基于SEBAL模型評估干旱半干旱區人工灌叢植被對陸表蒸散的影響

喬成龍，杜靈通，潘海珠，馬龍龍，田 靜，袁洪藝，吳宏玥

基于SEBAL模型評估干旱半干旱區人工灌叢植被對陸表蒸散的影響

喬成龍，杜靈通※，潘海珠，馬龍龍，田 靜，袁洪藝，吳宏玥

（1. 寧夏大學西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地，銀川 750021；2. 寧夏大學西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室，銀川 750021；3. 寧夏大學生態環境學院，銀川 750021）

評估人工灌叢植被重建對干旱半干旱區陸地生態系統蒸散的影響，不僅能揭示植被變化與水文過程的耦合機理，又可為區域生態治理與水資源管理提供科學指導。該研究利用Landsat-8 OLI/TIR遙感影像及氣象數據等驅動SEBAL模型，反演寧夏鹽池縣的年內不同日期的陸表蒸散，結合目視解譯選取的人工灌叢區與對照草地，評估了人工灌叢植被對陸表蒸散的影響。結果表明：1）SEBAL模型的蒸散反演精度與站點觀測結果較為一致，可用于干旱半干旱區蒸散反演及空間特征研究；2）鹽池縣人工灌叢植被區日平均蒸散為1.20 mm/d，高于對照草地1.17 mm/d的日平均蒸散量，即干旱半干旱區人工種植灌木林增加了生態系統水分消耗，但不同季節和不同生物地理條件下的蒸散增強作用存在差異，蒸散增強在8月份最大，而3、4月份呈現負效應；3）人工灌叢的密度越大、植被蓋度越高，對陸表蒸散的增強作用越強，特別在NDVI>0.4的高蓋度情況下蒸散增強作用更加明顯。由此可知，在水資源緊缺的干旱半干旱區開展以灌木樹種為主的植被重建需在合理的生態水文閾值范圍內開展，才能構建出穩定可持續的人工生態系統。

蒸散；模型；植被重建；干旱半干旱區

0 引 言

在過去幾十年里，全球陸地植被呈現明顯的變綠（Greening）趨勢[1]，中國的植被活動也明顯增強[2]。全球植被變綠的驅動力主要來自CO2施肥效應、氮沉降、氣候變化以及土地利用方式改變等[1]，而植樹造林等人類活動引起的土地利用方式改變是中國植被變綠的重要驅動力[3]，特別是在西北干旱半干旱區的退化草原，人工種植灌木所引起的灌叢化現象是該區域植被變綠的主要原因。植被變綠通過改變生物物理特征、下墊面性質等影響陸地生態系統蒸散（ET，Evapotranspiration）過程[4]，而蒸散是土壤-植被-大氣之間物質和能量交換的主要途徑，全球約60%的降水通過蒸散返回大氣[5]，由此可知，全球植被變綠在減緩大氣CO2濃度上升的同時，也加快了地-氣水循環過程已有研究表明，過去30年中，全球陸地蒸散整體呈現增強趨勢[6]，全球超過50%陸表蒸散的增強是由植被變綠引起[7]，中國的植被變綠對陸地生態系統蒸散和流域水循環過程也有明顯影響[8-9]。特別是在水資源供給匱乏的干旱半干旱區，過度的人為植被恢復及其引起的水循環增強，會降低生態系統的穩定性，加劇地區水資源緊缺程度[10]，甚至導致水分消耗超過區域生態水文閾值[11]，黃土高原地區的植被恢復也已達到了區域水資源可持續利用的極限[12]。由此可見，開展干旱半干旱區人工植被重建的水循環影響評估，對科學實施生態治理工程及可持續發展具有重要意義。

