荒漠草原不同时间尺度下垫面水分消耗与气象植被因子的关系

王 军，张瑞强,3，李和平,3，鹿海员，曹雪松，刘瑞春

(1.中国水利水电科学研究院牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020；2.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020; 3.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；4.杭锦旗防汛抗旱办公室，内蒙古 杭锦旗 017400)

水的可用性限制了几乎所有陆地生态系统中植物的生长[1]，其中荒漠草原对缺水带来的影响更加敏感[2]，长期缺水甚至会影响到草原生境系统的功能[3]，尤其是分布在欧亚大陆干旱和半干旱地区的内蒙古荒漠草原[4-5]，地区降水(Pr)很少汇入河流或转化成地下水，蒸散发(ET)成为降水转化的主要“出口”，频繁参与了下垫面和大气之间的水汽交换[6-7]。但受植被覆盖与气象参数拓扑特征之间的相互作用，荒漠草原ET具有广泛的时空变异性[8]。作为农田水利、生态水文等领域持续关注的热(难)点之一，ET精准监测通常使用相对复杂的物理原理和技术进行系统测量[9]，很多缺乏资料的地区ET需要估算和预测[9-10]。如Jackson利用冠层温度与土壤表面空气温度的差值，建立ET与气象植被因子之间的经验关系式，成为估算ET的经典方法之一[11-12]。另外一些研究者通过获取作物生长同期时间序列的微气象和植被因子，开展了同区域ET变化的预测研究[13-14]。当ET测量资料可以获得时，利用气象因子、植被覆盖指数等拟合得到的ET经验公式，虽然结果不一定能推断到不同的生态系统，但它们可为同一生境系统或类型内的ET时空扩展提供准确的参照方法[15]。

同时，在分析某时期水分盈亏时，很多研究者用帕默尔干旱指数、标准化降水指数、标准化降水蒸散发指数等来进行评估和预测[16-19]，这为地区干旱识别和预测提供了有效的方法，但这些指数很难直接反映出下垫面的水分盈亏状况。在现有多年连续实测ET和Pr的基础上，基于ET与Pr差值(ET-Pr，简称IETP)，解析荒漠草原下垫面与大气之间的水汽交换特征，对认识荒漠草原水汽交换规律、预测旱情变化具有重要意义[20-23]。

本文以内蒙古希拉穆仁荒漠草原为例，在大型称重式蒸渗仪多年(2012—2018年)连续的天然草地原位监测ET数据基础上，开展荒漠草原不同时间尺度影响和控制ET的气象植被因子识别及下垫面水分消耗特征研究，以期为探究荒漠草原水汽交换规律、监测草原旱情提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点选择在位于内蒙古希拉穆仁荒漠草原境内的流域水循环模拟与调控国家重点实验室——草地水循环与生态修复实验基地(图1a)。基地海拔高度1 600 m，面积约为1.33 km2；1960—2018年平均降水、水面蒸发、空气温度(T)、风速(S)分别为265.6 mm、2305.0 mm、2.6℃、4.5 m·s-1。基地所在区域属于中温带半干旱大陆性季风气候，其特点是冬季漫长严寒、夏季短促温凉；天然草地植被类型主要以克氏针茅、冷蒿、糙隐子草、冰草为主，考虑天然草地的生长过程，本文研究时段选择每年4—10月植物生长季。

1.2 研究方法

1.2.1 基于蒸渗仪的ET监测方法 蒸渗仪称重系统采用杠杆原理，当土体中水分发生变化时，其变化量引起传感器输出值的变化，根据标定好的杠杆系数就可得到土体水量的变化值。其计算公式：

ET=Pr-ΔET′-L

(1)

式中，Pr为降水量(mm),ΔET′为蒸降量(mm)，该值由蒸渗仪的称重装置直接测定；L为渗漏量(mm)，通过箱体排水口下方的流量计测定。

1.2.2 下垫面水分消耗计算 下垫面水分消耗(IETP)是下垫面天然草地蒸散发(ET)与降水量(Pr)的差值，该值在不同时间尺度上能直接反映下垫面与大气之间水汽交换特征，其计算公式：

IETP=ET-Pr

(2)

