基于SEBAL模型的赤峰市植被修復(fù)下林草蒸散耗水特征

亢 丹, 田美榮, 高吉喜, 白淑英,, 李守波

1.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 北京 100872 2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210042 3.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心, 北京 100094 4.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院, 江蘇 南京 210044

水作為諸多生態(tài)系統(tǒng)過程的驅(qū)動力和主要的非生物限制因子，制約著區(qū)域生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，而這一制約作用在水資源虧缺、生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干旱地區(qū)表現(xiàn)尤為突出[1]. 為了解決干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)退化問題，我國自2000年起陸續(xù)開展了“三北防護(hù)林四期”“退耕還林(草)”“京津冀風(fēng)沙源治理”等多項植被修復(fù)工程[2]，大面積的植被建設(shè)會改變區(qū)域水文循環(huán)與能量流動過程，打破原有平衡狀態(tài)，重新建立水熱關(guān)系，并對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[3]. 因此，全面了解植被保護(hù)與修復(fù)下區(qū)域水分的轉(zhuǎn)化運(yùn)移以及植被耗水量的變化是干旱半干旱地區(qū)實現(xiàn)植被優(yōu)化配置、水資源合理利用的必要過程.

蒸散發(fā)作為植被耗水的主要途徑[4]，在植被修復(fù)的水文效應(yīng)研究中頗具價值，國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在黃土高原地區(qū). LU等[5]基于5個經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃?個過程模型估算了植被修復(fù)下我國西北干旱半干旱地區(qū)的植被蒸散發(fā)與耗水量，發(fā)現(xiàn)大量地下水被植被消耗，導(dǎo)致地下水位快速下降. JIAO等[6]利用樹干液流裝置和微型蒸滲儀測算了黃土高原地區(qū)刺槐人工林的蒸散發(fā)，發(fā)現(xiàn)刺槐消耗了大量土壤水與地下水，導(dǎo)致深層土壤干化. 孫淼[7]利用Budyko框架測算了植被修復(fù)下黃土高原地區(qū)的實際蒸散發(fā)，研究表明，黃土高原植被在春季面臨嚴(yán)重干旱；田磊[8]采用相同方法研究發(fā)現(xiàn)，自2000年大規(guī)模植被修復(fù)工程實施以來，黃土高原無定河流域的蒸散發(fā)顯著增加，同時流域水儲量顯著減低. 由于傳統(tǒng)測算方法僅適用于小尺度區(qū)域，且難以推測往年情況，使得遙感模型在估算大尺度區(qū)域長時間序列蒸散發(fā)的優(yōu)越性日益凸顯. 目前，運(yùn)用較為成熟的遙感模型有串聯(lián)模型[9]、Two-Source Energy Balance (TSEB)模型[10]、Surface Energy Balance System (SEBS)模型[11]、Surface Energy Balance Algorithmfor Land (SEBAL)模型[12]等. 其中，SEBAL模型因輸入數(shù)據(jù)較少、可操作性強(qiáng)，得到了廣泛應(yīng)用. 我國學(xué)者[13-15]運(yùn)用SEBAL模型在新疆維吾爾自治區(qū)、甘肅省等地區(qū)開展了相關(guān)研究，結(jié)果表明SEBAL模型的模擬精度超過90%.