寧夏鹽池縣地處中國北方干旱半干旱氣候過渡帶，區域本底植被以荒漠草原為主，然而20世紀過度的放牧導致該地區嚴重沙漠化。為遏制自然環境惡化，從20世紀70年代開始，當地逐漸開始實施防沙治沙和草原禁牧等系列生態恢復工程，人為在退化草地上大規模種植中間錦雞兒（）等灌木。最新遙感監測顯示，鹽池縣人工灌叢面積約8.92萬hm2，占縣域面積的13.18%[13]。這種人工灌叢植被重建過程取得了區域植被變綠的生態效應，但也改變了區域植被類型和結構[14]，進而影響陸表水循環過程。目前，已有學者開始利用渦度相關系統或植物莖流等手段，從站點尺度開展鹽池荒漠草原區灌叢生態系統的地-氣碳水交換特征研究[15-16]；亦有學者利用Biome-BGC模型，從站點尺度上模擬人工灌叢化對生態系統碳水循環過程[17]以及蒸散組分的影響[18]；但現有研究均未從區域尺度定量評估人工灌叢植被對區域蒸散的影響。由于不同種植年限、覆蓋度和生長階段的人工灌叢植被在區域上存在很大異質性，其對地-氣水循環的影響強度也不同，僅站點觀測無法覆蓋所有類型區，故站點尺度獲取的結果無法直接擴展到區域尺度，而空間遙感技術可以彌補這一不足，其每個像元如一個個獨立的觀測站點，結合模型可以精確地獲得區域尺度上的蒸散特征，進而評估干旱半干旱區人工灌叢植被對陸表蒸散的影響。因此，本文通過遙感數據和模型反演鹽池縣的區域蒸散，從高分辨率遙感圖像上選擇鄰近的人工灌叢區與草地區為對比樣地（假設其環境和氣象條件一致），對比二者的蒸散關系，定量評估人工灌叢植被對區域蒸散的影響，獲取區域植被格局與水文過程的耦合關系，為區域生態重建和可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況、數據和方法

1.1 研究區概況

地處寧夏回族自治區東部的鹽池縣（37°04'-38°10'N，106°30'-107°47'E），東連陜西，南鄰甘肅，西、北接內蒙古，總面積6 769 km2，是寧夏面積最大的縣。縣域內地勢南高北低，南部屬黃土丘陵區，北部屬鄂爾多斯高原區，海拔1 295～1 951 m；氣候從南部的半干旱區向北部的干旱區過渡，1960—2020年的年平均氣溫為8.41 ℃，年均降水量為288.26 mm；土壤類型由南部的黑壚土為主向北部的風沙土為主過渡，全境廣泛分布灰鈣土；這一地理氣候條件決定了其境內的植被從南向北由干草原向荒漠草原過渡[14]。為防沙治沙和恢復生態，鹽池縣在退耕地和草原上發展人工灌草地，使得區域植被類型和結構發生了重大變化。

1.2 數據來源

本研究使用Landsat-8 OLI/TIRS遙感影像進行蒸散反演，數據獲取于美國地質勘探局（USGS）官方數據發布網站（https://earthexplorer.usgs.gov/），遙感影像軌道號均為（Path 129，Row 34）。考慮到Landsat系列衛星獲取高質量數據具有不連續性及云的影響，在2019年沒有優質影像的月份，選取了2016—2018年間的同月云量小于4%的影像補充，從而構建了一套年內連續月份的12幅遙感數據集（表1）。OLI陸地成像儀包括8個空間分辨率為30 m的多光譜波段和1個空間分辨率為15 m的全色波段，成像寬幅為185 km×185 km，TIRS熱紅外傳感器獲取2個空間分辨率為100 m的熱紅外波段。蒸散反演使用的高程數據為30 m空間分辨率的第二版ASTER GDEM，獲取于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/）。

