北方典型農牧交錯帶草地開墾對地表輻射收支與水熱平衡的影響

楊 帆, 邵全琴, 李愈哲, 樊江文, 包玉海

1 中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬重點實驗室， 北京 100101 2 中國科學院大學，北京 100049 3 內蒙古師范大學地理科學學院， 呼和浩特 010022

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北方典型農牧交錯帶草地開墾對地表輻射收支與水熱平衡的影響

楊 帆1,2, 邵全琴1,*, 李愈哲1, 樊江文1, 包玉海3

1 中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬重點實驗室， 北京 100101 2 中國科學院大學，北京 100049 3 內蒙古師范大學地理科學學院， 呼和浩特 010022

以北方典型農牧交錯帶草原和農田生態系統的渦度相關數據為基礎，對比分析了生長季兩種不同土地利用類型的輻射和水熱通量之異同，揭示了草地開墾影響地表輻射收支與水熱平衡的機制。結果表明：在植被生長季(5月—9月)，草地開墾引起太陽總輻射增加了10.74%，短波反射輻射減少了14.20%，凈輻射增加了35.16%；在水熱通量方面，草地開墾引起潛熱通量日積分平均值增加了0.20MJ/m2，同時顯熱通量減少了0.09 MJ/m2；生長季內地表反照率減小，表征地表吸收太陽輻射增加，有升高氣溫的趨勢；非生長季內地表反照率增加，有降低氣溫趨勢，此外地表反照率與土壤濕度存在負指數關系；波文比在植被生長早期和末期增加，生長旺期減小，說明草地開墾與影響著近地表大氣狀態，從而改變了區域氣候。

農牧交錯帶；草地開墾；生長季； 渦度相關

干旱、半干旱區主要分布在中國北方地區[1-2]，其水熱交換具有顯著的局地性特色[3-4]。而北方農牧交錯帶是我國濕潤季風區和內陸干旱區的過渡區，與其他地區相比對氣候變化響應更為敏感[5]，其水熱狀況對植被分布具有決定性作用[6-7]，但該區域內植被條件差，土地利用變化劇烈，生態環境十分脆弱，自然災害頻發[8]。因此，在該區域內開展長期陸面過程觀測實驗，對于研究陸氣相互作用特征，全球陸地能量和水循環以及全球變化具有十分重要的實際意義。

我國在陸面過程觀測實驗已取得了許多進展，在西北干旱區[9-11]、黃土高原區[12-14]、青藏高原區[15-16]等均獲得了重要成果，一方面說明了我國不同生態系統陸氣能量轉換特征，另一方面改進了不同區域陸面過程參數化方案。然而，僅單一對某個土地類型進行通量觀測實驗不足以全面反映各區域陸氣相互作用關系。因此，不同土地利用類型的陸面過程模式成為近年學界研究熱點。李新等[17]通過在中游綠洲荒漠區非均勻下墊面的地表蒸散發觀測實驗，取得了矩陣式通量觀測數據，這為進一步探討土地利用變化如何影響陸氣相互作用提供了可能。

許多研究表明，人類活動引起的土地利用和土地覆被變化通過生物地球物理過程對地表能量平衡和氣候的影響可能比碳循環的影響還要大，而開墾是除放牧以外影響草地生態系統的最大人類活動之一[18]。這表明，土地利用變化是影響地表輻射與水熱平衡從而導致氣候變化的一個關鍵因素。而在北方農牧交錯帶，開墾是影響草原生態系統最劇烈的人類活動因素。劉紀遠等[19]經過對2000—2010年和1980年代末—2000年土地利用變化數據的對比分析，發現華北、黃土高原農牧交錯帶前10年以草地開墾為農田為主，內蒙古中東部較為集中，其次為農田轉為林草地。

本文通過設計并建設了不同土地利用類型輻射和水熱通量觀測網絡，主要用于開墾與退耕對生態系統輻射、水熱交換影響的研究，并試圖從土地利用變化角度說明草地開墾是如何影響地表輻射與水熱分配格局和能量平衡，探究其影響區域氣候變化的機理和效應。利用渦度相關系統，選擇典型草原、農田兩種不同土地利用類型的觀測資料，評價了數據的質量，分析了生長季內地表輻射及水熱通量的變化規律，揭示了草地開墾對輻射和水熱通量重新分配的過程及影響機理，為準確評估草地開墾影響陸氣間能量交換提供科學依據，并期望對生態保護及建設工程起到決策支持作用。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

