北方典型農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地開墾對(duì)地表輻射收支與水熱平衡的影響

楊 帆, 邵全琴, 李愈哲, 樊江文, 包玉海

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3 內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院， 呼和浩特 010022

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北方典型農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地開墾對(duì)地表輻射收支與水熱平衡的影響

楊 帆1,2, 邵全琴1,*, 李愈哲1, 樊江文1, 包玉海3

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3 內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院， 呼和浩特 010022

以北方典型農(nóng)牧交錯(cuò)帶草原和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的渦度相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)比分析了生長(zhǎng)季兩種不同土地利用類型的輻射和水熱通量之異同，揭示了草地開墾影響地表輻射收支與水熱平衡的機(jī)制。結(jié)果表明：在植被生長(zhǎng)季(5月—9月)，草地開墾引起太陽(yáng)總輻射增加了10.74%，短波反射輻射減少了14.20%，凈輻射增加了35.16%；在水熱通量方面，草地開墾引起潛熱通量日積分平均值增加了0.20MJ/m2，同時(shí)顯熱通量減少了0.09 MJ/m2；生長(zhǎng)季內(nèi)地表反照率減小，表征地表吸收太陽(yáng)輻射增加，有升高氣溫的趨勢(shì)；非生長(zhǎng)季內(nèi)地表反照率增加，有降低氣溫趨勢(shì)，此外地表反照率與土壤濕度存在負(fù)指數(shù)關(guān)系；波文比在植被生長(zhǎng)早期和末期增加，生長(zhǎng)旺期減小，說明草地開墾與影響著近地表大氣狀態(tài)，從而改變了區(qū)域氣候。

農(nóng)牧交錯(cuò)帶；草地開墾；生長(zhǎng)季； 渦度相關(guān)

干旱、半干旱區(qū)主要分布在中國(guó)北方地區(qū)[1-2]，其水熱交換具有顯著的局地性特色[3-4]。而北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是我國(guó)濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)和內(nèi)陸干旱區(qū)的過渡區(qū)，與其他地區(qū)相比對(duì)氣候變化響應(yīng)更為敏感[5]，其水熱狀況對(duì)植被分布具有決定性作用[6-7]，但該區(qū)域內(nèi)植被條件差，土地利用變化劇烈，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，自然災(zāi)害頻發(fā)[8]。因此，在該區(qū)域內(nèi)開展長(zhǎng)期陸面過程觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于研究陸氣相互作用特征，全球陸地能量和水循環(huán)以及全球變化具有十分重要的實(shí)際意義。

我國(guó)在陸面過程觀測(cè)實(shí)驗(yàn)已取得了許多進(jìn)展，在西北干旱區(qū)[9-11]、黃土高原區(qū)[12-14]、青藏高原區(qū)[15-16]等均獲得了重要成果，一方面說明了我國(guó)不同生態(tài)系統(tǒng)陸氣能量轉(zhuǎn)換特征，另一方面改進(jìn)了不同區(qū)域陸面過程參數(shù)化方案。然而，僅單一對(duì)某個(gè)土地類型進(jìn)行通量觀測(cè)實(shí)驗(yàn)不足以全面反映各區(qū)域陸氣相互作用關(guān)系。因此，不同土地利用類型的陸面過程模式成為近年學(xué)界研究熱點(diǎn)。李新等[17]通過在中游綠洲荒漠區(qū)非均勻下墊面的地表蒸散發(fā)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，取得了矩陣式通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，這為進(jìn)一步探討土地利用變化如何影響陸氣相互作用提供了可能。

許多研究表明，人類活動(dòng)引起的土地利用和土地覆被變化通過生物地球物理過程對(duì)地表能量平衡和氣候的影響可能比碳循環(huán)的影響還要大，而開墾是除放牧以外影響草地生態(tài)系統(tǒng)的最大人類活動(dòng)之一[18]。這表明，土地利用變化是影響地表輻射與水熱平衡從而導(dǎo)致氣候變化的一個(gè)關(guān)鍵因素。而在北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，開墾是影響草原生態(tài)系統(tǒng)最劇烈的人類活動(dòng)因素。劉紀(jì)遠(yuǎn)等[19]經(jīng)過對(duì)2000—2010年和1980年代末—2000年土地利用變化數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)華北、黃土高原農(nóng)牧交錯(cuò)帶前10年以草地開墾為農(nóng)田為主，內(nèi)蒙古中東部較為集中，其次為農(nóng)田轉(zhuǎn)為林草地。

