陸地蒸散發分割方法及影響因素研究進展

李新夢，狄崇利,2，劉 琴，韓 瓊，王鐵軍,2

(1.天津大學 地球系統科學學院，表層地球系統科學研究院，天津 300072；2.天津市環渤海關鍵帶科學與可持續發展重點實驗室，天津 300072)

1 研究背景

陸地蒸散發(ET)是全球水文循環的重要組成部分，在全球尺度上約有73%的陸地降水通過蒸散發返回到大氣中[1]，在干旱地區甚至可以達到90%以上[2]。陸地蒸散發是土壤-植物-大氣連續體系(soil-plant-atmosphere continuum, SPAC)能量傳輸的重要過程，蒸散發過程中水分汽化吸收的熱量約為地表吸收太陽凈輻射量的55%，同時陸地蒸散發過程也是聯系生物圈、水圈和大氣圈物質交換的主要環節[3]。陸地蒸散發研究對深入了解水循環過程以及準確評估氣候變化對自然生態系統的影響等具有重要科學意義[4]。

陸地蒸散發由蒸騰(T)和蒸發(E)兩部分組成。其中，蒸騰由植物蒸騰作用實現，而蒸發則主要包括土面和冠層蒸發。植物通過蒸騰作用向大氣輸送水分的同時從土壤中吸水，從而保持植物體內水分和溫度的平衡，因此進行蒸散發分割對理解SPAC中的水分運動、揭示生態系統的生態水文過程具有重要作用[5]。此外，全球農業灌溉水的平均利用率僅為45%左右[6]，其主要原因之一是對作物生育期蒸散發及各組分動態變化缺乏深入理解，無法準確估算蒸散發及各組分量。因此，研究陸地蒸散發分割對提高水資源利用效率[7]，實現水資源優化管理具有重要的現實意義[8]。

蒸散發分割是圍繞生態系統中蒸散發各組分組成及其動態變化而進行的研究。國內外學者就蒸散發分割提出了一系列的理論和方法，這些方法在不同生態系統中得到了廣泛應用[9-10]。由于蒸騰和蒸發的影響因素存在差異[11-12]，所以相較于蒸散發，蒸散發分割的影響因素更為復雜，現有研究對蒸散發分割影響因素的總結較少，且相關研究多集中于特定研究區[13-14]。本文在總結蒸散發分割主要方法的基礎上，在不同時間尺度上對蒸散發分割的影響因素進行了系統地探討，以期為蒸散發分割的進一步研究提供參考。

2 蒸散發分割方法

蒸散發分割方法可分為3類[15],即水文氣象學方法[16-19]、穩定同位素方法[20-22]及數值模擬方法[23-25]。

2.1 水文氣象學方法

水文氣象學方法是利用渦度相關系統、波文比系統、蒸滲儀以及植物莖流計等儀器中的兩種或兩種以上相互結合，通過分別測量蒸散發量、蒸騰量和蒸發量中的兩種或3種實現蒸散發分割。水文氣象學方法在不同生態系統中均有應用[16-19]。祁秀嬌等[16]利用植物莖流計和渦度相關系統在內蒙古小葉錦雞兒灌叢中分別測量了灌叢的植物蒸騰量和蒸散發量，發現該灌叢中T/ET(蒸騰與蒸散發的比值)約為66%。Moran等[19]利用波文比系統和微型蒸滲儀分別測量了灌叢和草地的蒸散發量和蒸發量，結果表明灌叢和草地的T/ET分別為64%和79%。王渝淞等[17]以森林為研究對象，利用大型蒸滲儀和植物莖流計發現該林分(即內部特征大體一致，而與臨近地段有明顯區別的一片森林)蒸散發主要由蒸騰組成(約占89.6%)。

