DOI：10.16601/j.cnki.issn2096-7330.2024.01.020"文章編號：2096-7330（2024）01-0154-07

摘"要：基于遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)地面觀測數(shù)據(jù)，利用BEPS模型對芒果經(jīng)濟(jì)林的蒸散量進(jìn)行模擬估算，通過實(shí)測蒸散量對模型估算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上分析芒果經(jīng)濟(jì)林蒸散量變化特征，最后對蒸散量的主要影響因素（氣象因子、植被因子）進(jìn)行探討。結(jié)果表明：（1）通過與實(shí)測蒸散量對比，BEPS模型模擬的芒果經(jīng)濟(jì)林精度較高，蒸滲儀與BEPS模型估算模擬值在日尺度和月尺度的相關(guān)性分別為0.93、0.76，均通過顯著性檢驗(yàn)，表明BEPS模型能夠客觀表征芒果經(jīng)濟(jì)林蒸散量時(shí)間變化情況。（2）芒果經(jīng)濟(jì)林的蒸散量多年平均值為790.52mm，蒸散主要集中在生長季，生長季年均值為681.93mm。在時(shí)間尺度上蒸散量有著明顯的季節(jié)性變化，ET值從3月開始顯著上升至9月到達(dá)峰值隨之減少。（3）蒸散量受到氣象因子和植被因子的共同影響，其中短波輻射、氣溫等熱量因子與蒸散呈顯著正相關(guān)關(guān)系，對蒸散增加起到促進(jìn)作用；降水量、相對濕度等水分因子和葉面積指數(shù)與蒸散呈現(xiàn)非線性二次多項(xiàng)式相關(guān)關(guān)系；隨著相對濕度、降水量和葉面積指數(shù)的增大，蒸散量呈現(xiàn)先增加后緩慢下降的趨勢。

關(guān)鍵詞：對話式學(xué)習(xí)；腳手架理論；提示詞;chatgpt;midjourney

中圖分類號：S436.67""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

蒸散（ET，evapotranspiration）是陸地表面水分轉(zhuǎn)化為水蒸氣后重新進(jìn)入大氣的過程，是維持陸地表面水熱能量平衡的主要過程參量，主要包括蒸發(fā)和蒸騰兩部分，在全球水循環(huán)中，超過60%的降水通過蒸發(fā)、蒸騰作用再次返回到大氣之中[1]。蒸散是將水圈、大氣圈和生物圈聯(lián)系起來的連續(xù)能量通量[2-3]。隨著氣候變化和人類城市化進(jìn)程，ET正進(jìn)行著復(fù)雜的變化[4]。量化蒸散量對于認(rèn)識陸面可利用水分的分配，掌握農(nóng)作物生長過程耗水規(guī)律、乃至研究氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)的影響有著重要意義[5-8]。