北方農牧交錯帶是指以草地和農田大面積交錯出現的以典型景觀為特征的自然群落與人工群落相互鑲嵌的生態復合體，是區分半干旱區和半濕潤區的一條非常重要的生態過渡帶[20]。北方農牧交錯帶屬于中溫帶半濕潤到半干旱氣候區，地形以山地、山間谷地或盆地和丘陵為主，土壤類型以栗鈣土為主。本研究選取的2個渦動相關儀觀測站點分別位于錫盟典型草原(43°32′24″N，116°33′43″E)、農田樣地(43°35′20″N，116°45′43″E)的中心地帶，地形相對平緩。研究區屬溫帶半干旱氣候區，年平均氣壓850—950hPa，年平均氣溫0—3℃，年平均相對濕度50%—60%，年降水量200—350mm，全年盛行西南風，年平均風速4—5m/s。其中，典型草原區的主要植被類型為大針茅，農田區以旱作小麥為主，兩個觀測站點直線距離約20km(圖1)。

圖1 內蒙古農牧交錯帶生態系統類型及通量站點布設示意圖Fig.1 The ecosystem type and flux station in the typical farming-pastoral ecotone of Inner Mongolia

1.2 實驗觀測數據1.2.1 觀測方案

觀測系統從美國Campbell公司直接購置，系統每隔一定時間會進行重新定標，由地上部分和地下部分組成，地上部分包括1個CR3000型數據采集器、1個CSAT3超聲風速儀、1個EC150 CO2/H2O 分析儀、NR01四分量凈輻射傳感器、HMP155a溫濕度傳感器；地下部分包括CS616土壤水分傳感器、HFP01土壤熱通量傳感器。地表溫度的測量采用手持式紅外溫度計(MX4)測量，經過組裝加掛到通量觀測系統支架之上，設備由不銹鋼支架固定，根據觀測的下墊面特征均架高2m。

同時，農田觀測站記錄小麥各個關鍵生育期(播種、出苗、分蘗、抽穗、成熟)(表1)。對草原觀測站而言，為排除積雪對地表反照率的影響而選擇5—9月時段數據，其中，5—6月草地植被進入返青期，7—8月進入生長旺盛期，9月代表草地植被枯黃期。

表1 小麥不同生育期觀測時間

1.2.2 渦度相關數據的處理

分別對兩個通量觀測站采集的0.1s原始湍流數據采用EdiRe軟件進行再處理，包括剔除野點、旋轉變化坐標軸及WPL修正，得到30min的通量觀測數據，在此基礎上根據農牧交錯帶氣候特征，對輸出數據進一步篩選：凈輻射(-200,800)，潛熱(-100,500)，顯熱(-100,400)，土壤熱通量(-100,100)。最后，對剔除的數據采用線性插補，確保觀測數據的完整性，以此輸出校正后的30min通量觀測數據[21-22]。之后，運用Wilson等[23]的OLS方法分別計算出草原、農田觀測站的能量閉合度為82.3%和81.6%，這與其他學者觀測實驗結果相近[24-26]，表明了通量觀測數據的整體質量比較好。

考慮到輸出30min的觀測數據均為通量密度瞬時值(W/m2)，故對輸出數據運用面積積分公式積分得到以日為尺度的積分值(MJ/m2)。

研究上述觀測站輻射與水熱通量特征的相關方程為：

Rn=DSR-USR+DLR-ULR

(1)

Rn=H+LE+G

(2)

(3)

(4)

式中,Rn為凈輻射；DSR為太陽總輻射；USR為短波反射輻射；DLR為大氣向下長波輻射；ULR為地表向上長波輻射；H為顯熱通量；LE為潛熱通量；G為土壤熱通量；α為地表反照率；β為波文比。(1)、(2)式中參數的單位均為W/m2，(3)、(4)式中α、β為無量綱。

1.3 遙感數據產品

地表反照率數據采用時間分辨率8d，空間分辨率1km的MODIS地表反照率產品MCD43B3，數據格式為HDF-EOS。該數據精度已在全球范圍內得到許多學者廣泛的驗證[27-29]。根據全球通量站點的驗證結果表明，其總體偏差為-0.008[30]。本文選取了衛星軌道號為h26v4數據集中寬波段白空波段來進行兩個通量站的地表反照率分析。

潛熱通量數據采用時間分辨率8d，空間分辨率1km的MODIS蒸散發產品MOD16A2，數據格式為HDF-EOS。賀添等[31]通過將我國站點觀測數據與MODIS16A2數據驗證表明該產品與站點觀測值匹配程度較好。MOD16產品包含蒸散發、潛在蒸散發、潛熱通量和潛在潛熱通量，本文選取了衛星軌道號為h26v4數據集中潛熱通量部分進行分析。

2 結果分析

2.1 農田輻射與水熱通量特征

2.1.1 不同物候期輻射通量對比

太陽總輻射(DSR)是太陽直接輻射與散射輻射總和，其大小與當地經緯度、海拔高度、日照時數、天空云量和氣溶膠等因素有關。在小麥不同生育期內，變化規律基本一致(圖2)，但日變化數值不同，在成熟-收割期最小，平均日積分值為21.02 MJ/m2，日最大值為804.35 W/m2；在小麥出苗-分蘗期達到最大，平均日積分值為25.09MJ/m2，日最大值為823.79 W/m2。

