玉米农田蒸散过程及其对气候变化响应的模拟研究.pdf

1 玉米农田蒸散过程及其对气候变化响应的模拟研究米娜 1,张玉书 1*,陈鹏狮 1,纪瑞鹏 1,周广胜 1,李荣平 1,王树森 2 ( 1. 中国气象局沈阳大气环境研究所,辽宁沈阳 110016 ; 2. Canada Centre for Remote Sensing, Natural Resources Canada, 588 Booth Street, Ottawa, Ontario K1A0Y7, Canada ) 摘要: 蒸散( ET ,Evapotranspiration )是陆地水循环过程的重要子过程,决定了从土壤和植被进入大气的水分的多少,及伴随着这一过程的潜热和感热的变化,从而显著地影响下垫面的气候和环境条件。应用基于生理生态学过程的 EALCO 模型,对玉米农田生态系统的蒸散( ET )过程进行了模拟,该模型将水平衡等式与能量平衡等式动态耦合起来,从而实时求出冠层温度( T c )与冠层水势( c ψ),使用冠层水势计算水分对叶片光合作用的影响,同时考虑了植物水分特征对上述耦合过程的影响,大大提高了陆面过程模型的机理性。本研究将此模型应用在半湿润地区农田生态系统,结果表明,该模型可以较好的模拟农田生态系统小时、日尺度的蒸散过程,模型能够解释 ET67% 的变化特征。在模型检验基础上,使用 EALCO 模型模拟了四种气候情景设置下,玉米农田生态系统蒸散过程对未来气候变化的响应。得出的主要结论如下:温度的升高会引起 ET 与冠层蒸腾的增加,同时土壤蒸发减少;该农田生态系统 ET 对降水减少的响应较为敏感,主要表现在土壤蒸发的下降。大气 CO 2浓度升高对冠层蒸腾影响显著,该情景下冠层蒸腾下降幅度最大。本研究所假设的 2100 年气候情景下,该农田生态系统生长季蒸散将减少,然而相对于降水的减少而言,蒸散的减少量较小,即水分支出项相对加大,因此,发生土壤水分匮乏的可能性加大, 这可能会加剧该地区的暖干化趋势,给作物产量及生态环境带来威胁。尽管 EALCO 模型对生态系统碳水过程模拟的机理性保证了模型模拟结果的可靠性,但由于气候变化情景的不确定性,以及生态系统植物生理参数、植物器官对长期气候变化下的协同与适应反应没有体现在模拟过程中, 这会引起模型预测的误差。在以后的研究中应将站点控制试验与模型模拟相结合,同时利用区域气候模式准确预估气候要素变化,更加准确地对未来气候变化下生态系统的响应做出预测。关键词: 农田生态系统;生态系统模型;蒸散过程;模型检验;气候变化蒸散( ET ,Evapotranspiration )是陆地水循环过程的重要子过程,决定了从土壤和植被进入大气的水分的多少,及伴随着这一过程的潜热和感热的变化,从而显著地影响下垫面的气候和环境条件[1]。对水和能量平衡过程的深入理解和模拟,是对气候变化进行可靠预测的前提。同时 ET 在数值天气预报( NWP )和大气环流模式研究中( GCMs )也起着重要的作用。在多数陆地生态系统中,通过 ET 形式实现的潜热通量是陆面与大气间能量交换的主要形式。潜热通量决定了下垫面的状况,如地面温度和土壤湿度。大量的数值模拟试验表明, ET 的变化会引起区域及全球气候的变化以及气候对大气 CO 2 浓度升高敏感性的变化。通常来讲, ET 的下降(大气 CO 2 浓度升高导致气孔阻力增加)会引起对流性的和大尺度的降水的减少,近地面温度升高、湿度下降等。此外, ET 在水循环及水资源管理中也起到了重要的作用。从年尺度上来讲,大多数陆地生态系统 ET 会消耗掉大部分的降水,在一些地区, ET 甚至会超过降水(由地下水供给) 。Baumgartner 和 Reichel [2]指出,在全球范围内, ET 将 64% 的陆面降水返回给大气, ET 的大小强烈的影响着溪流、地下水补给、污染物转移以及水质。对于 ET 的模拟,依据应用的目的和数据的限制而有许多不同的方法。在水文和生态学中, 最为常用的是比较简单的经验方法,此类方法需要输入的数据较少,易于计算,一般在潜在蒸散基金项目:中国气象局气候变化专项“东北粮食格局的气候变化影响与适应”;中国气象局业务项目“农业干旱综合监测、预警评估业务系统”;中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资 2 的基础上估算 ET [3~6] 。通常来讲,经验的方法不能很好的描述 ET 的动力过程以及 ET 过程中的许多影响与反馈机制。在 NWP 和 GCM 研究中, ET 的模拟大多是基于求解陆面能量平衡等式这种更具物理机制的方法。近年来,在气候模式中,陆面过程模型得到了发展,例如使用光合来描述冠层气孔导度对 ET 的控制[7~8] ,并可与生态系统的氮循环联系起来,氮元素通过控制植物光合来影响气孔导度[9~10] ,这大大提高了 ET 模拟的机理性