古爾班通古特沙漠南緣梭梭(Haloxylon ammodendron)群落能量平衡及蒸散特征

李傳金,胡順軍,鄭博文

1 中國科學院新疆生態與地理研究所, 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011

2 新疆阿克蘇農田生態系統國家野外科學觀測研究站, 阿克蘇 843000

3 中國科學院大學, 北京 100049

蒸散同時發生在地表能量傳輸過程和地表水文循環過程之中,并影響著地表生態系統和環境變遷。區域蒸散發包括水面蒸發、土壤蒸發和植被蒸騰,它受到氣象因子(氣溫、氣壓、濕度等)、下墊面類型、地表結構及粗糙度等因素的影響[1]。沙漠蒸散作為干旱區荒漠生態系統水量平衡和能量平衡的主要平衡項,是連接其生態過程和水文過程的重要紐帶[2]。古爾班通古特沙漠深居亞歐大陸腹地,是我國最大的以固定與半固定沙丘為主的沙漠,遠離海洋,降水稀少,蒸發強烈,地下水位埋深大,土壤含水量低。梭梭是古爾班通古特沙漠分布最廣的荒漠灌木,耐干旱、貧瘠、嚴寒和高溫,抗鹽堿和風沙,具有較強的荒漠環境適應能力[3]。因此,研究梭梭群落蒸散發對防止干旱區沙漠水資源無謂耗散,揭示其水分循環和能量平衡特點,實現水、經濟及生態的和諧發展等具有十分重要的意義。

波文比-能量平衡法是英國物理學家Bowen[4]提出的一種測定蒸散量的方法,其理論基礎是地面能量平衡與近地層梯度擴散理論。該方法的物理概念明確,理論基礎可靠,計算方法簡單,對大氣層沒有特別的要求和限制,通常情況下精度較高,常作為檢驗其它蒸散量計算方法精度的判別標準[5-7]。長期以來,國內外許多學者運用波文比-能量平衡法對干旱條件下不同植物的蒸散和熱量平衡做了大量研究,閆人華等[8]根據2010年7—9月波文比能量觀測系統觀測的天山北麓綠洲-荒漠過渡帶芨芨草地的小氣候資料,分析了該地區不同天氣條件下地表能量及其能量分配日變化特征,結果表明晴天、陰天、雨天地表能量分量曲線分別呈單峰型、多峰型、偏峰型變化特征；司建華等[9]利用波文比-能量平衡法對額濟納綠洲檉柳種群2003年5—10月的蒸散量進行了測定,結果表明在晴朗無云的條件下, 蒸散速率日變化呈單峰型,蒸散與風速呈正相關；此外,張振宇等[10]、高冠龍等[11]、Peacock等[12]也利用波文比-能量平衡法分別對干旱地區向日葵、苦豆子、蘆葦等植物的能量平衡及蒸散進行了試驗分析,均取得了較好的研究成果。梭梭作為荒漠生態系統優勢種[13],有關梭梭林蒸散及能量平衡方面的研究卻很少,張曉艷等[14]利用渦度相關法測定了2014年7月—2015年6月民勤綠洲-荒漠過渡帶梭梭人工林的蒸散量,結果表明梭梭蒸散呈先增加后減小的趨勢；王澤鋒等[3]利用水量平衡法測定了古爾班通古特沙漠南緣2016年梭梭生長季的蒸散量,結果表明蒸散特征呈多峰變化。目前對于古爾班通古特沙漠南緣梭梭群落能量平衡和蒸散的日、季節變化特征等都缺乏較為全面的認識和了解。

在前人研究的基礎上,本文基于2018年古爾班通古特沙漠南緣站點的實際觀測資料,利用波文比-能量平衡法,對該地區梭梭群落能量平衡分量特征、不同天氣條件下的蒸散變化特征和季節蒸散規律進行全面分析,進一步增強對古爾班通古特沙漠南緣梭梭群落能量循環及蒸散變化過程的基本認識,為梭梭群落植被保護、受損生態系統的恢復提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于古爾班通古特沙漠南緣(44°22.63′ N,87°55.21′ E,海拔400 m左右)(圖1)。該區屬溫帶荒漠氣候,年平均降水量128.7 mm,冬春兩季降水量約占全年降水量的30%—45%,冬春季的積雪時間可達4個月；年潛在蒸發量約為2000 mm；年平均氣溫7.19℃,極端最高氣溫41.5℃,極端最低氣溫-37℃[15-16]。土壤質地單一,為典型沙漠風沙土,土壤干容重1.52—1.67 g/cm3,潛水位埋深9—10 m[17]。丘間地植被以梭梭為主,地表覆蓋植被種類有200余種,多為角果藜、沙蒿以及叉毛蓬等草本植物和短命植物,部分地表覆蓋有荒漠結皮[16,18-19]。

