科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)水熱通量特征及影響驅(qū)動因子

張思敏,郝麗娜,2,3,童 新,2,3,賈天宇,張亦然,馬 擴(kuò),倫 碩,劉廷璽,2,3* (.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0008；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0008；3.黃河流域內(nèi)蒙段水資源與水環(huán)境綜合治理協(xié)同創(chuàng)新中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0008；.內(nèi)蒙古水利水電勘測設(shè)計院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0008)

旱地生態(tài)系統(tǒng)(干旱和半干旱)覆蓋了世界陸地表面的40%以上[1].由于自然因素和人類活動的綜合影響,科爾沁沙地的地表形成了沙漠般的沙丘景觀.不同類型的沙丘具有特定的地貌特征和植被類型.科爾沁沙地作為中國北方典型的半干旱沙地,降雨量少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、生態(tài)環(huán)境脆弱、受人類活動影響嚴(yán)重[2].但沙丘生態(tài)系統(tǒng)具有重要的生態(tài)功能和經(jīng)濟(jì)價值.隨著人類活動的不斷擴(kuò)張,荒漠化等環(huán)境問題也日益嚴(yán)重,因此對科爾沁沙地的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究和保護(hù)顯得尤為重要.水熱通量是沙丘生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)過程之一,其是指在生態(tài)系統(tǒng)中水分和熱量的傳輸過程,是生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)移和物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ),維持生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性方面具有重要作用[3].通過了解沙丘生態(tài)系統(tǒng)水熱通量的運(yùn)移規(guī)律,深入了解該生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境和生態(tài)功能,可為干旱半干旱地區(qū)荒漠化防治,維護(hù)沙地植被生態(tài)環(huán)境提供理論基礎(chǔ).

渦動相關(guān)系統(tǒng)(EC)是直接監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)能量通量的關(guān)鍵觀測系統(tǒng)之一[4].基于微氣象學(xué)原理,通過估計垂直風(fēng)速和質(zhì)量或能量波動標(biāo)量的高頻測量協(xié)方差,EC 能直接測量植被冠層和大氣之間能量和質(zhì)量交換通量[5].自EC 問世以來,特別是隨著AmeriFlux 和FLUXNET 等監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建立,EC 有望成為碳水循環(huán)年際變化的可靠基準(zhǔn)[6],并將這些變化與過程和機(jī)制聯(lián)系起來[7].目前全世界已經(jīng)建立了成熟的通量觀測網(wǎng)絡(luò),能夠在不同的下墊面條件和空間尺度上進(jìn)行長期通量觀測[8].

地表能量通量是地表與大氣之間能量交換中至關(guān)重要的部分[9].對能量組分的特征的分析,有助于揭示生態(tài)系統(tǒng)水和能量平衡的過程.能量平衡分布的季節(jié)過程與植被物候密切相關(guān).在美國愛達(dá)荷州斯內(nèi)克河流域半干旱區(qū),艾屬灌木、竊草和黑松生態(tài)系統(tǒng)的能量分布特征在不同季節(jié)存在差異[10].生長季潛熱通量(LE)占較大比重,而非生長季凈輻射通量(Rg)主要轉(zhuǎn)化為感熱通量(H).除植被蓋度外,積雪和融化通過減少入射短波輻射間接影響H的變化.

本研究基于渦動相關(guān)系統(tǒng)(EC)對2013～2022 年科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)生長季節(jié)能量通量監(jiān)測數(shù)據(jù),通過量化能量平衡閉合度情況,揭示能量通量的年際、季節(jié)和日尺度變化及分布特征,研究環(huán)境因素對能量通量的驅(qū)動機(jī)制.加深對研究區(qū)能量交換機(jī)制的理解,從而為沙地的綜合管理和生態(tài)保護(hù)提供參考.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科左后旗科爾沁沙地東南部的阿古拉生態(tài)水文試驗(yàn)站,(122°33′00″～122°41′00″E,43°18′48″～43°21′24″N),面積為55km2(圖1).地勢地貌從南到北變化明顯,南部和北部的沙丘過渡到中部的農(nóng)田、草地和湖泊.氣候特征為半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候,盛行西南風(fēng),平均風(fēng)速為3.6m/s,平均降水量為371.1mm,平均蒸發(fā)量1412mm(φ20cm 蒸發(fā)皿),年平均氣溫6.6℃,年平均相對濕度55.8%.