圖2 農田生長季日平均輻射通量Fig.2 The average day radiation flux of cropland during the growing season

短波反射輻射在小麥整個生育期內呈逐漸減小趨勢。在出苗-分蘗期內，由于地面植被覆蓋較小，使得在該生育期內短波反射輻射明顯大于小麥生長旺盛期階段，日最大值為133.51W/m2，日積分值達到4.26MJ/m2；在成熟-收割期內，地面植被蓋度達到最大值，此時農田短波反射輻射較小，僅為2.68MJ/m2，日最大值為81.30W/m2。

大氣向下長波輻射與地表向上長波輻射變化較為相似，在小麥生育階段內呈現先增大后減小趨勢。在播種—出苗期內為最小值，日積值分別為24.65MJ/m2和31.96MJ/m2；在抽穗-成熟期內達到最大值，分別為29.93MJ/m2和34.64MJ/m2。

2.1.2 不同物候期水熱通量對比

小麥在不同生育期，地表水熱通量收支不同。隨著小麥生長日趨旺盛，植被覆蓋度增大，地表反照率呈波動性減小(圖3)，凈輻射也隨之增加，潛熱通量在小麥成熟-收割期內，隨著太陽高度角的減小，地表凈輻射也略有減小。另一方面，隨著小麥需水量增大，植被蒸騰作用增大，潛熱通量在不斷增大，顯熱通量在不斷減小，土壤熱通量的變化在各生育期內基本穩定，變化范圍一般在0.51—0.97MJ/m2之間。

在小麥播種-出苗期，此時地表反照率較大，凈輻射值最小，平均日積分值為12.71MJ/m2，日最大值為570.10W/m2，顯著低于抽穗-成熟期(P<0.05)，但與其余各階段差異不顯著(P>0.05)(圖4)。同時顯熱通量大于潛熱通量，日積分值為4.24MJ/m2，占凈輻射值33.36%，顯著高于分蘗-抽穗期和抽穗-成熟期(P<0.05)。土壤熱通量最小，低于凈輻射值的8%，但與各階段差異不顯著(P>0.05)，這種變化趨勢與楊啟國等[32]研究的甘肅中部旱作物土壤熱通量的研究結果一致。

在小麥出苗-成熟期，太陽高度角增加以及地表反照率逐階段變小，導致凈輻射值也在不斷增大。小麥耗水量增加，并伴隨著農牧交錯帶雨季來臨，降水增多，土壤濕潤程度明顯增加，使得潛熱通量占凈輻射的比例也在不斷增大，顯熱通量變化趨勢與潛熱通量相反，土壤熱通量變化趨勢較小。其中在小麥抽穗-成熟期，凈輻射日積分值達到最大值15.83 MJ/m2，顯著高于播種-出苗期(P<0.05)；潛熱通量日積分值達到最小值1.07MJ/m2，顯著高于播種-出苗期和出苗-分蘗期(P<0.05)，僅占凈輻射值6.76%；顯熱通量日積分值達到最大值7.70 MJ/m2，占凈輻射值48.64%，顯著低于播種-出苗期和出苗-分蘗期(P<0.05)。

在小麥成熟-收割期，伴隨著太陽高度角變小，雨季退去，土壤濕度有所減小，作物耗水量也逐漸減小，凈輻射值減少至13.39 MJ/m2，與各階段差異不顯著(P>0.05)。潛熱通量增加至2.33 MJ/m2，顯著高于播種-出苗期和出苗-分蘗期(P<0.05)。顯熱通量減少至6.98 MJ/m2，但仍顯著高于分蘗-成熟期(P<0.05)。

圖3 農田生長季日平均水熱通量Fig.3 The average day water-heat flux of cropland during the growing season

圖4 不同物候期農田水熱通量差異Fig.4 The average day water-heat flux of cropland in different growth stage同顏色柱標有不同字母表示差異顯著(P<0.05)，同顏色柱標有相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

2.2 典型草原輻射與水熱通量特征

2.2.1 不同月份典型草原輻射通量對比

農牧交錯帶典型草原生長季地表輻射通量有顯著的日變化特征(圖5)。5—9月總輻射日平均最大值依次為799.48、653.48、679.64、740.50W/m2和624.68W/m2；日積分值最大值出現在5月，為24.00 MJ/m2，最小值出現在9月，僅為15.96MJ/m2。這表明，農牧交錯帶典型草原區5—8月份是一年光熱條件最佳時段。

短波反射輻射日變化與總輻射一致，5—9月日平均短波反射輻射最大值依次為173.83、119.86、110.43、123.08W/m2和106.34W/m2；日積分值最大出現在5月，達到5.56MJ/m2，這是因為5月草原植被剛進入返青期，植被覆蓋度較小，地表反照率也較大，達到0.23，這與岳平等[33]研究的錫林浩特草原生長期地表反照率的結果一致。隨后短波反射輻射值在不斷減小，到9月僅為3.02MJ/m2。