利用水文氣象學方法可直接測量蒸散發及其各組分，物理過程明確，儀器測量精度高，所得蒸散發分割的結果準確，通常被作為其他分割方法的驗證標準[23]。漢光昭等[23]利用基于渦度相關系統的水文氣象學方法對Shuttleworth-Wallace(S-W)模型得到的結果進行檢驗，驗證了S-W模型的準確性。但是，由于水文氣象學方法受實驗場地、觀測時間、儀器測量精度以及儀器費用等因素限制，同時對下墊面穩定性和均一性要求高，因此通常用于小尺度的蒸散發分割研究[15]。

2.2 同位素方法

利用穩定同位素方法進行蒸散發分割，是根據蒸騰和蒸發產生水汽的氫氧穩定同位素組成差別實現的，但該方法對某些鹽生、旱生植物并不適用[26]。目前，氫氧穩定同位素技術在灌木[27]、草地[27]、農田[28]以及森林[17]等生態系統中均有廣泛應用。Wang等[27]在內蒙古灌叢-草原生態系統中利用同位素示蹤方法量化了灌叢和草地的土壤水分利用情況，結果發現生長季灌叢蒸騰、草地蒸騰和土壤蒸發對總蒸散發量的貢獻分別為24%、20%和56%。與大氣水汽冷阱同位素質譜儀技術相比，大氣水汽穩定同位素組成的原位連續監測技術已逐漸成為蒸散發分割研究中同位素方法研究的熱點。婁源海[29]利用原位連續監測技術對側柏林進行研究，結果表明在研究期間T/ET的平均值約為78%。

利用穩定同位素方法進行蒸散發分割的最大優勢在于穩定同位素貫穿了生態系統水分循環的全過程[30]，且自身的穩定性不易受外界因素干擾，數據測定精度高。但穩定同位素方法同樣存在費用較高、儀器維修不便等問題，而且還會受到樣品收集效率以及分析儀器精度的雙重制約[30]。

2.3 數值模擬方法

數值模擬由于其計算簡單、易操作的優點，在許多生態系統的蒸散發分割研究中均有應用，其中應用最為廣泛的是S-W模型[31]和雙作物系數模型[32]。Jiang等[33]利用S-W模型對黃河流域1981-2010年的蒸散發進行了劃分，發現年均蒸散發量和蒸騰量分別為372.18和179.64 mm，T/ET約為48.3%。Bao等[34]利用S-W模型對科爾沁沙地典型地貌-土壤-植被組合(流動沙丘、半固定沙丘和固定沙丘)的蒸散發進行了模擬和劃分，并用渦度相關系統對模型進行了驗證，結果發現研究期內3種不同的地貌-土壤-植被組合E/ET(土壤蒸發與蒸散發的比值)分別為57.1%、25.2%和21.3%，隨著植被覆蓋度的增加，土壤蒸發所占的比重逐漸降低。于文穎等[35]利用FAO-56雙作物系數模型、改進后的雙作物系數模型以及基于渦度相關系統的水文氣象學方法進行研究，發現利用這3種方法得到的趨勢基本一樣，研究期間蒸騰一直是蒸散發的主要組成部分。

相較于實測方法，數值模擬方法更為方便簡單，并且利用數值模擬方法可以實現更大時空尺度上的蒸散發分割研究，Fatichi等[36]利用機理性生態水文模型發現在全球尺度上T/ET約為70%。但數值模擬也有很大的局限性，如S-W模型適用的時間尺度較短，通常少于一個生長期，當涉及更長的時間尺度時，模型的準確性降低[31]；其次，模型參數的選擇誤差會造成模擬結果的準確度不高、模型普適性差，同時目前部分參數的獲取也存在問題[9]。

綜合分析比較上述3種蒸散發分割方法的優缺點(見表1)，水文氣象學方法和穩定同位素方法物理基礎堅實且計算結果準確[37]，但由于場地和觀測時間限制，大多集中在田間尺度及植物生長季[9]，同時大多數的測量儀器存在價格昂貴、維修不便等缺點；數值模擬方法操作簡單且可實現區域尺度上的研究，但是由于部分模型參數地域性強、數量大，導致模型的求解難度大、可靠性低、適用性差，且模型在與遙感方法結合的過程中存在著參數不匹配等問題[9]。

