古尔班通古特沙漠南缘梭梭(Haloxylon ammodendron)群落能量平衡及蒸散特征

李传金,胡顺军,郑博文

1 中国科学院新疆生态与地理研究所, 荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 乌鲁木齐 830011

2 新疆阿克苏农田生态系统国家野外科学观测研究站, 阿克苏 843000

3 中国科学院大学, 北京 100049

蒸散同时发生在地表能量传输过程和地表水文循环过程之中,并影响着地表生态系统和环境变迁。区域蒸散发包括水面蒸发、土壤蒸发和植被蒸腾,它受到气象因子(气温、气压、湿度等)、下垫面类型、地表结构及粗糙度等因素的影响[1]。沙漠蒸散作为干旱区荒漠生态系统水量平衡和能量平衡的主要平衡项,是连接其生态过程和水文过程的重要纽带[2]。古尔班通古特沙漠深居亚欧大陆腹地,是我国最大的以固定与半固定沙丘为主的沙漠,远离海洋,降水稀少,蒸发强烈,地下水位埋深大,土壤含水量低。梭梭是古尔班通古特沙漠分布最广的荒漠灌木,耐干旱、贫瘠、严寒和高温,抗盐碱和风沙,具有较强的荒漠环境适应能力[3]。因此,研究梭梭群落蒸散发对防止干旱区沙漠水资源无谓耗散,揭示其水分循环和能量平衡特点,实现水、经济及生态的和谐发展等具有十分重要的意义。

波文比-能量平衡法是英国物理学家Bowen[4]提出的一种测定蒸散量的方法,其理论基础是地面能量平衡与近地层梯度扩散理论。该方法的物理概念明确,理论基础可靠,计算方法简单,对大气层没有特别的要求和限制,通常情况下精度较高,常作为检验其它蒸散量计算方法精度的判别标准[5-7]。长期以来,国内外许多学者运用波文比-能量平衡法对干旱条件下不同植物的蒸散和热量平衡做了大量研究,闫人华等[8]根据2010年7—9月波文比能量观测系统观测的天山北麓绿洲-荒漠过渡带芨芨草地的小气候资料,分析了该地区不同天气条件下地表能量及其能量分配日变化特征,结果表明晴天、阴天、雨天地表能量分量曲线分别呈单峰型、多峰型、偏峰型变化特征；司建华等[9]利用波文比-能量平衡法对额济纳绿洲柽柳种群2003年5—10月的蒸散量进行了测定,结果表明在晴朗无云的条件下, 蒸散速率日变化呈单峰型,蒸散与风速呈正相关；此外,张振宇等[10]、高冠龙等[11]、Peacock等[12]也利用波文比-能量平衡法分别对干旱地区向日葵、苦豆子、芦苇等植物的能量平衡及蒸散进行了试验分析,均取得了较好的研究成果。梭梭作为荒漠生态系统优势种[13],有关梭梭林蒸散及能量平衡方面的研究却很少,张晓艳等[14]利用涡度相关法测定了2014年7月—2015年6月民勤绿洲-荒漠过渡带梭梭人工林的蒸散量,结果表明梭梭蒸散呈先增加后减小的趋势；王泽锋等[3]利用水量平衡法测定了古尔班通古特沙漠南缘2016年梭梭生长季的蒸散量,结果表明蒸散特征呈多峰变化。目前对于古尔班通古特沙漠南缘梭梭群落能量平衡和蒸散的日、季节变化特征等都缺乏较为全面的认识和了解。

在前人研究的基础上,本文基于2018年古尔班通古特沙漠南缘站点的实际观测资料,利用波文比-能量平衡法,对该地区梭梭群落能量平衡分量特征、不同天气条件下的蒸散变化特征和季节蒸散规律进行全面分析,进一步增强对古尔班通古特沙漠南缘梭梭群落能量循环及蒸散变化过程的基本认识,为梭梭群落植被保护、受损生态系统的恢复提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于古尔班通古特沙漠南缘(44°22.63′ N,87°55.21′ E,海拔400 m左右)(图1)。该区属温带荒漠气候,年平均降水量128.7 mm,冬春两季降水量约占全年降水量的30%—45%,冬春季的积雪时间可达4个月；年潜在蒸发量约为2000 mm；年平均气温7.19℃,极端最高气温41.5℃,极端最低气温-37℃[15-16]。土壤质地单一,为典型沙漠风沙土,土壤干容重1.52—1.67 g/cm3,潜水位埋深9—10 m[17]。丘间地植被以梭梭为主,地表覆盖植被种类有200余种,多为角果藜、沙蒿以及叉毛蓬等草本植物和短命植物,部分地表覆盖有荒漠结皮[16,18-19]。