本文通過設(shè)計(jì)并建設(shè)了不同土地利用類型輻射和水熱通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，主要用于開墾與退耕對(duì)生態(tài)系統(tǒng)輻射、水熱交換影響的研究，并試圖從土地利用變化角度說明草地開墾是如何影響地表輻射與水熱分配格局和能量平衡，探究其影響區(qū)域氣候變化的機(jī)理和效應(yīng)。利用渦度相關(guān)系統(tǒng)，選擇典型草原、農(nóng)田兩種不同土地利用類型的觀測(cè)資料，評(píng)價(jià)了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，分析了生長(zhǎng)季內(nèi)地表輻射及水熱通量的變化規(guī)律，揭示了草地開墾對(duì)輻射和水熱通量重新分配的過程及影響機(jī)理，為準(zhǔn)確評(píng)估草地開墾影響陸氣間能量交換提供科學(xué)依據(jù)，并期望對(duì)生態(tài)保護(hù)及建設(shè)工程起到?jīng)Q策支持作用。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是指以草地和農(nóng)田大面積交錯(cuò)出現(xiàn)的以典型景觀為特征的自然群落與人工群落相互鑲嵌的生態(tài)復(fù)合體，是區(qū)分半干旱區(qū)和半濕潤(rùn)區(qū)的一條非常重要的生態(tài)過渡帶[20]。北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶屬于中溫帶半濕潤(rùn)到半干旱氣候區(qū)，地形以山地、山間谷地或盆地和丘陵為主，土壤類型以栗鈣土為主。本研究選取的2個(gè)渦動(dòng)相關(guān)儀觀測(cè)站點(diǎn)分別位于錫盟典型草原(43°32′24″N，116°33′43″E)、農(nóng)田樣地(43°35′20″N，116°45′43″E)的中心地帶，地形相對(duì)平緩。研究區(qū)屬溫帶半干旱氣候區(qū)，年平均氣壓850—950hPa，年平均氣溫0—3℃，年平均相對(duì)濕度50%—60%，年降水量200—350mm，全年盛行西南風(fēng)，年平均風(fēng)速4—5m/s。其中，典型草原區(qū)的主要植被類型為大針茅，農(nóng)田區(qū)以旱作小麥為主，兩個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)直線距離約20km(圖1)。

圖1 內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)類型及通量站點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.1 The ecosystem type and flux station in the typical farming-pastoral ecotone of Inner Mongolia

1.2 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)1.2.1 觀測(cè)方案

觀測(cè)系統(tǒng)從美國(guó)Campbell公司直接購(gòu)置，系統(tǒng)每隔一定時(shí)間會(huì)進(jìn)行重新定標(biāo)，由地上部分和地下部分組成，地上部分包括1個(gè)CR3000型數(shù)據(jù)采集器、1個(gè)CSAT3超聲風(fēng)速儀、1個(gè)EC150 CO2/H2O 分析儀、NR01四分量?jī)糨椛鋫鞲衅?、HMP155a溫濕度傳感器；地下部分包括CS616土壤水分傳感器、HFP01土壤熱通量傳感器。地表溫度的測(cè)量采用手持式紅外溫度計(jì)(MX4)測(cè)量，經(jīng)過組裝加掛到通量觀測(cè)系統(tǒng)支架之上，設(shè)備由不銹鋼支架固定，根據(jù)觀測(cè)的下墊面特征均架高2m。

同時(shí)，農(nóng)田觀測(cè)站記錄小麥各個(gè)關(guān)鍵生育期(播種、出苗、分蘗、抽穗、成熟)(表1)。對(duì)草原觀測(cè)站而言，為排除積雪對(duì)地表反照率的影響而選擇5—9月時(shí)段數(shù)據(jù)，其中，5—6月草地植被進(jìn)入返青期，7—8月進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期，9月代表草地植被枯黃期。

