太湖流域典型土地利用類型生態耗水分量的比較研究

呂 文, 楊桂山, 萬榮榮, 陶 宇

(1.中國科學院 南京地理與湖泊研究所 流域地理學重點實驗室, 江蘇 南京 210008;2.江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局, 江蘇 蘇州 215006； 3.南京農業大學 土地管理學院， 江蘇 南京 210095)

截留、蒸散發是陸地生態系統重要的水文過程[1]，受到氣候和地表特征的共同影響，其中人類活動引起的土地利用/覆被變化，改變了地表反照率、植被覆蓋度、葉面積指數、植被高度等因子，影響了冠層截留、蒸散發特征，改變了植被在水文過程中的調節作用[2]。太湖流域社會經濟發展迅速，土地利用變化劇烈，西部丘陵山區由于農業綜合整治開發，大量次生林地轉為茶園，耕地面積年平均遞減率達1.8%，城市建設用地擴展過快，地面可滲透面積減少，流域產水量相應增加[3]。城市化使得最大洪峰量和洪水總量增大，匯流時間變短，加劇了流域暴雨洪水，而森林有利于緩和暴雨洪水這一過程[4]。

為了了解土地利用變化對流域水文循環的影響，需研究土地利用變化對生態系統內部水分運移過程的影響。本文利用土壤—水—大氣—植物整合模型(soil-water-atmosphere-plant, SWAP)模擬太湖流域竹林、茶園和耕地生態耗水過程，以期揭示土地利用變化對生態系統耗水的影響，為優化土地利用結構，提高流域生態系統水量調節能力提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

太湖流域位于中國長江三角洲南緣(119°11′—121°51′E，N30°28′—32°15′N)，處于北亞熱帶和中亞帶的過渡地帶，東臨大海，是東南季風盛行區域。全區年均氣溫15.6℃，1月平均氣溫3.1 ℃，7月平均氣溫28.1 ℃；冬季極端最低氣溫全流域平均-11.6 ℃，夏季極端最高氣溫平均39 ℃。年均降雨量1 153.6 mm，年際變化較大，年內分配不均勻，75%左右的降水集中在4—10月。流域20 m2蒸發池的年水面蒸發量800～1 100 mm。在太湖流域建立耕地、林地和園地3種典型土地利用類型水汽通量監測區域。耕地監測區位于太湖流域北部無錫市錫山區(120°33′E，31°39′N)，主要為稻麥/油輪作，小麥播種時間為12月初左右，5月底收割；水稻6月中旬移栽，約在11月底收割。林地監測區位于流域西南部丘陵山地浙江省安吉縣(119°34′E，30°18′N)，以2～3年生竹為主，林下灌木草本少。園地監測區位于宜興市西渚鎮(119°35′E，31°15′N)，屬于流域湖西分區低山丘陵地帶，以3,9和20 a植茶年齡為主，5月中旬采茶完進行修剪。

1.2 試驗方法

1.2.1 渦度相關監測系統 耕地開路式渦度相關系統觀測塔高約7 m，在3.5 m高處迎著主風向(SE)焊接一鐵臂，安置超聲風速計CSAT3和CO2/H2O紅外氣體分析儀EC150(Campbell，USA)。在鐵臂的另一端，安置溫濕度傳感器HMP155 A(Vaisala，Finland)、輻射傳感器LP02(Hukseflux，Netherland)、翻斗式雨量筒TE525 MM(Texas Electronics，USA)分別測量氣溫、濕度、凈輻射和降水量。

竹林渦度監測系統裝有一套開路渦度相關系統，安裝在17 m高度的觀測塔上，由三維超聲風速儀CAST3(Cambell Inc., USA)和開路CO2/H2O分析儀Li-7500(LiCorInc., USA)組成。在1，5，17 m高度上分別裝有3層風速(010C, metone, USA)和大氣溫濕度儀(HMP45 C, Vaisala, Feinland)。凈輻射儀(CNR4, Kipp & Zonen, Holland)安裝在17 m高塔上。

1.2.2 箱式法監測系統 茶園和耕地水汽通量監測究采用的是靜態箱/紅外氣體分析儀法，屬于閉路箱式法[5]。配套設施有1 m直徑，50+70 cm或70+80 cm的分段式有機玻璃材質的明箱、頂部裝有2個小型風扇、Li-840A紅外氣體分析儀(LiCorInc., USA)、抽氣泵和蓄電池等。由于氣體分析儀的抽氣采樣，可能導致閉路箱式系統氣體交換箱內外壓力差，試驗設計時，將出氣口返回箱內[6]。因為箱體內植物葉片光合和蒸騰作用或者土壤呼吸作用將引起密封箱體內的CO2和H2O濃度變化[7]，影響箱體的穩定狀態，所以每次盡量減少箱體密閉時間，快速測定箱內氣體濃度。

