寒區濕地實際蒸散發動態特徵及影響因素研究
寒區濕地實際蒸散發動態特徵及影響因素研究
韓宇平 1，張麗璇 1，王春穎 1，袁建平 1,2，魏懷斌 1
（ 1.華北水利水電大學，鄭州 450045； 2. 水利部水資源管理中心，北京 100053）
作者簡介
韓宇平（1975-），男，寧夏彭陽人，教授，博士，主要從事水文學、水資源、水生態等方面的研究。
通訊作者：
袁建平（1971-），男，湖北鄂州人，教授，博士，主要從事水資源保護、水生態保護與修復、水土保持等方面的研究。
摘要
為了解寒區濕地實際蒸散發（ ETa）過程，有效利用水資源，基於哈爾濱金河灣濕地 2015 年 8 月—2016年 7 月渦度相關係統通量觀測數據，分析了不同時間尺度下 ETa 變化規律及影響因素。研究期間年 ETa為660 mm，日最高值達 8.1 mm/d，夏季（3.4 mm/d）最高，春季（2.3 mm/d）、秋季（1.4 mm/d）次之，冬季（0.1 mm/d）偏低且變化平穩。 5 月生長期作物係數（ Kc）由 0.95 增加到 1.18 左右， 6月－8 月中旬穩定期 Kc 在 1.05-1.18 之間， 8 月下旬-9 月枯萎期 Kc 由 1.05 減小到 0.85 左右。影響 ETa的主要氣象因素為凈輻射和飽和水汽壓差。不同時間尺度下 ETa與氣象因子相關性略有不同：凈輻射和水汽壓差與 ETa的相關性在兩個尺度上均很顯著，但 30min 尺度凈輻射與 ETa 的相關性更高。溫度與 ETa的相關性在兩個尺度上基本一致，高溫促進 ETa 蒸散發而低溫抑制 ETa 蒸散發。日尺度上空氣濕度與 ETa 在秋、冬季相關性明顯， 30min 尺度上春、冬季相關性明顯。風速與 ETa 僅在 30min 尺度上夏、秋季有一定的相關性。
關鍵詞
渦動相關儀；實際蒸散發量；作物係數；氣象因子
Dynamic characteristics and influencing factors of actual evapotranspiration in
cold region wetland
HAN Yuping1, ZHANG Lixuan1,WANG Chunying1, YUAN Jianping1,2, WEI
Huaibin1
(1.North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou, 450045； 2. Water Resources
Management Center of the Ministry of Water Resources， beijing 100053,China)
In order to understand the actual evapotranspiration（ETa） and to make effective management of water resources in cold region wetland, the variation of ETa and its influencing factors under different time scales in Harbin Jinhewan wetland were analyzed in this study basing on measured data of eddy covariance system from August 2015 to July 2016. The annual ETa was 660mm during the study period, and the maximum daily ETa was up to 8.1mm/d. The ETa in summer was highest (3.4mm/d), followed by spring (2.3mm/d) and autumn (1.4mm/d), while winter (0.1mm/d) was lowest and changed stable.The crop coefficient (Kc) increased from 0.95 to about 1.18 in May (plant growth period). The Kc was between 1.05-1.18 from June to middle of August (plant stable period), and the Kc decreased from 1.05 to 0.85 from late August to end of September (plant withering period).The main meteorological factors affecting the ETa are net radiation and vapor pressure deficit. The correlations between ET a and meteorological factors were analyzed and showed difference at different time scales.The correlation between net radiation and water vapor pressure deficit with ETa was significant at two scales, but net radiation is more related to ET a at the 30min scale.The correlations between temperature and ETa were similar at the two scales, high temperature promotes ETa and low temperature suppresses ETa.The correlation between air humidity and ETa in autumn and winter was obvious at the daily scale, but the correlation between spring and winter was obvious at the 30min scale.The correlation between wind speed and ETa was only related between summer and autumn at 30min scale.
