黃土高原地區(qū)水量平衡研究

裴婕,趙芳媛,董剛,3*,徐巧峰

(1.山西大學(xué) 黃土高原研究所,山西 太原 030006;2.中國科學(xué)院 沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧 沈陽 110016;3.山西大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,山西 太原030006;4.山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030009)

黃土高原地區(qū)水量平衡研究

裴婕1,趙芳媛2,董剛1,3*,徐巧峰4

(1.山西大學(xué) 黃土高原研究所,山西 太原 030006;2.中國科學(xué)院 沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧 沈陽 110016;3.山西大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,山西 太原030006;4.山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030009)

水分是黃土高原植物生長的主要限制因子,植被的生長和分布與水量平衡密切相關(guān)。利用MODIS數(shù)據(jù),結(jié)合回歸分析和t檢驗(yàn)等方法,對(duì)比了黃土高原地區(qū)多雨、少雨、高溫和低溫等四種氣候條件下的林地、草地、農(nóng)田等三種主要植被類型的蒸散,并研究了各種生態(tài)系統(tǒng)的水量平衡。結(jié)果表明:(1)2000～2014年(15 a)蒸散波動(dòng)明顯,上升不顯著(p>0.05),主要受降雨的影響,其次是溫度；其中多雨區(qū)蒸散明顯大于少雨區(qū),高溫區(qū)明顯大于低溫區(qū);水量平衡隨著降水的趨勢(shì)變化而變化,水量平衡的高值和低值區(qū)域都在逐步縮小,中值區(qū)域逐步擴(kuò)大。(2)三種植被類型的蒸散量的大小依次為林地>農(nóng)田>草地。農(nóng)田和草地相較于林地生態(tài)系統(tǒng)更容易受單一氣候因子影響,也更加脆弱。(3)水量平衡并不是降雨與蒸散的絕對(duì)平衡,而是一個(gè)相對(duì)的平衡。各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中蒸散隨著降雨的增加而增加；當(dāng)降水達(dá)到一定的閾值后,蒸散受降雨的影響減小。

水量平衡;降水;蒸散;MODIS;黃土高原

0 引言

在干旱半干旱地區(qū),水資源是植物生長的主要限制因子[1],植被生產(chǎn)力和分布與降雨(precipitation,P)和蒸散量(evapotranspiration,ET)緊密相關(guān)[2]。樹木不僅在水循環(huán)和碳循環(huán)中起到至關(guān)重要的作用[3],可以防止環(huán)境中土壤流失[4],而且樹木產(chǎn)生的枯落物(例如落葉)比其他植被類型給土壤增加更多的有機(jī)質(zhì),使水分可以在土壤中較大的滲透和保留[5]。種植樹木可以防止土壤荒漠化,也可在一定程度上修復(fù)退化土地[6]。但樹木的蒸騰可能會(huì)超過降雨量,減少土壤中的可利用水分,降低徑流和水庫的降雨量[7],進(jìn)而減少地下水的儲(chǔ)存量[8]。

水量平衡反映了生態(tài)系統(tǒng)水分收支情況,是蒸散、地表徑流和土壤水分存儲(chǔ)變化量與降雨之間的平衡,是一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[9],是評(píng)價(jià)降水和植被之間關(guān)系的有效方式之一[2],為區(qū)域內(nèi)的水資源分配和管理提供參考。在黃土高原地區(qū),蒸散主要受水分控制[10]。因?yàn)榻陙斫邓饾u減少，溫度逐漸升高[1],水分消耗加大,蒸散量也逐年上升[11],進(jìn)一步導(dǎo)致黃土高原的水分損失更加嚴(yán)重[3]。區(qū)域內(nèi)常年承受水分虧缺,降雨得不到有效補(bǔ)充,在這種情況下，種植大量的耗水人工林,可能會(huì)導(dǎo)致該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化[12]。