表1 陸地蒸散發分割方法比較

3 蒸散發分割的環境影響因素

蒸散發及其組分的影響因素主要有氣象、土壤和植被等因素[42-44]。由于環境因子對蒸發和蒸騰的控制不同(例如，蒸發和蒸騰受土壤含水量、土壤溫度、風速等影響，此外蒸騰還受植被生理狀況、固碳能力等因素影響[45])，所以同一因素對蒸散發和蒸散發分割的影響不同。

在不同時間尺度上，影響蒸散發分割的主導因素存在差異，以下擬從日尺度以及季節尺度兩方面對蒸散發分割的環境影響因素(分別包括太陽輻射、土壤溫度、植被類型及降水、土壤含水量、植被生長狀況等)進行論述。

3.1 日尺度上蒸散發分割的環境影響因素

在日尺度上，對蒸散發分割影響最為明顯的是氣象因素，S-W模型[31]、TSEB(two source energy balance)模型[46]等均說明了氣象因素對蒸散發分割的重要性；植被類型也是影響蒸散發分割的重要因素[47]。在日尺度上太陽輻射變化明顯，是日尺度上影響蒸散發分割的重要環境因素，由此導致的溫度、相對濕度變化對日尺度上蒸散發分割結果影響顯著。同時，由植被類型和各類環境因素引起的氣孔導度差異通過影響蒸騰作用進而影響蒸散發分割的結果。相對而言，植被生長狀況、土壤含水量等在無水分輸入情況下日變化不大，故在日尺度上對蒸散發分割的影響不明顯。

3.1.1 太陽輻射和溫度對蒸散發分割的影響 太陽輻射是影響蒸散發分割的重要因素[48]，日尺度上太陽輻射與溫度之間存在明顯的正相關關系。在上午時分，太陽輻射增強，溫度升高，蒸騰作用明顯加強，T/ET呈現上升趨勢；在正午時分，由于高溫以及強輻射的影響，T/ET達到峰值后呈現下降趨勢。在草地生態系統中利用氘同位素發現，日尺度上的T/ET隨著太陽輻射的增強先呈現上升趨勢，在正午時分達到最大值，隨后由于太陽輻射增強導致植物葉片和土壤溫度升高，植物氣孔關閉，蒸騰作用減弱，蒸發增強，T/ET呈現下降趨勢[49]。Wang等[48]對日本溫帶草原的研究以及孟飛[50]在疏勒河地區的蒸散發分割研究均發現在日尺度上T/ET與太陽輻射之間呈現正相關關系。在日尺度上，T/ET與溫度之間也呈現正相關關系。Wang等[51]分別在與周圍環境狀況相同和額外提供熱源兩種不同的情況下進行實驗，發現在加熱條件下T/ET值明顯增加。由此可見，在日尺度上，T/ET與太陽輻射以及溫度之間均呈現正相關關系，但在正午時，由于太陽輻射過強，溫度升高，植物水分流失嚴重，出現下降現象。

3.1.2 植被類型對蒸散發分割的影響 植被類型也是日尺度上影響蒸散發分割的重要因素，這主要體現在植被氣孔對蒸騰作用的影響上[52]，其影響程度一方面取決于植物表皮氣孔的分布情況[53]，另一方面則取決于氣孔的張開程度[54]，即氣孔導度。其中植物表皮氣孔的分布狀況主要由植被類型決定[53]，氣孔導度則主要是植被與環境因素共同作用的結果[55-56]。關于氣孔導度，一般而言，闊葉植物大于針葉植物，C3植物大于C4植物，熱帶植物大于溫帶植物，而在同一類甚至同一株植物中，新葉大于舊葉[57]。所以，日尺度上不同植被類型對蒸散發分割的影響體現在不同植被氣孔導度的差異上，而同一植被類型蒸散發分割結果的差異主要受環境驅動的氣孔導度影響。

