太湖流域典型土地利用类型生态耗水分量的比较研究

吕 文, 杨桂山, 万荣荣, 陶 宇

(1.中国科学院 南京地理与湖泊研究所 流域地理学重点实验室, 江苏 南京 210008;2.江苏省水文水资源勘测局苏州分局, 江苏 苏州 215006； 3.南京农业大学 土地管理学院， 江苏 南京 210095)

截留、蒸散发是陆地生态系统重要的水文过程[1]，受到气候和地表特征的共同影响，其中人类活动引起的土地利用/覆被变化，改变了地表反照率、植被覆盖度、叶面积指数、植被高度等因子，影响了冠层截留、蒸散发特征，改变了植被在水文过程中的调节作用[2]。太湖流域社会经济发展迅速，土地利用变化剧烈，西部丘陵山区由于农业综合整治开发，大量次生林地转为茶园，耕地面积年平均递减率达1.8%，城市建设用地扩展过快，地面可渗透面积减少，流域产水量相应增加[3]。城市化使得最大洪峰量和洪水总量增大，汇流时间变短，加剧了流域暴雨洪水，而森林有利于缓和暴雨洪水这一过程[4]。

为了了解土地利用变化对流域水文循环的影响，需研究土地利用变化对生态系统内部水分运移过程的影响。本文利用土壤—水—大气—植物整合模型(soil-water-atmosphere-plant, SWAP)模拟太湖流域竹林、茶园和耕地生态耗水过程，以期揭示土地利用变化对生态系统耗水的影响，为优化土地利用结构，提高流域生态系统水量调节能力提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

太湖流域位于中国长江三角洲南缘(119°11′—121°51′E，N30°28′—32°15′N)，处于北亚热带和中亚带的过渡地带，东临大海，是东南季风盛行区域。全区年均气温15.6℃，1月平均气温3.1 ℃，7月平均气温28.1 ℃；冬季极端最低气温全流域平均-11.6 ℃，夏季极端最高气温平均39 ℃。年均降雨量1 153.6 mm，年际变化较大，年内分配不均匀，75%左右的降水集中在4—10月。流域20 m2蒸发池的年水面蒸发量800～1 100 mm。在太湖流域建立耕地、林地和园地3种典型土地利用类型水汽通量监测区域。耕地监测区位于太湖流域北部无锡市锡山区(120°33′E，31°39′N)，主要为稻麦/油轮作，小麦播种时间为12月初左右，5月底收割；水稻6月中旬移栽，约在11月底收割。林地监测区位于流域西南部丘陵山地浙江省安吉县(119°34′E，30°18′N)，以2～3年生竹为主，林下灌木草本少。园地监测区位于宜兴市西渚镇(119°35′E，31°15′N)，属于流域湖西分区低山丘陵地带，以3,9和20 a植茶年龄为主，5月中旬采茶完进行修剪。

1.2 试验方法

1.2.1 涡度相关监测系统 耕地开路式涡度相关系统观测塔高约7 m，在3.5 m高处迎着主风向(SE)焊接一铁臂，安置超声风速计CSAT3和CO2/H2O红外气体分析仪EC150(Campbell，USA)。在铁臂的另一端，安置温湿度传感器HMP155 A(Vaisala，Finland)、辐射传感器LP02(Hukseflux，Netherland)、翻斗式雨量筒TE525 MM(Texas Electronics，USA)分别测量气温、湿度、净辐射和降水量。

竹林涡度监测系统装有一套开路涡度相关系统，安装在17 m高度的观测塔上，由三维超声风速仪CAST3(Cambell Inc., USA)和开路CO2/H2O分析仪Li-7500(LiCorInc., USA)组成。在1，5，17 m高度上分别装有3层风速(010C, metone, USA)和大气温湿度仪(HMP45 C, Vaisala, Feinland)。净辐射仪(CNR4, Kipp & Zonen, Holland)安装在17 m高塔上。

1.2.2 箱式法监测系统 茶园和耕地水汽通量监测究采用的是静态箱/红外气体分析仪法，属于闭路箱式法[5]。配套设施有1 m直径，50+70 cm或70+80 cm的分段式有机玻璃材质的明箱、顶部装有2个小型风扇、Li-840A红外气体分析仪(LiCorInc., USA)、抽气泵和蓄电池等。由于气体分析仪的抽气采样，可能导致闭路箱式系统气体交换箱内外压力差，试验设计时，将出气口返回箱内[6]。因为箱体内植物叶片光合和蒸腾作用或者土壤呼吸作用将引起密封箱体内的CO2和H2O浓度变化[7]，影响箱体的稳定状态，所以每次尽量减少箱体密闭时间，快速测定箱内气体浓度。

