熱儲通量對黃土高原北部檸條林地地表能量平衡的影響

孫樹臣，邵明安

1 聊城大學環境與規劃學院，聊城 252059 2 中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，楊凌 712100 3 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101 4 中國科學院大學資源與環境學院，北京 100190

地表能量平衡是地氣間能量交換的基礎與關鍵環節，反映了地氣耦合過程中的能量紐帶作用[1- 2]。渦度相關法作為測定地氣間碳、水、熱通量的標準方法[3]，為研究全球氣候變化提供了有效的觀測數據[2]。因此，渦度相關數據的可靠與否成為國內外學者關注的焦點。當前，基于能量平衡原理評價渦度相關數據的可靠性已被國內外學者廣泛接受[4- 7]。然而，大量研究表明在利用渦度相關通量觀測過程中，地表能量不閉合現象普遍存在，能量不閉合率介于0.1—0.3之間[8- 10]，能量平衡方程中相關能量項的忽略是影響能量閉合度的重要原因[11- 14]，考慮熱儲通量后能量閉合度顯著提高[9,15- 17]。Mayers等[18]通過研究美國中西部玉米和大豆地的能量平衡指出，大豆地熱儲通量占凈輻射的比例為7%，而玉米地則為15%。高紅貝等[17]對黑河中游春小麥熱儲通量的分析表明，熱儲通量占凈輻射的7.5%—12%，0—5 cm土壤熱儲通量在總熱儲通量中的貢獻超過95%；而大氣熱儲通量對能量閉合度的貢獻不足1%，光合作用熱儲通量占凈輻射的比例介于0.17%—1.65%之間。Wilson等[10]的研究指出光合作用儲能約占可利用能量的1%—2%，且能量閉合度在下午某一時段內出現“過閉合”現象。Dou等[19]通過對熱帶雨林地表能量平衡的研究發現，在低溫干燥季節12點前熱儲通量占凈輻射比例超過10%，最大可達38.8%；而在高溫干燥季節均超過20%，最大可達54.3%。在森林生態系統中加入熱儲通量后能量閉合度提高5%—10%[20- 22]。岳平等[23]通過對黃土高原半干旱區草地地表能量通量的研究表明，0—5 cm土壤熱儲通在草地生長季和非生長季對能量閉合度的貢獻分別為11.3%和12.0%；考慮空氣、光合作用和土壤水分垂直輸送熱儲存后，黃土高原自然植被區地表能量閉合度提高1.5%[24]。因此，不同生態系統中熱儲通量對能量閉合度的貢獻存在較大差異，在分析能量平衡過程中熱儲通量是不可忽視的。

黃土高原作為我國典型的氣候敏感區和生態脆弱區，在該區域開展地表能量平衡特征分析，對于區域氣候和全球變化研究具有重要意義。本文以黃土高原北部水蝕風蝕交錯帶檸條林地渦度相關通量觀測數據為依據，結合土壤水分及微氣象觀測數據，對檸條林地(2014年8—10月和2015年4—6月，因5月底至6月初樣地植被大面積破壞，自6月后未再對樣地進行觀測)熱儲通量變化特征進行分析，并探討熱儲通量對能量閉合度的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處黃土高原北部神木縣六道溝小流域內(110°21′—110°23′ E，38°46′—38°51′ N，海拔1081—1274 m)，流域面積6.89 km2，北依長城，地處毛烏素沙地的邊緣，是黃土高原水蝕風蝕交錯帶的強烈侵蝕中心。該區屬中溫帶半干旱大陸性氣候，年均氣溫8.4℃，月平均最低溫-9.1℃(1月)，冬季極端最低溫-28.1℃；月平均最高溫23.7℃(7月)，夏季極端最高溫38.9℃?！?0°C積溫3232°C，無霜期169天。全年日照時數2836 h，年總太陽輻射5922 MJ/m2，年光合有效輻射2900 MJ/m2。多年平均降水量437 mm，其中6—9月降水占全年降水的77.4%；降水年際變化大，年最大降水量819 mm(1967年)，年最小降水量109 mm(1965年)。秋末冬春盛行西北風，夏季盛行東南風。該區植被類型為灌叢草原，天然植被已被破壞殆盡，代而起之的是以人工植被為主的退化草地和灌木林地。檸條、沙柳及沙蒿等灌木、半灌木植被在該區生態環境中占有重要地位[25]。