Zhu等[47]分別在溫帶闊葉紅松混交林(CBS)、亞熱帶針葉林(QYZ)和亞熱帶常綠混交林(DHS)中進行了蒸散發分割研究，結果發現3種森林中，氣孔導度是日尺度上影響蒸散發分割的主要因素，CBS的氣孔導度最大，相應的T/ET最高，QYZ的氣孔導度最小，T/ET也最低，且在同一種植被類型中，T/ET隨著氣孔導度的增加呈現增大趨勢。董軍等[58]在玉米地進行蒸散發研究時，同樣發現氣孔導度是日尺度上影響蒸散發分割的因素，并認為這是由于太陽輻射的變化引起的，是環境因素變化導致的結果。由此可見，在日尺度上，植被類型差異和環境因素影響造成的氣孔導度差異是影響蒸散發分割的重要因素，T/ET隨氣孔導度的增大而增大。

3.1.3 其他環境因素對蒸散發分割的影響 除了太陽輻射、溫度和植被類型，蒸汽壓差[59]、相對濕度[49]等同樣會影響蒸散發分割的結果。Hu等[59]通過研究發現T/ET的日變化與蒸汽壓差有明顯的相關性，早晨蒸汽壓差較低，蒸騰作用變化更強烈，而在下午，蒸汽壓差增加，蒸發量的增加大于蒸騰量的增加，從而使得T/ET降低。在對肯尼亞中部某草原的研究過程中發現相對濕度也是日尺度上影響蒸散發分割的重要因素，相對濕度與T/ET之間呈現正相關關系，上午10：00之前，相對濕度逐漸增大，T/ET呈現上升趨勢，下午(15：00-16：00)相對濕度小幅度上升的同時T/ET也出現小幅度上升[49]。

綜上所述，在日尺度上，太陽輻射是影響蒸散發分割的最主要因素，伴隨太陽輻射變化造成的溫度、蒸汽壓差、相對濕度的變化以及與植被相互作用導致的氣孔導度的變化也是日尺度上影響蒸散發分割的重要因素。目前，日尺度上影響因素的研究大多側重于太陽輻射以及植被兩方面的研究，對其他因素的研究相對較少，且研究過程中通常研究單一氣象因素對蒸散發分割的影響，缺少各氣象和植被因素之間相互作用對蒸散發分割產生的影響。

3.2 季節尺度上蒸散發分割的環境影響因素

在較長的時間尺度上，蒸散發分割的影響因素更為多樣。在季節尺度上，氣象因素[60]、土壤因素[61]以及植被因素[62]對蒸散發分割均有明顯影響。氣象因素中降水的變化對蒸散發分割的影響最為突出，由降水導致的土壤含水量的變化對蒸散發分割的影響也較為強烈[61]。此外，在季節尺度上，植物的物候變化明顯，植被對蒸散發分割的影響是不可忽略的，其中植被的生長狀況，如葉面積指數(LAI)、歸一化植被指數(NDVI)以及植被覆蓋度[49]對蒸散發分割的影響尤為強烈。

3.2.1 降水對蒸散發分割的影響 水分是影響蒸散發各組分的重要因素，在干旱半干旱地區尤為明顯。降水通過增加地表的濕潤程度，進而影響蒸散發分割，使得T/ET降低。Jiao等[39]在中國黃土高原地區進行的蒸散發分割研究表明，在季節尺度上，蒸散發分割的結果與降水量關系密切，隨著降水量的不斷增加，T/ET呈現不斷減小的趨勢，兩者之間呈對數關系。沈競[63]通過實驗發現，濕潤區植物冠層截流作用產生的蒸發(Ec)是不能忽略的，Ec/ET與降水量之間呈正相關關系，與暴雨頻次之間呈負相關關系。由此可見，不僅降水量會影響蒸散發分割的結果，降水頻次或降水天數同樣會影響蒸散發分割的結果。Scott等[64]通過對美國4個干旱半干旱地區的研究發現，地表濕潤程度隨降水天數的增加而增強，且土壤蒸發增量大于植物蒸騰，T/ET與降水天數之間存在負相關關系。但另有研究表明[65]，在生長季尺度上，降水不是蒸散發分割的主要影響因素。根據以往研究結果，得到季節尺度上降水量與T/ET之間的關系如圖1所示，分析其Pearson系數發現，降水量與T/ET之間的顯著性較強，呈正相關關系(R=0.477，P<0.0001)。該結果與已有研究結果存在一定偏差[43]，可能是由于數據中生態系統類型與植被類型多樣，且農田生態系統中還存在灌溉、施肥以及覆蓋地膜等人為活動的影響，增加了季節尺度上的水分輸入，提高了水分利用效率，植物生長更加旺盛，T/ET在季節尺度上增加較為明顯。

