祁連山不同坡向草地蒸散量及其影響因子的分析

常 博，劉賢德,，王順利，張玉珍，張學(xué)龍 ，孫于卜

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000）

祁連山不同坡向草地蒸散量及其影響因子的分析

常 博1，劉賢德1,2，王順利2，張玉珍1，張學(xué)龍2，孫于卜1

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000）

為了揭示祁連山山區(qū)草地的蒸散量變化規(guī)律，利用小型蒸滲儀(Micro-lysimeter)對祁連山西水林區(qū)不同坡向草地的蒸散量進行實測，并基于樣地土壤調(diào)查數(shù)據(jù)和同期氣象數(shù)據(jù)，對祁連山不同坡向草地的蒸散量變化規(guī)律及其有關(guān)影響因子進行了綜合分析。結(jié)果表明：（1）不同坡向草地蒸散量季節(jié)動態(tài)規(guī)律均表現(xiàn)為單峰型，在 7、8月達到蒸散量的峰值。（2）草地蒸散量變化規(guī)律：對照裸地蒸散量＞草地蒸散量，陰坡草地蒸散量＞陽坡草地蒸散量。（3）草地蒸散量以土壤蒸發(fā)為主；草地降水的絕大部分消耗于草地蒸散。（4）對草地蒸散量與影響因子的相關(guān)性進行分析，按相關(guān)系數(shù)排序，陽坡為：降水量（P）＞氣溫（T）＞空氣相對濕度（HR）＞風(fēng)速（u2）＞土壤含水量（θm）＞太陽輻射（Ra）；陰坡為：降水量（P）＞氣溫（T）＞太陽輻射（Ra）＞空氣相對濕度（HR）＞風(fēng)速（u2）＞土壤含水量（θm）；降水量、氣溫與草地蒸散量之間具有較高的線性相關(guān)(R2=0.861)。

山區(qū)草地；草地蒸散量；影響因子；祁連山；西水林區(qū)

祁連山位于青海省東北部與甘肅省西部邊境，是我國典型的氣候變化敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境的脆弱區(qū)，承擔(dān)著西北乃至全國生態(tài)安全屏障，是中國西北重要的水源涵養(yǎng)地。山地草原是祁連山分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一[1]，是西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障[2]。近年來由于人類對自然資源的不合理利用以及氣候等環(huán)境條件的改變，山地草原生態(tài)環(huán)境日益惡化，嚴重影響了其生態(tài)功能的發(fā)揮[3]。有關(guān)祁連山草地生態(tài)系統(tǒng)方面的研究在國內(nèi)外已引起普遍關(guān)注，研究主要集中在群落的結(jié)構(gòu)、生物量、物種多樣性等方面[4-6]，另外對草地水分動態(tài)的研究正在成為熱點[7-9]。草地蒸散量季節(jié)變化規(guī)律研究是揭示草地初級生產(chǎn)力形成機制和生態(tài)系統(tǒng)功能的重要基礎(chǔ)性工作[10]，是內(nèi)陸河山區(qū)流域水量平衡和徑流過程研究的重要內(nèi)容，也是建立分布式水文模型必不可少的環(huán)節(jié)[9]。

國內(nèi)外利用衛(wèi)星遙感技術(shù)估算區(qū)域蒸散量的研究較多，本研究利用2011年祁連山黑河流域上游土壤蒸滲儀實測數(shù)據(jù)，對祁連山草地蒸散發(fā)規(guī)律及其有關(guān)影響因子進行綜合分析，這個方法與遙感信息估算的結(jié)果相比，具有較高的準確性。草地蒸散量是內(nèi)陸河山區(qū)流域水量平衡和徑流過程研究的主要指標之一，研究結(jié)果對揭示祁連山區(qū)草地的蒸散發(fā)變化規(guī)律，進一步認識山地草原對流域水文過程的貢獻，為獲取預(yù)測森林生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢的基礎(chǔ)科學(xué)信息提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于甘肅省肅南縣西水林區(qū)排露溝流域（100°17′～ 100°18′E、38°32′～ 38°33′N），海拔2 640～3 796 m，流域面積為2.74 km2，是國家重點野外科學(xué)觀測試驗站——祁連山森林生態(tài)站生態(tài)水文綜合觀測區(qū)，屬高寒山地森林草原氣候。根據(jù)排露溝流域多年研究資料，該流域年平均氣溫1.6℃，最熱月7月平均氣溫11.8℃，最冷月1月平均溫度-13.3℃；年均降水量289.7～416.4 mm，降水多集中在5～9月，占年總降水的84.7%，季節(jié)分布極不均勻；年蒸發(fā)量1 081.7 mm；年日照時數(shù)1 892.6 h；年平均相對濕度60%。