前人對(duì)水量平衡的研究集中于模型估算(主要是農(nóng)業(yè)和水文循環(huán)的應(yīng)用模型)[13-16],水量平衡模型主要是預(yù)測(cè)時(shí)空上的土壤含水量的變化,模擬在水分脅迫下的作物和林分的水分收支[14]。模型運(yùn)算復(fù)雜,需要參數(shù)眾多,操作難度較大,估算結(jié)果誤差也較大。近年來,迅速發(fā)展的遙感技術(shù)能夠?yàn)槲覀兲峁└叻直媛?、更多時(shí)間序列和更大空間范圍的遙感產(chǎn)品,這對(duì)于研究全球各種尺度的地表信息變換提供了更加便捷的途徑[17]。中分辨率成像光譜儀(MODIS)數(shù)據(jù)被人們?cè)诤芏嗖煌瑓^(qū)域進(jìn)行了多次驗(yàn)證[18-20],黃土高原區(qū)域尺度上也有人曾經(jīng)驗(yàn)證過MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[21-23],取得了良好的效果,證明了該數(shù)據(jù)在黃土高原地區(qū)具有很高的可信度。

本研究目的是確定不同降水條件下不同植被類型的水量平衡狀態(tài),利用MODIS數(shù)據(jù)中的蒸散數(shù)據(jù),通過回歸分析和t檢驗(yàn)等方法,從以下幾個(gè)方面展開研究:(1)2000～2014年黃土高原蒸散和水量平衡的氣候影響因子以及時(shí)空變化的規(guī)律;(2)比較分析不同氣候分區(qū)下的林地、草地和農(nóng)田的蒸散;(3)比較分析不同氣候分區(qū)下的林地、草地和農(nóng)田的水量平衡狀況，以期為黃土高原植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境改善提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

中國黃土高原區(qū)域(100°54′～114°33′E,33°43′～41°16′N,海拔94～4 945 m)跨河南、寧夏、青海、甘肅、陜西、山西和內(nèi)蒙古省區(qū),總面積為64.87×104km2[1](圖1)。黃土高原地區(qū)降雨總量相對(duì)較少,季節(jié)分配不均,年總降水量115.7～1 279.8 mm,年降雨從東南至西北遞減[11]。2009年～2014年降雨量下降了29.1 mm,而溫度上升了1.19℃[24],整體呈現(xiàn)暖干的趨勢(shì)。黃土高原地區(qū)主要土地利用類型為林地、草地、農(nóng)田和裸地[25]。地貌類型包括風(fēng)沙區(qū)、高原溝壑區(qū)和丘陵區(qū)等。植被地帶性分布明顯。除了少數(shù)石質(zhì)區(qū)以外,土壤類型以黃土為主,土質(zhì)結(jié)構(gòu)十分疏散,黏性很差,最厚達(dá)150～180 m,是世界上水土流失的重災(zāi)點(diǎn)之一[26]。

Fig.1 Geographic position and altitude of the Loess Plateau圖1 黃土高原區(qū)域位置及海拔

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

NASA數(shù)據(jù)中心的MODIS數(shù)據(jù)即中分辨率成像光譜儀數(shù)據(jù),可從網(wǎng)址(https:∥wist.echo.nasa.gov)下載。本文利用的MODIS產(chǎn)品的年際蒸散數(shù)據(jù)(MOD16A3),選擇年份為2000年到2014年。數(shù)據(jù)需利用MRT(MODIS Reprojection Tool)軟件進(jìn)行提取波段、拼接和定義坐標(biāo)等,然后利用ENVI等軟件經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換、重投影、改變分辨率并經(jīng)過重新計(jì)算方可使用(見圖2)。所有數(shù)據(jù)采用Universal Transverse Mercator (UTM)投影,WGS-1984坐標(biāo)系統(tǒng);空間分辨率為1 000 m。MOD16數(shù)據(jù)集中存在水體、永久水體(雪、冰川、濕地)等區(qū)域均為無數(shù)據(jù)的情況,參考土地利用圖并結(jié)合實(shí)際植被覆蓋情況,黃土高原地區(qū)無數(shù)據(jù)的地區(qū)較少,對(duì)于分析年際尺度動(dòng)態(tài)變化沒有影響,所以做無數(shù)據(jù)處理。

Fig.2 Technological roadmap圖2 技術(shù)路線圖

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)

從國家氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)獲得研究區(qū)內(nèi)共214個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。每日氣象數(shù)據(jù)主要使用日平均氣壓、日平均溫度、日降水量和日照時(shí)數(shù)。利用ArcGIS 的空間分析模塊按克里金法進(jìn)行插值得到覆蓋研究區(qū)的1 000 m分辨率的網(wǎng)格狀氣象數(shù)據(jù)。配合MODIS數(shù)據(jù),所有氣象數(shù)據(jù)需經(jīng)運(yùn)算得到年際尺度氣象數(shù)據(jù)。