1.2.3 植被生態監測 按照不同植被的生長階段，定期或關鍵生長期加密監測葉面積指數(LAI)、作物高度(Hcrop)、根系深度(Droot)。耕地和茶園葉面積指數(LAI)使用美國LAI-2200植物冠層分析儀監測。

茶園覆蓋度采用各隨機量取10對茶株行間距(L1，cm)和隴間距(L2，cm)，覆蓋度計算公式為：

(1)

1.3 渦度相關法與箱式法數據校正

將耕地小麥季監測期內3月25日至5月16日的不同時段，渦度相關法和靜態性/紅外氣體分析儀法監測所獲得的所有2 h累計的蒸散量(mm/2 h)進行擬合，根據模型的復相關系數R值以及F值，選擇冪指數曲線模型，轉換計算箱式法監測獲得的蒸散量，與渦度相關法的結果進行相關分析，兩者呈顯著相關性(0.749**)。

y=0.291x0.412(R2=0.61**)

(2)

1.4 SWAP模型

SWAP模型是微觀系統水分運移模擬模型的典型代表，在世界不少地方取得了較好效果，受到了較廣泛接受和認可，主要用于田間尺度下土壤—植物—大氣環境中水分運動、溶質運移、熱量傳輸及作物生長的模擬[8]。

1.4.1 模型輸入數據 氣象數據統一采用2010年常州國家氣象臺站(119°59′E， 31°53′N)的日觀測資料，包括日均氣溫、最高氣溫、風速、降雨量、日照時數以及實際水汽壓等。水稻和小麥兩種Ds(作物生長階段)按照作物生長日期定義為線性函數，作物出苗前一天定義為0，成熟期為2，其他數值依據作物生育期的時段在0～2之間插值計算。林地和茶園Ds依據年內12個月，將1月設為0月，12月設定為2，其他月份在0～2之間插值計算得出。依據實際野外觀測資料和參考文獻，建立流域典型覆被類型，竹林、茶園、耕地稻/麥輪作3種類型的葉面積指數、植被高度和根系深度的關系表(表1—2)。

依據耕地實測土壤機械組成(表3)，林地[11]和園地[12]采用參考文獻中機械組成，經過HYDRAUS-1 D模型計算獲得土壤特征水分曲線參數，飽和滲透系數和飽和含水量(表4)。其他參數引自SWAP3.2手冊附表[8]。由于耕地地下水位淺，約距地表60 cm處，水分在上下層之間交換較多，因此3種土地利用類型模擬時，下邊界均按照自由通量邊界處理。

表1 耕地稻/麥輪作作物生態參數

注：部分葉面積指數(LAI)引自冬小麥LAI變化過程[9]。Hcrop，Droot分別表示株高和根系深度。下同。

表2 竹林和茶園植被生態參數

注：竹林參數引自文獻[10]。

表3 典型土地利用類型土壤機械組成 %

表4 Mualem-van Genuchten模型參數

注：θres為殘余含水率;θsat為飽和含水率;Ksat為飽和導水率;a為與進氣吸力有關的參數;n為決定土壤水分特性曲線的形狀系數。

1.4.2 模型率定與驗證 采用2012年4月和10月無錫市錫山碳水通量站和2011年10—11月安吉縣碳水通量站的氣象資料驅動SWAP模型，獲得耕地麥季、稻季，以及林地的蒸散量。按照初始給定的模型參數作物阻力(rcrop)、反射系數αr、凈輻射在植被冠層中的消減系數Kgr、臨界壓力水頭h3，αr,α,λ,n帶入模型計算，將模擬蒸散量結果與實測值比較，調整參數，使得最大程度接近實測值，最終率定參數(表5)。利用研究資料對模型的適用性進行驗證。計算模擬結果與監測值間的相關系數(R2)和均方根預測誤差(RMSPE)，耕地麥季、稻季，林地和茶園ET的模擬結果較理想，其R2分別為0.89，0.75，0.71和0.81，RMSPE分別為0.42，0.58，0.13，1.00。模擬結果表明，SWAP模型率定參數后能夠呈現耕地稻/麥輪作、林地和茶園等太湖流域典型土地利用類型生態系統耗水過程。

表5 模型率定參數

2 結果分析

2.1 林地生態系統耗水及各分量變化

林地生態系統耗水量各分量變化區別較大(表6)，其中，植被蒸騰、蒸發和冠層截留依次為851.51，23.33，94.99 mm，植被蒸騰量占總耗水比例范圍為74.91%～97.40%，平均值為87.80%，在林地生態系統調節水量過程中起著重要作用，蒸騰量并且這種作用在全年生態系統耗水中均能體現，而林內土壤蒸發和截留分別僅占耗水的2.41%和9.79%。

