潘雨夢(mèng)，肖輝杰①，辛智鳴，賈肖肖

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，內(nèi)蒙古 磴口 015200)

地表能量收支和分配作為陸面過(guò)程和陸-氣相互作用研究的主要內(nèi)容，描述了地表與大氣間的物質(zhì)和能量交換過(guò)程，可以有效表達(dá)地表光熱資源的分配情況[1]。不同陸地生態(tài)系統(tǒng)地表能量收支和分配有所不同。沙漠地區(qū)擁有特殊地理環(huán)境、地表反照率和大氣熱力結(jié)構(gòu)，區(qū)域內(nèi)水分缺乏，植被分布稀疏且不均勻，生態(tài)環(huán)境脆弱，因而在水分循環(huán)和能量流動(dòng)方面有著獨(dú)特規(guī)律，對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)迫的響應(yīng)過(guò)程也與其他地區(qū)有很大不同[2]。沙漠蒸散作為干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)水量和能量平衡的主要平衡項(xiàng)，是連接其生態(tài)過(guò)程和水文過(guò)程的重要紐帶[3]。探究沙漠地區(qū)水量和能量平衡特征是干旱區(qū)研究的重點(diǎn)內(nèi)容，諸多學(xué)者針對(duì)中國(guó)巴丹吉林沙漠[4]、塔克拉瑪干沙漠[2,5]和古爾班通古特沙漠[6]等地區(qū)能量平衡及蒸散特征開(kāi)展了大量研究，如許興斌等[7]指出巴丹吉林沙漠能量交換以感熱通量為主，陸-氣溫度差異是沙山感熱通量變化的主要影響和控制因子；李傳金等[8]對(duì)古爾班通古特沙漠梭梭林研究發(fā)現(xiàn)蒸散強(qiáng)度隨梭梭不同生長(zhǎng)階段具有明顯變化，最大值和最小值分別出現(xiàn)在7和10月，但對(duì)烏蘭布和沙漠能量平衡及蒸散特征的研究相對(duì)較少。

渦度相關(guān)(EC)方法能用于直接測(cè)定地表和大氣之間的水、熱和CO2通量，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，理論假設(shè)少，并且可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)定位觀(guān)測(cè)，從而被國(guó)內(nèi)外認(rèn)為是測(cè)定蒸散量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)觀(guān)測(cè)方法[9]。渦度相關(guān)技術(shù)在農(nóng)田、森林和草地蒸散發(fā)測(cè)量方面應(yīng)用十分廣泛[10-12]，近年來(lái)，我國(guó)利用渦度通量塔對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)展了大量能量通量特征、分配和閉合度方面研究[13-15]。這些研究結(jié)果均表明能量分配能影響物質(zhì)交換過(guò)程，其對(duì)水量交換的影響格外顯著，一方面通過(guò)增加感熱通量促進(jìn)水循環(huán)，另一方面潛熱通量將生態(tài)系統(tǒng)消耗的水分與驅(qū)動(dòng)蒸散作用的能量聯(lián)系在一起，通過(guò)蒸散發(fā)耗能。此外，不同地區(qū)能量閉合狀況及分配特征差異明顯。因此，清楚地認(rèn)識(shí)沙漠地區(qū)水汽和能量輸送過(guò)程，有助于進(jìn)一步剖析不同陸域水熱生態(tài)耦合過(guò)程，這對(duì)改善荒漠生態(tài)脆弱環(huán)境十分重要。

以烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢為研究對(duì)象，基于渦度相關(guān)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和地面氣象觀(guān)測(cè)資料，分析荒漠生態(tài)系統(tǒng)蒸散和能量平衡特征以及能量閉合情況，初步探究該地區(qū)地表能量收支不平衡的原因，旨在加深對(duì)近地層能量平衡過(guò)程的認(rèn)識(shí)，有助于理解荒漠生態(tài)系統(tǒng)蒸散規(guī)律和能量流動(dòng)機(jī)制，為評(píng)估區(qū)域水分與能量平衡狀況提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)概況

