太湖流域典型土地利用類型生態(tài)耗水分量的比較研究

呂 文, 楊桂山, 萬榮榮, 陶 宇

(1.中國科學(xué)院 南京地理與湖泊研究所 流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210008;2.江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局, 江蘇 蘇州 215006； 3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地管理學(xué)院， 江蘇 南京 210095)

截留、蒸散發(fā)是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的水文過程[1]，受到氣候和地表特征的共同影響，其中人類活動(dòng)引起的土地利用/覆被變化，改變了地表反照率、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、植被高度等因子，影響了冠層截留、蒸散發(fā)特征，改變了植被在水文過程中的調(diào)節(jié)作用[2]。太湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，土地利用變化劇烈，西部丘陵山區(qū)由于農(nóng)業(yè)綜合整治開發(fā)，大量次生林地轉(zhuǎn)為茶園，耕地面積年平均遞減率達(dá)1.8%，城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展過快，地面可滲透面積減少，流域產(chǎn)水量相應(yīng)增加[3]。城市化使得最大洪峰量和洪水總量增大，匯流時(shí)間變短，加劇了流域暴雨洪水，而森林有利于緩和暴雨洪水這一過程[4]。

為了了解土地利用變化對流域水文循環(huán)的影響，需研究土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部水分運(yùn)移過程的影響。本文利用土壤—水—大氣—植物整合模型(soil-water-atmosphere-plant, SWAP)模擬太湖流域竹林、茶園和耕地生態(tài)耗水過程，以期揭示土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)耗水的影響，為優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，提高流域生態(tài)系統(tǒng)水量調(diào)節(jié)能力提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

太湖流域位于中國長江三角洲南緣(119°11′—121°51′E，N30°28′—32°15′N)，處于北亞熱帶和中亞帶的過渡地帶，東臨大海，是東南季風(fēng)盛行區(qū)域。全區(qū)年均氣溫15.6℃，1月平均氣溫3.1 ℃，7月平均氣溫28.1 ℃；冬季極端最低氣溫全流域平均-11.6 ℃，夏季極端最高氣溫平均39 ℃。年均降雨量1 153.6 mm，年際變化較大，年內(nèi)分配不均勻，75%左右的降水集中在4—10月。流域20 m2蒸發(fā)池的年水面蒸發(fā)量800～1 100 mm。在太湖流域建立耕地、林地和園地3種典型土地利用類型水汽通量監(jiān)測區(qū)域。耕地監(jiān)測區(qū)位于太湖流域北部無錫市錫山區(qū)(120°33′E，31°39′N)，主要為稻麥/油輪作，小麥播種時(shí)間為12月初左右，5月底收割；水稻6月中旬移栽，約在11月底收割。林地監(jiān)測區(qū)位于流域西南部丘陵山地浙江省安吉縣(119°34′E，30°18′N)，以2～3年生竹為主，林下灌木草本少。園地監(jiān)測區(qū)位于宜興市西渚鎮(zhèn)(119°35′E，31°15′N)，屬于流域湖西分區(qū)低山丘陵地帶，以3,9和20 a植茶年齡為主，5月中旬采茶完進(jìn)行修剪。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 渦度相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng) 耕地開路式渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測塔高約7 m，在3.5 m高處迎著主風(fēng)向(SE)焊接一鐵臂，安置超聲風(fēng)速計(jì)CSAT3和CO2/H2O紅外氣體分析儀EC150(Campbell，USA)。在鐵臂的另一端，安置溫濕度傳感器HMP155 A(Vaisala，F(xiàn)inland)、輻射傳感器LP02(Hukseflux，Netherland)、翻斗式雨量筒TE525 MM(Texas Electronics，USA)分別測量氣溫、濕度、凈輻射和降水量。

竹林渦度監(jiān)測系統(tǒng)裝有一套開路渦度相關(guān)系統(tǒng)，安裝在17 m高度的觀測塔上，由三維超聲風(fēng)速儀CAST3(Cambell Inc., USA)和開路CO2/H2O分析儀Li-7500(LiCorInc., USA)組成。在1，5，17 m高度上分別裝有3層風(fēng)速(010C, metone, USA)和大氣溫濕度儀(HMP45 C, Vaisala, Feinland)。凈輻射儀(CNR4, Kipp & Zonen, Holland)安裝在17 m高塔上。