百色右江地區(qū)光照時(shí)間長且熱量充足，符合優(yōu)質(zhì)芒果生長條件。自“十三五”以來，當(dāng)?shù)卣鋵?shí)脫貧攻堅(jiān)、鄉(xiāng)村振興政策，結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)在百色右江地區(qū)大面積種植芒果經(jīng)濟(jì)林，使得芒果產(chǎn)業(yè)成為產(chǎn)業(yè)扶貧“一號工程”。芒果經(jīng)濟(jì)林的種植一方面減少土壤流失量，另一方面促進(jìn)該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展[9]。右江流域地區(qū)為干熱河谷，地勢四周高中間低，存在局部焚風(fēng)小氣候，造成區(qū)域氣溫溫差大且降水分布不均的現(xiàn)象[10]；與傳統(tǒng)農(nóng)作物相比，芒果經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)量高，蒸散強(qiáng)烈，維持芒果生長和果實(shí)發(fā)育需要消耗大量水分[11]。針對芒果經(jīng)濟(jì)林發(fā)展現(xiàn)狀，有必要對芒果經(jīng)濟(jì)林蒸散進(jìn)行研究，以期全面了解芒果經(jīng)濟(jì)林蒸散變化規(guī)律，這對建立芒果經(jīng)濟(jì)林區(qū)域水分管理，實(shí)現(xiàn)芒果經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。ET作為水分交換的重要指標(biāo)，其變化特征可以反映氣候變化和植被變化下的水分變化，具有顯著的區(qū)域性和季節(jié)差異性[12]。在全球水資源日漸短缺的背景下，準(zhǔn)確估測水資源有利于合理利用和分配用水。隨著儀器的精進(jìn)，眾多學(xué)者對蒸散的估測和變化規(guī)律進(jìn)行了研究。通過安裝大型稱重式蒸滲儀、通量站對研究區(qū)域進(jìn)行站點(diǎn)尺度的觀測[13]，站點(diǎn)尺度的觀測可以較為準(zhǔn)確捕捉到蒸散量連續(xù)的時(shí)間變化，但由于觀測儀器較為昂貴且需要長期維護(hù)等設(shè)備條件和站點(diǎn)選址受到氣象條件和地形環(huán)境的限制，測量蒸散結(jié)果容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)誤差等問題[14-15]。隨著遙感技術(shù)的興起，利用遙感數(shù)據(jù)和模型反演估算蒸散成為當(dāng)今國內(nèi)外研究的重要方向，在復(fù)雜環(huán)境下不同地表特征進(jìn)行準(zhǔn)確的量化，克服儀器測量數(shù)據(jù)缺失缺陷。目前估算陸地表面蒸散的模型有SEBAL模型（Surface Energy Balance Algorithms for Land）[16-17]、SEBS模型（Surface Energy Balance System）[18-19]、TESB模型（Two-source energy balance）[20]、BEPS模型（Boreal Ecosystem Productivity Simulator）等，其中BEPS模型考慮植被陰、陽葉分離，結(jié)合彭曼公式計(jì)算得到逐日站點(diǎn)蒸散量，避免了SEBAL模型、SEBS模型、TESB模型等能量平衡模型在時(shí)間尺度上擴(kuò)展瞬時(shí)蒸散量所帶來的誤差。

本研究選用BEPS模型，利用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)地面觀測資料作為模型輸入數(shù)據(jù)和估算驗(yàn)證數(shù)據(jù)，估算芒果經(jīng)濟(jì)林ET變化特征，分析氣象因子和植被因子對ET變化的影響，揭示蒸散量對氣候變化的響應(yīng)特征，為區(qū)域水資源合理利用提供參考意義。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

地面實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)位于廣西百色市田陽縣百育鎮(zhèn)百色市國家農(nóng)業(yè)科技園芒果園（23°41′N，106°59′E）。該區(qū)地貌以河谷沖積平原和小丘陵為主，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫在21.6～22.1℃之間，雨季主要集中在7、8月之間，年平均降水量1100～1300mm，年均蒸發(fā)量1681.7mm。降水量南北山區(qū)多，中間河谷少，夏季多，冬季少，干濕季分明。由于該區(qū)域氣溫高，蒸發(fā)量大，降雨分布不均勻，因此易發(fā)生干旱。

1.2BEPS模型

本研究采用BEPS模型模擬站點(diǎn)蒸散量。模型將遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和植被生理參數(shù)結(jié)合起來，將植被冠層分為陰葉、陽葉[21]，基于葉片瞬時(shí)Farquhar光合作用模型進(jìn)行時(shí)空尺度轉(zhuǎn)換模擬植被碳水循環(huán)[22]，以天為時(shí)間步長模擬植被蒸騰過程。

驅(qū)動模型的輸入包括日尺度的短波輻射量、空氣溫度、濕度、降雨量、植被生理指數(shù)LAI、植被類型、土壤溫度和土壤有效持水量等，最后輸出日尺度ET。模型在加拿大、美國、中國等地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，模型成功模擬得到生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)交換通量的能力[23]。模型詳細(xì)的計(jì)算式見文獻(xiàn)[24]和[25]。

