黃土高原不同降雨年型喬、灌木蒸散特征與影響因素

張 瑜，黃明斌，2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100）

蒸散（evapotranspiration，ET）由地表蒸發(fā)、植物蒸騰組成，在全球氣候變化的認(rèn)識(shí)與研究中，因其在土壤—植物—大氣系統(tǒng)中的重要紐帶作用而受到高度關(guān)注。生態(tài)系統(tǒng)蒸散與植被生長(zhǎng)密切相關(guān)，是影響水循環(huán)的關(guān)鍵因素［1］，每年通過(guò)蒸散進(jìn)入大氣的水分約占全年平均降水量的70%左右［2］。蒸散是地表水量平衡計(jì)算、干旱監(jiān)測(cè)及植物生長(zhǎng)模擬中的一個(gè)關(guān)鍵變量［3］，是水、能量與碳循環(huán)的核心。黃土高原位于干旱、半干旱地區(qū)，該區(qū)降水量年際變化很大，年降水相對(duì)變率一般在15%～36%［4］。黃土高原旱澇規(guī)律分析表明，黃土高原干旱問(wèn)題突出，而且經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)少雨年［5］，水資源匱乏是影響該地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的根本原因。植被類型不同，對(duì)水資源需求與響應(yīng)的機(jī)理有差異，因此，研究黃土高原地區(qū)不同降雨年型、不同植被類型實(shí)際蒸散的差異及其影響因素，對(duì)于了解該區(qū)植被空間分布特征，合理布局植被類型具有重要作用，進(jìn)而指導(dǎo)黃土高原植被恢復(fù)與重建。

目前已有一些關(guān)于黃土高原地區(qū)蒸散的研究成果［6－8］，但這些研究多是對(duì)潛在蒸散變化及其影響因子的分析，由于影響水量平衡的因子是實(shí)際蒸散，而非潛在蒸散。因此，為更準(zhǔn)確地掌握黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)需水與耗水狀況，僅對(duì)潛在蒸散分析還不夠，需要對(duì)實(shí)際蒸散的變化及其影響因素進(jìn)行分析。本研究通過(guò)分析黃土高原地區(qū)不同降雨年型喬、灌木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散的變化及其空間分布特征，利用修正Penman公式計(jì)算潛在蒸散量，水量平衡公式計(jì)算實(shí)際蒸散量，并考慮土壤前期儲(chǔ)水狀況，分析不同降雨年型喬、灌木實(shí)際蒸散的差異及其影響因素，研究結(jié)果對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)黃土高原不同植被類型的耗水特征及水分循環(huán)規(guī)律具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原地區(qū)指日月山、賀蘭山以東，太行山以西，秦嶺以北，陰山以南的地區(qū)，位于東經(jīng)101°00′—114°33′，北緯34°00′—45°05′，面積6.24×105km2。該區(qū)具有典型的大陸季風(fēng)氣候特征，年降水量變化在200～700mm，且雨季集中于6—9月（占全年降水量的55%～78%），年變率大，氣候干燥。該地區(qū)地下水埋藏很深，多在50～60m，年總輻射量為502～670kJ／cm2，年平均氣溫3.6～14.3℃，年蒸發(fā)量為1400 ～2000 mm［9］。

黃土高原地區(qū)由東南向西北依次為暖溫性森林地帶，暖溫性森林草原地帶，暖溫性典型草原地帶和暖溫性荒漠草原地帶。在不同地帶依次分布著喬木林，喬灌混交林，灌木林和灌木草原等植被類型［10］。土壤屬壤質(zhì)土類型，輕—中壤質(zhì)土占全部面積約90%，土壤質(zhì)地分布有明顯的地帶性，由東南向西北依次分布有重壤土，中壤土，輕壤土和沙土［11］。該區(qū)地貌類型復(fù)雜多樣，主要有丘陵、階地、塬、平原、土石山地等［12］。

