黃土高原植被生理過程和蒸散量計算方法及變化特征研究.pdf

1、黃土高原是我國獨特的地理和生態(tài)環(huán)境區(qū)域,有關該地區(qū)陸面植被生理過程和水分過程的研究是黃土高原陸面過程研究亟待解決的科學問題。本文以黃土高原主要農作物為代表分析了植被生理特征對微氣象條件、微集雨壟溝覆膜方式的響應規(guī)律，評估了國際上主要蒸散量估算模型在黃土高原的適用性，并在此基礎上發(fā)展了黃土高原蒸散量估算方法，基于此方法分析了黃土高原近30年蒸散量時空分布特征及其影響因素，同時，也利用觀測資料分析了蒸散量年際變化及其植被生理調控。
　

2、　本研究主要內容包括：⑴通過大田試驗，分析了大田條件下春小麥旗葉抽穗期和灌漿期光合生理特征的動態(tài)變化規(guī)律，及對空氣溫濕度的響應及其閾值，探討了自然條件下光合作用的氣孔與非氣孔限制特征。研究發(fā)現(xiàn)抽穗期凈光合速率與空氣溫度成負相關，灌漿期凈光合速率與氣溫成二次曲線相關，閾值溫度為23.0℃。蒸騰速率與空氣溫度都成單峰型關系，閾值空氣溫度抽穗期為21.7℃，灌漿期為23.4℃。氣孔導度與空氣溫度成二次曲線關系，閾值溫度在抽穗期灌漿期分別為21

3、.0℃和24.0℃。凈光合速率與空氣相對濕度成極顯著正相關，蒸騰速率、氣孔導度與空氣濕度呈正相關。春小麥旗葉光合作用在抽穗期和灌漿期均出現(xiàn)明顯的氣孔限制，但出現(xiàn)限制時段不同，抽穗期主要出現(xiàn)在下午，灌漿期主要是中午較強。抽穗期氣孔導度對飽和水汽壓差更敏感，該生育期下午出現(xiàn)更為明顯的氣孔限制。灌漿期中午出現(xiàn)較為明顯的光合“午休”現(xiàn)象，其主要原因是較大 VPD和強烈的輻射致使氣孔關閉，氣孔限制非常明顯，并且非氣孔限制因素也較為突出。從抽穗期至

4、灌漿期，由于氣孔對飽和水汽壓差敏感性的下降以及“午休”策略，光合氣孔限制逐漸減小，是春小麥在半干地區(qū)維持較高光合速率，保證產量的重要自適應機制。⑵微集雨技術是旱作農業(yè)重要栽培技術，近年來發(fā)展十分迅速，為探究土壤-植被水分特征及水分運移對壟溝微集雨的響應，以平地不覆膜為對照，研究了馬鈴薯葉片和土壤水勢水勢對不同溝壟和覆膜方式的響應。不同溝壟和覆膜方式在不同土層和不同生育期對土壤和葉片水勢的影響差異顯著。各處理土壤水勢表現(xiàn)出2種日變化特征：

5、0～20 cm土層，開花期土壟處理、塊莖膨大期土壟和膜壟處理、成熟期膜壟和全膜雙壟溝播處理為先下降后上升型，其余的為逐漸下降型；20～40 c m土層，各處理土壤水勢呈逐漸下降趨勢。葉片水勢表現(xiàn)出兩種日變化特征：開花期和塊莖膨大期表現(xiàn)為雙低谷型，雙低谷分別在13:00和17:00，成熟期為“V”型，即單低谷型，低谷出現(xiàn)在17:00。各處理葉片水勢日變化特征相同，但水勢大小存在差異：在水分關鍵期（開花期和塊莖膨大期）土壟葉片水勢顯著高于其

