荒漠草原不同時間尺度下墊面水分消耗與氣象植被因子的關系

王 軍，張瑞強,3，李和平,3，鹿海員，曹雪松，劉瑞春

(1.中國水利水電科學研究院牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020；2.水利部牧區水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010020; 3.流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；4.杭錦旗防汛抗旱辦公室，內蒙古 杭錦旗 017400)

水的可用性限制了幾乎所有陸地生態系統中植物的生長[1]，其中荒漠草原對缺水帶來的影響更加敏感[2]，長期缺水甚至會影響到草原生境系統的功能[3]，尤其是分布在歐亞大陸干旱和半干旱地區的內蒙古荒漠草原[4-5]，地區降水(Pr)很少匯入河流或轉化成地下水，蒸散發(ET)成為降水轉化的主要“出口”，頻繁參與了下墊面和大氣之間的水汽交換[6-7]。但受植被覆蓋與氣象參數拓撲特征之間的相互作用，荒漠草原ET具有廣泛的時空變異性[8]。作為農田水利、生態水文等領域持續關注的熱(難)點之一，ET精準監測通常使用相對復雜的物理原理和技術進行系統測量[9]，很多缺乏資料的地區ET需要估算和預測[9-10]。如Jackson利用冠層溫度與土壤表面空氣溫度的差值，建立ET與氣象植被因子之間的經驗關系式，成為估算ET的經典方法之一[11-12]。另外一些研究者通過獲取作物生長同期時間序列的微氣象和植被因子，開展了同區域ET變化的預測研究[13-14]。當ET測量資料可以獲得時，利用氣象因子、植被覆蓋指數等擬合得到的ET經驗公式，雖然結果不一定能推斷到不同的生態系統，但它們可為同一生境系統或類型內的ET時空擴展提供準確的參照方法[15]。

同時，在分析某時期水分盈虧時，很多研究者用帕默爾干旱指數、標準化降水指數、標準化降水蒸散發指數等來進行評估和預測[16-19]，這為地區干旱識別和預測提供了有效的方法，但這些指數很難直接反映出下墊面的水分盈虧狀況。在現有多年連續實測ET和Pr的基礎上，基于ET與Pr差值(ET-Pr，簡稱IETP)，解析荒漠草原下墊面與大氣之間的水汽交換特征，對認識荒漠草原水汽交換規律、預測旱情變化具有重要意義[20-23]。

本文以內蒙古希拉穆仁荒漠草原為例，在大型稱重式蒸滲儀多年(2012—2018年)連續的天然草地原位監測ET數據基礎上，開展荒漠草原不同時間尺度影響和控制ET的氣象植被因子識別及下墊面水分消耗特征研究，以期為探究荒漠草原水汽交換規律、監測草原旱情提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點選擇在位于內蒙古希拉穆仁荒漠草原境內的流域水循環模擬與調控國家重點實驗室——草地水循環與生態修復實驗基地(圖1a)。基地海拔高度1 600 m，面積約為1.33 km2；1960—2018年平均降水、水面蒸發、空氣溫度(T)、風速(S)分別為265.6 mm、2305.0 mm、2.6℃、4.5 m·s-1。基地所在區域屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候，其特點是冬季漫長嚴寒、夏季短促溫涼；天然草地植被類型主要以克氏針茅、冷蒿、糙隱子草、冰草為主，考慮天然草地的生長過程，本文研究時段選擇每年4—10月植物生長季。

1.2 研究方法

1.2.1 基于蒸滲儀的ET監測方法 蒸滲儀稱重系統采用杠桿原理，當土體中水分發生變化時，其變化量引起傳感器輸出值的變化，根據標定好的杠桿系數就可得到土體水量的變化值。其計算公式：

ET=Pr-ΔET′-L

(1)

式中，Pr為降水量(mm),ΔET′為蒸降量(mm)，該值由蒸滲儀的稱重裝置直接測定；L為滲漏量(mm)，通過箱體排水口下方的流量計測定。

1.2.2 下墊面水分消耗計算 下墊面水分消耗(IETP)是下墊面天然草地蒸散發(ET)與降水量(Pr)的差值，該值在不同時間尺度上能直接反映下墊面與大氣之間水汽交換特征，其計算公式：

IETP=ET-Pr

(2)