試驗區(qū)內(nèi)自然條件復(fù)雜，水熱條件差異大，形成了具有明顯垂直梯度和水平差異的土壤和植被類型。該地區(qū)山地草原主要分布在2 500～2 900 m海拔高度，由紫花針茅Stipa purpurea、冰草Agropyron cristatum、扁穗草Brylkinia caudata、火絨草Leontopodium longifolium、苦苣Cichorium endivia、披針苔草Carex lancifolia、高山野決明Thermopsis alpina、蒲公英Taraxacum monogolicum等組成，有時還混生有甘青錦雞兒Caragana tangutica、薔薇Rosa multif l ora、金露梅Potentilla fruticosa等，群落總蓋度60%～95%。土壤為山地栗鈣土，有機質(zhì)含量較低。

1.2 研究方法

1.2.1 草地蒸散量的測定

試驗區(qū)位于西水林區(qū)排露溝流域，地處100°17′E，38°24′N，海拔高度 2 700 ～ 2 800 m，選擇生長均勻、微地形變化小、面積較大的具有典型代表性山地草原植物群落，布設(shè)長期定位監(jiān)測樣地2個，樣地大小10 m×10 m，每個樣地隨機布設(shè)小型蒸滲儀(Microlysimeter)3個。由于草地土壤淺層根系發(fā)達，故試驗采用口徑30.5 cm，高25 cm，壁厚2 mm的小型蒸滲儀進行草地蒸散量的測定。小型蒸滲儀制作時內(nèi)置原狀土，埋于土壤中，使用精度為1 g，最大稱重量為30 kg的電子秤稱重，于每天19：00定時觀測，然后依據(jù)蒸滲儀水量平衡原理進行換算得到每天的蒸散量。根據(jù)天氣條件、植物生長狀況等更換蒸滲儀內(nèi)的土柱。另外，草地小型蒸滲儀(Microlysimeter)的原狀土中包括了草本植物，因此所測得的蒸散量實際上包括草地的土壤蒸發(fā)和草本植物的蒸騰兩部分[11]。數(shù)據(jù)分析使用2011年1～12月的日觀測數(shù)據(jù)，計算一個觀測周期草地實際蒸散量的動態(tài)變化。

1.2.2 土壤水分和氣象因子的測定

土壤水分的測定：在2011年5～9月的5日、15日和25日，在每個樣地沿對角線設(shè)置土壤水分固定監(jiān)測點，土壤分別按0～10，10～20，20～30，30～40和40～60，用土鉆取樣，然后帶回實驗室，用0.01 g 精度的電子稱稱取土樣的重量，記作土樣的濕重w1（g），在 105℃的烘箱內(nèi)將土樣烘干至恒重，然后測定烘干土樣，記作土樣的干重w2（g）。土壤含水量θm（%）計算公式如下：

氣象因子的測定：利用祁連山森林生態(tài)站2 750 m小氣候梯度自動觀測站，自動采集氣象數(shù)據(jù)，包括降水量、太陽輻射、氣溫、空氣相對濕度、風(fēng)速等。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和作圖采用Excel 2007進行，回歸分析與空間差異性分析采用SPSS 17.0數(shù)據(jù)分析軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡向草地蒸散量及其季節(jié)動態(tài)