1.2 研究方法

本研究利用2010—2011年喬、灌木生長(zhǎng)季觀測(cè)資料。觀測(cè)期間降水年際變化較大，與多年平均降水量（1950—2012年）對(duì)比，2010年屬豐水年份，2011年屬干旱年份。所有測(cè)定主要集中在黃土高原喬、灌木過(guò)渡帶，2010年研究點(diǎn)主要位于黃土高原東部地區(qū)，沿南北走向分布，喬木的測(cè)定點(diǎn)為黃陵、富縣、吉縣、清澗、離石、米脂、興縣7個(gè)點(diǎn)，灌木的測(cè)定點(diǎn)為清澗、離石、榆林、神木、五寨、準(zhǔn)格爾旗、和林格爾7個(gè)點(diǎn)。2011年研究點(diǎn)主要位于黃土高原西部地區(qū)，沿東西走向分布，其中，喬木測(cè)定點(diǎn)為環(huán)縣、固原、海原、西吉、通渭、定西、榆中、臨洮、湟中、大通10個(gè)點(diǎn)，灌木測(cè)定點(diǎn)為環(huán)縣、海原、西吉、通渭、榆中、民和、湟中和大通縣8個(gè)點(diǎn)。

兩種植被類型均采用人工土鉆取土烘干法測(cè)定土壤含水量，分別于生長(zhǎng)季初（5月）、末（10月）各測(cè)定1次，兩次重復(fù)取平均值。測(cè)定深度均為0—500 cm，其中0—100cm土層每隔10cm測(cè)定含水量，而100—500cm土層每隔20cm測(cè)定含水量。土壤容重測(cè)定分3層:0—30cm，30—60cm和大于60cm。土壤剖面總貯水量計(jì)算公式為:

式中:S——土壤0—500cm 剖面總貯水量（mm）；θ——測(cè)定點(diǎn)土壤體積含水量（cm3／cm3）；h——土層深度（mm）；i——土壤剖面測(cè)定點(diǎn)。

忽略深層滲漏與毛管上升水，生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量采用水量平衡方程計(jì)算:

式中:ET——生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量（mm）；P——生長(zhǎng)季降水量（mm）；R——生長(zhǎng)季降雨產(chǎn)流量，由于所有測(cè)點(diǎn)均在坡面水平溝地（水土保持措施），全部降雨可就地入滲，降水徑流可忽略；S初，S末——生長(zhǎng)季初和生長(zhǎng)季末土壤0—500cm剖面總儲(chǔ)水量（mm）。

潛在蒸散量ET0采用FAO－56推薦的Penman—Monteith公式計(jì)算［13］。本研究中所用資料來(lái)源于2010—2011年中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的逐日氣象資料，包括最高氣溫、最低氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)及降水量，生長(zhǎng)季ET0累積值由逐日的ET0值統(tǒng)計(jì)而來(lái)。部分試驗(yàn)點(diǎn)的降水和蒸發(fā)資料取自《黃河流域水文資料》。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

數(shù)據(jù)分析中，采用Excel計(jì)算ET和ET0，利用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，采用Pearson相關(guān)分析方法，揭示不同降雨年型，喬、灌木實(shí)際蒸散量與降水量、潛在蒸散量以及土壤前期儲(chǔ)水量之間的相互關(guān)系。利用SAS 8.1統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行多元回歸分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同降雨年型黃土高原喬灌木蒸散特征

表1為不同降雨年型喬、灌木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征。2010年（豐水年）喬木與灌木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量分別介于203.8～390.6mm和133.2～415.6mm之間，最大值均出現(xiàn)在山西省離石地區(qū)；喬木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量最小值出現(xiàn)在陜西省米脂地區(qū)，灌木最小值則出現(xiàn)在陜西省神木地區(qū)。喬木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量平均為292.0mm，變異系數(shù)為20.0%；灌木平均為230.1mm，變異系數(shù)為41.1%。2011年（干旱年）喬木與灌木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量分別介于188.7～473.6mm和167.8～394.6mm之間，最大值均出現(xiàn)在青海省大通地區(qū)，喬木實(shí)際蒸散量最小值出現(xiàn)在甘肅省環(huán)縣，灌木最小值則出現(xiàn)在青海省民和地區(qū)。喬木生長(zhǎng)季平均實(shí)際蒸散量為332.1mm，變異系數(shù)為25.3%；灌木平均為298.7mm，變異系數(shù)為29.1%。由此可見(jiàn)，無(wú)論是豐水年還是干旱年，喬木生長(zhǎng)季平均實(shí)際蒸散量均比灌木蒸散量高，且喬木實(shí)際蒸散量的變異系數(shù)較灌木低。兩種植被類型生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量在空間分布上都沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，這可能是因?yàn)闇y(cè)定范圍有限，不能反映黃土高原水、熱空間分布規(guī)律。

