乌兰布和沙漠东北缘稀疏灌丛能量平衡及蒸散特征

2022-12-06潘雨梦肖辉杰辛智鸣贾肖肖

生态与农村环境学报 2022年11期

潘雨梦，肖辉杰①，辛智鸣，贾肖肖

(1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2.中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，内蒙古磴口 015200)

地表能量收支和分配作为陆面过程和陆-气相互作用研究的主要内容，描述了地表与大气间的物质和能量交换过程，可以有效表达地表光热资源的分配情况[1]。不同陆地生态系统地表能量收支和分配有所不同。沙漠地区拥有特殊地理环境、地表反照率和大气热力结构，区域内水分缺乏，植被分布稀疏且不均匀，生态环境脆弱，因而在水分循环和能量流动方面有着独特规律，对太阳辐射强迫的响应过程也与其他地区有很大不同[2]。沙漠蒸散作为干旱区荒漠生态系统水量和能量平衡的主要平衡项，是连接其生态过程和水文过程的重要纽带[3]。探究沙漠地区水量和能量平衡特征是干旱区研究的重点内容，诸多学者针对中国巴丹吉林沙漠[4]、塔克拉玛干沙漠[2,5]和古尔班通古特沙漠[6]等地区能量平衡及蒸散特征开展了大量研究，如许兴斌等[7]指出巴丹吉林沙漠能量交换以感热通量为主，陆-气温度差异是沙山感热通量变化的主要影响和控制因子；李传金等[8]对古尔班通古特沙漠梭梭林研究发现蒸散强度随梭梭不同生长阶段具有明显变化，最大值和最小值分别出现在7和10月，但对乌兰布和沙漠能量平衡及蒸散特征的研究相对较少。

涡度相关(EC)方法能用于直接测定地表和大气之间的水、热和CO2通量，测量结果准确，理论假设少，并且可以实现长期连续定位观测，从而被国内外认为是测定蒸散量的相对标准观测方法[9]。涡度相关技术在农田、森林和草地蒸散发测量方面应用十分广泛[10-12]，近年来，我国利用涡度通量塔对不同生态系统开展了大量能量通量特征、分配和闭合度方面研究[13-15]。这些研究结果均表明能量分配能影响物质交换过程，其对水量交换的影响格外显著，一方面通过增加感热通量促进水循环，另一方面潜热通量将生态系统消耗的水分与驱动蒸散作用的能量联系在一起，通过蒸散发耗能。此外，不同地区能量闭合状况及分配特征差异明显。因此，清楚地认识沙漠地区水汽和能量输送过程，有助于进一步剖析不同陆域水热生态耦合过程，这对改善荒漠生态脆弱环境十分重要。

以乌兰布和沙漠东北缘稀疏灌丛为研究对象，基于涡度相关系统的实测数据和地面气象观测资料，分析荒漠生态系统蒸散和能量平衡特征以及能量闭合情况，初步探究该地区地表能量收支不平衡的原因，旨在加深对近地层能量平衡过程的认识，有助于理解荒漠生态系统蒸散规律和能量流动机制，为评估区域水分与能量平衡状况提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点概况

试验区位于中国林业科学研究院沙漠林业实验中心第二试验场的荒漠综合观测站，属于乌兰布和沙漠东北缘，行政区划隶属内蒙古磴口县，地理位置为40°24′ N、106°43′ E，海拔为1 050 m。该区属温带大陆性干旱气候区，多年平均气温为7.8 ℃，昼夜温差大，日照充足，多年平均降水量为145 mm，降水主要集中在6—9月，约占全年降水的70%～80%，年蒸发量为2 380 mm，无霜期为136 d，地下水埋深为7 m，土壤类型为风沙土。试验区内天然植被主要为以唐古特白刺(Nitrariatangutorum)为建群种的植物群落，白刺种群以白刺沙包的形式存在，伴生的优势植物为油蒿(Artemisiaordosica)、籽蒿(Artemisiasphaerocephala)和沙米(Agriophyllumsquarrosum)等，植被平均高度为0.37 m，群落盖度为10%～20%。