图1 试验区位置及波文比仪器图

1.2 研究方法

1.2.1数据来源

试验观测于2018年4月1日—10月31日,在古尔班通古特沙漠南缘北沙窝试验场选择相对平坦开阔的丘间地安装波文比系统(Campbell Scientific Inc, USA),监测气象和辐射数据。该系统主要由数据采集器(CR100-XT)、净辐射仪(NRLITE)、高精度温湿度探头(083D-1-6)、风向传感器(020C-1-L25)、土壤热通量板(HFP01-L-L35)、风速传感器(010C-1-L25)等组成。数据采集器和传感器由蓄电池和太阳能板提供电能；净辐射仪安装在离地面3.5 m处；上下两层温湿度探头安装高度为离地面3 m和5 m；风速探头安装高度为离地面2 m；共有两个土壤热通量板,分别埋于地下3 cm和5 cm。数据采集器设定5 s采集一次数据,取10 min的平均数作为一次记录。梭梭群落的植被盖度为20%—30%,在梭梭生长旺盛期,平均冠幅为199 cm×192 cm[3]。

1.2.2数据处理方法

根据能量守恒原理,下垫面能量平衡方程为[20]：

Rn=λET+H+G+AD+PH+M

(1)

式中,Rn为净辐射量(W/m2)；λET为潜热通量(W/m2),λ为汽化潜热(J/kg),ET为蒸散量(kg m-2s-1)；H为显热通量(W/m2)；G为土壤热通量(W/m2)；AD为由平流作用引起的能量水平交换量(W/m2)；PH为光合作用引起的能量转换量(W/m2)；M为其它能量转换量(W/m2)。

当下垫面均一,且面积较大时,气象要素的铅直梯度远比水平梯度大,由平流作用产生的能量水平交换项AD可略去不计。此外,由于PH项和M项的总和通常比测量能量平衡主要分量时的实际误差还要小,一般情况下也可以忽略,则式(1)可以简化为：

Rn=λET+H+G

(2)

根据边界扩散理论,蒸发面上的水汽、热量扩散可用以下方程描述：

(3)

(4)

式中,ρ为空气密度(kg/m3)；P为大气压(kPa)；Cp为空气定压比热(J kg-1K-1)；Kw和Kh分别为λET和H输送的湍流交换系数(m2/s)；∂e/∂z为水汽压梯度(kPa/m),∂T/∂z为温度梯度(℃/m)。

根据相似理论,假设Kw=Kh,同时引用波文比β,即H与λET的比值,并将微分化为差分得：

(5)

式中,ΔT(上层温度减下层温度)为两个高度的温度差(℃),ΔT大于0表示逆温；Δe(上层湿度减下层湿度)为两个高度的水汽压差(kPa),Δe大于0表示逆湿；γ为湿度计系数(kPa/℃),其计算公式为：

(6)

那么λET与H可以写为：

(7)

(8)

为消除波文比-能量平衡法在实际应用中出现较大的估算误差,满足以下条件之一的数据被剔除[8]：1)β→-1；2)Rn-G>0时,ΔT>-(λ/γCp)Δe；Rn-G<0时,ΔT<-(λ/γCp)Δe。缺失数据采用线性内插法进行补充。用Excel软件整理统计数据,Origin软件制图。

2 结果与讨论

2.1 能量平衡分量日变化特征

选取2018年4月13日、7月28日和9月16日3个晴天,作为梭梭萌发期、旺盛期和枯落期的典型日,分析古尔班通古特沙漠南缘丘间地梭梭群落能量平衡的日变化特征。

梭梭生长季晴天净辐射(Rn)日变化如图2所示。生长季各时期晴天Rn均呈单峰状分布,梭梭生长萌发期和旺盛期的Rn明显高于枯落期,这与白云岗等[21]、马虹等[22]和颜廷武等[23]的研究结果一致。白天Rn随着太阳高度的增加而增加,最高值出现在13:30左右,梭梭生长萌发期最大值为544 W/m2,旺盛期次之(482 W/m2),枯落期最小(419 W/m2)。由于太阳直射点南移,梭梭枯落期日平均净辐射通量最低,为71.14 W/m2,分别为梭梭萌发期和旺盛期的62.8%和59.6%。在沙漠生态系统中,从外界获得的能量主要是Rn,它是植被蒸散的热力驱动因子,用于沙漠植被蒸散消耗、加热土壤和空气热交换。

