参考作物蒸散(Reference crop evapotranspiration,ET0)是生态水文过程中的关键因子,研究ET0在干旱绿洲区的演变,不仅有助于理解气候变化背景下的绿洲水文过程响应,亦对绿洲水土资源高效配置和生态系统稳定性维持有指导意义.以宁夏沿黄绿洲为例,基于 1960-2019 年的气象资料和Penman-Monteith模型计算ET0,利用Mann-kendall突变检验、相对敏感系数和Morlet小波分析等方法,对宁夏沿黄绿洲近60a的ET0演变特征及其归因进行研究.结果表明:(1)宁夏沿黄绿洲ET0年内呈单峰形态,ET0在5-7月间较高,累积ET0占年总ET0的43.6%;近60a的ET0年均值为1226.38 mm,并以1.66 mm/a(P＜0.01)幅度上升,但年际波动特征明显,其中在 1988 年突变之前,ET0无显著变化趋势,而突变之后则以每 10a左右的周期显著增加或降低.(2)年ET0主要以 20-40 a和 50-60 a周期振荡,且有多重时间尺度的复杂嵌套现象,不同季节的周期振荡差异较大,夏、秋季振荡幅度较强,其周期接近于年ET0规律,而冬、春季振荡幅度较弱.(3)虽然ET0与 6 种气象因子均存在显著相关性,但ET0对不同气象因子的敏感性存在差异,其中对最高温度和相对湿度的敏感性较高,敏感系数分别为 11.58%和 8.40%.(4)宁夏沿黄绿洲ET0与区域气候变化特征有较强的耦合性,区域气候的持续升温和相对湿度持续降低、以及由此引发的饱和水汽压亏缺持续增强是推动ET0上升的重要原因,而气候由湿润向干旱的突变和平均风速的异常波动是诱发ET0突变的原因.

生态需水是生态用水控制和区域生态环境恢复建设的基本依据.马拉河流域拥有世界著名的生态系统,植被生态需水占流域总需水量的很大一部分.基于1980-2020年ERA5气象数据、叶面积指数(LAI)与世界土壤数据库数据,采用Penman-Monteith法计算了马拉河流域四个季节(短旱季、长雨季、长旱季、短雨季)植被生态需水量的时空变化特征.在此基础上,使用支持向量机(SVM)、随机森林(RF)和卷积神经网络(CNN)3种机器学习方法与7个环境因子(气温、降水、10 m风速、LAI、太阳辐射、相对湿度、地形)建立了回归模型,分别估算了 2011-2020年逐年不同季节的植被生态需水量,并与Penman-Monteith法计算结果进行时间序列拟合度和空间相似性的比较.结果表明:马拉河流域植被生态需水量在过去40年所有季节都呈现为波动变化,植被生态需水量长雨季＞长旱季＞短雨季＞短旱季,长雨季的植被生态需水量约为短旱季的1.5倍.不同季节均呈现出上下游高、中游低的植被生态需水量空间分布格局.LAI为最大的正影响因子,风速为最大的负影响因子.就不同方法估算的植被生态需水量准确性而言,RF表现最为优异,主要体现在最值估算误差最小,时间变化序列的拟合度最高,空间分布最为相似,相对误差最小,而SVM的预测结果相对最差.RF是相对最适用于马拉河流域植被生态需水量估算的算法.使用3种不同的机器学习方法估算马拉河流域不同季节植被生态需水量,并对结果进行比较,可为生态需水的估算提供技术参考.

西南喀斯特地区地形起伏大、土壤保水持水性差、生态环境脆弱.准确估算区域尺度蒸散发对研究喀斯特地区植被恢复、水资源管理等具有重要意义.本文以桂西北喀斯特植被恢复区为例,基于野外实测气象和蒸散发数据,采用最小二乘法对Penman-Monteith-Leuning(PML)模型中气孔导度土壤湿度指数进行参数优化,并结合MOD15A2叶面积指数进行空间外推,实现了区域尺度上长时序蒸散发的估算.结果表明:研究区蒸散发模拟值与实测值有较好的一致性,模型确定系数、纳什系数和均方根误差分别为0.85、0.75和1.56mm· d-1.蒸散发表现出季节变化特征,并与植被生长季物候特征一致,夏季蒸散量达到峰值.研究区年蒸散量在534～1035 mm,陆面蒸散发的空间分布呈现差异性,受降水的空间分布影响较大.年蒸散发可能不仅受到降水因素的影响,还与人类活动和土地利用类型有关.