據陳仁升等[13]基于水熱連續方程模擬青海云杉林截留、蒸騰和蒸發量分別為79.2，209.1和23.3 mm，從總量上來看，截留與蒸發與本文模擬的結果基本一致，但蒸騰量相差較大，可能與研究區域有關，青海云杉林降雨天數較大，葉片內外的蒸汽壓差較小，并且植物氣孔開放程度受到影響，葉片蒸騰作用受到抑制。劉晨峰等[14]運用渦度相關法、樹干液流、土壤水分監測系統監測北京生長季(5—10月)楊樹林，植物蒸騰量為281 mm，土壤蒸發為165 mm，截留量為46 mm，年降雨量為444 mm，并且在5—7月，蒸騰與蒸發量相當，這與本文模擬的結果分別為581.78，9.49，61.68 mm相差較大，與田風霞[15]研究結果認為林地土壤蒸發占比很低的結論不一致，分析原因，可能是因為人工楊樹林種植密度2 m×2 m，年齡才3～4 a，多為培養5～6 a木材，因此樹林冠層還不夠厚實，棵間土壤接受到更多的凈輻射，并且據楊立文[16]通過對太行山側柏和油松林地土壤蒸發研究，發現林地枯枝落葉覆蓋下的土壤日蒸發量約是裸露土壤蒸發的1/4，而太湖流域的林地，枯枝落葉層厚，樹林冠層厚實，所以本文模擬的土壤蒸發量偏低。林地生態系統耗水量年內變化呈現典型的單峰型，并且在5—9月，由于降雨充沛，竹林處于生長旺盛時期，形成一個生態系統耗水量和蒸騰量的峰值平臺，平均值約為115.70，102.77 mm。林地的截留量7—9月均值為15.21 mm，因為此時段林地LAI較大，并且降雨量豐富，所以略高于其他月份的均值5.48 mm，總體上，由于太湖流域雨熱同期，在降雨、氣溫都較高的季節，林地的耗水、蒸騰、截留量隨著冠層郁閉度和葉面積指數的增大而增加。

表6 林地生態系統耗水各分量月變化

2.2 園地生態系統耗水及各分量變化

從園地生態系統耗水各分量年總占比來看(表7)，茶株蒸騰(69.17%)和株間蒸發(25.69%)占據耗水的94.86%，蒸騰和棵間蒸發比大約為3∶1。據孟平等[17]采用熱擴散式樹干邊材液流探針測定技術對太行山南麓的蘋果樹進行蒸騰監測，發現全年蒸騰量約500～600 mm，與本文模擬的茶園蒸騰量(626.31 mm)結果一致。

據楊帆等[18]運用大型非稱重式蒸滲儀對太行山低山區黃背草、荊條及其復合群落蒸發蒸騰進行了研究，結果表明，在整個生長季植被群落蒸騰、蒸發比大約為4∶1，與本文的結果相近，相比林地蒸騰蒸發比43∶1要小很多，主要可能與林地、園地的葉面積指數大小以及林下或棵間覆蓋物有關。茶園生態系統耗水量變化范圍為43.49～106.43 mm，月均耗水量為75.45 mm。但蒸騰和蒸發在年內變化不一致，土壤蒸發在7月出現一峰值41.53 mm，與占該月份耗水量的46.03%，此時氣溫和凈輻射均達到一年中的峰值，茶株由于修剪后枝葉還未恢復，株間接受的凈輻射大大增加，土壤蒸發增大；在茶株修剪后(5—9月)，由于降雨充沛，氣溫回升，雖然由于修剪葉面積指數大大下降，但是修剪左右刺激了茶株的生長，體內新成代謝作用加強，消耗了大量水分，茶株蒸騰作用相比1—3月較強，也有待于茶株樹干莖流的監測進行驗證。茶株即將被修剪前(2—4月)，枝葉最繁盛，此時段截留量占總耗水量的比例比其他月份相對較大，截留的這種季節變化特征也與茶園特有的人工修剪作用有密切關系。

