烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢能量平衡及蒸散特征

潘雨夢，肖輝杰①，辛智鳴，賈肖肖

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083；2.中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心，內蒙古 磴口 015200)

地表能量收支和分配作為陸面過程和陸-氣相互作用研究的主要內容，描述了地表與大氣間的物質和能量交換過程，可以有效表達地表光熱資源的分配情況[1]。不同陸地生態(tài)系統(tǒng)地表能量收支和分配有所不同。沙漠地區(qū)擁有特殊地理環(huán)境、地表反照率和大氣熱力結構，區(qū)域內水分缺乏，植被分布稀疏且不均勻，生態(tài)環(huán)境脆弱，因而在水分循環(huán)和能量流動方面有著獨特規(guī)律，對太陽輻射強迫的響應過程也與其他地區(qū)有很大不同[2]。沙漠蒸散作為干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)水量和能量平衡的主要平衡項，是連接其生態(tài)過程和水文過程的重要紐帶[3]。探究沙漠地區(qū)水量和能量平衡特征是干旱區(qū)研究的重點內容，諸多學者針對中國巴丹吉林沙漠[4]、塔克拉瑪干沙漠[2,5]和古爾班通古特沙漠[6]等地區(qū)能量平衡及蒸散特征開展了大量研究，如許興斌等[7]指出巴丹吉林沙漠能量交換以感熱通量為主，陸-氣溫度差異是沙山感熱通量變化的主要影響和控制因子；李傳金等[8]對古爾班通古特沙漠梭梭林研究發(fā)現蒸散強度隨梭梭不同生長階段具有明顯變化，最大值和最小值分別出現在7和10月，但對烏蘭布和沙漠能量平衡及蒸散特征的研究相對較少。

渦度相關(EC)方法能用于直接測定地表和大氣之間的水、熱和CO2通量，測量結果準確，理論假設少，并且可以實現長期連續(xù)定位觀測，從而被國內外認為是測定蒸散量的相對標準觀測方法[9]。渦度相關技術在農田、森林和草地蒸散發(fā)測量方面應用十分廣泛[10-12]，近年來，我國利用渦度通量塔對不同生態(tài)系統(tǒng)開展了大量能量通量特征、分配和閉合度方面研究[13-15]。這些研究結果均表明能量分配能影響物質交換過程，其對水量交換的影響格外顯著，一方面通過增加感熱通量促進水循環(huán)，另一方面潛熱通量將生態(tài)系統(tǒng)消耗的水分與驅動蒸散作用的能量聯系在一起，通過蒸散發(fā)耗能。此外，不同地區(qū)能量閉合狀況及分配特征差異明顯。因此，清楚地認識沙漠地區(qū)水汽和能量輸送過程，有助于進一步剖析不同陸域水熱生態(tài)耦合過程，這對改善荒漠生態(tài)脆弱環(huán)境十分重要。

以烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢為研究對象，基于渦度相關系統(tǒng)的實測數據和地面氣象觀測資料，分析荒漠生態(tài)系統(tǒng)蒸散和能量平衡特征以及能量閉合情況，初步探究該地區(qū)地表能量收支不平衡的原因，旨在加深對近地層能量平衡過程的認識，有助于理解荒漠生態(tài)系統(tǒng)蒸散規(guī)律和能量流動機制，為評估區(qū)域水分與能量平衡狀況提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地點概況

試驗區(qū)位于中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心第二試驗場的荒漠綜合觀測站，屬于烏蘭布和沙漠東北緣，行政區(qū)劃隸屬內蒙古磴口縣，地理位置為40°24′ N、106°43′ E，海拔為1 050 m。該區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，多年平均氣溫為7.8 ℃，晝夜溫差大，日照充足，多年平均降水量為145 mm，降水主要集中在6—9月，約占全年降水的70%～80%，年蒸發(fā)量為2 380 mm，無霜期為136 d，地下水埋深為7 m，土壤類型為風沙土。試驗區(qū)內天然植被主要為以唐古特白刺(Nitrariatangutorum)為建群種的植物群落，白刺種群以白刺沙包的形式存在，伴生的優(yōu)勢植物為油蒿(Artemisiaordosica)、籽蒿(Artemisiasphaerocephala)和沙米(Agriophyllumsquarrosum)等，植被平均高度為0.37 m，群落蓋度為10%～20%。