1.2.2 箱式法監(jiān)測系統(tǒng) 茶園和耕地水汽通量監(jiān)測究采用的是靜態(tài)箱/紅外氣體分析儀法，屬于閉路箱式法[5]。配套設(shè)施有1 m直徑，50+70 cm或70+80 cm的分段式有機(jī)玻璃材質(zhì)的明箱、頂部裝有2個(gè)小型風(fēng)扇、Li-840A紅外氣體分析儀(LiCorInc., USA)、抽氣泵和蓄電池等。由于氣體分析儀的抽氣采樣，可能導(dǎo)致閉路箱式系統(tǒng)氣體交換箱內(nèi)外壓力差，試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，將出氣口返回箱內(nèi)[6]。因?yàn)橄潴w內(nèi)植物葉片光合和蒸騰作用或者土壤呼吸作用將引起密封箱體內(nèi)的CO2和H2O濃度變化[7]，影響箱體的穩(wěn)定狀態(tài)，所以每次盡量減少箱體密閉時(shí)間，快速測定箱內(nèi)氣體濃度。

1.2.3 植被生態(tài)監(jiān)測 按照不同植被的生長階段，定期或關(guān)鍵生長期加密監(jiān)測葉面積指數(shù)(LAI)、作物高度(Hcrop)、根系深度(Droot)。耕地和茶園葉面積指數(shù)(LAI)使用美國LAI-2200植物冠層分析儀監(jiān)測。

茶園覆蓋度采用各隨機(jī)量取10對茶株行間距(L1，cm)和隴間距(L2，cm)，覆蓋度計(jì)算公式為：

(1)

1.3 渦度相關(guān)法與箱式法數(shù)據(jù)校正

將耕地小麥季監(jiān)測期內(nèi)3月25日至5月16日的不同時(shí)段，渦度相關(guān)法和靜態(tài)性/紅外氣體分析儀法監(jiān)測所獲得的所有2 h累計(jì)的蒸散量(mm/2 h)進(jìn)行擬合，根據(jù)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R值以及F值，選擇冪指數(shù)曲線模型，轉(zhuǎn)換計(jì)算箱式法監(jiān)測獲得的蒸散量，與渦度相關(guān)法的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析，兩者呈顯著相關(guān)性(0.749**)。

y=0.291x0.412(R2=0.61**)

(2)

1.4 SWAP模型

SWAP模型是微觀系統(tǒng)水分運(yùn)移模擬模型的典型代表，在世界不少地方取得了較好效果，受到了較廣泛接受和認(rèn)可，主要用于田間尺度下土壤—植物—大氣環(huán)境中水分運(yùn)動(dòng)、溶質(zhì)運(yùn)移、熱量傳輸及作物生長的模擬[8]。

1.4.1 模型輸入數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用2010年常州國家氣象臺(tái)站(119°59′E， 31°53′N)的日觀測資料，包括日均氣溫、最高氣溫、風(fēng)速、降雨量、日照時(shí)數(shù)以及實(shí)際水汽壓等。水稻和小麥兩種Ds(作物生長階段)按照作物生長日期定義為線性函數(shù)，作物出苗前一天定義為0，成熟期為2，其他數(shù)值依據(jù)作物生育期的時(shí)段在0～2之間插值計(jì)算。林地和茶園Ds依據(jù)年內(nèi)12個(gè)月，將1月設(shè)為0月，12月設(shè)定為2，其他月份在0～2之間插值計(jì)算得出。依據(jù)實(shí)際野外觀測資料和參考文獻(xiàn)，建立流域典型覆被類型，竹林、茶園、耕地稻/麥輪作3種類型的葉面積指數(shù)、植被高度和根系深度的關(guān)系表(表1—2)。

依據(jù)耕地實(shí)測土壤機(jī)械組成(表3)，林地[11]和園地[12]采用參考文獻(xiàn)中機(jī)械組成，經(jīng)過HYDRAUS-1 D模型計(jì)算獲得土壤特征水分曲線參數(shù)，飽和滲透系數(shù)和飽和含水量(表4)。其他參數(shù)引自SWAP3.2手冊附表[8]。由于耕地地下水位淺，約距地表60 cm處，水分在上下層之間交換較多，因此3種土地利用類型模擬時(shí)，下邊界均按照自由通量邊界處理。

表1 耕地稻/麥輪作作物生態(tài)參數(shù)

注：部分葉面積指數(shù)(LAI)引自冬小麥LAI變化過程[9]。Hcrop，Droot分別表示株高和根系深度。下同。

表2 竹林和茶園植被生態(tài)參數(shù)

注：竹林參數(shù)引自文獻(xiàn)[10]。

表3 典型土地利用類型土壤機(jī)械組成 %

表4 Mualem-van Genuchten模型參數(shù)