Key words
eddy covariance; actual evapotranspiration; crop coefficient; meteorological factors
濕地既是蓄水池也是水源地，它能更好地調節氣候，從生物多樣性角度來看，儘管淡水濕地覆蓋了地球表面的 1%，但這些濕地提供了世界物種 40％以上的棲息地[1]。目前受自然因素和人類活動影響，全球範圍內濕地退化現象非常突出，出現了濕地面積減少、蓄水量減少、水質惡化、生態系統功能降低及生物多樣性減少等問題[1-3]。中國約有 60%以上的自然濕地屬寒區濕地，寒區濕地在我國占獨特優勢，是極為重要的濕地類型[4-5]。寒區濕地對氣候和環境的變化尤為敏感，退化現象尤為嚴重[6]。濕地水文過程（降雨、徑流、蒸散發及滲流損失等）控制著濕地的生物和化學過程，是影響著濕地功能和演化的最重要的因素[7]。對大多數濕地而言，蒸散發是濕地水循環的重要組成部分和水分損失主要途徑，很大程度上影響著濕地功能[7-8]。
目前，對濕地蒸散發過程的測定方法有許多種，如蒸滲儀法、波文比法、遙感方法、渦度相關法等。針對濕地蒸散發的監測，蒸滲儀法、波文比法、遙感方法與渦度相關法相比存在一些明顯的缺點[9] 。蒸滲儀法成本昂貴且不能計算短時段的蒸散發量，適用於測定小型土壤和植被較長時段的總蒸散發量，對於長度在一周或一周以上時段的蒸散發的測定比較適用。當下墊面處於很濕潤的情況下時，用波文比法計算所得的結果會偏低，導致精度下降。遙感技術在較複雜下墊面的區域應用時，往往精度較低難以達標。渦度相關法具有相對較大的空間代表性，無需經驗參數，計算方法有完善的理論驗證，可以連續觀測實際蒸散發量和氣象要素，精度較高，可以評價不同時間尺度的實際蒸散發特徵及其影響因子，已被許多國家和地區的研究者所採用[9-13] 。然而渦度相關技術在森林和農田生態系統應用較多，在濕地系統中的應用較少[14]。
國內外學者對濕地蒸散發的影響因素開展了大量研究，但仍存在一些不足。作物係數是實際蒸散發量與參考作物蒸散發量的差異，聯合國糧農組織（FAO）推薦的單作物係數參考值往往不適用於植被複雜的濕地系統[8,15]。準確估算濕地系統作物係數可以綜合反映各種環境因素和作物對蒸散發的影響。潮濕的濕地環境下，土壤含水量對蒸散發的影響作用低於氣象因素的影響[8]。影響蒸散發的氣象因素有很多，例如飽和水氣壓差、輻射、溫度、風速和相對濕度等[10,13,16,17]。以往研究表明蒸散量與氣象因子相關關係隨時間尺度變化而變化。然而目前對濕地系統不同時間尺度下實際蒸散發與氣象因子的相關關係的研究較少，不同時間尺度下濕地系統實際蒸散發對氣象因子的響應過程仍不明確[10,13,17,18]。因此基於渦動相關法研究寒區濕地蒸散發特徵及其影響因素對於保護濕地生態環境既有科學意義，更有現實意義。金河灣濕地是典型的北方寒區泛洪平原濕地和河川型濕地。
本文以金河灣濕地為例，基於渦度相關儀通量觀測和氣象站數據，採用偏相關分析方法，初步分析金河灣濕地 2015 年 8 月—2016 年 7 月的實際蒸散發變化規律，探討作物係數和不同時間尺度下氣象因子對實際蒸散發的影響，以期為氣候變化背景下了解寒區濕地實際蒸散發的影響因素及精確估算實際蒸散發量提供理論依據，為寒區濕地生態系統保護和供指導。
1
材料與方法
1.1
研究區概況