1.2 研究方法

試驗區以8—12 a生檸條為主，間或有沙柳、沙蒿等植被，土壤質地為黃土，0—10 cm平均土壤容重為1.43 g/cm3。利用開路渦度相關系統測定檸條林地碳、水、熱通量，安裝高度為2.2 m，采樣頻率為10 Hz，采樣數據由數據采集器(CR3000，Campbell Scientific, Inc.)自動儲存。利用土壤溫度(Model 109ss, Campbell Scientific, Inc.)和水分(TDR)探頭測定土壤溫濕度，探頭布設深度為5、10、20、40、60 cm；土壤熱通量由2塊相鄰的土壤熱通量版測定(HFP01-L, Campbell Scientific, Inc.)，埋設深度為5 cm。氣象數據由微氣象站獲取，觀測內容包括大氣溫濕度(HMP15A, Vaisala, Inc.)和太陽輻射(CNR4, Kipp & Zonen, Inc. 荷蘭)，安裝高度1.5 m。上述數據由CR1000(Campbell Scientific, Inc.)數據采集器自動記錄。所有數據均為每30 min輸出一組。

1.3 數據處理

對渦度相關原始數據進行數據質量控制[26]。

1.4 地表能量計算

根據能量守恒定律，生態系統能量平衡可表示為[17,19,27]：

Rn=LE+H+G+S+Q

(1)

式中，Rn為凈輻射，LE為潛熱通量，H為感熱通量，G為土壤熱通量，可由渦度相關系統直接測定。S為總熱儲通量，Q為與誤差相關的通量的余項(通常忽略)，單位均為W/m2。因Q常忽略不計，式(1)可簡化為：

Rn=G+H+LE+S

(2)

在能量平衡方程中，生態系統各組分熱儲能可表示為[17,27]：

S=Ss+Sa+Sq+Sp+Sv

(3)

式中，Ss為一定深度范圍內土壤熱儲能，Sa為大氣感熱儲能，Sq為大氣潛熱儲能，Sp為植物光合熱儲能，Sv為植被冠層熱儲能，式中單位均為W/m2。各熱儲能的計算方法如下：

Ss表示地表到土壤熱通量板之間的土壤熱儲能[17,19,27]，表示為：

(4)

式中，Cs為土壤比熱(J kg-1K-1)，由公式(5)計算得到，ΔTs為相鄰兩次土壤溫度差(℃)，Δt為相鄰兩次土壤溫度測定的時間差(s，取值1800 s)，z為地表到土壤熱通量之間的土層厚度(m)。Cs隨土壤含水量的變化而變化，確定體積含水量的土體的比熱為：

Cs=ρbCd+θsρwCw

(5)

式中，ρb表示土壤容重，Cd表示干燥礦質土壤比熱，取值840 J kg-1K-1[28]，θw表示土壤體積含水量(cm3/cm3)，ρw表示水的密度(kg/m3)，Cw表示水的比熱(J kg-1K-1，取值4.19×103J kg-1K-1)。5 cm土壤溫度由溫度探頭實測得到，表層土壤溫度通過下式計算得出：

(6)

式中，Tsurf表示地表0 cm土壤溫度(℃)，R↑lw表示向上的長波輻射(W/m2)，εg表示地表輻射率(取值0.96)，σ表示Stefan-Boltzmann常數，取值5.67×10-8W/m2，R↓lw表示向下的長波輻射(W/m2)。

Sa是指由于空氣溫度變化而引起的大氣儲熱的變化，由下式計算[17,19,27]：

(7)

式中，Ta為近地大氣溫度(℃)，?Ta/ ?t為近地層大氣溫度變化率，ΔTai為第i層大氣溫度平均值，he為渦度相關安裝高度，ρ為空氣密度(kg/m3)，Cp為大氣比熱(1.012×103J kg-1K-1)。

Sq表示由空氣中水汽量的變化而引起的大氣熱儲能的變化，可表示為[17,19,27]：

(8)

式中，ρ為空氣密度(kg/m3)，Cp為大氣比熱,γ為干濕表常數(Pa/K)，e為水汽壓(Pa)，Δt為相鄰2次觀測時差。Δhi表示相鄰2套渦度相關觀測設備的高度差。

Sp僅發生在有太陽輻射條件下，夜晚Sp為0，表示為[17,19,27]：

Sp=-FcC

(9)