1.2.3 土地利用

土地利用圖(圖3)來自于中科院地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn),總共3期,分別為2000年、2005年和2010年。黃土高原研究區(qū)域主要的植被類型分別為林地(forest,F)、草地(grassland,G)和農(nóng)田(cropland,C);裸地(bareland,B)地類由于MOD16數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)缺失僅作為基礎(chǔ)對(duì)照出現(xiàn),并不參與分析。

Fig.3 Main land use types in the Loess Plateau圖3 黃土高原土地利用圖

1.3 研究方法

1.3.1 年際變化率

為了更好地研究15 a期間黃土高原地區(qū)蒸散量的時(shí)間變化特征,用線性回歸模型計(jì)算每年的線性變化趨勢(shì)(S):

(1)

其中,n為蒸散數(shù)據(jù)年序列年數(shù);i為某一年具體計(jì)算年份;ETi為某一年MODIS數(shù)據(jù)計(jì)算得到的蒸散量。

蒸散與降雨相關(guān)系數(shù)的顯著性采用t檢驗(yàn)法。

1.3.2 水量平衡數(shù)據(jù)

水量平衡的公式為:

(2)

其中,P為降水;Q為徑流,包括地表徑流和地下徑流;ΔS為儲(chǔ)存水的動(dòng)態(tài)變化,在年尺度或多年尺度時(shí)可以忽略[15-16]。則公式(2)可以變形為:

(3)

(4)

(5)

由于干旱半干旱地區(qū)的地域特殊性,并且大尺度上徑流數(shù)據(jù)難以獲得,本文忽略徑流部分,所以水量平衡公式變形為:

(6)

水量平衡的比值不為1。

2 結(jié)果

2.1 黃土高原地區(qū)蒸散和水量平衡的時(shí)空變化

2.1.1 四個(gè)氣候分區(qū)下的水量平衡和蒸散的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

降水和溫度都是黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境的限制因子[27]。為了比較分析兩個(gè)氣候因素對(duì)黃土高原地區(qū)植被的影響,參考前人研究對(duì)溫度和降水梯度的劃分[8，11,24,28],根據(jù)半干旱、半濕潤地區(qū)劃分時(shí)所用的降雨梯度和溫暖年、寒冷年劃分時(shí)的溫度梯度并結(jié)合氣候數(shù)據(jù),將2000年～2014年這15 a的平均溫度分為低溫(8℃以下,L)和高溫(8℃以上,H)區(qū)域,降雨分為少雨(400 mm以下,F)和多雨區(qū)域(400 mm以上,M),從而得到黃土高原地區(qū)的4個(gè)氣候區(qū)域(圖4):FL少雨低溫區(qū)域;ML多雨低溫區(qū)域;FH少雨高溫區(qū)域;MH多雨高溫區(qū)域。

Fig.4 Area of classification of precipitation and temperature in the Loess Plateau圖4 黃土高原地區(qū)降水和溫度分級(jí)區(qū)域

圖5展示了氣候、蒸散和水量平衡15 a的變化趨勢(shì)。15 a降水年平均值范圍為109 mm～283 mm，其中2003年降水量最多,2011年最少。15 a溫度平均值范圍為6.29℃～7.77℃;其中2006年溫度最高,2012年出現(xiàn)15 a最低溫。這與李志[11]、盧愛剛[29]等人的研究結(jié)果相似。

黃土高原區(qū)域的蒸散整體波動(dòng)明顯,但上升不顯著(R2=0.012,p>0.05)。2003年的蒸散出現(xiàn)最大值,2006年出現(xiàn)最小值;蒸散強(qiáng)度為ETMH>ETML>ETFH>ETFL,四個(gè)氣候分區(qū)整體趨勢(shì)相似;2003年四個(gè)氣候分區(qū)的蒸散都出現(xiàn)最大值。從四個(gè)氣候分區(qū)來看,FL氣候區(qū)的蒸散范圍為188～248 mm,2006年出現(xiàn)明顯波谷,最大值出現(xiàn)在2003年;ML的蒸散范圍為313～415 mm,最大值出現(xiàn)在2003年,最小值出現(xiàn)在2001年;FH的蒸散范圍為200～225 mm,2006年出現(xiàn)波谷,最大值出現(xiàn)在2003年,15 a整體波動(dòng)平穩(wěn);MH中的蒸散范圍為319～428 mm,最大值出現(xiàn)在2003年,最小值出現(xiàn)在2001年。