當IETP≥0時，即ET≥Pr，植物生長季內水汽互換特征是以下墊面水分消耗為主；反之，當IETP<0時，水汽互換特征是以下墊面水分吸收為主。

1.3 數據采集與處理

1.3.1 實測蒸散發 作為傳統雨量計和渦度相關法的替代方案，最先進的高精度稱重式蒸滲儀能夠捕獲土壤、植被和大氣界面的通量[24-25]，其稱重精度和可控的下邊界條件允許對ET進行連續的野外原位監測。本文所使用的大型稱重式蒸滲儀由西安碧水環境新技術有限公司提供，設備包括土箱體(2 m×2 m×2.3 m)、蒸發降雨量稱重裝置、滲漏量測量裝置、電源供給等(圖1b)。土箱箱內原狀土體采用切削加壓法套制。上表面積為4 m2(2 m×2 m)，高2 m，土體下部設置0.3 m厚砂土層；同時，箱底斜坡設計保證了下滲到砂土層的水分及時通過排水口流出。該系統稱量精度為40 g，相當于0.01 mm的蒸降量。

圖1 研究區位置和監測儀器結構Fig.1 Location and monitoring instruments of the study site

1.3.2 氣象因子 氣象因子包括與ET密切相關的土壤表層(0～30 cm)含水率(W)、相對濕度(RH)、風速(S)、太陽輻射(Ra)、空氣溫度(T)、降水(Pr)等。數據采集來自IMKO公司生產的ENVIS生態氣象監測系統(圖1a)，該系統可提供每小時連續的氣象數據采集。

1.3.3 植被指數 植被指數(VI)會隨植被生長階段的變化而變化，從而影響植被蒸騰及下墊面耗水過程。天然草地受自身生長的影響，植被指數在短期內變化不大。因此，本文收集了2012—2018年每月的MODIS VIs時間序列產品(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)，用于分析ET與VI之間的關系。根據遙感影像對基地所在區域的土地類型調查結果，基地所處的希拉穆仁荒漠草原超過90%為天然草地，基地所在的MODIS VIs產品像元內下墊面植被類型具有高度的一致性，根據基地所處位置的經緯度，在MODIS VIs產品按像元位置提取的VI數據具有一定代表性。

2 結果與分析

2.1 實測蒸散發(ET)不同時間尺度特征

圖2a為荒漠草原小時ET(簡稱ETh)變化的特征曲線。根據大型稱重式蒸滲儀實測數據統計，每日00∶00—24∶00內ETh平均值為0.06 mm。ETh日內總體變化特征呈先增后減的拋物線型，并在每天14∶00達到最大；標準偏差STD=0.06 mm、變異系數Cv=1.07，說明荒漠草原耗水特征在小時之間波動較大。另外，荒漠草原下墊面ET活動主要發生在白天(07∶00—21∶00)，該時段ETh累計值(簡稱∑ETh)占全日總值的95%以上；夜間(22∶00—次日6∶00)ET活動微乎其微，ETh不到0.01 mm·h-1，∑ETh僅占全日總值的4.7%。

圖2b為荒漠草原日ET(簡稱ETd)變化的特征曲線。根據大型稱重式蒸滲儀實測數據統計，每月1—31日內ETd平均值為1.39 mm，標準偏差STD=0.14 mm、變異系數Cv=0.10，ETd變化特征呈小幅度波動的穩定狀態；另外，ETd累計值(簡稱∑ETd)隨儒略日變化趨勢近似直線，進一步印證了ETd無差異的穩定狀態。

圖2c為荒漠草原月ET(簡稱ETm)變化的特征曲線。根據大型稱重式蒸滲儀實測數據統計，荒漠草原地區ETm平均值42.41 mm，標準偏差STD=17.57 mm、變異系數Cv=0.40，ETm月際間變化幅度相對較小。ET在植物生長季呈先增后減的拋物線型變化，并在8月份達到峰值。根據崔向新等[26]對荒漠草原耗水與植被生長研究結論，荒漠草原下墊面耗水特征與植被生長具有密切關系，兩者在變化趨勢上表現出高度的一致性。