1.2 观测方法

采用EC系统和辅助气象要素梯度监测系统，对水汽通量和气象要素进行同步测量。EC系统安装在荒漠综合观测站中心，安装高度为2 m，主要由闭路CO2/H2O分析仪、3D超声波风速仪和数据记录器组成。该地区主要风向为西北风，取风长度足以进行EC测量。4块土壤热通量板安装在0.1 m深处。梯度监测系统包括土壤温度传感器、四分量辐射传感器、空气温度和湿度传感器。原始数据采样频率为10 Hz，并在30 min的时间间隔内取平均值。EC系统所用仪器详细信息见表1。所有传感器在使用前均进行校准，并对其性能进行评估。该研究采用2019年3月7日至11月4日收集的通量数据。此外，借助研究区内布设的气象站，收集2019年1月至10月的气象因子日平均数据，包括空气温度、空气相对湿度、土壤温度(0.1 m)和降水量。

表1 主要仪器规格

1.3 数据处理

使用LI-Cor公司开发的eddypro软件对采样频率为10 Hz的原始湍流数据进行预处理。首先，将涡度相关系统原始观测数据旋转2次，计算30 min的水热通量均值，对感热通量(H)进行超声波虚拟温度校正，对潜热通量(LE，EL)进行WPL校正[16]。在此基础上，剔除异常值。通过野点剔除和数据校正，得到的有效数据占总数据的72%。对数据进行插补以获得连续的30 min水热通量数据，便于分析水热通量随时间的动态变化特征。对剔除数据和缺失数据采用以下2种方法进行插值：(1)对于缺失间隔小于2 h的数据采用线性插值方法进行插值；(2)对于缺失间隔大于2 h的数据采用平均日变化法进行插值[17]。

1.4 能量平衡及闭合分析

一般而言，地表能量平衡计算公式可表示为

Rn-G=EL+H。

(1)

式(1)中，Rn为净辐射通量，W·m-2；G为土壤热通量，W·m-2；H和EL分别为感热通量和潜热通量，W·m-2。

EC系统测量到的地表能量平衡不闭合是一个尚未解决的普遍问题，它表现为湍流通量(H+LE)与有效能量(Rn-G)之间的差异。评价能量闭合的常用方法有普通最小二乘法(OLS)、能量平衡比率法(EBR)、压轴回归法(RMA)和能量平衡残差法。该文采用OLS和EBR方法对乌兰布和沙漠东北缘稀疏灌丛的能量闭合状况进行评价。

EBR(REB)为涡度相关系统直接测量的湍流通量与有效能量的比值，计算公式为

(2)

EBR值为1时，表示地表能量平衡完全闭合。虽然使用30 min的平均测量具有平滑随机误差和高频波动的优点，但它也可能导致对白天向上通量和夜间向下通量的高估[18]。

OLS法是根据最小二乘法原理计算湍流和有效能量的回归直线斜率(S)和截距(b)来分析能量平衡的闭合程度，其中，斜率可以反映瞬时能量的平衡。OLS回归方程计算公式为

EL+H=S(Rn-G)+b。

(3)

在理想条件下，有效能量与湍流通量线性回归的斜率S为1，并通过原点。

1.5 蒸散量估算

根据文献[19]，地表每日蒸散量(ET，TE，mm·d-1)由EC系统测得的每日潜热能和水的汽化潜热换算得到，计算公式为

(4)

式(4)中，EL*为潜热能，MJ·m-2·d-1；λ为水的汽化潜热，即2.45 kJ·g-1；ρW为水密度，即1 g·cm-3。

2 结果与分析

2.1 气象条件变化

辅助气象要素梯度监测系统和常规气象站的观测资料表明，各日气象要素的变化具有明显季节性(图1)。气温(Ta)、土壤温度(Ts)和饱和蒸汽压差(VPD)呈单峰变化，从1月开始逐渐升高，7、8月达到峰值，且生长季大于非生长季。与上述气象变量不同，相对湿度(RH)和风速(WS)呈锯齿状波动。在观测期间，最大风速为8.5 m·s-1(2019年5月15日)，最小风速为1.2 m·s-1(2019年2月16日)，最大相对湿度为88%(2019年6月22日)，最小相对湿度为10%(2019年5月21日)。观测期平均温度、平均相对湿度和平均土壤温度(Ts-1)分别为11.61 ℃、40.93%和14.44 ℃。土壤通量板上方土壤温度(Ts-2)高于距EC系统约250 m处的当地气象站观测数据(Ts-1)，这是由于仪器监测精度和布局差异造成的，这与YAN等[20]的研究结果相似。