試驗(yàn)區(qū)位于中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心第二試驗(yàn)場(chǎng)的荒漠綜合觀(guān)測(cè)站，屬于烏蘭布和沙漠東北緣，行政區(qū)劃隸屬內(nèi)蒙古磴口縣，地理位置為40°24′ N、106°43′ E，海拔為1 050 m。該區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，多年平均氣溫為7.8 ℃，晝夜溫差大，日照充足，多年平均降水量為145 mm，降水主要集中在6—9月，約占全年降水的70%～80%，年蒸發(fā)量為2 380 mm，無(wú)霜期為136 d，地下水埋深為7 m，土壤類(lèi)型為風(fēng)沙土。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)天然植被主要為以唐古特白刺(Nitrariatangutorum)為建群種的植物群落，白刺種群以白刺沙包的形式存在，伴生的優(yōu)勢(shì)植物為油蒿(Artemisiaordosica)、籽蒿(Artemisiasphaerocephala)和沙米(Agriophyllumsquarrosum)等，植被平均高度為0.37 m，群落蓋度為10%～20%。

1.2 觀(guān)測(cè)方法

采用EC系統(tǒng)和輔助氣象要素梯度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水汽通量和氣象要素進(jìn)行同步測(cè)量。EC系統(tǒng)安裝在荒漠綜合觀(guān)測(cè)站中心，安裝高度為2 m，主要由閉路CO2/H2O分析儀、3D超聲波風(fēng)速儀和數(shù)據(jù)記錄器組成。該地區(qū)主要風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，取風(fēng)長(zhǎng)度足以進(jìn)行EC測(cè)量。4塊土壤熱通量板安裝在0.1 m深處。梯度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括土壤溫度傳感器、四分量輻射傳感器、空氣溫度和濕度傳感器。原始數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz，并在30 min的時(shí)間間隔內(nèi)取平均值。EC系統(tǒng)所用儀器詳細(xì)信息見(jiàn)表1。所有傳感器在使用前均進(jìn)行校準(zhǔn)，并對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估。該研究采用2019年3月7日至11月4日收集的通量數(shù)據(jù)。此外，借助研究區(qū)內(nèi)布設(shè)的氣象站，收集2019年1月至10月的氣象因子日平均數(shù)據(jù)，包括空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、土壤溫度(0.1 m)和降水量。

表1 主要儀器規(guī)格

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用LI-Cor公司開(kāi)發(fā)的eddypro軟件對(duì)采樣頻率為10 Hz的原始湍流數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先，將渦度相關(guān)系統(tǒng)原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)2次，計(jì)算30 min的水熱通量均值，對(duì)感熱通量(H)進(jìn)行超聲波虛擬溫度校正，對(duì)潛熱通量(LE，EL)進(jìn)行WPL校正[16]。在此基礎(chǔ)上，剔除異常值。通過(guò)野點(diǎn)剔除和數(shù)據(jù)校正，得到的有效數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的72%。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)以獲得連續(xù)的30 min水熱通量數(shù)據(jù)，便于分析水熱通量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化特征。對(duì)剔除數(shù)據(jù)和缺失數(shù)據(jù)采用以下2種方法進(jìn)行插值：(1)對(duì)于缺失間隔小于2 h的數(shù)據(jù)采用線(xiàn)性插值方法進(jìn)行插值；(2)對(duì)于缺失間隔大于2 h的數(shù)據(jù)采用平均日變化法進(jìn)行插值[17]。

1.4 能量平衡及閉合分析

一般而言，地表能量平衡計(jì)算公式可表示為

Rn-G=EL+H。

(1)

式(1)中，Rn為凈輻射通量，W·m-2；G為土壤熱通量，W·m-2；H和EL分別為感熱通量和潛熱通量，W·m-2。

EC系統(tǒng)測(cè)量到的地表能量平衡不閉合是一個(gè)尚未解決的普遍問(wèn)題，它表現(xiàn)為湍流通量(H+LE)與有效能量(Rn-G)之間的差異。評(píng)價(jià)能量閉合的常用方法有普通最小二乘法(OLS)、能量平衡比率法(EBR)、壓軸回歸法(RMA)和能量平衡殘差法。該文采用OLS和EBR方法對(duì)烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢的能量閉合狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