氣象數據來自中國氣象數據網（http://www.nmic.cn/），獲取了每幅遙感影像對應衛星過境當日的氣溫、濕度和風速等數據。模型中需要輸入區域氣象數據，然而研究區內僅一個氣象站且研究區相對較小。因而，本研究使用站點氣象數據代替區域氣象數據。模型驗證使用的渦度相關觀測數據來自位于鹽池縣花馬池鎮楊寨子自然村的寧夏大學荒漠草原生態系統定位研究站（107°19'48"E，37°49'48"N），使用紅外氣體分析儀（LI-7500A，LI-COR，美國）和三維超聲風速儀（WindMaster Pro，Gill，英國）進行觀測，儀器架設高度為3 m，數據采樣頻率為10 Hz；地表凈輻射和土壤熱通量分別使用CNR-4四分量凈輻射傳感器（Kipp&zonen，荷蘭）和FP01熱通量傳感器（Hukseflux，荷蘭）觀測。渦度相關系統位于地勢較為平坦的緩坡上。渦度相關系統所在區域種植有大面積中間錦雞兒并伴生有短花針茅（）、豬毛蒿（）、老瓜頭（）等草本植物，土壤類型為風沙土。利用谷歌地球和GF-2的高分辨率遙感影像和人工灌叢有規律的條帶狀分布特征，在GIS軟件中選取27個對照樣地（圖1），每個對照樣地中均包括人工種植的灌叢和未種植灌木的天然草地，二者的距離靠近，保證氣象環境條件和地形地貌特征相似，其蒸散差異主要來自于灌木植被重建。人工種植的灌叢樣地主要組成成分為灌木層的中間錦雞兒和地被層的短花針茅、豬毛蒿和老瓜頭等；天然草地主要組成成分為短花針茅、豬毛蒿和老瓜頭等荒漠草原原生草本植物。選取對照樣地后，利用GIS軟件提取樣地內的ET、NDVI等指標，用于蒸散差異及其驅動因素分析。

表1 蒸散反演所用Landsat-8遙感影像信息

1.3 SEBAL模型原理

利用遙感數據和蒸散模型可以估算區域蒸散，反演方法可分為統計經驗法、能量平衡余項法、數值模型和全遙感信息模型等[19]。基于能量平衡余項法發展而來的SEBAL（Surface Energy Balance Algorithms for Land）模型[20]，具有物理機理明確、輸入參數較少等特點，已在不同的氣候及植被類型區得到應用[21-22]，其理論基礎為能量平衡方程：

式中ET為潛熱通量（W/m2），是與ET的乘積；為潛熱蒸發系數，取值2.49×106W/(m2·mm）；ET為蒸散（mm）；R為凈輻射通量（W/m2）；為顯熱通量（W/m2）；為土壤熱通量（W/m2）。

1.3.1 凈輻射通量

凈輻射通量反映了地表獲得能量的凈收支情況，是單位面積內的入射輻射能量與出射輻射能量的差值。

式中為地表反照率；R↓為到達地表的太陽下行短波輻射（W/m2）；R↓為到達地表的太陽下行長波輻射（W/m2）；R↑為地表向外輻射的上行長波輻射（W/m2）；g為太陽常數，取值1 367 W/m2；ε為地表比輻射率；為遙感影像獲取時刻的太陽天頂角，(°)；d為日地距離修訂系數；τ為單方向的大氣透過率；為海拔（m）；ε為大氣比輻射率；為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，取值5.669 7×10-8W/(m2·K4)；T為參考高度處大氣空氣溫度（K）；0為地表溫度（K）；NDVI為歸一化差值植被指數，為近紅外波段反射率（NIR）和紅光波段反射率（red）的比值。

地表反照率利用Landsat-8的多光譜數據估算獲取[23]。

式中toa為大氣頂層反照率；2、4、5、6和7分別代表Landsat-8的第2、4、5、6、7波段的表觀反射率；p為大氣程輻射值，取值0.03。

1.3.2 土壤熱通量

土壤熱通量是地表能量平衡方程中重要的組成部分，然而其值比凈輻射通量R和顯熱通量小很多，一般根據不同地類分別計算。當下墊面為水體時，0.5R；當下墊面為裸地時，0.2R；當下墊面有植被覆蓋時，計算公式如下