表1 小麥不同生育期觀測(cè)時(shí)間

1.2.2 渦度相關(guān)數(shù)據(jù)的處理

分別對(duì)兩個(gè)通量觀測(cè)站采集的0.1s原始湍流數(shù)據(jù)采用EdiRe軟件進(jìn)行再處理，包括剔除野點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)變化坐標(biāo)軸及WPL修正，得到30min的通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)農(nóng)牧交錯(cuò)帶氣候特征，對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)一步篩選：凈輻射(-200,800)，潛熱(-100,500)，顯熱(-100,400)，土壤熱通量(-100,100)。最后，對(duì)剔除的數(shù)據(jù)采用線性插補(bǔ)，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性，以此輸出校正后的30min通量觀測(cè)數(shù)據(jù)[21-22]。之后，運(yùn)用Wilson等[23]的OLS方法分別計(jì)算出草原、農(nóng)田觀測(cè)站的能量閉合度為82.3%和81.6%，這與其他學(xué)者觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近[24-26]，表明了通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量比較好。

考慮到輸出30min的觀測(cè)數(shù)據(jù)均為通量密度瞬時(shí)值(W/m2)，故對(duì)輸出數(shù)據(jù)運(yùn)用面積積分公式積分得到以日為尺度的積分值(MJ/m2)。

研究上述觀測(cè)站輻射與水熱通量特征的相關(guān)方程為：

Rn=DSR-USR+DLR-ULR

(1)

Rn=H+LE+G

(2)

(3)

(4)

式中,Rn為凈輻射；DSR為太陽(yáng)總輻射；USR為短波反射輻射；DLR為大氣向下長(zhǎng)波輻射；ULR為地表向上長(zhǎng)波輻射；H為顯熱通量；LE為潛熱通量；G為土壤熱通量；α為地表反照率；β為波文比。(1)、(2)式中參數(shù)的單位均為W/m2，(3)、(4)式中α、β為無量綱。

1.3 遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品

地表反照率數(shù)據(jù)采用時(shí)間分辨率8d，空間分辨率1km的MODIS地表反照率產(chǎn)品MCD43B3，數(shù)據(jù)格式為HDF-EOS。該數(shù)據(jù)精度已在全球范圍內(nèi)得到許多學(xué)者廣泛的驗(yàn)證[27-29]。根據(jù)全球通量站點(diǎn)的驗(yàn)證結(jié)果表明，其總體偏差為-0.008[30]。本文選取了衛(wèi)星軌道號(hào)為h26v4數(shù)據(jù)集中寬波段白空波段來進(jìn)行兩個(gè)通量站的地表反照率分析。

潛熱通量數(shù)據(jù)采用時(shí)間分辨率8d，空間分辨率1km的MODIS蒸散發(fā)產(chǎn)品MOD16A2，數(shù)據(jù)格式為HDF-EOS。賀添等[31]通過將我國(guó)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)與MODIS16A2數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明該產(chǎn)品與站點(diǎn)觀測(cè)值匹配程度較好。MOD16產(chǎn)品包含蒸散發(fā)、潛在蒸散發(fā)、潛熱通量和潛在潛熱通量，本文選取了衛(wèi)星軌道號(hào)為h26v4數(shù)據(jù)集中潛熱通量部分進(jìn)行分析。

2 結(jié)果分析

2.1 農(nóng)田輻射與水熱通量特征

2.1.1 不同物候期輻射通量對(duì)比

太陽(yáng)總輻射(DSR)是太陽(yáng)直接輻射與散射輻射總和，其大小與當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度、海拔高度、日照時(shí)數(shù)、天空云量和氣溶膠等因素有關(guān)。在小麥不同生育期內(nèi)，變化規(guī)律基本一致(圖2)，但日變化數(shù)值不同，在成熟-收割期最小，平均日積分值為21.02 MJ/m2，日最大值為804.35 W/m2；在小麥出苗-分蘗期達(dá)到最大，平均日積分值為25.09MJ/m2，日最大值為823.79 W/m2。

圖2 農(nóng)田生長(zhǎng)季日平均輻射通量Fig.2 The average day radiation flux of cropland during the growing season

短波反射輻射在小麥整個(gè)生育期內(nèi)呈逐漸減小趨勢(shì)。在出苗-分蘗期內(nèi)，由于地面植被覆蓋較小，使得在該生育期內(nèi)短波反射輻射明顯大于小麥生長(zhǎng)旺盛期階段，日最大值為133.51W/m2，日積分值達(dá)到4.26MJ/m2；在成熟-收割期內(nèi)，地面植被蓋度達(dá)到最大值，此時(shí)農(nóng)田短波反射輻射較小，僅為2.68MJ/m2，日最大值為81.30W/m2。