水量平衡和蒸散的趨勢(shì)表現(xiàn)出明顯的不同。整體來說,P/ET的變化趨勢(shì)基本與降水一致,但氣候區(qū)的水量平衡值的量級(jí)與蒸散和降水正好相反:P/ETFL>P/ETML>P/ETMH>P/ETFH。對(duì)比少雨的兩個(gè)氣候區(qū),降水偏少,蒸散整體量級(jí)偏小,水量平衡除干旱年外的其他年份基本都大于1,并且高溫少雨(FH)的降水除個(gè)別年份外都比低溫少雨的降水稍低,但蒸散正好相反,而P/ET則又與降水一致;但2001、2007、2009和2011年與其他年份不同:PFH>PFL,ETFHP/ETFL。比較多雨的兩個(gè)氣候區(qū),降雨偏多,蒸散也隨之增大,水量平衡基本都小于1,高溫多雨(MH)的降水除個(gè)別年份外都比低溫多雨(ML)的降水稍高,蒸散與降水的趨勢(shì)一致,水量平衡的趨勢(shì)與降水和蒸散的趨勢(shì)一致;2004、2006、2008和2012年出現(xiàn)區(qū)別:PML>PMH,ETMLP/ETMH。

Fig.5 Comparison of precipitation, temperature, evapotranspiration and water balance under different climatic area (FL、FH、ML、MH)in the Loess Plateau from 2000 to 2014圖5 2000～2014年黃土高原不同氣候分區(qū)下的降水、溫度、蒸散和水量平衡比較

2.1.2 水量平衡和蒸散量的空間變化特征

黃土高原地區(qū)15 a的蒸散量地域分布存在顯著差別,ET的整體分布情況為西北低、東南高(圖6a),與賀添[19]、王鵬濤[22]等人的研究結(jié)果一致。從省級(jí)區(qū)域來說,山西全境都屬于蒸散較高的區(qū)域,高值集中于中南部山區(qū),但北部蒸散值偏低;陜西北部蒸散偏低,中部峽谷處偏高,南部居中;甘肅西北部處于低值地帶,東南部處于高值地帶;而青海則正好相反,但是青海整體蒸散居中,沒有明顯的高值區(qū)域和低值區(qū)域;內(nèi)蒙古和寧夏全境蒸散都較低。但從5a間隔來看,高、低值區(qū)域的變化有較大差異,高值區(qū)域明顯向西北方向擴(kuò)大,同時(shí)東部和南部的高值區(qū)域有減弱的趨勢(shì)。

從15 a平均水量平衡(圖6b)來看,高值區(qū)域主要分布于黃土高原中部偏北區(qū)域,集中于內(nèi)蒙古東部，山西西北部和陜西北部，而低值區(qū)域主要分布于蒸散較高的山脈區(qū)域。從5 a平均水量平衡來看,水量平衡高值和低值區(qū)域都逐步縮小,中值區(qū)域逐步擴(kuò)大。

Fig.6 Spatial distribution of the mean ET (a) and water balance(b) in the Loess Plateau from 2000 to 2014圖6 黃土高原2000～2014年平均蒸散量(a)和水量平衡(b)的空間分布

2.1.3 三種植被類型下的蒸散的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

蒸散強(qiáng)度方面:ETf>ETc>ETg,ETMH>ETML>ETFH>ETFL(圖7)。農(nóng)田蒸散強(qiáng)度比草地稍高,而二者趨勢(shì)相似;氣候區(qū)ML和MH整體二者差距顯著(p<0.05),2000年相差較大,2001年到2010年趨勢(shì)的差距相近而后差距越來越大,2010年后差距逐漸減小,年際波動(dòng)明顯;氣候區(qū)FH和FL趨勢(shì)年際波動(dòng)也明顯,二者差距不顯著(p>0.05),2001年到2010年稍有差距,其他年份差距不明顯。林地蒸散在四個(gè)氣候區(qū)強(qiáng)度分化明顯,和農(nóng)田、草地有所區(qū)別,FH和FL整體二者差異顯著(p<0.05),趨勢(shì)在2000年差距不大而后差距加大;氣候區(qū)MH和ML的趨勢(shì)年際波動(dòng)明顯,二者差異顯著(p<0.05),差距從2003年之后越來越小,在2012年后又增加。

