蒸散發水源組成與測定方法研究進展

王周鋒，王文科，李俊亭

（1.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；2.長安大學水利與環境學院，陜西 西安 710054）

蒸散發是指陸面和水體（海洋、湖泊、河流等）水分通過蒸發作用、植物體內水分通過蒸騰作用以水汽形式進入大氣的過程，它是陸氣系統水分和能量循環的重要的生物物理過程（圖1）[1]。陸地蒸發過程包括水體蒸發（包括冰雪升華）、土壤蒸發以及植被表面的蒸發過程，而蒸騰過程主要是植物在光合作用過程中吸收的水分經由植物葉片氣孔的散失。其中，植物蒸騰是陸面水分消耗的主要方式[2-3]。

圖1 陸面的蒸散發組成（改自Zhang等[1]）Fig.1 Evaportranspiration composition of the land surface（modified from Zhang et al.[1]）

作為最重要的水循環過程，蒸散發是聯系大氣圈、水圈、生物圈、土壤圈和巖石圈的重要紐帶，全球陸地60%的降水通過蒸散發的形式進入大氣[2,4]。在干旱半干旱地區，這一比例甚至高達95%以上[5]。蒸散發過程中水汽的散失以潛熱形式消耗大量的能量，引起地表降溫。因此，蒸散發顯著影響著地球的氣象和氣候變化[1]。同時，氣象要素、下墊面、水分條件、土地利用方式、生態環境變化等多種要素又影響著蒸散發過程[6]。盡管通過地面觀測、遙感監測和模型估算等方法對蒸散發過程進行了大量的研究，但是仍然存在時空尺度匹配、尺度提升、精度驗證、真實性檢驗等很多問題沒有完全解決[7-10]?？梢?，清晰認識蒸散發過程與控制因素，精確測定和估算蒸散發量對于深刻認識氣候變化與水循環過程、地表水量平衡、水資源開發與優化管理、農業用水調控等具有重要意義[1,11?12]。

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）最新報告指出，按照目前的現狀，全球氣溫將在2030—2050年某個時刻升溫達1.5℃[13]。氣溫的升高加快蒸散發速率，引起大氣中水汽含量增加，影響到水文循環過程，進而導致極端氣候事件（如大暴雨、極端干旱等）發生的頻率增加，引發嚴重的洪澇、泥石流等地質災害，影響陸地生態系統和生物多樣性，進一步威脅到糧食安全、水安全、人類健康和經濟增長等[13]。同時，城市化、農牧業活動以及生態工程建設等人類活動極大地影響了土地利用方式，引起地面覆蓋度、反照率和地表粗糙度等生物物理性狀的改變，造成地表蒸散發的顯著變化[12]。薛陽等[14]研究表明，2001—2014年寧夏沿黃經濟區蒸散量增加了近100 mm，主要源于耕地面積的增加。生態工程也會造成植被變綠等現象，增加了水資源匱乏區的蒸散量，加劇這些地區水資源的短缺狀況。而城市化過程使得地表不透水面增加、大氣中CO2濃度升高，影響到局地水循環，造成城市熱島效應、雨島效應增強[12]。上述這些變化顯著影響了水文循環過程，導致水資源的時空格局發生改變，為水資源的可持續發展帶來新的問題。因此，在氣候變化和人類活動共同影響下，深化對蒸散發過程、格局和尺度變化的深入認識，有助于對水資源的合理開發利用、規劃管理和優化配置。

綜合而言，蒸散發的測定方法大致可分為植物生理生態學法、水文學法和微氣象學法等[6]。盡管這類測定方法只能在小尺度范圍進行研究，但是其理論基礎嚴密、數據準確可靠，同時在揭示機理機制方面具有優勢。如果儀器測定方法能夠與遙感大數據等有機結合，則可為大尺度蒸散發研究提供保障。可見，通過儀器測定研究蒸散發過程是深入揭示蒸散發機理，深化蒸散發研究的重要基礎?；诖耍疚膶φ羯l水分來源與傳輸過程進行了闡述，對地表蒸散發的主要測定方法和存在問題進行歸納和總結，討論了這些方法的適用性和優缺點，在此基礎上展望今后的發展方向，以期為精確研究陸面蒸散發時空演化和陸面水均衡提供支持。