当IETP≥0时，即ET≥Pr，植物生长季内水汽互换特征是以下垫面水分消耗为主；反之，当IETP<0时，水汽互换特征是以下垫面水分吸收为主。

1.3 数据采集与处理

1.3.1 实测蒸散发 作为传统雨量计和涡度相关法的替代方案，最先进的高精度称重式蒸渗仪能够捕获土壤、植被和大气界面的通量[24-25]，其称重精度和可控的下边界条件允许对ET进行连续的野外原位监测。本文所使用的大型称重式蒸渗仪由西安碧水环境新技术有限公司提供，设备包括土箱体(2 m×2 m×2.3 m)、蒸发降雨量称重装置、渗漏量测量装置、电源供给等(图1b)。土箱箱内原状土体采用切削加压法套制。上表面积为4 m2(2 m×2 m)，高2 m，土体下部设置0.3 m厚砂土层；同时，箱底斜坡设计保证了下渗到砂土层的水分及时通过排水口流出。该系统称量精度为40 g，相当于0.01 mm的蒸降量。

图1 研究区位置和监测仪器结构Fig.1 Location and monitoring instruments of the study site

1.3.2 气象因子 气象因子包括与ET密切相关的土壤表层(0～30 cm)含水率(W)、相对湿度(RH)、风速(S)、太阳辐射(Ra)、空气温度(T)、降水(Pr)等。数据采集来自IMKO公司生产的ENVIS生态气象监测系统(图1a)，该系统可提供每小时连续的气象数据采集。

1.3.3 植被指数 植被指数(VI)会随植被生长阶段的变化而变化，从而影响植被蒸腾及下垫面耗水过程。天然草地受自身生长的影响，植被指数在短期内变化不大。因此，本文收集了2012—2018年每月的MODIS VIs时间序列产品(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)，用于分析ET与VI之间的关系。根据遥感影像对基地所在区域的土地类型调查结果，基地所处的希拉穆仁荒漠草原超过90%为天然草地，基地所在的MODIS VIs产品像元内下垫面植被类型具有高度的一致性，根据基地所处位置的经纬度，在MODIS VIs产品按像元位置提取的VI数据具有一定代表性。

2 结果与分析

2.1 实测蒸散发(ET)不同时间尺度特征

图2a为荒漠草原小时ET(简称ETh)变化的特征曲线。根据大型称重式蒸渗仪实测数据统计，每日00∶00—24∶00内ETh平均值为0.06 mm。ETh日内总体变化特征呈先增后减的抛物线型，并在每天14∶00达到最大；标准偏差STD=0.06 mm、变异系数Cv=1.07，说明荒漠草原耗水特征在小时之间波动较大。另外，荒漠草原下垫面ET活动主要发生在白天(07∶00—21∶00)，该时段ETh累计值(简称∑ETh)占全日总值的95%以上；夜间(22∶00—次日6∶00)ET活动微乎其微，ETh不到0.01 mm·h-1，∑ETh仅占全日总值的4.7%。

图2b为荒漠草原日ET(简称ETd)变化的特征曲线。根据大型称重式蒸渗仪实测数据统计，每月1—31日内ETd平均值为1.39 mm，标准偏差STD=0.14 mm、变异系数Cv=0.10，ETd变化特征呈小幅度波动的稳定状态；另外，ETd累计值(简称∑ETd)随儒略日变化趋势近似直线，进一步印证了ETd无差异的稳定状态。

图2c为荒漠草原月ET(简称ETm)变化的特征曲线。根据大型称重式蒸渗仪实测数据统计，荒漠草原地区ETm平均值42.41 mm，标准偏差STD=17.57 mm、变异系数Cv=0.40，ETm月际间变化幅度相对较小。ET在植物生长季呈先增后减的抛物线型变化，并在8月份达到峰值。根据崔向新等[26]对荒漠草原耗水与植被生长研究结论，荒漠草原下垫面耗水特征与植被生长具有密切关系，两者在变化趋势上表现出高度的一致性。