式中，Fc表示CO2通量(mg m-2s-1)，由渦度相關系統直接測定，C表示光合作用能量轉化參數，取值11.2 W mg-1s-1[19,27]。

Sv表示存儲于作物冠層葉片和莖稈的凈輻射能量，在低矮稀疏植被條件下可忽略[17]。本研究中因植被蓋度較小且缺乏相關觀測數據，未對Sv做計算。

2 結果與分析

2.1 檸條林地大氣溫度、土壤溫度與含水量日變化特征

由圖1可知，觀測期內檸條林地日均大氣溫度(Ta)具有明顯的季節變化趨勢，受太陽輻射的影響，Ta在4—6月呈逐漸增加的趨勢，而在8—10月呈逐漸降低的趨勢。受Ta影響，5 cm土壤溫度(Ts)與Ta表現出一致的變化規律，兩者可用線性關系表示(2014年：Ts=0.8456Ta+2.9307，R2=0.8558；2015年：Ts=0.9597Ta+3.6113，R2=0.8297)。兩個觀測期內，平均Ta和Ts分別為14.79℃、15.44℃(8—10月)和17.61℃、20.51℃(4—6月)。受降水影響，5 cm土壤含水量(SWC)呈現有規律的波動變化，在8—10月份受雨季結束的影響，SWC在波動中下降；4—6分，雨季尚未來臨，而太陽輻射逐漸增強，SWC逐漸降低。

圖1 檸條林地日均大氣溫度(Ta)、5 cm土壤溫度(Ts)和土壤含水量(SWC)變化特征

2.2 檸條林地熱儲通量季節變化特征

由圖2可知，檸條林地日均大氣感熱存儲通量(Sa)在-0.3—0.3 W/m2之間變化，正負值交替出現。對各月Sa日值取平均，結果見表1。在4和6兩個月Sa表現為正直，表明大氣吸收熱量；其余月份則表現為釋放熱量。0—5 cm日均土壤熱儲通量(Ss)與Sa表現出相似的變化規律，日均Ss呈先降低后增加的趨勢變化。在檸條生長季(8—10月)日均Ss為負值，表現為釋放熱量；而在生長初期(4—5月)表現為吸收熱量，但5月日均Ss明顯低于4月。受植被覆蓋度下降的影響，6月日均Ss明顯大于5月。Sa和Ss均表現出在植被覆蓋度較高時波動較小，而在植被覆蓋度較低時波動幅度較大。原因在于不同植被覆蓋度對地-氣間溫差變化影響不同，加速或減緩冠層內部大氣及土壤溫差變化，Sa和Ss亦隨之發生變化。

圖2 檸條林日均大氣感熱(Sa)和潛熱(Sq)儲能、土壤熱儲能(Ss)及光合作用熱儲能(Sp)變化特征

表1 檸條林各月日均(±SD)感熱儲量(Sa)、潛熱儲量(Sq)、土壤熱儲量(Ss)和光合作用熱儲量(Sp)

檸條林地日均大氣潛熱存儲通量(Sq)表現出明顯的季節變化規律，隨著檸條生育期的推進呈先增加后降低的趨勢變化。在檸條生長季波動較大(5、8—9月)， 其值在-0.4—0.5 W/m2之間波動；而在檸條生長初期(4月)和末期(10月)日變化波動幅度較小(圖2；表1)。主要是由于隨檸條生育期的推進，凈輻射增加，土壤蒸發和植物蒸騰作用增強使大氣中水汽含量增加，且在檸條生育期降水較多進一步促進了大氣中水汽含量的增多，Sq隨之增加。而在檸條生育末期，檸條葉片衰老并干燥化，在凈輻射減少的情況下，植被蒸騰和土壤蒸發作用降低，導致大氣中水汽含量下降最終使Sq減少。在植被遭受大面積破壞后(6月)Sq變化幅度在前期較大，后期略有降低，但日均Sq仍高于5月份(表1)。主要是由于在植被破壞初期，土壤裸露導致土壤蒸發強烈使大氣中水汽含量增加，而隨土壤水分的下降，土壤蒸發趨于穩定。雖然植被覆蓋度的下降導致植物總蒸騰作用減弱，但在凈輻射和降水增加的共同作用下，相比5月份Sq升高。

由圖2可知，檸條林地日均光合作用熱儲通量(Sp)表現出明顯的季節變化規律，隨檸條生育期的推移，Sp呈先增加后降低的趨勢，日均Sp在0—1.4 W/m2之間波動。6月因植被破壞導致總光合作用減弱，與5月相比日均Sp降低(表1)。

