基于Shuttleworth-Wallace模型的小泊湖和沙柳河河源区湿地蒸散发模拟研究

陆面蒸散发是生态系统水收支和能量平衡的重要过程,量化蒸散发各组分,对揭示高寒湿地生态水文过程具有重要意义。利用2015年植物生长季的青海湖湿地的监测数据,运用Shuttleworth-Wallace模型,对地处青海湖湖滨的小泊湖湿地和北岸的沙柳河河源区湿地的蒸散发组分进行拆分和模拟。研究结果表明,模拟的蒸散发量与实测值的一致性指数达到0.91;经拆分,在日尺度上,小泊湖和沙柳河河源区湿地植被蒸腾量占蒸散发量的比例(ET_c/ET)平均值分别为16.4%和27.37%,植物生长季逐日ET_c/ET变化曲线呈单峰型,土壤蒸发量占蒸散发量的比例(ET_s/ET)变化趋势与ET_c/ET的变化趋势相反;在整个植物生长季内,小泊湖和沙柳河河源区湿地植被蒸腾量的模拟值分别为74.33 mm和68.84 mm,土壤蒸发量分别为329.43 mm和176.47 mm;表明土壤蒸发是湿地水分消耗的主要方式,其中,小泊湖湿地有明显的水分亏缺,沙柳河河源区湿地有少量水分盈余。     

基于茎干液流法和涡度相关法的小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)群落蒸散特征

运用Dynamax茎流测量系统、涡度相关系统、气象-土壤环境观测系统进行连续观测,利用基径横截面积对单枝茎干液流进行尺度扩展,得到科尔沁沙地小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)群落蒸腾量(T),并与涡度相关系统观测的蒸散发量(ET)进行对比,详细分析了小叶锦鸡儿群落T与ET的变化特征以及群落水分收支状况。结果表明:(1)小叶锦鸡儿群落T、ET日变化趋势基本一致,均值分别为1.61 mm·d~(-1)、2.43 mm·d~(-1);(2)T、ET日内变化曲线分别呈宽幅单峰型、钟型分布,日累积量均呈"S"型增长趋势;(3)不同天气条件下T、ET日变化峰型各异,峰值及总量变化水平晴天高于阴雨天;(4)不同降水事件中,降雨时间不同导致T启动时间推迟或结束时间提前,ET发生时间降水前后无显著差异;降雨量P≤10 mm或P20 mm时,雨后T有所降低,10 mmP≤20 mm时,雨后T显著提高;不同降雨强度下,雨后ET较雨前有所升高,且ET波峰大小与降雨量成正相关;(5)观测期间ET/P为1.04,小叶锦鸡儿群落水分收支基本平衡。     

沙地小叶锦鸡儿群落持续经营的对策

主要研究了极度干旱对小叶锦鸡儿生长的影响及小叶锦鸡儿人工固沙林的密度和现有林的经营利用对策,探讨了干旱条件下土壤水分与植株密度、植被盖度的关系。结果表明:天然群落表现出对干旱条件极强的适应性,人工群落则出现了生长衰退甚至大面积枯萎现象,这主要是由于人工群落密度过大所造成的。轻度放牧可以增加小叶锦鸡儿可食部分,是持续经营利用小叶锦鸡儿群落的有效途径。     

三江平原典型沼泽湿地生态系统水分通量研究

利用野外定位观测数据 ,对三江平原典型沼泽湿地主要界面水分通量进行计算和分析。结果表明 ,2 0 0 3年生长季沼泽湿地系统与大气水分交换量 (蒸散发 )总量为 4 2 4 .7mm ,沼泽湿地水面 -大气水分通量 (水面蒸发 )总量为 2 6 0mm ,沼泽湿地植被 -大气界面水分通量 (蒸腾量 )总量约为 16 4 .7mm ;对沼泽湿地生长季水平衡的计算表明 ,生长季水分亏缺量达 14 0 .5mm ;非生长季大气降水是沼泽湿地生长季生态用水的重要来源。     