2.2 不同时间尺度影响蒸散发(ET)变化的主控因子

气象和植被因子是影响下垫面土壤蒸发和植被蒸腾最主要的因素[27]，但不同因子对ET影响程度不一[28]。通过分析气象植被因子与ET的相关性可以识别影响ET变化的主控因子，进而揭示ET与主控因子在时间变化过程中的尺度效应。

表1是利用SPSS 19.0软件计算的2012—2018年植物生长季ET与气象植被因子双变量相关性检验结果，可以看出，荒漠草原气象植被因子(W、RH、S、Ra、T、Pr、VI)对下垫面ET影响是极其复杂的。其中，不同时间尺度上始终与ET保持高度相关的是S(P<0.01)、T(P<0.01)和Pr(P<0.01)；在小时尺度上与ET相关度较高的W(P<0.05)和Ra(P<0.01)，受尺度效应叠加影响，在月尺度上与ET的相关性减弱。同时，研究发现RH、S、Pr在不同时间尺度上与ET的相关性出现了正负交替变化，初步分析这种现象是尺度叠加造成的结果。

统计显示，2012—2018年希拉穆仁荒漠草原下垫面ET在植物生长季(4—10月)平均值为296.90 mm。在小时尺度上，由于S、Ra、T、Pr对ETh的促进作用超过了W、RH对ETh的抑制影响，因此，ETh变化特征呈现出与S、Ra、T、Pr一致的变化趋势。在时间尺度扩展到月尺度时，由于RH、T、Pr、VI对ETm的促进作用超过了S对ETm的抑制影响，因此，ETm变化特征与RH、T、Pr、VI的总体变化趋势保持高度一致(图3)。

图2 下垫面实测蒸散发(ET)在不同时间尺度变化特征Fig.2 Variation characteristics of measured ET on the different time scales

表1 蒸散发(ET)与气象植被因子相关性分析

2.3 基于参数平均化处理的蒸散发(ET)估算经验方程

根据双变量相关性检验结果(表1)，所有气象植被因子仅T与ET之间的相关系数在月度尺度上超过0.70，一定程度说明ET变化是多种因素共同影响和控制的结果，依靠某一因子很难直接精准估算ET。为了进一步分析ET与这些参数之间内在联系，对2012—2018年不同时间尺度上的ET、气象植被因子做了平均化处理，并确定了ET估算经验方程。这种处理消除了极值的影响，可直观反映ET在气象植被因子影响下的总体变化趋势(表2)。

小时尺度上，与ET(P<0.01)密切相关的参数包括RH，S，Ra和T；日尺度上，与ET(P<0.01)密切相关的参数包括W和Ra；月尺度上，与ET(P<0.01)密切相关的包括T(表2)。基于多元回归分析，利用气象植被主控因子建立了希拉穆仁荒漠草原植物生长季的ET估算经验方程(图4)。鉴于气象植被因子在不同时间尺度上的变化特征是不同的，经验方程在拟合优度上也有差异，其中，小时尺度和月尺度的经验方程具有较高的拟合优度，其决定系数(R2)为0.94(图4a)和0.82(图4c)；另外，日尺度经验方程拟合效果相对较差(R2=0.42，图4b)。

2.4 基于下垫面水分消耗(IETP)的下垫面水汽交换特征

2.4.1 荒漠草原区IETP动态变化特征 图5是植物生长季的IETP年际变化曲线。2012—2018年的ET、Pr、IETP平均值分别为296.90、266.13、30.77 mm·a-1，IETP的标准偏差STD=44.64 mm、变异系数Cv=1.45。另外，2012年的IETP=-53.72 mm；其余6 a的IETP在10.72～94.46 mm，平均值为44.85 mm，IETP计算结果显示，下垫面与大气之间的水汽交换特征整体上是以下垫面水分消耗为主。另外，利用线性方程分析了IETP的年际变化趋势，拟合直线的斜率为9.55 mm·a-1，希拉穆仁荒漠草原以下垫面水分消耗为主的交换特征整体上有增加趋势，一定程度反映了天然草地在植物生长季内旱情发生概率存在增高风险。