2.3 檸條林地熱儲通量日變化特征

由圖3可知，檸條林地各月Sa、Sq、Ss和Sp均表現出明顯的日變化規律。Sa和Ss日變化均呈“單峰型”，隨著檸條生育期的推進，日變化幅度呈先降低后增加的趨勢變化，最大為4月，最小為8月。但Ss日變化范圍遠大于Sa，Ss日變化幅度介于-91.96—120.04 W/m2之間，而Sa僅為-1.11—1.80 W/m2。白天，日出后隨太陽輻射的增強，氣溫和地溫快速升高，Sa和Ss增加迅速，在8:00—10:00期間達到日最大值；隨后逐漸降低，在19:00前后達到日變化的最小值，而后逐漸升高。夜間，因無太陽輻射，大氣和土壤不斷釋放熱量，Sa和Ss表現為負值。6月份Sa和Ss日變化幅度略有增加，主要是由于植被遭受大面積破壞，植被覆蓋度降低，大氣和土壤接收到的太陽輻射能增強，吸熱和放熱均較快。

圖3 檸條林各月感熱(Sa)、潛熱(Sq)、土壤熱(Ss)和光合作用(Sp)熱儲量日變化特征

Sq日變化曲線波動劇烈，但仍表現出較為明顯的“雙峰型”日變化規律(圖3)。第一個峰值出現在7:00—8:00，之后隨著太陽輻射的不斷增強，大氣溫度增加導致大氣中水汽含量降低，在11:00—13:00之間降至日變化的最小值，隨后Sq又逐漸上升，在17:00—19:00之間達到日變化的第二個峰值。Sq日變化幅度隨著檸條生育期的推進表現為先增大后減小的趨勢變化，8月份達到最大，其值介于-0.69—0.84之間；4月份最小。與5月份相比，6月份Sq日變化幅度略有降低，主要是由于植被遭受大面積破壞，植被覆蓋度明顯降低所致。表明，植被覆蓋度的大小對Sq日變化特征有較大影響。

受太陽輻射及檸條生長狀況的影響，檸條林地夜間Sp為0(圖3)。日出后隨太陽輻射的不斷增強，Sp逐漸增加，在11:00—13:00之間達到日變化的最大值；之后隨太陽輻射減弱，Sp隨之下降。隨檸條生育期的推移Sp日變化幅度呈先增加后降低的趨勢變化，與檸條生長季表現出很好的一致性。由于植被遭受大面積破壞導致6月份Sp略低于5月份，但仍高于4月份，說明植被狀況對Sp變化具有重要影響。

2.4 檸條林地地表能量平衡特征

圖4反映了未考慮熱儲通量的檸條林地地表能量平衡特征。由圖可知，兩個觀測期內能量閉合的散點圖絕大多數位于1∶1線的下方，且4—6月份偏離1∶1線的程度大于8—10月份。結合線性擬合關系表明，8—10月份能量閉合度高于4—6月份?？赡苁怯捎?—10月份檸條林地植被覆蓋度較大，而在4—6月份檸條處于生長初期植被覆蓋度較低，且在5月底6月初檸條林地遭受大面積破壞，植被覆蓋度進一步降低，從而造成能量閉合度的差異。此外，觀測期內Ta和Ts的較大差異也是造成能量閉合度存在差別的重要原因?？紤]熱儲通量(S)后，檸條林地能量閉合的散點圖向1∶1線集中，然而散落在1∶1線下方的比例仍較高，且4—6月份的偏離程度仍然大于8—10月份。同時，考慮S后，檸條林地地表能量閉合度顯著提高，提高幅度分別為14.37%(8—10月)和9.45%(4—6月)，平均提高幅度為11.91%。結果表明，地表覆蓋條件、Ta和Ts等的變化對熱儲通量在能量閉合度中所占比重有重要影響(圖4)。

由表2可知，在各熱儲通量中Ss對能量閉合度的貢獻最大，其值介于9.04%—13.73%之間；其次為Sp，但與Ss相比較小，其貢獻不足0.5%；Sa略小于Sp，其值在0.21%—0.24%之間變化。然而，Sq則在一定程度上降低了能量閉合度，其降低幅度分別為0.05%和0.06%。因此，在分析地表能量平衡過程中，熱儲通量項不可忽略。