RH为相对湿度，Ta为气温，VPD为饱和蒸汽压差，WS为风速，Ts-1为距离EC系统约250 m处土壤温度，Ts-2为土壤通量板上方土壤温度(观测时段为2019年3月7日至11月4日)。

2.2 能量通量和能量分配的动态变化

2.2.1能量通量和能量分配的日变化

根据建群植物种唐古特白刺的物候期将观测时间划分为生长前期、生长期和生长后期3个时段。生长前期日序为66～90，共25 d；生长期日序为91～273，共183 d；生长后期日序为274～308，共35 d。乌兰布和沙漠东北缘稀疏灌丛能量通量在3个不同时段的平均日变化见图2。如图2所示，尽管这3个时段能量组成和主要气象因子各不相同(表2)，但各时段净辐射(Rn)、土壤热通量(G)和感热通量(H)均呈早晚低、中午高的单峰型日动态。Rn峰值出现在12:00—12:30，在3个时段内无明显差异。生长前期、生长期和生长后期Rn日变化峰值分别为379、474和296 W·m-2，平均值分别为91.76、125.86和45.20 W·m-2。G达到峰值时间(15:00—15:30)滞后于Rn，3个时期峰值分别为42、43和24 W·m-2，平均值为4.47、4.59和-4.51 W·m-2。

Rn为净辐射，EL为潜热通量，H为感热通量，G为土壤热通量。

表2 不同时期日均能量成分和主要气象变量

H变化规律与Rn一致，峰值分别为265、226和165 W·m-2，而潜热通量(EL)值很小，且在观测期内波动不大，生长前期、生长期和生长后期EL峰值分别约为3.1、19.3和6.6 W·m-2，这是由研究区干旱环境所致。能量平衡各分量正负值持续时间在不同时期有明显区别，生长期正值持续时间大约为12 h，而生长后期则只有9 h。

能量分配日动态(图2)表明，H在能量消耗中占主导地位，生长前、中、后期H占Rn的比例分别为63%、50%和72%。EL日平均值为2.18 W·m-2，而H日平均值为51.14 W·m-2，更多的能量转换成H。白天和夜间能量分配不同，除日出、日落前后能量分配表现为EL/Rn>G/Rn外，白天能量分配表现为H/Rn>G/Rn>EL/Rn，夜间为G/Rn>H/Rn>EL/Rn，土壤热通量占据主导地位。当太阳在白天加热地面时，土壤热通量均为正值，表现为向下传输，即吸热状态。在夜间，由于地表辐射冷却，G多为负值，表明土壤为放热状态，地表向大气传输热量，地表是系统主要热量来源。H/Rn与G/Rn在白天呈逐渐递增趋势，在夜间波动较大，而EL/Rn夜间变化较小，日出和日落前后变化波动剧烈，白天相对平稳，白天整体高于夜间。

2.2.2能量平衡各分量和能量分配的季节变化

能量通量季节变化特征见图3。如图3所示，全年日Rn近似呈单峰型变化，受中小尺度天气变化的影响，Rn呈锯齿状波动，特别是在雨季，Rn日间差异较大。日平均Rn在-13(10月14日)～251 W·m-2(7月5日)之间变化，平均值为113.5 W·m-2。H季节变化趋势与净辐射相似，H日平均波动范围为-6.1(6月22日)～118.1 W·m-2(5月12日)，平均值为59.49 W·m-2，在全年中占主导地位。EL季节变化不大，日平均波动范围为7.02(10月5日)～53.21 W·m-2(6月23日)，平均值为14.56 W·m-2。在生长期雨季H和EL波动较大，这与降水时间和Rn的波动一致。全年土壤热通量主要为能量汇(G>0 W·m-2)。虽然中午G可以达到7 W·m-2，但瞬时G与Rn的比值小于1%。在生长期非晴好天气，如降水和云量较多的阴天，G日通量为负值，其他大部分时间为正值，而在生长后期大多为负值。全年能量分配以感热通量为主，然而年内各分量也存在明显变化，生长期能量分配为H/Rn>EL/Rn>G/Rn，其他时期为H/Rn>G/Rn>EL/Rn。

