黃土高原農(nóng)牧交錯帶SVAT系統(tǒng)能量平衡模擬

成向榮，虞木奎，黃明斌，邵明安

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 富陽311400；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100）

植被覆蓋及其變化通過改變地表屬性對地表能量通量的傳輸及分配產(chǎn)生重要影響，已受到越來越多的關(guān)注［1］。地表與大氣能量的交換代表了大氣物理氣候系統(tǒng)的下邊界條件，準(zhǔn)確地確定地表的水熱通量并清楚地認(rèn)識能量和水汽在邊界層內(nèi)的傳輸過程，對于理解氣候變化具有重要意義［2］。近年來，不同學(xué)科的科學(xué)家對土壤－植被－大氣系統(tǒng)內(nèi)部能量物質(zhì)傳輸過程進(jìn)行了廣泛深入的研究［3，4］，我國在這方面的研究大多集中在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)［2］，少數(shù)干旱、半干旱地區(qū)人工植被SPAC（soil－plant－atmosphere continum）系統(tǒng)內(nèi)水熱交換及能量平衡的模擬研究也主要針對沙漠或荒漠地區(qū)［5］。氣候變化背景下北方草地生產(chǎn)力及植被特征等方面開展了一些研究［6，7］，但黃土高原農(nóng)牧交錯帶稀疏植被覆蓋下SVAT（soil－vegetation－atmosphere tansfer）系統(tǒng)水分能量傳輸模擬研究仍然十分薄弱。黃土高原農(nóng)牧交錯帶作為典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，降水稀少，風(fēng)沙地貌和流水侵蝕地貌交錯分布，植被退化、沙化嚴(yán)重。土地利用／土地覆蓋的變化不僅對區(qū)域水量平衡有重要影響，也對感熱、潛熱、動量交換和長波輻射在地表、植被與大氣間的分配及其傳輸產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。土壤－植被－大氣系統(tǒng)內(nèi)部能量和物質(zhì)的傳輸過程控制著水循環(huán)與植物生長的微氣候環(huán)境，影響植物的分布和生長。因此，定量了解能量通量在SVAT系統(tǒng)各界面的傳輸與分配是必要的，有利于深入認(rèn)識土地利用／土地覆蓋的變化對能量和水量平衡的影響。

本研究采用具有代表性的一維多層水熱傳輸SHAW （the simultaneous heat and water，V 2.3）模型，對黃土高原農(nóng)牧交錯帶代表性植被類型的能量平衡進(jìn)行模擬研究，以便明確不同植被類型覆蓋下土壤－枯落物－植被冠層間能量傳輸及分配特征，為農(nóng)牧交錯帶土地利用方式的轉(zhuǎn)變對氣候變化的影響提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

野外試驗(yàn)在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站進(jìn)行，該站位于黃土高原農(nóng)牧交錯帶中部的陜西神木縣六道溝流域（東經(jīng)110°21′～110°23′，北緯38°46′～38°51′）。研究區(qū)年均降水量437.4mm，50% 以上集中在7－8月。2007年4－9月降水量為329.2mm，比同期多年均值低10%左右。年均氣溫8.4℃，≥10℃年活動積溫為3 248.0℃，無霜期153d，全年日照時數(shù)2 836h，年總太陽輻射量為5 922MJ／m2，年水面蒸發(fā)量在2 000mm左右，屬中溫帶半干旱氣候。土壤主要以黃綿土和風(fēng)沙土為主。

六道溝流域植被類型屬于灌叢草原類型，目前天然灌叢已破壞殆盡，主要以人工植被為主。本研究選取紫花苜蓿（Medicagosativa）（以下簡稱苜蓿）、檸條（Caraganakorshinskii）、油松（Pinustabulaeformis）、天然短花針茅（Stipabungeana）草地和谷子（Setariaitalica）5種代表性植被類型，采用一維水熱傳輸SHAW模型來對比分析2007年4－9月不同植被覆蓋下土壤層－枯落物層－植被冠層能量傳輸特征。