EBR(REB)為渦度相關(guān)系統(tǒng)直接測(cè)量的湍流通量與有效能量的比值，計(jì)算公式為

(2)

EBR值為1時(shí)，表示地表能量平衡完全閉合。雖然使用30 min的平均測(cè)量具有平滑隨機(jī)誤差和高頻波動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，但它也可能導(dǎo)致對(duì)白天向上通量和夜間向下通量的高估[18]。

OLS法是根據(jù)最小二乘法原理計(jì)算湍流和有效能量的回歸直線(xiàn)斜率(S)和截距(b)來(lái)分析能量平衡的閉合程度，其中，斜率可以反映瞬時(shí)能量的平衡。OLS回歸方程計(jì)算公式為

EL+H=S(Rn-G)+b。

(3)

在理想條件下，有效能量與湍流通量線(xiàn)性回歸的斜率S為1，并通過(guò)原點(diǎn)。

1.5 蒸散量估算

根據(jù)文獻(xiàn)[19]，地表每日蒸散量(ET，TE，mm·d-1)由EC系統(tǒng)測(cè)得的每日潛熱能和水的汽化潛熱換算得到，計(jì)算公式為

(4)

式(4)中，EL*為潛熱能，MJ·m-2·d-1；λ為水的汽化潛熱，即2.45 kJ·g-1；ρW為水密度，即1 g·cm-3。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象條件變化

輔助氣象要素梯度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和常規(guī)氣象站的觀(guān)測(cè)資料表明，各日氣象要素的變化具有明顯季節(jié)性(圖1)。氣溫(Ta)、土壤溫度(Ts)和飽和蒸汽壓差(VPD)呈單峰變化，從1月開(kāi)始逐漸升高，7、8月達(dá)到峰值，且生長(zhǎng)季大于非生長(zhǎng)季。與上述氣象變量不同，相對(duì)濕度(RH)和風(fēng)速(WS)呈鋸齒狀波動(dòng)。在觀(guān)測(cè)期間，最大風(fēng)速為8.5 m·s-1(2019年5月15日)，最小風(fēng)速為1.2 m·s-1(2019年2月16日)，最大相對(duì)濕度為88%(2019年6月22日)，最小相對(duì)濕度為10%(2019年5月21日)。觀(guān)測(cè)期平均溫度、平均相對(duì)濕度和平均土壤溫度(Ts-1)分別為11.61 ℃、40.93%和14.44 ℃。土壤通量板上方土壤溫度(Ts-2)高于距EC系統(tǒng)約250 m處的當(dāng)?shù)貧庀笳居^(guān)測(cè)數(shù)據(jù)(Ts-1)，這是由于儀器監(jiān)測(cè)精度和布局差異造成的，這與YAN等[20]的研究結(jié)果相似。

RH為相對(duì)濕度，Ta為氣溫，VPD為飽和蒸汽壓差，WS為風(fēng)速，Ts-1為距離EC系統(tǒng)約250 m處土壤溫度，Ts-2為土壤通量板上方土壤溫度(觀(guān)測(cè)時(shí)段為2019年3月7日至11月4日)。

2.2 能量通量和能量分配的動(dòng)態(tài)變化

2.2.1能量通量和能量分配的日變化

根據(jù)建群植物種唐古特白刺的物候期將觀(guān)測(cè)時(shí)間劃分為生長(zhǎng)前期、生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)后期3個(gè)時(shí)段。生長(zhǎng)前期日序?yàn)?6～90，共25 d；生長(zhǎng)期日序?yàn)?1～273，共183 d；生長(zhǎng)后期日序?yàn)?74～308，共35 d。烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢能量通量在3個(gè)不同時(shí)段的平均日變化見(jiàn)圖2。如圖2所示，盡管這3個(gè)時(shí)段能量組成和主要?dú)庀笠蜃痈鞑幌嗤?表2)，但各時(shí)段凈輻射(Rn)、土壤熱通量(G)和感熱通量(H)均呈早晚低、中午高的單峰型日動(dòng)態(tài)。Rn峰值出現(xiàn)在12:00—12:30，在3個(gè)時(shí)段內(nèi)無(wú)明顯差異。生長(zhǎng)前期、生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)后期Rn日變化峰值分別為379、474和296 W·m-2，平均值分別為91.76、125.86和45.20 W·m-2。G達(dá)到峰值時(shí)間(15:00—15:30)滯后于Rn，3個(gè)時(shí)期峰值分別為42、43和24 W·m-2，平均值為4.47、4.59和-4.51 W·m-2。