圖1 季節尺度上降水量與T/ET的關系

3.2.2 土壤含水量對蒸散發分割的影響 在季節尺度上，土壤含水量的變化也是影響蒸散發分割的重要因素，表層土壤含水量越高，則T/ET越小。蒸發和蒸騰利用的分別是表層土壤水和較深層的土壤水，所以表層土壤水的增加會造成T/ET減小。Rigden等[61]對美國大陸進行研究發現，在土壤含水量降低過程中，T/ET逐漸減小，尤其是美國西部缺水地區，產生這種現象主要是由于表層土壤水用于蒸發作用，而較深層的土壤水則主要是由植物根部吸收并供給植物蒸騰[66]，所以在表層土壤含水量減少時蒸發量的減小速度大于蒸騰量。Bao等[34]對科爾沁沙地典型地貌-土壤-植被組合的蒸散發進行了模擬和劃分，并研究了土壤水分與蒸散發分割之間的關系，結果發現土壤水含量是影響蒸散發分割的重要因素，隨著土壤水含量的增加土壤蒸發所占的比重逐漸升高。在農田生態系統中，人類活動(灌溉、耕作方式等)都會影響表層土壤含水量[67-68]。相較于滴灌，漫灌方式增加了表層土壤含水量，T/ET值更小[67]。耕作方式也影響表層土壤含水量進而影響蒸散發分割，在王月月[68]的研究中發現，與翻耕相比，免耕由于凋落物的影響，雖然增加了土壤水含量，但由于覆蓋作用，使蒸發量減少，T/ET降低，其原理與地膜覆蓋類似[69]。

3.2.3 植被生長狀況對蒸散發分割的影響 植被在生長過程中會經歷明顯的季節變化，LAI[63]、NDVI[67]以及植被覆蓋度[70]等都能夠反映植被的生長狀況，并影響蒸散發分割的結果。通常情況下LAI(或NDVI、植被覆蓋度)的增加會導致T/ET的增大，這是由于LAI增大使植物蒸騰和葉片遮蔭效果增強，地表溫度降低，土壤蒸發減弱，最終導致T/ET增大。沈競[63]通過對中亞熱帶人工針葉林的蒸散發及其組分拆分研究發現，在該生態系統中，T/ET約為85%，與LAI之間呈現正相關關系。此結果在草原生態系統[48]和灌叢生態系統[34]中有相似結論。Jiang等[33]通過研究發現NDVI是控制黃河流域植物蒸騰和蒸散發的重要因素，T/ET隨著NDVI的增加呈上升趨勢。Wang等[70]利用同位素方法發現植被覆蓋度與T/ET同樣存在上述關系。綜上所述，植物生長狀況是季節尺度上影響蒸散發分割的重要因素，LAI、NDVI以及植被覆蓋度的增加都會導致T/ET的增大。

綜上所述，在季節尺度上，蒸散發分割主要與植物的物候特征有關，而植物的物候特征又與降水、氣溫、土壤等因素有密切聯系。由此可見，在季節尺度上，LAI、NDVI、植被覆蓋度是影響蒸散發分割最重要的因素，降水、氣溫以及土壤等環境因素通過影響植物生長和蒸發耗水也對蒸散發分割造成影響。