图2 太阳净辐射典型日变化

图3表示梭梭生长季土壤热通量(G)的日变化。由图发现,G在日出前达到一天内的最小值,梭梭生长萌发期最小值为-32 W/m2,旺盛期为-16 W/m2,枯落期为-30 W/m2。白天,G随着Rn的增加而增加,变化明显,最大值出现在15:30左右,比Rn推迟2 h,所呈现的滞后性与白云岗等[21]、李英年等[24]和王建雷等[25]的研究结果一致；深夜时G相对有所升高,这可能与水汽凝结、升华(蒸发)耗热和地-气能量交换有关。梭梭萌发期G最大值为90 W/m2,枯落期G最大值为55 W/m2,旺盛期G最大值为52 W/m2。整个生长季G从11:00后开始为正值,吸收热量,G在各阶段转为负值的时间不同,萌发期和枯落期在20:30—21:30后转为负值,而旺盛期持续吸收热量时间较长,直到23:30后G才转为负值。G在梭梭生长萌发期变化幅度较大,旺盛期和枯落期变化幅度小。在沙漠生态系统中,G也是沙漠植被蒸散的驱动因子,它可以反映不同生态系统土壤温度变化特征以及气候特征,也可以反映土壤获得能量的强弱[26]。因此,研究梭梭群落G的变化特征可以更好地了解该地区气候变化以及区域内能量收支平衡,为梭梭群落的生存防护提供参考价值。

图3 土壤热通量典型日变化

波文比(β)为H和λET之比,H大,λET小,则β大于1,反之,β小于1。图4表示梭梭生长季β日变化过程。由图看出,梭梭生长旺盛期β全天变化稳定,在夜间有轻微波动。梭梭生长萌发期和枯落期8:00—18:30(白天)的β大小分别在1.51—7.21和1.05—7.26变化较小,而在19:00—次日07:00波动较大,变化复杂。夜间H和λET数值较小,且在正负值之间变化相对频繁,H和λET的微小变化都可能引起β的剧烈变化。梭梭生长萌发期、旺盛期和枯落期β大于1的占比分别为50.7%、76.4%和45.2%,表明沙漠下垫面长期处于干旱状态,梭梭水分亏缺,蒸散受到抑制,湍流通量以H为主。β表征大气-地表能量交换特征,荒漠生态系统中λET和H之间具有重要的交互作用,在潜热蒸发消耗能量时,地表降温,地表与临近空气温差增大。因此,在干旱条件下荒漠生态系统中H占有主导地位[27]。

图4 波文比典型日变化

2.2 典型日蒸散特征

不同生长阶段、不同天气条件下梭梭群落蒸散量的日内变化如图5所示。从图中看出：旺盛期晴天(7月28日)和阴雨天(7月24日)蒸散量的日变化均呈双峰型曲线,且峰值明显,萌发期晴天(4月13日)、阴天(4月18日)和枯落期晴天(9月16日)、阴天(9月24日)变化趋势相似,呈波动幅度较小的单峰型曲线变化,且峰值均较小。

图5 典型日蒸散强度变化

旺盛期晴天8:00左右,梭梭群落开始蒸散并迅速增大；12:00左右蒸散强度达到最大(0.10 mm/h),随后蒸散强度呈微弱减小趋势,15:00左右蒸散强度达到一天内的次高峰(0.09 mm/h),随后迅速减小,21:00左右蒸散强度达到最小(-0.03 mm/h),由于气温的突然降低和空气湿度的增大,蒸散表现为凝结过程,此后蒸散强度有小幅度上升并维持在一个较低水平。晴天时上午和下午蒸散强度呈对称型,而阴雨天梭梭群落日蒸散表现得较为复杂,降雨时,虽然温度较低,但水分补充相对较充足,蒸散量仍然很大。在梭梭生长萌发期和枯落期,阴天和晴天蒸散量日变化趋势相似,因受云、气温以及降雨等的影响,蒸散强度波动幅度小,在-0.02—0.02 mm/h间变化,总体表现为日出前蒸散强度较低,日出后蒸散强度渐增,至日落后蒸散强度逐渐降低,20:00后,由于萌发期和枯落期气温、风速以及土壤水分的不同,导致蒸散强度略有差异。

