不同生态系统蒸散发研究进展

刘 超，盛超亚，刘俊杰，王 娟，丁晓宇

（1.新疆大学生态与环境学院，乌鲁木齐 830017；2.自然资源部荒漠-绿洲生态监测与修复工程技术创新中心，乌鲁木齐 830002；3.绿洲生态教育部重点实验室（新疆大学），乌鲁木齐 830017；4.郑州博睿医学检验实验室有限公司，郑州 450000）

生态系统在各种自然及人为因素的干扰下出现了明显的退化现象［1］，主要表现为生态系统结构破坏、功能衰退、生物多样性减少、生产力下降以及土地生产潜力衰退、土地资源丧失等一系列生态环境恶化现象［2，3］。蒸散发是联系气候、水、热和碳循环的关键生态水文过程，对研究区域水循环和能量平衡极其重要［4，5］。地球表面每年有60%的降水通过蒸散作用返回到大气中［6］，研究蒸散发对天气预报、旱涝监测、水资源和农业管理以及全球变化等领域有重要意义［7］。

蒸散发的研究已出现在多个生态系统中，将生态系统按照形成的原动力和影响力可分为自然生态系统和人工生态系统。自然生态系统包括森林、草地、荒漠以及湿地生态系统；人工生态系统包括农田和城市生态系统［8，9］。各生态系统在保持水土、防风固沙、保护生物多样性、维护生态平衡等方面都承担着重要的作用［10］，因此在不同生态系统中研究蒸散发都具有重要意义。

蒸散发的研究最早可以追溯到200 多年前，1802 年Dalton［11］基于蒸发面的蒸发速率与影响蒸发诸因素之间的关系提出了道尔顿蒸发定律；1926 年Bowen［12］基于地面能量平衡方程与近地层梯度扩散理论，提出了波文比-能量平衡法；1939 年Wilm等［13］借助近地面边界层相似理论，提出空气动力学法的原型；1948 年Penman［14］提出潜在蒸散发的概念；1951 年Swinbank［15］借助三维风速仪、红外气体分析仪等探头测定有关物理量的脉动值与垂直风速脉动值的协方差来计算该物理量的垂直湍流输送量，提出了涡度相关法的概念；1953 年Penman［16］基于潜在蒸散发提出了单个叶片气孔蒸腾计算公式；1954 年Jensen 等［17］提出参考作物蒸散发概念；1965 年Monteith［18］加入能量平衡和水汽扩散理论所衍生的表面阻抗模型，从而更新了Penman-Monieth公式；1977 年联合国粮食及农业组织（FAO）明确定义了参考作物蒸发量（ET0）［19］；1979 年FAO 基于修正后的ET0更新了Penman 公式［20］；1998 年FAO 第56 号灌溉和排水文件（FAO-56）使用单一方法计算参考蒸散量（ET0），提供了基础作物系数表［21］；2005年美国土木工程师协会（ASCE）环境和水资源研究所参考蒸散标准化任务委员会提供了用于计算天气数据参考蒸散量（ET）的标准化方程以及用于天气数据质量评估和控制的程序［22］。20 世纪70 年代后，国内外研究蒸散发多加入遥感信息技术［23］；21世纪以来，少量结合地面资料，大幅依靠遥感数据成为研究蒸散发的热点［24］。国内的蒸散发研究开始较晚且发展较缓慢，直到20 世纪80 年代以来才有了较为深入的研究。

本研究以实测法和模型法为划分依据［23］，总结国内外学者对蒸散发测定的实际应用以及模型构建研究，并对各种方法的优缺点进行讨论，旨在表明不同生态系统中蒸散发研究进展以及发展趋势，以期为生态系统蒸散发研究提供参考依据。