1.2 觀測方法

采用EC系統(tǒng)和輔助氣象要素梯度監(jiān)測系統(tǒng)，對水汽通量和氣象要素進行同步測量。EC系統(tǒng)安裝在荒漠綜合觀測站中心，安裝高度為2 m，主要由閉路CO2/H2O分析儀、3D超聲波風速儀和數據記錄器組成。該地區(qū)主要風向為西北風，取風長度足以進行EC測量。4塊土壤熱通量板安裝在0.1 m深處。梯度監(jiān)測系統(tǒng)包括土壤溫度傳感器、四分量輻射傳感器、空氣溫度和濕度傳感器。原始數據采樣頻率為10 Hz，并在30 min的時間間隔內取平均值。EC系統(tǒng)所用儀器詳細信息見表1。所有傳感器在使用前均進行校準，并對其性能進行評估。該研究采用2019年3月7日至11月4日收集的通量數據。此外，借助研究區(qū)內布設的氣象站，收集2019年1月至10月的氣象因子日平均數據，包括空氣溫度、空氣相對濕度、土壤溫度(0.1 m)和降水量。

表1 主要儀器規(guī)格

1.3 數據處理

使用LI-Cor公司開發(fā)的eddypro軟件對采樣頻率為10 Hz的原始湍流數據進行預處理。首先，將渦度相關系統(tǒng)原始觀測數據旋轉2次，計算30 min的水熱通量均值，對感熱通量(H)進行超聲波虛擬溫度校正，對潛熱通量(LE，EL)進行WPL校正[16]。在此基礎上，剔除異常值。通過野點剔除和數據校正，得到的有效數據占總數據的72%。對數據進行插補以獲得連續(xù)的30 min水熱通量數據，便于分析水熱通量隨時間的動態(tài)變化特征。對剔除數據和缺失數據采用以下2種方法進行插值：(1)對于缺失間隔小于2 h的數據采用線性插值方法進行插值；(2)對于缺失間隔大于2 h的數據采用平均日變化法進行插值[17]。

1.4 能量平衡及閉合分析

一般而言，地表能量平衡計算公式可表示為

Rn-G=EL+H。

(1)

式(1)中，Rn為凈輻射通量，W·m-2；G為土壤熱通量，W·m-2；H和EL分別為感熱通量和潛熱通量，W·m-2。

EC系統(tǒng)測量到的地表能量平衡不閉合是一個尚未解決的普遍問題，它表現為湍流通量(H+LE)與有效能量(Rn-G)之間的差異。評價能量閉合的常用方法有普通最小二乘法(OLS)、能量平衡比率法(EBR)、壓軸回歸法(RMA)和能量平衡殘差法。該文采用OLS和EBR方法對烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢的能量閉合狀況進行評價。

EBR(REB)為渦度相關系統(tǒng)直接測量的湍流通量與有效能量的比值，計算公式為

(2)

EBR值為1時，表示地表能量平衡完全閉合。雖然使用30 min的平均測量具有平滑隨機誤差和高頻波動的優(yōu)點，但它也可能導致對白天向上通量和夜間向下通量的高估[18]。

OLS法是根據最小二乘法原理計算湍流和有效能量的回歸直線斜率(S)和截距(b)來分析能量平衡的閉合程度，其中，斜率可以反映瞬時能量的平衡。OLS回歸方程計算公式為

EL+H=S(Rn-G)+b。

(3)

在理想條件下，有效能量與湍流通量線性回歸的斜率S為1，并通過原點。

1.5 蒸散量估算

根據文獻[19]，地表每日蒸散量(ET，TE，mm·d-1)由EC系統(tǒng)測得的每日潛熱能和水的汽化潛熱換算得到，計算公式為

(4)

