科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)水熱通量特征及影響驅(qū)動(dòng)因子

張思敏,郝麗娜,2,3,童 新,2,3,賈天宇,張亦然,馬 擴(kuò),倫 碩,劉廷璽,2,3* (.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0008；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0008；3.黃河流域內(nèi)蒙段水資源與水環(huán)境綜合治理協(xié)同創(chuàng)新中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0008；.內(nèi)蒙古水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0008)

旱地生態(tài)系統(tǒng)(干旱和半干旱)覆蓋了世界陸地表面的40%以上[1].由于自然因素和人類活動(dòng)的綜合影響,科爾沁沙地的地表形成了沙漠般的沙丘景觀.不同類型的沙丘具有特定的地貌特征和植被類型.科爾沁沙地作為中國(guó)北方典型的半干旱沙地,降雨量少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、生態(tài)環(huán)境脆弱、受人類活動(dòng)影響嚴(yán)重[2].但沙丘生態(tài)系統(tǒng)具有重要的生態(tài)功能和經(jīng)濟(jì)價(jià)值.隨著人類活動(dòng)的不斷擴(kuò)張,荒漠化等環(huán)境問題也日益嚴(yán)重,因此對(duì)科爾沁沙地的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究和保護(hù)顯得尤為重要.水熱通量是沙丘生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)過程之一,其是指在生態(tài)系統(tǒng)中水分和熱量的傳輸過程,是生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)移和物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ),維持生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性方面具有重要作用[3].通過了解沙丘生態(tài)系統(tǒng)水熱通量的運(yùn)移規(guī)律,深入了解該生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境和生態(tài)功能,可為干旱半干旱地區(qū)荒漠化防治,維護(hù)沙地植被生態(tài)環(huán)境提供理論基礎(chǔ).

渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)(EC)是直接監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)能量通量的關(guān)鍵觀測(cè)系統(tǒng)之一[4].基于微氣象學(xué)原理,通過估計(jì)垂直風(fēng)速和質(zhì)量或能量波動(dòng)標(biāo)量的高頻測(cè)量協(xié)方差,EC 能直接測(cè)量植被冠層和大氣之間能量和質(zhì)量交換通量[5].自EC 問世以來,特別是隨著AmeriFlux 和FLUXNET 等監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立,EC 有望成為碳水循環(huán)年際變化的可靠基準(zhǔn)[6],并將這些變化與過程和機(jī)制聯(lián)系起來[7].目前全世界已經(jīng)建立了成熟的通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),能夠在不同的下墊面條件和空間尺度上進(jìn)行長(zhǎng)期通量觀測(cè)[8].

地表能量通量是地表與大氣之間能量交換中至關(guān)重要的部分[9].對(duì)能量組分的特征的分析,有助于揭示生態(tài)系統(tǒng)水和能量平衡的過程.能量平衡分布的季節(jié)過程與植被物候密切相關(guān).在美國(guó)愛達(dá)荷州斯內(nèi)克河流域半干旱區(qū),艾屬灌木、竊草和黑松生態(tài)系統(tǒng)的能量分布特征在不同季節(jié)存在差異[10].生長(zhǎng)季潛熱通量(LE)占較大比重,而非生長(zhǎng)季凈輻射通量(Rg)主要轉(zhuǎn)化為感熱通量(H).除植被蓋度外,積雪和融化通過減少入射短波輻射間接影響H的變化.

本研究基于渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)(EC)對(duì)2013～2022 年科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)季節(jié)能量通量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),通過量化能量平衡閉合度情況,揭示能量通量的年際、季節(jié)和日尺度變化及分布特征,研究環(huán)境因素對(duì)能量通量的驅(qū)動(dòng)機(jī)制.加深對(duì)研究區(qū)能量交換機(jī)制的理解,從而為沙地的綜合管理和生態(tài)保護(hù)提供參考.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科左后旗科爾沁沙地東南部的阿古拉生態(tài)水文試驗(yàn)站,(122°33′00″～122°41′00″E,43°18′48″～43°21′24″N),面積為55km2(圖1).地勢(shì)地貌從南到北變化明顯,南部和北部的沙丘過渡到中部的農(nóng)田、草地和湖泊.氣候特征為半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候,盛行西南風(fēng),平均風(fēng)速為3.6m/s,平均降水量為371.1mm,平均蒸發(fā)量1412mm(φ20cm 蒸發(fā)皿),年平均氣溫6.6℃,年平均相對(duì)濕度55.8%.