1 研究方法

1.1 实测法

1.1.1 蒸渗仪 蒸渗仪是在完全真实的情况下，对水分的下渗、地表径流、地下径流以及蒸散发进行精准的测定［25］。根据蒸渗仪测定原理的不同分为非称重式和称重式两种，非称重式蒸渗仪采用中子探测器检测排水量、贮水量，用雨量计检测降雨量，通过测定差值得到蒸散量［26］；称重式蒸渗仪利用压力感应计测定蒸渗仪的质量变化，搭建水量平衡方程测定作物蒸散发［27，28］，即：

式中，ET为作物蒸发量，I为灌溉量，P为降水量，Q为地下水流量，ΔR为净地表流量，ΔW为始末蒸渗仪的质量差，以上计量单位均为mm。非称重式蒸渗仪具有造价低、结构简易等优点，但面对大田作物群体蒸发量的测定极其受限［26］。大型称重式蒸渗仪能够有效测定农田等群体蒸散发，但具有体积大、造价高、维护复杂、土壤原始环境破坏大等缺点［29］；小型称重式蒸渗仪能够精准控制试验条件、便于进行多处理重复试验、便于移动、造价低，但具有测量精度低等缺点［30］。Srinivas 等［31］在农作物生长季节，采用非称重式蒸渗仪法对不同发育阶段绿豆作物的蒸散发进行了蒸渗试验，研究表明该试验的作物系数值与FAO 估计的平均值略有不同，可能是由于当地的特殊环境气候以及绿豆品种引起的。Groh 等［32］采用称重式蒸渗仪测定了低山区以及高山草地露水和白霜的形成过程，较好地预测了露水和白霜形成的数量和季节模式，为量化露水和白霜的形成水量及生态系统的生态相关性提供了参考依据。蒸渗仪法对研究土壤蒸发和草本层蒸发有现实意义，能够为草地蒸散发的测定提供理论指导［33］。

1.1.2 气孔计法 植物气孔是植物叶片与外界气体交换的通道，是作物蒸腾过程中水蒸气由体内运输到体外的主要出口［34］。研究叶片尺度的植物蒸散发对研究作物实际蒸散发有极其重要的意义。植物气孔计利用植物蒸腾作用产生的蒸腾拉力作为主要动力，测量气象要素对植物叶片气孔的影响［35］。美国LI-COR 公司的LI 稳态气孔计以一种“非稳态”的测定方式实现稳态测定，仪器借助气孔计内的微处理器和温度、湿度、流量等传感器，自动测出进入叶室的干、湿空气和流出叶室的空气温度、湿度、流量以及叶片温度等参数，并对测得的数据进行分析计算，最后得出气孔阻力、蒸腾速率和光合有效辐射等［36-38］。英国PP SYSTEM 公司的CIRAS 便携式光合作用测定系统整合了叶绿素荧光系统，可以在自然或人为条件下控制光照度、温度、CO2浓度和H2O 浓度来测定蒸腾速率、气孔导度等［39，40］。气孔计法能够较好地反映出随环境变化植物叶片蒸腾作用的相应变化，但测定的数据与植物叶片的实际蒸发量存在较大偏差，必须进行校正才能用于植物蒸腾强度或耗水量的直接比较。高冠龙等［41］采用LI-COR 6400 光合作用测定系统在黑河下游阿拉善群落水热平衡观测场对荒漠河岸柽柳叶片气孔导度进行了观测，分析了植物气孔导度在晴朗天气条件下的日变化特征，并结合植物生理相关数据对柽柳叶片气孔导度进行了模拟。

1.1.3 化学示踪法 示踪剂在对土壤水分和植物水分平衡组成的研究方面具有显著成效［42］。化学示踪法的原理是将示踪剂与水分耦合计算，通过将水量平衡方程和示踪剂质量平衡方程联立，耦合计算模式在水文学方法基础上增加示踪剂的混合转移、同位素分馏等过程，使蒸散发计算的物理意义更加清晰，同时对部分模型参数起到一定的约束作用［43］。化学示踪法具有快速、高效、灵敏度高、可定位等优点，但是示踪剂的选择是化学示踪法研究的一大难点［44］。专利CN109598082A 公开了基于氢氧同位素的湖泊蒸发量及关键水文信息的计算方法，在蒸发过程中受到气象场控制，水体中的同位素比值发生了瑞利分馏，基于此构建了湖泊的水量平衡模型从而获得了湖泊蒸发入流的比例［45］。该专利虽然在水源成分的区分上有一定的研究盲区，无法确定出准确反映湖泊补给水源的动态变化技术，但是通过模拟水库流域出口处水体同位素分馏情况，能够将蒸散发的研究领域拓展到流域尺度，从而弥补传统观测技术的欠缺，进而形成一种新型的实际可用的水文监测技术。