Rn為凈輻射，EL為潛熱通量，H為感熱通量，G為土壤熱通量。

表2 不同時(shí)期日均能量成分和主要?dú)庀笞兞?/p>

H變化規(guī)律與Rn一致，峰值分別為265、226和165 W·m-2，而潛熱通量(EL)值很小，且在觀(guān)測(cè)期內(nèi)波動(dòng)不大，生長(zhǎng)前期、生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)后期EL峰值分別約為3.1、19.3和6.6 W·m-2，這是由研究區(qū)干旱環(huán)境所致。能量平衡各分量正負(fù)值持續(xù)時(shí)間在不同時(shí)期有明顯區(qū)別，生長(zhǎng)期正值持續(xù)時(shí)間大約為12 h，而生長(zhǎng)后期則只有9 h。

能量分配日動(dòng)態(tài)(圖2)表明，H在能量消耗中占主導(dǎo)地位，生長(zhǎng)前、中、后期H占Rn的比例分別為63%、50%和72%。EL日平均值為2.18 W·m-2，而H日平均值為51.14 W·m-2，更多的能量轉(zhuǎn)換成H。白天和夜間能量分配不同，除日出、日落前后能量分配表現(xiàn)為EL/Rn>G/Rn外，白天能量分配表現(xiàn)為H/Rn>G/Rn>EL/Rn，夜間為G/Rn>H/Rn>EL/Rn，土壤熱通量占據(jù)主導(dǎo)地位。當(dāng)太陽(yáng)在白天加熱地面時(shí)，土壤熱通量均為正值，表現(xiàn)為向下傳輸，即吸熱狀態(tài)。在夜間，由于地表輻射冷卻，G多為負(fù)值，表明土壤為放熱狀態(tài)，地表向大氣傳輸熱量，地表是系統(tǒng)主要熱量來(lái)源。H/Rn與G/Rn在白天呈逐漸遞增趨勢(shì)，在夜間波動(dòng)較大，而EL/Rn夜間變化較小，日出和日落前后變化波動(dòng)劇烈，白天相對(duì)平穩(wěn)，白天整體高于夜間。

2.2.2能量平衡各分量和能量分配的季節(jié)變化

能量通量季節(jié)變化特征見(jiàn)圖3。如圖3所示，全年日Rn近似呈單峰型變化，受中小尺度天氣變化的影響，Rn呈鋸齒狀波動(dòng)，特別是在雨季，Rn日間差異較大。日平均Rn在-13(10月14日)～251 W·m-2(7月5日)之間變化，平均值為113.5 W·m-2。H季節(jié)變化趨勢(shì)與凈輻射相似，H日平均波動(dòng)范圍為-6.1(6月22日)～118.1 W·m-2(5月12日)，平均值為59.49 W·m-2，在全年中占主導(dǎo)地位。EL季節(jié)變化不大，日平均波動(dòng)范圍為7.02(10月5日)～53.21 W·m-2(6月23日)，平均值為14.56 W·m-2。在生長(zhǎng)期雨季H和EL波動(dòng)較大，這與降水時(shí)間和Rn的波動(dòng)一致。全年土壤熱通量主要為能量匯(G>0 W·m-2)。雖然中午G可以達(dá)到7 W·m-2，但瞬時(shí)G與Rn的比值小于1%。在生長(zhǎng)期非晴好天氣，如降水和云量較多的陰天，G日通量為負(fù)值，其他大部分時(shí)間為正值，而在生長(zhǎng)后期大多為負(fù)值。全年能量分配以感熱通量為主，然而年內(nèi)各分量也存在明顯變化，生長(zhǎng)期能量分配為H/Rn>EL/Rn>G/Rn，其他時(shí)期為H/Rn>G/Rn>EL/Rn。