大氣向下長(zhǎng)波輻射與地表向上長(zhǎng)波輻射變化較為相似，在小麥生育階段內(nèi)呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。在播種—出苗期內(nèi)為最小值，日積值分別為24.65MJ/m2和31.96MJ/m2；在抽穗-成熟期內(nèi)達(dá)到最大值，分別為29.93MJ/m2和34.64MJ/m2。

2.1.2 不同物候期水熱通量對(duì)比

小麥在不同生育期，地表水熱通量收支不同。隨著小麥生長(zhǎng)日趨旺盛，植被覆蓋度增大，地表反照率呈波動(dòng)性減小(圖3)，凈輻射也隨之增加，潛熱通量在小麥成熟-收割期內(nèi)，隨著太陽(yáng)高度角的減小，地表凈輻射也略有減小。另一方面，隨著小麥需水量增大，植被蒸騰作用增大，潛熱通量在不斷增大，顯熱通量在不斷減小，土壤熱通量的變化在各生育期內(nèi)基本穩(wěn)定，變化范圍一般在0.51—0.97MJ/m2之間。

在小麥播種-出苗期，此時(shí)地表反照率較大，凈輻射值最小，平均日積分值為12.71MJ/m2，日最大值為570.10W/m2，顯著低于抽穗-成熟期(P<0.05)，但與其余各階段差異不顯著(P>0.05)(圖4)。同時(shí)顯熱通量大于潛熱通量，日積分值為4.24MJ/m2，占凈輻射值33.36%，顯著高于分蘗-抽穗期和抽穗-成熟期(P<0.05)。土壤熱通量最小，低于凈輻射值的8%，但與各階段差異不顯著(P>0.05)，這種變化趨勢(shì)與楊啟國(guó)等[32]研究的甘肅中部旱作物土壤熱通量的研究結(jié)果一致。

在小麥出苗-成熟期，太陽(yáng)高度角增加以及地表反照率逐階段變小，導(dǎo)致凈輻射值也在不斷增大。小麥耗水量增加，并伴隨著農(nóng)牧交錯(cuò)帶雨季來臨，降水增多，土壤濕潤(rùn)程度明顯增加，使得潛熱通量占凈輻射的比例也在不斷增大，顯熱通量變化趨勢(shì)與潛熱通量相反，土壤熱通量變化趨勢(shì)較小。其中在小麥抽穗-成熟期，凈輻射日積分值達(dá)到最大值15.83 MJ/m2，顯著高于播種-出苗期(P<0.05)；潛熱通量日積分值達(dá)到最小值1.07MJ/m2，顯著高于播種-出苗期和出苗-分蘗期(P<0.05)，僅占凈輻射值6.76%；顯熱通量日積分值達(dá)到最大值7.70 MJ/m2，占凈輻射值48.64%，顯著低于播種-出苗期和出苗-分蘗期(P<0.05)。

在小麥成熟-收割期，伴隨著太陽(yáng)高度角變小，雨季退去，土壤濕度有所減小，作物耗水量也逐漸減小，凈輻射值減少至13.39 MJ/m2，與各階段差異不顯著(P>0.05)。潛熱通量增加至2.33 MJ/m2，顯著高于播種-出苗期和出苗-分蘗期(P<0.05)。顯熱通量減少至6.98 MJ/m2，但仍顯著高于分蘗-成熟期(P<0.05)。

圖3 農(nóng)田生長(zhǎng)季日平均水熱通量Fig.3 The average day water-heat flux of cropland during the growing season

圖4 不同物候期農(nóng)田水熱通量差異Fig.4 The average day water-heat flux of cropland in different growth stage同顏色柱標(biāo)有不同字母表示差異顯著(P<0.05)，同顏色柱標(biāo)有相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