大氣向下長波輻射相比短波輻射變化較為平緩，在5—7月呈增長趨勢，在7—9月呈下降趨勢，在7月份日積分值達到30.49MJ/m2，最小積分值出現在5月，為24.90MJ/m2。地表向上長波輻射與大氣向下長波輻射變化類似，在整個生長季呈先增加后下降趨勢，在7月份日積分值達到36.36MJ/m2，在9月份日積分值為最小31.70MJ/m2。

圖5 典型草原生長季日平均輻射通量Fig.5 The average day radiation flux of typical grassland during the growing season

2.2.2 不同月份典型草原水熱通量對比

凈輻射作為外部能量來源，以顯熱和潛熱的形式加熱大氣，僅有一小部分能量轉化為土壤熱通量。典型草原凈輻射日積分值在5—8月不斷增加(圖6)，由5月份的9.91MJ/m2增加到了8月份的11.43MJ/m2，5月份凈輻射值顯著低于8月份(P<0.05)(圖7)。土壤熱通量日積分值在整個生長季不斷減小，從5月份0.64MJ/m2減少至8月份0.21MJ/m2，占凈輻射的比重也在逐月減小，但各月份間差異不顯著(P>0.05)。

5月份典型草原地表裸露，太陽輻射加熱作用使地表迅速增溫，此時顯熱通量大于潛熱通量，顯熱日積分值達到4.41MJ/m2，顯著高于植被生長旺期8月和枯黃期9月(P<0.05)；6月份，植被進入返青期，顯熱通量開始迅速降低至2.74MJ/m2，但仍顯著高于生長旺期8月(P<0.05)，而潛熱通量由3.66MJ/m2迅速上升至5.62MJ/m2，但仍顯著低于生長旺期8月(P<0.05)；7—8月草原植被進入全年生長旺盛期，植被蒸騰及降水作用使得潛熱通量進一步上升，而顯熱通量不斷減少，8月份潛熱通量大于顯熱通量，此時潛熱通量日積分值達到最高點7.12MJ/m2，顯著高于植被返青期的5至6月和植被枯黃期9月(P<0.05)，顯熱通量僅有1.08MJ/m2，顯著低于5月至7月(P<0.05)；9月份草原植被逐漸進入枯黃期，植被蒸騰作用也開始減弱，潛熱通量明顯開始下降，為4.43MJ/m2，顯著低于植被旺盛期7至8月(P<0.05)，而顯熱通量上升至1.70MJ/m2，但仍顯著低于植被返青期5至6月(P<0.05)。

圖6 典型草原生長季日平均水熱通量Fig.6 The average day water-heat flux of typical grassland during the growing season

圖7 不同月份典型草原水熱通量差異Fig.7 The average day water-heat flux of typical grassland in different month同顏色柱標有不同字母表示差異顯著(P<0.05)，同顏色柱標有相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

2.3 草地開墾對地表輻射與水熱通量的影響

2.3.1 對地表輻射通量的影響

農牧交錯帶草地開墾后，地表總輻射增加趨勢明顯，在小麥分蘗-抽穗期內，總輻射變化幅度達到最大，日積分值增加了2.87MJ/m2，在小麥抽穗-成熟期內，總輻射變化幅度最小，日積分值增加了1.09MJ/m2；短波反射輻射減少趨勢明顯，在小麥播種-出苗期，草地開墾使得短波反射輻射減少了1.31MJ/m2，而在小麥分蘗-抽穗期，開墾前后短波反射輻射基本持平(表2)。

大氣向下與地表向上長波輻射在草地開墾后的變化規律與短波反射輻射類似，也呈減小趨勢。其中，大氣向下長波輻射在小麥分蘗-抽穗期減少幅度最大，為0.50MJ/m2，在抽穗-成熟期內減小幅度最小為0.08MJ/m2；地表向上長波輻射在小麥分蘗-抽穗期減少幅度最大，為1.72MJ/m2，在播種-出苗期減小幅度最小為0.67MJ/m2。通過計算凈輻射與總輻射比值來刻畫草地開墾后凈輻射相對值的差別，可以發現，Rn/DSR隨著生育期進程不斷增大，在成熟-收割期內又略有減小；草地開墾后，變化范圍從0.41—0.58增加至0.53—0.68。

表2 小麥不同生育期農田與典型草原輻射通量積分值

地表反照率表征地表反射太陽輻射的能力，是影響地表輻射通量收支的一個非常重要的參數，其大小由短波反射輻射與總輻射比值表示[34-35]。在生長季內，草地開墾使得地表反照率減小(圖8)，變化范圍從0.16—0.26減小至0.10—0.21；且在每次降雨發生后，地表反照率均有明顯地下降。在7—8月植被生長旺期，兩種不同地表類型的反照率差異較小，這與劉輝志等[36]研究的半干旱區不同下墊面地表反照率變化特征的結果一致。