Fig.7 Tends of evapotranspiration of four land-use types (forest,grassland,cropland and bareland) under different climatic areas (FL,ML,FH and MH) in the Loess Plateau from 2000 to 2014圖7 黃土高原四種地類在不同氣候分區(qū)下15 a的變化趨勢(shì)

2.2 各植被類型水量平衡的比較

水量平衡(P/ET)在四種氣候分區(qū)下和三種植被類型的情況有所差異(圖8)。整體來說,MH氣候區(qū)和ML氣候區(qū)降雨量級(jí)相似,FH區(qū)和FL區(qū)的降雨量級(jí)相似;MH氣候區(qū)蒸散大于其他氣候區(qū)(除裸地外),而FH氣候區(qū)蒸散最小;林地蒸散高于其他地類,草地蒸散最小。從地類來說,草地在MH、ML和FH分區(qū)中的降水都大于蒸散,FL氣候區(qū)蒸散和降水相差不多,但蒸散稍大于降雨;林地四個(gè)氣候分區(qū)的降雨均小于蒸散,MH氣候區(qū)的降雨和蒸散相差最大,其次是ML氣候區(qū);農(nóng)田在FL、FH和ML分區(qū)中的降水都大于蒸散,MH氣候區(qū)蒸散和降水差異較小,但蒸散稍大于降雨。

Fig.8 Comparison of evapotranspiration and precipitation of four land-use types (grassland, forest, cropland and bareland) under different climatic areas (FL,FH,ML,MH) in the Loess Plateau from 2000 to 2014圖8 黃土高原四種地類(草地、林地、農(nóng)田、裸地)降水和蒸散在不同氣候分區(qū)下的比較

圖9為四種地類的四種氣候分區(qū)下的降雨和蒸散的關(guān)系。可以看出,四個(gè)氣候區(qū)蒸散都隨著降雨的增加而增加,但當(dāng)降雨達(dá)到一定降雨閾值(下面簡稱為閾值)后,蒸散會(huì)明顯增加(下面簡稱為蒸散迅速上升點(diǎn)位)。林地?cái)?shù)據(jù)在同等降雨條件下,低溫氣候區(qū)和高溫氣候區(qū)對(duì)比,未達(dá)到降雨閾值時(shí)的ML(或FL)的蒸散增幅比MH(或FH)大,達(dá)到閾值后MH(或FH)的蒸散增幅比ML(或FL)大。多雨區(qū)域降雨閾值比少雨區(qū)域閾值高,蒸散開始迅速上升的點(diǎn)位多雨比少雨高;高溫區(qū)域閾值比低溫區(qū)域閾值稍高,蒸散開始迅速上升的點(diǎn)位高溫比低溫高。其中,多雨區(qū)域MH的降雨閾值大約為550 mm～600 mm,ET在閾值內(nèi)大約從750 mm左右迅速上升;ML的降雨閾值大約為500 mm～550 mm,ET從560 mm左右開始迅速上升;少雨區(qū)域FH的降雨閾值大約為370 mm～420 mm,ET最低值為450 mm;FL的降雨閾值大約為330 mm～370 mm,ET最低值為400 mm。農(nóng)田數(shù)據(jù)和草地?cái)?shù)據(jù)在各個(gè)氣候區(qū)中趨勢(shì)和強(qiáng)度相似,各個(gè)氣候區(qū)中農(nóng)田、草地趨勢(shì)都有交點(diǎn),在起始階段同等降雨條件下草地比農(nóng)田的蒸散增幅大,交點(diǎn)之后農(nóng)田比草地的蒸散增幅大。在FL氣候區(qū)中,草地降雨閾值大約為280 mm～320 mm,ET最低值大約為200 mm,農(nóng)田降雨閾值大約為300 mm～350 mm,ET最低值大約為200 mm;在FH氣候區(qū)中,草地降雨閾值大約為300 mm～360 mm,ET最低值大約為250 mm,農(nóng)田降雨閾值大約為300 mm～360 mm,ET最低值大約為320 mm;在ML氣候區(qū)中,草地降雨閾值大約為440 mm～480 mm,ET最低值大約為420 mm,農(nóng)田降雨閾值大約為450 mm～480 mm,ET最低值大約為420 mm;在MH氣候區(qū)中,草地降雨閾值大約為460 mm～500 mm,ET最低值大約為550 mm,農(nóng)田降雨閾值大約為480 mm～500 mm,ET最低值大約為550 mm。農(nóng)田降雨閾值比草地稍高,蒸散迅速增加范圍除FH氣候區(qū)外和草地相似。