圖1 研究區(qū)地理位置示意及風(fēng)頻和風(fēng)速分布Fig.1 Geographical location of the study area and wind frequency and speed distribution

本研究的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域位于研究區(qū)東北部的典型沙丘生態(tài)系統(tǒng)(圖1 中的A4),地理坐標(biāo)為(43°20′57″N,122°39′18″E),海拔205m.周圍生長(zhǎng)的主要植被類型為差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、人工種植楊樹(Populus)和小葉錦雞兒(Caragana microphylla).土壤類型為砂土,降水是地下水補(bǔ)給的主要形式.

1.2 野外觀測(cè)

在該站點(diǎn)布設(shè)了開路渦度相關(guān)系統(tǒng)(EC)和波文比氣象土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等設(shè)備.

EC 系統(tǒng)安裝在4.95m 的高度,主要由一個(gè)開路紅外氣體分析儀(LI-7500, Li-COR, Inc., Nebraska, USA)和一個(gè)三維超聲風(fēng)速儀(CSAT-3, Campbell Scientific,Inc., USA)組成.氣體分析儀測(cè)量空氣中二氧化碳和水蒸氣的濃度,而超聲風(fēng)速儀測(cè)量三維風(fēng)速(u、v和w)和聲波溫度(Ts).采樣頻率為10Hz,數(shù)據(jù)記錄間隔為30min,使用數(shù)據(jù)采集器(CR3000, Campbell Scientific,Inc., USA)收集并存儲(chǔ).為保證EC 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好,根據(jù)LI-COR 公司的說明手冊(cè),定期對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、氣路清潔和光路清潔等維護(hù)工作.

波文比氣象土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與EC 系統(tǒng)安裝在同一測(cè)量塔上,對(duì)氣象土壤環(huán)境變量進(jìn)行同步觀測(cè).包括安裝在2, 5 和10m 高度的空氣溫濕度傳感器(HMP45C, Campbell Scientific, Inc., USA),以及安裝在2, 3.5 和10m 高度的風(fēng)速和風(fēng)向傳感器(034B,Campbell Scientific, Inc., USA).同時(shí)在觀測(cè)塔上安裝了四分量?jī)糨椛鋬x(NR-LITE, Campbell Scientific,Inc., USA)和光合有效輻射儀(LI190SB, Campbell Scientific, Inc., USA)用于測(cè)量向上和向下的長(zhǎng)波和短波輻射以及光合有效輻射.在測(cè)量塔10m 范圍內(nèi)不同方向的兩個(gè)位置挖掘剖面并埋設(shè)傳感器(CS655, Campbell Scientific, Inc., USA),用于測(cè)量地下10, 20, 40, 80, 120, 160 和200cm 深處的土壤體積含水率、土壤溫度和電導(dǎo)率.土壤熱通量傳感器(HFP01SC, Campbell Scientific, Inc., USA)安裝在10,20 和40cm 深的地方.由翻斗式雨量筒(TE525MM,Campbell Scientific, Inc., USA)自動(dòng)監(jiān)測(cè)降雨數(shù)據(jù).氣象數(shù)據(jù)每10min 自動(dòng)記錄并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)采集器中(CR1000, Campbell Scientific Inc., USA).

1.3 數(shù)據(jù)處理

基于LoggerNet4.5.0.1 軟件(www.campbellsci.com.cn/Loggernet),將EC 系統(tǒng)觀測(cè)的10Hz原始數(shù)據(jù)切割成單獨(dú)的數(shù)據(jù)文件獲得30min 的通量數(shù)據(jù);對(duì)數(shù)據(jù)切割后的文件數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化[11];最后對(duì)相鄰數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和集成以及格式轉(zhuǎn)換(TOA5-TOB1).應(yīng)用EC 技術(shù)的理想條件是下墊面具有統(tǒng)一的水平面、穩(wěn)定的氣流和較低的植被粗糙度,而實(shí)際下墊面具有不規(guī)則的地形和不均勻性.采用LI-COR 開發(fā)的EddyPro6.0.0 軟件(www.licor.com/Eddypro)執(zhí)行一系列校正計(jì)算的質(zhì)量控制,包括異常值檢測(cè)和剔除[12]、頻率損失修正、超聲虛溫修正、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)修正[13]、密度修正(WPL)[14]、以及標(biāo)記數(shù)據(jù)質(zhì)量的“0-1-2 系統(tǒng)”[15].