1.3相關(guān)性分析1.5mm

皮爾遜Person相關(guān)分析能夠定量衡量變量之間的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)R變化范圍[-1，1]，這反映了2個(gè)變量之間存在線性關(guān)系的程度，Rlt;0說明呈負(fù)相關(guān)，Rgt;0為正相關(guān)，HT4\"|R|HT5越趨近于1，說明變量之間的相關(guān)性越強(qiáng)。采用Person相關(guān)分析法，分析蒸散發(fā)、水分利用效率與氣候因子、植被因子之間的響應(yīng)關(guān)系，并以此作為通徑分析的基礎(chǔ)。計(jì)算式為：

R=SX（∑ni=1（xi-x-）（yi-y-）KF（（xi-x-）2∑ni=1（yi-y-）2KF）SX）

式中，R為Person相關(guān)系數(shù)，xi為第i個(gè)自變量，yi為第i個(gè)因變量，n表示樣本的總個(gè)數(shù)。

1.4數(shù)據(jù)來源

1.4.1模型輸入數(shù)據(jù)

BEPS模型輸入?yún)?shù)包括4大類：（1）研究站點(diǎn)信息，包括經(jīng)緯度、土地利用類型、土壤質(zhì)地、土壤溫度、土壤含水量；（2）研究區(qū)以小時(shí)為單位步長的氣象數(shù)據(jù)，包括2m空氣溫度、降水量、水蒸氣壓差、風(fēng)速和短波輻射；（3）站點(diǎn)所在植被的生理生態(tài)參數(shù)，其中包括葉片的C、N，最大氣孔導(dǎo)度，冠層集聚度，冠層平均葉面積指數(shù)等。（4）研究區(qū)以天為單位步長的葉面積指數(shù)。土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)通過ArcGIS軟件提取柵格遙感衛(wèi)星影像提取到點(diǎn)，獲取站點(diǎn)數(shù)據(jù)。

本研究中提取到站點(diǎn)所在的土地利用數(shù)據(jù)來自MODIS三級數(shù)據(jù)土地覆蓋類型產(chǎn)品MCD12Q1數(shù)據(jù)，采用IGBP的全球植被分類方案（https：//lpdaac.usgs.gov/products/mcd12q1v006/），站點(diǎn)所在的植被類型為農(nóng)田。

本研究中的氣象數(shù)據(jù)使用的是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的ECMWF ERA5-Land再分析數(shù)據(jù)集（https：//cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#！/dataset/reanalysis-era5-land），主要包括2m處的氣溫、降水量、水蒸氣壓差、10米處的風(fēng)速和向下短波輻射。

本研究中的LAI數(shù)據(jù)來自MODIS LAI數(shù)據(jù)，采用Savitzky-Golay濾波方法剔除云污染，獲取原有數(shù)據(jù)時(shí)空連續(xù)的LAI數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)噪音，從而提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.4.2地面實(shí)測蒸散量

本研究區(qū)生態(tài)遙感綜合試驗(yàn)站內(nèi)采用大型稱重式蒸滲儀，該儀器為保證作物正常生長，保證容器中作物生理狀態(tài)與站點(diǎn)所在土地覆蓋作物保持一致，且實(shí)時(shí)監(jiān)測容器水量變化，儀器具有面積和深度大的特點(diǎn)。通過觀測蒸滲儀中土壤水分的動態(tài)變化，利用壓力感應(yīng)器測定蒸滲儀的質(zhì)量變化，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每30分鐘收集和記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)水量平衡方程計(jì)算蒸發(fā)量。最后對比分析實(shí)測蒸散數(shù)據(jù)與模型估測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而評價(jià)模型的適用性。