1.2 野外觀測

在六道溝流域5種植被類型的地塊內(nèi)分別建立20m×20m的固定樣地2塊，調(diào)查主要植物參數(shù)，其中林木葉面積采用HEMI－VIEW冠層分析系統(tǒng)測定，其他3種植物采用葉面積－質(zhì)量換算法確定，共測定3次，測定時間分別為5月上旬、7月中旬和9月下旬。植物根系分布通過剖面法測定，每種植物選擇平均樣株（叢）3個，挖掘至根系最大分布深度。建立的試驗(yàn)樣地土壤均為黃綿土，質(zhì)地較為均一，土壤機(jī)械組成通過馬爾文MS2000激光粒度儀測定。土壤水分特征曲線采用離心機(jī)法測定，每個樣地3次重復(fù)，土壤孔隙分布指數(shù)（b），進(jìn)氣吸力（Ψe）通過RETC軟件擬合的土壤水分特征曲線求取。土壤水分通過中子儀測定，每個樣地內(nèi)埋設(shè)400cm長的中子管3根，其中表層（0～10cm）土壤水分通過烘干法測定，測定時間間隔約為2周1次。氣象參數(shù)，如太陽輻射、大氣溫度、大氣濕度和土壤溫度等，由安裝在短花針茅草地的標(biāo)準(zhǔn)全自動氣象站記錄，數(shù)據(jù)記錄間隔為1h。

1.3 SHAW模型介紹

SHAW模型描述垂直方向一維的冠層、雪被、枯落物、地表到土壤一定深度的水熱傳輸過程。它以植被冠層以上的大氣為上邊界，以地表下土層為下邊界，采用上邊界以上的氣象條件和下邊界以下的土壤狀況來確定系統(tǒng)的水熱通量，步長為日或小時，視具體資料而定。該模型將土壤－枯落物－植被冠層分為若干層，計(jì)算各層次間的水熱傳輸。能量傳輸過程的模擬計(jì)算主要應(yīng)用以下方程。

（1）系統(tǒng)上邊界面能量平衡方程為：

式中，Rn為凈輻射（W／m2），H為感熱通量（W／m2），LE為潛熱通量（W／m2），G為土壤熱通量（W／m2），L為蒸發(fā)潛熱（J／kg），E為從土壤表面和植被冠層的總蒸散發(fā)量（kg／m2·s）。式中各項(xiàng)所表示的通量向下指向系統(tǒng)邊界表面為正，觀測總輻由太陽輻射和長波輻射在植被冠層、雪被層、枯落物層和土壤表面各個層次之間的傳射、氣溫、風(fēng)速和空氣濕度以參數(shù)化的能量平衡通量表達(dá)式計(jì)算［8］。其中，凈輻射由太陽輻射和長波輻射在植被冠層、雪被層、枯落物層和土壤表面各個層次之間的傳輸量來確定。由于太陽直接和散射輻射在系統(tǒng)中傳輸過程不同，太陽輻射計(jì)算又分為直接輻射和散射輻射在系統(tǒng)各層之間的傳輸、反射和吸收量。在植被冠層中輻射傳輸由葉面積指數(shù)和葉片分布方向確定。植被冠層的反射率由植物種類、葉面積和消光系數(shù)的關(guān)系來計(jì)算。土壤表面反射率由土壤含水量確定。長波入射輻射由氣溫和以觀測太陽輻射估算的日平均云量來估算。系統(tǒng)上邊界的感熱和潛熱通量由邊界面和大氣之間的氣溫和水汽含量梯度計(jì)算。地表以下熱傳導(dǎo)通量通過方程（1）計(jì)算，它須滿足系統(tǒng)不同層次能量平衡通量的整體平衡。詳細(xì)的模型描述和計(jì)算方法見Flerchinger和Pierson［9］及Flerchinger等［10］。

（2）SVAT系統(tǒng)能量的傳輸

1）植被冠層中能量傳輸過程為：

式中，z為從冠層頂垂直向下的距離（m），ke為冠層內(nèi)的傳輸系數(shù)（m2／s），ρa(bǔ)是空氣密度（kg／m3），ca為空氣比熱（J／kg℃），Hl為植被葉子的熱量傳輸（W／m2），T為氣溫（℃），t為時間（s）。

2）地表枯落物層能量傳輸過程為：

式中，Cr和T分別為枯落物層的體積熱容量（J／m3℃）和溫度（℃），kr為枯落物層的熱傳導(dǎo)和熱對流傳輸系數(shù)（W／m℃），hrr為枯落物層組成物的相對濕度，ρv′為枯落物層中的飽和水汽密度（kg／m3），ρv為枯落物層中的水汽密度（kg／m3），rh為枯落物層中組成物與空氣之間的邊界層阻力（s／m）。

3）土壤層中能量傳輸過程表示為：

式中，Cs和T分別為土壤的體積熱容量（J／m3℃）和溫度（℃），ks為土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)（W／m ℃），ρl是水的密度（kg／m3），cl為水的比熱（J／kg℃），ql為液態(tài)水通量（m／s），qv為水汽通量（kg／m2·s）。