注：θres為殘余含水率;θsat為飽和含水率;Ksat為飽和導(dǎo)水率;a為與進(jìn)氣吸力有關(guān)的參數(shù);n為決定土壤水分特性曲線的形狀系數(shù)。

1.4.2 模型率定與驗(yàn)證 采用2012年4月和10月無錫市錫山碳水通量站和2011年10—11月安吉縣碳水通量站的氣象資料驅(qū)動(dòng)SWAP模型，獲得耕地麥季、稻季，以及林地的蒸散量。按照初始給定的模型參數(shù)作物阻力(rcrop)、反射系數(shù)αr、凈輻射在植被冠層中的消減系數(shù)Kgr、臨界壓力水頭h3，αr,α,λ,n帶入模型計(jì)算，將模擬蒸散量結(jié)果與實(shí)測值比較，調(diào)整參數(shù)，使得最大程度接近實(shí)測值，最終率定參數(shù)(表5)。利用研究資料對模型的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算模擬結(jié)果與監(jiān)測值間的相關(guān)系數(shù)(R2)和均方根預(yù)測誤差(RMSPE)，耕地麥季、稻季，林地和茶園ET的模擬結(jié)果較理想，其R2分別為0.89，0.75，0.71和0.81，RMSPE分別為0.42，0.58，0.13，1.00。模擬結(jié)果表明，SWAP模型率定參數(shù)后能夠呈現(xiàn)耕地稻/麥輪作、林地和茶園等太湖流域典型土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)耗水過程。

表5 模型率定參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 林地生態(tài)系統(tǒng)耗水及各分量變化

林地生態(tài)系統(tǒng)耗水量各分量變化區(qū)別較大(表6)，其中，植被蒸騰、蒸發(fā)和冠層截留依次為851.51，23.33，94.99 mm，植被蒸騰量占總耗水比例范圍為74.91%～97.40%，平均值為87.80%，在林地生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)水量過程中起著重要作用，蒸騰量并且這種作用在全年生態(tài)系統(tǒng)耗水中均能體現(xiàn)，而林內(nèi)土壤蒸發(fā)和截留分別僅占耗水的2.41%和9.79%。

據(jù)陳仁升等[13]基于水熱連續(xù)方程模擬青海云杉林截留、蒸騰和蒸發(fā)量分別為79.2，209.1和23.3 mm，從總量上來看，截留與蒸發(fā)與本文模擬的結(jié)果基本一致，但蒸騰量相差較大，可能與研究區(qū)域有關(guān)，青海云杉林降雨天數(shù)較大，葉片內(nèi)外的蒸汽壓差較小，并且植物氣孔開放程度受到影響，葉片蒸騰作用受到抑制。劉晨峰等[14]運(yùn)用渦度相關(guān)法、樹干液流、土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測北京生長季(5—10月)楊樹林，植物蒸騰量為281 mm，土壤蒸發(fā)為165 mm，截留量為46 mm，年降雨量為444 mm，并且在5—7月，蒸騰與蒸發(fā)量相當(dāng)，這與本文模擬的結(jié)果分別為581.78，9.49，61.68 mm相差較大，與田風(fēng)霞[15]研究結(jié)果認(rèn)為林地土壤蒸發(fā)占比很低的結(jié)論不一致，分析原因，可能是因?yàn)槿斯顦淞址N植密度2 m×2 m，年齡才3～4 a，多為培養(yǎng)5～6 a木材，因此樹林冠層還不夠厚實(shí)，棵間土壤接受到更多的凈輻射，并且據(jù)楊立文[16]通過對太行山側(cè)柏和油松林地土壤蒸發(fā)研究，發(fā)現(xiàn)林地枯枝落葉覆蓋下的土壤日蒸發(fā)量約是裸露土壤蒸發(fā)的1/4，而太湖流域的林地，枯枝落葉層厚，樹林冠層厚實(shí)，所以本文模擬的土壤蒸發(fā)量偏低。林地生態(tài)系統(tǒng)耗水量年內(nèi)變化呈現(xiàn)典型的單峰型，并且在5—9月，由于降雨充沛，竹林處于生長旺盛時(shí)期，形成一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)耗水量和蒸騰量的峰值平臺(tái)，平均值約為115.70，102.77 mm。林地的截留量7—9月均值為15.21 mm，因?yàn)榇藭r(shí)段林地LAI較大，并且降雨量豐富，所以略高于其他月份的均值5.48 mm，總體上，由于太湖流域雨熱同期，在降雨、氣溫都較高的季節(jié)，林地的耗水、蒸騰、截留量隨著冠層郁閉度和葉面積指數(shù)的增大而增加。