根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析了祁連山西水林區(qū)2011年一個觀測周期草地蒸散量的動態(tài)變化規(guī)律，草地蒸散量的季節(jié)動態(tài)具有明顯的規(guī)律性(圖1)：不論是陽坡草地還是陰坡草地，生長季（5～10月）的日蒸散量都明顯大于非生長季的。1～3月份由于氣溫較低和降水較少，草地蒸散量趨于平穩(wěn)，平均為0.22 mm/d，隨后由于空氣溫度的回升和降水的增多，蒸散量逐漸增加，整個生長季表現(xiàn)為谷峰交替的現(xiàn)象，在7、8月份達到蒸散量的峰值，平均為2.83 mm/d。生長季末期10月以后，由于降水的減少，氣溫的降低以及牧草長勢的衰弱[10]，草地的蒸散量呈逐漸減小的趨勢，平均為0.14 mm/d。這主要與降水、土壤含水量、氣溫、空氣相對濕度、風(fēng)速和太陽輻射等有關(guān)。

圖1 草地蒸散量季節(jié)動態(tài)變化Fig. 1 Seasonal dynamics of grassland evapotranspiration

陽坡草地蒸散量與月份相關(guān)性極顯著（P=0.001，R2=0.849），陽坡對照裸地蒸發(fā)散與月份相關(guān)性顯著（P=0.011，R2=0.734）（表1），其季節(jié)動態(tài)規(guī)律均表現(xiàn)為單峰型，在 8月達到蒸散量的峰值（圖2a）；雖然每月陽坡草地和對照裸地的蒸散量稍有差異， 但是就全年來看，2011年祁連山西水林區(qū)陽坡草地的年蒸散總量為426.88 mm，平均日蒸散量為1.17 mm；陽坡裸地的年蒸散總量為470.75 mm，平均日蒸散量為1.29 mm，平均日蒸散量比陽坡草地的高出9.3%。陽坡對照裸地日蒸散量＞陽坡草地日蒸散量。

陰坡草地蒸散量和陰坡對照裸地蒸散量與月份相關(guān)性極顯著（P＜0.01，=0.850，=0.863）（表1），其變化趨勢與陽坡草地蒸散量一樣，均表現(xiàn)為單峰型（圖2b）。就全年來看，2011年祁連山西水林區(qū)陰坡草地的年蒸散總量為450.55 mm，平均日蒸散量為1.23 mm；陰坡裸地的年蒸散總量為479.32 mm，平均日蒸散量為1.31 mm，平均日蒸散量比陰坡草地的高出6.0%。由此可見，陰坡對照裸地日蒸散量＞陰坡草地日蒸散量。

圖2 不同坡向草地蒸散量Fig. 2 Grassland evapotranspiration in different slope orientation

表1 草地蒸散量和月份關(guān)系模型Table 1 Relationship model of grass evapotranspiration and month

從草地年蒸散量和對照裸地年蒸散量的差異幅度可以看出：草地蒸散發(fā)以土壤蒸發(fā)為主，推斷理由是對照裸地幾乎光禿，然而對草地月蒸散量和對照裸地月蒸散量進行方差分析，得出兩者之間差異不顯著（P＞0.05）。王書功等（2003）利用Priesty-Taylor方法對草地蒸散量的各個組分進行計算，也得出在草地蒸散總量中，土壤蒸發(fā)貢獻量大于植被蒸騰貢獻量，土壤蒸發(fā)量大概是植被蒸騰量的兩倍[9]。綜上所述，就蒸散量在全年的分配來看，草地和對照裸地的蒸散量主要集中在5～9月份，草地蒸散量在5～9月份占據(jù)了全年73.69%～80.38%的比例，裸地蒸散量在5～9月份占據(jù)了全年72.16%～77.81%的比例。因而土壤蒸發(fā)對草地總蒸散量的貢獻要明顯大于草本蒸騰。