表7 園地生態系統耗水及各分量月變化

2.3 耕地生態系統耗水及各分量比較

耕地由于稻/麥輪作方式，耗水呈現明顯的麥季(1—5月)和稻季(6—11月)2個時段特征，耗水總量分別為353.06 mm，429.51 mm，麥季略低于稻季總耗水，與郭瑞萍等[19]研究的農田種植作物中，水稻蒸散耗水量最大，其次為小麥的研究結果一致，可能由于麥季總體氣溫較低以及水稻田由于淹水水分充足等因素有關。在耕地耗水各分量方面(表8)，作物蒸騰和棵間蒸發占據了耗水量的94.73%，分別為61.28%和33.45%，劉昌明等[20]研究的整個生育期小麥蒸騰與棵間蒸發比為7∶3，莫興國等[21]研究的小麥返青至乳熟期，蒸騰與棵間蒸發比為4∶1，前者與本文模擬的結果大約2∶1相近，后者比本文模擬的結果偏小，分析原因，他們的研究區域均在欒城試驗站，消除了地域的差異，但由于所選擇的生育期間不同，劉昌明等分析的是全生育期，而莫興國分析的是返青至乳熟期，在冬小麥越冬期間，其可見蒸發占比相當大，大約為73%，加大了整個生育期的蒸騰蒸發比。

小麥截留量在3—5月，占降雨量的9.45%，相比小麥生育期初始階段由于尚未旺盛生長，枝葉不繁盛時的截留量占比(4.00%)較高；同樣稻季時，生育后期截留量占比相比前期較大。在小麥和水稻作物生長初始階段，土壤無效蒸發量較大，之后蒸騰作用逐漸增大，這種耕地耗水量以及各分量的年內變化主要與農作物的生長階段有關。據張仁華等[22]研究發現，4月中旬前，華北平原小麥地土壤棵間無效蒸發和作物蒸騰量級是相當的，有1/2左右的水分不能參與作物光合作用，并因此提出采用薄膜覆蓋和秸稈覆蓋等抑制棵間土壤水分蒸發的農業節水措施，之后蒸散由土壤蒸發和冠層蒸騰疊加而成。莫興國等[21]研究結果也表明小麥初期，土壤蒸發占比較大，有時超過50%的蒸散量，當葉面積指數較大時，土壤蒸發占比變小，蒸散主要由蒸騰貢獻，因為蒸散作用受氣候條件的強烈影響，雖然日變化幅度較大，但隨著凈輻射的逐漸增加、氣溫回暖、冠層的蒸發面積增大，有一個明顯的上升趨勢。

3 結 論

林地植被蒸騰量占據耗水量的87.80%，蒸騰蒸發比約為43∶1；園地茶株蒸騰(69.17%)和株間蒸發(25.69%)占據耗水的94.86%，蒸騰和棵間蒸發比大約為3∶1；耕地耗水各分量中，作物蒸騰(61.28%)和棵間蒸發(33.45%)占據了耗水量的94.73%，蒸騰與棵間蒸發比約為2∶1?？芍饔?種典型生態系統水量分配差異較大，竹林蒸騰作用在林地生態系統水量調節過程中起著重要作用，園地和耕地棵間蒸發作用相比林地較大。流域竹林枯枝落葉層厚、樹林冠層厚實，土壤蒸發較?。粓@地茶株由于修剪后枝葉還未恢復，株間土壤蒸發偏大；耕地小麥和水稻作物生長初始階段，土壤無效蒸發量較大，所以林地相比園地和耕地土壤蒸發偏低，3種生態系統水量分配差異與其土地利用類型有密切關系。

林地生態系統耗水量年內變化呈現以6—8月為蒸騰高值時段、8月為峰值的單峰曲線。園地茶株修剪后(5—9月)蒸騰作用相比1—3月強；土壤蒸發在7月出現一峰值，占該月份耗水量的46.03%；茶株修剪前(2—4月)，枝葉最繁盛，此時段截留量占總耗水量的比例比其他月份較大。耕地生態系統耗水呈現明顯的麥季(1—5月)和稻季(6—11月)2個時段特征，小麥截留量(9.45%)在3—5月相比小麥生育期初始階段占比(4.00%)較高；稻季時，生育后期截留量占比相比前期較大；小麥和水稻作物生長初始階段，土壤無效蒸發量較大，之后蒸騰作用逐漸增大。太湖流域雨熱同期，在降雨、氣溫都較高的季節(6—8月)，林地的耗水、蒸騰、截留量隨著冠層郁閉度和葉面積指數的增大而增加。茶園生態耗水年內變化與林地相近，雖然由于修剪葉面積指數大大下降，但是修剪左右也刺激了茶株的生長，在氣溫高的時期，蒸騰作用也增大了，茶株由于修剪后枝葉還未恢復，土壤蒸發也增大了。耕地耗水量以及各分量的年內變化在受到降雨、氣溫影響的同時，還主要與農作物的生長階段有關。小麥、水稻生長初期，土壤蒸發占比較大，當葉面積指數較大時，土壤蒸發占比變小，蒸散主要由蒸騰貢獻，截留量占比也相比前期較大。3種生態系統水量年內變化在受到流域降雨、氣溫等因素影響的同時，不同土地利用類型的植被在不同生長階段的葉面積指數、人工修剪作用對耗水量年內變化可能也會產生一定的影響。