2.2 不同時間尺度影響蒸散發(ET)變化的主控因子

氣象和植被因子是影響下墊面土壤蒸發和植被蒸騰最主要的因素[27]，但不同因子對ET影響程度不一[28]。通過分析氣象植被因子與ET的相關性可以識別影響ET變化的主控因子，進而揭示ET與主控因子在時間變化過程中的尺度效應。

表1是利用SPSS 19.0軟件計算的2012—2018年植物生長季ET與氣象植被因子雙變量相關性檢驗結果，可以看出，荒漠草原氣象植被因子(W、RH、S、Ra、T、Pr、VI)對下墊面ET影響是極其復雜的。其中，不同時間尺度上始終與ET保持高度相關的是S(P<0.01)、T(P<0.01)和Pr(P<0.01)；在小時尺度上與ET相關度較高的W(P<0.05)和Ra(P<0.01)，受尺度效應疊加影響，在月尺度上與ET的相關性減弱。同時，研究發現RH、S、Pr在不同時間尺度上與ET的相關性出現了正負交替變化，初步分析這種現象是尺度疊加造成的結果。

統計顯示，2012—2018年希拉穆仁荒漠草原下墊面ET在植物生長季(4—10月)平均值為296.90 mm。在小時尺度上，由于S、Ra、T、Pr對ETh的促進作用超過了W、RH對ETh的抑制影響，因此，ETh變化特征呈現出與S、Ra、T、Pr一致的變化趨勢。在時間尺度擴展到月尺度時，由于RH、T、Pr、VI對ETm的促進作用超過了S對ETm的抑制影響，因此，ETm變化特征與RH、T、Pr、VI的總體變化趨勢保持高度一致(圖3)。

圖2 下墊面實測蒸散發(ET)在不同時間尺度變化特征Fig.2 Variation characteristics of measured ET on the different time scales

表1 蒸散發(ET)與氣象植被因子相關性分析

2.3 基于參數平均化處理的蒸散發(ET)估算經驗方程

根據雙變量相關性檢驗結果(表1)，所有氣象植被因子僅T與ET之間的相關系數在月度尺度上超過0.70，一定程度說明ET變化是多種因素共同影響和控制的結果，依靠某一因子很難直接精準估算ET。為了進一步分析ET與這些參數之間內在聯系，對2012—2018年不同時間尺度上的ET、氣象植被因子做了平均化處理，并確定了ET估算經驗方程。這種處理消除了極值的影響，可直觀反映ET在氣象植被因子影響下的總體變化趨勢(表2)。

小時尺度上，與ET(P<0.01)密切相關的參數包括RH，S，Ra和T；日尺度上，與ET(P<0.01)密切相關的參數包括W和Ra；月尺度上，與ET(P<0.01)密切相關的包括T(表2)。基于多元回歸分析，利用氣象植被主控因子建立了希拉穆仁荒漠草原植物生長季的ET估算經驗方程(圖4)。鑒于氣象植被因子在不同時間尺度上的變化特征是不同的，經驗方程在擬合優度上也有差異，其中，小時尺度和月尺度的經驗方程具有較高的擬合優度，其決定系數(R2)為0.94(圖4a)和0.82(圖4c)；另外，日尺度經驗方程擬合效果相對較差(R2=0.42，圖4b)。

2.4 基于下墊面水分消耗(IETP)的下墊面水汽交換特征

2.4.1 荒漠草原區IETP動態變化特征 圖5是植物生長季的IETP年際變化曲線。2012—2018年的ET、Pr、IETP平均值分別為296.90、266.13、30.77 mm·a-1，IETP的標準偏差STD=44.64 mm、變異系數Cv=1.45。另外，2012年的IETP=-53.72 mm；其余6 a的IETP在10.72～94.46 mm，平均值為44.85 mm，IETP計算結果顯示，下墊面與大氣之間的水汽交換特征整體上是以下墊面水分消耗為主。另外，利用線性方程分析了IETP的年際變化趨勢，擬合直線的斜率為9.55 mm·a-1，希拉穆仁荒漠草原以下墊面水分消耗為主的交換特征整體上有增加趨勢，一定程度反映了天然草地在植物生長季內旱情發生概率存在增高風險。