圖1 研究區(qū)地理位置示意及風(fēng)頻和風(fēng)速分布Fig.1 Geographical location of the study area and wind frequency and speed distribution

本研究的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域位于研究區(qū)東北部的典型沙丘生態(tài)系統(tǒng)(圖1 中的A4),地理坐標(biāo)為(43°20′57″N,122°39′18″E),海拔205m.周圍生長的主要植被類型為差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、人工種植楊樹(Populus)和小葉錦雞兒(Caragana microphylla).土壤類型為砂土,降水是地下水補(bǔ)給的主要形式.

1.2 野外觀測

在該站點(diǎn)布設(shè)了開路渦度相關(guān)系統(tǒng)(EC)和波文比氣象土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等設(shè)備.

EC 系統(tǒng)安裝在4.95m 的高度,主要由一個開路紅外氣體分析儀(LI-7500, Li-COR, Inc., Nebraska, USA)和一個三維超聲風(fēng)速儀(CSAT-3, Campbell Scientific,Inc., USA)組成.氣體分析儀測量空氣中二氧化碳和水蒸氣的濃度,而超聲風(fēng)速儀測量三維風(fēng)速(u、v和w)和聲波溫度(Ts).采樣頻率為10Hz,數(shù)據(jù)記錄間隔為30min,使用數(shù)據(jù)采集器(CR3000, Campbell Scientific,Inc., USA)收集并存儲.為保證EC 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好,根據(jù)LI-COR 公司的說明手冊,定期對其進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)、氣路清潔和光路清潔等維護(hù)工作.

波文比氣象土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與EC 系統(tǒng)安裝在同一測量塔上,對氣象土壤環(huán)境變量進(jìn)行同步觀測.包括安裝在2, 5 和10m 高度的空氣溫濕度傳感器(HMP45C, Campbell Scientific, Inc., USA),以及安裝在2, 3.5 和10m 高度的風(fēng)速和風(fēng)向傳感器(034B,Campbell Scientific, Inc., USA).同時在觀測塔上安裝了四分量凈輻射儀(NR-LITE, Campbell Scientific,Inc., USA)和光合有效輻射儀(LI190SB, Campbell Scientific, Inc., USA)用于測量向上和向下的長波和短波輻射以及光合有效輻射.在測量塔10m 范圍內(nèi)不同方向的兩個位置挖掘剖面并埋設(shè)傳感器(CS655, Campbell Scientific, Inc., USA),用于測量地下10, 20, 40, 80, 120, 160 和200cm 深處的土壤體積含水率、土壤溫度和電導(dǎo)率.土壤熱通量傳感器(HFP01SC, Campbell Scientific, Inc., USA)安裝在10,20 和40cm 深的地方.由翻斗式雨量筒(TE525MM,Campbell Scientific, Inc., USA)自動監(jiān)測降雨數(shù)據(jù).氣象數(shù)據(jù)每10min 自動記錄并儲存在數(shù)據(jù)采集器中(CR1000, Campbell Scientific Inc., USA).

1.3 數(shù)據(jù)處理

基于LoggerNet4.5.0.1 軟件(www.campbellsci.com.cn/Loggernet),將EC 系統(tǒng)觀測的10Hz原始數(shù)據(jù)切割成單獨(dú)的數(shù)據(jù)文件獲得30min 的通量數(shù)據(jù);對數(shù)據(jù)切割后的文件數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化[11];最后對相鄰數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和集成以及格式轉(zhuǎn)換(TOA5-TOB1).應(yīng)用EC 技術(shù)的理想條件是下墊面具有統(tǒng)一的水平面、穩(wěn)定的氣流和較低的植被粗糙度,而實(shí)際下墊面具有不規(guī)則的地形和不均勻性.采用LI-COR 開發(fā)的EddyPro6.0.0 軟件(www.licor.com/Eddypro)執(zhí)行一系列校正計算的質(zhì)量控制,包括異常值檢測和剔除[12]、頻率損失修正、超聲虛溫修正、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)修正[13]、密度修正(WPL)[14]、以及標(biāo)記數(shù)據(jù)質(zhì)量的“0-1-2 系統(tǒng)”[15].