表1 研究區(qū)不同降雨年型喬、灌木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

2.2 喬灌木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量與降水量的關(guān)系

通常，實(shí)際蒸散量與降水量的比值（ET／P）是區(qū)域水分盈虧的體現(xiàn)，也在一定程度上反映生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，豐水年喬木實(shí)際蒸散量占同期降水量的59%～77%，灌木實(shí)際蒸散量占同期降水量的38%～82%。在豐水年，兩種植被類型生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量均小于同期降水量，說(shuō)明在植被生長(zhǎng)發(fā)育階段降水總量足以滿足蒸散的需求，生長(zhǎng)季末土壤剖面儲(chǔ)水量顯著增加。干旱年，兩種植被類型生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量均大于同期降水量，喬木實(shí)際蒸散量占同期降水量的108%～193%，灌木實(shí)際蒸散量占同期降水量的107%～217%，說(shuō)明干旱年生長(zhǎng)季降水量不足以滿足植被蒸散的需求，土壤蒸發(fā)和植物蒸騰將消耗土壤前期儲(chǔ)水，使土壤含水量減少，土壤水分出現(xiàn)虧缺。

根據(jù)對(duì)兩種植被類型生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量與降水量變化特征分析可知，無(wú)論是豐水年還是干旱年，隨著生長(zhǎng)季降水量的增加，實(shí)際蒸散量也增大。為進(jìn)一步評(píng)估降水變化對(duì)實(shí)際蒸散的影響，對(duì)不同降雨年型兩種植被類型生長(zhǎng)季降水量與實(shí)際蒸散量進(jìn)行了相關(guān)分析（圖1）。豐水年，喬木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量與同期降水量相關(guān)系數(shù)為0.907（p＜0.01），灌木為0.870（p＜0.05）；干旱年，喬木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量與同期降水量相關(guān)系數(shù)為0.786（p＜0.01），灌木為0.834（p＜0.05）。結(jié)果表明，無(wú)論是豐水年還是干旱年，兩種植被類型生長(zhǎng)季累積蒸散量與同期累積降水量均呈顯著線性相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明生育期降水量是該區(qū)植被生長(zhǎng)的主要水分來(lái)源，對(duì)植被可持續(xù)生長(zhǎng)具有決定性作用。

圖1 研究區(qū)喬、灌木生長(zhǎng)季蒸散量與降水量變化關(guān)系

王新平［14］等人在寧夏自治區(qū)沙坡頭地區(qū)利用lysimeter試驗(yàn)結(jié)果表明，生長(zhǎng)季灌叢累積蒸散量是同期累積降水量的函數(shù)。Liu等［15］研究發(fā)現(xiàn)，干旱半干旱地區(qū)毛烏素地區(qū)烏審縣的實(shí)際蒸散量與降水量的空間分布具有一致性，且二者具有較好的線性關(guān)系。Zhang［16］等分析了全球范圍的250個(gè)集水區(qū)域后發(fā)現(xiàn)，在一定的森林蓋度下，長(zhǎng)期的平均降水量與實(shí)際蒸散量之間有很好的相關(guān)關(guān)系，實(shí)際蒸散量隨著降水量的增加而增加。以上研究報(bào)道與本研究結(jié)果一致。

2.3 喬灌木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量與前期土壤儲(chǔ)水量的關(guān)系

在干旱和半干旱地區(qū)，植物生長(zhǎng)季耗水主要來(lái)源于生長(zhǎng)季的有效降水和土壤前期儲(chǔ)水量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，豐水年兩種植被類型土壤前期儲(chǔ)水量對(duì)生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量的影響均未達(dá)到0.05的統(tǒng)計(jì)顯著性，說(shuō)明豐水年生長(zhǎng)季降水量能滿足植被蒸散的需求，植被蒸散不受土壤水分限制，土壤前期儲(chǔ)水量不是影響植被實(shí)際蒸散的主要因素。