Rn为净辐射，EL为潜热通量，H为感热通量，G为土壤热通量。

2.3 能量闭合度

有效能量与湍流通量的线性回归分析结果(图4)表明，乌兰布和沙漠东北缘稀疏灌丛在观测期内30 min通量的能量闭合率为64%，日平均通量能量闭合度为67%，在国际同类观测范围之内(55%～99%)[21]。在数据处理方面，不同时间尺度和能量平衡评价方法得到的能量闭合结果(表3)不同。在通常情况下，所得线性回归直线的截距不能通过原点，因此在分析过程中分别给出了未过原点的线性回归斜率S1、截距b和决定系数R12以及强制通过原点的线性回归斜率S2和决定系数R22。观测数据的统计分析结果表明，生长前期、生长期和生长后期3个时期湍流通量与有效能量有较好的相关关系，生长期能量闭合程度高于其他时期。在30 min尺度上，不同时期S1变化范围为0.48～0.66，S2变化范围为0.50～0.71，截距变化范围为10.01～24.06 W·m-2，表明通过强制过原点的线性拟合，能量闭合度略有提高。根据30 min通量数据计算得到不同时期EBR范围为0.54～0.73，EBR年均值为0.67，即年平均能量闭合度为67%，且白天能量闭合度(65%)高于夜间(20%)。日尺度上，EBR值为0.77，与30 min数据比，能量闭合度提升10%。

图4 湍流通量(H+EL)与有效能量(Rn-G)之间的关系

表3 不同时间尺度乌兰布和沙漠东北缘稀疏灌丛生态系统能量闭合特征

2.4 观测期内蒸散的动态变化特征

如图5所示，乌兰布和沙漠东北缘稀疏灌丛群落蒸散发的季节变化趋势明显。在观测期内，稀疏灌丛群落蒸散总量为85.6 mm，受中小尺度天气变化影响，ET的季节变化存在锯齿状波动，日平均蒸散量最大值为2.17 mm·d-1，出现在6月23日，日均蒸散强度为0.36 mm·d-1。蒸散量随植被生长在各个时期呈明显变化，生长前期蒸散量较低，日平均蒸散强度为0.04 mm·d-1；进入生长期后迅速增加，日平均值为0.45 mm·d-1；进入生长后期ET呈逐步下降趋势，日平均值为0.08 mm·d-1。

图5 乌兰布和沙漠东北缘稀疏灌丛群落蒸散季节变化

如图5所示，3月蒸散量和降水量均很小，为观测期内最低值，分别为0.99和0.80 mm，蒸散量略高于同期降水量的原因是3月土壤解冻后，地被层草本植物开始生长，降水和冰雪融水是其主要水分来源；进入生长期后，随着灌丛的展叶和生长，月蒸散量逐渐增加，并在7月达到最大值，为20.16 mm，而7月降水量不足10 mm，蒸散量大于同期降水，水分亏损，植物根系通过吸收土壤储水来保持植被正常生长。8月ET同7月基本持平，且降水量高于7月，但由于气温高，蒸散受到限制，9和10月ET呈逐步下降趋势，月蒸散总量分别为8.57和2.46 mm。生长期总蒸散量为82.15 mm，占观测期内蒸散量的96%。

3 讨论

3.1 能量平衡特征

净辐射、感热通量和潜热通量是地表通量交换中的主要变量，其特征和变化趋势受到很多局地因素的影响。地表净辐射通量主要受到地理位置、海拔的影响，笔者研究观测期间净辐射总量为2 758 MJ·m-2，高于内蒙古温带荒漠草原生态系统(1 673 MJ·m-2)[22]、黄土塬区麦田(2 560 MJ·m-2)[23]。感热交换取决于乱流热交换系数和空气温度梯度差，梯度差越大，地面越粗糙，地表热量交换越强，感热也就较大。笔者研究中3个时期感热通量均大于潜热通量，与内蒙古荒漠草原生长季[22]及塔克拉玛干沙漠腹地全年[2]的能量平衡特征类似。3个时期H和G的变化趋势与Rn一致，均呈单峰型日变化，但两者的曲线不如Rn平滑，这可能是间接性湍流传输引起[24]。由于土壤热容远大于空气，土壤温度变化迟于空气温度变化，因此G到达峰值的时间滞后于Rn，且时间滞后情况受到日出时间的影响。虽然G占净辐射的比例很小，但是土壤热通量具有白天吸收能量、夜间释放能量以及夏季储存能量、冬季释放能量的特点，对地表能量收支起到“能量缓存”的作用，因此研究乌兰布和沙漠稀疏灌丛能量平衡时，土壤热通量不能被忽略。

