全 文 ：黄土高原半干旱区农田生态系统蒸散与
作物系数特征*
阳伏林1,2,3 摇 张摇 强1,2**摇 王润元1 摇 王摇 胜1 摇 岳摇 平1 摇 王鹤龄1 摇 赵摇 鸿1
( 1中国气象局兰州干旱气象研究所 /甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室 /中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验
室, 兰州 730020; 2甘肃省气象局, 兰州 730020; 3兰州大学大气科学学院, 兰州 730000)
摘摇 要摇 蒸散是地表能量平衡和水分平衡的重要组分,与水循环过程密切相关.采用涡度相
关技术,对黄土高原半干旱区农田生态系统 2010 年生长季(4—9 月)蒸散特征进行观测,分
析了农田作物系数与环境因子的关系.结果表明: 在观测期间,研究区各月潜热通量(LE)日
变化呈近似“单峰型冶曲线特征,最大峰值出现在 8 月(151. 4 W·m-2);日间能量分配方式存
在明显季节差异,4—6 月的日间能量分配表现为 LE / Rn7—9 月的日间能量分配方式(LE / Rn>H / Rn)与 4—6 月相反.黄土高原半干旱区农田日蒸散
率存在显著季节变化特征,最大日蒸散率为 4. 69 mm·d-1 .风速(Ws)、空气相对湿度(RH)、
土壤含水量(兹)和饱和水汽压差(D)是作物系数(Kc)的主要影响因子. Kc随 Ws增加呈指数降
低趋势,随 RH、兹增加呈指数增长趋势,随 D增加呈线性降低趋势.
关键词摇 蒸散摇 作物系数摇 Penman鄄Monteith模型摇 农田生态系统摇 涡度相关
文章编号摇 1001-9332(2013)05-1209-06摇 中图分类号摇 S161. 4, S181摇 文献标识码摇 A
Characteristics of evapotranspiration and crop coefficient of agroecosystems in semi鄄arid
area of Loess Plateau, Northwest China. YANG Fu鄄lin1,2,3, ZHANG Qiang1,2, WANG Run鄄
yuan1, WANG Sheng1, YUE Ping1, WANG He鄄ling1, ZHAO Hong1 ( 1Gansu Province Key Labora鄄
tory of Arid Climatic Change and Reducing Disaster / China Meteorological Administration Key Open
Laboratory of Arid Climatic Change and Disaster Reduction, Institute of Arid Meteorology, China Me鄄
teorological Administration, Lanzhou 730020, China; 2Gansu Meteorological Bureau, Lanzhou
730020, China; 3College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(5): 1209-1214.
Abstract: Evapotranspiration (ET) is an important component of ground surface energy balance
and water balance, and closely related to water cycle. By using eddy covariance technique, this
paper studied the ET characteristics of agroecosystems in the semi鄄arid area of Loess Plateau in
growth season (from April to September), 2010, and analyzed the relationships between crop coef鄄
ficient and environmental factors. During the observation period, the diurnal variation of latent heat
flux (LE) in each month was similar to single鄄peak curve, and the peak value (151. 4 W·m-2)
occurred in August. The daytime energy partitioning manner showed a significant seasonal varia鄄
tion, with LE / Rnand LE / Rn>H / Rn from July to September. The daily ET rate also showed a significant seasonal vari鄄
ation, with the maximum of 4. 69 mm·d-1 . The wind speed (Ws), relative humidity (RH), soil
water content (兹), and atmospheric vapor pressure deficit (D) were the major factors affecting the
crop coefficient Kc which was exponentially decreased with increasing Ws, exponentially increased
with increasing RH and 兹, and linearly decreased with increasing D.
Key words: evapotranspiration; crop coefficient; Penman鄄Monteith model; agroecosystem; eddy
covariance.