浑善达克沙地植物群落物种多样性及环境解释

认识沙地植物群落物种多样性及其与环境的关系,对维护沙地生态系统的结构与功能具有重要意义。本研究基于浑善达克沙地83个样地的群落数据及环境数据,通过数量生态学方法对群落物种多样性及其影响因子进行分析,探讨浑善达克沙地物种多样性特征及其环境解释。结果表明：（1）主要群落有榆树（Ulmus pumila）群落、小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）群落、黄柳（Salixgordejevii）群落及长梗扁桃（Prunus pedunculata）群落等,其中榆树群落分布在降水和土壤养分都比较高的区域,小叶锦鸡儿群落适生生境为降水较少且土壤贫瘠的区域;影响该区群落分布的主要环境因子依次为生长季降水量、生长季温度、土壤全氮和全钾含量,降水量的差异显著影响群落分布格局。（2）浑善达克沙地植物多样性的分布呈现出一定的规律性变化。物种多样性指数均随经度和海拔的增加而增加;Patrick指数与Shannon-wiener指数随纬度的增加呈现减少的趋势;Simpson指数与Pielou指数随纬度增加而增加;Patrick指数、Simpson指数和Shannon-wiener指数与生长季降水量、土壤有机碳和有效氮含量呈显著正相关,与生长季均温、≥0 ℃积温、生长季风速呈显著负相关,所有环境变量与Pielou指数均无显著相关性。研究结果阐明了浑善达克沙地物种多样性及植物群落分布的规律以及与关键环境因子之间的关系,有利于提高沙地植物多样性和稳定性,增强沙地植被的生态功能。     

新疆焉耆盆地农田耗水有效性评价

西北干旱地区受监测资料匮乏等因素,难以实现区域尺度的水资源消耗效用评价。使用MODIS遥感数据驱动混合双源梯形蒸散发模型（HTEM）,对焉耆盆地陆面蒸散发的时空过程进行了连续模拟,并对灌区耗水量进行有效性评价。结果表明：（1）2013—2020年焉耆盆地灌区多年平均蒸散发为624.4 mm,其中作物生育期4—10月蒸散发占全年的89.6%。（2）焉耆盆地灌区植被蒸腾与土壤蒸发多年平均分别为508.9 mm和115.5 mm,各占总蒸散发的81.5%和18.5%。（3）焉耆盆地灌区多年平均蒸散发耗水量13.82×108m3,其中高效、中效和低效耗水分别占总耗水量的81.5%、5.6%和12.9%,且耗水有效性与植被覆盖度密切相关。在区域尺度以时空连续的方式揭示了焉耆盆地灌区蒸散发水分消耗的有效性,可为干旱区水资源管控提供可靠的理论依据。     

基于SWAT模型的晋江流域土地利用变化对水文过程影响分析

为了进一步揭示晋江流域土地利用变化的水文效应,基于SWAT模型,分别模拟了1985年和2006年2种土地利用条件下,2002—2010年气象条件时的年、月水文过程,以定量分析土地利用变化对流域年、月的蒸散发、土壤剖面渗漏、地下径流和地表径流的影响。研究表明:与1985年土地利用相比,在2006年土地利用涵养水源能力较好的林草地减少了,而不透水面积的增加,降低了流域的降雨截留能力和土壤下渗能力,地表蒸散发量和地下水随之减少,而减小的水量则转为地表径流直接汇入河道,其中晋江全流域的蒸散发量、土壤渗漏量和地下径流量年平均减少11.86 mm、48.86 mm和25.62 mm,年平均减少幅度分别为2.23%、11.27%和16.69%,而地表径流量年平均增加76.06 mm,年平均增幅为26.12%;土地利用变化的水文过程效应与年内降水分布具有密切的关系,降雨量越小,蒸散发和地表径流的效应越显著,而土壤剖面下渗和地下径效应则相反。     