1.2.3 植被生态监测 按照不同植被的生长阶段，定期或关键生长期加密监测叶面积指数(LAI)、作物高度(Hcrop)、根系深度(Droot)。耕地和茶园叶面积指数(LAI)使用美国LAI-2200植物冠层分析仪监测。

茶园覆盖度采用各随机量取10对茶株行间距(L1，cm)和陇间距(L2，cm)，覆盖度计算公式为：

(1)

1.3 涡度相关法与箱式法数据校正

将耕地小麦季监测期内3月25日至5月16日的不同时段，涡度相关法和静态性/红外气体分析仪法监测所获得的所有2 h累计的蒸散量(mm/2 h)进行拟合，根据模型的复相关系数R值以及F值，选择幂指数曲线模型，转换计算箱式法监测获得的蒸散量，与涡度相关法的结果进行相关分析，两者呈显著相关性(0.749**)。

y=0.291x0.412(R2=0.61**)

(2)

1.4 SWAP模型

SWAP模型是微观系统水分运移模拟模型的典型代表，在世界不少地方取得了较好效果，受到了较广泛接受和认可，主要用于田间尺度下土壤—植物—大气环境中水分运动、溶质运移、热量传输及作物生长的模拟[8]。

1.4.1 模型输入数据 气象数据统一采用2010年常州国家气象台站(119°59′E， 31°53′N)的日观测资料，包括日均气温、最高气温、风速、降雨量、日照时数以及实际水汽压等。水稻和小麦两种Ds(作物生长阶段)按照作物生长日期定义为线性函数，作物出苗前一天定义为0，成熟期为2，其他数值依据作物生育期的时段在0～2之间插值计算。林地和茶园Ds依据年内12个月，将1月设为0月，12月设定为2，其他月份在0～2之间插值计算得出。依据实际野外观测资料和参考文献，建立流域典型覆被类型，竹林、茶园、耕地稻/麦轮作3种类型的叶面积指数、植被高度和根系深度的关系表(表1—2)。

依据耕地实测土壤机械组成(表3)，林地[11]和园地[12]采用参考文献中机械组成，经过HYDRAUS-1 D模型计算获得土壤特征水分曲线参数，饱和渗透系数和饱和含水量(表4)。其他参数引自SWAP3.2手册附表[8]。由于耕地地下水位浅，约距地表60 cm处，水分在上下层之间交换较多，因此3种土地利用类型模拟时，下边界均按照自由通量边界处理。

表1 耕地稻/麦轮作作物生态参数

注：部分叶面积指数(LAI)引自冬小麦LAI变化过程[9]。Hcrop，Droot分别表示株高和根系深度。下同。

表2 竹林和茶园植被生态参数

注：竹林参数引自文献[10]。

表3 典型土地利用类型土壤机械组成 %

表4 Mualem-van Genuchten模型参数

注：θres为残余含水率;θsat为饱和含水率;Ksat为饱和导水率;a为与进气吸力有关的参数;n为决定土壤水分特性曲线的形状系数。

1.4.2 模型率定与验证 采用2012年4月和10月无锡市锡山碳水通量站和2011年10—11月安吉县碳水通量站的气象资料驱动SWAP模型，获得耕地麦季、稻季，以及林地的蒸散量。按照初始给定的模型参数作物阻力(rcrop)、反射系数αr、净辐射在植被冠层中的消减系数Kgr、临界压力水头h3，αr,α,λ,n带入模型计算，将模拟蒸散量结果与实测值比较，调整参数，使得最大程度接近实测值，最终率定参数(表5)。利用研究资料对模型的适用性进行验证。计算模拟结果与监测值间的相关系数(R2)和均方根预测误差(RMSPE)，耕地麦季、稻季，林地和茶园ET的模拟结果较理想，其R2分别为0.89，0.75，0.71和0.81，RMSPE分别为0.42，0.58，0.13，1.00。模拟结果表明，SWAP模型率定参数后能够呈现耕地稻/麦轮作、林地和茶园等太湖流域典型土地利用类型生态系统耗水过程。

表5 模型率定参数

2 结果分析

2.1 林地生态系统耗水及各分量变化

林地生态系统耗水量各分量变化区别较大(表6)，其中，植被蒸腾、蒸发和冠层截留依次为851.51，23.33，94.99 mm，植被蒸腾量占总耗水比例范围为74.91%～97.40%，平均值为87.80%，在林地生态系统调节水量过程中起着重要作用，蒸腾量并且这种作用在全年生态系统耗水中均能体现，而林内土壤蒸发和截留分别仅占耗水的2.41%和9.79%。

