基于蒸散氣候?qū)W模型的隴中東植被蒸散耗水量研究

摘要：為了研究黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)過程中的耗水量，以隴中東地區(qū)平?jīng)鍪袨槔?，采用蒸散氣候?qū)W經(jīng)驗?zāi)Ｐ头椒ǎ瑢υ摰貐^(qū)不同類型植被生長期（4—10月）的蒸散耗水量進行了分析，結(jié)果表明：不同類型植被生長期（4—10月）的蒸散耗水量存在明顯差異，喬木林gt;灌木林gt;草地，草地蒸散耗水量隨著覆蓋度增大而增加；研究區(qū)7—8月所有類型植被蒸散耗水量均達到最大值；在空間分布上該地區(qū)植被蒸散耗水量的差異主要表現(xiàn)在東西差異上，東部涇河流域喬木林、灌木林和草地蒸散耗水量比西部葫蘆河流域分別高出23.11、21.81和17.91mm，南北差異則不大。

關(guān)鍵詞：蒸散氣候?qū)W經(jīng)驗?zāi)Ｐ?；蒸散耗水量；林草植被；隴中東地區(qū)

中圖分類號：S157文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.03.021

引用格式：沙小燕，王輔，何倩，等.基于蒸散氣候?qū)W模型的隴中東植被蒸散耗水量研究［J］.中國水土保持，2025（3）：78-81.

黃土高原地區(qū)水土流失嚴重，是世界生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一[1]。近年來，隨著植被恢復(fù)等一系列生態(tài)修復(fù)工程的實施，黃土高原地區(qū)水土流失治理程度不斷提高，區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到了一定程度的改善。但水分仍是制約黃土高原大部分植被恢復(fù)的主要原因[2-4]，只有充分考慮植被恢復(fù)與水資源之間的關(guān)系[5-7]，才能更好地推進植被恢復(fù)與重建，實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用與發(fā)展。

相關(guān)研究表明，大規(guī)模植被恢復(fù)會造成區(qū)域水分蒸散發(fā)增加，進而導(dǎo)致土壤有效儲水量減少，徑流量減少，因此隨著生態(tài)需水量的增大，植被恢復(fù)與水資源的矛盾會日益凸顯[8]。黃土高原大規(guī)模植被恢復(fù)產(chǎn)生的生態(tài)水文效應(yīng)必然會對區(qū)域水量平衡產(chǎn)生影響，進一步加劇區(qū)域水資源短缺的態(tài)勢。土壤-植物-大氣系統(tǒng)（SPAC）是地球表層中能量循環(huán)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化最為強烈的活動系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)中水的運動最為活躍，而植被蒸騰、土壤蒸發(fā)在水分運動過程中又有著極為重要的作用，是水量平衡和能量平衡的重要組成部分，同時又與植物的生理活動及植被生產(chǎn)力的形成有著密切的關(guān)系[9-12]。本研究以黃土高原隴中東地區(qū)的平?jīng)鍪袨槔?，以植被蒸散耗水量為研究對象，采用蒸散氣候?qū)W經(jīng)驗?zāi)Ｐ头椒?，對不同類型植被生長期（4—10月）的蒸散耗水量進行分析。

1研究區(qū)概況

平?jīng)鍪形挥诟拭C省東部，地理坐標為34°54′～35°43′N，107°45′～108°30′E。以六盤山為界，平?jīng)鍪形鞑繛楹J河流域，屬隴中黃土丘陵溝壑區(qū)，包括莊浪、靜寧2個縣；東部為涇河流域，屬隴東黃土高塬溝壑區(qū)，包括崆峒、涇川、靈臺、崇信、華亭5個縣（市、區(qū)）。受大陸性季風(fēng)氣候的影響，春旱少雨，夏秋季多東南風(fēng)且雨量大而集中，冬季多西北風(fēng)且干旱少雨雪，屬溫帶半濕潤半干旱氣候區(qū)。多年平均氣溫9℃；多年平均降水量533.1mm，主要集中在6—9月，期間降水量約占年降水量的69.5%，降水區(qū)域分布較明顯，總的趨勢是自東向西、自南向北遞減；多年平均干旱指數(shù)為1.65。