金河灣濕地位於中國東北黑龍江省哈爾濱市松花江流域，該地屬於松花江哈爾濱主城區左岸，東經126°30′，北緯 45°47′，海拔 126.77m，面積 1.8×106m2，東西長 3800m，最寬處 1500m。研究區屬於典型的半濕潤溫帶大陸性季風氣候，冬季受蒙古西北氣流控制，同時受東部鄂霍茨克寒流影響，漫長寒冷；夏季多受太平洋西伸北躍西南氣流影響，炎熱多雨；春秋兩季短促多風且乾燥，一年中寒暑溫差較大。 21 世紀以來該地區年平均氣溫約為 5.5oC，呈上升趨勢，年平均降水量約為 500mm，無明顯變化趨勢[19]。金河灣濕地三面環水，河池相通，水陸相連，物種多樣，通過人工輔助措施和自然繁衍，已恢復陸生、砂生、濕生水生植物近 300 多種，主要植物為蘆葦。該濕地是典型的北方寒區泛洪平原濕地和河川型濕地。
1.2
數據來源與處理
1.2.1 數據來源
研究區域日尺度的氣象數據採用中國氣象局哈爾濱氣象站的數據，主要包括凈輻射、平均溫度、相對濕度以及風速等。研究區域 30min 尺度的數據通過全自動渦度協方差開路系統（簡稱渦度相關儀，美國Campbell Scientific 公司生產）測定，包括顯熱通量和潛熱通量。三維超聲風速儀（CSAT-3，CampbellScientific，Logan，USA）觀測三維風速和空氣濕度。30min 平均水熱通量以及其他必要數據的記錄和儲存由 Logger Net 軟體自動完成。研究期間選擇數據較完整一年觀測期（2015 年 8 月至 2016 年 7 月）。
1.2.2 數據觀測與處理
渦度相關儀採集數據的質量控制是數據處理必要步驟。在整個觀測時段內，由於環境因素影響或儀器設備限制等引起的數據記錄缺失較多[20]，因此對搜集到的每 30min 通量數據進行檢查，對原始數據出現的異常值進行判斷並剔除[13,21]。在異常點剔除後，對該點做插值處理。一般來說，當缺失時段大於 2h，採用平均日變化法（MDV）進行數據插補，以保證數據的連續性。用 MDV 方法插補缺失數據時，缺失值用鄰近幾天（窗口）相同時段的觀測值的平均值代替，通常用 7~14 天的窗口[13,22]。
1.3
數據分析方法
1.3.1 實際蒸散發量計算
根據插補後的完整連續潛熱通量數據計算蒸散發量。通過計算潛熱通量和汽化潛熱的比值可得到相應時段中作物實際蒸散發量（ETa），公式如下：
式中： ETa 為蒸散發量(mm/30min)； LE 為時段內潛熱通量(W/m2)； λ 為汽化潛熱(J/kg)。
1.3.2 濕地作物係數的計算
作物係數（Kc）是指實際蒸散發量與參考作物蒸散發量的比值，是聯合國糧農組織（FAO）推薦的標準計算方法，它綜合反映作物本身的生物學特性、產量水平、土壤水肥狀況以及管理水平等的影響[23-25]。其計算公式如下：
式中： ETa 為作物實際蒸散發量(mm)； ETo 為參考作物蒸散發量(mm)。
聯合國糧農組織（FAO）推薦的參考作物蒸散發量（ETo）標準計算方法為Penman-Monteith 公式（簡寫為 P-M）。美國土木工程協會和歐洲研究中均證實不論在乾旱還是潮濕的氣候 P-M 公式的計算相對準確[15,26]。FAO-56 分冊推薦的 P-M 公式為：
式中： ETo 為參考作物蒸散發量(mm/d)； Rn 為作物表面的凈輻射(MJ/(m2/d))； G 為土壤熱通量， (MJ/(m2/d))；U 為 2m 高度的日平均風速(m/s)； T 為 2m 高度處的日平均溫度(oC)； es 為飽和水汽壓， (kPa)； ea 為實際水汽壓(kPa)； Δ 為斜率水汽壓曲線， (kPa/oC)； γ 為濕度常數(kPa/oC)。