使用“REddyProc”(https://www.bgc-jena.mpg.de/bgi/index.php/Services/REddyProcWeb)進(jìn)行進(jìn)一步的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制(QA/QC),過濾不良質(zhì)量的通量數(shù)據(jù)[16],估計閾值填補(bǔ)空缺數(shù)據(jù).該工具提供了三種填補(bǔ)缺失值的方法:即查表法(LUT)[17]、平均日進(jìn)程法(MDC)和邊際分布抽樣法(MDS)[18].MDS算法用于所有間隙,以增加窗口大小,確保有足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)可用于填補(bǔ)間隙[19].

1.4 能量平衡閉合評估

能量平衡閉合是判定EC 系統(tǒng)運(yùn)行狀況和數(shù)據(jù)可靠程度的常用指標(biāo).陸地生態(tài)系統(tǒng)的絕對能量平衡殘差A(yù)EBR(W/m2)表達(dá)式如下[20-21]:

式中:Rg是凈輻射通量, W/m2;H是顯熱通量, W/m2;LE 為潛熱通量, W/m2;G是土壤熱通量, W/m2;S是儲能項(xiàng)W/m2.通量測量高度以下存儲的S很難準(zhǔn)確確定,它包括植被冠層蓄熱(CS)和表層土壤蓄熱(SS).CS 由標(biāo)準(zhǔn)EddyPro 軟件從10Hz 數(shù)據(jù)估計,SS的計算公式參考文獻(xiàn)[22].

目前常用的兩種能量平衡閉合評價方法包括最小二乘線性回歸法(OLS)和能量平衡比率法(EBR),由湍流通量非缺失值(H+LE)與有效通量非缺失值(Rg-G)計算,表達(dá)式[23]如下:

式中:a為斜率,b為截距.

本研究中使用OLS 方法,基于0.5h 尺度的數(shù)據(jù),評價不同年份的能量閉合情況.a越接近于1,表示能量閉合程度越高,而R2越高,表明系統(tǒng)受到的隨機(jī)誤差越小.采用EBR 驗(yàn)證月尺度與年尺度的能量閉合情況,EBR等于1意味著能量完全閉合.根據(jù)已有的研究表明,能量不閉合程度的合理范圍在10%～30%之間[24].

2 結(jié)果與分析

2.1 能量通量日變化特征

根據(jù)不同的植被類型和下墊面條件,陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間的熱量和水蒸氣交換能力存在差異,導(dǎo)致不同生態(tài)系統(tǒng)的能量通量分布比例各不相同.以科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)各能量通量的日變化曲線呈單峰型二次曲線,總體呈現(xiàn)出早晚較小、中午較大的趨勢,如圖2a所示.各年日Rg峰值均出現(xiàn)在 11:00～12:00 之間,2022 年峰值(401.03W/m2)最大,2016 年峰值(337.03W/m2)最小.相較于Rg的日動態(tài)曲線,H、LE 和G的日動態(tài)曲線相似,變化幅度較小,G的峰值出現(xiàn)時間具有滯后性,2019 年滯后性較明顯.

圖2 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)能量通量的日變化Fig.2 Diurnal variation of energy flux in the dune ecosystem of Horqin Sandy Land

能量分布主要基于H和LE,日出前H/Rg和G/Rg的波峰與LE/Rg的波谷互補(bǔ);日出后三者的變化趨勢基本一致.在日出和日落前后,能量成分的方向和大小發(fā)生了顯著變化,相對于其他時間段,這兩個時段內(nèi)的能量分配比曲線出現(xiàn)了急劇的變化,觀察到了較大的波峰或波谷.

波文比β可以有效描述空氣的穩(wěn)定性,表征大氣表面能量交換特征.由圖2c可知,在08:00 ～ 16:00時段,不同年份的β值均大于1,且在正午達(dá)到峰值,表明在此期間,H是Rg的主要分布,這與能量分布曲線所反映的情況一致.

