黄土丘陵沟壑区植物蒸腾和植被蒸散估算尺度转换模型研究

【摘要】： 水循环是全球气候系统中的一个主要部分,在水循环的几个环节中,蒸散占着特别重要的地位,热量的释放和吸收是伴随着蒸散过程同时进行的。特别是在黄土丘陵沟壑干旱半干旱地区,蒸发量大,平均土壤水分含量低,水是植被生长的主要限制因子,植被在水循环过程中扮演着重要角色。而不同尺度蒸散估算的定量化、蒸散估算的尺度转换以及转换后估算值的精度问题一直是众多生态学者研究的热点问题。本研究在前人以及本项目组工作基础上,以生物学为基础,通过建立蒸散估算尺度转换模型,为实现好的蒸散模拟提供方法。 本研究选择有大量数据积累的鄂尔多斯高原皇甫川流域为研究区,利用点面结合的方式对数据进行补测,在前人的工作基础上,建立了植物蒸腾和植被蒸散模型,在植物叶片——个体——群落——景观尺度上实现了尺度转换,结果如下: 1植物个体尺度:针对不同的生活型,参考Penman和Priestley-Taylor模型,建立了草本和灌木的蒸腾模型~*,实现了从植物叶片到个体的尺度转换。 对草本植物,运用太阳总辐射、空气温度、2m高度处风速等环境因子和叶气孔导度、单株干重等植物特性因子的数据建立了瞬时蒸腾模型,通过积分运算,得到日蒸腾模型,经过验证,平均相对误差为16.87%,在误差允许范围之内。 对灌木植物,运用太阳总辐射、空气温度、空气相对湿度等环境因子和叶气孔导度、单株叶干重等植物特性因子的数据建立了瞬时蒸腾模型,通过积分运算,得到日蒸腾模型,运用实测数据进行验证,平均相对误差为14.48%,在误差允许范围之内。 2群落尺度:在个体蒸腾模型基础上,建立了群落蒸散模型~*;针对不同的因子建立模型过程中,发现叶气孔导度与群落蒸散有更直接的关系,建立了与之相关的群落蒸散模型~*;基于更多因子的Penman-Monteith模型~*,用土壤含水量对其中的土壤蒸发项进行了修正,提高了精度。 在植物个体尺度蒸腾模型基础上,综合考虑了群落中不同生活型植物的盖度、群落叶面积指数、个体蒸腾量和单株叶干重对群落蒸散的影响,同时根据群落蒸散量与太阳总辐射、空气温度、空气相对湿度等主要环境因子的关系,运用数据建立了群落蒸散模型,草本群落和灌木群落的模型拟和度分别为0.8845和0.9238,实现了从个体到群落的尺度转换。 建立了与太阳总辐射、空气温度、空气相对湿度等气象因子和叶气孔导度、群落盖度、群落叶面积指数等生物因子相关的群落蒸散模型,草本群落和灌木群落的模型拟和度分别为0.9145和0.9449。 用土壤含水量对广泛使用的Penman-Monteith蒸散公式中的土壤蒸发项进行了修正,草本群落和灌木群落的模型拟和度分别为0.9254和0.8563。敏感性分析表明,当参数值变动±20%时,模拟结果的变化范围均在±13%以内,因此该模型模拟结果比较稳定,对任一参数变化的反应比较平稳。 基于个体蒸腾模型的群落蒸散模型在有叶气孔导度值,或有个体蒸腾量而没有叶气孔导度值的情况下均可使用;与叶气孔导度相关的群落蒸散模型必须在有叶气孔导度的情况下使用,精度较高;与Penman-Monteith蒸散公式相比,本研究所建两个群落蒸散模型所含参量较少,实现了模型的简单化,应用性较高。 3景观尺度:基于群落蒸散模型,在考虑生物因子的前提下,提出估算景观尺度蒸散的方法。同时基于目前的研究现状,运用遥感方法对景观尺度的蒸散量进行估算,以与尺度转换方法进行对比。 1)以群落蒸散模型为基础,考虑其中参量的空间变化,通过坡度坡向图、植被盖度图和植被分布图来体现景观异质性,以GIS为平台,在每个栅格上运行群落蒸散模型,即可估算景观尺度蒸散量。用该方法对2003年研究区蒸散量进行估算,经过验证,平均相对误差为14.95%,在误差允许范围之内,该方法可用于估算景观尺度蒸散量,由此实现了从群落到景观的尺度转换。 2)运用遥感方法,通过1996年、2003年和2007年Landsat-5 TM影像数据,结合同期气象资料,对研究区地表特征参数和地表能量平衡各分量进行了估算,反演出该流域瞬时蒸散量,经过时间尺度转换,得到流域日蒸散量,结果表明反演的日蒸散量与实际地表状况吻合,能很好地反映研究区地表实际情况。利用广泛使用的FAO推荐的方法对1996年和2007年反演的结果进行检验,平均相对误差为12.87%;用实测数据对2003年反演的结果进行检验,平均相对误差为17.47%,均在误差允许范围之内,具有较好的实用性。特别是在估算日蒸散时,将水体单独提取出,应用Penman模型求取水体蒸发量,再整合到流域日蒸散量中,提高了精度。 对以上估算研究区蒸散的3景影像进行了对比分析,从1996年到2007年11年以来,减小的植被盖度与增加的植被盖度区域面积之比为1.011,基本不变;整个流域平均植被盖度呈下降趋势,由1996年的17.33%降到2007年的11.25%;3个年份蒸散量分布范围基本一致,总体上随年代的增加蒸散量呈递减趋势,主要是由于流域平均植被盖度下降和1999年以来开始实行的“退耕还林还草”政策使农田面积有所减小;对1996年和2007年两期植被分布图进行统计分析表明,11年间,流域内裸地面积明显减少;人工灌木林的面积大幅度增加;农田面积减少;乔木林和水体的面积稍有增加,变化不明显。 3)对估算景观尺度日蒸散量的两种方法进行了对比分析,考虑了生物因子的尺度转换方法可信度较高;在没有生物因子实测数据的情况下,遥感方法也不失为一种好的简便算法。 以上建立的几种尺度模型中,叶气孔导度、单株叶干重、群落叶面积指数和群落盖度为建模中重要的生物因子。 根据本研究建立的模型,用Visual FoxPro 6.0编程制作了估算植物蒸腾、群落蒸散的软件,并进行了打包,使其可以脱离VisualFoxPro 6.0环境运行,且操作简单,使用方便。