遙感模型的反演結(jié)果一般為瞬時值，將瞬時蒸散發(fā)擴(kuò)展至更長時間尺度是估算蒸散發(fā)的難題. 由于計算過程復(fù)雜、衛(wèi)星重訪時間長、數(shù)據(jù)易受云污染等原因，難以直接運(yùn)用遙感模型計算逐日實際蒸散發(fā). 因此，國內(nèi)外大量研究僅針對某一特定日期的實際蒸散發(fā)進(jìn)行分析[16-19]，或簡單地將某一特定日期的實際蒸散發(fā)乘以月份天數(shù)，從而求得月際實際蒸散發(fā)[20-22]. 然而，蒸散發(fā)受氣象與地表因子影響較大，同一月份不同日期之間往往差異顯著[23]. 因此，以某日的實際蒸散發(fā)代表整月水平容易產(chǎn)生誤差. 基于此，該研究采用參考蒸散比不變法，通過遙感模型反演的衛(wèi)星過境日實際蒸散發(fā)，結(jié)合Penman-Monteith公式計算的參考蒸散發(fā)反推每日實際蒸散發(fā)，累加得到月際與生長季尺度的實際蒸散發(fā). 參考蒸散比不變法充分考慮了氣象因子的日差異性，使實際蒸散發(fā)在時間尺度上合理擴(kuò)展. SEBAL模型適用于植被覆蓋度較高的區(qū)域，而5—9月是植物的生長季，可以保證SEBAL模型的反演精度. 此外，植被的蒸騰耗水主要發(fā)生在生長季，因此生長季尺度的實際蒸散發(fā)反演對探究區(qū)域水分盈虧變化十分重要.

赤峰市屬于半干旱區(qū)，年陸面蒸發(fā)量為降水量的4～6倍. 經(jīng)過多年的植被保護(hù)與修復(fù)，地表植被的分布與蒸散能力發(fā)生了改變，且正面臨草原退化、沙化與水分分配不均等生態(tài)問題[24]. 為此，該研究利用SEBAL模型結(jié)合MODIS數(shù)據(jù)與氣象站觀測數(shù)據(jù)，對赤峰市2000年、2008年、2016年植物生長季的實際蒸散發(fā)進(jìn)行反演，對植被保護(hù)與修復(fù)下赤峰市實際蒸散發(fā)的時空變化特征與植被耗水情況進(jìn)行分析，以期為赤峰市的植被合理配置提供參考.

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

赤峰市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部，地理位置為41°17′10″N～45°24′15″N、116°21′07″E～120°58′52″E，是內(nèi)蒙古高原、冀北丘陵和遼寧平原的接合部位，總面積9×104km2. 市域內(nèi)地形多變，北部和南部為山地丘陵區(qū)、西部為高平原區(qū)、東部為平原區(qū)，海拔在300～2 000 m之間. 屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫在0～7 ℃之間，近20年來年均降水量為292.94 mm，分布趨勢自西南向東北逐漸減少. 赤峰市屬于典型的農(nóng)牧交錯帶，生態(tài)環(huán)境脆弱.

自2000年起赤峰市陸續(xù)開展了“三北防護(hù)林四期”“天然林保護(hù)”“京津冀風(fēng)沙源治理”“退耕還林(草)” “野生動植物保護(hù)及自然保護(hù)區(qū)建設(shè)”“林業(yè)產(chǎn)業(yè)基地”工程. 上述工程重點在寧城縣、喀喇沁旗、松山區(qū)、敖漢旗和巴林左旗開展了大規(guī)模造林活動，主要栽植樹種為樟子松、油松、云杉、新疆楊、赤峰楊等喬木，至2016年，全市森林覆蓋率提高了約9%[25].

1.2 數(shù)據(jù)源及其處理

1.2.1蒸散發(fā)數(shù)據(jù)

選用2000年、2008年、2016年5—9月的MODIS影像；使用地表反射率產(chǎn)品MOD09GA、地表溫度產(chǎn)品MOD11A1、地表反照率產(chǎn)品MCD43A3以及8天合成葉面積指數(shù)產(chǎn)品MOD15A2H，數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(www.earthdata.nasa.gov). 以上4種數(shù)據(jù)產(chǎn)品每月各一幅，共60幅影像. 選擇云量<10%、清晰度較高的影像，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、重投影等預(yù)處理，最終轉(zhuǎn)換為WGS-1984經(jīng)緯度坐標(biāo)系統(tǒng)下Tiff格式的文件.