為了深入了解沙丘生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡在不同季節(jié)內(nèi)的變化趨勢,對春季(4～5 月)、夏季(6～8月)和秋季(9～10 月)的季平均能量通量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,并分析了它們的日動態(tài)過程.圖3 結(jié)果表明,各季節(jié)的所有能量成分均以Rg為基礎(chǔ),呈現(xiàn)單峰曲線變化.H和LE 都顯示出與Rg相似的日變化特征.LE 波動較大可能與間歇性湍流和夜間湍流的低估有關(guān).在春季,由于Rg顯著增加,地表植被開始復(fù)蘇,地表相對裸露,土壤解凍和冰雪融化,土壤導(dǎo)熱性良好,下墊面比熱相對較大,導(dǎo)致這一時期的H相對較大.LE 與植被蒸騰作用密切相關(guān),受地表溫度、土壤水分和下墊面飽和水汽壓的影響.在夏季,降雨量多、日照充足,植被蒸騰作用強(qiáng),空氣濕度較大,大部分能量用于水汽傳輸,因此LE 較大.而感熱通量H在秋季增大,這是由于降雨減少和土壤溫度降低導(dǎo)致的.土壤熱通量G來源于太陽輻射,日變化和Rg相似,但在時間上表現(xiàn)滯后,這受土壤物理性質(zhì)的影響,因?yàn)椴煌竟?jié)土壤性質(zhì)、土壤含水量和植被覆蓋度各不相同,所以G表現(xiàn)出明顯的時空變化.

圖3 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)4～10 月各季節(jié)能量通量的日變化Fig.3 Diurnal variation of seasonal energy flux in the dune ecosystem of Horqin Sandy Land from April to October

2.2 能量通量季節(jié)變化特征

在月時間尺度上,沙丘生態(tài)系統(tǒng)的能量通量變化呈現(xiàn)相似的趨勢,形成了近似單峰型的曲線,如圖4 所示.受到中小尺度天氣變化的影響,各通量呈現(xiàn)一定程度的鋸齒狀波動,特別是在降雨多發(fā)期.2018～2020 年6、7 月份的Rg略高于2013～2017年同期,這與空氣溫度的變化趨勢一致,觀察到各年份H的變化與Rg趨于同步.LE 代表蒸散耗熱,與水分蒸發(fā)熱量的增加密切相關(guān),波動與土壤含水率的變化相似.各年H和LE 的波峰與波谷呈現(xiàn)互補(bǔ)態(tài)勢.淺層土壤濕度波動較大的年份,G的變化較明顯,在數(shù)值上比其它成分小一到兩個數(shù)量級.

圖4 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)的月累積能量通量Fig.4 Monthly cumulative energy flux of dune ecosystem in Horqin Sandy Land

2.3 能量通量年際變化和波文比

在2013～2022 年間,生態(tài)系統(tǒng)的群落類型發(fā)生了變化,導(dǎo)致蒸散發(fā)和熱傳導(dǎo)的能力差異顯著,因此生態(tài)系統(tǒng)獲得Rg能量后,能量在系統(tǒng)內(nèi)的分配變化特點(diǎn)各異.圖5 顯示,2022 年Rg的總累積量(1800MJ/m2)最高,而2014 年(1465MJ/m2)最低.在年時間尺度上,能量特征表明在 2013、2015 和2019 年能量分配方向?yàn)長E 大于H,其余5 年均是H大于LE.不同時期土壤理化性質(zhì)不同,土壤熱導(dǎo)率不同,影響土壤吸熱散熱,進(jìn)而在熱源/熱匯上也有差異.該研究區(qū)10 年間土壤均為熱匯,這表明整體上能量主要在土壤表層或從大氣向土壤深層傳遞.

圖5 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)的年累積能量通量Fig.5 Annual cumulative energy flux of dune ecosystem in Horqin Sandy Land

生長季的能量收支比情況為:2013、2015、2019、2021 和2022 年LE 在生長季生態(tài)系統(tǒng)能量中占主導(dǎo),分別占生長季Rg的41%、41%、42%、45%和52%,而其余5 年生長季則是H占主導(dǎo)作用,分別占生長季Rg的47%(2014)、45%(2016)、40%(2017)、36%(2018)和39%(2020).