干旱年兩種植被類型生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量都隨土壤前期儲(chǔ)水量（5m）增加而增大，兩者呈線性相關(guān)關(guān)系（圖2）。

其中，喬木生長(zhǎng)季蒸散量與土壤前期儲(chǔ)水量相關(guān)系數(shù)為0.822（p＜0.01），灌木生長(zhǎng)季蒸散量與土壤前期儲(chǔ)水量相關(guān)系數(shù)為0.833（p＜0.05）。顯然，干旱年生長(zhǎng)季降水滿足不了植物耗水需求，其中不足部分由土壤前期儲(chǔ)水量提供。

圖2 研究區(qū)喬、灌木實(shí)際蒸散量與土壤前期儲(chǔ)水量變化關(guān)系

由于黃土高原經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)少雨年，干旱年喬、灌木蒸散需水量超過(guò)年降水量，植物蒸發(fā)蒸騰過(guò)量耗水造成植物根系作用范圍內(nèi)土壤水分長(zhǎng)時(shí)間虧缺，天然有效降水不能有效地予以補(bǔ)償，長(zhǎng)期下去，引起土壤含水量降低，形成干燥化土層。據(jù)調(diào)查，土壤干層普遍存在于黃土高原全區(qū)，無(wú)論是喬木還是灌草，土壤層中都常伴有干層形成。土壤干層的出現(xiàn)會(huì)造成樹(shù)干彎曲、樹(shù)冠分枝少和生長(zhǎng)緩慢等現(xiàn)象，黃土高原的“小老頭樹(shù)”就是典型的土壤干層發(fā)育的結(jié)果［17］。李巍等［18］研究發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)干旱的年份，土層較薄且儲(chǔ)水能力較低的半干旱地區(qū)，人工林會(huì)部分或大面積干枯死亡，而土層深厚且儲(chǔ)水能力較高的地區(qū)，人工林吸收深層土壤水分，大面積死亡的現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生。因此，在氣候波動(dòng)較大的干旱、半干旱地區(qū)，保持一定土壤儲(chǔ)水量對(duì)植物抵御氣候干旱，保持可持續(xù)生長(zhǎng)具有重要意義。

2.4 喬灌木生長(zhǎng)季蒸散量與潛在蒸散量的關(guān)系

不同降雨年型，兩種植被類型生長(zhǎng)季的實(shí)際蒸散量與潛在蒸散量的相關(guān)性不一致。豐水年，兩種植被類型實(shí)際蒸散量與潛在蒸散量均呈線性相關(guān)關(guān)系，實(shí)際蒸散量隨潛在蒸散量的增大而增加（圖3）。喬木實(shí)際蒸散量與潛在蒸散量相關(guān)系數(shù)為0.824，灌木實(shí)際蒸散量和潛在蒸散量相關(guān)系數(shù)為0.811，兩者均達(dá)到顯著水平（p＜0.05）。

而在干旱年，兩種植被類型實(shí)際蒸散量與潛在蒸散量相關(guān)系數(shù)均未通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。說(shuō)明在豐水年植被生長(zhǎng)季內(nèi)實(shí)際蒸散除受降水影響之外，還受大氣蒸發(fā)能力（潛在蒸散量）的影響；而干旱年，由于受有限水資源量的影響，大氣蒸發(fā)能力不是影響植被實(shí)際蒸散的主要因素。

圖3 研究區(qū)喬、灌木實(shí)際蒸散與潛在蒸散變化關(guān)系

通過(guò)以上對(duì)不同降雨年型喬、灌木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散影響因素分析，確定降水量、土壤前期儲(chǔ)水量和潛在蒸散量為植被蒸散的主要影響因子。為了提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，通過(guò)逐步回歸法進(jìn)行回歸分析，回歸分析結(jié)果詳見(jiàn)表2。