1.4 模型輸入

模型的初始輸入包括植被參數(shù)、上邊界層的氣象條件和下邊界土壤參數(shù)，氣象參數(shù)以日為模擬時間步長輸入觀測值，土壤水分模擬深度400cm，取7個結(jié)點(diǎn)。模型運(yùn)行所需的植被參數(shù)和土壤參數(shù)見表1和表2。

表1 六道溝流域代表性植被覆蓋類型基本特征Table 1 Characteristics of typical vegetation cover types in Liudaogou watershed

表2 六道溝流域代表性植被覆蓋類型土壤參數(shù)Table 2 Soil parameters of typical vegetation cover types in Liudaogou watershed

為評價模型的模擬效果，分別用模擬效率（model efficiency，ME），均方根差（root mean square error，RMSE）和平均偏差（mean bias error，MBE）來評價模型估計(jì)的精度。

式中，Mi和Ei分別為第i次測定值與模型模擬值，N是觀測的次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

六道溝流域天然短花針茅草地2007年1月1日－9月28日（1～271d）平均每天的太陽短波輻射、地表凈長波輻射和太陽凈輻射的逐日變化的模擬如圖1～3所示。從圖中可以看出，太陽短波輻射和地表凈長波輻射模擬值較實(shí)測值略微偏低，凈輻射模擬值在60～100d明顯估計(jì)偏低，其他時段與實(shí)測值具有很好的一致性。整個模擬期太陽短波輻射、地表凈長波輻射和太陽凈輻射的 ME分別為0.95，0.73和0.85，RMSE分別為15.8，17.5和18.4W／m2，MBE分別為－8.5，－11.7和－1.7W／m2，總體上模擬結(jié)果誤差相對較小。通過太陽短波輻射、地表凈長波輻射和太陽凈輻射模擬值與實(shí)測值的驗(yàn)證表明，SHAW模型模擬的逐日輻射值與實(shí)測值基本吻合，模型總體估計(jì)精度較高，同時也說明在黃土高原農(nóng)牧交錯帶模型模擬的結(jié)果是可靠的。

圖1 2007年（1～271d）太陽短波輻射模擬值與實(shí)測值比較Fig.1 Simulated short－wave radiation values and measured values in 2007（from 1－271d）

圖2 2007年（1～271d）地表凈長波輻射模擬值與實(shí)測值比較Fig.2 Simulated long－wave radiation values and measured values in 2007（from 1－271d）

2.2 短波輻射

陰坡苜蓿地短波輻射能量主要被冠層吸收，其次進(jìn)入土壤層表面，枯落物層吸收的短波輻射最少（表3）。同為陰坡的谷子地短波輻射主要進(jìn)入土壤層表面，植被冠層和枯落物層吸收的短波輻射大致相同。這主要是因?yàn)楣茸拥?月下旬才播種，前期地表裸露，土壤層表面吸收較多的短波輻射。對谷子生育期（6－9月）短波輻射的分析表明，其傳輸特征與苜蓿地類似。陰坡短花針茅地系統(tǒng)吸收的短波輻射中有51%進(jìn)入土壤層表面，其次被冠層吸收，枯落物層吸收最少。陽坡檸條林地短波輻射也主要進(jìn)入植被冠層，但其量值比苜蓿地低；其次進(jìn)入土壤層表面，枯落物層吸收的短波輻射比土壤層表面低7%。陽坡油松林地絕大部分短波輻射進(jìn)入植被冠層，其次進(jìn)入枯落物層，土壤層表面吸收的短波輻射量則非常少，僅為系統(tǒng)總量的4%。由此可見，在六道溝流域不同植被覆蓋下，短波輻射在土壤層－枯落物層－植被冠層SVAT系統(tǒng)各層次中的分布呈現(xiàn)一定差異。陽坡油松林冠層吸收的短波輻射比例最高，其量值明顯高于陽坡檸條林地、陰坡苜蓿地、短花針茅和谷子地；谷子地冠層吸收的短波輻射比例最小，但在生育期進(jìn)入冠層的短波輻射接近陽坡檸條林地。需要指出的是，僅有少量太陽輻射進(jìn)入油松林地土壤層表面，這是因?yàn)橛退闪钟糸]度高，加之林下短花針茅覆蓋度大，使得冠層接收了大部分能量，進(jìn)而大大減少了能量向枯落物層，尤其是向土壤層傳輸。