MODIS數(shù)據(jù)獲取時間日期為2000年5月23日、6月17日、7月12日、8月22日、9月6日，2008年5月24日、6月13日、7月13日、8月3日，2016年5月16日、6月1日、7月7日、8月8日和9月7日. 將MODIS數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.3軟件中提取需要的波段. 結(jié)合氣象資料，在ERDAS IMAGE 2015軟件中編寫程序并計算模型中每個分量所需參數(shù)，完成整個SEBAL模型的操作.

1.2.2氣象數(shù)據(jù)及降水插值驗證

逐日氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(www.data.cma.cn)2000—2016年《中國地面氣候資料數(shù)據(jù)集》. 將赤峰市內(nèi)及周圍共15個國家級氣象站點的逐日地面基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，包括日均氣溫、日均風(fēng)速(2 m高處)、日均降水量等進(jìn)行月合成處理，得到2000—2016年各月氣象資料.

對于降水量數(shù)據(jù)，使用ArcGIS 10.3軟件的克里金空間插值法將各站點降水量數(shù)據(jù)擴(kuò)展到整個研究區(qū)，從而得到柵格氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率、投影類型與預(yù)處理后的遙感數(shù)據(jù)一致. 通過赤峰市內(nèi)4個市級氣象站點的實測數(shù)據(jù)對降水量插值結(jié)果進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果見表1. 除2000年崗子站降水量插值結(jié)果與實際值的絕對誤差為16.65%、八里罕站的絕對誤差為25.92%之外，其余年份各驗證氣象站點的絕對誤差均在10%左右，可以認(rèn)為降水量插值結(jié)果有效.

表1 2000年、2008年、2016年赤峰市降水量插值結(jié)果驗證

逐時氣象數(shù)據(jù)來自美國國家環(huán)境信息中心(www.ncei.noaa.gov)，收集2000年、2008年、2016年每年5—9月的逐時氣象信息，在REF-ET軟件中計算每日參考蒸散發(fā).

1.2.3DEM與土地利用變化數(shù)據(jù)

DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(www.gscloud.cn)，分辨率為30 m. 2000年、2008年、2016年赤峰市土地利用類型圖來自南京信息工程大學(xué)內(nèi)部數(shù)據(jù)，分辨率為30 m.

1.3 研究方法

1.3.1實際蒸散發(fā)反演方法

遙感反演蒸散發(fā)的理論基礎(chǔ)是地表能量平衡原理，核心是通過余項法求解顯熱通量(H).

能量平衡公式：

λ×ET=Rn-G-H

(1)

式中：λ為潛熱蒸發(fā)系數(shù)；ET為蒸散量，Wm2；Rn為地表凈輻射通量，Wm2；G為土壤熱通量，Wm2；H為顯熱通量，Wm2.

地表凈輻射通量取決于總輻射、地表反射率、地面長波輻射和大氣逆輻射；土壤熱通量無法直接用遙感方法計算，一般采用其與地表凈輻射的關(guān)系間接計算；顯熱通量是通過對流直接傳輸?shù)娇諝庵械哪芰浚鶕?jù)Monin-Obukhov理論通過循環(huán)迭代法計算可得[26]. 各項參數(shù)的詳細(xì)計算方法見文獻(xiàn)[27].

1.3.1.1日實際蒸散發(fā)

通過式(2)計算潛熱蒸發(fā)系數(shù)(λ)，其中Ts為研究區(qū)的地表溫度(℃). 根據(jù)蒸發(fā)比不變法(潛熱通量與凈輻射通量和土壤熱通量之差的比值在24 h內(nèi)基本不變[28])將瞬時實際蒸散量擴(kuò)展為日實際蒸散量.

λ=2.501-0.002 36×(Ts-273.15)

(2)

(3)

式中，ETrf為參考蒸散比.

日潛熱通量為

λ×ET24=ETrf×(Rn24-G24)

(4)

日實際蒸散量為

ET24=[86 400×ETrf×(Rn24-G24)]λ

(5)

式中：ET24為日實際蒸散量，mmm2；G24為日土壤熱通量，Wm2，在計算時可忽略；Rn24為日凈輻射通量，Wm2.