*国家自然科学基金项目(40830957)、中国博士后科学基金项目(2012M512044)、公益性行业(气象)科研专项(GYHY201106029)、甘肃省自
然科学基金项目(1208RJYA025)和甘肃省气象局气象科研项目(2012鄄15)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zhangqiang@ cma. gov. cn
2012鄄11鄄08 收稿,2013鄄02鄄06 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 5 月摇 第 24 卷摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2013,24(5): 1209-1214
摇 摇 水循环是地球系统各圈层相互作用的关键过
程.陆面蒸散( evapotraspiration, ET)作为水循环的
重要环节,是地球系统水分消耗的主要方式,在区域
和全球气候中具有重要作用. 农田蒸散是植被和地
面整体向大气输送的水汽总通量,是水分平衡的重
要分量.全球约 60%的降水被蒸散所消耗,农田系
统中 99%的用水被蒸散消耗[1] .蒸散作为能量平衡
的组成部分,是地表可利用能量的重要支出项[2] .
黄土高原是我国十分独特的陆地类型和生态环
境区域,地理分布北起阴山、南至秦岭、西抵日月山、
东到太行山,总面积达 62郾 68伊104 km2[3],将近 70%
的地面覆盖着深厚的黄土层. 黄土高原大部分地区
年降水量较少,雨量变率较大,春旱严重,是我国北
方典型“旱地农业冶分布区.黄土高原也是我国气候
分界区和农牧交错带的主要分布区域,这一重要而
特殊区域的水循环过程将对东亚地区大气环流以及
农业生产活动产生重要影响,水资源贫乏成为制约
当前该地区农业可持续发展的瓶颈.有研究表明,黄
土高原地区是响应气候变化的敏感区域,气候变暖
将通过加快蒸散过程进而加剧黄土高原地区土壤干
旱化程度[4] .蒸散作为水循环过程的关键环节,已
成为研究该地区应对气候变化与农业可持续发展的
重要科学问题.了解黄土高原农田蒸散过程,对于黄
土高原地区有限水资源的合理利用以及水资源短缺
问题的解决等具有重要现实意义.近年来,许多学者
基于 Penman鄄Monteith模型分析了黄土高原作物参
考蒸散的时空变异特征[5-6],并利用蒸渗仪[7]、涡度
相关系统[8]等方法对该地区农田蒸散特征进行观
测.张强等[9]比较了黄土高原陆面蒸散不同观测方
法的差异,发现基于 Penman鄄Monteith 模型与作物系
数(Kc)方法估算的实际蒸散明显低于涡动相关法
和蒸渗计观测的蒸散量.
国际粮农组织(FAO)推荐采用作物系数法来
估算不同类型生态系统蒸散量,被广泛地应用于农
作物和草地等生态系统[10-11] . 在作物系数法中,实
际蒸散为参考蒸散与 Kc的乘积[12] . Penman鄄Monteith
模型被认为是估算参考蒸散较为理想的方法[10] .因
而,获得特定可靠的 Kc值,是应用该方法准确估算
蒸散量的关键.有研究表明,Kc在不同类型生态系统
之间存在显著差异,且受多个环境因子影响[11-12] .
但现有的多数研究将 Kc作为常数处理,或给定各类
作物在特定生长阶段(初始阶段、发展阶段、中期和
后期)的 Kc值,忽略了 Kc的日间变异[9-10] .这种近似
处理将降低对作物全生育期蒸散实时、连续估算能
力,制约了农田生态系统的科学管理[13] .为此,本研
究采用涡度相关技术在 2010 年生长季(4 月 1 日—
9 月 30 日)对黄土高原半干旱区农田生态系统蒸散
进行连续观测,研究农田蒸散和作物系数动态特征,
并分析作物系数与环境因子之间的关系,以期增进
黄土高原地区农田生态水文过程的理解,为半干旱
区农业生态系统科学管理提供参考.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究地点为位于黄土高原地区甘肃定西市境内
的中国气象局兰州干旱气象研究所干旱气象与生态
环境 试 验 基 地 ( 35毅 33忆 N, 104毅 35忆 E, 海 拔
1896郾 7 m).该区属温带大陆性半干旱气候,年均气
温7郾 1 益,月均最低气温-7郾 0 益 (1 月),月均最高
气温 19郾 0 益 (7 月);年均降水量 382郾 3 mm,5—10
月降水占年降水量的 87郾 4% . 下垫面平坦均匀;土
壤类型为黄土状亚粘土;土壤容重 1郾 38 g·cm-3 .主
要农作物为春小麦,少量种植马铃薯和玉米.