式(4)中，EL*為潛熱能，MJ·m-2·d-1；λ為水的汽化潛熱，即2.45 kJ·g-1；ρW為水密度，即1 g·cm-3。

2 結果與分析

2.1 氣象條件變化

輔助氣象要素梯度監(jiān)測系統(tǒng)和常規(guī)氣象站的觀測資料表明，各日氣象要素的變化具有明顯季節(jié)性(圖1)。氣溫(Ta)、土壤溫度(Ts)和飽和蒸汽壓差(VPD)呈單峰變化，從1月開始逐漸升高，7、8月達到峰值，且生長季大于非生長季。與上述氣象變量不同，相對濕度(RH)和風速(WS)呈鋸齒狀波動。在觀測期間，最大風速為8.5 m·s-1(2019年5月15日)，最小風速為1.2 m·s-1(2019年2月16日)，最大相對濕度為88%(2019年6月22日)，最小相對濕度為10%(2019年5月21日)。觀測期平均溫度、平均相對濕度和平均土壤溫度(Ts-1)分別為11.61 ℃、40.93%和14.44 ℃。土壤通量板上方土壤溫度(Ts-2)高于距EC系統(tǒng)約250 m處的當地氣象站觀測數據(Ts-1)，這是由于儀器監(jiān)測精度和布局差異造成的，這與YAN等[20]的研究結果相似。

RH為相對濕度，Ta為氣溫，VPD為飽和蒸汽壓差，WS為風速，Ts-1為距離EC系統(tǒng)約250 m處土壤溫度，Ts-2為土壤通量板上方土壤溫度(觀測時段為2019年3月7日至11月4日)。

2.2 能量通量和能量分配的動態(tài)變化

2.2.1能量通量和能量分配的日變化

根據建群植物種唐古特白刺的物候期將觀測時間劃分為生長前期、生長期和生長后期3個時段。生長前期日序為66～90，共25 d；生長期日序為91～273，共183 d；生長后期日序為274～308，共35 d。烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢能量通量在3個不同時段的平均日變化見圖2。如圖2所示，盡管這3個時段能量組成和主要氣象因子各不相同(表2)，但各時段凈輻射(Rn)、土壤熱通量(G)和感熱通量(H)均呈早晚低、中午高的單峰型日動態(tài)。Rn峰值出現在12:00—12:30，在3個時段內無明顯差異。生長前期、生長期和生長后期Rn日變化峰值分別為379、474和296 W·m-2，平均值分別為91.76、125.86和45.20 W·m-2。G達到峰值時間(15:00—15:30)滯后于Rn，3個時期峰值分別為42、43和24 W·m-2，平均值為4.47、4.59和-4.51 W·m-2。

Rn為凈輻射，EL為潛熱通量，H為感熱通量，G為土壤熱通量。

表2 不同時期日均能量成分和主要氣象變量

H變化規(guī)律與Rn一致，峰值分別為265、226和165 W·m-2，而潛熱通量(EL)值很小，且在觀測期內波動不大，生長前期、生長期和生長后期EL峰值分別約為3.1、19.3和6.6 W·m-2，這是由研究區(qū)干旱環(huán)境所致。能量平衡各分量正負值持續(xù)時間在不同時期有明顯區(qū)別，生長期正值持續(xù)時間大約為12 h，而生長后期則只有9 h。

能量分配日動態(tài)(圖2)表明，H在能量消耗中占主導地位，生長前、中、后期H占Rn的比例分別為63%、50%和72%。EL日平均值為2.18 W·m-2，而H日平均值為51.14 W·m-2，更多的能量轉換成H。白天和夜間能量分配不同，除日出、日落前后能量分配表現為EL/Rn>G/Rn外，白天能量分配表現為H/Rn>G/Rn>EL/Rn，夜間為G/Rn>H/Rn>EL/Rn，土壤熱通量占據主導地位。當太陽在白天加熱地面時，土壤熱通量均為正值，表現為向下傳輸，即吸熱狀態(tài)。在夜間，由于地表輻射冷卻，G多為負值，表明土壤為放熱狀態(tài)，地表向大氣傳輸熱量，地表是系統(tǒng)主要熱量來源。H/Rn與G/Rn在白天呈逐漸遞增趨勢，在夜間波動較大，而EL/Rn夜間變化較小，日出和日落前后變化波動劇烈，白天相對平穩(wěn)，白天整體高于夜間。