Rn為凈輻射，EL為潛熱通量，H為感熱通量，G為土壤熱通量。

2.3 能量閉合度

有效能量與湍流通量的線(xiàn)性回歸分析結(jié)果(圖4)表明，烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢在觀(guān)測(cè)期內(nèi)30 min通量的能量閉合率為64%，日平均通量能量閉合度為67%，在國(guó)際同類(lèi)觀(guān)測(cè)范圍之內(nèi)(55%～99%)[21]。在數(shù)據(jù)處理方面，不同時(shí)間尺度和能量平衡評(píng)價(jià)方法得到的能量閉合結(jié)果(表3)不同。在通常情況下，所得線(xiàn)性回歸直線(xiàn)的截距不能通過(guò)原點(diǎn)，因此在分析過(guò)程中分別給出了未過(guò)原點(diǎn)的線(xiàn)性回歸斜率S1、截距b和決定系數(shù)R12以及強(qiáng)制通過(guò)原點(diǎn)的線(xiàn)性回歸斜率S2和決定系數(shù)R22。觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，生長(zhǎng)前期、生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)后期3個(gè)時(shí)期湍流通量與有效能量有較好的相關(guān)關(guān)系，生長(zhǎng)期能量閉合程度高于其他時(shí)期。在30 min尺度上，不同時(shí)期S1變化范圍為0.48～0.66，S2變化范圍為0.50～0.71，截距變化范圍為10.01～24.06 W·m-2，表明通過(guò)強(qiáng)制過(guò)原點(diǎn)的線(xiàn)性擬合，能量閉合度略有提高。根據(jù)30 min通量數(shù)據(jù)計(jì)算得到不同時(shí)期EBR范圍為0.54～0.73，EBR年均值為0.67，即年平均能量閉合度為67%，且白天能量閉合度(65%)高于夜間(20%)。日尺度上，EBR值為0.77，與30 min數(shù)據(jù)比，能量閉合度提升10%。

圖4 湍流通量(H+EL)與有效能量(Rn-G)之間的關(guān)系

表3 不同時(shí)間尺度烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢生態(tài)系統(tǒng)能量閉合特征

2.4 觀(guān)測(cè)期內(nèi)蒸散的動(dòng)態(tài)變化特征

如圖5所示，烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢群落蒸散發(fā)的季節(jié)變化趨勢(shì)明顯。在觀(guān)測(cè)期內(nèi)，稀疏灌叢群落蒸散總量為85.6 mm，受中小尺度天氣變化影響，ET的季節(jié)變化存在鋸齒狀波動(dòng)，日平均蒸散量最大值為2.17 mm·d-1，出現(xiàn)在6月23日，日均蒸散強(qiáng)度為0.36 mm·d-1。蒸散量隨植被生長(zhǎng)在各個(gè)時(shí)期呈明顯變化，生長(zhǎng)前期蒸散量較低，日平均蒸散強(qiáng)度為0.04 mm·d-1；進(jìn)入生長(zhǎng)期后迅速增加，日平均值為0.45 mm·d-1；進(jìn)入生長(zhǎng)后期ET呈逐步下降趨勢(shì)，日平均值為0.08 mm·d-1。

圖5 烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢群落蒸散季節(jié)變化

如圖5所示，3月蒸散量和降水量均很小，為觀(guān)測(cè)期內(nèi)最低值，分別為0.99和0.80 mm，蒸散量略高于同期降水量的原因是3月土壤解凍后，地被層草本植物開(kāi)始生長(zhǎng)，降水和冰雪融水是其主要水分來(lái)源；進(jìn)入生長(zhǎng)期后，隨著灌叢的展葉和生長(zhǎng)，月蒸散量逐漸增加，并在7月達(dá)到最大值，為20.16 mm，而7月降水量不足10 mm，蒸散量大于同期降水，水分虧損，植物根系通過(guò)吸收土壤儲(chǔ)水來(lái)保持植被正常生長(zhǎng)。8月ET同7月基本持平，且降水量高于7月，但由于氣溫高，蒸散受到限制，9和10月ET呈逐步下降趨勢(shì)，月蒸散總量分別為8.57和2.46 mm。生長(zhǎng)期總蒸散量為82.15 mm，占觀(guān)測(cè)期內(nèi)蒸散量的96%。

