不同種植模式下的沼澤蒸發(fā)對(duì)比

不同種植模式下的沼澤蒸發(fā)對(duì)比

蒸發(fā)是水量平衡的重要組成部分。許多關(guān)于水的問(wèn)題與蒸發(fā)有關(guān)。對(duì)蒸發(fā)的研究有助于認(rèn)識(shí)地理環(huán)境的形成、演化和分異。地域蒸發(fā)特點(diǎn)的變化,反映著人類活動(dòng)對(duì)地理環(huán)境的沖擊。沼澤蒸發(fā)是指沼澤植物蒸騰和植株棵間蒸發(fā)之和。三江平原是我國(guó)沼澤分布最集中連片地區(qū)之一,雖經(jīng)多年開(kāi)發(fā),目前仍有約200萬(wàn)ha沼澤濕地。沼澤是該區(qū)主要景觀類型之一。研究沼澤蒸發(fā)特點(diǎn),對(duì)該區(qū)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、預(yù)測(cè)水平衡變化和水資源估算,有重要意義。本文以1990年和1991年兩年實(shí)際觀測(cè)資料為基礎(chǔ),得出分析結(jié)果,提出三江平原沼澤蒸發(fā)計(jì)算模型。1沼澤植物種類對(duì)織物的配置沼澤是多水條件下發(fā)育起來(lái)的自然綜合體,其土壤長(zhǎng)年飽含水份,并且地表常有薄層積水,沼生和濕生植物生長(zhǎng)茂密。水是沼澤的形成因素,也是其重要組成部分。三江平原地處我國(guó)東北邊疆,屬溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,地表大平小不平,多大小不等、形狀各異的淺平洼地,因此自然排水不暢,土質(zhì)粘重,滲水困難,使地表易長(zhǎng)期積水,為沼澤發(fā)育提供了有利條件。該區(qū)沼澤廣泛發(fā)育,成為最突出的自然地理特點(diǎn)。該區(qū)沼澤主要類型有毛果苔草(Carexlasiocarpa)沼澤、毛果苔草-漂筏苔草(Carexpseudocuraica)沼澤、毛果苔草-甜茅(Glyceriaspicuilosa)沼澤、漂筏苔草沼澤、甜茅沼澤、毛果苔草-烏拉苔草(Carexmeyeriana)沼澤、毛果苔草-臌囊苔草(Carexschmidtii)沼澤和蘆葦(Phragmitescommunis)沼澤等。其中毛果苔草和以毛果苔草為優(yōu)勢(shì)種的沼澤類型分布最廣,面積最大,約45萬(wàn)ha,占該區(qū)沼澤總面積的40%以上。植被屬密叢型,披針狀葉形,其生長(zhǎng)密度大都在2500株/m2左右。各類沼澤植被覆蓋度大都在60%～90%之間。毛果苔草沼澤與毛果苔草類沼澤、漂筏苔草沼澤以及甜茅沼澤的積水狀況基本相似,都在5～10cm深之間。因此,我們選擇毛果苔草沼澤作為觀測(cè)對(duì)象。毛果苔草沼澤的剖面結(jié)構(gòu)自上而下為植物營(yíng)養(yǎng)體,高30～50cm;薄層積水5～10cm;飽含水分呈海棉狀結(jié)構(gòu)的草根層,厚30～40cm;腐殖泥層,厚5cm左右;質(zhì)地粘重的潛育層和母質(zhì)層,屬粘土和亞粘土,可視為不透水層。沼澤與深層地下水無(wú)水力聯(lián)系。三江平原地處中高緯地區(qū),2月氣溫常在一20℃以下,冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng),達(dá)5個(gè)月之久。毛果苔草雖為多年生植物,但仍然是一歲一枯榮,每年4月末、5月初開(kāi)始萌發(fā),6～8月為生長(zhǎng)旺季,9月以后生長(zhǎng)活力衰退,至10月變黃枯萎。