1 蒸散發的水分來源及其傳輸過程

在太陽輻射、地球引力等的推動下，地球上的水循環是一個持續的動態過程。海洋表面蒸發的水汽以大氣環流方式進入陸地，然后通過降水（降雨或降雪等）到達陸地表面。之后，以水汽、地表水（河流、湖泊等）、土壤水或地下水的形式存在于陸地表面，蒸散發與入滲是這幾種水分動態聯系的紐帶。以往研究表明，陸面蒸散發主要通過水面蒸發、土壤蒸發和植物蒸騰等形式進行。特別是在干旱內陸地區，蒸散發是地表水和地下水排泄的主要形式[15]。隨著研究的深入，發現地表植被對降水也有一定的截留作用，導致在短時間內有些水分也會存留在植物表面（葉片、莖桿部位等），這部分水分不能被植物利用，也進入不了土壤或者地下水含水層，最終會通過蒸發作用以水汽形式進入大氣中[16]。陸地尺度上，這個截留量和土壤蒸發量差不多，也是陸地蒸散發的重要組成部分[17]。

在一些地下水淺埋區，地下水通過毛細力作用進入包氣帶，影響到土壤層中水分的分布和植物根系生長，進而產生了水分的蒸散發[18]。席丹等[19]在新疆瑪納斯河流域的研究表明，綠洲帶地區地下水位小于5.5 m時，地下水位埋深與日蒸散量呈負相關。Ma等[20]通過場地實驗和數值模擬研究發現，在陜北風沙灘地區地下水的極限蒸發深度約為毛細上升高度的2倍。如果這個結果具有廣泛性，那么土壤的蒸發應該有一個極限蒸發深度的存在。也有研究認為，在極干旱區地下水埋深較大情況下（＞200 m），極干旱氣候、地熱和上層土壤溫度變化也會導致地下水的水分運轉和蒸發現象[21]。但是對于這種大埋深條件下的地下水蒸發研究還較少，其內在機制也不甚明確，還需要對其結果進行機制上的研究和驗證。特別是，現有的研究并沒有將大氣環境變化和土壤、地下水之間的互饋考慮在內，在熱力作用下大氣的上升和下沉運動對土壤中水分的運移是否會產生影響，目前還沒有相關報道。

植物根系也可以通過蒸騰作用消耗地下水。研究發現，在干旱半干旱地區，地下水是旱柳蒸騰的重要水源，且存在一個最佳的水位埋深深度[22]?；诘叵滤?、土壤、植物和大氣的連續性特點，劉昌明[23]提出在土壤-植物-大氣系統（SPAC）中需要考慮地下水的作用。在此基礎上，楊劍鋒等[24]根據李寶慶對“四水轉化”的研究成果，首次提出地下水-土壤-植物-大氣連續體（groundwater aquifer-soil-plant-atmosphere continuum，GSPAC）的概念。這為地下水對地表過程的影響機理研究，以及將地下水納入蒸散發過程提供了堅實的基礎。

GSPAC系統更多是從垂向角度考慮水分的傳輸和運移過程。然而，地球表面受地質地貌影響，其水平高低變異性大，水分的側向流動是一個不可忽視的要素。在大尺度蒸散發研究過程中，未將側向地下水流考慮進去會低估陸面蒸散量20%左右[4]。在河流和河岸之間、湖泊和湖岸之間、或者具有坡度的地形上都存在水分的側向補給。從而產生湖泊和河岸交界帶、河岸交界帶，甚至地形導致的地下水淺埋區的出現，這些地區都有可能出現地下水的蒸散發作用。Wang等[25]研究表明，河流和地下水之間存在著頻繁的轉換關系。由此可以看出，從空間角度看，地下水、地表水、土壤、植物和大氣之間是一個互相連接的耦合單元，水分在這些系統之間通過蒸散發、入滲等形式進行著頻繁轉換。因此，就形成了地下水-地表水-土壤-植物-大氣連續體（groundwater-surface water-soilplant-atmosphere-continuum，GSSPAC）。GSSPAC系統內部進行著復雜的互饋活動，水分和能量在GSSPAC系統中流動，帶動了C、N、P等物質循環，產生了一系列生物地球化學過程，耦合研究這個系統內部水分、物質和能量的流動對于蒸散發的研究具有重要作用。