2.2 典型草原輻射與水熱通量特征

2.2.1 不同月份典型草原輻射通量對(duì)比

農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型草原生長(zhǎng)季地表輻射通量有顯著的日變化特征(圖5)。5—9月總輻射日平均最大值依次為799.48、653.48、679.64、740.50W/m2和624.68W/m2；日積分值最大值出現(xiàn)在5月，為24.00 MJ/m2，最小值出現(xiàn)在9月，僅為15.96MJ/m2。這表明，農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型草原區(qū)5—8月份是一年光熱條件最佳時(shí)段。

短波反射輻射日變化與總輻射一致，5—9月日平均短波反射輻射最大值依次為173.83、119.86、110.43、123.08W/m2和106.34W/m2；日積分值最大出現(xiàn)在5月，達(dá)到5.56MJ/m2，這是因?yàn)?月草原植被剛進(jìn)入返青期，植被覆蓋度較小，地表反照率也較大，達(dá)到0.23，這與岳平等[33]研究的錫林浩特草原生長(zhǎng)期地表反照率的結(jié)果一致。隨后短波反射輻射值在不斷減小，到9月僅為3.02MJ/m2。

大氣向下長(zhǎng)波輻射相比短波輻射變化較為平緩，在5—7月呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在7—9月呈下降趨勢(shì)，在7月份日積分值達(dá)到30.49MJ/m2，最小積分值出現(xiàn)在5月，為24.90MJ/m2。地表向上長(zhǎng)波輻射與大氣向下長(zhǎng)波輻射變化類似，在整個(gè)生長(zhǎng)季呈先增加后下降趨勢(shì)，在7月份日積分值達(dá)到36.36MJ/m2，在9月份日積分值為最小31.70MJ/m2。

圖5 典型草原生長(zhǎng)季日平均輻射通量Fig.5 The average day radiation flux of typical grassland during the growing season

2.2.2 不同月份典型草原水熱通量對(duì)比

凈輻射作為外部能量來源，以顯熱和潛熱的形式加熱大氣，僅有一小部分能量轉(zhuǎn)化為土壤熱通量。典型草原凈輻射日積分值在5—8月不斷增加(圖6)，由5月份的9.91MJ/m2增加到了8月份的11.43MJ/m2，5月份凈輻射值顯著低于8月份(P<0.05)(圖7)。土壤熱通量日積分值在整個(gè)生長(zhǎng)季不斷減小，從5月份0.64MJ/m2減少至8月份0.21MJ/m2，占凈輻射的比重也在逐月減小，但各月份間差異不顯著(P>0.05)。

5月份典型草原地表裸露，太陽(yáng)輻射加熱作用使地表迅速增溫，此時(shí)顯熱通量大于潛熱通量，顯熱日積分值達(dá)到4.41MJ/m2，顯著高于植被生長(zhǎng)旺期8月和枯黃期9月(P<0.05)；6月份，植被進(jìn)入返青期，顯熱通量開始迅速降低至2.74MJ/m2，但仍顯著高于生長(zhǎng)旺期8月(P<0.05)，而潛熱通量由3.66MJ/m2迅速上升至5.62MJ/m2，但仍顯著低于生長(zhǎng)旺期8月(P<0.05)；7—8月草原植被進(jìn)入全年生長(zhǎng)旺盛期，植被蒸騰及降水作用使得潛熱通量進(jìn)一步上升，而顯熱通量不斷減少，8月份潛熱通量大于顯熱通量，此時(shí)潛熱通量日積分值達(dá)到最高點(diǎn)7.12MJ/m2，顯著高于植被返青期的5至6月和植被枯黃期9月(P<0.05)，顯熱通量?jī)H有1.08MJ/m2，顯著低于5月至7月(P<0.05)；9月份草原植被逐漸進(jìn)入枯黃期，植被蒸騰作用也開始減弱，潛熱通量明顯開始下降，為4.43MJ/m2，顯著低于植被旺盛期7至8月(P<0.05)，而顯熱通量上升至1.70MJ/m2，但仍顯著低于植被返青期5至6月(P<0.05)。

圖6 典型草原生長(zhǎng)季日平均水熱通量Fig.6 The average day water-heat flux of typical grassland during the growing season

圖7 不同月份典型草原水熱通量差異Fig.7 The average day water-heat flux of typical grassland in different month同顏色柱標(biāo)有不同字母表示差異顯著(P<0.05)，同顏色柱標(biāo)有相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