觀測(cè)方法是,采用沼澤蒸發(fā)器觀測(cè)水位變化,計(jì)算水位差值。蒸發(fā)器分為三類:一類蒸發(fā)器栽培著密度相當(dāng)、面積不等的沼澤植物;另一類蒸發(fā)器中無(wú)植物,系純水面;第三類蒸發(fā)器為E601水面蒸發(fā)器。第一、二類蒸發(fā)器安置在大片沼澤中,使蒸發(fā)器內(nèi)水位與蒸發(fā)器外天然沼澤水位盡量一致。E601水面蒸發(fā)器安設(shè)在沼澤氣象場(chǎng)內(nèi)。其中蒸發(fā)器沼澤1的植被覆蓋率為90%;沼澤2為80%;沼澤3為70%;沼澤4為40%;沼澤5為10%。2觀測(cè)結(jié)果與分析2.1不同下墊面蒸發(fā)強(qiáng)度的對(duì)比下墊面蒸發(fā)強(qiáng)度取決于水分供應(yīng)、熱量條件、空氣濕度、空氣湍流強(qiáng)度、空氣壓力和下墊面組成。沼澤蒸發(fā)與水面蒸發(fā)對(duì)比觀測(cè)的條件是二者水分供應(yīng)充足,太陽(yáng)輻射相同,空氣濕度和大氣壓力一樣,蒸發(fā)器都安設(shè)在沼澤中,邊壁高度大大低于沼澤植物;不同之處是下墊面組成不一樣,即沼澤蒸發(fā)器的蒸發(fā)量包括植物葉面散發(fā)(蒸騰)和植物棵間蒸發(fā)兩項(xiàng),而水面蒸發(fā)器的蒸發(fā)值僅為單純的水面蒸發(fā)量。我們認(rèn)為對(duì)比觀測(cè)結(jié)果是可比的,可以反映不同下墊面蒸發(fā)強(qiáng)度的差異。觀測(cè)結(jié)果清楚地表明沼澤蒸發(fā)大于沼澤水面蒸發(fā)和E601的水面蒸發(fā)值(表1)。2.2沼澤植物莖葉水分蒸騰從表1可看出,日平均蒸發(fā)量沼澤1>沼澤2>沼澤3>沼澤4>沼澤5。這種變化規(guī)律反映出植物蒸騰量超過(guò)了因植物群體遮蔽效應(yīng)可能造成的棵間蒸發(fā)減少。植物莖葉的水分蒸騰在沼澤蒸發(fā)中起主要作用,因此沼澤植物越多,即植被覆蓋率越高,其作用越大,沼澤蒸發(fā)量就越大。當(dāng)沼澤植被覆蓋率小于10%時(shí),沼澤日蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)很接近,而且與E601的日蒸發(fā)量也很接近。毛果苔草、漂筏苔草、甜茅等沼生植物都是密叢型植物,雖然植物蒸騰量在沼澤蒸發(fā)中十分重要,但單株作用是很小的,只有達(dá)到一定覆蓋度(大于10%),發(fā)揮群體效應(yīng),才能顯示出植物加大沼澤蒸發(fā)的作用。2.3水面蒸發(fā)量和覆蓋率觀測(cè)結(jié)果表明,沼澤蒸發(fā)量與E601水面蒸發(fā)量之比值都大于1,變化在1.5～3.7之間,植被覆蓋率大者比值較大,植被覆蓋率小者比值較小(表2)。2.4工藝平均蒸發(fā)量變幅根據(jù)觀測(cè),沼澤植被覆蓋率由大到小的沼澤各月間平均蒸發(fā)量變幅,1990年依次為5.0、3.6、3.2、2.6;1991年依次為8.0、6.1、4.7、2.8、2.0。沼澤水面和E601各月間平均蒸發(fā)量變幅,1991年分別為1.2和1.0;1991年分別為1.7和1.5(圖1)。2.5水分多、蒸騰用量晴天氣溫高,空氣濕度低,沼澤除棵間蒸發(fā)大以外,沼澤植物葉面氣孔張開(kāi),光合作用加強(qiáng),需要水分多,蒸騰作用強(qiáng)烈,使沼澤蒸發(fā)量大幅度增加,而水面蒸發(fā)只有水面一項(xiàng)蒸發(fā)值增大。