圖8 生長季農田和典型草原日平均地表反照率Fig.8 The average surface albedo of cropland and typical grassland during the growing season

地表反照率隨著土壤濕度的增加呈指數衰減趨勢，且農田的曲線擬合結果要好于草地(圖9)。土壤濕度增加改變了土壤熱性能，從而影響了地表反照率，進而使地表水熱交換發生改變[37]。而地表反照率隨著土壤濕度增加而降低，可能原因是土壤水分越大其吸收的太陽短波輻射越大，進而導致地表反照率減小。在農牧交錯帶生長季內，農田下墊面土壤含水量要顯著高于草地，所以在此生長階段若發生草地開墾，地表反照率會減小。

圖9 生長季農田和典型草原土壤濕度與albedo關系Fig.9 The relationship between soil moisture and albedo of cropland and grassland during the growing season

2.3.2 對地表水熱通量的影響

農牧交錯帶草地開墾后，地表凈輻射增加趨勢明顯(表3)，在小麥分蘗-抽穗期內，凈輻射變化幅度達到最大，日積分值增加了4.12MJ/m2；土壤熱通量變化與凈輻射變化相似，也呈增加趨勢，在小麥出苗-分蘗期達到最大，此時日積分值增加0.34MJ/m2。

在小麥播種-出苗期內，草地與農田地表狀況相似，此時草地開墾前后顯熱與潛熱通量基本不變；而在小麥出苗-分蘗期內，草原植被進入返青期，草地開墾使得地表顯熱通量增大，日積分值增加0.72 MJ/m2，潛熱通量減小了0.50MJ/m2；在小麥分蘗-成熟期內，小麥生長進入全年最旺盛期，蒸騰作用要大于草原植被，故此時草地開墾使得潛熱通量增加，日積分值增加了0.91MJ/m2，顯熱通量減少0.75MJ/m2；在小麥成熟-收割期內，農田蓋度逐漸減小，蒸騰作用也減弱，而此時草原植被仍在生長旺期，故草地開墾使得顯熱通量增加，日積分值增加了0.96 MJ/m2，而潛熱通量減少了0.49MJ/m2。

波文比代表可以表征氣候干濕程度，波文比大說明氣候干燥，反之說明氣候濕潤。在小麥播種-分蘗期內，草地開墾使得波文比變大，氣候變得干燥；在小麥分蘗-成熟期，草地開墾引起潛熱通量上升，顯熱下降，波文比變小；最后在小麥成熟-收割期內，草地開墾繼續導致波文比迅速上升，氣候又逐漸變干燥。

表3 小麥不同生育期農田與典型草原水熱通量積分值

3 結論與討論

農牧交錯帶植被對水熱通量有重要影響，在植被長勢較差的月份，地表能量的轉換以顯熱為主，在植被長勢較好的月份，則以潛熱為主。潛熱通量生長季變化也呈單峰型變化規律，最大值出現在7月份，最小值則出現在生長季初期和末期。顯熱通量變化與潛熱通量變化正好相反。

在整個生長季內，農田和典型草原輻射與水熱通量日變化都呈單峰型特征，輻射與水熱通量最大值均出現在12:00至13:00之間，前者日平均總輻射高于后者，凈輻射值高于后者，潛熱通量也高于后者，顯熱通量則低于后者。農田和典型草原總輻射日積分平均值分別為23.88MJ/m2和21.57MJ/m2，凈輻射通量的日積分平均值分別占總輻射值的60.89%和49.88%，這與顧潤源等[38]在2010年內蒙古半干旱草原測得的輻射通量觀測資料相一致。潛熱通量的日積分平均值分別占凈輻射值的42.37%和55.48%，顯熱通量的日積分平均值分別占凈輻射值的15.68%和22.03%。

生長季內北方農牧交錯帶草地開墾影響了地表輻射與水熱通量，具體表現在：凈輻射日積分平均值增加了35.16%，其中太陽總輻射日積分平均值增加了10.74%，短波反射輻射日積分平均值減少了14.20%，大氣向下和地表向上長波輻射日積分平均值分別減少了1.13%和3.39%，由此可見在植被生長季地表向上長波輻射受到下墊面變化狀況影響較大[38]；潛熱通量日積分平均值增加了3.32%，同時顯熱通量減少了3.96%；土地覆被變化導致輻射強迫，伴隨著草地向農田的轉變，地表反照率減小，表征地表吸收太陽輻射增加，有升高氣溫的趨勢[39]；草地開墾使得波文比大小發生變化，波文比在植被生長初期增大，在生長旺期減小，在生長末期又開始增大，這表明草地開墾不僅改變了地表物理結構，還影響著近地表大氣狀態，從而改變了區域氣候。