2 蒸散發研究主要測定方法

早在200年前，科學家就認識到了蒸散發對水循環的重要性，開展了蒸散量的研究。Dalton[26]首次發現蒸散發與氣象因子關系密切，建立了基于飽和水氣壓差的道爾頓蒸發定律，是近代蒸發理論創立的鼻祖。Bowen[27]基于地表能量平衡方程提出了波文比能量平衡法，發展出了波文比能量平衡蒸散發測定系統。Swinbank[5]提出渦度相關法，通過監測近地面物質能量輸送過程、計算湍流通量獲取蒸散量?；跍u度相關法的渦度相關儀，由于其理論基礎堅實，成為目前監測不同生態系統蒸散發的主要方法。Wang等[28]提出了通過閃爍儀進行通量觀測的構想，并在20世紀90年代開始應用，這為流域尺度蒸散發研究開辟了道路。

蒸散發的研究和尺度關系密切，小到一個葉片，大到流域或全球尺度，都是其研究的范疇。地面觀測、遙感監測和模型估算是目前研究蒸散發規律的主要方式，這些方法提供了從葉片、植株、場地、流域到整個全球尺度的蒸散量研究數據。小尺度研究方面，器測法更有優勢，通過直接測定植物的蒸騰量、或者土壤水分的消耗量，能夠精確地獲取單位植物和土壤的水分消耗量[7]。同時，這種小尺度研究可以對監測對象及其相關要素進行精確測定，揭示蒸散發的驅動機制及其影響因素。如果研究單元擴展到公里級，甚至流域尺度或全球尺度，必須依靠遙感或者數值模型的方法。本文對目前主要的蒸散量測定方法進行了總結，系統闡明了其適用性和優缺點。

2.1 水文學方法

（1）水均衡法

水均衡法通過計算特定時間和空間內水分的收入和支出差額，將蒸散發作為余項求出[7]。因為不受大氣環境變化的影響，水均衡法數據獲取較易且計算簡單，在小尺度和大尺度研究上均具有較高的適用性[29]。通過結合GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）衛星反演陸地水儲量，水均衡法能夠測算全球尺度的蒸散量，是大尺度研究陸面蒸散發的有效途徑[30]。2018年，GRACE Follow-on衛星發射，為進一步精細化研究全球尺度蒸散發提供了更多的可能性。

（2）蒸滲儀法

蒸滲儀法是基于水量平衡原理，通過對裝填在容器中土壤的水分進行監測，研究土壤和植物的蒸散發過程。蒸滲儀可以分為稱重式和非稱重式。相比于非稱重式蒸滲儀，稱重式蒸滲儀能夠更準確地獲取單位體積的蒸散量。通過建立大型的蒸滲儀，甚至可以模擬地表徑流、地下水流和蒸散發過程等[31]。蒸滲儀的優點在于可以直接測定腔體內的蒸散量，但是腔體會限制植物根系的生長，由于在桶壁會形成邊界效應，水容易循著邊壁入滲。研究農田蒸散發時，桶壁邊界效應造成的影響較小，但是由于灌木或者喬木的根系發達，會循著水向邊壁生長，此時，該研究方法測試結果就會與野外實際情況存在差異性。同時，大型蒸滲儀和稱重式蒸滲儀的價格相對昂貴，安裝、維修和管護工藝復雜，在大尺度研究方面不具有優勢[7]。

長安大學在旱區水分蒸散發監測與模擬方面做了系統性工作[32]。例如：溫差條件下的蒸發模擬試驗系統和咸水水面蒸發試驗系統、水面蒸發試驗系統的發明和改進為深入研究蒸散發的驅動機制提供了理論支撐[33-35]。特別通過對給蒸滲儀補水的馬里奧特瓶進行了全新的設計和自動化改造，研發的全自動蒸發降水計量裝置為高精度、高時間分辨率測定蒸散發提供了可能[36]。在鄂爾多斯盆地、渭河關中平原建立了水與環境野外原位試驗基地，開展了大量的有關土壤蒸發、植物蒸騰、水面蒸發的機理機制研究工作，獲取了大量的基礎研究數據[37-43]。