2.3 草地開墾對(duì)地表輻射與水熱通量的影響

2.3.1 對(duì)地表輻射通量的影響

農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地開墾后，地表總輻射增加趨勢(shì)明顯，在小麥分蘗-抽穗期內(nèi)，總輻射變化幅度達(dá)到最大，日積分值增加了2.87MJ/m2，在小麥抽穗-成熟期內(nèi)，總輻射變化幅度最小，日積分值增加了1.09MJ/m2；短波反射輻射減少趨勢(shì)明顯，在小麥播種-出苗期，草地開墾使得短波反射輻射減少了1.31MJ/m2，而在小麥分蘗-抽穗期，開墾前后短波反射輻射基本持平(表2)。

大氣向下與地表向上長(zhǎng)波輻射在草地開墾后的變化規(guī)律與短波反射輻射類似，也呈減小趨勢(shì)。其中，大氣向下長(zhǎng)波輻射在小麥分蘗-抽穗期減少幅度最大，為0.50MJ/m2，在抽穗-成熟期內(nèi)減小幅度最小為0.08MJ/m2；地表向上長(zhǎng)波輻射在小麥分蘗-抽穗期減少幅度最大，為1.72MJ/m2，在播種-出苗期減小幅度最小為0.67MJ/m2。通過計(jì)算凈輻射與總輻射比值來刻畫草地開墾后凈輻射相對(duì)值的差別，可以發(fā)現(xiàn)，Rn/DSR隨著生育期進(jìn)程不斷增大，在成熟-收割期內(nèi)又略有減??；草地開墾后，變化范圍從0.41—0.58增加至0.53—0.68。

表2 小麥不同生育期農(nóng)田與典型草原輻射通量積分值

地表反照率表征地表反射太陽(yáng)輻射的能力，是影響地表輻射通量收支的一個(gè)非常重要的參數(shù)，其大小由短波反射輻射與總輻射比值表示[34-35]。在生長(zhǎng)季內(nèi)，草地開墾使得地表反照率減小(圖8)，變化范圍從0.16—0.26減小至0.10—0.21；且在每次降雨發(fā)生后，地表反照率均有明顯地下降。在7—8月植被生長(zhǎng)旺期，兩種不同地表類型的反照率差異較小，這與劉輝志等[36]研究的半干旱區(qū)不同下墊面地表反照率變化特征的結(jié)果一致。

圖8 生長(zhǎng)季農(nóng)田和典型草原日平均地表反照率Fig.8 The average surface albedo of cropland and typical grassland during the growing season

地表反照率隨著土壤濕度的增加呈指數(shù)衰減趨勢(shì)，且農(nóng)田的曲線擬合結(jié)果要好于草地(圖9)。土壤濕度增加改變了土壤熱性能，從而影響了地表反照率，進(jìn)而使地表水熱交換發(fā)生改變[37]。而地表反照率隨著土壤濕度增加而降低，可能原因是土壤水分越大其吸收的太陽(yáng)短波輻射越大，進(jìn)而導(dǎo)致地表反照率減小。在農(nóng)牧交錯(cuò)帶生長(zhǎng)季內(nèi)，農(nóng)田下墊面土壤含水量要顯著高于草地，所以在此生長(zhǎng)階段若發(fā)生草地開墾，地表反照率會(huì)減小。

圖9 生長(zhǎng)季農(nóng)田和典型草原土壤濕度與albedo關(guān)系Fig.9 The relationship between soil moisture and albedo of cropland and grassland during the growing season

2.3.2 對(duì)地表水熱通量的影響

農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地開墾后，地表凈輻射增加趨勢(shì)明顯(表3)，在小麥分蘗-抽穗期內(nèi)，凈輻射變化幅度達(dá)到最大，日積分值增加了4.12MJ/m2；土壤熱通量變化與凈輻射變化相似，也呈增加趨勢(shì)，在小麥出苗-分蘗期達(dá)到最大，此時(shí)日積分值增加0.34MJ/m2。