1.3.3 顯熱通量

顯熱通量是遙感模型反演蒸散中較難確定的參數之一，其計算準確度直接影響最終遙感蒸散反演結果，通常使用Farah等[24]提出的算法計算。公式如下

式中ρ為空氣密度（kg/m3）；c為空氣定壓比熱容，取值1 004 J/(kg·K)；r為熱量傳輸空氣動力學阻抗（s/m），詳細計算方法見參考文獻[20]。

1.3.4 瞬時蒸散向日蒸散轉換

以上通量均為衛星過境時刻的地表瞬時能量通量，為研究生態系統蒸散強度及耗水規律，需將瞬時蒸散轉換為日蒸散。為此，SEBAL模型中引入24 h內蒸發比相對穩定的假設，即地表潛熱通量（ET）與可利用能量（R-）的比值恒定。通過瞬時的各能量通量，計算出蒸發比，再利用日平均凈輻射通量和日平均土壤熱通量，換算出日蒸散，方法詳見參考文獻[21]。

2 結果與分析

2.1 日蒸散精度驗證

利用寧夏大學荒漠草原生態系統定位觀測站的通量觀測數據，對SEBAL模型反演的日蒸散進行精度驗證。由于SEBAL模型反演的是空間蒸散，因而根據野外站的經緯度坐標提取空間蒸散圖像上對應的模型估算值，與對應日期野外站開路渦度相關系統所實測的蒸散進行對比（圖2）。可以看出，SEBAL模擬的蒸散與實測蒸散有顯著的相關性（<0.01）；在年內12景影像中，SEBAL模擬的野外臺站日平均蒸散為1.18 mm/d，實測的日平均蒸散為1.33 mm/d，相對誤差為11.18%；所有驗證樣本的平均絕對誤差（MAE）為0.72 mm/d，均方根誤差（RMSE）為0.82 mm/d，整體精度較高；模擬蒸散與實測蒸散在年內的季節性變化趨勢一致，都具有生長季較高的單峰形態，可知SEBAL模擬的蒸散能夠反映干旱半干旱區陸表年內的蒸散耗水規律。然而，在實際蒸散較高的情況下（ET>2.0 mm/d），SEBAL模型估算的蒸散比實測值偏低，結合蒸散反演的時間日序數，可以發現SEBAL模型在生長季會較為明顯的低估蒸散。同時亦可明顯看出，開路渦度相關系統觀測的日蒸散隨機波動較大（散點在X軸方向的分布區間大），而SEBAL模型估算的蒸散相對較穩定（散點在軸方向的分布區間小），這與二者的觀測和估算理論基礎有關，SEBAL模型通過擴展衛星過境時的瞬時蒸散得到日蒸散，其無法偵測日內氣象條件短時變化所引起的蒸散波動，而開路渦度相關系統利用高頻率（10 Hz）觀測手段，實時獲取水汽交換過程，能夠探測到日內短時蒸散波動。

2.2 SEBAL反演的區域蒸散特征

利用覆蓋鹽池縣的Landsat-8 OLI/TIRS遙感影像和氣象數據驅動SEBAL模型，反演出研究區年內不同時期的陸表蒸散。從結果來看，SEBAL模型反演的蒸散可以較準確地反映出鹽池縣不同地理單元和地類間差異（圖 3a）。從地理單元看，縣境東南部黃土丘陵區的干草原具有普遍較高的蒸散，特別是沿東北-西南走向的麻黃山主峰一帶，形成明顯蒸散高值區，生長季耗水高峰期（7月26日）可超過3.0 mm/d；而西北部的荒漠草原區則普遍蒸散較低，生長季耗水高峰期依然不足2.0 mm/d。從土地利用類型來看，圍繞縣城、王樂井、馬兒莊、惠安堡等鄉鎮開發的揚黃灌區和庫井灌區具有很強的蒸散，在整個鹽池境內形成了斑點狀的高蒸散區；縣域中部的哈巴湖國家級自然保護區以自然封育的疏林、灌木和草地為主，其蒸散也相對較強；各主干公路沿線也形成了呈線狀的高蒸散特征，這與公路沿線建設的防護林體系有關。通過對比灌叢與草地蒸散樣地的差異可知（圖 3b），在相同地理單元，灌叢像元普遍比草地像元的蒸散值高，以21號樣地為例，可以看出鹽池縣人工灌叢蒸散大部分像元高于2.0 mm/d，而對應的草地蒸散大多低于2.0 mm/d，只有在草本蓋度非常密集的像元，其蒸散接近同區域的灌叢蒸散。這說明草原防沙造林導致的草地植被向灌木植被改變，可以明顯增加地表的蒸散耗水量。