陰天時(shí),氣溫低,空氣濕度大,沼澤植物棵間蒸發(fā)減少,沼澤植物光合作用減弱,生物活力降低,需要水分減少,因而蒸騰作用也大大降低,致使陰天時(shí)沼澤蒸發(fā)與水面蒸發(fā)的差值減小(表3)。2.6呼吸的蒸騰作用沼澤植物夜間雖然停止光合作用,但還必須進(jìn)行呼吸,仍有生理活動(dòng),因此還有一定的蒸騰作用。夜間沼澤植物對(duì)棵間水面還有保溫作用,也能使棵間蒸發(fā)較大(表4)。3蒸發(fā)模型的應(yīng)用蒸發(fā)計(jì)算方法很多,概括起來(lái)可歸結(jié)為水量平衡模型、熱量平衡模型、質(zhì)量轉(zhuǎn)移模型和氣候指數(shù)模型四類。這些模型有一定理論根據(jù),是進(jìn)一步研究蒸發(fā)的基礎(chǔ),但也作了這樣或那樣的假設(shè),有的模型雖然應(yīng)用比較廣泛,但也有局限性,必須結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀坏乩項(xiàng)l件,作一些必要的觀測(cè),有的觀測(cè)和計(jì)算相當(dāng)煩瑣,甚至需要一些不太常見(jiàn)的儀器設(shè)備,這樣就使一些資料缺乏地區(qū)或沒(méi)有相應(yīng)觀測(cè)手段的地方,應(yīng)用起來(lái)有困難,甚至無(wú)法使用。我們根據(jù)在中國(guó)科學(xué)院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗(yàn)站所進(jìn)行的實(shí)際觀測(cè),使用最常見(jiàn)的水文氣象觀測(cè)資料,建立了沼澤蒸發(fā)統(tǒng)計(jì)模型。3.1沼澤植物蒸發(fā)特征植被覆蓋率沼澤蒸發(fā)是植物蒸騰量和植物棵間水面蒸發(fā)的總和。目前還無(wú)法較準(zhǔn)確地將二者分開(kāi),但在建模時(shí)必須考慮植物的蒸騰作用。植物是靠葉面的氣孔散發(fā)水分的,葉子越多,水分散發(fā)量就越多。葉面積是應(yīng)首先考慮的因子。觀測(cè)計(jì)算植物蒸騰量,通常都要用葉面積指數(shù),但因沼澤植物特別是毛果苔草葉上端細(xì)如針尖,下端稍粗,整片葉子呈很細(xì)的披針狀,單片葉面積十分難測(cè),勉強(qiáng)測(cè)出,誤差也很大。再根據(jù)前面對(duì)觀測(cè)結(jié)果的分析,沼澤植物呈密叢型生長(zhǎng),生長(zhǎng)密度相差不大,在沼澤蒸發(fā)中主要是群體作用,因此我們采用植被覆蓋率作為反映植物因子的參數(shù)。觀測(cè)結(jié)果表明,植被覆蓋率的確反映沼澤植物的蒸騰作用。水面溫度蒸發(fā)量是水分子溢出水面的數(shù)量和回到水面數(shù)量的差值。水的溫度越高,分子運(yùn)動(dòng)速度越大,越易克服水表面張力,逸出水面。脫離水面的水分子越多,蒸發(fā)量也就越大。因此我們選用水表面溫度作為反映熱量條件的蒸發(fā)參變量。空氣水汽壓飽和差氣溫決定空氣的飽和含水量,表征在該溫度時(shí)空氣容納水汽的最大量。水汽壓表征空氣中現(xiàn)有的水汽含量。飽和水汽壓與現(xiàn)有水汽壓之差為水汽壓飽和矩,表示空氣還能容納水汽的量。水汽壓飽和差是氣溫的函數(shù),因此,選擇空氣的水汽壓飽和差作為建模因子,不再選用氣溫作參變量。飽和差選用沼澤氣象場(chǎng)的資料。風(fēng)速風(fēng)速的大小影響著紊動(dòng)擴(kuò)散的強(qiáng)弱。風(fēng)速越大,水分子回到水面的數(shù)量越少,擴(kuò)散越快,蒸發(fā)量也就越大。我們選用沼澤氣象場(chǎng)1.5m高處的日平均風(fēng)速作為建模因子。