1.3.1.2月實際蒸散發(fā)

Penman-Monteith公式是計算參考蒸散量的經(jīng)典方法，其表達(dá)式為

(6)

式中：ETr為日參考蒸散量，mmm2；Kc為作物系數(shù)；γ為干濕表常數(shù)，kPa℃；T為日均溫度，℃；u2為2 m高處風(fēng)速，ms；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa℃.

在REF-ET軟件中，根據(jù)Penman-Monteith公式計算2000年、2008年、2016年5—9月的日參考蒸散量.

將日實際蒸散量與日參考蒸散量代入式(6)得到2000年、2008年、2016年5—9月的參考蒸散比，通常情況下一個月內(nèi)的參考蒸散比可視為常數(shù)[29].

ETrf=ET24ETr

(7)

根據(jù)參考蒸散比不變法，利用日參考蒸散量反推日實際蒸散量，將日實際蒸散量按月累加得到月實際蒸散量. 與簡單的倍數(shù)相乘法相比，參考蒸散比不變法充分考慮了每日的氣象差異，可以使長時間序列的蒸散量數(shù)據(jù)更精確，目前在國外發(fā)展較為成熟[30-32]，但在國內(nèi)應(yīng)用較少.

1.3.2森林與草地生態(tài)系統(tǒng)的實際蒸散發(fā)

在ArcGIS 10.3軟件的Raster Calculator工具下按月份疊加SEBAL模型計算得到日蒸散量結(jié)果，即可求得月際與生長季尺度的實際蒸散量. 在Zonal Statics as Table工具下以各年份土地利用類型分布作為底圖進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計，得到月際與生長季尺度下森林與草地生態(tài)系統(tǒng)的實際蒸散量.

2 結(jié)果與分析

2.1 赤峰市林草面積變化情況

通過遙感分析并結(jié)合地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在時間尺度上，2000—2016年赤峰市森林面積呈增加趨勢，增長率為4.40%；草地面積表現(xiàn)為先減后增，總體減少了2.18%(見表2). 2000—2016年赤峰市大量的草地、農(nóng)田轉(zhuǎn)為森林(見表3)，使得森林面積增加了781.63 km2；盡管有部分森林、農(nóng)田轉(zhuǎn)為草地，但轉(zhuǎn)化面積較小(見表3)，因此2016年草地面積較2000年減少了853.86 km2(見表2).

表2 2000年、2008年、2016年赤峰市森林、草地面積變化

表3 2000—2016年赤峰市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

在空間尺度上，森林的擴(kuò)增主要發(fā)生在赤峰市南部的寧城縣、喀喇沁旗和位于東南部的敖漢旗，而草地的縮減主要發(fā)生在北部山地草原區(qū)(見圖1).

2.2 赤峰市生長季蒸散發(fā)變化特征

圖1 2000年、2008年、2016年赤峰市土地利用類型的變化情況Fig.1 Land-use change in 2000, 2008 and 2016 in Chifeng City

由表4可見，2000—2016年，赤峰市生長季總蒸散量呈上升趨勢，由2000年的440.86 mm增至2016年的474.34 mm，其變化趨勢與降水量變化一致，但增幅較緩. 2000年、2008年、2016年各年生長季降水量分別為250.10、285.38、355.99 mm，其中2016年降水量明顯高于赤峰市近20年的平均水平(292.94 mm)，與相關(guān)研究得出的我國西北干旱區(qū)增濕趨勢明顯的結(jié)論[33]相一致. 蒸降差即蒸散量與降水量之差，是反映區(qū)域水分盈虧的指標(biāo). 2000年、2008年、2016年各年生長季的蒸降差均大于0，說明降水無法滿足地表蒸散的需要. 但隨著降水量的增加，赤峰市全域的蒸降差由2000年的190.76 mm降至2016年的118.35 mm，表明區(qū)域增濕化有助于緩解赤峰市的水分虧缺狀況(見表4).