1郾 2摇 水热通量观测
涡度相关技术以其理论假设条件较少、测定精
度高等优势,成为确定大气和陆地生态系统边界层
间水汽交换的一种微气象学观测手段,所测定的数
据常被用于检验模型模拟效果[14-15] .本研究采用开
路式涡度相关系统( eddy covariance,EC)对黄土高
原半干旱区农田生态系统蒸散特征进行观测. 涡度
相关系统由三维超声风速仪 ( CSAT鄄3, Campbell,
USA)和 CO2 / H2 O 快速响应红外分析仪( Li7500,
Li鄄Cor, USA)组成,主要用于测定地表与大气间潜
热通量 ( LE)和感热通量 (H)交换,观测高度为
2郾 5 m.仪器采样频率为 10 Hz,实时观测数据记录
于数据采集器(CR5000,Campbell Scientific,USA).
半小时尺度潜热通量和感热通量的计算公式如
下[16]:
LE = 籽姿 w忆q忆 (1)
H = 籽Cp w忆T忆 (2)
式中:籽 为空气密度;Cp为空气热容量;姿 为蒸发潜
热;w忆、T忆和 q忆分别表示垂直风速、气温和比湿脉动
值. LE和 H的正值表示能量从地表向大气中传输,
负值则相反.在数据计算前,对涡度相关系统测得的
LE、H值进行野点剔除以及坐标旋转校正处理.对 H
进行超声虚温订正;对 LE 进行密度效应订正. 同
0121 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
时,对 LE、H 的异常值进行剔除处理,具体方法
为[11]:1)剔除由于断电、仪器标定等引起的不完整
测定数据;2)剔除降水同期数据;3)采用“差分法冶
剔除未知原因导致的异常值. 2010 年观测期(4 月 1
日—9 月 30 日)内约 15郾 9%通量数据被剔除,本研
究采用 Falge等[17]提出的方法对缺失通量数据进行
插补.
1郾 3摇 环境要素观测
采用试验基地的自动气象站对黄土高原半干旱
区农田生态系统进行长期环境要素观测. 自动气象
站主要由 1 个辐射传感器(CN鄄40,EKO,Japan,观测
高度 1郾 5 m)、1 个空气温湿度传感器 (HMP45C,
Vaisala,Finland,观测高度 1郾 5 m)、1 个风速风向传
感器(5103V,RM Young,USA,观测高度 2郾 0 m)、1
个自动雨量计(52203,RM Young,USA,观测高度
1郾 5 m)组成,分别对净辐射(Rn)、空气温度(T)、空
气相对湿度(RH)、风速(Ws)、风向和降雨量(P)进
行观测. 利用水分时域反射仪 ( CS616, Campbel,
USA)测定地下 0郾 10 m深处的土壤含水量(兹);利用
热电偶温度传感(107L,Campbell,USA)测定地表土
壤温度.常规气象要素和土壤环境要素采样频率均
为 0郾 1 Hz,由数据采集器(CR1000,Campbell Scien鄄
tific,USA)存储数据.本研究采用土壤温度和土壤含
水量数据计算土壤表层半小时尺度的土壤热通量
(G),具体计算方法见文献[18].
1郾 4摇 参考蒸散与作物系数的计算
采用 Penman鄄Monteith 模型计算黄土高原半干
旱区农田日尺度参考作物蒸散量,公式如下:
ET0 =
0郾 408驻(Rn - G) + 酌
900
T + 273u2(es - ea)
驻 + 酌(1 + 0郾 34u2)
(3)
式中:ET0为参考作物蒸散量 (mm);Rn为净辐射
(MJ·m-2);G为土壤热通量(MJ·m-2);酌 为干湿
表常数(kPa·K-1);T 为空气温度(益);u2为风速
(m·s-1);es为饱和水汽压(kPa);ea为实际水汽压
(kPa);es-ea为饱和水汽压差(kPa);驻 为饱和水汽
压曲线斜率(kPa·益 -1) [10] .