在小麥播種-出苗期內(nèi)，草地與農(nóng)田地表狀況相似，此時(shí)草地開墾前后顯熱與潛熱通量基本不變；而在小麥出苗-分蘗期內(nèi)，草原植被進(jìn)入返青期，草地開墾使得地表顯熱通量增大，日積分值增加0.72 MJ/m2，潛熱通量減小了0.50MJ/m2；在小麥分蘗-成熟期內(nèi)，小麥生長(zhǎng)進(jìn)入全年最旺盛期，蒸騰作用要大于草原植被，故此時(shí)草地開墾使得潛熱通量增加，日積分值增加了0.91MJ/m2，顯熱通量減少0.75MJ/m2；在小麥成熟-收割期內(nèi)，農(nóng)田蓋度逐漸減小，蒸騰作用也減弱，而此時(shí)草原植被仍在生長(zhǎng)旺期，故草地開墾使得顯熱通量增加，日積分值增加了0.96 MJ/m2，而潛熱通量減少了0.49MJ/m2。

波文比代表可以表征氣候干濕程度，波文比大說明氣候干燥，反之說明氣候濕潤(rùn)。在小麥播種-分蘗期內(nèi)，草地開墾使得波文比變大，氣候變得干燥；在小麥分蘗-成熟期，草地開墾引起潛熱通量上升，顯熱下降，波文比變?。蛔詈笤谛←湷墒?收割期內(nèi)，草地開墾繼續(xù)導(dǎo)致波文比迅速上升，氣候又逐漸變干燥。

表3 小麥不同生育期農(nóng)田與典型草原水熱通量積分值

3 結(jié)論與討論

農(nóng)牧交錯(cuò)帶植被對(duì)水熱通量有重要影響，在植被長(zhǎng)勢(shì)較差的月份，地表能量的轉(zhuǎn)換以顯熱為主，在植被長(zhǎng)勢(shì)較好的月份，則以潛熱為主。潛熱通量生長(zhǎng)季變化也呈單峰型變化規(guī)律，最大值出現(xiàn)在7月份，最小值則出現(xiàn)在生長(zhǎng)季初期和末期。顯熱通量變化與潛熱通量變化正好相反。

在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)，農(nóng)田和典型草原輻射與水熱通量日變化都呈單峰型特征，輻射與水熱通量最大值均出現(xiàn)在12:00至13:00之間，前者日平均總輻射高于后者，凈輻射值高于后者，潛熱通量也高于后者，顯熱通量則低于后者。農(nóng)田和典型草原總輻射日積分平均值分別為23.88MJ/m2和21.57MJ/m2，凈輻射通量的日積分平均值分別占總輻射值的60.89%和49.88%，這與顧潤(rùn)源等[38]在2010年內(nèi)蒙古半干旱草原測(cè)得的輻射通量觀測(cè)資料相一致。潛熱通量的日積分平均值分別占凈輻射值的42.37%和55.48%，顯熱通量的日積分平均值分別占凈輻射值的15.68%和22.03%。

生長(zhǎng)季內(nèi)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地開墾影響了地表輻射與水熱通量，具體表現(xiàn)在：凈輻射日積分平均值增加了35.16%，其中太陽(yáng)總輻射日積分平均值增加了10.74%，短波反射輻射日積分平均值減少了14.20%，大氣向下和地表向上長(zhǎng)波輻射日積分平均值分別減少了1.13%和3.39%，由此可見在植被生長(zhǎng)季地表向上長(zhǎng)波輻射受到下墊面變化狀況影響較大[38]；潛熱通量日積分平均值增加了3.32%，同時(shí)顯熱通量減少了3.96%；土地覆被變化導(dǎo)致輻射強(qiáng)迫，伴隨著草地向農(nóng)田的轉(zhuǎn)變，地表反照率減小，表征地表吸收太陽(yáng)輻射增加，有升高氣溫的趨勢(shì)[39]；草地開墾使得波文比大小發(fā)生變化，波文比在植被生長(zhǎng)初期增大，在生長(zhǎng)旺期減小，在生長(zhǎng)末期又開始增大，這表明草地開墾不僅改變了地表物理結(jié)構(gòu)，還影響著近地表大氣狀態(tài)，從而改變了區(qū)域氣候。