由于站點非生長季內數據有缺失，無法完整揭示全年地表輻射與水熱狀況，所以通過MODIS地表反照率和蒸散發產品分別提取了兩個站點地表反照率和潛熱通量，以此來反映年內變化趨勢(圖10)。相關研究表明，基于MODIS資料反演的地表反照率同野外觀測值具有高度顯著的相關關系，尤其在植被生長季，兩套資料的全部有效數據相關系數達0.78，達到99.9%的置信水平[40]。地表反照率在年初和年末受到雪蓋影響，從影像上提取的值偏大，屬于明顯異常值，故年初和年末的值有缺失，但仍可以很好反映年內變化趨勢：在3月到5月初，農田和典型草原地表反照率基本相似；在植被生長季內(5—9月)，典型草原地表反照率大于農田，這與本文站點觀測的數據變化趨勢一致；在農田作物收割后(9—11月)，土壤被翻耕，地表多為裸土，此時農田地表反照率大于典型草原。農田和典型草原年內前期(1—5月)潛熱通量差異不大，但到植被生長季農田潛熱通量顯著大于典型草原，這與站點觀測數據反映的趨勢相一致。作物被收割后，地表大量裸露使得農田潛熱通量大幅度下降，此時典型草原潛熱通量大于農田。

圖10 農田和典型草原地表反照率和潛熱通量年變化Fig.10 The annual variation of albedo and latent heat flux of cropland and typical grassland

需要指出，不同型號儀器以及不同數據處理方式會使數據結果存在一定的不確定性，因此，未來會開展更為綜合全面的觀測來深入理解農牧交錯帶草地開墾對輻射與水熱平衡的影響機制。另外，本文所用的通量臺站觀測數據時間序列較短，僅對比了植被生長季內農田與典型草原兩種不同土地利用類型的輻射和水熱通量，缺乏不同季節及年際間的能量分配研究，這也是以后工作的重點。

[1] 張雪芹, 孫楊, 鄭度, 毛煒嶧. 中國干旱區溫度帶界線對氣候變暖的響應. 地理學報, 2011, 66(9): 1166-1178.

[2] 黃建平, 季明霞, 劉玉芝, 張鐳, 龔道溢. 干旱半干旱區氣候變化研究綜述. 氣候變化研究進展, 2013, 9(1): 9-14.

[3] 胡汝驥, 姜逢清, 王亞俊, 孫占東, 李宇安. 論中國干旱區湖泊研究的重要意義. 干旱區研究, 2007, 24(2): 137-140.

[4] Oliphant A, Zawar-reza P, Azizi G, Dehghanpour A, Harrison J. Surface energy and water vapor fluxes observed in a desert plantation in central Iran. Journal of Arid Environments, 2011, 75(10): 926-935.

[5] Zhang G G, Kang Y M, Han G D, Sakurai K. Effect of climate change over the past half century on the distribution, extent and NPP of ecosystems of Inner Mongolia. Global Change Biology, 2011, 17(1): 377-389.

[6] 李夏子, 韓國棟, 郭春燕. 氣候變化對內蒙古中部草原優勢牧草生長季的影響. 生態學報, 2013, 33(13): 4146-4155.

[7] 陳效逑, 王恒. 1982—2003年內蒙古植被帶和植被覆蓋度的時空變化. 地理學報, 2009, 64(1): 84-94.

[8] 杜華明, 延軍平, 王鵬濤. 北方農牧交錯帶干旱災害及其對暖干氣候的響應. 干旱區資源與環境, 2015, 29(1): 124-128.

[9] Li X, Li X W, Li Z Y, Ma M G, Wang J, Xiao Q, Liu Q, Che T, Chen E X, Yan G J, Hu Z Y, Zhang L X, Chu R Z, Su P X, Liu Q H, Liu S M, Wang J D, Niu Z, Chen Y, Jin R, Wang W Z, Ran Y H, Xin X Z, Ren H Z. Watershed allied telemetry experimental research. Journal of Geophysical Research, 2009, 114(D22): D22103, doi: 10.1029/2008JD011590.

[10] Liu S M, Xu Z W, Wang W Z, Jia Z Z, Zhu M J, Bai J, Wang J M. A comparison of eddy-covariance and large aperture scintillometer measurements with respect to the energy balance closure problem. Hydrology and Earth System Sciences, 2011, 15(4): 1291-1306.

[11] 王慧, 胡澤勇, 馬偉強, 李棟梁. 鼎新戈壁下墊面近地層小氣候及地表能量平衡特征季節變化分析. 大氣科學, 2008, 32(6): 1458-1470.

[12] Wang G Y, Huang J P, Guo W D, Zuo J Q, Wang J M, Bi J R, Huang Z W, Shi J S. Observation analysis of land-atmosphere interactions over the Loess Plateau of north west China. Journal of Geophysical Research, 2010, 115(D7): D00K17, doi: 10.1029/2009JD013372.