波文比β是感熱通量H和潛熱通量LE 的比值(H/LE),是陸面過程研究中的重要參數(shù),能夠反映地表能量交換特征,影響著地表和大氣間的能量交換,在眾多陸面過程相關(guān)分析中,波文比一直受到廣泛關(guān)注[25].在沙丘生態(tài)系統(tǒng)中,各年β整體呈現(xiàn)U型趨勢,其中4 月和9 月的波動較為顯著,而5～9 月期間波動相對平緩.圖6 中可看出,2013、2015 和2016 年β變化相對較平緩,各年中β沒有明顯的月度變化規(guī)律.在生長季中,月平均β的范圍在(2013)0.97～(2017)1.69之間變化,在整個10年的生長季中,年均β值為1.30.

圖6 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)的波文比月變化Fig.6 Monthly variation of Bowen ratio of dune ecosystem in Horqin Sandy Land

2.4 能量平衡分析

許多研究表明在渦度相關(guān)法的觀測中能量不閉合問題普遍存在,這可能是由于測量誤差、數(shù)據(jù)不完整或其他因素導(dǎo)致的.本研究采用OLS 和EBR方法分析了EC 法測量的湍流能量(H+LE)和有效能量(Rg-G)的閉合性.如圖7 所示,2015 年EBR 整體均呈較好的態(tài)勢,介于0.80～0.92 之間,在各年中EBR 觀察到明顯的月變化規(guī)律,其中5 月到9 月波動較平緩.

圖7 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)能量累積和閉合的月變化Fig.7 Monthly variation of energy accumulation and closure of dune ecosystem in Horqin Sandy Land

之后對沙丘生態(tài)系統(tǒng)10 年的能量平衡進(jìn)行了線性回歸分析.在30min 的時間尺度上,各年湍流能量(H+LE)和有效能量(Rg-G)平衡的閉合線性回歸分析結(jié)果如圖8 所示.通過擬合各年H+LE 和Rg-G得到回歸方程的回歸系數(shù)范圍為0.61～0.72,年平均值為0.67;截距范圍為4.42～19.76W/m2,年平均值為16.95W/m2;相關(guān)系數(shù)(R2)范圍為0.78～0.92,年平均值為0.87.各年年均EBR 介于0.75～0.90 之間,10 年年均EBR 為0.87,說明能量平衡閉合度的殘差為13%;其中2015 和2022 年EBR 最大為0.90,2018 年EBR最小為0.75.

圖8 沙丘生態(tài)系統(tǒng)(Rg-G)與(H+LE)之間的關(guān)系Fig.8 The relationship between dune ecosystem(Rg-G) and(H + LE)

2.5 能量通量的影響因素

2.5.1 環(huán)境變量對能量通量的影響 沙丘生態(tài)系統(tǒng)的2013～2022 年期間的月降雨量呈現(xiàn)單峰變化的趨勢,如圖9 所示,年均降雨量為377.05mm,其中2013 和2019 年的年降雨量達(dá)到480mm;而2020 年則經(jīng)歷了干旱少雨,年降雨量僅為230.9mm.降雨主要集中在5～8 月,占全年總量的81%.在強(qiáng)降雨的月份,土壤體積含水率也顯著增加.不同深度的土壤對降雨的響應(yīng)程度各不相同,淺層土壤的體積含水率對降雨量的變化更為敏感.而隨著土壤深度的增加,土壤體積含水率對降雨的響應(yīng)會有所延遲,并且變化幅度相對較小,特別是與淺層土壤相比.

圖9 月累積降雨量和不同深度土壤的月平均體積含水率Fig.9 Monthly cumulative rainfall and monthly average volumetric water content of soil at different depths

同時,對研究區(qū)的一系列環(huán)境因子與通量進(jìn)行了同步監(jiān)測,包括:凈輻射(Rg)、降雨量(Rain)、空氣濕度(RH)、土壤體積含水率(VWC)、空氣溫度(Ta)、土壤溫度(Ts)、飽和水汽壓差(VPD)、風(fēng)向(WD)、風(fēng)速(WS)、水汽壓(VP)和大氣壓(AP).分析水熱通量與以上環(huán)境因子之間年、季相關(guān)性,并研究與環(huán)境因子之間的響應(yīng)關(guān)系.選取2013～2022年30min的通量數(shù)據(jù)及各種環(huán)境因子平均值進(jìn)行相關(guān)性分析.