基于CLM模型的月尺度中亚陆表蒸散和土壤水分模拟估算

论文基于CLM 4.5模拟1980—2009年月尺度中亚陆表蒸散发和土壤水分,并和GLDAS、GLEAM数据产品进行对比,结果表明CLM 4.5模拟的蒸散和土壤水分区域平均值和其他产品具有较好的一致性。从CLM 4.5模拟的陆表蒸散结果分析可知：全年蒸散大部分集中于春夏2季,在5月达到一年的最大值,夏季中亚的蒸散高值区集中在哈萨克斯坦北部和东北部、东南部的山地区,对应主要的农田区和林地区,植被蒸腾占主导因素;春季东南部天山山脉和帕米尔高原是蒸散高值区,主要因为该地区春季降水量较大,且积雪开始融化,水量充足,地表蒸散发充分;蒸散低值区主要在西南的土库曼斯坦和乌兹别克斯坦,地表覆盖以荒漠为主,植被覆盖较少,降水也较少,导致地面蒸散量较低。模拟的表层土壤水分结果表明：冬季陆面蒸散低,降水大多储存在表层土壤内或者以积雪的形式覆盖在地面上,春季气温升高,积雪融化下渗到土壤中,土壤水分持续增加,4月份达到峰值;夏季蒸散增加,降水减少,土壤水分持续下降,9月份达到最低值;进入秋冬季后蒸散降低,土壤水分呈上升趋势。中亚土壤水分高值区集中在北部和东北部的林地、农田区,以及天山山脉和下游的阿姆河、锡尔河流域区,西南部的荒漠区依然是低值区。一年中,夏季降水较少,由于地面蒸发的作用,土壤水分持续较少,蒸散也随之降低。三者之间相关性很高;冬季降水和土壤之间的相关性较高,尤其是裸地区;在植被覆盖较大的情况下,春季降水和蒸散相关性较高,土壤水分和降水、蒸散之间相关性较低,会出现负相关情况。CLM 4.5模拟的结果为进一步中亚地区的水问题研究奠定基础。     

降水量和短期极端干旱对典型草原植物群落及优势种羊草(Leymus chinensis)叶性状的影响

植物叶性状在植物响应环境变化中具有重要作用。在气候变化的背景下,典型草原植物叶性状如何响应降水格局与短期极端干旱还不十分清楚。利用野外控制试验,研究了降水量(323 mm和236 mm)和短期极端干旱(生长季减雨66%和生长季干旱60 d)对典型草原植物群落及优势植物羊草(Leymus chinensis)叶性状的影响。结果表明:降水格局显著影响着植物群落和羊草的叶性状(P0.05),短期极端干旱对典型草原群落和羊草叶面积具有显著影响(P0.05)。随着降水量的减少,群落和羊草的叶面积与叶干物质含量降低,而比叶面积与叶片氮含量增加。降水格局与短期极端干旱交互作用显著影响着群落的叶面积与叶片氮含量(P0.05),323 mm降水量下短期极端干旱显著降低了叶面积,266 mm降水量下生长季干旱60 d增加了叶片氮含量。降水格局与短期极端干旱交互作用也显著影响着羊草叶面积与比叶面积(P0.01),323 mm降水量下短期极端干旱降低了叶面积,266 mm降水量下生长季干旱60 d显著增加了比叶面积。回归分析表明,不同处理下羊草叶面积、叶干物质含量、叶片氮含量能较好地解释群落叶性状。典型草原植物群落通过优势植物的主要叶性状改变来适应降水格局变化,而通过叶面积改变来适应短期极端干旱。     

无定河流域水量平衡变化的模拟

利用黄土高原无定河流域1982~1991年的水文气象、土地利用、土壤质地、数字高程和NOAA-AVHRR遥感信息,建立基于土壤-植被-大气传输机理的分布式生态水文模型,模拟流域水量平衡的时空分布。研究结果发现,该流域的年平均植被指数(NDVI) 的年际变化不明显,但NDVI最大值的年际变化显著。该流域年累计NDVI与降水年总量关系不明显,说明该流域植被的生长并不完全受控于降水总量。模拟的实际蒸散量用无定河及其岔巴沟子流域实测降水与实测径流的差值进行验证,误差小于5%。整个流域模拟时段的平均降水量为372±53 mm yr-1,实际蒸散量为334±33 mm yr-1,其中蒸腾为130±21 mm yr-1,有明显的年际波动。地表径流的年际变化相对较小。蒸散发的季节变化特征与降雨基本一致,即7、8、9月雨季高,其他月份低。降水量和实际蒸散量呈现显著的空间分异性,表现出由东南(高NDVI) 向西北(低NDVI) 递减的梯度差异。地表径流的空间分异亦沿东南-西北梯度变化,但高值分散在中部。以岔巴沟子流域1991年的地表覆被度为基准,发现在全流域都覆盖上某一种植被的情况下,蒸腾和土壤蒸发的变化非常明显,地表径流和实际总蒸散的变化并不显著。只有在全流域都变成荒漠情景下,实际总蒸散才显示出较明显变化(17%),表明在西北干旱半干旱区,土地利     