區(qū)域內(nèi)主要土壤類型有黑壚土、黃綿土、黃砂土，受降水和熱量變化影響，植被分布具有明顯的經(jīng)度和緯度差異性變化特征，呈明顯的帶狀分布，表現(xiàn)為中南部種類繁多、西北部較少，植被覆蓋狀況從東南到西北部逐漸稀疏。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)[10-11]，截至2019年底，全市森林面積為354702.23hm2，其中喬木林、灌木林分別為305166.14hm2、49536.09hm2，森林覆蓋率達33.8%，活立木蓄積量達1006.16萬m3；全市草地面積為68572.19hm2，占土地總面積的6.23%，其中天然牧草地為9414.79hm2、人工牧草地為89.56hm2、其他草地為59067.84hm2。平?jīng)鍪辛植莞采w率達50.57%，其中關(guān)山以東的山塬區(qū)和河谷川地區(qū)植被較好，林草覆蓋率為51.31%～78.95%，關(guān)山以西莊浪、靜寧兩縣的丘陵區(qū)和河谷川地區(qū)植被較差，植被覆蓋率僅為18.84%～35.47%。

2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源與處理

2.1氣溫數(shù)據(jù)

采用1971—2000年4—10月的多年平均月均氣象統(tǒng)計資料，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

2.2降水量

平?jīng)鍪懈餍姓^(qū)植被生長期多年月平均降水量見表3。

2.3數(shù)據(jù)選取與處理

植被的蒸散耗水量包括林草地地表土壤水分蒸發(fā)量與植物體內(nèi)水分的蒸騰量。根據(jù)平?jīng)鍪兄脖坏纳飳W(xué)特性，90%以上的植被蒸騰主要發(fā)生在植被生長期（4—10月）內(nèi)；植被休眠期（11月至翌年3月）地表土壤的水分蒸發(fā)雖然仍在進行，但這一階段土壤蒸發(fā)量很少，同時冬季和初春降水對土壤水分的補充完全可以達到水量平衡，土壤蒸發(fā)量可以忽略不計。因此，本研究中主要選取植被生長期（4—10月）的蒸散耗水量進行研究。

利用MicrosoftExcel2019軟件進行數(shù)據(jù)整理及作圖。

2.4經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

本研究采用蒸散氣候?qū)W經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚13-16]得到地表蒸散量數(shù)據(jù)，公式為

式中：Ea為地表蒸散量，單位mm；Q為降水量，單位mm；w為植物水利用系數(shù)，無量綱，喬木林取2.0，灌木林取1.5，高覆蓋度草地（覆蓋度gt;0.5）取0.5，中覆蓋度草地（覆蓋度gt;0.2～0.5）取0.3，低覆蓋度草地（覆蓋度gt;0.05～0.2）取0.2；Ep為地表潛在蒸散量，單位mm。

根據(jù)HAMON模型經(jīng)驗公式計算得出Ep，公式為

式中：d為日照時數(shù)，單位h，取值12h；ρTRHOSA為月平均氣溫條件下的飽和蒸汽密度，單位g/m3；PTESA為溫度T條件下的飽和蒸氣壓強，單位MPa；T為月平均氣溫，單位℃。

3結(jié)果分析

3.1植被類型及縣域差異對蒸散耗水量的影響

不同類型植被生長期的蒸散耗水量差異較大，圖1為不同區(qū)域不同類型植被生長期蒸散耗水量分布狀況。由圖1可知，平?jīng)鍪芯硟?nèi)喬木林蒸散耗水量平均為216.55mm，灌木林平均為202.33mm，草地平均為164.09mm，其中高覆蓋度草地平均為168.09mm，中覆蓋度草地平均為164.13mm，低覆蓋度草地平均為160.06mm。不同類型植被生長期蒸散耗水量存在明顯的差異，喬木林高于灌木林，灌木林高于草地。草地生長期蒸散耗水量隨覆蓋度增加而增大，高覆蓋度草地大于中覆蓋度草地，中覆蓋度草地大于低覆蓋度草地。