2.3 人工灌叢化前后逐月蒸散差異對比

利用27個對比樣地的矢量邊界，裁切并提取逐月的灌叢與對應草地的蒸散，求取兩種地類的蒸散平均值（圖 4）。通過對比二者的平均值可以發現，灌叢日平均蒸散為1.20 mm/d，而草地日平均蒸散為1.17 mm/d；一年中除了3、4月份外，其他月份均表現出灌叢的蒸散高于對應草地的蒸散。二者的差值最大出現在8月，灌叢蒸散比草地蒸散高出0.13 mm/d。灌叢蒸散與草地蒸散的差異表現出明顯的季節變化特征，且與兩種植被類型的物候差異及生理生長過程密切相關。鹽池縣地處北半球中緯度地區，為大陸性氣候與季風氣候的過渡區，降水量年內分布不均，冬春少而夏秋多，這一氣候特征決定了該區域的植被生長節律明顯。地被層的草本植物在春季3、4月份土壤解凍后便開始生長，而冠層較高的灌木在4月中下旬至5月初才展葉，這導致3、4月份的草地蒸散高于同期的灌叢蒸散。一旦灌叢進入生長期后，其葉片的蒸騰比荒漠草原稀疏的草本植被更為強盛，導致灌叢的蒸散在5月份以后超過了同期的草地蒸散（圖 4）。從季節來看，夏、秋和冬季的灌叢蒸散高于草地蒸散，特別是夏季增高最為明顯。

圖4 年內不同時期灌叢與草地蒸散對比

2.4 不同生長階段和植被蓋度下人工灌叢化對蒸散的增強效應分析

在GIS軟件中提取并統計了27個對照樣地年內12個月份的所有蒸散值，制作灌叢與草地蒸散的對比散點圖（圖5a）。從中可以看出，在灌木植被的主生長季（5-9月），大部分散點及二者的擬合線落在了1∶1線的左上部分，灌叢平均蒸散為（1.77±0.37）mm/d，草地平均蒸散為（1.70±0.36）mm/d，二者具有顯著性差異（<0.05），說明灌叢蒸散在統計學上顯著高于同期的草地蒸散。但在灌木休眠或生長停滯期（10月-次年4月），散點擬合線與1∶1線出現交叉現象，灌叢平均蒸散為（0.80±0.32） mm/d，草地平均蒸散為（0.80±0.35）mm/d，二者沒有顯著性差異。在提取灌叢蒸散的同時，也提取了其歸一化差值植被指數（NDVI），通過統計不同NDVI區間的灌叢與草地蒸散值，利用單因素方差分析來判斷二者間的差異（圖5b）。