极端干旱区天然植被耗水规律试验研究

采用自动控制仪器对极端干旱地区不同植被的单株和群落的蒸散发进行了长期的试验研究。结果表明:胡杨在生长期内单位叶面积上月蒸腾量8月最大,10月最小,蒸腾量呈单峰型,在4—5月树干单位面积液流通量为0.13~0.15 L·cm-2·d-1,6月为0.294 L·cm-2·d-1。在晴朗无云的条件下,柽柳灌丛蒸散速率变化呈单峰型,在生长季节日蒸腾量为63.48 L,平均日蒸腾量为0.349 L。梭梭日蒸腾量与土壤含水量有密切的关系,在生长期总蒸腾量为344.66 L。骆驼刺、苦豆子和胖姑娘蒸腾量月变化具有共性,各月和年蒸腾量的总量骆驼刺最大,苦豆子居中,胖姑娘最小。最后推算额济纳三角洲全年植物蒸散发总量为2.43亿m3。该定量数据的测定为确定区域层面上的需水量和区域生态需水计算奠定基础。     

红砂(Reaumuria soongorica)、珍珠(Salsola passerine)蒸腾耗水规律的尺度整合

利用LI-6400XT便携式光合仪和大型称重式蒸渗仪研究红砂(Reaumuria soongorica)、珍珠(Salsola passerina)灌丛在干旱和湿润条件下的蒸腾耗水特征,并探讨从叶片到灌丛尺度转换中,在非破损状态下植物叶面积的可靠测定方法。结果表明:用图像法获得非破损状态下植物叶面积是可行的,基于植物叶面积通过尺度转换得到灌丛尺度的蒸腾量与蒸渗仪测定的蒸腾量具有较高一致性(r=0.9752,P<0.01)。干旱条件下,红砂蒸腾速率的日变化呈单峰曲线,主要影响因素为气孔导度(P<0.01);湿润条件下,红砂和珍珠蒸腾速率的日变化均呈单峰曲线,主要的影响因素为气孔导度、空气相对湿度、饱和蒸汽压亏缺和光合有效辐射(P<0.01)。珍珠水分利用效率和气孔限制值均高于红砂。此外,干旱条件下红砂的水分利用效率和气孔限制均高于湿润条件。通过尺度转换得到的灌丛尺度的蒸腾量和蒸渗仪测定的蒸腾量的结果均表明,红砂的蒸腾量始终大于珍珠,且随土壤湿润状况的改善而增大。红砂灌丛蒸腾量与蒸散量之比在干旱条件下(T/ET=21%)较湿润条件下高(约2%)。同时,红砂灌丛T/ET高于珍珠灌丛。因此,基于图像法获得的叶面积参数可用于从叶片(便携式光合仪法)到植株及灌丛水平(称重式蒸渗仪法)的植物蒸腾耗水尺度转换研究。     

古尔班通古特沙漠南缘丘间地梭梭群落蒸散特征

根据2016年古尔班通古特沙漠南缘丘间地梭梭生育期定点观测的土壤水分、气象要素等资料,基于水量平衡原理估算了梭梭生育期蒸散量,分析了蒸散变化规律。结果表明：（1）在梭梭生长季,降雨量为206.7 mm,降雨分布不均,梭梭萌发期,降雨量最多;梭梭生长旺盛期,月降雨量逐月减少;梭梭枯落期,降雨量最少。（2）在梭梭生长季,梭梭群落0~400 cm土壤贮水量变化整体呈下降趋势,梭梭萌发期是土壤贮水量盈余期,生长旺盛期和枯落期为土壤贮水量亏损期;梭梭群落发挥土壤水库效应,依靠生长季前土壤蓄水来弥补梭梭群落生长季需水缺额。（3）在梭梭生长季,蒸散量变化特征为多峰曲线,峰值主要出现在降雨集中期,最低值出现在土壤贮水量亏损期。（4）在梭梭生长季,梭梭群落累积蒸散量增幅始终高于累积降雨量增幅,累积蒸散量大于累积降雨量。     