圖4 檸條林地地表能量平衡特征

表2 檸條林地各熱儲通量項對能量閉合度的貢獻

以上分析表明，雖然在加入熱儲通量項后檸條林地能量閉合度得到了顯著提高，但是仍有約11%—20%的能量不閉合；且熱儲通量對能量閉合度的提高幅度受植被生長狀況及植被覆蓋度的影響。

3 結論與討論

本研究通過對黃土高原北部水蝕風蝕交錯帶檸條林地熱儲通量變化特征及其對地表能量平衡特征的影響進行分析，結果表明：

(1)檸條林地各熱儲通量均表現出明顯的季節和日變化特征。受太陽輻射及檸條生長狀況影響，Sa和Ss在檸條生長中期較低，在檸條生長初期和末期較高；而Sq和Sp則表現出與Sa和Ss相反的趨勢。Sa、Ss和Sp在檸條不同生長階段日變化均表現出明顯的“單峰型”，日變化峰值出現時間在檸條不同生長階段無明顯差異；而Sq日變化則表現為“雙峰型”，且受檸條生長狀況及太陽輻射強度的影響，其峰值出現時間略有差異。黃土高原氣候條件與植被狀況是影響各熱儲通量項季節和日變化的主要因素。

(2)在能量平衡方程中加入熱儲通量項后能夠顯著提高檸條林地地表能量閉合度，平均提高幅度為11.91%，但仍然約有11%—20%的能量不閉合。這一結果與其他研究報道一致，生態系統能量不閉合率在各生態系統中普遍存在，且考慮熱儲通量后能量不閉合率在10%—30%之間變化[14,17- 19]。對于這部分能量損耗，影響因素包括渦度相關系統的采樣誤差、湍流的水平和垂直平流輸送損失、能量滯后等[10,12,29]。雖然本研究中發現Ss對能量閉合度的貢獻較大，分別為9.04%(2014年)和13.73%(2015年)。然而，由于土壤熱通量的測定與能量平衡方程中其他各項的測定不在同一平面上且隨著土壤深度的增加而延遲，在將土壤熱通量換算到地表時所引起的滯后也將導致能量閉合度的下降[29- 31]。Sa和Sp對能量閉合度的貢獻不足1%，且Sp占凈輻射的比例小于0.5%，低于Wilson等[10]研究指出的Sp占凈輻射的1%—2%，表明黃土高原檸條林地比已有的陸面過程研究的光合作用熱存儲能力弱。此外，本研究發現Sq在一定程度上降低了能量閉合度，平均降低幅度約為0.06%，這與高紅貝等[17]在黑河綠洲農田的研究結果Sq可提高能量閉合度的0.06%—0.18%不盡相同。產生以上結果的原因可能與黃土高原特殊的氣候條件和稀疏的植被狀況及較低的土壤含水量有關，其原因有待于進一步深入研究。

(3)植被生長狀況及植被覆蓋度是影響檸條林地熱儲通量季節和日變化的重要因素，并對能量閉合度產生影響。植被覆蓋度的變化將導致地表反照率、粗糙度等地表屬性發生變化，引起地表凈輻射重新分配[32]。一方面，在植被覆蓋度較大時，表層土壤接收到的太陽輻射少，地-氣間溫差亦較小，Sa和Ss處在較低水平；同時，植被蒸騰作用強烈，導致大氣中水分含量增加，Sq隨之增加，Sp亦較大。另一方面，在植被覆蓋度較低時導致表層土壤水分略增而根層以下土壤水分減少[33]，使土壤表面阻抗和灌層葉片阻抗增加[32]，植物蒸騰釋放到大氣中的水分含量降低，從而降低Sq，Sp亦較??；此外，植被覆蓋度降低使表層土壤接收到的太陽輻射能增多，地-氣間溫差加大，Ss和Sa隨之增加。植被生長狀況主要是通過對地表凈輻射的再分配影響各熱儲通量項的大小，從而對地表能量閉合度產生影響。

本文雖然證實了大氣感熱和潛熱存儲通量、光合作用熱儲通量及土壤熱儲通量對能量平衡具有一定的貢獻，但仍然存在較大的能量不閉合現象。因此，如何提高不同下墊面條件下渦度相關站點的能量閉合度，進而提高渦度相關系統觀測數據的質量與可靠性仍是需要深入研究的重點和難點問題。