使用“REddyProc”(https://www.bgc-jena.mpg.de/bgi/index.php/Services/REddyProcWeb)進(jìn)行進(jìn)一步的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制(QA/QC),過濾不良質(zhì)量的通量數(shù)據(jù)[16],估計(jì)閾值填補(bǔ)空缺數(shù)據(jù).該工具提供了三種填補(bǔ)缺失值的方法:即查表法(LUT)[17]、平均日進(jìn)程法(MDC)和邊際分布抽樣法(MDS)[18].MDS算法用于所有間隙,以增加窗口大小,確保有足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)可用于填補(bǔ)間隙[19].

1.4 能量平衡閉合評(píng)估

能量平衡閉合是判定EC 系統(tǒng)運(yùn)行狀況和數(shù)據(jù)可靠程度的常用指標(biāo).陸地生態(tài)系統(tǒng)的絕對(duì)能量平衡殘差A(yù)EBR(W/m2)表達(dá)式如下[20-21]:

式中:Rg是凈輻射通量, W/m2;H是顯熱通量, W/m2;LE 為潛熱通量, W/m2;G是土壤熱通量, W/m2;S是儲(chǔ)能項(xiàng)W/m2.通量測(cè)量高度以下存儲(chǔ)的S很難準(zhǔn)確確定,它包括植被冠層蓄熱(CS)和表層土壤蓄熱(SS).CS 由標(biāo)準(zhǔn)EddyPro 軟件從10Hz 數(shù)據(jù)估計(jì),SS的計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[22].

目前常用的兩種能量平衡閉合評(píng)價(jià)方法包括最小二乘線性回歸法(OLS)和能量平衡比率法(EBR),由湍流通量非缺失值(H+LE)與有效通量非缺失值(Rg-G)計(jì)算,表達(dá)式[23]如下:

式中:a為斜率,b為截距.

本研究中使用OLS 方法,基于0.5h 尺度的數(shù)據(jù),評(píng)價(jià)不同年份的能量閉合情況.a越接近于1,表示能量閉合程度越高,而R2越高,表明系統(tǒng)受到的隨機(jī)誤差越小.采用EBR 驗(yàn)證月尺度與年尺度的能量閉合情況,EBR等于1意味著能量完全閉合.根據(jù)已有的研究表明,能量不閉合程度的合理范圍在10%～30%之間[24].

2 結(jié)果與分析

2.1 能量通量日變化特征

根據(jù)不同的植被類型和下墊面條件,陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間的熱量和水蒸氣交換能力存在差異,導(dǎo)致不同生態(tài)系統(tǒng)的能量通量分布比例各不相同.以科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)各能量通量的日變化曲線呈單峰型二次曲線,總體呈現(xiàn)出早晚較小、中午較大的趨勢(shì),如圖2a所示.各年日Rg峰值均出現(xiàn)在 11:00～12:00 之間,2022 年峰值(401.03W/m2)最大,2016 年峰值(337.03W/m2)最小.相較于Rg的日動(dòng)態(tài)曲線,H、LE 和G的日動(dòng)態(tài)曲線相似,變化幅度較小,G的峰值出現(xiàn)時(shí)間具有滯后性,2019 年滯后性較明顯.

圖2 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)能量通量的日變化Fig.2 Diurnal variation of energy flux in the dune ecosystem of Horqin Sandy Land

能量分布主要基于H和LE,日出前H/Rg和G/Rg的波峰與LE/Rg的波谷互補(bǔ);日出后三者的變化趨勢(shì)基本一致.在日出和日落前后,能量成分的方向和大小發(fā)生了顯著變化,相對(duì)于其他時(shí)間段,這兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的能量分配比曲線出現(xiàn)了急劇的變化,觀察到了較大的波峰或波谷.

波文比β可以有效描述空氣的穩(wěn)定性,表征大氣表面能量交換特征.由圖2c可知,在08:00 ～ 16:00時(shí)段,不同年份的β值均大于1,且在正午達(dá)到峰值,表明在此期間,H是Rg的主要分布,這與能量分布曲線所反映的情況一致.