1.1.4 大孔径闪烁仪 大孔径闪烁仪（LAS）以闪烁原理为基础，当光束在扰动大气中沿直线传播时，受到扰动引起传播光束强度的波动，通过接收到光程上的大气波动光束，并用折射指数的结构参数（Cn

2）来反映大气的湍流强度，结合空气温度、湿度、大气压力等气象要素资料，根据折射指数的结构参数推算显热通量［46］。该仪器由发射仪和接收仪组成，二者间隔放置。发射仪发射一定波长和直径的波束，经过大气传播，接收仪接收受到光程路径上温度、湿度和气压波动影响的光，并用空气折射率结构参数（）表示如下。

式中，L为光程长度（m），D为仪器孔径直径（cm），δlnI2为光强波动的自然对数方差，为闪烁仪的输出值，其中受到热力学温度T、绝对湿度Q和大气压P影响。利用大孔径闪烁仪可大尺度（公里级）估算地表水热通量；但闪烁仪饱和度和信号质量受到安装高度、光径长度和天气状况的影响［47，48］。杨凡等［49］综合采用大孔径闪烁仪和涡度相关系统对2010 年8 月中国科学院栾城农业生态系统试验站的夏玉米田蒸散发进行了测定和校验，研究结果表明二者测得感热通量的日变化、月变化基本保持一致；但由于下垫面属性、环境因子等因素，日变化存在差异但日总蒸散量差别不大，进而对大孔径闪烁仪计算的蒸散量和涡度相关系统的观测值进行了线性回归分析，分析结果表明二者存在显著线性相关关系（R2=0.800 4）。郝小翠等［50］利用2010 年1 月和6 月定西站的同步观测资料以及通用路面模式的模拟数据定量分析了大孔径闪烁仪法（LAS）相对于涡度相关法（EC）在地表能量闭合度上的优势并降低了涡度相关仪在区域路面验证结果中10%以上的偏差，但LAS 在拟合系数与相关系数的提高额度受到作物生长期、路面模式的影响，即生长季模拟效果大于非生长季、下垫面情况越复杂模拟效果越好。

1.1.5 涡动相关法 涡度相关法基于大气湍流理论和数据统计分析技术［51］，利用有关物理量的脉动值与垂直风速脉动值的协方差计算近地层潜热通量和感热通量［15］，其公式为：

式中，ρa为空气密度（kg/m3），w′为垂直风速脉动值（m/s），q′为比湿的脉动值（kg/kg），为垂直风速与比湿脉动的协方差，λ为水的汽化潜热（J/kg），ET为作物耗水量［kg/（m2·s）］，Hs为感热通量（W/m2），Cp为空气的定压比热［kJ/（kg·K）］，T′为虚温的脉动值（m/s），为垂直风速与虚温脉动的协方差。涡度相关法具有采样区域相对较广（纵向可达到数百至数千米的范围）、测定时间尺度大（可达半小时到数年）的优点，可以在测定气象因素的同时分析物质、能量以及气象因子之间的相互关系且研究过程中对监测对象破坏程度较小［52］。但同样存在许多限制因子，受到湍流强度大小的影响所得数据误差较大、仪器成本较高、运行技术复杂、测定ET 存在能量不闭合及ET 低估现象等［53］。王韦娜等［54］利用蒸渗仪、涡度相关技术对三江源区退化高寒草甸生态系统的蒸散和环境要素进行了连续观测，研究结果表明二者测定的蒸散具有较好的相关性，但涡度相关法可能会低估该地区的蒸散量。Wu 等［55］利用禹城、杨凌、商丘三个站点的涡度协方差系统、大型蒸渗仪和气象站数据，应用Penman-Monieth Jarvis 模型获得的冠层阻力对不同生育期的玉米蒸散进行了测定，并采用遗传算法（GA）和差分进化算法（DE）优化了Jarvis 模型的经验参数，结果表明采用DE 优化算法优化Jarvis 模型的参数更有利于模拟中国北方半湿润地区的作物蒸腾，但优化参数受到作物不同生育期的影响。

