水循环与土壤植物大气水分能量传输生态研究进展

水循环与土壤植物大气水分能量传输生态研究进展

1水循环的微观分解21世纪，中国的资源和环境问题尤其是水问题。水少与水浪费并存;水多与生态失衡并存;水脏与水管理不善并存。由于水的不可取代性,世界各国均面临不同程度的水问题,已引起公众的注视而成为资源环境诸多矛盾的热点。事实上,水资源、水灾害与水环境三者之间存在相互联系和相互转变的关系。作为生态和环境核心要素的水,其利用是水资源正面效益;其过剩和不足的变化引起水旱灾害是负面效益;其质量演变造成的污染是环境的负面影响。追踪水问题的演变过程,可以发现水系统在时间上的高度动态性,伴随有周期性、随机性,在空间上的地理分异性呈现在地带性与区域性。水在地球上的广泛分布在地球表面构成了水圈,仅海洋面积就占全球面积的71%,大陆的河流、湖泊密布,土壤岩石圈中的地中水与大气圈中的气态水可及对流层顶。因此,地球是一个水的行星。但是从水质方面来看,地球上的水97.47%是咸水,而人类最需要的淡水仅为2.53%。说明了淡水资源的有限性或珍稀性。但是,更重要的是这2.53%的珍稀淡水表现为空间分布与时间分配的极端不均匀性。这种不均匀性的变化归结为水循环的动态变化。全球性(宏观)的水循环中,海洋中13.4亿km3的水是水汽的主要来源,淡水资源主要以降水提供大陆淡水的补偿,由能量的驱动,降水转化成多种形式的陆地水,这是人类赖以生存的不可取代的水源。我国腹地处于北纬30度地带,世界同纬地带多为沙漠,而我国则有得天独厚的季风带来丰沛降水,形成了同纬地带的巨大“绿洲”。但是远离海洋的西北内陆降水稀少,是少水的荒漠区,这里水和生态几乎是同等的问题。水循环的微观分解可展现出极其复杂的系统性质,并非全球概念的一般模式即降水、径流、蒸发的往返运动(古希腊500-426B.C.和中国235B.C.的观念)。1966年澳大利亚著名水文学家菲利浦命名该系统为“Soil-Plant-AtmosphereContinuum”即SPAC。这一系统概念不仅指明了微观研究方向,而且加强了水文学跨学科的研究。90年代初期开展大型国际计划——国际地圈生物圈计划(IGBP)以来,其中的核心项目包括了水文循环生物圈方面(BiosphericAspectsofHydrologicalCycle,BAHC),其焦点(Focus)之一是土壤-植被-大气中的传输(Soil-Vegetation-AtmosphereTransfer,SVAT)问题。世界气候研究计划(WCRP)在90年代开展的全球能量与水循环实验(GlobalEnergyandWaterCycleExperiment,GEWEX),设置了通量测量(FluxMeasurement)项目,研究地表(植被)-大气间的相互作用。因此,土壤-植物-大气连续系统中的水分运行研究是当今国际学术界的热点之一。由于水循环受到人类活动的干扰,因此研究全球变化中与人类活动有关的研究(IHDP)特别是土地利用与土地覆被(LUCC)与水循环也有密切的相互作用关系。1999年5月7～13日在日本举行的IGBP大会从科学问题上进一步确立了综合(synthesis)研究与水问题研究的重点。由此可见水循环研究在当今全球变化研究中是最为重大的科学问题之一。从生态尺度(实验场,小流域等),即小尺度的水循环来看,水循环也是一个巨大的系统,其中包括水分在五相水文系统中的交互作用与水分运动的驱动力。水分运动在气、土(壤)、地(表)、地下(水层)与植(物)系统中的往返运动构成了一个庞大水循环研究课题系列,有繁多的科学问题,在理论上有大的难度,我们虽有研究但方兴未艾。从系统的观点对这些问题研究,作者(1988)提出了系统的分解与划分的周期性矩阵。采用简单的组合公式:可进行不同子系统的耦合研究形成科学研究问题。例如地表水与地下水的转化属于i=2,j=1,又如大气水、地表水与地下水转化是i=3,j=1,可有3种方式的耦合。值得指出的是,水分交换在多种子系统耦合中有三个主要的特性:(1)由于驱动力与水的相态变化不同,水分往返运动的性质是极不相同的。例如,水汽通过降水渗入土壤和由土壤返回大气的蒸发(液汽相变),两者往返的性质显然不同。因此,前述的公式需要乘以2;(2)各水文系统间水分交换流通存在着界面或界层,它们是二维的平面或曲面,可以是任意方向(水平的、垂直的或间于水平与垂直之间);(3)水循环在各水文相(系统)间的通行流率称为通量(Flux),取其简单通式为:F=Δ(Ψ1-Ψ2)/R。详细的水分能量计算需要展开上式,包含众多的参数。