2結(jié)果與分析

2.1基于BEPS模型的芒果經(jīng)濟(jì)林ET模擬結(jié)果及驗(yàn)證

BEPS模型估算ET模擬值與蒸滲儀實(shí)測值日尺度實(shí)測值差距較小，能夠較為準(zhǔn)確反映區(qū)域逐日蒸散量變化情況。蒸滲儀實(shí)測值與BEPS模型估算模擬值RMSE為0.603mm，模型估測值略低于實(shí)測值（圖3c）。蒸滲儀日尺度實(shí)測值與BEPS模型估算值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.93（R2=0.87，plt;0.01），通過顯著性雙尾檢驗(yàn)，可以解釋站點(diǎn)87%的蒸散變化（圖3a）。月尺度上實(shí)測值與模型估算值呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)關(guān)系為0.76（R2=0.58，plt;0.01），兩者RMSE為42.971mm，BEPS模型模擬蒸散月蒸散平均相對誤差為17.55%，說明BEPS模型在站點(diǎn)尺度上大致可以表現(xiàn)月尺度蒸散量變化情況（圖3b）。以上結(jié)果表明，在站點(diǎn)尺度上，BEPS模型能夠客觀表征蒸散時(shí)間變化。

2.2芒果經(jīng)濟(jì)林ET變化特征

+1芒果經(jīng)濟(jì)林ET年均總量范圍為754.21～824.96 mm，多年平均值為790.52 mm。由于2021年降水量較少，導(dǎo)致當(dāng)年的蒸散ET總量較小。ET主要集中在生長季，生長季年均蒸散為681.93mm，占全年總蒸散的86.26%，生長季最大值和最小值分別出現(xiàn)在2020、2022年，為655.11mm和703.03mm（圖4）。

從圖4看，ET年內(nèi)大致呈單峰分布，有明顯的季節(jié)性變化，ET值從3月開始顯著上升至9月到達(dá)峰值隨之減少。由于生長季短波輻射、氣溫在7月值較高，而7月降水量相較于6月、8月減少，站點(diǎn)水分供應(yīng)不足，農(nóng)田植被容易出現(xiàn)干旱脅迫，ET反映水分變化明顯，導(dǎo)致7月份ET相較于6、8月減少。由于短波輻射、氣溫、相對濕度、降水量和葉面積指數(shù)在9月均呈現(xiàn)下降趨勢，ET于9月到達(dá)峰值后隨之逐漸下降?？偟膩碚f，站點(diǎn)多年月均最高蒸散在9月，為133.61mm；月均最低蒸散在2月，為9.65mm。

2.3氣象因子和植被因子與ET的相關(guān)關(guān)系

相關(guān)性分析結(jié)果表明，芒果經(jīng)濟(jì)林ET與氣象因子和植被因子之間存在相關(guān)關(guān)系，蒸散受到氣象、葉面積指數(shù)的變化的驅(qū)動。影響芒果經(jīng)濟(jì)林ET的氣象因子（短波輻射、氣溫、相對濕度、降水量、風(fēng)速）和植被因子（LAI）相關(guān)性均通過0.01顯著性檢驗(yàn)。

短波輻射、氣溫等熱量因子呈顯著自相關(guān)性，短波輻射與ET呈顯著對數(shù)關(guān)系，氣溫與ET呈顯著冪函數(shù)關(guān)系。當(dāng)短波輻射在100W/m2以下時(shí)ET表現(xiàn)不明顯，在100～200W/m2時(shí)，ET隨著輻射量的增加而增加，超過200W/m2時(shí)ET增加速度放緩。氣溫與ET呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，蒸散隨著氣溫的增加而增加，當(dāng)氣溫大于22℃時(shí)，蒸散增加速度加快。這說明，短波輻射和氣溫兩種熱量因子對蒸散量的增加起著促進(jìn)作用，在春夏兩季輻射量和氣溫的增加造成ET迅速上升。