為了深入了解沙丘生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡在不同季節(jié)內(nèi)的變化趨勢(shì),對(duì)春季(4～5 月)、夏季(6～8月)和秋季(9～10 月)的季平均能量通量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,并分析了它們的日動(dòng)態(tài)過程.圖3 結(jié)果表明,各季節(jié)的所有能量成分均以Rg為基礎(chǔ),呈現(xiàn)單峰曲線變化.H和LE 都顯示出與Rg相似的日變化特征.LE 波動(dòng)較大可能與間歇性湍流和夜間湍流的低估有關(guān).在春季,由于Rg顯著增加,地表植被開始復(fù)蘇,地表相對(duì)裸露,土壤解凍和冰雪融化,土壤導(dǎo)熱性良好,下墊面比熱相對(duì)較大,導(dǎo)致這一時(shí)期的H相對(duì)較大.LE 與植被蒸騰作用密切相關(guān),受地表溫度、土壤水分和下墊面飽和水汽壓的影響.在夏季,降雨量多、日照充足,植被蒸騰作用強(qiáng),空氣濕度較大,大部分能量用于水汽傳輸,因此LE 較大.而感熱通量H在秋季增大,這是由于降雨減少和土壤溫度降低導(dǎo)致的.土壤熱通量G來源于太陽輻射,日變化和Rg相似,但在時(shí)間上表現(xiàn)滯后,這受土壤物理性質(zhì)的影響,因?yàn)椴煌竟?jié)土壤性質(zhì)、土壤含水量和植被覆蓋度各不相同,所以G表現(xiàn)出明顯的時(shí)空變化.

圖3 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)4～10 月各季節(jié)能量通量的日變化Fig.3 Diurnal variation of seasonal energy flux in the dune ecosystem of Horqin Sandy Land from April to October

2.2 能量通量季節(jié)變化特征

在月時(shí)間尺度上,沙丘生態(tài)系統(tǒng)的能量通量變化呈現(xiàn)相似的趨勢(shì),形成了近似單峰型的曲線,如圖4 所示.受到中小尺度天氣變化的影響,各通量呈現(xiàn)一定程度的鋸齒狀波動(dòng),特別是在降雨多發(fā)期.2018～2020 年6、7 月份的Rg略高于2013～2017年同期,這與空氣溫度的變化趨勢(shì)一致,觀察到各年份H的變化與Rg趨于同步.LE 代表蒸散耗熱,與水分蒸發(fā)熱量的增加密切相關(guān),波動(dòng)與土壤含水率的變化相似.各年H和LE 的波峰與波谷呈現(xiàn)互補(bǔ)態(tài)勢(shì).淺層土壤濕度波動(dòng)較大的年份,G的變化較明顯,在數(shù)值上比其它成分小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí).

圖4 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)的月累積能量通量Fig.4 Monthly cumulative energy flux of dune ecosystem in Horqin Sandy Land

2.3 能量通量年際變化和波文比

在2013～2022 年間,生態(tài)系統(tǒng)的群落類型發(fā)生了變化,導(dǎo)致蒸散發(fā)和熱傳導(dǎo)的能力差異顯著,因此生態(tài)系統(tǒng)獲得Rg能量后,能量在系統(tǒng)內(nèi)的分配變化特點(diǎn)各異.圖5 顯示,2022 年Rg的總累積量(1800MJ/m2)最高,而2014 年(1465MJ/m2)最低.在年時(shí)間尺度上,能量特征表明在 2013、2015 和2019 年能量分配方向?yàn)長(zhǎng)E 大于H,其余5 年均是H大于LE.不同時(shí)期土壤理化性質(zhì)不同,土壤熱導(dǎo)率不同,影響土壤吸熱散熱,進(jìn)而在熱源/熱匯上也有差異.該研究區(qū)10 年間土壤均為熱匯,這表明整體上能量主要在土壤表層或從大氣向土壤深層傳遞.

圖5 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)的年累積能量通量Fig.5 Annual cumulative energy flux of dune ecosystem in Horqin Sandy Land

生長(zhǎng)季的能量收支比情況為:2013、2015、2019、2021 和2022 年LE 在生長(zhǎng)季生態(tài)系統(tǒng)能量中占主導(dǎo),分別占生長(zhǎng)季Rg的41%、41%、42%、45%和52%,而其余5 年生長(zhǎng)季則是H占主導(dǎo)作用,分別占生長(zhǎng)季Rg的47%(2014)、45%(2016)、40%(2017)、36%(2018)和39%(2020).