1.3.3 偏相關分析
本文以氣象因子（飽和水汽壓差、凈輻射、溫度、空氣濕度、風速）為自變數，以實際蒸散發為因變數，運用 SPSS19.0 進行偏相關分析。偏相關分析中的偏相關係數是在對其他變數的影響進行控制的條件下，衡量多個變數中某兩個變數之間的線性相關程度的指標。所以用偏相關係數來描述兩個變數之間的內在線性聯繫會更合理、更可靠[27]。
2
結果與分析
2.1
實際蒸散發量及作物係數隨時間變化特徵
蒸散發量隨時間變化見圖 1(a)。由圖可見，實際蒸發量與潛在蒸發量的變化趨勢一致，均呈現明顯的季節性變化，夏季實際蒸散發明顯較高（3.4mm/d），春季次之（ 2.3mm/d），秋季（1.4mm/d）冬季（ 0.1mm/d）明顯偏低，整體近似呈「U」型分布。但實際蒸發量波動比潛在蒸發量波動略大。研究時段內實際蒸散發量為 660mm，日內實際蒸散發量最高值可達8.1mm。圖 1(b)是四個代表日的實際蒸散發隨時間的變化規律。整體來看， 2015 年 8 月 15 日的蒸散發量明顯較高， 2016 年 4 月 15 日次之，再次說明夏春季的蒸散發量整體高於秋冬季。另外，實際蒸散發量日變化特徵明顯。 2015 年 8 月 15 日、 2015 年 11 月 15 日、 2016 年4 月 15 日在中午 12 ： 00 左右實際蒸散發量值達到最大而後逐漸降低，而 2016 年 1 月 18 日日內實際蒸散發量變化較為平穩。實際蒸散發量在夜間可能會出現負值，這是由於渦度相關係統受儀器本身、天氣等因素的影響較大。
作物係數數據相應缺失，作物係數在作物生長穩定期曲線不平緩，但整體變化趨勢沒有太大變化，結合相關研究[13-15]可以得出作物在初始期階段（ 5 月 1 日）開始生長，此時土壤含水量豐富（表層凍土開始融化，補給水分），可以充分供應作物生長和土壤蒸發，葉面積指數不斷增加，作物係數隨時間呈增大趨勢，由0.95 增加到 1.18 左右；在作物生長的穩定期（6 月初到 8 月初），葉面積指數不會再有太大的變化，此時作物係數增長到最大值後基本保持平穩，位置在 1.10 左右；到作物生長後期（8 月初至 9 月末），作物進入枯萎期，作物係數由 1.05 減小到 0.85 左右。本研究估算的作物係數可以綜合反映濕地各種環境因素和
植物對蒸散發的影響，未針對濕地每一種植物估算不同生長階段的作物係數。
2.2
氣象因子隨時間變化規律
日氣象因子（飽和水氣壓差、凈輻射、溫度、空氣濕度、風速）隨時間變化見圖 2。由圖 2(a)、 2(b)可看出飽和水氣壓差（ VPD）、凈輻射（Rn）有明顯的季節性變化，變化形狀大致呈「U」型，生長期（5月至 9 月）較高。另外凈輻射在生長季中期（6 月至 8 月）的值高於生長季初期（5 月）和末期（9 月）的值。日內總凈輻射最高值可達 187W/m2。溫度（T）隨時間變化規律與凈輻射的基本一致但稍有滯後，凈輻射在 12 月初期到 12 月末期降到最小值並趨於穩定，但溫度在 1 月末期降到最小值，趨勢近似為不規則的「V」型。空氣濕度（RH）、風速（U）隨時間變化見圖 2(c)，可以看出在觀測時段內空氣濕度的季節變化特徵不明顯，波動相對較小，尤其在冬季階段。觀測期風速的變化趨勢也不明顯，但是變化幅度較大。