1.2 模型法

1.2.1 水量平衡法 基于质量守恒定律而衍生出的水量平衡方法是物质与能量交换的主要研究方法，对于各生态系统的蒸散发研究都具有里程碑式的意义［56］。水量平衡法建立在封闭的空间上，通过将输入与输出的水量参数联立得到［57］，即：

式中，P为降雨量，D为土壤深层渗漏量，Q为地表径流量，S为植物生长储水量，AET为大气蒸发量，以上计量单位均为mm。水量平衡法具有适用范围广（地形复杂的研究场所也可用）、受天气变化影响小、测量精度较高等优点；但是蒸发量的测定在时间尺度上受限大，只适用于长时间的蒸散发测量（一般为一周以上），无法描述蒸散发的动态变化过程以及影响蒸散发的多种因子的作用关系。水量平衡法还受到输出水量的影响，径流量和渗流量过大导致测定结果偏差大。Zhong 等［58］利用观测到的降水、径流和陆地蓄水变化，并采用水量平衡方程对中国9 个外流域的水量情况进行了估算，从水量平衡出发对估算区域的蒸散和其他地区的蒸散进行了比较，但在估算ET 过程中降水强迫数据和模拟径流的偏差变大需要进一步探究。Bai 等［59］通过三种全球高分辨率ET 产品在中国进行了相互比较和评估，结果表明在流域规模上三种产品无法合理再现基于水平衡的年度蒸散时间序列，在流域尺度上，这三种产品对潮湿盆地蒸散测定存在较大误差，此类现象的发生可能是由于强迫数据或模型算法的差异引起的。

1.2.2 波文比-能量平衡法 波文比法利用水面与空气间的乱流交换热量与自由水面蒸发的水气耗热之比，并结合能量平衡公式，求得显热通量（H）和潜热通量（LE）之比［12］，对蒸散发进行估算。

式中，P为大气压（Pa）；Cp为干燥空气的分光热［J/（kg·K）］；β为波文比；ε为水蒸气和空气的相对分子质量之比；Lv为汽化潜热（kJ/kg）；Kh、Kw分别表示热和水蒸气的涡度，假设二者相等；T1、T2表示作物冠层上方两个不同高度处的温度（℃）；e1、e2表示作物冠层上方两个不同高度处的水汽压力（kPa）；H表示能量平衡残差（W）；LE表示潜热通量，估算如下：

式中，Rn为净辐射（W/m2）；G为土壤通量（W/m2）。波文比法所需的实测参数少、计算简单、精度较高，适用于大面积、小时间尺度估算潜热通量。但是受到技术条件的限制，难以准确测定两个高度不同环境下的水汽压差和温差。其次利用波文比法易受到天气、辐射、风速等气象要素影响。Niaghi 等［60］运用涡流协方差（EC）、波文比能量平衡（BREB）和土壤水分平衡（SWB）三种方法对生长季节的玉米蒸散进行了估算，同时采用了残差法对3 种研究方法进行了能量闭合，研究结果表明EC 法和BREB 法测定差异的时期主要是在生长季的前期以及收获后期；在玉米生长发育、抽穗期和繁殖期，EC 法与BREB 法的日平均LE和H值具有较好的一致性，EC法测得的ET略高于BREB 法；同时使用SWB 法比较和改善玉米ET（不同时间方法包括日均法、0：00—2：00 平均法、0：00—4：00 平均法和4：00 测 量法），其中0：00—2：00 时间段内平均土壤含水量计算每日潜水位毛细上升量与BREB 法估算的ET 出现了最佳统计拟合现象（RMSE=1.15、SE=0.28），但是SWB 法测定ET严重受到土壤水分条件限制，且仅适用于作物生长中后期。

