额济纳绿洲草地蒸散系数研究

侯兰功，肖洪浪

（1.滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州239000；2.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所，兰州730000）

黑河流域下游的额济纳绿洲处于阿拉善高原与北山荒漠的交界带，气候极端干旱，自然条件极为严酷，生态环境极端脆弱。在这里，水是生态环境演化的关键驱动因子和生态系统维持的主要制约因素［1－3］。对植物蒸散发的研究有助于更深入地了解极端干旱区荒漠绿洲的水分平衡问题，并能够为确定绿洲的实际生态需水量提供依据，从而为合理的利用水资源，保护和维持荒漠绿洲生态系统的稳定性提供帮助。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

本研究的野外波文比能量平衡观测站点位于内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗七道桥胡杨林保护区（42°21′N，101°15′E），高程 920.5m，面积 1 333 hm2。该地区深处内陆，气候极端干旱，多年平均气温8.2℃，多年平均降水量为36.6mm，且主要集中在6—8月。多年平均自由水面蒸发量为3 505.7 mm，大约是降水量的100倍。年均相对湿度为42%～35%，湿润系数低于0.009%，是中国最干旱的地区之一。

1.2 研究方法

1.2.1 观测方法 波文比—能量观测系统是由美国COMPBELL公司生产的。将波文比观测系统的上下臂分别安装在研究区空旷的草地冠层顶部上方的0.25m和1.25m处，上下臂安装有空气温度、相对湿度探头；在1.25m处安装风速和风向探头，并在1.25m处安装总辐射和净辐射探头，在地下8cm处安装土壤温度、土壤水分、热通量探头，所有项目每20min观测一次。

1.2.2 实际蒸散量（ETc）计算 波文比能量平衡法（BREB）已经被广泛用来估算蒸散耗水量［4－7］，计算蒸散系数［8］，研究植物与水的关系［9－11］，校正其他的蒸散模型计算结果［12－14］。该方法只需要空气温度和湿度梯度以及太阳净辐射与土壤热通量即可计算蒸散量，因此被认为是估算实际蒸散发较为简便、有效的方法。该方法表达式如下：

式中：Rn——太阳净辐射（W／m2）；ETc——实际蒸散发（mm）；G——土壤热通量（W／m2）；ΔT——上下空气温度差（℃）；Δe——上下水汽压差（kPa）；λ——汽化潜热（MJ／kg）；γ——干湿球常数（kPa／℃）。

本文收集了研究区2005年5月16日至9月30日的连续波文比观测数据与自动气象站数据。为了体现植物在生长季节的快速变化，本文选用半个月为一个时间步长，运用式（1）计算绿洲草地在生长季节每半个月的实际蒸散量。

1.2.3 参考蒸散（ET0）与蒸散系数（Kc）的计算 利用波文比能量平衡法估算出植物的实际蒸散量（ETc），按照蒸散系数（Kc）的定义［15］，即蒸散系数（Kc）等于实际蒸散量（ETc）与参考蒸散量（ET0）的比值，就可以很容易的确定所研究植物的蒸散系数。对于参考蒸散发的计算，联合国粮农组织推荐的FAO56Penman—Monteith（简称FAO56P—M）模型只需要输入很少的几个气象参数即可进行计算，被公认为不论在湿润气候条件下还是干旱气候条件下计算参考蒸散量最精确的模型之一［15－18］。因此，只要确定某种植物的蒸散系数，即可利用少量的气象参数，不依赖于特定的蒸散观测点，就可以很容易地估算出该植被区的实际蒸散量。FAO56P—M计算公式如下：

式中：ET0——每天的参考蒸散发（mm／d）；Rn——太阳净辐射［MJ／（m2·d）］；G——土壤热通量［MJ／（m2·d）］；Δ——饱和水汽压曲线斜率（kPa／℃）；γ——干湿球常数（kPa／℃）；Ta——平均大气温度（℃）；u2——2m 处风速（m／s）；es——饱和水汽压（kPa）；ea——实际水汽压（kPa）。

蒸散系数计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 绿洲草地生长季蒸散（ETc）变化

2005年生长季（5月16日—9月30日）草地的蒸散发量随时间的变化情况如图1所示，整个生长季内草地的蒸散量呈单峰型分布趋势。在生长季初期（5月后半月）草地平均蒸散量为3.519mm／d；进入6月份后蒸散量快速增加，在6月后半月达到整个生长季的最大值6.724mm／d；此后蒸散量随时间呈逐渐下降趋势，在9月后半月达到生长季的最低值1.215mm／d。而整个生长季内（大约138d），草地总的蒸散量为446.96mm。

在生长季内，草地的蒸散量与太阳净辐射和土壤含水量的变化趋势基本一致，太阳净辐射和土壤含水量的峰值都是出现在草地蒸散最旺盛的6月份（图1a，1c）；而气温的变化趋势相对滞后于蒸散量的变化，气温的最大值出现在7月份（图1d）；蒸散量与空气相对湿度的变化趋势相反，相对湿度的最低值出现在蒸散发最旺盛的6月份，最高值出现在蒸散发相对较弱的8月份（图1b）。

图1 草地生长季内蒸散量随时间分布

2.2 参考蒸散（ET0）

在生长季内，参考蒸散量的分布情况与草地的实际蒸散量分布基本一致（图2）。在6月份和7月前半月参考蒸散量最大，都在10mm／d以上；在这之后，参考蒸散量随时间逐渐降低。虽然太阳净辐射最高值出现在6月份，但气温最高值却出现在7月前半月，因此6月份和7月前半月的参考蒸散量相差较小，均在10mm／d以上，明显高于生长季其他各时间段的参考蒸散量。

图2 参考蒸散与实际蒸散的分布趋势比较

2.3 生长季草地蒸散系数（Kc）

草地生长季蒸散系数的分布趋势与草地实际蒸散量的分布趋势一致。在生长季，草地的蒸散系数主要可以分为3个阶段：初始阶段，从5月到6月前半月，蒸散系数从初始值的0.395快速增加到0.515；在植物生长中期，蒸散系数达到了生长季的最大值0.623；在草地生长后期，蒸散系数快速下降，直至植物停止生长，蒸散系数降到0.452（图3）。

蒸散系数综合反映了植物特性和土壤蒸发的影响。在生长季初期，草地刚刚萌发新芽，此时温度刚刚回升，土壤蒸发较弱，因此初始蒸散系数较低；进入6月份后，草地叶面积达到最大，太阳净辐射和气温也都达到高值，此时土壤含水量也达到最大，蒸发达到最强，因此这个时间段内的蒸散系数达到生长季最大值；而进入生长季后期，植物生长减缓，逐渐凋萎，土壤含水量快速降低，蒸发减弱，因此蒸散系数也快速下降，直至降到生长季最低。

图3 生长季草地蒸散系数（Kc）随时间分布情况

3 结论

本研究的目的是为了估算中国西北极端干旱区荒漠绿洲草地生长季的蒸散量以及蒸散系数。通过计算发现，在生长季内，草地的实际蒸散量与蒸散系数的变化趋势一致，最大值均出现在6月份，这主要是由于这个时间段内光热条件以及土壤水分含量较高，有效地促进了草地的蒸发量。本研究得到的结果，可在生长季缺乏蒸散发观测数据的情况下，运用普通的气象数据估算出草地生长季的实际蒸散量。可以为确定草地的生态需水量提供依据，从而为制定极端干旱区绿洲的生态维持与恢复方案提供帮助。

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