注：NS代表統計學意義不顯著；*代表統計學意義顯著。

從圖中可以看出，無論是草地還是灌叢，蒸散均隨著NDVI值的升高而呈現增強趨勢，這是因為陸表蒸散由植物蒸騰和土壤蒸發共同構成，植被越豐茂（NDVI越高），其蒸騰越強烈，在地理氣候較一致的情況下，高植被覆蓋區的陸表蒸散就越強。不同NDVI分級下的草地和灌叢蒸散差異表現出不同特征，在NDVI較低的區間，即灌叢密度較小、蓋度較低的狀態下，其與草地間的蒸散無顯著性差異；在NDVI>0.4的高蓋度情況下，灌叢蒸散顯著高于草地的蒸散。分析原因，在植被覆蓋度較低、灌叢植株稀疏、土壤裸露較多的情況下，陸表蒸散主要由土壤蒸發構成，灌叢蒸騰量占比較小，故導致灌叢與草地的蒸散差異不大；但隨著NDVI的增大，灌叢的密度增高，灌叢蒸騰在陸表蒸散的比例增加，從而整體增強了陸表蒸散量，使得灌叢與草地的蒸散差異逐漸加大，特別是在高NDVI情況下，出現了顯著性差異。這一結果對干旱半干旱區種植灌木防沙治沙的實踐工作具有重要指導意義，即人工灌木的覆蓋一定要控制在合理的范圍以內，一旦高密度的種植灌木，必將引起生態系統耗水量顯著增加，從而影響原有的水循環過程，增加生態系統穩定性維持的水資源成本。

3 討 論

3.1 SEBAL模型估算蒸散的誤差來源

全球不同地區的實測資料驗證表明，SEBAL模型反演的蒸散的精度普遍較高[25]。本研究估算的蒸散與鹽池野外站開路渦度相關系統實測的蒸散有較高的相關性，但也存在一定的誤差（圖2），但估算蒸散的不確定性來源尚不清楚。由公式（1）可知，基于能量平衡余項法的SEBAL模型，其蒸散的估算精度最大程度的受限于凈輻射通量、土壤熱通量和顯熱通量等能量分項的估算精度。為此，利用觀測數據驗證了SEBAL模型估算的凈輻射通量和土壤熱通量。從圖6可以看出，凈輻射通量與實測值有較高的正相關性（<0.01），SEBAL模擬的凈輻射平均值為433.81 W/m2，實測平均值為411.31 W/m2，相對誤差為5.47%，估算結果基本上能反映區域輻射的凈收入情況。但SEBAL估算的凈輻射通量變化范圍比實測值小。土壤熱通量驗證中，使用埋深10 cm土壤熱通量板的測量值與其對應10 cm深的土壤熱儲量之和作為實測數據。在干旱半干旱地區，SEBAL模型估算的土壤熱通量誤差較大，估算值與實測值間的相關性不顯著，SEBAL模擬的土壤熱通量平均值為86.88 W/m2，實測平均值為186.28 W/m2，相對誤差為53.36%，這可能與鹽池整體植被覆蓋度較低，土壤裸露較多，晝夜土壤熱通量交換頻繁以及土壤熱通量計算方法選擇等有關。相對于凈輻射通量，土壤熱通量在各能量分量中占比較小，故土壤通量誤差對模型反演蒸散量的影響相對較小。當然，SEBAL模型對各能量分量的計算過程不同，其氣象參量敏感性在不同研究區也存在差異[26]，而本研究中的氣象參數采取了氣象站點數據代替空間氣象數據，也未考慮遙感影像獲取前的短時降水變化等影響。因此，甄別SEBAL模型蒸散反演中的敏感參數，并改進敏感參數的算法，是未來該模型在干旱半干旱區應用精度提升的途徑。

短波輻射作為太陽輻射的一個重要分量，在地表能量平衡中起著重要作用，也是地表凈輻射通量的主要來源。而地表反照率決定了有多少比例的太陽下行短波輻射會被轉化為凈輻射（公式2），故反照率的估算精度會對SEBAL模型的蒸散模擬產生較大影響[27]。為此，本研究利用鹽池野外站的反照率觀測數據驗證SEBAL模型估算的地表反照率，實測反照率為CNR-4四分量凈輻射儀在衛星過境成像時刻所觀測的瞬時值。從圖7可知，利用Landsat-8多光譜數據估算的地表反照率與實測反照率有極顯著的正相關性，但也存在較高的平均絕對誤差，這說明在氣候干旱、植被覆蓋度較低的鹽池荒漠草原地區，Landsat-8的多光譜數據驅動的SEBAL模型會普遍高估地表反照率，進而給蒸散模擬帶來誤差。反照率的高估會導致地表凈輻射通量的低估，這與前述凈輻射通量的驗證結果相悖。然而，地表凈輻射的計算中還存在其他參數，如NDVI、地表溫度和地表比輻射率，可見，反照率并不是影響蒸散反演精度的唯一主要因素。因此，今后可探索不同參數的敏感性，分析參數間相互作用對SEBAL模型反演精度的影響，探討干旱半干旱區SEBAL模型精度提升的內在機制。