波文比β是感熱通量H和潛熱通量LE 的比值(H/LE),是陸面過程研究中的重要參數(shù),能夠反映地表能量交換特征,影響著地表和大氣間的能量交換,在眾多陸面過程相關(guān)分析中,波文比一直受到廣泛關(guān)注[25].在沙丘生態(tài)系統(tǒng)中,各年β整體呈現(xiàn)U型趨勢(shì),其中4 月和9 月的波動(dòng)較為顯著,而5～9 月期間波動(dòng)相對(duì)平緩.圖6 中可看出,2013、2015 和2016 年β變化相對(duì)較平緩,各年中β沒有明顯的月度變化規(guī)律.在生長(zhǎng)季中,月平均β的范圍在(2013)0.97～(2017)1.69之間變化,在整個(gè)10年的生長(zhǎng)季中,年均β值為1.30.

圖6 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)的波文比月變化Fig.6 Monthly variation of Bowen ratio of dune ecosystem in Horqin Sandy Land

2.4 能量平衡分析

許多研究表明在渦度相關(guān)法的觀測(cè)中能量不閉合問題普遍存在,這可能是由于測(cè)量誤差、數(shù)據(jù)不完整或其他因素導(dǎo)致的.本研究采用OLS 和EBR方法分析了EC 法測(cè)量的湍流能量(H+LE)和有效能量(Rg-G)的閉合性.如圖7 所示,2015 年EBR 整體均呈較好的態(tài)勢(shì),介于0.80～0.92 之間,在各年中EBR 觀察到明顯的月變化規(guī)律,其中5 月到9 月波動(dòng)較平緩.

圖7 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)能量累積和閉合的月變化Fig.7 Monthly variation of energy accumulation and closure of dune ecosystem in Horqin Sandy Land

之后對(duì)沙丘生態(tài)系統(tǒng)10 年的能量平衡進(jìn)行了線性回歸分析.在30min 的時(shí)間尺度上,各年湍流能量(H+LE)和有效能量(Rg-G)平衡的閉合線性回歸分析結(jié)果如圖8 所示.通過擬合各年H+LE 和Rg-G得到回歸方程的回歸系數(shù)范圍為0.61～0.72,年平均值為0.67;截距范圍為4.42～19.76W/m2,年平均值為16.95W/m2;相關(guān)系數(shù)(R2)范圍為0.78～0.92,年平均值為0.87.各年年均EBR 介于0.75～0.90 之間,10 年年均EBR 為0.87,說明能量平衡閉合度的殘差為13%;其中2015 和2022 年EBR 最大為0.90,2018 年EBR最小為0.75.

圖8 沙丘生態(tài)系統(tǒng)(Rg-G)與(H+LE)之間的關(guān)系Fig.8 The relationship between dune ecosystem(Rg-G) and(H + LE)

2.5 能量通量的影響因素

2.5.1 環(huán)境變量對(duì)能量通量的影響 沙丘生態(tài)系統(tǒng)的2013～2022 年期間的月降雨量呈現(xiàn)單峰變化的趨勢(shì),如圖9 所示,年均降雨量為377.05mm,其中2013 和2019 年的年降雨量達(dá)到480mm;而2020 年則經(jīng)歷了干旱少雨,年降雨量?jī)H為230.9mm.降雨主要集中在5～8 月,占全年總量的81%.在強(qiáng)降雨的月份,土壤體積含水率也顯著增加.不同深度的土壤對(duì)降雨的響應(yīng)程度各不相同,淺層土壤的體積含水率對(duì)降雨量的變化更為敏感.而隨著土壤深度的增加,土壤體積含水率對(duì)降雨的響應(yīng)會(huì)有所延遲,并且變化幅度相對(duì)較小,特別是與淺層土壤相比.

圖9 月累積降雨量和不同深度土壤的月平均體積含水率Fig.9 Monthly cumulative rainfall and monthly average volumetric water content of soil at different depths

同時(shí),對(duì)研究區(qū)的一系列環(huán)境因子與通量進(jìn)行了同步監(jiān)測(cè),包括:凈輻射(Rg)、降雨量(Rain)、空氣濕度(RH)、土壤體積含水率(VWC)、空氣溫度(Ta)、土壤溫度(Ts)、飽和水汽壓差(VPD)、風(fēng)向(WD)、風(fēng)速(WS)、水汽壓(VP)和大氣壓(AP).分析水熱通量與以上環(huán)境因子之間年、季相關(guān)性,并研究與環(huán)境因子之間的響應(yīng)關(guān)系.選取2013～2022年30min的通量數(shù)據(jù)及各種環(huán)境因子平均值進(jìn)行相關(guān)性分析.