2.2 草地蒸散量與影響因子的關(guān)系

2.2.1 降水對草地蒸散量的影響

環(huán)境對草地蒸散量的影響，首先應(yīng)當(dāng)考慮的是水環(huán)境，即草地降水量。陽坡草地月蒸散量與月降水量呈極顯著的相關(guān)性（擬合乘冪曲線模型y=2.766x0.778，P＜0.01，R2=0.970，式中：y為陽坡草地月蒸散量(mm)，x為月降水量(mm)）；陰坡草地月蒸散量與月降水量呈極顯著的相關(guān)性（擬合乘冪曲線模型y=2.882x0.780，P＜0.01，R2=0.947，式中：y為陰坡草地月蒸散量(mm)，x為月降水量(mm)），草地月蒸散量都隨著降水量的增加而增加（圖3）。這是因為在干旱半干旱地區(qū)，降水是草地土壤水分的唯一供水源，而土壤中含水量的多少又是影響草地蒸散量的重要因素。

圖3 草地月蒸散量與月降水量的關(guān)系Fig. 3 Relationships between grassland evapotranspiration(monthly) and precipitation

從草地蒸散量和降水量的比較可以得出：草地降水主要用于草地蒸散。例如在2011年5月草地降水量為54.9 mm，草地蒸散量為50.30 mm，兩者差值僅為4.60 mm。因此，草地降水的絕大部分消耗于草地蒸散，草地涵養(yǎng)水源功能較弱。

2.2.2 土壤含水量對草地蒸散量的影響

土壤含水量一直被認為是影響植物蒸散的最主要因素之一，一般認為當(dāng)土壤中有足夠的水分供應(yīng)時，植物的耗水率大，反之則小[13]。對2011年5-9月陽坡草地和陰坡草地的土壤含水量進行對比分析，得出陽坡草地的土壤含水量最大為17.16%，最小為11.03%，平均為14.96%；陰坡草地的土壤含水量最大為36.48%，最小為22.46%，平均為31.62%。就分析時段來看，陰坡草地的土壤含水量＞陽坡草地的土壤含水量。

對祁連山草地蒸散量與土壤含水量的定量研究表明，兩者之間具有一定的相關(guān)性。陽坡土壤含水量與陽坡草地蒸散量呈顯著的線性相關(guān)（y=0.272x-2.914，P=0.028，R2=0.474， 式 中：y為陽坡草地蒸散量(mm)，x為陽坡草地土壤含水量(%)），陽坡草地蒸散量隨著土壤含水量的增加而增加，土壤含水量是陽坡草地蒸散量的主要影響因子。相對于陽坡草地而言，土壤含水量對陰坡草地蒸散量的影響相關(guān)性較差（R2=0.041）(圖4)，并沒有隨著土壤含水量的增加而急劇增加，這說明土壤含水量不是陰坡草地蒸散的主要影響因子，它還受太陽輻射強度、氣溫等因素的共同復(fù)雜作用。

圖4 草地蒸散量與土壤含水量的關(guān)系Fig. 4 Relationships between grassland evapotranspiration and soil water content

2.2.3 氣溫對草地蒸散量的影響

試驗區(qū)2011年5～9月份，最低月均溫為6.9℃（5月份），最高月均溫為14.6℃（7月份）。為了便于分析作圖和冬季蒸發(fā)較小的原因，選取2011年夏季蒸發(fā)強烈的5～9月份各月的草地日平均蒸散量和月平均氣溫對兩者的關(guān)系進行分析。研究表明，陰坡草地蒸散量與氣溫有著極顯著的線性關(guān)系(圖5)（y=0.151x+0.525，P=0.007，R2=0.936，式中y為陰坡草地蒸散量(mm)，x為氣溫(℃)），隨著氣溫的逐漸升高，陰坡草地蒸散發(fā)量亦呈逐漸增大的趨勢。各坡向草地蒸散量與氣溫的相關(guān)性系數(shù)表現(xiàn)為：陰坡草地蒸散量(R2=0.936)＞陽坡草地蒸散量(R2=0.606) (圖5)。這是因為陰坡草地土壤含水量較陽坡草地的大，在水分條件滿足的情況下，氣溫成為陰坡草地蒸散的主要影響因子。