2.3 季节蒸散特征

在梭梭整个生长季(4—10月),梭梭群落蒸散量为279.67 mm,日均蒸散强度1.31 mm/d,图6反映了梭梭群落蒸散强度的季节变化。如图所示,夏季(6—8月)蒸散量最大,春季(4—5月)次之,秋季(9—10月)最小；蒸散强度随梭梭不同生长阶段具有明显变化,4月至7月呈增加趋势,7月至10月呈减少趋势,最大值出现在7月,最小值出现在10月。4月平均蒸散强度0.83 mm/d,蒸散总量为24.93 mm；5月平均蒸散强度1.38 mm/d,并出现次高峰,蒸散总量为42.82 mm；6月梭梭进入生长旺盛期,但蒸散强度却减小到1.02 mm/d,蒸散总量降低至30.51 mm；7月和8月气温升高,梭梭处于生长旺盛期,蒸腾作用强烈,7月平均蒸散强度达到最大2.39 mm/d,且蒸散总量最大(74.02 mm)。9月气温降低,净辐射量减小,梭梭生长进入枯落期,蒸散强度急剧减小到0.82 mm/d,10月蒸散强度减小到0.62 mm/d。

图6 梭梭群落蒸散季节变化

蒸散主要受气象、植物特性和土壤三大因素的影响,当土壤水分供应充分时,蒸散只取决于气象和植物因素,当土壤水分不充足时,蒸散受上述3种因素的制约[28-30]。梭梭生长季0—400 cm土体土壤贮水量(图7)变化在130—140 mm之间,水分胁迫影响严重,梭梭群落的蒸散受到气象、自身生长特性以及土壤水分的影响。

图7 土壤贮水量变化

梭梭在6月进入生长旺盛期,蒸散也进入旺盛阶段,从图6中明显看出6月的蒸散量却急剧下降到30.51 mm,且低于5月的蒸散量。这是因为4—5月随着Rn升高,冻土全面融化,蒸散逐月增加,6月30 d中阴雨天气占据多数(图8),只有8 d是晴天,由于光照条件不足,Rn较5月份降低,梭梭群落蒸散受到抑制；由图9可以发现,生长季λET和H占据了Rn的主体,6月H大于λET,即用于空气热交换的能量大于用于梭梭蒸散的能量,所以6月蒸散总量呈现下降的趋势。受水分胁迫的影响,梭梭整个生长时期的H大于λET；7—8月虽然Rn呈下降趋势,但梭梭生长状况良好,其生物学特性是这两个月蒸散量较大的主导因素,且此阶段内λET大于H,与其余生长阶段相反。9—10月梭梭进入生长枯落期,随着水分、温度等条件的缺乏,生理活动微弱,蒸散也处于较低水平。梭梭蒸散的季节变化特征与干旱区草地[10]、柽柳[31]蒸散的季节变化特征相类似。

图8 天气状况变化

图9 净辐射能的分配特征

3 结论

(1)梭梭生长季各时期净辐射的日变化均呈单峰状分布,最高值出现在13:30左右,萌发期和旺盛期的净辐射高于枯落期；土壤热通量总体也呈单峰状分布,最大值出现时间比净辐射滞后2 h；波文比在旺盛期全天变化稳定,在萌发期和枯落期白天波动幅度小,夜间波动较大,且显热通量在生长时期内占据主导。

(2)在晴天和阴雨天条件下,旺盛期梭梭群落日内蒸散强度变化幅度较大,呈双峰型曲线,萌发期和枯落期变化幅度较小,呈单峰型曲线；旺盛期的日均蒸散强度大于萌发期和旺盛期。

(3)2018年古尔班通古特沙漠南缘梭梭群落生长季(4—10月)蒸散量为279.67 mm,日均蒸散强度1.31 mm/d。季节蒸散总体呈夏季>春季>秋季的变化特征,蒸散强度随梭梭不同生长阶段具有明显变化,最大值、最小值分别出现在7月和10月。