不同時間尺度上T/ET的影響因素如圖2所示。由圖2可看出，在日尺度上，影響蒸散發分割的因素主要有太陽輻射、溫度、相對濕度、蒸汽壓差以及由植被類型和環境因素共同控制的氣孔導度，其中與T/ET呈負相關關系的因素是蒸汽壓差，其余因素均呈現正相關關系；在季節尺度上，蒸散發分割的控制因素主要有降水(降水量和降水頻次)、土壤含水量以及植被生長狀況(可用LAI、NDVI等指數表示)，其中與T/ET呈正相關關系的因素是植被生長狀況(LAI、NDVI等)，其余因素則與T/ET呈負相關關系。

不同影響因素在蒸散發分割領域的研究已經較為普遍，但由于不同影響因素之間存在強烈的相互作用(見圖2)，如植被生長過程中通常伴隨著降水以及溫度的變化，所以在研究過程中通常忽略了各影響因素之間的相互作用。

注：⊕表示兩因素間存在正相關關系；?表示兩因素間存在負相關關系。

4 目前研究存在的問題與展望

4.1 目前研究存在的問題

隨著研究的深入，關于蒸散發分割的方法已經越來越完善，在此基礎上，不同時間尺度上蒸散發分割的影響因素也逐步清晰，但仍存在一些亟待解決的問題。

蒸散發分割的方法目前已經取得了長足的發展，但在一些方面仍需要進一步完善，這主要體現在：(1)多數實測方法(渦度相關法、波文比法等)以及數值模擬方法(雙作物系數模型、互補相關模型等)要求下墊面均勻穩定，但是在實際情況下，這種要求通常難以滿足，導致蒸散發分割的結果不夠精確；(2)各種實測方法都有其物理基礎及適用范圍，例如，渦度相關系統基于雷諾分解可連續測得地表蒸散量，而蒸滲儀則是基于質量守恒以小時或天為單位進行測量，所以直接將各種實測方法進行結合、比較或驗證仍存在問題；(3)目前已有的蒸散發分割模型在與遙感方法結合的過程中仍存在較大的誤差，同時部分模型參數的確定需要借助經驗公式，參數依賴于研究區，不具有普適性。

蒸散發分割影響因素的研究同樣存在以下問題：(1)在探討各因素對蒸散發分割的影響時，通常對單因素進行研究，忽略了各影響因子之間相互作用對蒸散發分割的影響，如太陽輻射與土壤溫度之間的相互關系、植物的生長狀況與各環境因素之間的關系等；(2)各因素對蒸散發分割的影響通常不止體現在一種時間尺度上，但目前研究通常集中于特定的時間尺度，如植被的生長狀況既可以在日尺度上通過氣孔導度的差異進行蒸散發分割，也可以在季節尺度上影響蒸散發分割的結果。

4.2 研究展望

蒸散發分割的實測方法是獲取地表蒸散發分割數據的基本途徑，也是檢驗模型可行性與準確性的有效手段。實測手段未來需要從兩方面進行完善：(1)改進儀器，提高儀器的精確性以及適用性；(2)穩定同位素方法在蒸散發分割研究中的應用逐漸廣泛，但由于設備價格昂貴、維修不便等問題，應尋找一種成本相對較低的同位素方法進行推廣。

數值模擬可以向以下3個方向發展：(1)提出同時考慮時空延展性以及下墊面均勻性的動態模型；(2)優化模型模擬與遙感數據的結合以提高遙感數據在蒸散發分割研究中的應用；(3)采取多種手段進行研究，如目前已有的結合植物生物量[71]以及水分利用效率[14]等進行研究，以期能更方便地得到更準確的結果。

關于蒸散發分割的影響因素，未來可以從以下3個方面進行研究：(1)考慮各影響因素之間的相互作用，如人為活動、氣候變化以及兩者間的相互作用對蒸散發分割的影響；(2)對同一影響因素在不同時間尺度上影響蒸散發分割的機理研究是未來蒸散發分割影響因素研究的重點；(3)不同生態系統、不同氣候區蒸散發分割對環境因子的響應也是本領域研究的重要內容。