在空間分布格局上，赤峰市蒸散發(fā)高值區(qū)(>400 mm)不斷擴(kuò)張，其面積占比由2000年的42.62%增至2016年的49.54%，其中蒸散量為600～800 mm的區(qū)域面積變化最大，較2000年增加了5.02%；蒸散量為800～1 000 mm的區(qū)域面積較2000年增加了1倍，集中分布在南部的寧城縣、喀喇沁旗以及東南部敖漢旗的森林區(qū)(見圖2). 除此之外，赤峰市中南部的翁牛特旗與松山區(qū)的農(nóng)田、草原區(qū)蒸散發(fā)也有所增加. 蒸散量低值區(qū)(<400 mm)由中部轉(zhuǎn)移至北部，其中巴林左旗、巴林右旗的草甸草原區(qū)以及阿魯科爾沁旗北部的山地森林區(qū)蒸散發(fā)下降趨勢最為明顯. 整體上，赤峰市生長季蒸散發(fā)的空間變化特征與降水量的空間分布特征以及人工林的面積擴(kuò)張情況相一致.

圖2 2000年、2008年、2016年生長季赤峰市蒸散量Fig.2 Evapotranspiration during the growing season in Chifeng City in 2000, 2008 and 2016

表4 2000年、2008年、2016年生長季赤峰市蒸散量、降水量、蒸降差

2.3 森林與草地生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)變化特征

研究表明，2000年、2008年、2016年各年生長季森林與草地生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量均呈先升后降的趨勢，峰值出現(xiàn)在7月或8月，且二者變化曲線相似(見圖3). 森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量始終高于草地生態(tài)系統(tǒng)，差值范圍為15.22～66.33 mm.

圖3 2000年、2008年、2016年赤峰市森林與草地生態(tài)系統(tǒng)月蒸散量、生長季蒸散量與降水量的變化Fig.3 Evapotranspiration and precipitation changes in the monthly and growing seasons of forest and grassland ecosystems in Chifeng City in 2000, 2008 and 2016

多數(shù)情況下，森林與草地生態(tài)系統(tǒng)的月蒸散量高于月降水量，但隨著區(qū)域降水量的不斷增加，草地生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量與降水量逐漸接近，特別是在降水集中的6月、7月、8月. 由圖3可見：2000年6月、7月草地生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量遠(yuǎn)高于降水量，但2016年6月、7月、8月草地生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量接近或低于降水量；與草地生態(tài)系統(tǒng)相反，森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散量隨降水量的增加而不斷增加，月最大蒸散量逐漸超過了月最大降水量.

從整個生長季來看，隨著降水量的增加，草地與森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量均呈上升趨勢，但草地生態(tài)系統(tǒng)蒸散量的增幅較小，使得蒸降差不斷減小；而森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散量的增幅較大，使得蒸降差略有上升，說明草地與森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散能力差別較大. 在區(qū)域降水增多的前提下，草地生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量逐漸趨于穩(wěn)定，并接近最大值，而森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量不斷增加.

2.4 森林及其他生態(tài)系統(tǒng)生長季耗水量

由表3可見，赤峰市2000年有 3 406.04 km2草地、2 543.16 km2農(nóng)田、74.60 km2水體、21.99 km2居民用地和19.20 km2沙漠在2016年轉(zhuǎn)化為森林，使得2016年森林面積達(dá)18 564.40 km2. 根據(jù)各類生態(tài)系統(tǒng)生長季蒸散量與面積(見表5)，可推算出2016年森林生態(tài)系統(tǒng)的生長季耗水量以及2000年相同區(qū)域內(nèi)各類生態(tài)系統(tǒng)的生長季總耗水量；結(jié)合對應(yīng)的降水量，可分析造林開展后森林生態(tài)系統(tǒng)的水分盈虧情況. 在水分消耗上，2016年森林生態(tài)系統(tǒng)生長季耗水量為106.37×108t，而2000年相同區(qū)域內(nèi)各類生態(tài)系統(tǒng)生長季總耗水量為78.68×108t. 盡管面積相同，但2016年森林生態(tài)系統(tǒng)通過蒸散發(fā)的耗水量較開展植被保護(hù)與修復(fù)工程前的2000年增加了27.69×108t.