圖1 試驗區位置及波文比儀器圖

1.2 研究方法

1.2.1數據來源

試驗觀測于2018年4月1日—10月31日,在古爾班通古特沙漠南緣北沙窩試驗場選擇相對平坦開闊的丘間地安裝波文比系統(Campbell Scientific Inc, USA),監測氣象和輻射數據。該系統主要由數據采集器(CR100-XT)、凈輻射儀(NRLITE)、高精度溫濕度探頭(083D-1-6)、風向傳感器(020C-1-L25)、土壤熱通量板(HFP01-L-L35)、風速傳感器(010C-1-L25)等組成。數據采集器和傳感器由蓄電池和太陽能板提供電能；凈輻射儀安裝在離地面3.5 m處；上下兩層溫濕度探頭安裝高度為離地面3 m和5 m；風速探頭安裝高度為離地面2 m；共有兩個土壤熱通量板,分別埋于地下3 cm和5 cm。數據采集器設定5 s采集一次數據,取10 min的平均數作為一次記錄。梭梭群落的植被蓋度為20%—30%,在梭梭生長旺盛期,平均冠幅為199 cm×192 cm[3]。

1.2.2數據處理方法

根據能量守恒原理,下墊面能量平衡方程為[20]：

Rn=λET+H+G+AD+PH+M

(1)

式中,Rn為凈輻射量(W/m2)；λET為潛熱通量(W/m2),λ為汽化潛熱(J/kg),ET為蒸散量(kg m-2s-1)；H為顯熱通量(W/m2)；G為土壤熱通量(W/m2)；AD為由平流作用引起的能量水平交換量(W/m2)；PH為光合作用引起的能量轉換量(W/m2)；M為其它能量轉換量(W/m2)。

當下墊面均一,且面積較大時,氣象要素的鉛直梯度遠比水平梯度大,由平流作用產生的能量水平交換項AD可略去不計。此外,由于PH項和M項的總和通常比測量能量平衡主要分量時的實際誤差還要小,一般情況下也可以忽略,則式(1)可以簡化為：

Rn=λET+H+G

(2)

根據邊界擴散理論,蒸發面上的水汽、熱量擴散可用以下方程描述：

(3)

(4)

式中,ρ為空氣密度(kg/m3)；P為大氣壓(kPa)；Cp為空氣定壓比熱(J kg-1K-1)；Kw和Kh分別為λET和H輸送的湍流交換系數(m2/s)；?e/?z為水汽壓梯度(kPa/m),?T/?z為溫度梯度(℃/m)。

根據相似理論,假設Kw=Kh,同時引用波文比β,即H與λET的比值,并將微分化為差分得：

(5)

式中,ΔT(上層溫度減下層溫度)為兩個高度的溫度差(℃),ΔT大于0表示逆溫；Δe(上層濕度減下層濕度)為兩個高度的水汽壓差(kPa),Δe大于0表示逆濕；γ為濕度計系數(kPa/℃),其計算公式為：

(6)

那么λET與H可以寫為：

(7)

(8)

為消除波文比-能量平衡法在實際應用中出現較大的估算誤差,滿足以下條件之一的數據被剔除[8]：1)β→-1；2)Rn-G>0時,ΔT>-(λ/γCp)Δe；Rn-G<0時,ΔT<-(λ/γCp)Δe。缺失數據采用線性內插法進行補充。用Excel軟件整理統計數據,Origin軟件制圖。

2 結果與討論

2.1 能量平衡分量日變化特征

選取2018年4月13日、7月28日和9月16日3個晴天,作為梭梭萌發期、旺盛期和枯落期的典型日,分析古爾班通古特沙漠南緣丘間地梭梭群落能量平衡的日變化特征。

梭梭生長季晴天凈輻射(Rn)日變化如圖2所示。生長季各時期晴天Rn均呈單峰狀分布,梭梭生長萌發期和旺盛期的Rn明顯高于枯落期,這與白云崗等[21]、馬虹等[22]和顏廷武等[23]的研究結果一致。白天Rn隨著太陽高度的增加而增加,最高值出現在13:30左右,梭梭生長萌發期最大值為544 W/m2,旺盛期次之(482 W/m2),枯落期最小(419 W/m2)。由于太陽直射點南移,梭梭枯落期日平均凈輻射通量最低,為71.14 W/m2,分別為梭梭萌發期和旺盛期的62.8%和59.6%。在沙漠生態系統中,從外界獲得的能量主要是Rn,它是植被蒸散的熱力驅動因子,用于沙漠植被蒸散消耗、加熱土壤和空氣熱交換。