作物系数为实际蒸散 (ET,mm)与参考蒸散
(ET0, mm)的比值[10-11,13]:
Kc =ET / ET0 (4)
本研究将涡度相关直接测定的蒸散作为实际蒸
散;将 Penman鄄Monteith模型计算的参考作物蒸散量
作为参考蒸散.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 黄土高原半干旱区环境要素特征
陆地生态系统蒸散与环境因子变化密切相关.
研究黄土高原农田蒸散和作物系数有必要了解观测
期内环境要素特征. 由图 1 可以看出,整个观测期
内,研究区降水量共 285郾 9 mm,其中,最大日降水量
为 26郾 9 mm (DOY 180, 6 月 29 日);5 月中上旬和 6
月中下旬的降水极少,出现了明显阶段性干旱.地下
0郾 10 m深处的土壤含水量( 兹)对降水事件响应敏
感;大于 10 mm 的日降水量能够引起 兹 的显著变
化;观测期内,兹 波动较大,在 7郾 2% ~19郾 9%之间变
化,平均值为 12郾 0% . 6 月中下旬,黄土草原半干旱
区农田生态系统出现了一个明显的干旱期. 6 月
10—27 日连续 18 d 无降水记录;6 月 27 日 兹 仅为
8郾 5% .严重干旱使这段时期的空气相对湿度(RH)
明显降低、饱和水汽压差(D)显著升高.观测期内,
图 1摇 研究区环境要素的季节变化
Fig. 1摇 Seasonal variation of environmental factors in the study
area郾
兹:土壤含水量 Soil water content; P:降雨量 Precipitation; T:气温 Air
temperature; D:饱和水汽压差 Vapor pressure deficit; Rn:净辐射 Net
radiation; RH:空气相对湿度 Air relative humidity. 下同 The same
below.
11215 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 阳伏林等: 黄土高原半干旱区农田生态系统蒸散与作物系数特征摇 摇 摇 摇 摇
RH和 D呈现近似相反的变化趋势;净辐射(Rn)与
空气温度(T)也表现出明显的季节变化;Rn的日间
波动较大;与 Rn相比,T 的变化相对平稳,4 月的 T
较低,随后逐渐增大,8 月初达到最大,观测期内平
均 T值为 15郾 4 益 .
2郾 2摇 黄土高原半干旱区农田蒸散特征
观测期内,黄土高原半干旱区潜热通量月均日
动态呈近似“单峰型冶曲线变化(图 2).没有出现郭
家选等[19]报道冬小麦农田正午前后存在“蒸散高
地冶现象.夜间的潜热通量(LE)较低,且变化相对较
小,日出后逐渐升高,正午前后达到最大值,然后开
始降低,日落后又趋于稳定. LE 峰值出现在12:00—
14:00:4、5 月的峰值出现在 12:00,6—9 月峰值的
出现时间约 13:30. 各月潜热通量日峰值存在明显
差异:最大日峰值出现在 8 月,最低日峰值出现在 5
月. 4—9 月各月的 LE 峰值分别为 121郾 2、92郾 3、
105郾 2、135郾 2、151郾 4、106郾 9 W·m-2 . 相对于 Rn,LE
和感热通量(H)峰值滞后约 1 h.陆面能量平衡 3 个
分量(Rn、LE和 H)的日变化并不在同一个位相,这
可能与三者的能量传输方式不同有关. Rn主要能量
来源(太阳辐射、大气辐射和地表辐射)均以电磁波
形式传输,而 LE 和 H 则主要通过大气湍流方式传
输,后者传输速度远不及前者. 当然,辐射传感器和
EC系统不在同一个物理平面上,也可能是引起能量
分量位相差异的一个重要原因[20] .