表5 2016年森林生態(tài)系統(tǒng)與2000年相同區(qū)域內(nèi)各類生態(tài)系統(tǒng)的面積、蒸散量、耗水量、水分虧缺量

圖4 參考蒸散比不變法與倍數(shù)法計算的日實際蒸散量對比Fig.4 Comparison of daily actual evapotranspiration results calculated in the constant reference evaporative fraction and multiple fraction

在降水方面，近20年來的降水?dāng)?shù)據(jù)表明，赤峰市降水量呈增加趨勢. 2016年赤峰市森林區(qū)生長季的降水量為66.09×108t，2000年為46.43×108t. 可見，盡管降水量不斷增加，但森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散耗水量仍大于降水量，因此赤峰市森林生態(tài)系統(tǒng)在生長季內(nèi)長期處于水分虧缺狀態(tài). 2016年森林生態(tài)系統(tǒng)生長季的水分虧缺量為40.29×108t，而2000年相同區(qū)域內(nèi)各類生態(tài)系統(tǒng)生長季的水分虧缺量僅為36.26×108t. 因此，降水量的增加并未緩解赤峰市森林生態(tài)系統(tǒng)的干旱問題，反而因開展植被修復(fù)工程，森林大面積擴(kuò)增，耗水量不斷增加，加劇了森林生態(tài)系統(tǒng)的干旱程度. 在降水與土壤水無法滿足植被生長需求時，一些根系發(fā)達(dá)的植被會消耗地下水，從而引發(fā)更加嚴(yán)重的生態(tài)問題.

3 討論

3.1 參考蒸散比不變法的優(yōu)越性與精度驗證

基于相同的遙感數(shù)據(jù)，采用常規(guī)的倍數(shù)法(即以一日蒸散發(fā)數(shù)據(jù)代表整月)和參考蒸散比不變法計算赤峰市各類生態(tài)系統(tǒng)的日實際蒸散發(fā)，并對結(jié)果進(jìn)行比對.

如圖4所示，倍數(shù)法僅以一日的實際蒸散發(fā)結(jié)果代表整月，忽略了氣象條件和植被生長狀況對日實際蒸散發(fā)的影響，因此普遍存在高估或低估的問題. 此外，倍數(shù)法呈現(xiàn)的月蒸散發(fā)變化規(guī)律與區(qū)域降水特征不符，若以倍數(shù)法的計算結(jié)果分析區(qū)域水分盈虧，容易造成誤判. 而參考蒸散比不變法對氣象數(shù)據(jù)的要求極高，在計算每日參考蒸散發(fā)時要求使用小時數(shù)據(jù)，使得計算結(jié)果充分包含了每日的氣象特征，表現(xiàn)為明顯的日差異性. 因此，相比于倍數(shù)法，參考蒸散比不變法的計算結(jié)果與蒸散發(fā)的真實值更為貼近，更符合區(qū)域降水規(guī)律，使遙感模型計算出的蒸散發(fā)結(jié)果在時間尺度上得到合理擴(kuò)展.

通過查找現(xiàn)有文獻(xiàn)中有關(guān)內(nèi)蒙古自治區(qū)森林與草地生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的計算結(jié)果，對比驗證筆者所得研究結(jié)果. 申芮[34]通過雙作物SIMDualKc模型模擬得到2015年西烏旗地區(qū)禁牧草原生長季蒸散量為388.56 mm；王力飛等[35]基于野外實測數(shù)據(jù)與雙作物系數(shù)法計算得到2005年渾善達(dá)克地區(qū)草原生長季蒸散量為379.50 mm；朱仲元[36]分別運(yùn)用涌源模型法和作物系數(shù)法對2004年錫林郭勒盟多倫地區(qū)優(yōu)勢牧草和稀疏牧草生長季蒸散量進(jìn)行測算，得到兩種方法下優(yōu)勢牧草生長季蒸散量分別為378.83、391.94 mm，稀疏牧草生長季蒸散量分別為377.33、382.81 mm. 以上結(jié)果均與筆者所得結(jié)果(3年平均值為365.24 mm)接近.