1960—2017年艾比湖流域实际蒸散量与气象要素的变化特征

传统估算蒸散发的方法大都基于局地尺度,而在生态水文发生剧烈变化的资料稀缺流域背景下,充分考虑流域下垫面的空间变异性的陆面过程模型为流域长时序、大尺度及连续模拟实际蒸散量提供了新途径。以艾比湖流域为研究区,应用可变下渗能力模型（VIC）模拟1960—2017年艾比湖流域的水文过程,探讨研究区值实际蒸散发量的年、月、日时空变化规律,并运用小波分析方法对5个气象要素及研究区实际蒸散发量的模拟值进行多尺度特征分析,结果表明：① VIC在温泉和博乐的径流纳什效率系数（NSE）分别为0.09和0.23,模拟效果较为满意;VIC实际蒸散量的模拟值与理论计算值,R²达0.80,均方根误差（RMSE）为31.76 mm a^-1,NSE为0.32,模拟效果相对较好;② 时间尺度上,艾比湖流域58 a来年际实际蒸散量呈上升趋势,年均实际蒸散量以1.03 mm a^-1的速率递增;月值和日值蒸散量均呈单峰趋势;且年代际变化中5—7月的实际蒸散量在20世纪90年代和21世纪呈现下降趋势,20世纪70年呈现上升趋势,而其余月份无明显变化;③ 空间分布上,艾比湖流域内实际蒸散发量总体上呈现高海拔及其附近地区蒸散强烈,从春季到夏季,强蒸散区由西北向东南转移,年实际蒸散量空间分布与春夏季分布一致;④ 艾比湖流域实际蒸散发量与各气象要素在时频域中均存在1~4个显著性周期,且在一定尺度的周期上,平均风速、平均温度以及日照时数超前于实际蒸散量变化,而年降水量和相对湿度滞后于实际蒸散量变化,受降水影响实际蒸散发1965年和2003年发生1 a周期的“强—弱”转换,受相对湿度影响实际蒸散量在1965年和2008年发生2~4.5 a周期的“强—弱”转换。     

黄土高塬沟壑区绿水变化趋势及驱动因素分析

绿水是维持黄土高原陆生生态系统用水的重要水源,它与植被的生长密切相关,分析绿水的变化特征并探讨影响其变化的因素有助于解决干旱半干旱地区水资源短缺以及生态环境安全问题。以黄土高塬沟壑区典型流域——砚瓦川流域为研究对象,采用傅抱璞模型评价了该流域1981—2016年的绿水资源量,利用Mann-Kendall统计检验和滑动F检验法对绿水量进行了趋势分析和突变检验,并用弹性系数法对影响绿水量的气候因素和下垫面因素进行了敏感性分析,最后基于水热耦合平衡方程对流域绿水变化进行了归因分析。结果表明:(1)流域多年平均绿水资源量为503.7 mm,呈小幅上升趋势,2003年发生突变,突变之后绿水量呈波动增长趋势;(2)在气候影响因素中,绿水对降水最为敏感,潜在蒸散发次之;(3)在气候变化和土地利用综合影响时,绿水对降水最为敏感,其次是下垫面参数,而对潜在蒸散发的敏感度最小;(4)气候变化和土地利用变化对绿水变化的贡献率分别为:74.42%和25.58%,表明气候变化是导致绿水变化的主要因素,其中降水和潜在蒸散发变化对绿水变化的贡献率分别为75.63%和-1.21%。     

基于地下水位与土壤含水量的地下水蒸散发估算北大核心CSCD

地下水蒸散发(Groundwater evapotranspiration,ET_(g))是地下水浅埋环境中垂向水文循环的重要组分,是干旱区地下水主要的自然排泄方式(>70%)。准确估算ET_(g)对科学管理干旱区农业与水资源、合理保护和修复地下水依赖型植被意义重大。本文基于地下水位和土壤水分波动方法估算了甘肃临泽县锁龙潭湿地附近的沙枣(Elaeagnus angustifolia)林2017—2018年生长季(4月15日至10月15日)的ET_(g)。结果表明:(1)2017、2018年生长季ET_(g)分别为275、511 mm,在实际蒸散发(ETa)中分别占73%、87%;其中7—8月约占整个生长季ET_(g)的48.2%、48.4%,大致与地下水位变化及植被生长过程同期。(2)ET_(g)及其占总蒸散发的比例与潜在蒸散发、土壤储水量、地下水位正相关(P<0.05),这3个要素对ET_(g)的方差解释率均较高(2017年48%、21%、31%,2018年24%、24%、52%)。(3)数据驱动方法在荒漠绿洲过渡带地下水浅埋环境ET_(g)量化评估中虽然可行,但时间分辨率较低,融合机制模型的数据驱动方法是未来提高ET_(g)估算精度的重要思路。     