表6 林地生態(tài)系統(tǒng)耗水各分量月變化

2.2 園地生態(tài)系統(tǒng)耗水及各分量變化

從園地生態(tài)系統(tǒng)耗水各分量年總占比來看(表7)，茶株蒸騰(69.17%)和株間蒸發(fā)(25.69%)占據(jù)耗水的94.86%，蒸騰和棵間蒸發(fā)比大約為3∶1。據(jù)孟平等[17]采用熱擴(kuò)散式樹干邊材液流探針測定技術(shù)對太行山南麓的蘋果樹進(jìn)行蒸騰監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)全年蒸騰量約500～600 mm，與本文模擬的茶園蒸騰量(626.31 mm)結(jié)果一致。

據(jù)楊帆等[18]運(yùn)用大型非稱重式蒸滲儀對太行山低山區(qū)黃背草、荊條及其復(fù)合群落蒸發(fā)蒸騰進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在整個(gè)生長季植被群落蒸騰、蒸發(fā)比大約為4∶1，與本文的結(jié)果相近，相比林地蒸騰蒸發(fā)比43∶1要小很多，主要可能與林地、園地的葉面積指數(shù)大小以及林下或棵間覆蓋物有關(guān)。茶園生態(tài)系統(tǒng)耗水量變化范圍為43.49～106.43 mm，月均耗水量為75.45 mm。但蒸騰和蒸發(fā)在年內(nèi)變化不一致，土壤蒸發(fā)在7月出現(xiàn)一峰值41.53 mm，與占該月份耗水量的46.03%，此時(shí)氣溫和凈輻射均達(dá)到一年中的峰值，茶株由于修剪后枝葉還未恢復(fù)，株間接受的凈輻射大大增加，土壤蒸發(fā)增大；在茶株修剪后(5—9月)，由于降雨充沛，氣溫回升，雖然由于修剪葉面積指數(shù)大大下降，但是修剪左右刺激了茶株的生長，體內(nèi)新成代謝作用加強(qiáng)，消耗了大量水分，茶株蒸騰作用相比1—3月較強(qiáng)，也有待于茶株樹干莖流的監(jiān)測進(jìn)行驗(yàn)證。茶株即將被修剪前(2—4月)，枝葉最繁盛，此時(shí)段截留量占總耗水量的比例比其他月份相對較大，截留的這種季節(jié)變化特征也與茶園特有的人工修剪作用有密切關(guān)系。

表7 園地生態(tài)系統(tǒng)耗水及各分量月變化

2.3 耕地生態(tài)系統(tǒng)耗水及各分量比較

耕地由于稻/麥輪作方式，耗水呈現(xiàn)明顯的麥季(1—5月)和稻季(6—11月)2個(gè)時(shí)段特征，耗水總量分別為353.06 mm，429.51 mm，麥季略低于稻季總耗水，與郭瑞萍等[19]研究的農(nóng)田種植作物中，水稻蒸散耗水量最大，其次為小麥的研究結(jié)果一致，可能由于麥季總體氣溫較低以及水稻田由于淹水水分充足等因素有關(guān)。在耕地耗水各分量方面(表8)，作物蒸騰和棵間蒸發(fā)占據(jù)了耗水量的94.73%，分別為61.28%和33.45%，劉昌明等[20]研究的整個(gè)生育期小麥蒸騰與棵間蒸發(fā)比為7∶3，莫興國等[21]研究的小麥返青至乳熟期，蒸騰與棵間蒸發(fā)比為4∶1，前者與本文模擬的結(jié)果大約2∶1相近，后者比本文模擬的結(jié)果偏小，分析原因，他們的研究區(qū)域均在欒城試驗(yàn)站，消除了地域的差異，但由于所選擇的生育期間不同，劉昌明等分析的是全生育期，而莫興國分析的是返青至乳熟期，在冬小麥越冬期間，其可見蒸發(fā)占比相當(dāng)大，大約為73%，加大了整個(gè)生育期的蒸騰蒸發(fā)比。