[13] Zuo J Q, Huang J P, Wang J M, Zhang W, Bi J R, Wang G Y, Li W J, Fu P J. Surface turbulent flux measurements over the Loess Plateau for a semi-arid climate change study. Advances in Atmospheric Sciences, 2009, 26(4): 679-691.

[14] Ling X L, Guo W D, Fu C B. Composite analysis of impacts of dust aerosols on surface atmospheric variables and energy budgets in a semiarid region of China. Journal of Geophysical Research, 2014, 119(6): 3107-3123.

[15] Ma Y M, Wang Y Q, Wu R S, Hu Z Y, Yang K, Li M, Ma W, Zhong L, Sun F, Chen X L, Zhu Z K, Wang S Z, Ishikawa H. Recent advances on the study of atmosphere-land interaction observations on the Tibetan Plateau. Hydrology and Earth System Sciences, 2009, 13(7): 1103-1111.

[16] Ma N, Zhang Y S, Szilagyi J, Guo Y H, Zhai J Q, Gao H F. Evaluating the complementary relationship of evapotranspiration in the alpine steppe of the Tibetan Plateau. Water Resources Research, 2015, 51(2): 1069-1083.

[17] Li X, Cheng G D, Liu S M, Xiao Q, Ma M G, Jin R, Che T, Liu Q H, Wang W Z, Qi Y, Wen J G, Li H Y, Zhu G F, Guo J W, Ran Y H, Wang S G, Zhu Z L, Zhou J, Hu X L, Xu Z W. Heihe watershed allied telemetry experimental research (Hiwater): scientific objectives and experimental design. Bulletin of the American Meteorological Society, 2013, 94(8): 1145-1160.

[18] Pielke R A, Marland G, Betts R A, Chase T N, Eastman J L, Niles J O, Niyogi D D S, Running S W. The influence of land-use change and landscape dynamics on the climate system: relevance to climate-change policy beyond the radiative effect of greenhouse gases. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2002, 360(1797): 1705-1719.

[19] Liu J Y, Kuang W H, Zhang Z X, Xu X L, Qin Y W, Ning J, Zhou W C, Zhang S W, Li R D, Yan C Z, Wu S X, Shi X Z, Jiang N, Yu D S, Pan X Z, Chi W F. Spatiotemporal characteristics, patterns, and causes of land-use changes in China since the late 1980s. Journal of Geographical Sciences, 2014, 24(2): 195-210.

[20] 戰金艷, 鄧祥征, 岳天祥, 包玉海, 趙濤, 馬勝男. 內蒙古農牧交錯帶土地利用變化及其環境效應. 資源科學, 2004, 26(5): 80-88.

[21] 徐自為, 劉紹民, 徐同仁, 王介民. 渦動相關儀觀測蒸散量的插補方法比較. 地球科學進展, 2009, 24(4): 372-382.

[22] 張智慧, 王維真, 馬明國, 徐自為, 吳月茹, 黃廣輝, 譚俊磊. 黑河綜合遙感聯合試驗渦動相關通量數據處理及產品分析. 遙感技術與應用, 2010, 25(6): 788-796.

[23] Wilson K, Goldstein A, Falge E, Aubinet M, Baldocchi D, Berbigier P, Bernhofer C, Ceulemans R, Dolman H, Field C, Grelle A, Ibrom A, Law B E, Kowalski A, Meyers T, Moncrieff J, Monson R, Oechel W, Tenhunen J, Valentini R, Verma S. Energy balance closure at FLUXNET sites. Agricultural and Forest Meteorology, 2002, 113(1/4): 223-243.

[24] 李正泉, 于貴瑞, 溫學發, 張雷明, 任傳友, 伏玉玲. 中國通量觀測網絡(ChinaFLUX)能量平衡閉合狀況的評價. 中國科學 D輯: 地球科學, 2004, 34(S2): 46-56.

[25] Miao H X, Chen S P, Chen J Q, Zhang W L, Zhang P, Wei L, Han X G, Lin G H. Cultivation and grazing altered evapotranspiration and dynamics in Inner Mongolia steppes. Agricultural and Forest Meteorology, 2009, 149(11): 1810-1819.

[26] Chen S P, Chen J Q, Lin G H, Zhang W L, Miao H X, Wei L, Huang J H, Han X G. Energy balance and partition in Inner Mongolia steppe ecosystems with different land use types. Agricultural and Forest Meteorology, 2009, 149(11): 1800-1809.

[27] Liang S L, Shuey C J, Russ A L, Fang H L, Chen M Z, Walthall C L, Daughtry C S T, Hunt Jr R. Narrowband to broadband conversions of land surface albedo:Ⅱ.Validation. Remote Sensing of Environment, 2003, 84(1): 25-41.

[28] Sumner D M, Wu Q L, Pathak C S. Variability of albedo and utility of the MODIS albedo product in forested wetlands. Wetlands, 2011, 31(2): 229-237.