相關(guān)性分析為環(huán)境變量和能量通量之間的關(guān)系提供了重要線索(圖10).結(jié)果表明不同時(shí)期的LE、G、H和Rg均呈現(xiàn)出與RH 顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,尤其是在夏季時(shí),它們與RH的負(fù)相關(guān)顯著程度更高于其他季節(jié).此外,與VWC、Ta、Ts和VPD 之間呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系,其中與VPD 的相關(guān)性最顯著,其次是Ta、Ts和VWC.在夏季,各能量通量與Ta的顯著程度要高于其他時(shí)期,且與Ta、Ts和VPD 的顯著程度為G>H>LE>Rg,在其他季節(jié)LE 與各環(huán)境因子的相關(guān)性顯著性最高.在各時(shí)期WS 與能量通量呈現(xiàn)正相關(guān),特別是在春季,相關(guān)性尤為顯著.在春季,LE 和G與VP 呈正相關(guān),在其他時(shí)期與各能量通量都呈現(xiàn)正相關(guān),其中與LE 的相關(guān)的更為顯著.從全時(shí)期角度看Rain 和WD 與能量通量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān).

圖10 不同時(shí)期能量通量與環(huán)境因子相關(guān)性熱圖Fig.10 Correlation heat map of energy flux and environmental factors in different periods

2.5.2 植被密度對(duì)能量通量的影響 將生長(zhǎng)季平均葉面積指數(shù)作為植被密度的診斷變量.LE、H和波文比β對(duì)LAI 變化的敏感性被量化為多元線性回歸的偏導(dǎo)數(shù).圖11 顯示,LAI 的增加會(huì)顯著提高LE,盡管降雨和土壤濕度對(duì)LE 存在一定潛在的限制,但在年際時(shí)間尺度上,LAI 的增加與LE 的增加存在關(guān)聯(lián),這種關(guān)聯(lián)可以通過LAI 的復(fù)雜調(diào)整來維持,例如根系的發(fā)育、地下水的獲取以及植被物候季節(jié)的變化等因素.考慮到LE 和H代表了陸地表面能量釋放的競(jìng)爭(zhēng)途徑,H對(duì)LAI的敏感性模式與LE 相反.最終,波文比的變化與LAI 呈負(fù)相關(guān),由于較高的葉面積指數(shù)有助于通過蒸發(fā)水分耗散有效能量,從而導(dǎo)致表面冷卻,減少H.這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了年際植被控制對(duì)氣候的重要性,特別是在氣候干旱和高溫等極端事件期間,這時(shí)較高的葉面積指數(shù)通過蒸發(fā)冷卻有效抑制地表溫度的上升,對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)氣候具有重要作用.

圖11 能量通量對(duì)LAI 變化的敏感性Fig.11 Sensitivity of energy flux to LAI change ?z represents?LE and ?H

3 討論

地表能量通量分配是由可用能量轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)E 和H產(chǎn)生的,這一過程對(duì)大氣邊界層的狀態(tài)產(chǎn)生了重要影響.大氣邊界層是地球表層接觸的對(duì)流層的最低層,它扮演著調(diào)節(jié)氣象和氣候的關(guān)鍵角色.地表能量通量的分配通過調(diào)節(jié)陸地與大氣之間的相互作用,將地表的性質(zhì)變化傳播到大氣中,進(jìn)而影響全球水循環(huán)和能量平衡.基于EC 技術(shù)的陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)已成為研究全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系、反映不同時(shí)間尺度能量變化過程、揭示大氣、土壤和植被間能量平衡特征的重要手段[19,26].

研究結(jié)果表明,科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)2013～2022 年生長(zhǎng)季的年均Rg總量為1592.77MJ/m2,低于黃土高原半干旱草原(2269.23MJ/m2)[27]、亞熱帶毛竹林生態(tài)系統(tǒng)(2628.00MJ/m2)[28],高于內(nèi)蒙古溫帶荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)(1472.80MJ/m2)[29].科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)屬于典型的半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候,植被覆蓋度較低,日照充足,使得土壤基本處于干燥狀態(tài)[30],因此該生態(tài)系統(tǒng)Rg總量比其它生態(tài)系統(tǒng)低可能是受輻射強(qiáng)度及下墊面等因素的影響.生態(tài)系統(tǒng)的群落類型及下墊面情況是導(dǎo)致不同生態(tài)系統(tǒng)獲得凈輻射能量后,能量在系統(tǒng)內(nèi)分配不同的主要原因.在年際和季節(jié)尺度上,感熱通量都是消耗凈輻射的主要能量成分[31].沙地土壤含水量很小,在大多數(shù)時(shí)間里,土壤非常干燥,土壤中可以蒸發(fā)的水分非常有限[32].因此,在科爾沁沙丘生態(tài)系統(tǒng)潛熱通量小,感熱通量占主導(dǎo)地位.