2.2 植物生理學方法

植物蒸騰過程中，經由根系吸收的水分經莖干木質部傳輸到葉片，并從氣孔中進入大氣。陸生植物吸收的水分只有約1%用于植物體的構成，絕大部分通過蒸騰作用散失[44]。通過測定植物莖干部分的水分流量可以得到植物的蒸騰量[45]。莖干液流經熱脈沖法是基于熱平衡原理計算莖干的液流速度，進而計算出植物蒸騰量[46]。這種方法不受氣象因子的干擾，也能夠避免測定的系統誤差。液流法的缺點是只能進行點上的測量，無法擴展到更大尺度進行研究。

2.3 微氣象學方法

（1）波文比能量平衡法

波文比能量平衡法是基于Bowen[27]提出的波文比概念發展起來的，理論基礎是能量平衡原理和邊界層擴散理論。核心思想是波文比等于地表能量平衡方程中的顯熱通量與潛熱通量之比。通過測定地表以上兩層空氣的溫度及水汽壓值，在假定熱量交換系數和水汽的湍流交換系數相等的前提下，將能量平衡方程與波文比表達式聯立求解可得顯熱和潛熱通量[45]。該方法操作簡單，測定參數少，對于均勻下墊面的研究方面效果較好，但是對非均勻下墊面研究會產生較大誤差。

（2）渦度相關法

渦度相關技術（Eddy Covariance，EC）測定蒸散發是通過三維風速儀、紅外氣體分析儀等探頭測定有關物理量的脈動值與垂直風速脈動值的協方差計算該物理量的垂直湍流輸送通量[7]，自20世紀50年代在澳大利亞應用以來[47]，得到廣泛應用。當前，全球已經建立了500余個觀測點，形成了覆蓋全球的通量網絡Fluxnet[48]。中國基于建立的CERN網絡，建立了中國的ChinaFlux，為中國不同生態系統蒸散發量的研究提供了堅實的數據基礎[49]。渦度相關法能夠進行高時間分辨率的蒸散量觀測[50]。其最大的問題是存在能量不平衡問題，該方法測定的潛熱通量會有5%～20%的誤差[51]。

（3）閃爍儀法

受空氣溫度和水汽濃度影響，光在空氣中傳播會產生折射和散射。利用大孔徑閃爍儀，接受端通過測定發射端發出的光強變化計算空氣的折射率，進一步計算空氣溫濕度參數結構函數，結合相似理論以及氣象參數迭代計算顯熱通量[7]。已有研究表明，閃爍儀法在非均一的復雜下墊面條件下（如林地、耕地、混合植被、城市等）均有較好的適用性[52]。該方法可以進行公里級尺度上的蒸散量測定[53]，特別是在流域尺度上，能夠進行相關的蒸散發研究[54]，可以用于蒸散量模型的驗證，為開展大尺度數據融合提供了基礎。

2.4 同位素方法

近年來，由于同位素技術的普及，利用同位素技術研究蒸散發受到廣泛關注。特別是激光同位素技術的發展，克服了以往質譜同位素儀操控復雜、對環境要求高的缺點，為快速測定和野外實時監測提供了可能[55]。一般認為，植物根系吸收的水分經由葉片蒸騰的過程中，水的氫氧同位素不會發生分餾，而土壤蒸發的過程會導致水的氫氧同位素分餾，這一特性為區分土壤蒸發和植物蒸騰提供了理論基礎[56]。因此，通過不同來源水分氫氧同位素的測定，還可以進行蒸散發過程中水分來源的區分[57]。同位素方法又可以分為基于大氣水分的Keeling Plot方法和基于土壤水同位素質量守恒及水量平衡法。Keeling Plot方法將Keeling[58]創立的Keeling Plot曲線原理和Craig[59]建立的同位素質量守恒方程結合，通過計算蒸發水汽、蒸騰水汽和蒸散發混合水汽同位素組成求得蒸騰比例和蒸發比例，進而分別求出蒸騰量、蒸發量和蒸散量[55]。土壤水同位素質量守恒及水量平衡法是在不考慮土壤水的側向流，假定降水同位素進入土壤沒有分餾和土壤水是活塞流的條件下，通過土壤同位素守恒和水量平衡原理建立方程求解蒸發量和蒸騰量[60]的方法。