3 討論

3.1 能量平衡特征

凈輻射、感熱通量和潛熱通量是地表通量交換中的主要變量，其特征和變化趨勢(shì)受到很多局地因素的影響。地表凈輻射通量主要受到地理位置、海拔的影響，筆者研究觀(guān)測(cè)期間凈輻射總量為2 758 MJ·m-2，高于內(nèi)蒙古溫帶荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)(1 673 MJ·m-2)[22]、黃土塬區(qū)麥田(2 560 MJ·m-2)[23]。感熱交換取決于亂流熱交換系數(shù)和空氣溫度梯度差，梯度差越大，地面越粗糙，地表熱量交換越強(qiáng)，感熱也就較大。筆者研究中3個(gè)時(shí)期感熱通量均大于潛熱通量，與內(nèi)蒙古荒漠草原生長(zhǎng)季[22]及塔克拉瑪干沙漠腹地全年[2]的能量平衡特征類(lèi)似。3個(gè)時(shí)期H和G的變化趨勢(shì)與Rn一致，均呈單峰型日變化，但兩者的曲線(xiàn)不如Rn平滑，這可能是間接性湍流傳輸引起[24]。由于土壤熱容遠(yuǎn)大于空氣，土壤溫度變化遲于空氣溫度變化，因此G到達(dá)峰值的時(shí)間滯后于Rn，且時(shí)間滯后情況受到日出時(shí)間的影響。雖然G占凈輻射的比例很小，但是土壤熱通量具有白天吸收能量、夜間釋放能量以及夏季儲(chǔ)存能量、冬季釋放能量的特點(diǎn)，對(duì)地表能量收支起到“能量緩存”的作用，因此研究烏蘭布和沙漠稀疏灌叢能量平衡時(shí)，土壤熱通量不能被忽略。

研究能量分配的季節(jié)變化可以用來(lái)判斷下墊面的干濕狀況[25]。筆者研究結(jié)果表明H為Rn的最大支出項(xiàng)，H/Rn為0.62，而EL/Rn在研究期間均很小，這是由于烏蘭布和沙漠地區(qū)土壤含水量低，植被蒸騰作用弱，EL小于H，且土壤類(lèi)型為沙土，有利于快速垂直排水，因此減輕了土壤水分對(duì)EL的潛在影響。有研究表明，植被覆蓋較好的生態(tài)系統(tǒng)(農(nóng)田、森林和濕地草甸等)能量分配由潛熱輸送占據(jù)主導(dǎo)，對(duì)于極端干旱的荒漠地區(qū)而言，水分條件是決定能量分配的關(guān)鍵因素，若生態(tài)系統(tǒng)水分充足，能量消耗則以潛熱通量為主，反之則以感熱通量為主[26-29]?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)能量分配的差異主要來(lái)源于水分條件、植被類(lèi)型和氣候特征[27]。

3.2 能量閉合特征

能量平衡閉合統(tǒng)計(jì)量通常用于評(píng)估渦度相關(guān)系統(tǒng)的性能。筆者研究發(fā)現(xiàn)30 min通量的能量閉合率為64%。EBR在不同時(shí)間尺度的統(tǒng)計(jì)值顯示能量不閉合度仍然較為顯著，全年30 min和日平均通量EBR分別為0.67和0.77，表明湍流通量被低估。在FLUXNET站點(diǎn)中，斜率范圍為0.53～0.99，平均值為0.79，截距值范圍為-32.9～36.9 W·m-2，平均值為3.7 W·m-2，包括草地、農(nóng)田和森林生態(tài)系統(tǒng)[21]。在ChinaFLUX站點(diǎn)中，斜率變化范圍為0.49～0.81，平均值為0.67，截距值范圍為10.8～79.9 W·m-2，平均值為28.9 W·m-2[30]。FLUXNET站點(diǎn)觀(guān)測(cè)的EBR在0.34到1.69之間，平均值為0.84；ChinaFLUX站點(diǎn)的EBR范圍為0.58～1.00，平均值為0.83[21,30]。不同下墊面水熱通量有所不同，地表能量閉合情況因不同下墊面特征不同而產(chǎn)生很大差異?；哪蜕衬聣|面閉合率在63%～96%[31]，理論上，地表能量的收入和支出應(yīng)保持平衡，但實(shí)際上能量不閉合幾乎是所有地表通量觀(guān)測(cè)中存在的問(wèn)題。除系統(tǒng)采樣和儀器測(cè)量誤差外，筆者研究中站點(diǎn)能量不閉合的原因主要有高頻與低頻湍流通量的低估、平流的影響、土壤熱通量的損失和植被冠層儲(chǔ)熱等其他能量的忽略。