小麥截留量在3—5月，占降雨量的9.45%，相比小麥生育期初始階段由于尚未旺盛生長，枝葉不繁盛時(shí)的截留量占比(4.00%)較高；同樣稻季時(shí)，生育后期截留量占比相比前期較大。在小麥和水稻作物生長初始階段，土壤無效蒸發(fā)量較大，之后蒸騰作用逐漸增大，這種耕地耗水量以及各分量的年內(nèi)變化主要與農(nóng)作物的生長階段有關(guān)。據(jù)張仁華等[22]研究發(fā)現(xiàn)，4月中旬前，華北平原小麥地土壤棵間無效蒸發(fā)和作物蒸騰量級是相當(dāng)?shù)模?/2左右的水分不能參與作物光合作用，并因此提出采用薄膜覆蓋和秸稈覆蓋等抑制棵間土壤水分蒸發(fā)的農(nóng)業(yè)節(jié)水措施，之后蒸散由土壤蒸發(fā)和冠層蒸騰疊加而成。莫興國等[21]研究結(jié)果也表明小麥初期，土壤蒸發(fā)占比較大，有時(shí)超過50%的蒸散量，當(dāng)葉面積指數(shù)較大時(shí)，土壤蒸發(fā)占比變小，蒸散主要由蒸騰貢獻(xiàn)，因?yàn)檎羯⒆饔檬軞夂驐l件的強(qiáng)烈影響，雖然日變化幅度較大，但隨著凈輻射的逐漸增加、氣溫回暖、冠層的蒸發(fā)面積增大，有一個(gè)明顯的上升趨勢。

3 結(jié) 論

林地植被蒸騰量占據(jù)耗水量的87.80%，蒸騰蒸發(fā)比約為43∶1；園地茶株蒸騰(69.17%)和株間蒸發(fā)(25.69%)占據(jù)耗水的94.86%，蒸騰和棵間蒸發(fā)比大約為3∶1；耕地耗水各分量中，作物蒸騰(61.28%)和棵間蒸發(fā)(33.45%)占據(jù)了耗水量的94.73%，蒸騰與棵間蒸發(fā)比約為2∶1。可知，流域3種典型生態(tài)系統(tǒng)水量分配差異較大，竹林蒸騰作用在林地生態(tài)系統(tǒng)水量調(diào)節(jié)過程中起著重要作用，園地和耕地棵間蒸發(fā)作用相比林地較大。流域竹林枯枝落葉層厚、樹林冠層厚實(shí)，土壤蒸發(fā)較??；園地茶株由于修剪后枝葉還未恢復(fù)，株間土壤蒸發(fā)偏大；耕地小麥和水稻作物生長初始階段，土壤無效蒸發(fā)量較大，所以林地相比園地和耕地土壤蒸發(fā)偏低，3種生態(tài)系統(tǒng)水量分配差異與其土地利用類型有密切關(guān)系。

林地生態(tài)系統(tǒng)耗水量年內(nèi)變化呈現(xiàn)以6—8月為蒸騰高值時(shí)段、8月為峰值的單峰曲線。園地茶株修剪后(5—9月)蒸騰作用相比1—3月強(qiáng)；土壤蒸發(fā)在7月出現(xiàn)一峰值，占該月份耗水量的46.03%；茶株修剪前(2—4月)，枝葉最繁盛，此時(shí)段截留量占總耗水量的比例比其他月份較大。耕地生態(tài)系統(tǒng)耗水呈現(xiàn)明顯的麥季(1—5月)和稻季(6—11月)2個(gè)時(shí)段特征，小麥截留量(9.45%)在3—5月相比小麥生育期初始階段占比(4.00%)較高；稻季時(shí)，生育后期截留量占比相比前期較大；小麥和水稻作物生長初始階段，土壤無效蒸發(fā)量較大，之后蒸騰作用逐漸增大。太湖流域雨熱同期，在降雨、氣溫都較高的季節(jié)(6—8月)，林地的耗水、蒸騰、截留量隨著冠層郁閉度和葉面積指數(shù)的增大而增加。茶園生態(tài)耗水年內(nèi)變化與林地相近，雖然由于修剪葉面積指數(shù)大大下降，但是修剪左右也刺激了茶株的生長，在氣溫高的時(shí)期，蒸騰作用也增大了，茶株由于修剪后枝葉還未恢復(fù)，土壤蒸發(fā)也增大了。耕地耗水量以及各分量的年內(nèi)變化在受到降雨、氣溫影響的同時(shí)，還主要與農(nóng)作物的生長階段有關(guān)。小麥、水稻生長初期，土壤蒸發(fā)占比較大，當(dāng)葉面積指數(shù)較大時(shí)，土壤蒸發(fā)占比變小，蒸散主要由蒸騰貢獻(xiàn)，截留量占比也相比前期較大。3種生態(tài)系統(tǒng)水量年內(nèi)變化在受到流域降雨、氣溫等因素影響的同時(shí)，不同土地利用類型的植被在不同生長階段的葉面積指數(shù)、人工修剪作用對耗水量年內(nèi)變化可能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。