圖2 太陽凈輻射典型日變化

圖3表示梭梭生長季土壤熱通量(G)的日變化。由圖發現,G在日出前達到一天內的最小值,梭梭生長萌發期最小值為-32 W/m2,旺盛期為-16 W/m2,枯落期為-30 W/m2。白天,G隨著Rn的增加而增加,變化明顯,最大值出現在15:30左右,比Rn推遲2 h,所呈現的滯后性與白云崗等[21]、李英年等[24]和王建雷等[25]的研究結果一致；深夜時G相對有所升高,這可能與水汽凝結、升華(蒸發)耗熱和地-氣能量交換有關。梭梭萌發期G最大值為90 W/m2,枯落期G最大值為55 W/m2,旺盛期G最大值為52 W/m2。整個生長季G從11:00后開始為正值,吸收熱量,G在各階段轉為負值的時間不同,萌發期和枯落期在20:30—21:30后轉為負值,而旺盛期持續吸收熱量時間較長,直到23:30后G才轉為負值。G在梭梭生長萌發期變化幅度較大,旺盛期和枯落期變化幅度小。在沙漠生態系統中,G也是沙漠植被蒸散的驅動因子,它可以反映不同生態系統土壤溫度變化特征以及氣候特征,也可以反映土壤獲得能量的強弱[26]。因此,研究梭梭群落G的變化特征可以更好地了解該地區氣候變化以及區域內能量收支平衡,為梭梭群落的生存防護提供參考價值。

圖3 土壤熱通量典型日變化

波文比(β)為H和λET之比,H大,λET小,則β大于1,反之,β小于1。圖4表示梭梭生長季β日變化過程。由圖看出,梭梭生長旺盛期β全天變化穩定,在夜間有輕微波動。梭梭生長萌發期和枯落期8:00—18:30(白天)的β大小分別在1.51—7.21和1.05—7.26變化較小,而在19:00—次日07:00波動較大,變化復雜。夜間H和λET數值較小,且在正負值之間變化相對頻繁,H和λET的微小變化都可能引起β的劇烈變化。梭梭生長萌發期、旺盛期和枯落期β大于1的占比分別為50.7%、76.4%和45.2%,表明沙漠下墊面長期處于干旱狀態,梭梭水分虧缺,蒸散受到抑制,湍流通量以H為主。β表征大氣-地表能量交換特征,荒漠生態系統中λET和H之間具有重要的交互作用,在潛熱蒸發消耗能量時,地表降溫,地表與臨近空氣溫差增大。因此,在干旱條件下荒漠生態系統中H占有主導地位[27]。

圖4 波文比典型日變化

2.2 典型日蒸散特征

不同生長階段、不同天氣條件下梭梭群落蒸散量的日內變化如圖5所示。從圖中看出：旺盛期晴天(7月28日)和陰雨天(7月24日)蒸散量的日變化均呈雙峰型曲線,且峰值明顯,萌發期晴天(4月13日)、陰天(4月18日)和枯落期晴天(9月16日)、陰天(9月24日)變化趨勢相似,呈波動幅度較小的單峰型曲線變化,且峰值均較小。

圖5 典型日蒸散強度變化

旺盛期晴天8:00左右,梭梭群落開始蒸散并迅速增大；12:00左右蒸散強度達到最大(0.10 mm/h),隨后蒸散強度呈微弱減小趨勢,15:00左右蒸散強度達到一天內的次高峰(0.09 mm/h),隨后迅速減小,21:00左右蒸散強度達到最小(-0.03 mm/h),由于氣溫的突然降低和空氣濕度的增大,蒸散表現為凝結過程,此后蒸散強度有小幅度上升并維持在一個較低水平。晴天時上午和下午蒸散強度呈對稱型,而陰雨天梭梭群落日蒸散表現得較為復雜,降雨時,雖然溫度較低,但水分補充相對較充足,蒸散量仍然很大。在梭梭生長萌發期和枯落期,陰天和晴天蒸散量日變化趨勢相似,因受云、氣溫以及降雨等的影響,蒸散強度波動幅度小,在-0.02—0.02 mm/h間變化,總體表現為日出前蒸散強度較低,日出后蒸散強度漸增,至日落后蒸散強度逐漸降低,20:00后,由于萌發期和枯落期氣溫、風速以及土壤水分的不同,導致蒸散強度略有差異。