ZHENG等[37]運(yùn)用CROPWAT模型測算了科爾沁沙地1953—2009年楊樹人工林生長季的蒸散發(fā)平均值為558.10 mm、樟子松人工林的蒸散發(fā)平均值為415.20 mm；Wilske等[38]通過渦度相關(guān)法與微氣象測算了內(nèi)蒙古自治區(qū)庫布齊沙漠楊樹人工林2006年生長季的蒸散量為550 mm. 筆者計算得到的赤峰市森林生態(tài)系統(tǒng)生長季蒸散發(fā)的3年平均值為501.30 mm，與以上結(jié)果較為接近. 因此，可以認(rèn)為SEBAL模型適用于赤峰市實際蒸散發(fā)的計算.

3.2 植被的合理保護(hù)與修復(fù)

為遏制環(huán)境退化，恢復(fù)并提升區(qū)域生態(tài)功能，赤峰市自2000年陸續(xù)開展了“三北防護(hù)林四期”“京津冀風(fēng)沙源治理”“退耕還林(草)”等植被修復(fù)工程. 大規(guī)模的植被保護(hù)與修復(fù)顯著提升了赤峰市的森林覆蓋率，增強(qiáng)了人們的綠化意識[39]，但也帶來了一些生態(tài)隱患. 部分區(qū)域過于注重植被的快速恢復(fù)，引進(jìn)速生的高耗水植物或進(jìn)行高密度種植，導(dǎo)致人工植被整體成活率不高[40]、土壤干化[41]、自然植被退化[42]. 通常情況下，水熱條件決定了一個地區(qū)適宜生存的植被類型及其空間分布特征，而干旱半干旱地區(qū)降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，可用于支持植被生長的水資源十分有限，因此降水與耗水是植被保護(hù)與修復(fù)過程中需要著重考量的因素. 有研究[43]表明，大面積的造林增加了赤峰市水分消耗，導(dǎo)致地表徑流減少、地下水位下降，區(qū)域的水源涵養(yǎng)功能降低. 在該研究中，SEBAL模型的反演結(jié)果表明，2016年生長季赤峰市1 m2森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量比2000年高121.21 mm；1 m2草地生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量比2000年高48 mm. 總體上，2016年生長季赤峰市森林分布區(qū)的耗水量比2000年相同區(qū)域內(nèi)各類生態(tài)系統(tǒng)總耗水量多27.69×108t. 盡管在我國西北地區(qū)普遍增濕化的背景下[33]，赤峰市的降水量逐年增長，但未能滿足植被不斷增加的用水需求. 2016年生長季森林生態(tài)系統(tǒng)的水分虧缺量為40.29×108t，比2000年相同區(qū)域內(nèi)各生態(tài)系統(tǒng)增加了8.03×108t，因此大規(guī)模的植被保護(hù)與修復(fù)工程加重了赤峰市森林生態(tài)系統(tǒng)的干旱程度，使植被面臨更加嚴(yán)峻的水分脅迫形勢. 有研究表明，在降水與土壤水無法滿足植被及地表的蒸散需求時，植被將大量消耗地下水[44]，而近10年赤峰市地下水水位下降了11.52 m[45]，這在一定程度上可以印證植被建設(shè)對區(qū)域水資源的影響.