2.2.2能量平衡各分量和能量分配的季節(jié)變化

能量通量季節(jié)變化特征見圖3。如圖3所示，全年日Rn近似呈單峰型變化，受中小尺度天氣變化的影響，Rn呈鋸齒狀波動，特別是在雨季，Rn日間差異較大。日平均Rn在-13(10月14日)～251 W·m-2(7月5日)之間變化，平均值為113.5 W·m-2。H季節(jié)變化趨勢與凈輻射相似，H日平均波動范圍為-6.1(6月22日)～118.1 W·m-2(5月12日)，平均值為59.49 W·m-2，在全年中占主導地位。EL季節(jié)變化不大，日平均波動范圍為7.02(10月5日)～53.21 W·m-2(6月23日)，平均值為14.56 W·m-2。在生長期雨季H和EL波動較大，這與降水時間和Rn的波動一致。全年土壤熱通量主要為能量匯(G>0 W·m-2)。雖然中午G可以達到7 W·m-2，但瞬時G與Rn的比值小于1%。在生長期非晴好天氣，如降水和云量較多的陰天，G日通量為負值，其他大部分時間為正值，而在生長后期大多為負值。全年能量分配以感熱通量為主，然而年內各分量也存在明顯變化，生長期能量分配為H/Rn>EL/Rn>G/Rn，其他時期為H/Rn>G/Rn>EL/Rn。

Rn為凈輻射，EL為潛熱通量，H為感熱通量，G為土壤熱通量。

2.3 能量閉合度

有效能量與湍流通量的線性回歸分析結果(圖4)表明，烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢在觀測期內30 min通量的能量閉合率為64%，日平均通量能量閉合度為67%，在國際同類觀測范圍之內(55%～99%)[21]。在數據處理方面，不同時間尺度和能量平衡評價方法得到的能量閉合結果(表3)不同。在通常情況下，所得線性回歸直線的截距不能通過原點，因此在分析過程中分別給出了未過原點的線性回歸斜率S1、截距b和決定系數R12以及強制通過原點的線性回歸斜率S2和決定系數R22。觀測數據的統(tǒng)計分析結果表明，生長前期、生長期和生長后期3個時期湍流通量與有效能量有較好的相關關系，生長期能量閉合程度高于其他時期。在30 min尺度上，不同時期S1變化范圍為0.48～0.66，S2變化范圍為0.50～0.71，截距變化范圍為10.01～24.06 W·m-2，表明通過強制過原點的線性擬合，能量閉合度略有提高。根據30 min通量數據計算得到不同時期EBR范圍為0.54～0.73，EBR年均值為0.67，即年平均能量閉合度為67%，且白天能量閉合度(65%)高于夜間(20%)。日尺度上，EBR值為0.77，與30 min數據比，能量閉合度提升10%。

圖4 湍流通量(H+EL)與有效能量(Rn-G)之間的關系

表3 不同時間尺度烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢生態(tài)系統(tǒng)能量閉合特征

2.4 觀測期內蒸散的動態(tài)變化特征

如圖5所示，烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢群落蒸散發(fā)的季節(jié)變化趨勢明顯。在觀測期內，稀疏灌叢群落蒸散總量為85.6 mm，受中小尺度天氣變化影響，ET的季節(jié)變化存在鋸齒狀波動，日平均蒸散量最大值為2.17 mm·d-1，出現在6月23日，日均蒸散強度為0.36 mm·d-1。蒸散量隨植被生長在各個時期呈明顯變化，生長前期蒸散量較低，日平均蒸散強度為0.04 mm·d-1；進入生長期后迅速增加，日平均值為0.45 mm·d-1；進入生長后期ET呈逐步下降趨勢，日平均值為0.08 mm·d-1。