基于SWH模型的青藏高原高寒草甸蒸散发及其组分变化分析

基于Shuttleworth-Wallace Hu（SWH）双源蒸散模型对青藏高原那曲、纳木错、藏东南站蒸散发进行估算,在结果验证良好基础上,对青藏高原蒸散发变化特征及各站主要影响因素进行了分析。结果表明：SWH模型在青藏高原3个草甸站适用性良好;年蒸散发介于388~732 mm之间,年内分布呈先增大后减小特征;3站蒸散发组分差异较大,那曲站和纳木错站土壤蒸发对蒸散总量的贡献分别为53%和56%,藏东南站蒸散发则几乎全部由植被蒸腾贡献,占比高达95%;植被叶面积指数为3站蒸散发最主要的影响因素,饱和水汽压差对藏东南站蒸散发影响也较大。研究结果可对青藏高原蒸散发及其组分时空格局与水循环过程研究提供科学依据。     

生长季流动沙地水量平衡研究

利用水分分配箱对流动沙地土面蒸发量和入渗补给量的月动态特征及其水量平衡作了定量研究。结果表明:①生长季流动沙地土面蒸发量从４月开始逐渐增大,至８月达到蒸发的最高点,９月蒸发量开始回落;5月、6月受气温的影响蒸发量相对较小,只占到同期降水量的30%~40％,有利于土壤储存更多的水分;生长季总蒸发量为167.42 mm,占同期降水量的76.07％,远小于固定沙地小叶锦鸡儿灌丛蒸散量占同期降水量的135.83％的比值。②补给量从4月开始逐渐增大,8月达到最大值16.79 mm,进入9月,随着降水量的减少以及8月较大的蒸发消耗,补给量迅速减少。补给系数从5月至8月逐渐增大,最大值可达到26.73％,平均值为15.09％。     

区域土壤植被系统蒸散发二源遥感估算

针对干旱半干旱复杂地形区地表起伏、覆被不均一、植被稀疏的特征,论文对N'95二源遥感模型中地表净辐射计算方案以及地表反照率、零平面位移、动量粗糙长度、热量粗糙长度、动量和热量的稳定度校正项、土壤表面的空气动力学阻抗等算法有针对性地进行了修改.利用修改后的N'95模型,选择位于黄土高原的地表起伏大,植被稀疏的陕甘宁交界区为研究区,计算了研究区的土壤蒸发、植被蒸腾和土壤一植被总蒸散发;并利用附加阻抗法计算实际蒸散发的方法对N'95二源模型法遥感估算结果进行了间接精度评价,比较验证表明N'95二源模型法估算的蒸散发结果合理,精高较高.     

泾河上游流域实际蒸散量及其各组分的估算

利用分布式生态水文模型SWIM,基于泾河上游(泾川测站以上) 植被、土壤、气象和水文数据对研究区进行了水文过程的模拟,从而估算了流域的实际蒸散量及其各组分。结果表明：SWIM模型能够较好的模拟泾河上游流域的水文过程,模拟的流域多年(1997-2003 年) 平均实际蒸散量为443 mm,其中土壤蒸发量为259 mm,植被蒸腾量为157 mm,冠层截持量为27 mm。石质山区的森林覆盖区和非森林地的年蒸散总量在整个流域分别具有最大值和最小值,为484 mm和418 mm;黄土区实际蒸散量介于二者之间,平均为447 mm。森林覆盖地区土壤蒸发明显小于其它区域,而蒸腾和冠层截留明显大于其它区域。年内蒸散量主要集中在5-8 月份,占全年总蒸散量的60%,且冠层蒸散比例较大达63%。整个流域湿润年份较干旱年份蒸散量增加了78 mm,其中土壤蒸发增加最多,其次是冠层蒸腾,冠层截留蒸发最小。