少到22.1%～42.2%。

5种植被覆盖类型4－9月潜热／净辐射的变化趋势与感热／净辐射相反，均随季节变化逐渐增加（图5）。谷子地潜热比例由4月的27.3%增加到9月的78.7%，相同时段内苜蓿地由34.6%增加到59.8%，短花针茅由22.7%增加到81.1%，柠条由22.7%增加到60%，油松由25.5%增加到61.3%，各植被类型9月潜热通量比例增幅最高。潜热通量占净辐射的比例增加主要与植物叶面积指数逐渐增大，降水逐渐增多有关，从而增大了用于蒸散消耗的潜热通量。

图4 不同植被覆盖类型感热／净辐射的季节变化Fig.4 Seasonal change of sensible heat／net radiation in different vegetation cover types

图5 不同植被覆盖类型潜热／净辐射的季节变化Fig.5 Seasonal change of latent heat／net radiation in different vegetation cover types

4－9月不同植被覆盖下SVAT系统表面能量平衡的模拟结果统计显示（表5），阴坡苜蓿和谷子地系统表面能量平衡特征类似，能量的收入和各支出分量的比例接近。苜蓿地接收的净辐射能量略高于谷子地，2个植被系统的能量主要消耗于蒸散发的潜热，其次消耗于感热，进入土壤中的净辐射能量非常少。谷子生育期（6－9月）能量的潜热消耗略有增加，感热和土壤热通量有一定减少。而阴坡短花针茅和阳坡油松、柠条林地能量的消耗主要是感热，其次消耗于蒸散发的潜热，进入土壤中的净辐射能量较少。阳坡油松林地接收的净辐射最多，感热支出接近净辐射量的2／3，潜热支出约为净辐射量的1／3，传导进入土壤中的净辐射能量比例仅为1%。阳坡柠条林和阴坡短花针茅能量的收入和各支出分量的比例接近，阳坡柠条林地接收的净辐射能量高于阴坡短花针茅，但低于阳坡油松林。对六道沟流域5种典型植被类型的能量平衡组成分析可知，阴坡苜蓿和谷子地能量主要消耗于蒸散发的潜热，而阴坡短花针茅地和阳坡柠条、油松林地能量的消耗主要是感热。

表5 4－9月六道沟流域不同植被覆盖下SVAT系统表面能量平衡组成Table 5 Composition of surface energy balance of 5SVAT system from April to September in Liudaogou watershed W／m2

3 结论与讨论

运用SHAW模型对六道沟流域2007年4－9月不同植被覆盖下能量在土壤层－枯落物层－植被冠层系统各层次中的分布及系统的能量平衡进行了模拟。模拟结果显示，阳坡油松、柠条和阴坡苜蓿冠层吸收的短波辐射比例最高，而阴坡短花针茅和谷子土壤层表面吸收的短波辐射比例最高；阳坡油松土壤层表面吸收的短波辐射比例最低，其他4种植被则是枯落物层吸收的短波辐射比例最低。阳坡油松林植被冠层释放的长波有效辐射比例高达91%，土壤层表面的长波有效辐射非常少。其他4种植被则是土壤层表面的长波有效辐射比例最高。

4－5月5种植被覆盖类型感热占净辐射的比例最高，6－9月随植物覆盖度增大和降水的增加，感热占净辐射比例相应降低，9月各植被类型感热比例由4月的44.4%～68.4%减少到21.1%～42.2%；5种植被覆盖类型4－9月潜热／净辐射的变化趋势与感热／净辐射相反，均随季节变化逐渐增加。这与干旱区柽柳（Tamarixramosissima）灌木林地以及克氏针茅（Stipakrylovii）草原生态系统感热和潜热的季节变化特征类似［11，12］。涂钢等［13］对半干旱地区退化草地的研究也表明，5－9月间潜热占净辐射比例变化在26%～82%，感热为9%～83%。而长白山阔叶红松（Pinuskoraiensis）林10月－翌年4月以感热通量支出为主，5－9月潜热通量支出占净辐射通量的50%以上［14］。这与本研究中油松林地感热和潜热通量的季节变化相反。这种差异主要与植被状况有关。

能量平衡组成分析表明，阴坡苜蓿和谷子地能量主要消耗于蒸散发的潜热，而阴坡短花针茅地和阳坡柠条、油松林地能量的消耗主要是感热。这与已有的一些研究结果一致，康尔泗等［5］的研究表明黑河山区阴坡云杉（Piceacrassifolia）林的能量平衡组成中以感热通量为主；张晓煜等［15］也指出在宁南退耕还草区感热通量是净辐射的主要支出项，在四季白天，感热通量占净辐射的60%～80%。而干旱区民勤绿洲荒漠过渡区生态系统的热量平衡中，占比例最大的是潜热通量，其次为感热通量和土壤热通量［16］。此外，刘帅等［17］研究发现，在半干旱草地生态系统能量交换以感热为主，随降水的增加，半湿润地区草地生态系统能量交换以潜热为主。Baldocehi等［18］研究证实植被状况和气候对生态系统与大气之间能量的交换均具有重要的影响。因此，根据区域环境特征，实现能量、水分等环境资源的优化配置［19］，构建可持续发展的人工生态系统，对改善黄土高原农牧交错带生态环境和促进农牧业发展具有积极意义。

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