3.3 蒸散特征

地表蒸散強(qiáng)弱受到氣象因子和下墊面條件影響，當(dāng)?shù)貐^(qū)降水充沛、飽和蒸汽壓差大時(shí)，潛熱交換較強(qiáng)，蒸散強(qiáng)度大；若地表植被生長(zhǎng)情況好，覆蓋度高，則植物蒸騰作用越強(qiáng)，土壤和植被的總體蒸散相對(duì)也越大。烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢群落在觀(guān)測(cè)期內(nèi)EL值較小，蒸散量為85.6 mm，高于降水量(79.6 mm)，下墊面水分處于虧缺狀態(tài)，研究區(qū)單次降水量均小于10 mm，這種單次降水量不僅不能產(chǎn)生地表徑流，也無(wú)法滲入深層土壤，只能短時(shí)間增加表層土壤水分和空氣相對(duì)濕度。筆者發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)期日蒸散強(qiáng)度大于生長(zhǎng)前期和生長(zhǎng)后期，這與李傳金等[8]發(fā)現(xiàn)古爾班通古特沙漠南緣梭梭群落旺盛期日均蒸散強(qiáng)度大于萌發(fā)期的結(jié)論一致。蒸散發(fā)季節(jié)變化過(guò)程還受植被物候階段的影響，研究區(qū)生長(zhǎng)期蒸散值為82.2 mm，非生長(zhǎng)季蒸散量很小。筆者研究得出的ET值較YUAN等[32]得到的塔里木河下游荒漠河岸胡楊林小，這是因?yàn)檫@2個(gè)地區(qū)植被生長(zhǎng)狀況和生態(tài)系統(tǒng)水分狀況差異較大，2019年筆者研究期間降水量稀少，下墊面干旱，蒸散發(fā)量較小。影響蒸散發(fā)量的因子較多，且多因子間的相互作用機(jī)制尚有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

基于渦度相關(guān)技術(shù)，研究了烏蘭布和沙漠東北緣稀疏灌叢的能量及蒸散特征，得出如下主要結(jié)論：

(1)凈輻射日變化呈單峰型分布，最高值出現(xiàn)在12:30左右，生長(zhǎng)前期和生長(zhǎng)期凈輻射高于生長(zhǎng)后期；土壤熱通量總體也呈單峰狀分布，最大值出現(xiàn)時(shí)間比凈輻射滯后2 h。感熱通量日變化與凈輻射相似，潛熱通量值較小且變化不大。

(2)能量分配以感熱通量為主，感熱通量占凈輻射的62%，潛熱通量占4%，土壤熱通量占1%，不同時(shí)期各分量也存在明顯變化，生長(zhǎng)期能量分配為H/Rn>EL/Rn>G/Rn，其他時(shí)期為H/Rn>G/Rn>EL/Rn。

(3)30 min通量的能量閉合度為64%，日平均通量的閉合度為67%。生長(zhǎng)前期、生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)后期能量閉合度分別為57%、66%和48%，白天能量閉合度(65%)高于夜間(20%)，能量不閉合的原因有待進(jìn)一步研究分析。

(4)研究區(qū)稀疏灌叢群落蒸散量為85.6 mm，日均蒸散強(qiáng)度為0.36 mm·d-1。季節(jié)蒸散總體呈生長(zhǎng)季大于非生長(zhǎng)季，且生長(zhǎng)季內(nèi)呈逐月增加至7月到達(dá)峰值后減小的變化特征。蒸散時(shí)空變化特征是不同耦合過(guò)程相互作用的結(jié)果，其影響機(jī)制及與氣候變化之間的聯(lián)系還需深入研究。