圖3 2007年（1～271d）太陽凈短波輻射模擬值與實(shí)測值比較Fig.3 Simulated net short－wave radiation values and measured values in 2007 （from 1－271d）

表3 4－9月六道溝流域不同植被覆蓋下SVAT系統(tǒng)短波輻射能對比Table 3 Comparison of short－wave radiation in different SVAT system from April to September in Liudaogou watershed W／m2

2.3 長波有效輻射

5種植被類型中以陰坡谷子地釋放的長波有效輻射最高，其次為陰坡短花針茅草地，陰坡苜蓿地和陽坡檸條林地長波有效輻射量接近，均低于陰坡短花針茅地，陽坡油松林地的長波有效輻射最小（表4）。陰坡苜蓿地和陽坡檸條林地釋放的長波有效輻射主要來自土壤層表面，約為系統(tǒng)長波有效輻射的50%；但苜蓿冠層釋放的長波有效輻射約為系統(tǒng)總量的1／3，枯落物層放出的長波有效輻射較少；陽坡檸條林地植被冠層和枯落物層放出的長波有效輻射基本相同。陰坡短花針茅地絕大部分長波有效輻射也主要來自土壤層表面，植被冠層放出的長波有效輻射相對較少。陰坡谷子地土壤層表面釋放的長波有效輻射最高，其次為枯落物層，植被冠層放出的長波有效輻射最少。陽坡油松林植被冠層釋放的長波有效輻射比例高達(dá)91%，其次為枯落物層，土壤層表面的長波有效輻射非常少。土壤層表面長波有效輻射為正值，表明在植被冠層和枯落物層向大氣放出有效輻射的同時，土壤層表面對長波有效輻射有一定的吸收作用。

表4 4－9月六道溝流域不同植被覆蓋下SVAT系統(tǒng)長波有效輻射能對比Table 4 Comparison of long－wave effective radiation in different SVAT system from April to September in Liudaogou watershed W／m2

2.4 能量平衡的對比分析

2007年5種植被覆蓋類型感熱／凈輻射的季節(jié)變化分析表明，整個模擬期感熱／凈輻射比例以油松最高，其次為檸條和短花針茅，苜蓿和谷子這一比例較低（圖4）。谷子地從4月開始感熱比例持續(xù)降低；苜蓿地4－7月感熱比例變化不大，8－9月明顯下降；油松、檸條和短花針茅的季節(jié)變化特征類似，4－6月逐漸降低，7月略有增加，然后又降低，各植被類型感熱占凈輻射的比例總體上隨季節(jié)變化呈下降趨勢。4－5月感熱通量比例較高，這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)該時段降水稀少，地表植被覆蓋度低，地表反照率高，對太陽輻射的吸收較小，反射較強(qiáng)有關(guān)。6－9月隨植物覆蓋度增大和降水的增加，感熱占凈輻射比例相應(yīng)降低，尤其是9月最為顯著，各植被類型感熱比例由4月的44.4%～68.4%減少到22.1%～42.2%。

5種植被覆蓋類型4－9月潛熱／凈輻射的變化趨勢與感熱／凈輻射相反，均隨季節(jié)變化逐漸增加（圖5）。谷子地潛熱比例由4月的27.3%增加到9月的78.7%，相同時段內(nèi)苜蓿地由34.6%增加到59.8%，短花針茅由22.7%增加到81.1%，檸條由22.7%增加到60%，油松由25.5%增加到61.3%，各植被類型9月潛熱通量比例增幅最高。潛熱通量占凈輻射的比例增加主要與植物葉面積指數(shù)逐漸增大，降水逐漸增多有關(guān)，從而增大了用于蒸散消耗的潛熱通量。

圖4 不同植被覆蓋類型感熱／凈輻射的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal change of sensible heat／net radiation in different vegetation cover types

圖5 不同植被覆蓋類型潛熱／凈輻射的季節(jié)變化Fig.5 Seasonal change of latent heat／net radiation in different vegetation cover types