如何科學(xué)地進(jìn)行植被保護(hù)與修復(fù)工程，在改善生態(tài)環(huán)境的同時最大程度地維持水資源存量，減少水資源消耗是干旱半干旱地區(qū)面臨的挑戰(zhàn)[46]. 因此，干旱半干旱地區(qū)在進(jìn)行植被修復(fù)時，首先應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件及生態(tài)退化程度劃定生態(tài)修復(fù)區(qū)，明確生態(tài)修復(fù)的輕重緩急，針對退化程度不同的區(qū)域，依據(jù)區(qū)域氣候特征制定不同的生態(tài)修復(fù)方案；其次，根據(jù)喬灌草植物的蒸散發(fā)與耗水特征，開展生態(tài)修復(fù)物種優(yōu)化配置. 該研究表明，赤峰市在降水量增加的情況下，草地生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)增長趨勢漸緩，趨于穩(wěn)定并接近降水量，單位面積草地生態(tài)系統(tǒng)生長季的耗水量比森林生態(tài)系統(tǒng)少0.18 t，因此草本植物更適用于低降水量區(qū)的植被修復(fù). 根據(jù)降水量插值與蒸散發(fā)反演結(jié)果，2000年、2008年、2016年降水范圍為200～250 m的地區(qū)，草地生態(tài)系統(tǒng)的蒸降差平均值為-35.51 mm，森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸降差平均值為-79.97 mm；降水范圍為250～300 mm的地區(qū)，草地生態(tài)系統(tǒng)的蒸降差平均值為-1.38 mm，森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸降差平均值為-36.1 mm. 為了減少水分消耗，建議赤峰市在未來的植被建設(shè)中，首先，針對降水量低于300 mm的地區(qū)以草本植物修復(fù)為主；其次，優(yōu)化種植密度，降低植物耗水，減緩干旱脅迫；最后，從政府管理層面做好生態(tài)調(diào)控修復(fù)對策，不應(yīng)只將植被恢復(fù)作為唯一目標(biāo)，而應(yīng)關(guān)注整個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的壓力減緩與功能提升[47]. 在實現(xiàn)區(qū)域水資源合理利用的前提下，提升社會、經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)效益最大化.

通常情況下，地表蒸散發(fā)受氣象因子和下墊面因子的雙重影響. 該研究著重分析了在二者綜合作用下赤峰市全域與森林、草地生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)變化特征. 為了明確各類因子對蒸散發(fā)的影響程度，未來相關(guān)研究還需分別測算下墊面因子與氣象因子對蒸散發(fā)的影響，以便更有針對性地開展植被修復(fù)工程. 由于赤峰市未來的降水特征具有不確定性，相關(guān)研究還需從樹種、土壤等角度加強(qiáng)分析，以便為植被修復(fù)政策提供有力支撐.

4 結(jié)論

a) 2000年、2008年、2016年赤峰市生長季的蒸散量分別為440.86、452.76、474.34 mm，呈增加趨勢. 不同生態(tài)系統(tǒng)的蒸散量排序為水體>森林>居民用地>農(nóng)田>草地>沙漠. 在空間上，蒸散發(fā)高值區(qū)(>400 mm)逐漸由赤峰市北部的山地森林、草甸草原區(qū)轉(zhuǎn)移至南部的山地森林、人工林、農(nóng)田區(qū)，與降水量的空間變化相一致.

b) 自植被保護(hù)與修復(fù)工程開展以來，赤峰市森林生態(tài)系統(tǒng)的耗水量不斷增加，2016年森林生態(tài)系統(tǒng)耗水量比2000年等面積的森林及其他生態(tài)系統(tǒng)增加了27.69×108t. 盡管降水量顯著增加，但2016年森林生態(tài)系統(tǒng)水分虧缺量比2000年等面積的森林及其他生態(tài)系統(tǒng)增加了8.03×108t. 大規(guī)模植樹造林加劇了赤峰市森林生態(tài)系統(tǒng)的干旱程度，使植被面臨更加嚴(yán)峻的水分脅迫形勢.

c) 在降水量增加的情況下，赤峰市草地生態(tài)系統(tǒng)蒸散量的增長速率較低，單位面積草地生態(tài)系統(tǒng)的生長季耗水量比森林生態(tài)系統(tǒng)減少了0.18 t，因此在綜合考慮生態(tài)功能的前提下，生態(tài)修復(fù)要做好植被的優(yōu)化配置，針對氣候條件不同的區(qū)域合理設(shè)定林草修復(fù)面積.