潜在蒸散量是衡量变化环境下区域水热资源演变的重要参数,探究其历史变化规律及制约因素对预测农业用水走势乃至合理制定相关决策都至关重要.基于辽宁省23个气象站点1966-2015年的逐日气象数据,采用FAO推荐的Penman-Monteith模型与偏相关性检验法辨识辽宁省近50年潜在蒸散量的时空特征及其影响因素.结果表明:辽宁省各监测站年平均潜在蒸散量为453-1043 mm,多年变化趋势以1.43 mm/a的速度递减,并于2003年发生突变.此外,其时空差异性较为显著.在年代际尺度上表现为,辽西北至辽西南逐次降低;在季节尺度上表现为,夏季潜在蒸散量最高、春秋季节次之、冬季最低;日最高气温、日最低气温和日照时数的减少共同导致过去50年辽宁省潜在蒸散量在整体上表现出减少的趋势.该研究成果可以为水资源的优化配置,评价区域干湿程度等提供一定的理论支撑.

东北地区是我国重要的生态功能区,其包含的典型生态系统具有独特的水源涵养功能,在防洪减灾,保障生态安全和人居安全中发挥着关键作用.以往有关水源涵养功能的研究主要是依托不同水文模型方法,从单一年份或多个年份的角度进行研究,较少考虑不同气候条件下水源涵养功能的空间分异特征.采用标准化降水蒸散发指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)划分研究区的典型气候年份(干旱、正常和湿润);基于水量平衡法,结合SCS-CN模型以及Penman-Monteith方程对东北地区典型气候条件下生长季内的水源涵养功能进行研究.结果 表明:(1)研究区水源涵养功能在不同气候条件下差异明显,三个典型气候年份生长季内的水源涵养总量分别为:干旱年(SPEI=-1.26)为2214.64亿m3、正常年(SPEI=-0.22)为3231.49亿m3和湿润年(SPEI=1.05)为3969.33亿m3.(2)水源涵养功能空间变异突出,但在三种典型气候条件下呈现出一致变化,均表现为长白山地区水源涵养量最大,大小兴安岭地区次之,水源涵养量最低的地方主要出现在呼伦贝尔以西的草原地区,在东北平原的部分地区也有低值的出现,如白城、通辽、鸡西等地区,水源涵养量较一般的地方出现在东北平原大部分以农田为主的地区.(3)水源涵养功能除受气候因素的影响外,还取决于土地利用类型的变化,对于整个东北地区来讲,水源涵养总量表现为林地＞农田＞草地＞湿地,单位面积水源涵养量在干旱年和正常年表现为林地＞农田＞湿地＞草地,在湿润年份表现为林地＞湿地＞农田＞草地.研究结果揭示了东北地区三种典型气候条件下重要生态系统的水源涵养功能大小、空间分布特征及其主要驱动因素,可为区域生态空间规划和生态系统管理提供科学指导.

为了解林木冠层气孔导度对环境因子的响应规律,进一步阐释冠层气孔导度调控森林蒸腾的机理,本研究以宁夏河东沙区典型防护林树种侧柏( Platycladus orientalis) 为对象,利用Granier 热扩散技术,在生长旺季( 7—9 月) 连续监测树干液流,并同步观测小气候; 利用Penman-Monteith 方程计算获得连续的冠层气孔导度( gc),并采用Jarvis-Stewart 气孔模型对侧柏冠层气孔导度变化过程进行模拟.结果表明: 环境因子与gc呈极显著相关关系( P＜0.01),对侧柏gc的影响从大到小依次为大气温度( Ta) ＞太阳辐射( Rs) ＞饱和水气压亏缺( VPD) ＞空气湿度( RH).典型晴天下,gc与VPD、Ta的关系曲线上升阶段和下降阶段路径不同,呈现"磁滞回环"的特性,且不同时段表现出不同的响应规律.Jarvis-Stewart 模型较好地模拟了侧柏冠层气孔导度对环境变量Rs、VPD、Ta的响应过程,采用交叉验证法对模型进行验证和参数率定,可以解释84.4％的变量.

蒸散发是土壤-植被-大气系统中水循环和能量交换的主要组成部分,准确估算区域蒸散发对农业用水调度与水资源的管理至关重要.利用MODIS数据产品结合地面气象站的观测资料,基于能量平衡原理建立的SEBAL(Surface Energy Balance Algorithms for Land)模型对西北农牧交错带2015年生长季(4-10月)的地表蒸散发量进行反演研究,并用Penman-Monteith(P-M)公式结合作物系数对模型的估算结果进行对比,结果表明:SEBAL模型估算结果与P-M公式之间的平均绝对误差为0.79mm/d,均方根误差为0.94mm/d,R2=0.76,整体反演值偏高,但基本能满足本地区的研究需求.生长季区域日均蒸散发的变化范围为0.12-10.66mm/d,日蒸散量均值为4.31mm/d,呈东北、西南部较高,西部偏低的空间分布特征.将蒸散发估算值与地表特征参数统计分析发现蒸散发与NDVI和地表净辐射之间呈正相关,与地表温度和地表反照率之间呈负相关;不同土地利用/覆被类型的日蒸散发量由大到小依次为:耕地、林地、未利用地与草地.