2.4.2IETP不同時間尺度變化特征 不同降水事件對ET影響是不同的，當降水事件發生時，短時間內可增加下墊面土壤含水量，從而對ET起到促進作用；隨著降水不斷持續，降水會造成空氣溫度下降、相對濕度增加，植被冠層與大氣之間的水汽壓差縮小，從而抑制下墊面的ET活動。Pr和ET在時間尺度上的不匹配(相關系數r<0.65)，容易造成荒漠草原發生干旱或洪澇事件。因此，本文從不同時間尺度進一步分析了荒漠草原IETP動態變化特征，這對于深入理解荒漠草原地區水汽交換過程具有很好的幫助。

注 Note: RH—相對濕度 Air humidity; S—風速 Wind speed; Ra—太陽輻射 Solar radiation; T—空氣溫度 Air temperature; Pr—降水 Precipitation；VI—植被指數 Vegetation index.圖3 下墊面蒸散發(ET)與主控因子(P< 0.05, P< 0.01)在月尺度上變化特征Fig.3 Variation characteristics of evapotranspiration (ET) and the main factors (P<0.05, P<0.01) on the monthly scale

表2 不同時間尺度蒸散發(ET)估算經驗方程

圖4 荒漠草原植物生長季不同時間尺度蒸散發(ET)擬合結果Fig.4 Results of predicted evapotranspiration (ET) in the plant growth season of desert grassland

圖5 荒漠草原植物生長季下墊面水分消耗(IETP)年際變化Fig.5 Annual change of water consumption (IETP) in theplant growth season of desert grassland

在小時尺度(00∶00—24∶00)上IETP(簡稱IETPh)呈先增后減的拋物線型變化(圖6a)。每日09∶00—18∶00的IETPh>0，19∶00—次日08∶00的IETPh<0，總體變化趨勢說明荒漠草原下墊面白天以水分消耗為主，夜間以水分吸收為主；另外，IETPh累計值(簡稱ΣIETPh)日內變化呈現了“正弦曲線”變化，每日12∶00之前下墊面總體處于水分吸收狀態，12∶00之后下墊面總體處于水分消耗狀態。日IETP(簡稱IETPd)平均值為0.15 mm，標準偏差STD=0.65 mm、變異系數Cv=4.24，IETPd在月內變化幅度波動較大(圖6b)。圖6c是月IETP(簡稱IETPm)的特征曲線，4、5、8、10月的IETPm>0，且在8月份的IETPm達到最大，即下墊面水分消耗最多，對應天然草地干旱風險最高；其余月份(6、7、9月)的IETPm<0，且在6月份最小，此時下墊面處于水分吸收高峰期，整體來看，希拉穆仁荒漠草原6月份一般處于水分較為充足狀態，發生干旱事件的概率最小。綜合不同時間尺度ΣIETP計算結果分析，2012—2018年希拉穆仁荒漠草原在植物生長季內下墊面ET總體大于Pr，水汽交換以下墊面水分消耗為主。

圖6 不同時間尺度下墊面水分消耗(IETP)變化特征Fig.6 Change characteristics of water consumption (IETP) at different time scales

3 結 論

1)氣象和植被因子對希拉穆仁荒漠草原植物生長季的ET影響是復雜多變的，小時、日、月3個時間尺度上，始終與ET保持高度相關的是S(P<0.01)、T(P<0.01)和Pr(P<0.01)。

2)平均化處理不同時間尺度上的ET、氣象和植被因子，利用多元回歸分析建立了希拉穆仁荒漠草原ET估算經驗方程。其中，小時尺度和月尺度的經驗方程具有較高的擬合優度，其決定系數分別為0.94、0.82，經驗方程在小時尺度和月尺度上能利用主控因子較好地反映希拉穆仁荒漠草原下墊面耗水特征。

3)利用ET和Pr的差值(IETP)分析了希拉穆仁荒漠草原下墊面與大氣之間不同時間尺度上水汽交換特征。年際間IETP動態變化曲線顯示，除2012年IETP<0，其余6年IETP>0；利用線性方程擬合直線的斜率為9.55 mm·a-1，植物生長季以下墊面水分消耗為主的特征有增強趨勢；同時，植物生長季下墊面與大氣之間水汽交換是頻繁的，不同時間尺度下墊面與大氣之間水汽交換特征是以下墊面水分消耗為主(ΣIETP>0)，且每年8月份發生干旱的風險最高。