圖5 烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢群落蒸散季節(jié)變化

如圖5所示，3月蒸散量和降水量均很小，為觀測期內最低值，分別為0.99和0.80 mm，蒸散量略高于同期降水量的原因是3月土壤解凍后，地被層草本植物開始生長，降水和冰雪融水是其主要水分來源；進入生長期后，隨著灌叢的展葉和生長，月蒸散量逐漸增加，并在7月達到最大值，為20.16 mm，而7月降水量不足10 mm，蒸散量大于同期降水，水分虧損，植物根系通過吸收土壤儲水來保持植被正常生長。8月ET同7月基本持平，且降水量高于7月，但由于氣溫高，蒸散受到限制，9和10月ET呈逐步下降趨勢，月蒸散總量分別為8.57和2.46 mm。生長期總蒸散量為82.15 mm，占觀測期內蒸散量的96%。

3 討論

3.1 能量平衡特征

凈輻射、感熱通量和潛熱通量是地表通量交換中的主要變量，其特征和變化趨勢受到很多局地因素的影響。地表凈輻射通量主要受到地理位置、海拔的影響，筆者研究觀測期間凈輻射總量為2 758 MJ·m-2，高于內蒙古溫帶荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)(1 673 MJ·m-2)[22]、黃土塬區(qū)麥田(2 560 MJ·m-2)[23]。感熱交換取決于亂流熱交換系數和空氣溫度梯度差，梯度差越大，地面越粗糙，地表熱量交換越強，感熱也就較大。筆者研究中3個時期感熱通量均大于潛熱通量，與內蒙古荒漠草原生長季[22]及塔克拉瑪干沙漠腹地全年[2]的能量平衡特征類似。3個時期H和G的變化趨勢與Rn一致，均呈單峰型日變化，但兩者的曲線不如Rn平滑，這可能是間接性湍流傳輸引起[24]。由于土壤熱容遠大于空氣，土壤溫度變化遲于空氣溫度變化，因此G到達峰值的時間滯后于Rn，且時間滯后情況受到日出時間的影響。雖然G占凈輻射的比例很小，但是土壤熱通量具有白天吸收能量、夜間釋放能量以及夏季儲存能量、冬季釋放能量的特點，對地表能量收支起到“能量緩存”的作用，因此研究烏蘭布和沙漠稀疏灌叢能量平衡時，土壤熱通量不能被忽略。

研究能量分配的季節(jié)變化可以用來判斷下墊面的干濕狀況[25]。筆者研究結果表明H為Rn的最大支出項，H/Rn為0.62，而EL/Rn在研究期間均很小，這是由于烏蘭布和沙漠地區(qū)土壤含水量低，植被蒸騰作用弱，EL小于H，且土壤類型為沙土，有利于快速垂直排水，因此減輕了土壤水分對EL的潛在影響。有研究表明，植被覆蓋較好的生態(tài)系統(tǒng)(農田、森林和濕地草甸等)能量分配由潛熱輸送占據主導，對于極端干旱的荒漠地區(qū)而言，水分條件是決定能量分配的關鍵因素，若生態(tài)系統(tǒng)水分充足，能量消耗則以潛熱通量為主，反之則以感熱通量為主[26-29]?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)能量分配的差異主要來源于水分條件、植被類型和氣候特征[27]。