相關(guān)性分析為環(huán)境變量和能量通量之間的關(guān)系提供了重要線索(圖10).結(jié)果表明不同時期的LE、G、H和Rg均呈現(xiàn)出與RH 顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,尤其是在夏季時,它們與RH的負(fù)相關(guān)顯著程度更高于其他季節(jié).此外,與VWC、Ta、Ts和VPD 之間呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系,其中與VPD 的相關(guān)性最顯著,其次是Ta、Ts和VWC.在夏季,各能量通量與Ta的顯著程度要高于其他時期,且與Ta、Ts和VPD 的顯著程度為G>H>LE>Rg,在其他季節(jié)LE 與各環(huán)境因子的相關(guān)性顯著性最高.在各時期WS 與能量通量呈現(xiàn)正相關(guān),特別是在春季,相關(guān)性尤為顯著.在春季,LE 和G與VP 呈正相關(guān),在其他時期與各能量通量都呈現(xiàn)正相關(guān),其中與LE 的相關(guān)的更為顯著.從全時期角度看Rain 和WD 與能量通量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān).

圖10 不同時期能量通量與環(huán)境因子相關(guān)性熱圖Fig.10 Correlation heat map of energy flux and environmental factors in different periods

2.5.2 植被密度對能量通量的影響 將生長季平均葉面積指數(shù)作為植被密度的診斷變量.LE、H和波文比β對LAI 變化的敏感性被量化為多元線性回歸的偏導(dǎo)數(shù).圖11 顯示,LAI 的增加會顯著提高LE,盡管降雨和土壤濕度對LE 存在一定潛在的限制,但在年際時間尺度上,LAI 的增加與LE 的增加存在關(guān)聯(lián),這種關(guān)聯(lián)可以通過LAI 的復(fù)雜調(diào)整來維持,例如根系的發(fā)育、地下水的獲取以及植被物候季節(jié)的變化等因素.考慮到LE 和H代表了陸地表面能量釋放的競爭途徑,H對LAI的敏感性模式與LE 相反.最終,波文比的變化與LAI 呈負(fù)相關(guān),由于較高的葉面積指數(shù)有助于通過蒸發(fā)水分耗散有效能量,從而導(dǎo)致表面冷卻,減少H.這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了年際植被控制對氣候的重要性,特別是在氣候干旱和高溫等極端事件期間,這時較高的葉面積指數(shù)通過蒸發(fā)冷卻有效抑制地表溫度的上升,對維持生態(tài)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)氣候具有重要作用.

圖11 能量通量對LAI 變化的敏感性Fig.11 Sensitivity of energy flux to LAI change ?z represents?LE and ?H

3 討論

地表能量通量分配是由可用能量轉(zhuǎn)化為LE 和H產(chǎn)生的,這一過程對大氣邊界層的狀態(tài)產(chǎn)生了重要影響.大氣邊界層是地球表層接觸的對流層的最低層,它扮演著調(diào)節(jié)氣象和氣候的關(guān)鍵角色.地表能量通量的分配通過調(diào)節(jié)陸地與大氣之間的相互作用,將地表的性質(zhì)變化傳播到大氣中,進(jìn)而影響全球水循環(huán)和能量平衡.基于EC 技術(shù)的陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測已成為研究全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系、反映不同時間尺度能量變化過程、揭示大氣、土壤和植被間能量平衡特征的重要手段[19,26].