6、他處理，而成熟期則是全膜雙壟溝播最高。隨著生育期進程土壤水勢和葉片水勢均表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢。20～40 c m土層對葉片水勢影響最大，土壟處理在該土層具有最高的水勢。較強的蒸騰作用加速了土壤-植被-大氣連續(xù)體的水分運移速率，是導致膜壟和全膜雙壟溝播處理水勢低于土壟的主要原因。⑶通過評估目前國際上主要的八個ET模型在黃土高原地區(qū)的效果發(fā)現(xiàn)，各模型整體估算效果從最好到最差的排序為：改進的Priestley-Taylor模型（PT-JP

7、L），Yao等改進的PT-JPL模型(M1-PT-JPL)，CLM，Garcia等改進的PT-JPL模型(M2-PT-JPL)，改進的Penman-Monteith模型(RS-PM)，經驗模型(Wang)，平流—干旱模型(AA)和能量平衡模型(SEBS)。所有模型冬季、夏季估算效果均表現(xiàn)不佳，而春季、秋季估算效果較好。考慮不同下墊面狀況，Wang、RS-PM、PT-JPL、M1-PT-JPL和M2-PT-JPL模型估算效果在農田更好，而

8、AA、SEBS和CLM估算效果則在草地更好?？紤]不同氣候，PT-JPL和Wang模型估算效果在半干旱地區(qū)比半濕潤地區(qū)好，而 C LM、SEBS和 RS-PM模型則相反，AA、M1-PT-JPL和 M2-PT-JPL模型在半干旱和半濕潤地區(qū)估算效果相似。各模型估算效果受不同年降雨量條件影響較大：Wang模型在一些降雨量條件下估算效果較好，但在其它降水量下可通過重新校正其經驗參數(shù)獲得較好結果；P T-JPL模型估算效果在普通降水量條件下較好

9、且較為穩(wěn)定，但在異常高的降水量條件下導致估算效果降低；兩個改進PT-JPL模型繼承了PT-JPL模型較為穩(wěn)定的特點，通過修改土壤濕度限制因子，在異常高降水量條件下估算效果得到提升；RS-PM模型更適合于較大年降水量條件，因為基于VPD的地表阻抗更適用于濕潤環(huán)境。AA模型估算效果在較大降水量條件下減弱，因為互補理論更適用于干旱環(huán)境。SEBS模型在600 mm年降水量下估算效果最好。C LM在年降水量大于600 mm時估算效果最好，在年降水

10、量小于600 mm時估算效果僅稍有減弱。CLM是適用于所有年降水量條件的最佳估算模型，其次是 PT-JPL，它也具有較好的估算效果并且模型結構更簡單。⑷對比CLM(Community Land Model)模擬蒸散量和地面實測蒸散量發(fā)現(xiàn)。CLM模擬蒸散量在半濕潤地區(qū)較精確,在半干旱地區(qū)誤差較大,而這種誤差與植被指數(shù)呈正相關關系,與不同氣候區(qū)植被的生理響應特征密切相關.雖然CLM考慮了植被生理生化過程，但并沒有考慮不同氣候區(qū)植被的生理過程

11、的差別。于是,在考慮植被生態(tài)氣候效應后,基于 CLM模式模擬資料和衛(wèi)星遙感植被指數(shù)建立了一種黃土高原蒸散量新估算方法,該方法考慮了不同干濕氣候區(qū)植被生理特征的特性,在一定程度上彌補了 CLM植被生理過程參數(shù)化方案不夠完善引起的模擬蒸散量的較大不確定性,對半干旱地區(qū)蒸散量估算效果有明顯改善:與觀測值相關系數(shù)提高了0.07,均方根誤差減小了6.2 mm,相對誤差減小達13.9％。⑸利用黃土高原地表蒸散量、氣象和生態(tài)觀測數(shù)據，分析了蒸散量的年