3.2 荒漠草原植被重建的生態水文閾值

中國科學家較早就注意到沙區人工種植灌木會改變土壤水分動態和蒸散速率[28]；也發現黃土丘陵生態治理區高密度種植灌木會引發土壤水分虧缺，需依據水分承載力調整種植密度[29]；卞瑩瑩等[30]發現鹽池荒漠草原人工種植灌木會造成100～200 cm土層的土壤水分虧缺。Du等[17]不考慮灌木演替過程且以原始荒漠草原為對照，利用Biome-BGC模型模擬了人工種植灌木對生態系統碳水循環的影響，得出在相同供水條件下灌叢蒸散比草地蒸散高54.9%；丹楊等[18]的研究得出，人工灌叢化會引起植被冠層葉面積指數的增加，進而造成了生態系統蒸散的增強；以上研究均利用理想狀態的植被類型去模擬人工植被重建對陸表蒸散的影響，而干旱半干旱區人工植被重建是一個復雜的過程，存在以草本植物為建群種向灌木植物為建群種的演替過程，且灌木的種植年限、種植密度和灌草覆蓋比例，會對陸表蒸散產生差異性影響。而本研究基于遙感反演的區域蒸散本底數據，選擇不同區域的27個不同人工灌叢和臨近對照草地進行統計分析，同樣得出人工灌叢植被對陸表蒸散有增強作用，且這種增強作用受不同灌木覆蓋度的影響。

圖7 反照率模擬值與實驗站實測值對比

李新榮等[31]發現沙區植被建設改變了原來沙丘水量平衡和土壤水分的時空分布格局，而土壤水分過程的改變也驅動了人工植被的演替，并將干旱半干旱區中不同降水梯度和格局下所能維持的人工植被和土壤水分的合理區間定義為生態水文閾值[32]。馬龍龍等[16]的站點觀測結果已證實，鹽池人工灌叢群落在5-8月間的蒸散耗水會超過同期降水量，特別是在雨季來臨之前，陸面水分收支處于虧缺狀態，即超越了區域植被合理承載的水文閾值。本研究從區域上監測的結果表明，人工植被重建灌叢改變了區域生態水文過程，特別是在灌叢密度較大、植被蓋度較高的情況下（NDVI>0.4），人工灌叢會顯著改變陸表蒸散過程。同時，這種蒸散增強作用在生長季表現的更為明顯，這勢必會打破干旱半干旱區陸地生態系統的水分供需平衡關系。因此，干旱半干旱沙區植被重建必須考慮其生態水文閾值，在合理的蒸散閾值范圍開展植被重建工程，才能維持生態系統的穩定性，實現生態重建的目的。

4 結 論

基于SEBAL模型反演研究區蒸散，結合目視解譯選取的人工灌叢區與對照草地，評估了干旱半干旱區人工灌叢植被對陸表蒸散的影響，得出主要結論如下：1）SEBAL模型能夠反演干旱半干旱區的蒸散空間特征，并監測出人工灌叢植被區和對照草地間的蒸散差異；2）在干旱半干旱區人工種植灌叢植被，會整體增強陸表蒸散，增加生態系統水分消耗，但不同季節和不同生物物理狀態下的蒸散增強作用存在差異；3）灌叢的密度越大、植被蓋度越高，其對陸表蒸散的增強作用越顯著，特別是在NDVI>0.4的情況下增強作用更為明顯。在干旱半干旱區開展人工植被重建時，需在合理的生態水文閾值范圍內開展，才能營造出持續穩定的生態系統。

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Evaluating the effects of revegetated shrub on land surface ET in arid and semiarid areas using SEBAL model