因此,通过测定在小尺度获取详细的参数值是解决科学问题的必需条件。另外,从更大的尺度来看,区域乃至全球水循环的研究必须做参数化的工作。在我国全国尺度的水循环研究方面,刘国纬结合水资源评价,发表了全国水汽输出与水分循环专著,首次确切计算了我国境内水汽通量。2生态环与作物水分交换太阳辐射作为地表的能量源,到达陆地表面后,部分用于植物光合作用,部分以感热和蒸发潜热的形式返回到大气中,土壤-植被-大气系统内部这种能量和物质的传输转化过程控制着水循环与作物生长的微气候环境,对作物产量的形成有重要影响。另外,地表与大气能量、水分的交换也代表了大气物理气候系统的下边界条件,准确地确定地表的水热通量并清楚地认识水汽和能量在边界层内的输送过程,对于理解气候及水分循环很重要。因此,近年来,不同学科的科学家对土壤-植被-大气系统内部能量物质传输过程进行了广泛深入的研究,我国在这方面的主要研究进展:农田生态系统能量平衡及实验的研究;干旱、半干旱地区SPAC系统内水热交换及能量平衡的研究;大范围陆面过程模式研究;遥感在地表能量平衡研究中的应用等多方面的研究。2.1农田生态系统中水热运动的研究土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统水热通量的研究主要集中于农田生态系统。80年代前后我国相继建立了北京大屯农业生态系统试验站和山东禹城综合试验站,开始了农田生态系统中水热运动的综合实验研究,并取得了较大进展。研究内容包括农田生态系统的能量收支,农田水分循环和水量平衡的实验研究,并以实验为基础探讨了水热通量的测定方法和计算方法,对系统内各界面上水分与能量的交换过程及规律等进行了深入的研究。(1)等式蒸腾与碳蒸腾的关系应用SPAC系统原理及实测资料对不同作物水热交换的动态规律进行了研究,研究发现,对农田生态系统来说,潜热通量占净辐射的大部分,其次是感热通量,土壤热通量最小。图1是1995年河北栾城小麦大田能量通量分配的典型日变化过程。图2是华北平原冬小麦生态系统能量平衡的季节变化。SPAC系统内潜热交换主要通过棵间蒸发和植株蒸腾完成,两者的分别确定利于确定农田节水潜力,因此康绍忠等提出叶面蒸腾与棵间蒸发分摊系数的计算方法。王会肖、刘昌明等利用大型称重式蒸渗仪和棵间蒸发器对冬小麦生长期棵间蒸发和植株蒸腾对总蒸散的贡献进行了研究。结果表明,越冬前植株蒸腾和棵间蒸发的贡献差不多,越冬期以土壤蒸发耗水为主,返青期后则以作物蒸腾耗水为主;整个生长期,冬小麦棵间土壤蒸发耗水量占总蒸散量的29.75%,蒸腾耗水量占70.25%。(2)开展作物生长和气候学建模在以往的SPAC研究中,由于潜水蒸发难以测定,往往忽略。实际上,在地下水浅埋地区,地下水通过毛管上升而补给包气带土壤水的作用十分明显,对作物生长意义很大。1993年程先军提出潜水蒸发强度作物影响系数的概念,由无作物时的潜水蒸发确定有作物时的潜水蒸发。1997年毛诗敏等利用地表能量平衡原理、微气象学及土壤水热迁移理论建立了潜水蒸发模型。陈建耀等则利用大量水平衡因子的试验数据就潜水蒸发量对蒸散的贡献进行了研究(图3),其结果表明,潜水蒸发与作物蒸散的关系非常复杂,当地下水位为1.89～2.65m,潜水蒸发对蒸散的贡献份额平均约为17%。(3)土壤水分对水热传输的影响对农田生态系统水热交换的影响因素(如温度、土壤水分和叶面积指数LAI等)进行了研究。如刘苏峡等研究了土壤水分和LAI对麦田水热传输的抑制和加速作用(图4)。结果说明,当LAI不变时,随着土壤水分的增加,波文比有下降的趋势,即土壤水分增加,显热比例减小,潜热比例增加;当土壤水分本身值较小时,LAI对波文比影响较大,而当土壤水分本身值较大时,LAI对波文比的作用降低。2.2地表蒸散模拟近年来,我国学者利用SPAC系统原理,对干旱半干旱地区的水热交换进行了研究。如张国威等探讨了新疆内陆干旱区陆面蒸发和潜水蒸发的计算方法,并对新疆自然地理条件下的蒸发特性作了分析;姚德良等改进了强迫恢复法,提出干旱区陆气水热交换中包含植被效应的土壤分层陆地水文耦合模型,对新疆塔里木盆地的土壤、植被、大气水热交换过程进行了模拟。刘树华等通过建立一维土壤-植被-大气耦合数值模式,对我国西北干旱半干旱地区沙漠和人工植被下垫面的蒸散过程进行了研究。另外,现有大气环流模式中,用于裸土的参数化方案在用于干旱或半干旱土壤时,由于忽略了土壤内的水汽运动,地表蒸散的计算会产生较大的误差。