回歸的標(biāo)準(zhǔn)化估計(jì)（SE）用于評(píng)價(jià)影響因素對(duì)實(shí)際蒸散量的相對(duì)重要性。SE值越大說(shuō)明因素對(duì)植被實(shí)際蒸散的影響越大。

表2 不同降雨年型喬、灌木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量影響因素的多元線性回歸分析

逐步回歸分析結(jié)果表明，不同降雨年型，兩種植被類型最終進(jìn)入回歸模型的自變量不同，說(shuō)明在不同降雨年型，喬灌木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散受不同環(huán)境因子控制。豐水年，喬灌木降水的SE值均大于潛在蒸散量的SE值，說(shuō)明影響喬灌木實(shí)際蒸散的主要因素為降水，其次為潛在蒸散量。同時(shí)考慮降水和潛在蒸散的變異，喬木能解釋實(shí)際蒸散變異的91.6%（p＜0.01），比只考慮某一因素變異時(shí)分別高出9.4%和23.7%；灌木能解釋實(shí)際蒸散變異的87.9%（p＜0.01），比只考慮某一因素變異時(shí)分別高出12.1%和22.1%。這是由于豐水年水分豐富，生長(zhǎng)季降水量能滿足植被蒸散的需要，前期土壤儲(chǔ)水量對(duì)植物實(shí)際蒸散沒(méi)有影響，因此，潛在蒸散成為除降水外影響喬灌木實(shí)際蒸散的主要因素。干旱年，喬灌木前期土壤儲(chǔ)水量的SE值均大于降水的SE值，說(shuō)明影響喬灌木實(shí)際蒸散的主要因素為土壤前期儲(chǔ)水量，其次為降水。同時(shí)考慮降水和土壤前期儲(chǔ)水量的變異時(shí)，喬木可解釋實(shí)際蒸散變異的78.9%（p＜0.01），大于只考慮某一因素變異時(shí)的情況（分別高出17.1%和11.3%）；灌木可解釋實(shí)際蒸散變異的89.4%（p＜0.01），也大于只考慮某一因素變異時(shí)的情況（分別高出19.9%和20.0%）。這是由于干旱年植物生長(zhǎng)季降水量不能滿足植物耗水的需求，前期土壤儲(chǔ)水量部分被植物吸收利用，因此前期土壤儲(chǔ)水量影響喬灌木實(shí)際蒸散量。由于沒(méi)有足夠水分提供植物用水，潛在蒸散量對(duì)植被實(shí)際蒸散的影響很小，實(shí)際蒸散主要由供水條件（降水和土壤前期儲(chǔ)水量）決定。

3 結(jié)論

（1）黃土高原地區(qū)不同降雨年型，影響喬灌木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散的因素不同，但都與區(qū)域降水過(guò)程密切相關(guān)，兩種植被類型生長(zhǎng)季累積蒸散量均與同期累積降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明該地區(qū)植被生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散受降水影響強(qiáng)烈。

（2）通過(guò)逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，不同降雨年型，兩種植被類型實(shí)際蒸散的主要影響因素不同。豐水年，潛在蒸散量是除降水外影響喬灌木實(shí)際蒸散的主要因素；而干旱年影響喬灌木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散的主要因素為前期土壤儲(chǔ)水量，其次為降水。

（3）無(wú)論是豐水年還是干旱年，喬木生長(zhǎng)季實(shí)際蒸散量均高于灌木。因此，在黃土高原地區(qū)進(jìn)行植被建設(shè)應(yīng)考慮喬、灌木的適生區(qū)。

（4）由于資料限制本研究未考慮土壤質(zhì)地、地形和葉面積指數(shù)等因素對(duì)喬灌木實(shí)際蒸散的影響。黃土高原地形破碎，同一地區(qū)，由于坡向、坡度和坡位的差異，同一植物的實(shí)際蒸散量也可能存在較大變化；另外，同一植物類型，由于覆蓋度不同，實(shí)際蒸散量差別也很大。因此，下一步應(yīng)考慮土壤質(zhì)地、小地形和植被蓋度等因素對(duì)實(shí)際蒸散的影響，以便更準(zhǔn)確地分析不同植被類型實(shí)際蒸散的動(dòng)態(tài)變化特征。

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