從縣域尺度上來看，喬木林蒸散耗水量按大小依次為靈臺縣234.35mm、涇川縣232.85mm、崇信縣227.18mm、崆峒區(qū)217.46mm、莊浪縣204.28mm、華亭市203.89mm、靜寧縣195.80mm，極差為38.55mm；灌木林蒸散耗水量按大小依次為靈臺縣219.00mm、涇川縣217.68mm、崇信縣212.32mm、崆峒區(qū)203.17mm、莊浪縣190.65mm、華亭市190.60mm、靜寧縣182.86mm，極差為36.14mm；草地蒸散耗水量按大小依次為靈臺縣177.47mm、涇川縣176.09mm、崇信縣171.55mm、崆峒區(qū)164.50mm、華亭市156.45mm、莊浪縣154.88mm、靜寧縣147.72mm，極差為29.75mm。

3.2植被蒸散耗水量在流域尺度上的變化分析

表4為流域尺度上植被生長期蒸散耗水量。由表4可知，涇河流域不同植被類型的蒸散耗水量均比葫蘆河流域的高，其中喬木林蒸散耗水量高23.11mm，灌木林蒸散耗水量高21.81mm，草地蒸散耗水量高17.91mm。平?jīng)鍪兄脖簧L期蒸散耗水量在流域尺度上呈現(xiàn)從涇河流域向葫蘆河流域減少的特征，流域間差異明顯。

3.3植被蒸散耗水量的空間分布特征

表5為植被生長期蒸散耗水量空間差異。由表5可知，研究區(qū)植被蒸散耗水量總體上東部高于西部、南部高于北部。東部喬木林、灌木林和草地生長期蒸散耗水量平均值分別比西部平均高23.11、21.81、17.91mm，而南部喬木林、灌木林和草地生長期蒸散耗水量分別比北部平均高2.06、1.90、2.32mm。因此，研究區(qū)植被蒸散耗水量的差異主要表現(xiàn)在東西差異上，南北差異不大。

3.4植被生長期蒸散耗水量月際變化

受氣溫、降水等因素的影響，植被生長期內(nèi)不同月間的蒸騰速率不同，植被蒸散耗水量差別較大。表6為平?jīng)鍪胁煌愋椭脖簧L期逐月蒸散耗水量。由表6可知，4月萌芽生長階段和10月落葉進入休眠階段的蒸散耗水量均較低，主要原因為：4月植被處在萌芽期尚未形成完整的枝葉，而10月已經(jīng)落葉，從而導(dǎo)致葉面積指數(shù)急劇下降，蒸騰作用大幅下降，大大減少了蒸散耗水量。5月、6月隨著氣溫逐漸升高、降水逐漸增加，大部分植被快速生長，植被自身的蒸騰作用和土壤蒸發(fā)都大大增強，蒸散耗水量大大增加，因此4月到6月植被蒸散耗水量呈逐月增加的變化過程，其中喬木林、灌木林和草地分別增加了74.34%、73.96%和74.37%。7—8月所有類型植被蒸散耗水量均達到最大值，經(jīng)計算，7月和8月兩個月各類型植被蒸散耗水量差異不大，喬木林、灌木林和草地7月實際蒸散耗水量比8月分別高出2.58、2.40和1.94mm。大部分區(qū)域植被的蒸散耗水量從9月開始出現(xiàn)明顯的下降，與8月相比較喬木林、灌木林和草地蒸散耗水量平均下降25.27%、25.05%和23.91%；10月植被蒸散耗水量快速下降至生長期蒸散耗水量最小值。

4結(jié)論

1）研究區(qū)不同類型植被生長期（4—10月）的蒸散耗水量存在明顯差異，喬木林gt;灌木林gt;草地，草地蒸散耗水量隨著覆蓋度增大而增加。

2）研究區(qū)7—8月所有類型植被蒸散量均達到最大值；在空間分布上植被蒸散耗水量的差異主要表現(xiàn)在東西差異上，東部涇河流域喬木林、灌木林和草地蒸散耗水量比西部葫蘆河流域分別高出23.11、21.81和17.91mm，南北差異并不大。

參考文獻：

[1]FUBJ，WANGS，LIUY，etal.HydrogeomorphicecosystemresponsestonaturalandanthropogenicchangesintheLoessPlateauofChina[J].AnnualReviewofEarthamp;PlanetarySciences，2017，45（1）：223-243.