为了弥补气候模式的陆面参数化中关于干旱和半干旱区描述的不足,孙菽芬、牛国跃等发展了一个同时考虑液态水和气态水运动的沙漠裸土模式,并与大气边界层模式耦合,对沙漠大气系统中的水热运动进行模拟,同时考查了忽略沙土中的水汽运动对边界层内湿度及其通量的影响(图5)。结果表明,如果忽略土壤中的气态水运动,地-气界面及边界层内的水汽通量计算会产生较大误差。研究还发现,在干燥的情况下,土壤中水汽运动对水通量贡献要比液态水大得多,但对湿润土壤,水汽运动无论对土壤中水平衡还是热平衡都不太重要。2.3土壤温度及气候模型过十多年,人们建立了多种形式的土壤-植被-大气传输模型(如IGBP/BAHC计划中的SVAT模型),但这些模型有些对地表的不均性,特别是降水的次网格特征考虑不全面,有些模型未考虑冠层动量反梯度传输现象。针对这些问题,我国学者对中尺度陆面过程模式进行了研究。1995年,刘树华等提出一个研究植被和土壤特性对近地面层水热交换和能量平衡影响的参数化模型,并应用该模型研究了我国华北、东北和西北不同植被和土壤类型的地-气能量平衡特征。1996年,刘树华等又建立了一个适用于预测干旱半干旱地区不同植被覆盖度近地面层热量输送和水分蒸散过程的一维土壤-植被-大气耦合数值模式。莫兴国则以界面过程为导向,考虑了冠层动量反梯度传输现象,建立了冠层为单层、土壤为多层的土壤-植被-大气系统水分能量传输模型。在陆面过程模式的研究基础上,实现与气候模式的耦合。如张晶、丁一汇等参考BATS,发展了一个考虑降水的次网格分布特征及其对陆面水文过程影响的陆面过程模式LPM-ZD,在此基础上与区域气候模式RegCM耦合,对中国中东部地区1991年5～7月江淮大暴雨时期的强降水气候特征进行了模拟,图6为6月地表平均蒸散量的模拟结果。2.4国内地表能量平衡研究利用遥感数据可确定地表温度、湿度以及地表植被类型、参数等,而这些因子都直接影响土壤-植被-大气系统的水热交换;另外,卫星传感器的观测范围广,能够较客观地反映出近地层热通量大小和下垫面的干湿差异,这为大面积地表水热通量区域分布的研究提供了一种无可替代的手段。正是由于以上优势,70年代后期以来相继开展了用卫星遥感技术估算区域水热平衡的研究工作,至今已取得了一系列成果。中国利用卫星遥感资料研究地表能量平衡的起步比较晚。起初的研究是用卫星遥感资料来推算各种地表特征参数,如地表反射率、植被指数及亮温等,从90年代初开始起对作物蒸散及潜热通量进行了研究。如1990年,田国良等用NOAAAVHRR资料和地面气象资料估算了作物蒸散和土壤含水量。1994年陈鸣等从能量平衡方程出发,用卫星热红外数据,估算大面积作物的蒸散。马耀民、王介民等在“黑河流域地气相互作用野外试验”(HEIFE)地面观测资料的基础上,介绍了引入LandsatTM等卫星遥感资料进行复杂地表陆面过程分析和估算蒸散的基本方法,并以TM资料为个例,分析了整个“黑河实验区”能量平衡各分量和蒸散量的区域分布及统计特征。1997年,陆家驹等建立了一个连续监测土壤含水量的遥感模型,余涛等由遥感图象数据得到真实热惯量值,进而得到土壤水分含量分布。实际上热惯量模型在用于监测裸土的土壤水分和农田蒸散时比较好,在完全植被覆盖条件下,则需根据作物缺水指数来监测,而在部分植被覆盖条件下,上述两种方法都会造成较大误差。为此,隋洪智等建立了在部分植被条件下估算农田蒸散的双层模型,并利用此模型和NOAAAVHRR数据对黄淮海平原春季旱情进行了评估。3对比大尺度水文过程中的次网格不均匀性水文尺度转换问题是当今水科学研究的前沿课题。不同水文尺度,其研究方法也不完全相同。在微观尺度,水文问题可以用物理学方法来解决,但随着水文尺度的扩展,适用于微观尺度的理论模型需要再参数化。在宏观尺度研究水文过程,必须考虑以下几个方面的问题:(1)系统规律并不是单元的简单外延尽管系统由多个非线性和空间变异单元组成,但整体却表现出新的特征,如均匀非线性或线性关系。因此,对于大尺度水文过程,需用新的理论解释。(2)水文上存在空间变异性陆面水文的降水过程、径流过程都存在很强的次网格不均匀性。在早期大部分大气环流模式(GCMs)中,对水文和陆地表面过程参数的定量很简单,假定气候模型网格内植物和土壤在水平方向是均匀的。实际上,一个典型的中尺度气候模型和GCM模型网格内,土壤结构、地形地貌、植物种类及覆盖程度,都存在十分突出的非均匀性。因此有必要在大尺度地表过程参数化方案中考虑次网格水文不均匀性。(3)宏观尺度研究方法论从中观和宏观尺度水文现象本身找规律一般基于统计分析,对物理成因与尺度影响的考虑比较少。但是仅用