為研究日尺度下金河灣濕地實際蒸散發與氣象因子的關係，本研究選擇 2015 年 8 月（夏）、11 月（秋）以及 2016 年 1 月（冬）、4 月（春）四個代表月的數據展開分析。為研究 30min 尺度下氣象因子日內變化規律及實際蒸散發量與氣象因子的關係，選取 2015 年 8 月 15 日、 11 月 15 日以及 2016 年 1 月 18 日、 4月 15 日數據較為完整的四個代表日來反應實際蒸散發與氣象因子的偏相關關係。
2.3
氣象因子對實際蒸散發的影響
2.3.1 日尺度下氣象因子對
實際蒸散發的影響
不同季節蒸散發量與氣象因子在日尺度上的關係見表 1。飽和水氣壓差對蒸散發量既有促進作用也有抑制作用，最大偏相關係數為 0.36。綜合研究區 12 個月的數據，日尺度上飽和水氣壓差對蒸散發量的促進作用在春季比較明顯，其次為夏季，且偏相關係數均為正值。蒸散發量與凈輻射呈正相關，這表明不同季節凈輻射對蒸散發量都是促進作用。2015 年 8月和 2016 年 1 月凈輻射對蒸散發的促進作用不明顯則有其它因素佔主導作用。綜合研究區12 個月的數據，凈輻射對蒸散發量無抑制情況發生，蒸散發量與凈輻射在秋季相關性最為顯著。 2015 年 8 月蒸散發量與溫度的相關性顯著，而其它 3 個月相關性不高，並且偏相關係數為負。蒸散發量與溫度既存在正相關也有負相關，綜合研究區 12 個月的數據，顯著水平最高出現在 2015 年 8 月和 2015 年 12 月此時的偏相關係數分別為 0.40、 -0.45。由此可見研究區冬季氣溫比較低，較低溫度對蒸散發有明顯抑制作用；夏季溫度回升相關性逐漸增強，並且此時的溫度對蒸散發逐漸起到促進作用，蒸散發量與溫度在夏季相關性最為顯著。風速對蒸散發也有相對促進或抑制作用，但相對於其他氣象因子作用較弱，最大偏相關係數為0.24。綜合研究區 12 個月的數據，風速與蒸散發量的相關性在春、秋季最為顯著，其餘季節均無顯著性。空氣濕度與蒸散發量偏相關係數最大值出現在 2015 年 8 月。綜合研究區 12個月的數據，顯著水平最高出現在 2015 年 9 月及 2016 年 2 月，次之為 2015 年 12 月，此時的偏相關係數分別為-0.48、 -0.45、 0.33，蒸散發量與空氣濕度既有正相關也有負相關，秋、冬季相關性最顯著。從不同季節蒸散發量與氣象因子在日尺度上的相關性可看出，夏季影響蒸散發的主要氣象因子為溫度，秋季主要為凈輻射，冬季不明顯，春季主要為凈輻射，其次為飽和水氣壓差和溫度。整個研究期間日尺度下實際蒸散發量與凈輻射的相關關係很強，這與以往基於渦動相關儀和大型稱重式蒸滲儀的研究成果一致（劉國水等，2011）。
本研究發現影響實際蒸散發量的次要因素依次為溫度和空氣濕度，這與該研究中大型稱重式蒸滲儀的研究成果一致，而該研究中渦動相關儀器的研究結果表明影響實際蒸散發量的次要因素依次為空氣濕度和溫度。
2.3.2 30min 尺度下氣象因子對
實際蒸散發的影響
