額濟納綠洲草地蒸散系數研究

侯蘭功，肖洪浪

（1.滁州學院 地理信息與旅游學院，安徽 滁州239000；2.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所，蘭州730000）

黑河流域下游的額濟納綠洲處于阿拉善高原與北山荒漠的交界帶，氣候極端干旱，自然條件極為嚴酷，生態環境極端脆弱。在這里，水是生態環境演化的關鍵驅動因子和生態系統維持的主要制約因素［1－3］。對植物蒸散發的研究有助于更深入地了解極端干旱區荒漠綠洲的水分平衡問題，并能夠為確定綠洲的實際生態需水量提供依據，從而為合理的利用水資源，保護和維持荒漠綠洲生態系統的穩定性提供幫助。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

本研究的野外波文比能量平衡觀測站點位于內蒙古自治區阿拉善盟額濟納旗七道橋胡楊林保護區（42°21′N，101°15′E），高程 920.5m，面積 1 333 hm2。該地區深處內陸，氣候極端干旱，多年平均氣溫8.2℃，多年平均降水量為36.6mm，且主要集中在6—8月。多年平均自由水面蒸發量為3 505.7 mm，大約是降水量的100倍。年均相對濕度為42%～35%，濕潤系數低于0.009%，是中國最干旱的地區之一。

1.2 研究方法

1.2.1 觀測方法 波文比—能量觀測系統是由美國COMPBELL公司生產的。將波文比觀測系統的上下臂分別安裝在研究區空曠的草地冠層頂部上方的0.25m和1.25m處，上下臂安裝有空氣溫度、相對濕度探頭；在1.25m處安裝風速和風向探頭，并在1.25m處安裝總輻射和凈輻射探頭，在地下8cm處安裝土壤溫度、土壤水分、熱通量探頭，所有項目每20min觀測一次。

1.2.2 實際蒸散量（ETc）計算 波文比能量平衡法（BREB）已經被廣泛用來估算蒸散耗水量［4－7］，計算蒸散系數［8］，研究植物與水的關系［9－11］，校正其他的蒸散模型計算結果［12－14］。該方法只需要空氣溫度和濕度梯度以及太陽凈輻射與土壤熱通量即可計算蒸散量，因此被認為是估算實際蒸散發較為簡便、有效的方法。該方法表達式如下：

式中：Rn——太陽凈輻射（W／m2）；ETc——實際蒸散發（mm）；G——土壤熱通量（W／m2）；ΔT——上下空氣溫度差（℃）；Δe——上下水汽壓差（kPa）；λ——汽化潛熱（MJ／kg）；γ——干濕球常數（kPa／℃）。

本文收集了研究區2005年5月16日至9月30日的連續波文比觀測數據與自動氣象站數據。為了體現植物在生長季節的快速變化，本文選用半個月為一個時間步長，運用式（1）計算綠洲草地在生長季節每半個月的實際蒸散量。

1.2.3 參考蒸散（ET0）與蒸散系數（Kc）的計算 利用波文比能量平衡法估算出植物的實際蒸散量（ETc），按照蒸散系數（Kc）的定義［15］，即蒸散系數（Kc）等于實際蒸散量（ETc）與參考蒸散量（ET0）的比值，就可以很容易的確定所研究植物的蒸散系數。對于參考蒸散發的計算，聯合國糧農組織推薦的FAO56Penman—Monteith（簡稱FAO56P—M）模型只需要輸入很少的幾個氣象參數即可進行計算，被公認為不論在濕潤氣候條件下還是干旱氣候條件下計算參考蒸散量最精確的模型之一［15－18］。因此，只要確定某種植物的蒸散系數，即可利用少量的氣象參數，不依賴于特定的蒸散觀測點，就可以很容易地估算出該植被區的實際蒸散量。FAO56P—M計算公式如下：