4－9月不同植被覆蓋下SVAT系統(tǒng)表面能量平衡的模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示（表5），陰坡苜蓿和谷子地系統(tǒng)表面能量平衡特征類似，能量的收入和各支出分量的比例接近。苜蓿地接收的凈輻射能量略高于谷子地，2個植被系統(tǒng)的能量主要消耗于蒸散發(fā)的潛熱，其次消耗于感熱，進(jìn)入土壤中的凈輻射能量非常少。谷子生育期（6－9月）能量的潛熱消耗略有增加，感熱和土壤熱通量有一定減少。而陰坡短花針茅和陽坡油松、檸條林地能量的消耗主要是感熱，其次消耗于蒸散發(fā)的潛熱，進(jìn)入土壤中的凈輻射能量較少。陽坡油松林地接收的凈輻射最多，感熱支出接近凈輻射量的2／3，潛熱支出約為凈輻射量的1／3，傳導(dǎo)進(jìn)入土壤中的凈輻射能量比例僅為1%。陽坡檸條林和陰坡短花針茅能量的收入和各支出分量的比例接近，陽坡檸條林地接收的凈輻射能量高于陰坡短花針茅，但低于陽坡油松林。對六道溝流域5種典型植被類型的能量平衡組成分析可知，陰坡苜蓿和谷子地能量主要消耗于蒸散發(fā)的潛熱，而陰坡短花針茅地和陽坡檸條、油松林地能量的消耗主要是感熱。

表5 4－9月六道溝流域不同植被覆蓋下SVAT系統(tǒng)表面能量平衡組成Table 5 Composition of surface energy balance of 5SVAT system from April to September in Liudaogou watershed W／m2

3 結(jié)論與討論

運(yùn)用SHAW模型對六道溝流域2007年4－9月不同植被覆蓋下能量在土壤層－枯落物層－植被冠層系統(tǒng)各層次中的分布及系統(tǒng)的能量平衡進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果顯示，陽坡油松、檸條和陰坡苜蓿冠層吸收的短波輻射比例最高，而陰坡短花針茅和谷子土壤層表面吸收的短波輻射比例最高；陽坡油松土壤層表面吸收的短波輻射比例最低，其他4種植被則是枯落物層吸收的短波輻射比例最低。陽坡油松林植被冠層釋放的長波有效輻射比例高達(dá)91%，土壤層表面的長波有效輻射非常少。其他4種植被則是土壤層表面的長波有效輻射比例最高。

4－5月5種植被覆蓋類型感熱占凈輻射的比例最高，6－9月隨植物覆蓋度增大和降水的增加，感熱占凈輻射比例相應(yīng)降低，9月各植被類型感熱比例由4月的44.4%～68.4%減少到21.1%～42.2%；5種植被覆蓋類型4－9月潛熱／凈輻射的變化趨勢與感熱／凈輻射相反，均隨季節(jié)變化逐漸增加。這與干旱區(qū)檉柳（Tamarixramosissima）灌木林地以及克氏針茅（Stipakrylovii）草原生態(tài)系統(tǒng)感熱和潛熱的季節(jié)變化特征類似［11，12］。涂鋼等［13］對半干旱地區(qū)退化草地的研究也表明，5－9月間潛熱占凈輻射比例變化在26%～82%，感熱為9%～83%。而長白山闊葉紅松（Pinuskoraiensis）林10月－翌年4月以感熱通量支出為主，5－9月潛熱通量支出占凈輻射通量的50%以上［14］。這與本研究中油松林地感熱和潛熱通量的季節(jié)變化相反。這種差異主要與植被狀況有關(guān)。

能量平衡組成分析表明，陰坡苜蓿和谷子地能量主要消耗于蒸散發(fā)的潛熱，而陰坡短花針茅地和陽坡檸條、油松林地能量的消耗主要是感熱。這與已有的一些研究結(jié)果一致，康爾泗等［5］的研究表明黑河山區(qū)陰坡云杉（Piceacrassifolia）林的能量平衡組成中以感熱通量為主；張曉煜等［15］也指出在寧南退耕還草區(qū)感熱通量是凈輻射的主要支出項(xiàng)，在四季白天，感熱通量占凈輻射的60%～80%。而干旱區(qū)民勤綠洲荒漠過渡區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的熱量平衡中，占比例最大的是潛熱通量，其次為感熱通量和土壤熱通量［16］。此外，劉帥等［17］研究發(fā)現(xiàn)，在半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)能量交換以感熱為主，隨降水的增加，半濕潤地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)能量交換以潛熱為主。Baldocehi等［18］研究證實(shí)植被狀況和氣候?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)與大氣之間能量的交換均具有重要的影響。因此，根據(jù)區(qū)域環(huán)境特征，實(shí)現(xiàn)能量、水分等環(huán)境資源的優(yōu)化配置［19］，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的人工生態(tài)系統(tǒng)，對改善黃土高原農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展具有積極意義。

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