2.3 季節蒸散特征

在梭梭整個生長季(4—10月),梭梭群落蒸散量為279.67 mm,日均蒸散強度1.31 mm/d,圖6反映了梭梭群落蒸散強度的季節變化。如圖所示,夏季(6—8月)蒸散量最大,春季(4—5月)次之,秋季(9—10月)最小；蒸散強度隨梭梭不同生長階段具有明顯變化,4月至7月呈增加趨勢,7月至10月呈減少趨勢,最大值出現在7月,最小值出現在10月。4月平均蒸散強度0.83 mm/d,蒸散總量為24.93 mm；5月平均蒸散強度1.38 mm/d,并出現次高峰,蒸散總量為42.82 mm；6月梭梭進入生長旺盛期,但蒸散強度卻減小到1.02 mm/d,蒸散總量降低至30.51 mm；7月和8月氣溫升高,梭梭處于生長旺盛期,蒸騰作用強烈,7月平均蒸散強度達到最大2.39 mm/d,且蒸散總量最大(74.02 mm)。9月氣溫降低,凈輻射量減小,梭梭生長進入枯落期,蒸散強度急劇減小到0.82 mm/d,10月蒸散強度減小到0.62 mm/d。

圖6 梭梭群落蒸散季節變化

蒸散主要受氣象、植物特性和土壤三大因素的影響,當土壤水分供應充分時,蒸散只取決于氣象和植物因素,當土壤水分不充足時,蒸散受上述3種因素的制約[28-30]。梭梭生長季0—400 cm土體土壤貯水量(圖7)變化在130—140 mm之間,水分脅迫影響嚴重,梭梭群落的蒸散受到氣象、自身生長特性以及土壤水分的影響。

圖7 土壤貯水量變化

梭梭在6月進入生長旺盛期,蒸散也進入旺盛階段,從圖6中明顯看出6月的蒸散量卻急劇下降到30.51 mm,且低于5月的蒸散量。這是因為4—5月隨著Rn升高,凍土全面融化,蒸散逐月增加,6月30 d中陰雨天氣占據多數(圖8),只有8 d是晴天,由于光照條件不足,Rn較5月份降低,梭梭群落蒸散受到抑制；由圖9可以發現,生長季λET和H占據了Rn的主體,6月H大于λET,即用于空氣熱交換的能量大于用于梭梭蒸散的能量,所以6月蒸散總量呈現下降的趨勢。受水分脅迫的影響,梭梭整個生長時期的H大于λET；7—8月雖然Rn呈下降趨勢,但梭梭生長狀況良好,其生物學特性是這兩個月蒸散量較大的主導因素,且此階段內λET大于H,與其余生長階段相反。9—10月梭梭進入生長枯落期,隨著水分、溫度等條件的缺乏,生理活動微弱,蒸散也處于較低水平。梭梭蒸散的季節變化特征與干旱區草地[10]、檉柳[31]蒸散的季節變化特征相類似。

圖8 天氣狀況變化

圖9 凈輻射能的分配特征

3 結論

(1)梭梭生長季各時期凈輻射的日變化均呈單峰狀分布,最高值出現在13:30左右,萌發期和旺盛期的凈輻射高于枯落期；土壤熱通量總體也呈單峰狀分布,最大值出現時間比凈輻射滯后2 h；波文比在旺盛期全天變化穩定,在萌發期和枯落期白天波動幅度小,夜間波動較大,且顯熱通量在生長時期內占據主導。

(2)在晴天和陰雨天條件下,旺盛期梭梭群落日內蒸散強度變化幅度較大,呈雙峰型曲線,萌發期和枯落期變化幅度較小,呈單峰型曲線；旺盛期的日均蒸散強度大于萌發期和旺盛期。

(3)2018年古爾班通古特沙漠南緣梭梭群落生長季(4—10月)蒸散量為279.67 mm,日均蒸散強度1.31 mm/d。季節蒸散總體呈夏季>春季>秋季的變化特征,蒸散強度隨梭梭不同生長階段具有明顯變化,最大值、最小值分別出現在7月和10月。