地表能量平衡閉合常被用作評(píng)價(jià)通量數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)[33].根據(jù)熱力學(xué)第一定律,沙丘生態(tài)系統(tǒng)的能量預(yù)算應(yīng)該是完全平衡的.然而,當(dāng)基于EC技術(shù)時(shí)很少發(fā)生能量閉合[22].用EC 技術(shù)測(cè)量的地表湍流通量通常小于凈輻射和土壤熱通量之間的差值.在本研究地點(diǎn)能量閉合程度完全在FLUXNET和ChinaFLUX 站點(diǎn)報(bào)告的下限范圍內(nèi),即分別為0.53～ 0.99 和0.49～0.81[34].使用能量平衡比法計(jì)算各年的EBR 均高于ChinaFLUX 站點(diǎn)的能量平衡比率(0.73)和FLUXNET 站點(diǎn)的能量平衡比率(0.79).近年的研究發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致能量平衡閉合殘差的主要原因包括:(1)EC 系統(tǒng)的測(cè)量要求地表湍流相對(duì)劇烈,但夜間湍流較弱,這使得觀測(cè)到的能量值低于實(shí)際值;(2)EC 系統(tǒng)的測(cè)量要求下墊面平坦均勻,但實(shí)際下墊面通常復(fù)雜多樣,包含不同的地形或植被類型,難以滿足水平通量為零的假設(shè),這在一定程度上影響了湍流通量測(cè)量的精度[35-36];(3)地表能量的變化特征受不同氣象條件影響,因此能量平衡方程在不同情況下表現(xiàn)出顯著差異[37];(4)在計(jì)算能量平衡方程時(shí),土壤熱通量不僅包含土壤熱通量板測(cè)得的熱通量,還包括土壤蓄熱的貢獻(xiàn).岳平等[27]研究表明,當(dāng)考慮0～5cm 土壤蓄熱時(shí),閉合程度顯著提高;(5)能量平衡中的能量分量通常不是在同一平面上測(cè)量,因此觀測(cè)結(jié)果不同步,主要原因是G不同步[38].當(dāng)能量平衡分量同步且G的相位向前移動(dòng)了1h 時(shí),表面能量平衡閉合和相關(guān)系數(shù)將顯著改善[39].Yu 等[22]表示隨著大氣不穩(wěn)定性的增加,EBR 會(huì)得到改善,因?yàn)閷?duì)流沒有被抑制,EC 技術(shù)能夠捕捉渦旋.Eshonkulov 等[39]研究表明,考慮植物冠層焓變、空氣焓變、光合作用和呼吸作用的能量消耗和釋放以及大氣濕度變化,能量閉合度會(huì)得到很大的改善.雖然尚未實(shí)現(xiàn)完全的能量閉合,但這并不影響對(duì)本研究相關(guān)的能量交換特征的研究.在未來的研究中將繼續(xù)探討導(dǎo)致能量平衡不閉合的原因.

在本研究中生長(zhǎng)季月均波文比介于0.97～1.69 之間,年均波文比為1.30.而亞熱帶毛竹林生態(tài)系統(tǒng)月變化介于0.07～1.77 之間,月均波文比為0.47,年波文比為0.35[28];黃土高原半干旱草原的年波文比在0.5～3.5之間波動(dòng),年均值接近1[27].由于波文比具有一定的年際效應(yīng),由日出時(shí)間、入射凈輻射量、降雨量以及植被的生長(zhǎng)情況等的共同影響.黃松宇等人[25]的研究結(jié)果表明,在所有生態(tài)系統(tǒng)中波文比的平均值為(0.96±0.64).Lin 等[40]研究203 個(gè)FLUXNET 通量站,發(fā)現(xiàn)所有站點(diǎn)的多年平均波文比為(1.48±1.20).