[29] Wang K C, Liu J M, Zhou X J, Sparrow M, Ma M, Sun Z A, Jiang W H. Validation of the MODIS global land surface albedo product using ground measurements in a semidesert region on the Tibetan Plateau. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 2004, 109(D5): D05107.

[30] Wang K C, Liu S L, Schaaf C L, Strahler A H. Evaluation of Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer land surface visible and shortwave albedo products at FLUXNET sites. Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 2010, 115(D17): D17107.

[31] 賀添, 邵全琴. 基于MOD16產品的我國2001—2010年蒸散發時空格局變化分析. 地球信息科學學報, 2014, 16(6): 979-988.

[32] 楊啟國, 楊興國, 張旭東. 甘肅中部旱作農田地表能量收支特征分析. 干旱氣象, 2004, 22(2): 38-44.

[33] 岳平, 張強, 鄧振鏞, 楊金虎, 孫旭映. 草原生長期地表輻射和能量通量月平均日變化特征. 冰川凍土, 2010, 32(5): 941-947.

[34] Betts A K, Ball J H. Albedo over the boreal forest. Journal of Geophysical Research, 1997, 102(D24): 28901-28909.

[35] McCaughey J H, Lafleur P M, Joiner D W, Bartlett P A, Costello A M, Jelinski D E, Ryan M G. Magnitudes and seasonal patterns of energy, water and carbon exchanges at a boreal young jack pine forest in the BOREAS northern study area. Journal of Geophysical Research, 1997, 102(D24): 28997-29007.

[36] 劉輝志, 涂鋼, 董文杰. 半干旱區不同下墊面地表反照率變化特征. 科學通報, 2008, 53(10): 1220-1227.

[37] Guan X D, Huang J P, Guo N, Bi J R, Wang G Y. Variability of soil moisture and its relationship with surface albedo and soil thermal parameters over the Loess Plateau. Advances in Atmospheric Sciences, 2009, 26(4): 692-700.

[38] 顧潤源, 武榮盛, 吳菊秀, 孫小龍, 馬耀明, 楊鐵剛. 內蒙古半干旱草原下墊面地表輻射特征. 干旱區地理, 2013, 36(5): 854-864.

[39] 翟俊, 劉榮高, 劉紀遠, 趙國松. 1990—2010年中國土地覆被變化引起反照率改變的輻射強迫. 地理學報, 2013, 68(7): 875-885.

[40] 張學珍. 錫林郭勒草原地表反照率對氣候變化的響應. 地理研究, 2012, 31(2): 299-310.

Impacts of grassland reclamation on land surface radiation and water-heat fluxes in the farming-pastoral ecotone of northern China

YANG Fan1,2, SHAO Quanqin1,*, LI Yuzhe1, FAN Jiangwen1, BAO Yuhai3

1 Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 2UniversityofChineseofSciences,Beijing100049,China3CollegeofGeographicalScience,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010022,China

We compared land surface radiation and water-heat flux of two different land use types using eddy covariance flux data of typical grassland and cropland ecosystems in a farming-pastoral ecotone of northern China. The comparisons revealed that the biophysical mechanisms of grassland reclamation affected the surface radiation flux budget and the water-heat flux balance. The results further showed that, during the growing season (May-September), grassland reclamation increased the solar radiation by 10.74%, reduced the shortwave reflected radiation by 14.20%, and increased the net radiation by 35.16%. As for the water-heat flux, grassland reclamation increased the latent heat flux 0.20 MJ/m2, whereas the sensible heat flux was reduced by 0.09 MJ/m2. The surface albedo decreased during the growing season, which was illustrated by the surface that absorbed more solar radiation and had a tendency to rise in the temperature. In contrast, the albedo increased during non-growing season, which was illustrated by a decrease in the temperature; in addition, a negative exponential relationship between surface albedo and soil moisture was observed. The Bowen ratio in the early and late vegetation growth period increased and decreased dramatically during these growing stages. Finally, the grassland reclamation affected the near-surface atmospheric conditions, which consequently changed the regional climate.

farming-pastoral ecotone; grassland reclamation; growing season; eddy covariance

國家自然科學基金(41371409)；國家科技支撐計劃項目(2013BAC03B04)；國家重大科學研究計劃(973)項目(2010CB950902)

2015- 07- 13;

2016- 03- 21

10.5846/stxb201507131484

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shaoqq@lreis.ac.cn

楊帆, 邵全琴, 李愈哲, 樊江文, 包玉海.北方典型農牧交錯帶草地開墾對地表輻射收支與水熱平衡的影響.生態學報,2016,36(17):5440- 5451.

Yang F, Shao Q Q, Li Y Z, Fan J W, Bao Y H.Impacts of grassland reclamation on land surface radiation and water-heat fluxes in the farming-pastoral ecotone of northern China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(17):5440- 5451.