研究結(jié)果表明,科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)2013～2022 年生長季的年均Rg總量為1592.77MJ/m2,低于黃土高原半干旱草原(2269.23MJ/m2)[27]、亞熱帶毛竹林生態(tài)系統(tǒng)(2628.00MJ/m2)[28],高于內(nèi)蒙古溫帶荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)(1472.80MJ/m2)[29].科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)屬于典型的半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候,植被覆蓋度較低,日照充足,使得土壤基本處于干燥狀態(tài)[30],因此該生態(tài)系統(tǒng)Rg總量比其它生態(tài)系統(tǒng)低可能是受輻射強(qiáng)度及下墊面等因素的影響.生態(tài)系統(tǒng)的群落類型及下墊面情況是導(dǎo)致不同生態(tài)系統(tǒng)獲得凈輻射能量后,能量在系統(tǒng)內(nèi)分配不同的主要原因.在年際和季節(jié)尺度上,感熱通量都是消耗凈輻射的主要能量成分[31].沙地土壤含水量很小,在大多數(shù)時間里,土壤非常干燥,土壤中可以蒸發(fā)的水分非常有限[32].因此,在科爾沁沙丘生態(tài)系統(tǒng)潛熱通量小,感熱通量占主導(dǎo)地位.

地表能量平衡閉合常被用作評價通量數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個指標(biāo)[33].根據(jù)熱力學(xué)第一定律,沙丘生態(tài)系統(tǒng)的能量預(yù)算應(yīng)該是完全平衡的.然而,當(dāng)基于EC技術(shù)時很少發(fā)生能量閉合[22].用EC 技術(shù)測量的地表湍流通量通常小于凈輻射和土壤熱通量之間的差值.在本研究地點(diǎn)能量閉合程度完全在FLUXNET和ChinaFLUX 站點(diǎn)報告的下限范圍內(nèi),即分別為0.53～ 0.99 和0.49～0.81[34].使用能量平衡比法計算各年的EBR 均高于ChinaFLUX 站點(diǎn)的能量平衡比率(0.73)和FLUXNET 站點(diǎn)的能量平衡比率(0.79).近年的研究發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致能量平衡閉合殘差的主要原因包括:(1)EC 系統(tǒng)的測量要求地表湍流相對劇烈,但夜間湍流較弱,這使得觀測到的能量值低于實(shí)際值;(2)EC 系統(tǒng)的測量要求下墊面平坦均勻,但實(shí)際下墊面通常復(fù)雜多樣,包含不同的地形或植被類型,難以滿足水平通量為零的假設(shè),這在一定程度上影響了湍流通量測量的精度[35-36];(3)地表能量的變化特征受不同氣象條件影響,因此能量平衡方程在不同情況下表現(xiàn)出顯著差異[37];(4)在計算能量平衡方程時,土壤熱通量不僅包含土壤熱通量板測得的熱通量,還包括土壤蓄熱的貢獻(xiàn).岳平等[27]研究表明,當(dāng)考慮0～5cm 土壤蓄熱時,閉合程度顯著提高;(5)能量平衡中的能量分量通常不是在同一平面上測量,因此觀測結(jié)果不同步,主要原因是G不同步[38].當(dāng)能量平衡分量同步且G的相位向前移動了1h 時,表面能量平衡閉合和相關(guān)系數(shù)將顯著改善[39].Yu 等[22]表示隨著大氣不穩(wěn)定性的增加,EBR 會得到改善,因?yàn)閷α鳑]有被抑制,EC 技術(shù)能夠捕捉渦旋.Eshonkulov 等[39]研究表明,考慮植物冠層焓變、空氣焓變、光合作用和呼吸作用的能量消耗和釋放以及大氣濕度變化,能量閉合度會得到很大的改善.雖然尚未實(shí)現(xiàn)完全的能量閉合,但這并不影響對本研究相關(guān)的能量交換特征的研究.在未來的研究中將繼續(xù)探討導(dǎo)致能量平衡不閉合的原因.

在本研究中生長季月均波文比介于0.97～1.69 之間,年均波文比為1.30.而亞熱帶毛竹林生態(tài)系統(tǒng)月變化介于0.07～1.77 之間,月均波文比為0.47,年波文比為0.35[28];黃土高原半干旱草原的年波文比在0.5～3.5之間波動,年均值接近1[27].由于波文比具有一定的年際效應(yīng),由日出時間、入射凈輻射量、降雨量以及植被的生長情況等的共同影響.黃松宇等人[25]的研究結(jié)果表明,在所有生態(tài)系統(tǒng)中波文比的平均值為(0.96±0.64).Lin 等[40]研究203 個FLUXNET 通量站,發(fā)現(xiàn)所有站點(diǎn)的多年平均波文比為(1.48±1.20).