1.2.3 遥感技术 遥感技术兴起于20 世纪60 年代，利用传感器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息进行收集、处理和成像［61］。在蒸散发领域，将与地表水热通量密切相关的地表参数信息通过遥感反演的方式获取［62］。相比于其他模型估算法，遥感技术在获取区域或整体地表蒸散发方面具有高时效、高精度的特点，能够多时段、多波段、多角度地综合反映地表信息以及水、热状况，因此遥感技术在预测全球气候变化、水资源管理、干旱监测等方面具有突出优势。但由于研究区地表空间的差异性较大或气候比较复杂，遥感技术估算出的蒸散存在许多制约因子，利用遥感技术在模型机理与变量参数化方案、输入数据和时间尺度扩展等方面存在不确定性，影响了其准确度的提高和应用范围的拓展，需要开展真实性检验［63］。Herman 等［64］研究了两组不同遥感数据集（一组数据集基于简化地表能量平衡模型估算ETc、另一组数据集基于大气-陆地交换逆模型估算ETc）采用多变量和遗传算法校准土壤与水的评估工具，两种校准模型均提高了水文模型在估算ETc中的性能，其中遗传算法校准系数能够显著降低估算流量的模型性能，多变量校准技术能够高精度估算流量模型性能；研究结果表明，将遥感和空间分布数据与正确的校准技术相结合可提高水文模型的性能。

1.2.4 综合法和辐射法 综合法是在综合辐射、温度、水汽压差、风速等影响因子的基础上提出的测定蒸散发的模型［65］。辐射法是指太阳辐射被用来进行驱动蒸散，直接影响地球系统的能量与物质平衡。刘晓英等［66］利用北京市小汤山2012 年称重式蒸渗仪实测日值检验了16 种参考作物蒸散量模型（其中包括5 个综合法、6 个辐射法、5 个温度模型法），根据均方根误差（RMSE）分析，结果表明，综合法表现情况最好，辐射法表现一般，温度检验法效果最差。综合法、辐射法模型表现效果更好主要是由于这两种估算方法对区域环境辐射和饱和水汽压差因素进行了综合，而温度检验法则没有考虑这两种因素。引起综合法与辐射法估算模型差异的原因主要是饱和水汽压差以及最大湿度，饱和水汽压差对低估类模型偏差影响较大，最大湿度对高估类模型偏差影响较大。高云飞等［67］利用5 种综合和辐射模型估算法在不同时间尺度上对黑河上游天涝池流域草地蒸散发的实测值和模拟值进行了比较，并对相关变量进行了敏感性分析，研究结果表明，在日尺度上，FAO-Penman-Monieth 模型、FAOPenman 和Penman 模型模拟效果较好，Priestly-Taylor 模型模拟效果居中，FAO-Radiation 模型模拟效果最差，是由净短波辐射、风速以及相对湿度引起的；在小时尺度上，Priestley-Taylor 模型模拟效果较好，其余模型均不适用，主要原因是这5 种模型均是在日尺度上开发的，因此在小时尺度上模拟蒸散发不理想。

2 研究展望

2.1 研究进展

本研究按照关键词索引的方式对1999—2021年百度学术科研数据平台上有关蒸散发研究出版物进行了统计分析（图1），同时对差异性较大的文献进行了人工筛选剔除。结果表明，自1999 年以来，各生态系统的蒸散发研究都呈增长趋势，直到2017—2021 年增长趋势有所减小，具体表现为高质量论文的增加以及国内期刊论文的减少。