式中：ET0——每天的參考蒸散發（mm／d）；Rn——太陽凈輻射［MJ／（m2·d）］；G——土壤熱通量［MJ／（m2·d）］；Δ——飽和水汽壓曲線斜率（kPa／℃）；γ——干濕球常數（kPa／℃）；Ta——平均大氣溫度（℃）；u2——2m 處風速（m／s）；es——飽和水汽壓（kPa）；ea——實際水汽壓（kPa）。

蒸散系數計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 綠洲草地生長季蒸散（ETc）變化

2005年生長季（5月16日—9月30日）草地的蒸散發量隨時間的變化情況如圖1所示，整個生長季內草地的蒸散量呈單峰型分布趨勢。在生長季初期（5月后半月）草地平均蒸散量為3.519mm／d；進入6月份后蒸散量快速增加，在6月后半月達到整個生長季的最大值6.724mm／d；此后蒸散量隨時間呈逐漸下降趨勢，在9月后半月達到生長季的最低值1.215mm／d。而整個生長季內（大約138d），草地總的蒸散量為446.96mm。

在生長季內，草地的蒸散量與太陽凈輻射和土壤含水量的變化趨勢基本一致，太陽凈輻射和土壤含水量的峰值都是出現在草地蒸散最旺盛的6月份（圖1a，1c）；而氣溫的變化趨勢相對滯后于蒸散量的變化，氣溫的最大值出現在7月份（圖1d）；蒸散量與空氣相對濕度的變化趨勢相反，相對濕度的最低值出現在蒸散發最旺盛的6月份，最高值出現在蒸散發相對較弱的8月份（圖1b）。

圖1 草地生長季內蒸散量隨時間分布

2.2 參考蒸散（ET0）

在生長季內，參考蒸散量的分布情況與草地的實際蒸散量分布基本一致（圖2）。在6月份和7月前半月參考蒸散量最大，都在10mm／d以上；在這之后，參考蒸散量隨時間逐漸降低。雖然太陽凈輻射最高值出現在6月份，但氣溫最高值卻出現在7月前半月，因此6月份和7月前半月的參考蒸散量相差較小，均在10mm／d以上，明顯高于生長季其他各時間段的參考蒸散量。

圖2 參考蒸散與實際蒸散的分布趨勢比較

2.3 生長季草地蒸散系數（Kc）

草地生長季蒸散系數的分布趨勢與草地實際蒸散量的分布趨勢一致。在生長季，草地的蒸散系數主要可以分為3個階段：初始階段，從5月到6月前半月，蒸散系數從初始值的0.395快速增加到0.515；在植物生長中期，蒸散系數達到了生長季的最大值0.623；在草地生長后期，蒸散系數快速下降，直至植物停止生長，蒸散系數降到0.452（圖3）。

蒸散系數綜合反映了植物特性和土壤蒸發的影響。在生長季初期，草地剛剛萌發新芽，此時溫度剛剛回升，土壤蒸發較弱，因此初始蒸散系數較低；進入6月份后，草地葉面積達到最大，太陽凈輻射和氣溫也都達到高值，此時土壤含水量也達到最大，蒸發達到最強，因此這個時間段內的蒸散系數達到生長季最大值；而進入生長季后期，植物生長減緩，逐漸凋萎，土壤含水量快速降低，蒸發減弱，因此蒸散系數也快速下降，直至降到生長季最低。

圖3 生長季草地蒸散系數（Kc）隨時間分布情況

3 結論

本研究的目的是為了估算中國西北極端干旱區荒漠綠洲草地生長季的蒸散量以及蒸散系數。通過計算發現，在生長季內，草地的實際蒸散量與蒸散系數的變化趨勢一致，最大值均出現在6月份，這主要是由于這個時間段內光熱條件以及土壤水分含量較高，有效地促進了草地的蒸發量。本研究得到的結果，可在生長季缺乏蒸散發觀測數據的情況下，運用普通的氣象數據估算出草地生長季的實際蒸散量。可以為確定草地的生態需水量提供依據，從而為制定極端干旱區綠洲的生態維持與恢復方案提供幫助。

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