2.2.4 太陽輻射對草地蒸散量的影響

太陽輻射是地表主要熱量來源[14]，是蒸散過程的主要驅(qū)動力[10]。對日平均太陽輻射與草地日平均蒸散量的相關(guān)分析表明，兩者呈正相關(guān)關(guān)系(圖6)，即太陽輻射越大，草地蒸散量也隨之越大。這是因為太陽輻射對空氣溫度產(chǎn)生增溫效應(yīng)，當(dāng)氣溫上升時，蒸散量也隨之增大。另外，太陽輻射對不同坡向草地蒸散量的影響表現(xiàn)為陰坡（R2=0.504）＞陽坡（R2=0.419）。

圖5 草地蒸散量與氣溫的關(guān)系Fig. 5 Relationships between grassland evapotranspiration and air temperature

圖6 草地蒸散量與太陽輻射的關(guān)系Fig. 6 Relationships between grassland evapotranspiration and solar radiation

2.2.5 空氣相對濕度對草地蒸散量的影響

空氣相對濕度對草地蒸散量有一定的影響，當(dāng)空氣相對濕度較小時，地表和大氣的水分交換越多，草地蒸散量就相對較大；當(dāng)空氣濕度較大時，下墊面與大氣的水分交換減少，草地蒸散量也較小。這種現(xiàn)象在陽坡草地表現(xiàn)更為明顯，例如當(dāng)空氣相對濕度為53%時，陽坡草地蒸散量為2.02 mm；當(dāng)空氣相對濕度為93%時，陽坡草地蒸散量為1.54 mm。但是草地蒸散量并沒有隨著空氣相對濕度呈線性遞減的規(guī)律（圖7），說明空氣相對濕度對草地蒸散量的影響還受到其他影響因子的制約。

2.2.6 風(fēng)速對草地蒸散量的影響

在有風(fēng)的條件下，由于紊流的交換作用，近地面較濕空氣可與上層干燥空氣彼此交換，進而影響植物蒸騰和地表蒸發(fā)[15-16]。在祁連山地區(qū)，有風(fēng)天數(shù)較多，風(fēng)速對草地蒸散量的影響比較顯著。圖8是草地日平均蒸散量與日平均風(fēng)速的關(guān)系曲線圖，由圖8可知，陽坡草地和陰坡草地日平均蒸散量隨著日平均風(fēng)速的增加而急劇增加，風(fēng)速與草地蒸散量呈正相關(guān)關(guān)系，這與前人的研究結(jié)果基本一致[10,15]。并且風(fēng)速對不同坡向草地蒸散量的影響表現(xiàn)為陽坡（R2=0.519）＞陰坡（R2=0.385），這可能是由于陽坡草本蓋度比陰坡小引起的。

圖8 草地蒸散量與日平均風(fēng)速的關(guān)系Fig. 8 Relationships between grassland evapotranspiration and the daily average wind speed

2.3 草地蒸散量與影響因子相互關(guān)系的多元回歸分析

蒸散過程受多種因素的影響，對草地蒸散量與各影響因子的相關(guān)性進行擬合，按相關(guān)系數(shù)的高低可知，6種主要影響因子對陽坡草地蒸散量影響的大小順序依次為降水量（R2=0.970）＞氣溫（R2=0.606）＞空氣相對濕度（R2=0.561）＞風(fēng)速（R2=0.519）＞土壤含水量（R2=0.474）＞太陽輻射（R2=0.419）；對陰坡草地蒸散量影響的大小順序依次為降水量（R2=0.947）＞氣溫（R2=0.936）＞太陽輻射（R2=0.504）＞空氣相對濕度（R2=0.389）＞風(fēng)速（R2=0.385）＞土壤含水量（R2=0.041）。從中可以得出，影響草地蒸散量的主要影響因子是降水量和氣溫。

在整個研究時段上，將測得的草地蒸散量（E）與同步測定的降水量（P）、氣溫（T）、2個影響因子進行多元逐步回歸，結(jié)果如下：

因此，E=0.049P+4.005T+20.836能夠表示降雨量（P），氣溫(T)，草地蒸散量（E）間的關(guān)系，可通過常規(guī)測量的降雨量（P），氣溫(T)數(shù)據(jù)來擬合草地蒸散量（E）。（2）式的擬合關(guān)系有待進一步觀測數(shù)據(jù)的驗證，這種關(guān)系一旦成立，則具有一定的應(yīng)用價值。