環(huán)境要素是影響生態(tài)系統(tǒng)能量流動與物質(zhì)循環(huán)的重要因素[41].水熱通量受多個環(huán)境要素的綜合影響,其中凈輻射是主要的影響因素,其次是飽和水汽壓差、空氣溫度、土壤溫度和土壤體積含水率,風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓和降雨量對水熱通量的影響相對較弱.太陽輻射為植被蒸騰以及土壤蒸發(fā)等提供汽化潛熱通量,為下墊面與大氣間湍流輸送熱量提供必要的能量[42],因此Rg對水熱通量的影響最大.VPD 影響植物的蒸騰作用和水分利用效率,同時也影響著熱平衡.VPD 較高時,植物需要更多的水來保持蒸騰作用,使LE 增加,植物蒸騰作用引起的H也會增加.土壤溫度影響植被和土壤中水分的活躍程度[43],取決于土壤溫度的變化程度和時間尺度[44].較高的土壤溫度會促進(jìn)水分蒸發(fā)和植被的蒸騰作用,從而增加LE,而較低的土壤溫度會抑制水分蒸發(fā),導(dǎo)致H占主導(dǎo)地位.氣溫影響空氣飽和水汽含量和水汽擴(kuò)散速率,而下墊面與大氣間溫度梯度影響湍流輸送熱量[10];空氣濕度直接影響植被蒸騰和土壤蒸發(fā)的水汽輸送速率[45];風(fēng)能加速植被蒸騰和土壤蒸發(fā),但當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時,其對植被蒸騰和土壤蒸發(fā)影響減慢,而且風(fēng)速對植被蒸騰的影響弱于土壤蒸發(fā),因此風(fēng)速的影響相對較弱.

植被結(jié)構(gòu)的變化預(yù)計會影響熱量和水分的再分配;然而,葉面積指數(shù)的變化如何影響能量分配還沒有得到量化.全球綠化導(dǎo)致波文比每10 年下降(-0.010±0.002),這是由于蒸發(fā)面增加[31].LAI 對能量通量的這種直接影響在很大程度上受植被功能類型(PFT)和背景氣候條件的調(diào)節(jié).大多數(shù)研究都致力于探索土壤濕度對地表能量分配的影響,但植被密度也可能在調(diào)節(jié)地表能量預(yù)算中發(fā)揮重要作用.與LAI持續(xù)增加相關(guān)的植被結(jié)構(gòu)和生理變化預(yù)計將影響冠層導(dǎo)電性、空氣動力學(xué)特性和生態(tài)系統(tǒng)的反照率,最終將影響陸地和大氣之間的水和能量通量.

未來的研究方向可以包括對不同植被類型和植被覆蓋度對水熱通量的影響進(jìn)行更細(xì)致的分析,同時可以進(jìn)一步研究水熱通量與土壤有機(jī)質(zhì)和土壤氮素的關(guān)系等.我們還需要進(jìn)一步的完善測量方法和技術(shù),以減少儀器誤差和野外環(huán)境干擾等一系列的問題.

4 結(jié)論

4.1 科爾沁沙地沙丘生態(tài)系統(tǒng)2013～2022 年的年均Rg為1592.77MJ/m2,其中H、LE 和G分別為614.60, 636.22和117.76MJ/m2,表明生態(tài)系統(tǒng)的能量主要以LE 的形式交換.

4.2 波文比日動態(tài)變化曲線呈單峰變化,均在08:00～16:00時大于1,并在12:00前后達(dá)到峰值.在年時間尺度上,生長季月均波文比介于0.97～1.69 之間,年均波文比為1.30.

4.3 OLS 的回歸系數(shù)為0.67、截距為16.95W/m2、相關(guān)系數(shù)(R2)為0.87;年均EBR 為0.87,能量平衡閉合度的殘差為13%.表明利用EC 技術(shù)觀測沙丘生態(tài)系統(tǒng)獲得的通量數(shù)據(jù)是可靠的.

4.4 不同時期的能量通量均與RH 呈顯著負(fù)相關(guān),與VPD、VWC、Ta和Ts呈顯著正相關(guān),且相關(guān)程度為LE>G>H>Rg.