12、際變化特征及其生理生態(tài)調控。黃土高原地表蒸散量具有明顯的年際變化特征（~19.5%）。參考蒸散量、降水量、土壤含水量、NDVI和冠層導度等環(huán)境因子也表現(xiàn)出較為明顯的年際變化特征，NDVI的年際變化幅度相比其他因子較弱。降水量是蒸散量年際變化的原始強迫因子，N DVI和冠層導度在調控地表蒸散量過程中起著重要作用，它們消弱了土壤濕度與蒸散量的直接相關關系，導致土壤濕度與蒸散量表現(xiàn)出弱相關性。在各生態(tài)系統(tǒng)中，土壤濕度和空氣水汽壓通過植被生理生

13、態(tài)響應影響蒸散量。在半干旱地區(qū)，不同生態(tài)系統(tǒng)具有不同的生理生態(tài)調控機制：半干旱草地冠層導度對土壤濕度和空氣水汽壓響應敏感，從而有效的調節(jié)蒸騰速率；半干旱農田N DVI對土壤濕度和空氣水汽壓響應敏感，N D VI的年際變化主導著冠層導度的年際變化，從而調控蒸散量。這意味著蒸散量在半干旱農田具有較強的生態(tài)調控，而半干旱草地具有較強的生理調控。在半濕潤農田雖然N DVI對土壤濕度響應敏感，但由于較好的水分條件，植被的生理生態(tài)調控作用較弱。⑹利

14、用新建立的蒸散量計算方法估算了黃土高原地區(qū)1982-2013年地表蒸散量,并分析了蒸散量時空變化特征及其影響因素。黃土高原平均年蒸散量由東南向西北逐漸遞減,蒸散量變化范圍為50-500 mm之間,區(qū)域平均蒸散量為299.5mm.半濕潤的天水地區(qū)和黃河、渭河及洛河交匯地區(qū)為蒸散量的高值區(qū).近31年黃土高原地區(qū)年平均地表蒸散量呈下降趨勢,平均下降速率為-1.65 mmyear-1,反映出黃土高原水循環(huán)減弱.80年代、90年代蒸散量下降較小,

15、本世紀00年代下降幅度較大.蒸散量在90年代波動幅度明顯大于其它年代,這種劇烈波動體現(xiàn)了水循環(huán)失衡.各季節(jié)變化趨勢差異較大,除秋季微弱上升之外,其余季節(jié)均下降.夏季蒸散量約占全年蒸散量一半,其下降趨勢主導了全年蒸散量的變化.春季下降趨勢較小,但波動幅度大.冬季蒸散量很小,呈微小的減少趨勢.不同氣候區(qū)下,半干旱地區(qū)較半濕潤地區(qū)蒸散量下降速率大.局地蒸散量氣候傾向率與平均降水量密切相關:平均降水量小于400 mm的地區(qū),氣候傾向率為負值;平

16、均降水量介于400 mm-600 mm的地區(qū),氣候傾向率正負值均存在,是正負轉變的過渡區(qū);平均降水量大于600 mm的地區(qū),氣候傾向率為正值.蒸散量在降水量小的地區(qū)減小,在降水量大的地區(qū)增大,導致在黃土高原形成兩種相反的反饋機制,這反映了水分和能量對蒸散量變化的綜合作用。⑺利用CLM和PT-JP L兩種方法估算了1982-2011年全球典型半干旱地區(qū)蒸散量。近30年全球典型半干旱地區(qū)蒸散量均呈下降趨勢，其中，北非半干旱區(qū)下降速率最快，達

17、-8.6 mm/year，南非半干旱區(qū)下降最慢，約為-0.7 mm/year。與全球典型半干旱地區(qū)相比，黃土高原近30年蒸散量下降速率低于北非、澳大利亞，與南美下降速率相當，大于北美、東亞、中亞半干旱區(qū)。黃土高原地區(qū)在同緯度半干旱地區(qū)中蒸散量下降速率最大，約為-3.7 mm/year。黃土高原、東亞、中亞和南非夏半年下降趨勢明顯，但冬半年下降趨勢不明顯，而北美、南美、北非、澳大利亞冬半年和夏半年均表現(xiàn)出明顯的下降趨勢。控制蒸散量的3個基