2.4.2IETP不同时间尺度变化特征 不同降水事件对ET影响是不同的，当降水事件发生时，短时间内可增加下垫面土壤含水量，从而对ET起到促进作用；随着降水不断持续，降水会造成空气温度下降、相对湿度增加，植被冠层与大气之间的水汽压差缩小，从而抑制下垫面的ET活动。Pr和ET在时间尺度上的不匹配(相关系数r<0.65)，容易造成荒漠草原发生干旱或洪涝事件。因此，本文从不同时间尺度进一步分析了荒漠草原IETP动态变化特征，这对于深入理解荒漠草原地区水汽交换过程具有很好的帮助。

注 Note: RH—相对湿度 Air humidity; S—风速 Wind speed; Ra—太阳辐射 Solar radiation; T—空气温度 Air temperature; Pr—降水 Precipitation；VI—植被指数 Vegetation index.图3 下垫面蒸散发(ET)与主控因子(P< 0.05, P< 0.01)在月尺度上变化特征Fig.3 Variation characteristics of evapotranspiration (ET) and the main factors (P<0.05, P<0.01) on the monthly scale

表2 不同时间尺度蒸散发(ET)估算经验方程

图4 荒漠草原植物生长季不同时间尺度蒸散发(ET)拟合结果Fig.4 Results of predicted evapotranspiration (ET) in the plant growth season of desert grassland

图5 荒漠草原植物生长季下垫面水分消耗(IETP)年际变化Fig.5 Annual change of water consumption (IETP) in theplant growth season of desert grassland

在小时尺度(00∶00—24∶00)上IETP(简称IETPh)呈先增后减的抛物线型变化(图6a)。每日09∶00—18∶00的IETPh>0，19∶00—次日08∶00的IETPh<0，总体变化趋势说明荒漠草原下垫面白天以水分消耗为主，夜间以水分吸收为主；另外，IETPh累计值(简称ΣIETPh)日内变化呈现了“正弦曲线”变化，每日12∶00之前下垫面总体处于水分吸收状态，12∶00之后下垫面总体处于水分消耗状态。日IETP(简称IETPd)平均值为0.15 mm，标准偏差STD=0.65 mm、变异系数Cv=4.24，IETPd在月内变化幅度波动较大(图6b)。图6c是月IETP(简称IETPm)的特征曲线，4、5、8、10月的IETPm>0，且在8月份的IETPm达到最大，即下垫面水分消耗最多，对应天然草地干旱风险最高；其余月份(6、7、9月)的IETPm<0，且在6月份最小，此时下垫面处于水分吸收高峰期，整体来看，希拉穆仁荒漠草原6月份一般处于水分较为充足状态，发生干旱事件的概率最小。综合不同时间尺度ΣIETP计算结果分析，2012—2018年希拉穆仁荒漠草原在植物生长季内下垫面ET总体大于Pr，水汽交换以下垫面水分消耗为主。

图6 不同时间尺度下垫面水分消耗(IETP)变化特征Fig.6 Change characteristics of water consumption (IETP) at different time scales

3 结 论

1)气象和植被因子对希拉穆仁荒漠草原植物生长季的ET影响是复杂多变的，小时、日、月3个时间尺度上，始终与ET保持高度相关的是S(P<0.01)、T(P<0.01)和Pr(P<0.01)。

2)平均化处理不同时间尺度上的ET、气象和植被因子，利用多元回归分析建立了希拉穆仁荒漠草原ET估算经验方程。其中，小时尺度和月尺度的经验方程具有较高的拟合优度，其决定系数分别为0.94、0.82，经验方程在小时尺度和月尺度上能利用主控因子较好地反映希拉穆仁荒漠草原下垫面耗水特征。

3)利用ET和Pr的差值(IETP)分析了希拉穆仁荒漠草原下垫面与大气之间不同时间尺度上水汽交换特征。年际间IETP动态变化曲线显示，除2012年IETP<0，其余6年IETP>0；利用线性方程拟合直线的斜率为9.55 mm·a-1，植物生长季以下垫面水分消耗为主的特征有增强趋势；同时，植物生长季下垫面与大气之间水汽交换是频繁的，不同时间尺度下垫面与大气之间水汽交换特征是以下垫面水分消耗为主(ΣIETP>0)，且每年8月份发生干旱的风险最高。