据陈仁升等[13]基于水热连续方程模拟青海云杉林截留、蒸腾和蒸发量分别为79.2，209.1和23.3 mm，从总量上来看，截留与蒸发与本文模拟的结果基本一致，但蒸腾量相差较大，可能与研究区域有关，青海云杉林降雨天数较大，叶片内外的蒸汽压差较小，并且植物气孔开放程度受到影响，叶片蒸腾作用受到抑制。刘晨峰等[14]运用涡度相关法、树干液流、土壤水分监测系统监测北京生长季(5—10月)杨树林，植物蒸腾量为281 mm，土壤蒸发为165 mm，截留量为46 mm，年降雨量为444 mm，并且在5—7月，蒸腾与蒸发量相当，这与本文模拟的结果分别为581.78，9.49，61.68 mm相差较大，与田风霞[15]研究结果认为林地土壤蒸发占比很低的结论不一致，分析原因，可能是因为人工杨树林种植密度2 m×2 m，年龄才3～4 a，多为培养5～6 a木材，因此树林冠层还不够厚实，棵间土壤接受到更多的净辐射，并且据杨立文[16]通过对太行山侧柏和油松林地土壤蒸发研究，发现林地枯枝落叶覆盖下的土壤日蒸发量约是裸露土壤蒸发的1/4，而太湖流域的林地，枯枝落叶层厚，树林冠层厚实，所以本文模拟的土壤蒸发量偏低。林地生态系统耗水量年内变化呈现典型的单峰型，并且在5—9月，由于降雨充沛，竹林处于生长旺盛时期，形成一个生态系统耗水量和蒸腾量的峰值平台，平均值约为115.70，102.77 mm。林地的截留量7—9月均值为15.21 mm，因为此时段林地LAI较大，并且降雨量丰富，所以略高于其他月份的均值5.48 mm，总体上，由于太湖流域雨热同期，在降雨、气温都较高的季节，林地的耗水、蒸腾、截留量随着冠层郁闭度和叶面积指数的增大而增加。

表6 林地生态系统耗水各分量月变化

2.2 园地生态系统耗水及各分量变化

从园地生态系统耗水各分量年总占比来看(表7)，茶株蒸腾(69.17%)和株间蒸发(25.69%)占据耗水的94.86%，蒸腾和棵间蒸发比大约为3∶1。据孟平等[17]采用热扩散式树干边材液流探针测定技术对太行山南麓的苹果树进行蒸腾监测，发现全年蒸腾量约500～600 mm，与本文模拟的茶园蒸腾量(626.31 mm)结果一致。

据杨帆等[18]运用大型非称重式蒸渗仪对太行山低山区黄背草、荆条及其复合群落蒸发蒸腾进行了研究，结果表明，在整个生长季植被群落蒸腾、蒸发比大约为4∶1，与本文的结果相近，相比林地蒸腾蒸发比43∶1要小很多，主要可能与林地、园地的叶面积指数大小以及林下或棵间覆盖物有关。茶园生态系统耗水量变化范围为43.49～106.43 mm，月均耗水量为75.45 mm。但蒸腾和蒸发在年内变化不一致，土壤蒸发在7月出现一峰值41.53 mm，与占该月份耗水量的46.03%，此时气温和净辐射均达到一年中的峰值，茶株由于修剪后枝叶还未恢复，株间接受的净辐射大大增加，土壤蒸发增大；在茶株修剪后(5—9月)，由于降雨充沛，气温回升，虽然由于修剪叶面积指数大大下降，但是修剪左右刺激了茶株的生长，体内新成代谢作用加强，消耗了大量水分，茶株蒸腾作用相比1—3月较强，也有待于茶株树干茎流的监测进行验证。茶株即将被修剪前(2—4月)，枝叶最繁盛，此时段截留量占总耗水量的比例比其他月份相对较大，截留的这种季节变化特征也与茶园特有的人工修剪作用有密切关系。

表7 园地生态系统耗水及各分量月变化

2.3 耕地生态系统耗水及各分量比较

耕地由于稻/麦轮作方式，耗水呈现明显的麦季(1—5月)和稻季(6—11月)2个时段特征，耗水总量分别为353.06 mm，429.51 mm，麦季略低于稻季总耗水，与郭瑞萍等[19]研究的农田种植作物中，水稻蒸散耗水量最大，其次为小麦的研究结果一致，可能由于麦季总体气温较低以及水稻田由于淹水水分充足等因素有关。在耕地耗水各分量方面(表8)，作物蒸腾和棵间蒸发占据了耗水量的94.73%，分别为61.28%和33.45%，刘昌明等[20]研究的整个生育期小麦蒸腾与棵间蒸发比为7∶3，莫兴国等[21]研究的小麦返青至乳熟期，蒸腾与棵间蒸发比为4∶1，前者与本文模拟的结果大约2∶1相近，后者比本文模拟的结果偏小，分析原因，他们的研究区域均在栾城试验站，消除了地域的差异，但由于所选择的生育期间不同，刘昌明等分析的是全生育期，而莫兴国分析的是返青至乳熟期，在冬小麦越冬期间，其可见蒸发占比相当大，大约为73%，加大了整个生育期的蒸腾蒸发比。