图1 1999—2021 年不同生态系统蒸散发研究出版物

不同生态系统类型蒸散发研究出版物数量如表1 所示，1999—2021 年有关蒸散发研究的出版物主要集中在草地、林地以及农田生态系统，荒漠、湿地和城市生态系统蒸散发研究出版物相对较少。

表1 1999—2021 年不同生态系统类型蒸散发研究出版物数量

将1999—2021 年近23 年蒸散发出版物按照实测法和模型法进行划分（图2），其中实测法1 195篇、模型法3 783 篇。虽然实测法和模型法的发文量整体都呈先上升后下降趋势，但总体而言蒸散发的研究主要集中在模型法上。相比于实测法而言，模型法在操作水平、大区域估算等方面远胜于实测法，是未来蒸散发研究的主要发展方向。

图2 不同分类方法蒸散发研究出版物数量

将1999—2021 年蒸散发出版物按照不同研究方法进行划分，由图3 可知，蒸渗仪法306 篇、辐射法1 340 篇、气孔计法259 篇、化学示踪法95 篇、涡度相关法378 篇、水量平衡法1 290 篇、大孔径闪烁仪法110 篇、能量平衡法1 190 篇、遥感技术1 720篇、综合法15 篇。数据表明水量平衡法、能量平衡法、遥感技术和辐射法是较常用的研究方法，其中遥感技术是20 世纪60 年代兴起的，可能是未来蒸散发的主要研究方法。

图3 1999—2021 年不同研究方法蒸散发出版物数量

2.2 存在的问题

蒸散发作为水文循环的重要过程，1999 年以来研究呈逐年上升趋势。对于蒸散发的研究也从早期的实测法发展到模型法，然而面对不同生态系统中不同分类方法的蒸散发研究呈现以下特点。

1）实测法可以对蒸散发进行直接测定，通常表现为小面积试验样区的单点测定，操作简单方便且测量结果精准。但采用实测法会面临许多问题，一是受到人力、物力及财力等影响，面对大区域尺度甚至全球尺度的蒸散量测定无法进行；二是试验仪器精度要求较高，许多试验无法进行；三是试验仪器制作维修以及管理方面存在较大问题。

2）模型法可以综合辐射、温度、水汽压差和风速等影响因子对蒸散发进行长时间以及大规模的测定，区域蒸腾量的估算呈时间上由长到短、空间上由小到大的发展趋势［20］。但采用估算法测定同样也有许多限制，如模型法的模拟验证结果需要用实测法进行检验；水量平衡法仅适用于长期的蒸散发研究，而在面对短期蒸散发研究时并不适用；遥感技术估算精度低等。

2.3 发展方向

鉴于200 多年蒸散发的研究发展内容、方向及趋势，实测法中化学示踪法的研究可能存在技术方面的问题导致研究数量较少，但从其他研究领域看，该方法精确度较高，可能是未来的主流研究方法；模型法中遥感模型开发时间较晚，仍有许多技术需要完善。总体来说，模型法在操作水平、大区域估算方面远胜于实测法，未来对全球生态系统蒸散发的研究将仍以模型估算为主。对于蒸散发的研究需要从以下几个方面进行改良。

1）与大多数生态学的研究领域相同，尺度转换问题也是蒸散发研究的主要瓶颈。要得到进一步发展，必须在不同时间尺度上对时间尺度转换的假设条件进一步确定，在不同空间尺度上对影响转换精度的因素进一步完善。

2）在不同生态系统中测蒸散发时，要综合考虑试验样地环境及气象等多种因素，对不同方法进行比较得到最优的测定方法。

3）新兴技术的开发与应用仍有待完善，在20 世纪60 年代后遥感技术得到不断发展，该技术能够提供LAI、植被覆盖度、地表温度等地表特征信息，降低地表通量模拟过程中的不确定性。但在应用上由于研究区地表空间的差异性较大或气候比较复杂存在许多制约因子，需要实测数据进行验证。

4）试验仪器的测量精度以及观测过程中的试验误差是造成测定结果错误的部分原因，如果能够确保数据质量，将有效减少蒸散量的误差。