摇 摇 潜热分配( LE / Rn)为陆地生态系统潜热通量
(LE)与可供能量(Rn)的比值,常被用来表征地表获
取能量再分配情况[19,21] .黄土高原半干旱区农田能
量分配各月之间存在明显差异(图3) .从播种至拔
图 2摇 黄土高原半干旱区农田能量通量的月平均日变化
Fig. 2摇 Monthly averaged diurnal variation of energy fluxes over
the semi鄄arid farmland in Loess Plateau郾
Rn:净辐射 Net radiation; H:感热通量 Sensible heat flux; LE:潜热通
量 Latent heat flux郾 下同 The same below郾
节期,由于作物覆盖率低,净辐射用于潜热的比率较
低. 4—6 月,能量分配日间、夜间均表现为 LE / Rn <
H / Rn(不考虑日出、日落附近异常值). 随着作物进
入抽穗、灌浆期,叶面积指数增加,冠层郁闭程度增
大,LE / Rn随之增加,H / Rn则相应降低. 7—9 月,日
间能量分配特征与前 3 个月存在明显差异,表现为
LE / Rn>H / Rn .华北平原夏玉米农田生态系统也存在
相似的研究结果,其 LE / Rn随生长阶段发展呈上升
趋势,在灌浆期达最大,约 60% [14] . 整个观测期,研
究区 H / Rn从日出后到日落前一直呈增长趋势;而日
间 LE / Rn表现为近似 U 型曲线变化特征,正午或午
后 1 ~ 2 h的 LE / Rn达最低值.这可能与作物在正午
前后遭受高温和干旱胁迫,叶片气孔关闭,降低植物
蒸腾作用有关[22] . 正午前后 LE / Rn较低,说明净辐
射大部分转化为感热,这可能是导致气温在此期间
达到最大值的重要因素之一.
黄土高原半干旱区农田日蒸散率存在显著的日
间变异(图 4).最大日蒸散率为 4郾 69 mm·d-1(DOY
图 3摇 黄土高原半干旱区农田能量分配的月平均日变化
Fig. 3摇 Monthly averaged diurnal variation of energy partitioning
over the semi鄄arid farmland in Loess Plateau郾
H / Rn:感热分配 Sensible heat flux partitioning;LE / Rn:潜热分配 Latent
heat flux partitioning郾
图 4摇 黄土高原半干旱区农田蒸散的季节变化
Fig. 4 摇 Seasonal variation of evapotranspiration over the semi鄄
arid farmland in Loess Plateau郾
2121 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
115,2010 年 4 月 25 日 ), 最 小 日 蒸 散 率 为
0郾 24 mm·d-1(DOY 180,2010 年 6 月 29 日),整个
生长季平均日蒸散率为 1郾 38依0郾 75 mm·d-1(平均
值依标准差).日蒸散率对较大降水事件(日降水量
大于10 mm)响应敏感,在降水发生后 1 ~ 2 d 内蒸
散显著增大.黄土高原半干旱区农田最大日蒸散率
低于东北农田生态系统(5郾 4 mm·d-1) [23],这可能
与本研究区干旱少雨的气候条件有关. 研究区月尺
度 ET存在明显差异,7、8 月蒸散量较高,5、9 月蒸
散量较低;研究期内累计 ET为 252郾 4 mm,低于同期
降水量(11郾 7% ),也显著低于同期多年平均降水量
(332郾 4 mm),说明 2010 年生长季黄土高原半干旱
区农田蒸散主要来源于自然降水.
2郾 3摇 黄土高原半干旱区农田作物系数特征
黄土高原半干旱区农田生长季作物系数(Kc)
值呈现明显季节波动(图 5). 4 月中下旬 Kc较大,有
6 d的 Kc值超过 1郾 0,4 月 25 日(DOY 115)Kc值甚至
达到了 1郾 70;5 月初,Kc值急剧降低;6—9 月,Kc值
均少于 1,且主要在 0郾 50 附近波动. 降水事件显著
影响了 Kc值的季节变化. 5 月中旬少雨干旱使 5 月
12 日(DOY 132)的 Kc值达到了观测期内的最低值
(0郾 10).整个观测期的平均 Kc值为 0郾 46依0郾 25(平
均值依标准差),与张强等[9]研究中 4—5 月的 Kc经
验值接近,但低于 6—9 月的经验值(0郾 9);同时,显
著低于华北平原冬小麦作物系数(0郾 93)和玉米作
物系数(1郾 1) [24],这可能与黄土高原半干旱区较低
的降水和蒸散有关. Kc值较大的季节变化表明,将
Kc设为常数来估算黄土高原地区蒸散量须谨慎. 这
也可能是张强等[9]基于固定季节 Kc值估算的黄土
高原蒸散量明显低于涡动相关法与蒸渗计观测蒸散
量的原因.