3 討論和結(jié)論

蒸散是影響水量平衡的重要因素。從黃土高原15 a的動(dòng)態(tài)來看,蒸散趨勢(shì)基本和降水趨勢(shì)吻合,不同氣候區(qū)域蒸散有顯著差異,在多雨高溫區(qū)域蒸散大,多雨低溫區(qū)域其次,少雨高溫區(qū)域再次,少雨低溫區(qū)域蒸散最小(圖5),這表明在干旱半干旱地區(qū)降水是蒸散的主要限制因子[1],溫度是影響蒸散的重要因子[11]。因蒸散主要受降雨影響,并且也因?yàn)楸旧肀戎倒降奶卣鱗30],所以水量平衡的主要影響因子為降雨。15 a水量平衡的趨勢(shì)因?yàn)槭艿浇邓驼羯⒌碾p重影響,在不同的氣候區(qū)域中差別極大。從地理位置來看,參照土地利用圖(圖3),蒸散高值區(qū)域大部分分布在森林集中的區(qū)域,而低值區(qū)域大部分集中于草地和裸地(圖6),說明植被類型對(duì)黃土高原區(qū)域蒸散分布有明顯的影響[31]。受到降水和蒸散的雙重影響,水量平衡的分布充分地體現(xiàn)了兩種因子的特點(diǎn),西北地區(qū)的降水和蒸散都最低,反而使得西北部出現(xiàn)了中值區(qū)域,并隨著蒸散的變化趨勢(shì)出現(xiàn)了中值區(qū)域逐步擴(kuò)大的現(xiàn)象;水量平衡最小值區(qū)域?yàn)閮?nèi)蒙古和寧夏的農(nóng)田,這可能是因?yàn)樵搮^(qū)域處于低溫少雨的區(qū)域,本身降雨偏少,又是蒸散偏大的農(nóng)田地類,這有可能無形中增加了水量的壓力,最終導(dǎo)致該區(qū)域水量平衡偏小。

對(duì)于四種氣候區(qū)域來說(圖7,8),適量的高溫和多雨條件都能促進(jìn)蒸散的增長；同時(shí),不同的植被類型具有不同的蒸散趨勢(shì)[32],導(dǎo)致了不同的水量平衡。林地對(duì)蒸散的貢獻(xiàn)最大，農(nóng)田和草地變化的趨勢(shì)基本與林地一致(圖7),這與郭瑞萍[33]的研究結(jié)果一致，這是因?yàn)檎羯⒂芍参镎趄v和土壤蒸發(fā)組成[34],林地、農(nóng)田和草地的地面都有植被覆蓋,比較來說植物耗水程度的大小依次為樹木>農(nóng)作物>草本,植物蒸騰大小也依次為林地>農(nóng)田>草地。農(nóng)田土壤經(jīng)過人為的耕作使土壤結(jié)構(gòu)松散粗糙,與太陽輻射有更大的接觸面積,從而導(dǎo)致土壤蒸散加大[35]，而且為了更好地提高經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)量,農(nóng)田的水分來源除了降水還有人工灌溉[36-37]。所以農(nóng)田地類的蒸散在降雨逐漸增加的前期階段會(huì)出現(xiàn)比草地高的情況(圖8,9),這與Sun等[37]研究結(jié)果一致。多雨和少雨對(duì)蒸散的強(qiáng)度分化起到至關(guān)重要的作用,但是農(nóng)田和草地少雨區(qū)的高溫和低溫差異不顯著,這說明農(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)受降雨的影響程度比林地大(圖8)。如果出現(xiàn)干旱年降雨較少的情況,森林受到的威脅可能小于農(nóng)田和草地。