3 研究方向分析

蒸散發是陸氣系統水分和能量循環的重要的生物物理過程，通過儀器測定蒸散量是蒸散發研究的主要方法之一。盡管儀器測定方法只能在小尺度范圍進行研究，但是其理論基礎嚴密、數據準確可靠，在揭示機理機制方面具有優勢。通過不同時間尺度和空間尺度蒸散發的研究，能夠為水資源管理、氣候變化、自然災害監測以及農業灌溉等提供重要的數據支撐。文獻已經大量報道了有關蒸散發測定技術與方法。這些方法為蒸散發理論和驅動機制的研究提供了重要的數據支撐，但是，上述的監測方法更多地適用于點位研究，開展流域尺度甚至更大尺度的研究，需要通過建立監測網絡進行彌補。因此，將點位研究和遙感相結合可能是彌補這一短板的有效途徑。

（1）蒸散發水分運移機制的耦合研究

水分的傳輸涉及GSSPAC連續體的各個組成單元。要清晰認識水分的蒸散發過程及水分在GSSPAC中的耦合運移機制，需要將這些系統進行一體化研究。這就需要利用新方法、新技術對水分的傳輸路徑和傳輸過程進行整體觀測。例如，通過同位素技術研究植物蒸騰和水分蒸發過程，進行不同生態系統中水分的蒸散發分離，結合渦度相關等連續觀測的數據，可能對揭示水分的傳輸與蒸散發過程有較大幫助。

（2）不同尺度技術方法的融合研究

通過將渦度相關技術、無人機遙感技術和大尺度遙感數據相結合，不但為高精度的地表蒸散發研究提供了有力工具，同時也為空間尺度融合提供了新的思路，這可能是克服大尺度蒸散量研究中結果精度低、分辨率低和實時性差的途徑之一。

（3）蒸散發監測網絡建設

蒸散發涉及地下水、地表水、土壤、植被、大氣等多個組成單元，在不同的地貌單元和氣候條件下，其主控因素不同，需要在典型地區建立有效的監測點，進行GSSPAC系統內部不同單元水分和能量的觀測，厘清典型地區蒸散發的作用過程和主控因素，為開展大尺度的遙感研究提供基礎資料。特別是在氣象條件、地質條件和人類活動等因素的交互作用下，影響蒸散發的各個因子之間相互作用的復雜性增加，多重影響因素交互下的蒸散發變化規律研究，也需要實測的監測數據。

（4）GSSPAC系統水分、物質和能量耦合研究

GSSPAC系統內部包含土、水分、植物、碳、真菌、細菌等生物和非生物要素，涉及到水分、能量和C、N、P等物質的交互作用，需要將地質學、水文地質學、土壤學、植物學、大氣科學、生態學等多學科的交叉應用，厘清水分、能量和物質循環和流動的相互作用機制，為提升蒸散量時空尺度變化研究提供更加堅實的基礎。

4 結論

本文在分類總結蒸散量測定方法的基礎上，得出以下結論和建議：

（1）地表水（河流、湖泊等）、土壤水、地下水和植被截留的水分是蒸散發主要的水分來源，水分在GSSPAC系統內部通過蒸散發、入滲等形式進行著頻繁轉換，帶動了系統內部C、N、P等物質的循環。加強GSSPAC系統中水分、物質和能量耦合研究，通過多學科交叉，能夠進一步厘清水分、能量和物質循環和流動的相互作用機制。

（2）蒸散發的測定方法可以歸納為4大類：水文學方法（水均衡法、蒸滲儀法）、植物生理學方法（液流法）、微氣象學方法（波文比能量平衡法、渦度相關法、閃爍儀法）和同位素方法。不同方法適用條件不同，綜合應用多種方法對蒸散發過程進行研究，獲取更為可靠的蒸散量數據，是提升蒸散發研究精度的有效途徑之一。

（3）不同蒸散量測定方法適用的時空尺度不同，建議建立不同氣候和地貌單元上的監測網絡，綜合多種測定方法獲取多重影響因素交互作用下蒸散量變化規律與基礎數據，為大尺度、精細化蒸散量研究提供支撐。