Qiao Chenglong, Du Lingtong※, Pan Haizhu, Ma Longlong, Tian Jing, Yuan Hongyi, Wu Hongyue

(1.,,750021,;2.,,750021,;3.,,750021,)

is one of the most common planting tree species in the desert region of the Inner Mongolia Plateau in northwest China. The cultivated shrub has greatly enhanced the vegetation coverage and ecological restoration to keep from desert encroachment in the regional ecosystem in Yanchi County since 1970. Correspondingly, the vegetation structure has also been changed eventually to dominate the water vapor interactions between land surface and atmosphere. However, only a few studies were focused on the quantitative evaluation of anthropogenic measurement on the function of the original desert steppe ecosystem, especially from the viewpoint of the water cycle. Therefore, this study aims to evaluate the effect of anthropogenic revegetation on evapotranspiration (ET), a key process of the water cycle in a terrestrial ecosystem, in order to reveal the coupling mechanism between vegetation change and hydrological process in most arid and semiarid areas. The spatial ET was retrieved for the Yanchi County in different stages in the whole year using a surface energy balance algorithms for land (SEBAL) model driven by Landsat-8 OLI/TIRS and meteorological data. The specific ET was also measured in the anthropogenic planted shrub and nearby grassland plot (as control plot) using the visual interpretation of high-resolution remote sensing images including GF-2 and Google Earth platform. The results showed that: 1) there was a high accuracy in the ET retrieved by the SEBAL model in Yanchi County, especially in agreement with the observation of sites. The model was therefore suitable for retrieving and spatial characteristics analysis of regional ET in arid and semiarid areas; 2) The daily average ET in the planted shrub areas was 1.20 mm/d higher than that (1.17 mm/d) in the compared grassland. As such, the planting shrub effectively tailored the surface hydrological process, while increased the water consumption of the ecosystem. A critical change of ecosystem function occurred in arid and semi-arid areas, where the water supply was limited. Nevertheless, there were great variations in the enhancement of ET for the different seasons and biogeographical conditions. The most obvious enhancement of ET was found in August, but a negative effect was observed in March and April. The reason was that the surface hydrological process was independent of plants before the growing season. 3) A stronger effect occurred to enhance land surface ET in the higher density and vegetation coverage of shrubs. The most remarkable effect was performed in the case of NDVI>0.4, where the shrub needed much more water to grow. The specific mechanism should be paid attention to implement grassland ecological restoration, and combatting desertification. As a result, a reasonable eco-hydrological threshold can be determined for the anthropogenic revegetation mostly with shrub species in arid and semiarid areas. Particularly, the water supply of ecosystem from precipitation was more or equal to the water consumption for shrub plant growth. Therefore, it is essential to construct a stable and sustainable artificial ecosystem via the anthropogenic revegetation using the water balance of land and atmosphere in arid and semiarid areas. The finding can provide a scientific guidance for regional ecological and water resources management.

evapotranspiration; models; revegetation; arid and semiarid areas

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.013

S127；TP79

A

1002-6819(2021)-10-0110-08

喬成龍，杜靈通，潘海珠，等. 基于SEBAL模型評估干旱半干旱區人工灌叢植被對陸表蒸散的影響[J]. 農業工程學報，2021，37(10)：110-117.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.013 http://www.tcsae.org

Qiao Chenglong, Du lingtong, Pan Haizhu, et al. Evaluating the effects of revegetated shrub on land surface ET in arid and semiarid areas using SEBAL model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 110-117. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.013 http://www.tcsae.org

2021-03-21

2021-05-09

國家自然科學基金（41967027）；寧夏優秀人才支持計劃（RQ0012）；寧夏高等學校一流學科建設項目（NXYLXK2017B06）；寧夏大學研究生創新項目（GIP2020084）

喬成龍，研究方向為生態遙感。Email：chenglongqiao93@.163com

杜靈通，博士，研究員，研究方向為資源環境遙感。Email：dult80@qq.com