相對濕度、降水量等水量因子與蒸散ET均呈現(xiàn)非線性二次多項(xiàng)式相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證前人學(xué)者關(guān)于降水等水分因子以非線性方式影響生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)輸出的重要結(jié)論[26-27]。隨著相對濕度、降水量的增大，ET先增大后緩慢下降。當(dāng)相對濕度大于85%或降水量大于350mm時(shí)，蒸散量由增加趨勢轉(zhuǎn)為緩慢下降。相對濕度、降水量等水分因子與蒸散量的離散程度大于短波輻射、氣溫等熱量因子與蒸散的離散程度，說明相對濕度、降水量等水分因子不能直接影響蒸散，而是需要通過熱量因子等影響蒸散結(jié)果，所以在降水量較小時(shí)，氣溫的升高，會造成植被受到干旱脅迫，從而導(dǎo)致蒸散量增加。而當(dāng)持續(xù)陰雨天氣時(shí)，降水量增加，地表短波輻射減少，氣溫較低，土壤蒸發(fā)和植被蒸騰作用減弱，蒸散減少。

風(fēng)速，葉面積指數(shù)與ET呈非線性二次多項(xiàng)式相關(guān)關(guān)系。風(fēng)速與蒸散之間的相關(guān)關(guān)系較弱，相關(guān)系數(shù)為0.15，當(dāng)風(fēng)速小于1.4m/s或大于2m/s時(shí)，蒸散作用明顯，蒸散與風(fēng)速呈現(xiàn)先減小后緩慢增加的趨勢。當(dāng)葉面積指數(shù)LAI小于0.5m2/m2，基本在非生長季1、2月，植被稀少，蒸散量較小，蒸散作用不明顯。當(dāng)LAI大于0.5m2/m2時(shí)，ET隨著LAI的增大而增大，在LAI達(dá)到4m2/m2時(shí)，蒸散增加速度放緩，有研究提出，當(dāng)葉面積增加至一定程度時(shí)，冠層植被遮蔭效果增強(qiáng)，從而減少土壤蒸發(fā)[28]。

3結(jié)論

本研究選用BEPS模型，利用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和遙感試驗(yàn)地面觀測資料作為模型輸入數(shù)據(jù)和估算驗(yàn)證數(shù)據(jù)，估算芒果經(jīng)濟(jì)林ET變化特征，探究氣象因子和植被因子對芒果經(jīng)濟(jì)林ET變化的影響。結(jié)果表明，在站點(diǎn)尺度上，BEPS模型能夠客觀表征蒸散量在時(shí)間尺度上的變化，BEPS模型估算蒸散結(jié)果與蒸滲儀實(shí)測值呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.93，可以解釋站點(diǎn)87%蒸散變化。芒果經(jīng)濟(jì)林ET多年平均值為790.52mm，蒸散主要集中在生長季，生長季年均值為681.93mm；在時(shí)間尺度上蒸散量有著明顯的季節(jié)性變化。通過相關(guān)性分析，站點(diǎn)蒸散受到氣象因子和植被指數(shù)變化的驅(qū)動；短波輻射、氣溫等熱量因子對蒸散增加起到促進(jìn)作用，降水量、相對濕度等水分因子和葉面積指數(shù)與蒸散呈現(xiàn)非線性二次多項(xiàng)式相關(guān)關(guān)系，隨著相對濕度、降水量和葉面積指數(shù)的增大，ET先增大后緩慢下降。風(fēng)速與ET之間呈先減小后緩慢增加的趨勢，1.4～2m/s的風(fēng)速緩解土壤蒸發(fā)和植被蒸騰作用，蒸散反而降低。

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[責(zé)任編輯：黃天放]

收稿日期：2023-08-23

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“右江干熱河谷典型芒果經(jīng)濟(jì)林實(shí)際蒸散量尺度擴(kuò)展及影響機(jī)制研究”（42061063）；廣西科技基地和人才專項(xiàng)“熱帶特色植被定量遙感技術(shù)研究暨生態(tài)遙感國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（桂科AD20238059）”共同資助

通信作者簡介：閆妍（1987—），女，博士，南寧師范大學(xué)副研究員，從事生態(tài)遙感研究工作（yanyan@nnnu.edu.cn）。