估算参考作物蒸散量(ET0)有助于揭示流域的水热平衡和水循环过程,为合理利用与开发流域水资源提供基础.本研究通过重新拟合研究区的净短波辐射系数,使用改进后的Penman-Monteith模型,计算1965-2018年广西西江流域的ET0,使用Mann-Kendall法对ET0进行趋势分析与突变点检测,用反距离权重法插值后分析ET0时空演变特征,根据气候因子的贡献率判断ET0的影响因子.结果 表明:在空间上,ET0呈现随海拔降低而增加的趋势,其高值主要位于流域中部地区,而低值位于西北侧的云贵高原边缘及斜坡带,春季ET0呈现出经度梯度性,夏季ET0与年际的空间格局类似;在时间上,流域年均ET0为637.2mm,增长率为-0.018 mm·a-1,整体呈微弱的下降趋势.除春季(0.053 mm·a-1)呈上升趋势外,夏季(-0.053 mm·a-1)、秋季(-0.011 mm·a-1)和冬季(-0.007 mm·a-1)ET0均呈现出下降趋势,ET0的下降主要体现在夏季;影响流域ET0的主导因子是相对湿度(贡献率为39.0％)、平均风速(贡献率为27.2％)、日照时数和平均气温;平均相对湿度对ET0是负贡献(r=-0.673),日照时数、平均风速和平均气温均是正贡献;影响ET0的因子组合和贡献率在流域的不同区域有一定差异.

蒸散发是水循环和能量平衡过程中的重要组成部分,其准确量化对于深刻揭示干旱半干旱地区的生态水文过程具有重要意义.以黑河下游荒漠河岸胡杨林为研究对象,在2014和2015年胡杨主要生长季内,基于涡度相关技术实测数据,分析了蒸散发日及各物候期变化规律,结合改进的双源Penman-Monteith-Priestley-Taylor (PM-PT)模型,模拟了黑河下游荒漠河岸胡杨林蒸散发,并分析了模型的参数敏感性,得到的主要结论如下:(1)胡杨林蒸散发日变化大致呈先升高后降低的趋势.上午随着太阳辐射的逐渐增强,气温逐渐升高,蒸散速率逐渐增大,在中午12:00左右达到峰值.随后,太阳辐射减弱,气温逐渐降低,空气中相对湿度增加,胡杨叶片内外水汽压差减小,蒸散速率随之降低.(2)胡杨生长季内蒸散发整体上呈先升高后降低的趋势.2014和2015年生长季蒸散发总量分别为612 mm和658 mm,果期和种子散播期累积蒸散发为生长季内蒸散发总量的主体部分,果期内累积蒸散发分别为316mm和348 mm,分别占各年生长季蒸散发总量的51.65％和52.87％;种子散播期内平均蒸散发略低于果期,2014和2015年胡杨林种子散播期内累积蒸散发分别为261 mm和271 mm,分别占各年生长季蒸散发总量的42.71％和41.12％,展叶期和叶变色期内平均蒸散发最低,原因在于展叶期胡杨叶片尚未完全成形,而叶变色期叶片活性逐渐降低.(3)改进的双源PM-PT模型与传统的双源Shuttleworth-Wallace (SW)模型相比,在模型结构与参数数量方面均得到了优化,其模拟精度也更高.(4)改进的双源PM-PT模型对净辐射最为敏感.

明晰沙地人工植被蒸腾耗水规律,对于荒漠化地区生态建设具有至关重要的意义.本研究应用热扩散式插针茎流计(TDP)与自动气象站,对科尔沁沙地人工杨树林树干液流及周边环境因子进行了长期监测,分析了杨树液流的动态变化规律,揭示了液流与环境因子的响应关系.结果 表明:液流日变化基本呈单峰“几”字型曲线,偶尔会出现多峰曲线;不同气象条件对液流速率具有明显影响,晴天液流速率最大,阴天次之,雨天最小;生长季液流速率与太阳辐射强度、饱和水汽压差和空气温度呈较强正相关关系,决定系数R2分别为0.88、0.81和0.76,与空气相对湿度呈显著负相关,决定系数R2为0.79;结合各气象因子建立Penman-Monteith(P-M)模型对杨树林地的潜在蒸散发能力进行模拟并结合树干液流实测数据进行验证,结果显示模拟效果精度较高,决定系数R2为0.83;对地下水位变化情况进行监测显示,杨树蒸腾耗水主要依赖于地下水,地下水位在杨树蒸腾能力较强的9:00-18:00下降明显,随后水位出现不同程度的回升现象.