研究能量分配的季节变化可以用来判断下垫面的干湿状况[25]。笔者研究结果表明H为Rn的最大支出项，H/Rn为0.62，而EL/Rn在研究期间均很小，这是由于乌兰布和沙漠地区土壤含水量低，植被蒸腾作用弱，EL小于H，且土壤类型为沙土，有利于快速垂直排水，因此减轻了土壤水分对EL的潜在影响。有研究表明，植被覆盖较好的生态系统(农田、森林和湿地草甸等)能量分配由潜热输送占据主导，对于极端干旱的荒漠地区而言，水分条件是决定能量分配的关键因素，若生态系统水分充足，能量消耗则以潜热通量为主，反之则以感热通量为主[26-29]。荒漠生态系统能量分配的差异主要来源于水分条件、植被类型和气候特征[27]。

3.2 能量闭合特征

能量平衡闭合统计量通常用于评估涡度相关系统的性能。笔者研究发现30 min通量的能量闭合率为64%。EBR在不同时间尺度的统计值显示能量不闭合度仍然较为显著，全年30 min和日平均通量EBR分别为0.67和0.77，表明湍流通量被低估。在FLUXNET站点中，斜率范围为0.53～0.99，平均值为0.79，截距值范围为-32.9～36.9 W·m-2，平均值为3.7 W·m-2，包括草地、农田和森林生态系统[21]。在ChinaFLUX站点中，斜率变化范围为0.49～0.81，平均值为0.67，截距值范围为10.8～79.9 W·m-2，平均值为28.9 W·m-2[30]。FLUXNET站点观测的EBR在0.34到1.69之间，平均值为0.84；ChinaFLUX站点的EBR范围为0.58～1.00，平均值为0.83[21,30]。不同下垫面水热通量有所不同，地表能量闭合情况因不同下垫面特征不同而产生很大差异。荒漠和沙漠下垫面闭合率在63%～96%[31]，理论上，地表能量的收入和支出应保持平衡，但实际上能量不闭合几乎是所有地表通量观测中存在的问题。除系统采样和仪器测量误差外，笔者研究中站点能量不闭合的原因主要有高频与低频湍流通量的低估、平流的影响、土壤热通量的损失和植被冠层储热等其他能量的忽略。

3.3 蒸散特征

地表蒸散强弱受到气象因子和下垫面条件影响，当地区降水充沛、饱和蒸汽压差大时，潜热交换较强，蒸散强度大；若地表植被生长情况好，覆盖度高，则植物蒸腾作用越强，土壤和植被的总体蒸散相对也越大。乌兰布和沙漠东北缘稀疏灌丛群落在观测期内EL值较小，蒸散量为85.6 mm，高于降水量(79.6 mm)，下垫面水分处于亏缺状态，研究区单次降水量均小于10 mm，这种单次降水量不仅不能产生地表径流，也无法渗入深层土壤，只能短时间增加表层土壤水分和空气相对湿度。笔者发现生长期日蒸散强度大于生长前期和生长后期，这与李传金等[8]发现古尔班通古特沙漠南缘梭梭群落旺盛期日均蒸散强度大于萌发期的结论一致。蒸散发季节变化过程还受植被物候阶段的影响，研究区生长期蒸散值为82.2 mm，非生长季蒸散量很小。笔者研究得出的ET值较YUAN等[32]得到的塔里木河下游荒漠河岸胡杨林小，这是因为这2个地区植被生长状况和生态系统水分状况差异较大，2019年笔者研究期间降水量稀少，下垫面干旱，蒸散发量较小。影响蒸散发量的因子较多，且多因子间的相互作用机制尚有待进一步研究。