環(huán)境要素是影響生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)與物質(zhì)循環(huán)的重要因素[41].水熱通量受多個(gè)環(huán)境要素的綜合影響,其中凈輻射是主要的影響因素,其次是飽和水汽壓差、空氣溫度、土壤溫度和土壤體積含水率,風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓和降雨量對(duì)水熱通量的影響相對(duì)較弱.太陽輻射為植被蒸騰以及土壤蒸發(fā)等提供汽化潛熱通量,為下墊面與大氣間湍流輸送熱量提供必要的能量[42],因此Rg對(duì)水熱通量的影響最大.VPD 影響植物的蒸騰作用和水分利用效率,同時(shí)也影響著熱平衡.VPD 較高時(shí),植物需要更多的水來保持蒸騰作用,使LE 增加,植物蒸騰作用引起的H也會(huì)增加.土壤溫度影響植被和土壤中水分的活躍程度[43],取決于土壤溫度的變化程度和時(shí)間尺度[44].較高的土壤溫度會(huì)促進(jìn)水分蒸發(fā)和植被的蒸騰作用,從而增加LE,而較低的土壤溫度會(huì)抑制水分蒸發(fā),導(dǎo)致H占主導(dǎo)地位.氣溫影響空氣飽和水汽含量和水汽擴(kuò)散速率,而下墊面與大氣間溫度梯度影響湍流輸送熱量[10];空氣濕度直接影響植被蒸騰和土壤蒸發(fā)的水汽輸送速率[45];風(fēng)能加速植被蒸騰和土壤蒸發(fā),但當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時(shí),其對(duì)植被蒸騰和土壤蒸發(fā)影響減慢,而且風(fēng)速對(duì)植被蒸騰的影響弱于土壤蒸發(fā),因此風(fēng)速的影響相對(duì)較弱.

植被結(jié)構(gòu)的變化預(yù)計(jì)會(huì)影響熱量和水分的再分配;然而,葉面積指數(shù)的變化如何影響能量分配還沒有得到量化.全球綠化導(dǎo)致波文比每10 年下降(-0.010±0.002),這是由于蒸發(fā)面增加[31].LAI 對(duì)能量通量的這種直接影響在很大程度上受植被功能類型(PFT)和背景氣候條件的調(diào)節(jié).大多數(shù)研究都致力于探索土壤濕度對(duì)地表能量分配的影響,但植被密度也可能在調(diào)節(jié)地表能量預(yù)算中發(fā)揮重要作用.與LAI持續(xù)增加相關(guān)的植被結(jié)構(gòu)和生理變化預(yù)計(jì)將影響冠層導(dǎo)電性、空氣動(dòng)力學(xué)特性和生態(tài)系統(tǒng)的反照率,最終將影響陸地和大氣之間的水和能量通量.

未來的研究方向可以包括對(duì)不同植被類型和植被覆蓋度對(duì)水熱通量的影響進(jìn)行更細(xì)致的分析,同時(shí)可以進(jìn)一步研究水熱通量與土壤有機(jī)質(zhì)和土壤氮素的關(guān)系等.我們還需要進(jìn)一步的完善測(cè)量方法和技術(shù),以減少儀器誤差和野外環(huán)境干擾等一系列的問題.

4 結(jié)論

4.1 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)2013～2022 年的年均Rg為1592.77MJ/m2,其中H、LE 和G分別為614.60, 636.22和117.76MJ/m2,表明生態(tài)系統(tǒng)的能量主要以LE 的形式交換.

4.2 波文比日動(dòng)態(tài)變化曲線呈單峰變化,均在08:00～16:00時(shí)大于1,并在12:00前后達(dá)到峰值.在年時(shí)間尺度上,生長(zhǎng)季月均波文比介于0.97～1.69 之間,年均波文比為1.30.

4.3 OLS 的回歸系數(shù)為0.67、截距為16.95W/m2、相關(guān)系數(shù)(R2)為0.87;年均EBR 為0.87,能量平衡閉合度的殘差為13%.表明利用EC 技術(shù)觀測(cè)沙丘生態(tài)系統(tǒng)獲得的通量數(shù)據(jù)是可靠的.

4.4 不同時(shí)期的能量通量均與RH 呈顯著負(fù)相關(guān),與VPD、VWC、Ta和Ts呈顯著正相關(guān),且相關(guān)程度為L(zhǎng)E>G>H>Rg.