不同季節實際蒸散發與凈輻射在 30min 尺度上的關係見表 2。實際蒸散發量與飽和水氣壓差相關性不顯著。但綜合研究區 12 個月同時段日內數據，實際蒸散發與飽和水氣壓差在冬季相關性顯著，最大相關係數為 0.79（ 2016 年 2 月 15 日）。實際蒸散發與凈輻射相關性顯著，偏相關係數均很高，最高可達 0.97。綜合研究區 12 個月同時段日內數據，實際蒸散發與凈輻射在四個季節的相關性顯著，同時凈輻射對實際蒸散發有明顯促進作用。實際蒸散發與溫度的相關性不顯著。綜合研究區 12 個月同時段日內數據，實際蒸散發與溫度在冬、春季相關性顯著， 2016 年 2 月 15 日最高，次之為 2016 年 5 月 15 日、 2016 年 4 月 15 日和2015 年 12 月 15 日，偏相關係數分別為-0.76、 0.33、 0.27 和-0.25，其餘均無顯著性。實際蒸散發與風速的偏相關係數最高值出現在 2015 年 8 月 15 日。綜合研究區 12 個月同時段的日內數據，偏相關係數最高值分別為 0.75（ 2016 年 3 月 15 日）、 0.65（ 2016 年 8 月 15 日）、0.64（ 2015 年 9 月 15 日）、 0.56（ 2015 年 10 月 15 日）及-0.49（ 2015 年 12 月 15 日）。說明實際蒸散發與風速無季節性變化規律。實際蒸散發與空氣濕度在 2016 年 4 月 15 日相關性最顯著，其次為 2016 年 1 月 18 日綜合研究區 12 個月同時段日內數據，實際蒸散發與濕度的顯著水平最高出現在 2016 年 5 月 15 日、 2016 年 2 月 15 日、 2016 年 4 月 15 日及 2015年 9 月 15 日，偏相關係數為 0.86、 0.67、 0.66 和 0.41，說明春、冬季空氣濕度對實際蒸散發的影響較明顯。從不同季節蒸散發量與氣象因子在 30min 尺度下的相關性可看出，四個季節影響蒸散發的主要氣象為凈輻射和飽和水氣壓差。夏季除了凈輻射，風速也是主要影響因子。春、冬季除了凈輻射，空氣濕度也是主要影響因子。整個研究期間 30min 尺度下，影響蒸散發量的主要因素是凈輻射和飽和水氣壓差；次要因素為空氣濕度和風速。
兩種時間尺度對比發現： 30min 尺度下實際蒸散發與凈輻射及飽和水汽壓差的相關關係強於與空氣濕度及風速的關係，這與日尺度研究結果一致。 30min 尺度下蒸散發量與溫度的相關關係有所下降，並且低於與空氣濕度及風速的相關關係，這與日尺度的研究結果不一致。30min 尺度下蒸散發量與凈輻射的相關關係有明顯提升。兩種尺度下，蒸散發量與風速的相關關係均不明顯，這與以往研究結果一致（李菊等， 2006）。
3
結論
本研究基於哈爾濱金河灣濕地渦度相關儀的通量觀測數據和中國氣象局哈爾濱氣象站數據，分析了寒區濕地實際蒸散發量變化規律與影響因素。年實際蒸散發量為 660mm，日內實際蒸散發量最高值可達 8.1mm，具有明顯的季節性變化。作物係數在生長初期逐漸上升到生長期達到最大值並基本保持穩定，隨後在作物枯萎期逐漸減小。通過分析日尺度和30min 尺度下不同氣象因子（飽和水汽壓差、輻射、溫度、相對濕度及風速）與實際蒸散發量的相關關係，明確了不同時間尺度下影響實際蒸散發量的主要影響因素為凈輻射、飽和水汽壓差和溫度。除氣象因素外，濕地水文狀況和作物種類及生長也可能是影響實際蒸散過程的重要因素，有待於進一步研究。研究結論可以為寒區濕地實際蒸散發的連續動態監測及估算提供科學依據和指導。
參考文獻略
本文內容為錄用首發版，定稿請參見《南水北調與水利科技》2018年第1期。
引用格式：
韓宇平，張麗璇，王春穎，袁建平，魏懷斌. 寒區濕地實際蒸散發動態特徵及影響因素研究[J].南水北調與水利科技，2018,16(1), 28-35.
本期編輯： 阿丹、海超、檬檬
TAG:南水北調與水利科技 |