小麦截留量在3—5月，占降雨量的9.45%，相比小麦生育期初始阶段由于尚未旺盛生长，枝叶不繁盛时的截留量占比(4.00%)较高；同样稻季时，生育后期截留量占比相比前期较大。在小麦和水稻作物生长初始阶段，土壤无效蒸发量较大，之后蒸腾作用逐渐增大，这种耕地耗水量以及各分量的年内变化主要与农作物的生长阶段有关。据张仁华等[22]研究发现，4月中旬前，华北平原小麦地土壤棵间无效蒸发和作物蒸腾量级是相当的，有1/2左右的水分不能参与作物光合作用，并因此提出采用薄膜覆盖和秸秆覆盖等抑制棵间土壤水分蒸发的农业节水措施，之后蒸散由土壤蒸发和冠层蒸腾叠加而成。莫兴国等[21]研究结果也表明小麦初期，土壤蒸发占比较大，有时超过50%的蒸散量，当叶面积指数较大时，土壤蒸发占比变小，蒸散主要由蒸腾贡献，因为蒸散作用受气候条件的强烈影响，虽然日变化幅度较大，但随着净辐射的逐渐增加、气温回暖、冠层的蒸发面积增大，有一个明显的上升趋势。

3 结 论

林地植被蒸腾量占据耗水量的87.80%，蒸腾蒸发比约为43∶1；园地茶株蒸腾(69.17%)和株间蒸发(25.69%)占据耗水的94.86%，蒸腾和棵间蒸发比大约为3∶1；耕地耗水各分量中，作物蒸腾(61.28%)和棵间蒸发(33.45%)占据了耗水量的94.73%，蒸腾与棵间蒸发比约为2∶1。可知，流域3种典型生态系统水量分配差异较大，竹林蒸腾作用在林地生态系统水量调节过程中起着重要作用，园地和耕地棵间蒸发作用相比林地较大。流域竹林枯枝落叶层厚、树林冠层厚实，土壤蒸发较小；园地茶株由于修剪后枝叶还未恢复，株间土壤蒸发偏大；耕地小麦和水稻作物生长初始阶段，土壤无效蒸发量较大，所以林地相比园地和耕地土壤蒸发偏低，3种生态系统水量分配差异与其土地利用类型有密切关系。

林地生态系统耗水量年内变化呈现以6—8月为蒸腾高值时段、8月为峰值的单峰曲线。园地茶株修剪后(5—9月)蒸腾作用相比1—3月强；土壤蒸发在7月出现一峰值，占该月份耗水量的46.03%；茶株修剪前(2—4月)，枝叶最繁盛，此时段截留量占总耗水量的比例比其他月份较大。耕地生态系统耗水呈现明显的麦季(1—5月)和稻季(6—11月)2个时段特征，小麦截留量(9.45%)在3—5月相比小麦生育期初始阶段占比(4.00%)较高；稻季时，生育后期截留量占比相比前期较大；小麦和水稻作物生长初始阶段，土壤无效蒸发量较大，之后蒸腾作用逐渐增大。太湖流域雨热同期，在降雨、气温都较高的季节(6—8月)，林地的耗水、蒸腾、截留量随着冠层郁闭度和叶面积指数的增大而增加。茶园生态耗水年内变化与林地相近，虽然由于修剪叶面积指数大大下降，但是修剪左右也刺激了茶株的生长，在气温高的时期，蒸腾作用也增大了，茶株由于修剪后枝叶还未恢复，土壤蒸发也增大了。耕地耗水量以及各分量的年内变化在受到降雨、气温影响的同时，还主要与农作物的生长阶段有关。小麦、水稻生长初期，土壤蒸发占比较大，当叶面积指数较大时，土壤蒸发占比变小，蒸散主要由蒸腾贡献，截留量占比也相比前期较大。3种生态系统水量年内变化在受到流域降雨、气温等因素影响的同时，不同土地利用类型的植被在不同生长阶段的叶面积指数、人工修剪作用对耗水量年内变化可能也会产生一定的影响。