图 5摇 黄土高原半干旱区农田作物系数的季节变化
Fig. 5摇 Seasonal variation of crop coefficient over the semi鄄arid
farmland in Loess Plateau郾
表 1摇 作物系数与风速、空气相对湿度、土壤含水量以及饱
和水汽压差的回归分析
Table 1摇 Regression analysis between daily crop coefficient
and wind speed, air relative humidity, soil water content,
and vapor pressure deficit
主要环境因子
Major
environmental
factor
回归方程
Regression equation
n R2 F P
Ws(m·s-1) Kc=1郾 06exp(-0郾 52Ws) 8 0郾 97 182郾 0 <0郾 0001
RH (% ) Kc=0郾 16exp(0郾 02RH) 7 0郾 86 132郾 9 <0郾 0001
兹 (% ) Kc=-0郾 22exp(0郾 05兹) 6 0郾 67 8郾 0 <0郾 05
D (kPa) Kc=0郾 51-0郾 12D 9 0郾 85 38郾 6 <0郾 001
Kc:作物系数 Crop coefficient; Ws:风速Wind speed; RH:空气相对湿度 Air rel鄄
ative humidity; q:土壤含水量 Soil water content; D:饱和水汽压差 Vapor pres鄄
sure deficit郾
2郾 4摇 黄土高原半干旱区农田作物系数与环境因子
的关系
Pearson相关分析结果表明,研究区 Kc与风速
(Ws)的相关性最好,达到极显著水平(P<0郾 01). Ws
是春小麦农田 Kc的主要控制因子. Kc与 RH、D 也极
显著相关(P<0郾 01),与 兹呈显著相关(P<0郾 05),但
与 Rn、T的相关性不显著(P>0郾 05). 回归分析结果
表明,Kc对Ws呈指数降低的响应关系,对 RH、兹均呈
指数增长的响应关系,对 D 呈线性降低的响应关系
(表 1),说明这些环境因子显著地影响 Kc值. Kang
等[25]认为,Kc与生物因子(叶面积指数)也存在较好
的相关性.由于本研究缺少叶面积指数等生物因子
的观测资料,不能很好地定量探讨生物因子对 Kc的
影响,这是本研究的不足之处.
3摇 结摇 摇 论
本研究采用涡度相关技术,在 2010 年生长季
(4—9 月)对黄土高原半干旱区农田蒸散进行观测,
分析了蒸散日、季变化特征,并对其进行了动态模
拟.结果表明:黄土高原半干旱区农田各月潜热通量
呈“单峰型冶曲线日变化特征.日蒸散率日间差异显
著,最大日蒸散率为 4郾 69 mm.观测期内,蒸散的季
节变化波动较大,其中,7、8 月蒸散量较高. 日蒸散
率对大于 10 mm的日降水事件响应敏感.累积蒸散
量明显低于同期降水量,蒸散主要来源于自然降水.
黄土高原半干旱区农田生长季作物系数与风速、空
气相对湿度、土壤含水量、饱和水汽压差显著相关,
且作物系数随风速的增大呈指数下降趋势、随空气
相对湿度和土壤含水量的增大呈指数增长趋势、随
饱和水汽压差增大呈线性下降趋势.
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作者简介 摇 阳伏林,男,1983 年生,博士,助理研究员. 主要
从事干旱区农业生态与气候变化影响研究,发表论文 10 余
篇. E鄄mail: yangfulin1983@ yahoo. com. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
4121 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