[2]邵蕊.黃土高原大規(guī)模植被恢復(fù)的區(qū)域蒸散耗水規(guī)律及其生態(tài)水文效應(yīng)[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2020：1-4.

[3]葛鵬，周梅，寶虎，等.森林植被蒸散耗水測定方法研究進展[J].內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計，2017，40（3）：101-104.

[4]楊憲龍.黃土高原北部典型灌叢降水再分配特征及其蒸散耗水規(guī)律[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2016：96-98.

[5]王彥輝，熊偉，于澎濤，等.干旱缺水地區(qū)森林植被蒸散耗水研究[J].中國水土保持科學(xué)，2006，4（4）：19-25，32.

[6]豐華麗，夏軍，占車生.生態(tài)環(huán)境需水研究現(xiàn)狀和展望[J].地理科學(xué)進展，2003，22（6）：591-598.

[7]潘迪，畢華興，次仁曲西，等.晉西黃土區(qū)典型森林植被耗水規(guī)律與環(huán)境因子關(guān)系研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，35（4）：16-20.

[8]王讓會，宋郁東，樊自立，等.塔里木流域“四源一干”生態(tài)需水量的估算[J].水土保持學(xué)報，2001，15（1）：19-22.

[9]WANGF，SHAXY，HEQ，etal.EvapotranspirationcharacteristicsofforestandgrassvegetationanditsresponsetoenvironmentalfactorsontheLoessPlateau[J].ScienceDiscovery，2023，11（6）：193-208.

[10]WANGF，SHAXY，HEQ，etal.StudyonecologicalwaterdemandpressureofforestandgrassvegetationconstructioninNorthwestLoessPlateaubasedonfittingverification[J].InternationalJournalofNaturalResourceEcologyandManagement，2024，9（2）：34-50.

[11]WANGF，SHAXY，HEQ，etal.StudyonresponseofevapotranspirationconsumptionofforestandgrassvegetationtonaturalprecipitationinNorthwestLoessPlateau[J].JournalofEnergyandNaturalResources，2024，13（1）：27-49.

[12]魚騰飛，馮起，司建華，等.遙感結(jié)合地面觀測估算陸地生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)研究綜述[J].地球科學(xué)進展，2011，26（12）：1260-1268.

[13]ZHANGL，DAWESWR，WALKERGR.Responseofmeanannualevapotranspirationtovegetationchangesatcatchmentscale[J].WaterResourcesResearch，2001，37（3）：701-708.

[14]閔慶文，耿艷輝.涇河流域草地生態(tài)需水量的估算與分析[J].資源科學(xué)，2005（4）：14-17.

[15]劉增進，柴紅敏，李寶萍.豫西黃土丘陵區(qū)林草植被蒸散耗水量估算研究[J].灌溉排水學(xué)報，2012，31（3）：99-102，138.

[16]于紅博，楊劼，宋炳煜.黃土丘陵溝壑區(qū)植物蒸騰和植被蒸散估算尺度轉(zhuǎn)換模型研究[J].水土保持研究，2010，17（6）：90-94.

（責(zé)任編輯楊傲秋）

收稿日期：2024-08-11

基金項目：2023年甘肅省青年基金項目（23JRRL0006）；2021年平?jīng)鍪锌萍加媱濏椖浚ㄆ娇迫巫浴?021〕2號）

第一作者：沙小燕（1995—），女（回族），甘肅天水人，碩士，主要從事土壤侵蝕過程與機理方面的研究工作。

通信作者：王輔（1969—），男，甘肅靜寧人，高級工程師，學(xué)士，長期從事黃土高原水土保持與生態(tài)環(huán)境建設(shè)研究工作。

E-mail：1039714213@qq.com