3 結(jié)論與討論

（1）由于土壤水分和光照等的差異，蒸散量的季節(jié)變化差異明顯，1～3月份平均蒸散量為0.22 mm/d，7、8月份達到最大為2.83 mm/d，10～12月份平均為0.14 mm/d。

（2）不同坡向的草地蒸散量，陰坡草地蒸散量比陽坡草地的大4.37%。祁連山林區(qū)同一流域內(nèi)同一海拔高度處不同坡向的降水量有一定差異，陰坡降水量明顯高于陽坡，陰坡比陽坡降水量平均多7%左右[12]，使得從來源上講，陰坡可供蒸發(fā)水分比陽坡高。另陰坡草本生長狀況要明顯好于陽坡，導(dǎo)致陰坡草本蒸騰大于陽坡。

（3）祁連山草地蒸散量與主要影響因子的相關(guān)性擬合結(jié)果表明，6種主要環(huán)境因子對陽坡草地蒸散發(fā)影響的大小順序依次為降水量（R2=0.970）＞氣溫（R2=0.606）＞空氣相對濕度（R2=0.561）＞風(fēng)速（R2=0.519）＞土壤含水量（R2=0.474）＞太陽輻射（R2=0.419）。對陰坡草地蒸散量影響的大小順序依次為降水量（R2=0.947）＞氣溫（R2=0.936）＞太陽輻射（R2=0.504）＞空氣相對濕度（R2=0.389）＞風(fēng)速（R2=0.385）＞土壤含水量（R2=0.041）。

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Study on grassland evapotranspiration at different slope orientation and its impact factors in Qilian Mountains

CHANG Bo1, LIU Xian-de1,2, WANG Shun-li2, ZHANG Yu-zhen1, ZHANG Xue-long2, SUN Yu-bo1
(1. Forestry College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China;2. Academy of Water Resource Conservation Forest of Qilian Mountains of Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China)

In order to reveal the change rules of grassland evapotranspiration in Qilian mountains, the micro-lysimeter was used to measure the grassland evapotranspiration at different slope orientation. Based on the soil survey and meteorological data, the changing rules of grassland evapotranspiration and theirs impact factors were investigated. The results are as follows: (1) the seasonal dynamic patterns of grassland evapotranspiration both in sunny and shady slope showed a single peak type, reaching a peak in July or August. (2)the grassland evapotranspiration changed according to the following rule: bare land evapotranspiration ＞ grassland evapotranspiration,and grassland evapotranspiration at shady slope ＞ grassland evapotranspiration at sunny slope. (3) the grass evapotranspiration was mainly consumed at soil evaporation; grassland rainfall most consumed by grassland evapotranspiration. (4) the correlated coeff i cients between grassland evapotranspiration and theirs impact factors were sorted as: precipitation (P) ＞ air temperature (T) ＞ air relative humidity (HR) ＞ wind speed (u2) ＞ soil water content (θm) ＞ solar radiation (Ra) at sunny slope; precipitation (P) ＞air temperature (T)＞solar radiation (Ra) ＞air relative humidity (HR) ＞wind speed (u2) ＞soil water content(θm) at shady slope; the precipitation and air temperature has a signif i cant linear relationship with grassland evapotranspiration (R2=0.861).

mountain grassland; grassland evapotranspiration; impact factors; Qilian mountains; Xishui forest area

S715.4

A

1673-923X(2014)04-0090-06

2013-09-06

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201104005-07、200904056）；國家自然科學(xué)基金項目（31360201、91125012）；國家科技支撐計劃項目（2012BAC08B02-02）聯(lián)合資助

常 博（1989-），女，碩士研究生，研究方向：森林生態(tài)學(xué)；E-mail：changbo3979@126.com

劉賢德（1963-），男，博士生導(dǎo)師，研究員，研究方向：森林生態(tài)和保護方面的研究；E-mail：liuxiande666@163.com

[本文編校：吳 彬]