3.2 能量閉合特征

能量平衡閉合統(tǒng)計量通常用于評估渦度相關系統(tǒng)的性能。筆者研究發(fā)現30 min通量的能量閉合率為64%。EBR在不同時間尺度的統(tǒng)計值顯示能量不閉合度仍然較為顯著，全年30 min和日平均通量EBR分別為0.67和0.77，表明湍流通量被低估。在FLUXNET站點中，斜率范圍為0.53～0.99，平均值為0.79，截距值范圍為-32.9～36.9 W·m-2，平均值為3.7 W·m-2，包括草地、農田和森林生態(tài)系統(tǒng)[21]。在ChinaFLUX站點中，斜率變化范圍為0.49～0.81，平均值為0.67，截距值范圍為10.8～79.9 W·m-2，平均值為28.9 W·m-2[30]。FLUXNET站點觀測的EBR在0.34到1.69之間，平均值為0.84；ChinaFLUX站點的EBR范圍為0.58～1.00，平均值為0.83[21,30]。不同下墊面水熱通量有所不同，地表能量閉合情況因不同下墊面特征不同而產生很大差異?；哪蜕衬聣|面閉合率在63%～96%[31]，理論上，地表能量的收入和支出應保持平衡，但實際上能量不閉合幾乎是所有地表通量觀測中存在的問題。除系統(tǒng)采樣和儀器測量誤差外，筆者研究中站點能量不閉合的原因主要有高頻與低頻湍流通量的低估、平流的影響、土壤熱通量的損失和植被冠層儲熱等其他能量的忽略。

3.3 蒸散特征

地表蒸散強弱受到氣象因子和下墊面條件影響，當地區(qū)降水充沛、飽和蒸汽壓差大時，潛熱交換較強，蒸散強度大；若地表植被生長情況好，覆蓋度高，則植物蒸騰作用越強，土壤和植被的總體蒸散相對也越大。烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢群落在觀測期內EL值較小，蒸散量為85.6 mm，高于降水量(79.6 mm)，下墊面水分處于虧缺狀態(tài)，研究區(qū)單次降水量均小于10 mm，這種單次降水量不僅不能產生地表徑流，也無法滲入深層土壤，只能短時間增加表層土壤水分和空氣相對濕度。筆者發(fā)現生長期日蒸散強度大于生長前期和生長后期，這與李傳金等[8]發(fā)現古爾班通古特沙漠南緣梭梭群落旺盛期日均蒸散強度大于萌發(fā)期的結論一致。蒸散發(fā)季節(jié)變化過程還受植被物候階段的影響，研究區(qū)生長期蒸散值為82.2 mm，非生長季蒸散量很小。筆者研究得出的ET值較YUAN等[32]得到的塔里木河下游荒漠河岸胡楊林小，這是因為這2個地區(qū)植被生長狀況和生態(tài)系統(tǒng)水分狀況差異較大，2019年筆者研究期間降水量稀少，下墊面干旱，蒸散發(fā)量較小。影響蒸散發(fā)量的因子較多，且多因子間的相互作用機制尚有待進一步研究。

4 結論

基于渦度相關技術，研究了烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢的能量及蒸散特征，得出如下主要結論：

(1)凈輻射日變化呈單峰型分布，最高值出現在12:30左右，生長前期和生長期凈輻射高于生長后期；土壤熱通量總體也呈單峰狀分布，最大值出現時間比凈輻射滯后2 h。感熱通量日變化與凈輻射相似，潛熱通量值較小且變化不大。

(2)能量分配以感熱通量為主，感熱通量占凈輻射的62%，潛熱通量占4%，土壤熱通量占1%，不同時期各分量也存在明顯變化，生長期能量分配為H/Rn>EL/Rn>G/Rn，其他時期為H/Rn>G/Rn>EL/Rn。

(3)30 min通量的能量閉合度為64%，日平均通量的閉合度為67%。生長前期、生長期和生長后期能量閉合度分別為57%、66%和48%，白天能量閉合度(65%)高于夜間(20%)，能量不閉合的原因有待進一步研究分析。

(4)研究區(qū)稀疏灌叢群落蒸散量為85.6 mm，日均蒸散強度為0.36 mm·d-1。季節(jié)蒸散總體呈生長季大于非生長季，且生長季內呈逐月增加至7月到達峰值后減小的變化特征。蒸散時空變化特征是不同耦合過程相互作用的結果，其影響機制及與氣候變化之間的聯系還需深入研究。