因?yàn)榈厣系叵聫搅?P/ET并不是絕對(duì)平衡。蒸散隨著降雨增加而緩慢增加,但降雨達(dá)到閾值時(shí),蒸散出現(xiàn)迅速的增加(圖9)。林地對(duì)降水的需求比其他植被類型更明顯,相對(duì)應(yīng)的蒸散迅速增加的點(diǎn)位也較高,整體達(dá)到水量平衡狀態(tài)緩沖的階段也相對(duì)更長。樹木的蒸騰導(dǎo)致了林地蒸散比其他植被更大,但樹木的固碳能力比其他地類的植物更強(qiáng),這有利于整個(gè)生態(tài)循環(huán)的良性發(fā)展。相對(duì)于農(nóng)田,草地的土壤質(zhì)地疏松、容重小、孔隙度大、通氣性好,能更好地儲(chǔ)存水分[38-39],而且草地的降水基本大于蒸散(圖8),這為土壤蓄積水分提供了有利條件。在降水達(dá)到閾值時(shí),草地的蒸散小于林地蒸散,所以對(duì)于降水較少、生態(tài)環(huán)境較為脆弱的地區(qū)進(jìn)行改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、增加植被覆蓋的工程(例如退耕還林工程),可先進(jìn)行草本植物的恢復(fù),改善土壤質(zhì)量和水量平衡之后再進(jìn)行林地的轉(zhuǎn)化,成功率可能會(huì)更高。

在干旱半干旱地區(qū),影響蒸散的主要?dú)夂蛞蜃邮墙涤辍．?dāng)降雨達(dá)到閾值后,蒸散受降雨影響的程度下降,氣溫等其他因素的影響程度上升,蒸散增加的速度加快,在同等降雨的條件下其他因素的劇烈變化也會(huì)造成蒸散較大的增幅。各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到降水閾值后,如果植物的正常生理蒸散遠(yuǎn)超過該區(qū)域的蒸散迅速增加位點(diǎn)時(shí),這可能就會(huì)消耗掉生態(tài)系統(tǒng)中除降雨外的其他水分,例如地下水[8]或是春夏季的積雪融水[35]等,這也有可能使本來就有限的水資源出現(xiàn)持續(xù)的危機(jī)[24],進(jìn)入惡性循環(huán)。因此,在生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū),選擇植被恢復(fù)工作的實(shí)施、方式和植物種類時(shí),需要慎重地考慮降水、蒸散和水量平衡等因素,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性用水。

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Study of Water Balance in the Loess Plateau of China

PEI Jie1，ZHAO Fangyuan2，DONG Gang1,3*，XU Qiaofeng4

(1.InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China；2.Instituteofappliedecology,Chineseacademyofsciences,Shenyang110016,China；3.SchoolofLifeScience,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China；4.Forestryvocationalandtechnicalcollege,Taiyuan030009,China)

In the Loess Plateau, water is the main factor limiting plant growth, productivity and distribution of vegetation is strongly related to the water balance. This study studies the water balance of different ecosystems using evapotranspiration and climate variables (precipitation and temperature) by the linear regression andt-test. Results showed that (1) evapotranspiration experienced fluctuation but a not notably rise (p>0.05) in the past 15 years (2000～2014) and precipitation is a key factor than temperature. Besides, evapotranspiration was greater in rainy area than dry area, higher temperature area than lower temperature area. The ratio of precipitation and evapotranspiration varies with the changing of precipitation. Areas with higher or lower ratio are decreasing, while areas with medium ratio are expanding. (2) Evapotranspiration of different vegetation types followed the descending order of forest, cropland and grassland, with grassland and cropland showing larger variation and vulnerability. (3) Water balance was a relative ratio of P andETrather than absolute ratio. The evapotranspiration increases with precipitation in different ecosystem, but evapotranspiration continues to rise even precipitation has reached a certain threshold.

water balance；precipitation；evapotranspiration；MODIS；Loess Plateau

山西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)40(1)：187-194，2017JournalofShanxiUniversity(Nat．Sci．Ed．)

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.01.024

2016-09-03；

2016-10-28

山西省自然科學(xué)基金(113626901034)；中國清潔發(fā)展機(jī)制贈(zèng)款項(xiàng)目(113023901040)

裴婕(1989-),山西呂梁人,碩士研究生,主要研究碳水循環(huán)和植被恢復(fù)的關(guān)系。E-mail:pjsxdx@126.com

*通信作者：董剛(DONG Gang),E-mail: dongg@sxu.edu.cn

S16；Q143

A

0253-2395(2017)01-0175-12