由于站點(diǎn)非生長(zhǎng)季內(nèi)數(shù)據(jù)有缺失，無法完整揭示全年地表輻射與水熱狀況，所以通過MODIS地表反照率和蒸散發(fā)產(chǎn)品分別提取了兩個(gè)站點(diǎn)地表反照率和潛熱通量，以此來反映年內(nèi)變化趨勢(shì)(圖10)。相關(guān)研究表明，基于MODIS資料反演的地表反照率同野外觀測(cè)值具有高度顯著的相關(guān)關(guān)系，尤其在植被生長(zhǎng)季，兩套資料的全部有效數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.78，達(dá)到99.9%的置信水平[40]。地表反照率在年初和年末受到雪蓋影響，從影像上提取的值偏大，屬于明顯異常值，故年初和年末的值有缺失，但仍可以很好反映年內(nèi)變化趨勢(shì)：在3月到5月初，農(nóng)田和典型草原地表反照率基本相似；在植被生長(zhǎng)季內(nèi)(5—9月)，典型草原地表反照率大于農(nóng)田，這與本文站點(diǎn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致；在農(nóng)田作物收割后(9—11月)，土壤被翻耕，地表多為裸土，此時(shí)農(nóng)田地表反照率大于典型草原。農(nóng)田和典型草原年內(nèi)前期(1—5月)潛熱通量差異不大，但到植被生長(zhǎng)季農(nóng)田潛熱通量顯著大于典型草原，這與站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)反映的趨勢(shì)相一致。作物被收割后，地表大量裸露使得農(nóng)田潛熱通量大幅度下降，此時(shí)典型草原潛熱通量大于農(nóng)田。

圖10 農(nóng)田和典型草原地表反照率和潛熱通量年變化Fig.10 The annual variation of albedo and latent heat flux of cropland and typical grassland

需要指出，不同型號(hào)儀器以及不同數(shù)據(jù)處理方式會(huì)使數(shù)據(jù)結(jié)果存在一定的不確定性，因此，未來會(huì)開展更為綜合全面的觀測(cè)來深入理解農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地開墾對(duì)輻射與水熱平衡的影響機(jī)制。另外，本文所用的通量臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列較短，僅對(duì)比了植被生長(zhǎng)季內(nèi)農(nóng)田與典型草原兩種不同土地利用類型的輻射和水熱通量，缺乏不同季節(jié)及年際間的能量分配研究，這也是以后工作的重點(diǎn)。

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Impacts of grassland reclamation on land surface radiation and water-heat fluxes in the farming-pastoral ecotone of northern China

YANG Fan1,2, SHAO Quanqin1,*, LI Yuzhe1, FAN Jiangwen1, BAO Yuhai3

1 Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 2UniversityofChineseofSciences,Beijing100049,China3CollegeofGeographicalScience,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010022,China

We compared land surface radiation and water-heat flux of two different land use types using eddy covariance flux data of typical grassland and cropland ecosystems in a farming-pastoral ecotone of northern China. The comparisons revealed that the biophysical mechanisms of grassland reclamation affected the surface radiation flux budget and the water-heat flux balance. The results further showed that, during the growing season (May-September), grassland reclamation increased the solar radiation by 10.74%, reduced the shortwave reflected radiation by 14.20%, and increased the net radiation by 35.16%. As for the water-heat flux, grassland reclamation increased the latent heat flux 0.20 MJ/m2, whereas the sensible heat flux was reduced by 0.09 MJ/m2. The surface albedo decreased during the growing season, which was illustrated by the surface that absorbed more solar radiation and had a tendency to rise in the temperature. In contrast, the albedo increased during non-growing season, which was illustrated by a decrease in the temperature; in addition, a negative exponential relationship between surface albedo and soil moisture was observed. The Bowen ratio in the early and late vegetation growth period increased and decreased dramatically during these growing stages. Finally, the grassland reclamation affected the near-surface atmospheric conditions, which consequently changed the regional climate.

farming-pastoral ecotone; grassland reclamation; growing season; eddy covariance

國(guó)家自然科學(xué)基金(41371409)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAC03B04)；國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2010CB950902)

2015- 07- 13;

2016- 03- 21

10.5846/stxb201507131484

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shaoqq@lreis.ac.cn

楊帆, 邵全琴, 李愈哲, 樊江文, 包玉海.北方典型農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地開墾對(duì)地表輻射收支與水熱平衡的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(17):5440- 5451.

Yang F, Shao Q Q, Li Y Z, Fan J W, Bao Y H.Impacts of grassland reclamation on land surface radiation and water-heat fluxes in the farming-pastoral ecotone of northern China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(17):5440- 5451.