3.2平均風(fēng)速和風(fēng)速沼澤蒸發(fā)統(tǒng)計(jì)模型如下:式中E——沼澤日蒸發(fā)量(mm/d);tw——沼澤水面日平均溫度(℃);d——沼澤水面上1.5m處空氣的日平均水汽壓飽和差(mb);w——沼澤表面上1.5m處風(fēng)速(m/s)。建模時(shí),曾考慮多種形式。首先是直接用原始資料作線性回歸,但誤差較大。后又選配多種非線性關(guān)系式試算,最終選用該形式,經(jīng)多元回歸,確定了三江平原沼澤蒸發(fā)模型。3.3風(fēng)速影響大,蒸發(fā)作用不大。風(fēng)速模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.87。等式右邊第一項(xiàng)的偏相關(guān)系數(shù)r=0.86,,等式右邊第二項(xiàng)的偏相關(guān)系數(shù)r=0.12。這說(shuō)明沼澤蒸發(fā)與飽和差、水溫和植被覆蓋率的關(guān)系密切,而與風(fēng)速的關(guān)系不很大。式中的水溫tw、水汽壓飽和差d和植被覆蓋率s都反映出與蒸發(fā)成正相關(guān),符合物理概念,也與實(shí)際觀測(cè)資料相符。風(fēng)速w前面是正號(hào)說(shuō)明風(fēng)速大,有增加蒸發(fā)的作用。由0.72w-1.1還相以看出,當(dāng)風(fēng)速小于1.53m/s時(shí),風(fēng)對(duì)增大沼澤蒸發(fā)的作用不大。這是因?yàn)?.5m高處的風(fēng)速為1.53m/s時(shí),接近沼澤植被冠層的風(fēng)速因糙度大,風(fēng)速就更小了。另外,沼澤棵間水面到植被冠層表面距離約30cm,此層因植被的遮蔽作用,水平氣流很小,所以我們認(rèn)為風(fēng)速影響不大是合理的。水汽壓飽和差d有大有小,可以為零,但不會(huì)為負(fù)值,因永遠(yuǎn)是正值,若d=0,則一3.25/d→-∞即為負(fù)無(wú)窮大,e(-3.25/d)=e-∞→0,模型的第一項(xiàng)為零是合理的。根據(jù)實(shí)際觀測(cè),水溫tw<28℃,據(jù)此作出的統(tǒng)計(jì)模型適用范圍為0～28℃,如果tw>28℃,計(jì)算結(jié)果會(huì)有一定誤差;若tw=0℃,則00.65=1。實(shí)際上,該模型是以沼澤植物生長(zhǎng)期的資料為基礎(chǔ)建立起來(lái)的,當(dāng)水溫降到0℃時(shí),沼澤植物生物活力早已停止。若模型的第一項(xiàng)、第二項(xiàng)都為零,則出現(xiàn)負(fù)值,這在植物生長(zhǎng)期內(nèi)幾乎不可能出現(xiàn)。綜上所述,可認(rèn)為該模型的結(jié)構(gòu)合理,適用于三江平原沼澤植物生長(zhǎng)期內(nèi)的沼澤蒸發(fā)計(jì)算。3.4重、難點(diǎn)總對(duì)誤差模型的剩余標(biāo)準(zhǔn)差S=0.80mm。對(duì)1991年29個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,有28個(gè)點(diǎn)絕對(duì)誤差小于1mm,占96.6%;只有1個(gè)點(diǎn)為1.6mm。其中有20個(gè)點(diǎn)絕對(duì)誤差小于0.5mm,占69%。從相對(duì)誤差看,28個(gè)點(diǎn)小于20%,占96.6%,只有一個(gè)點(diǎn)超過(guò)20%,為23.1,其絕對(duì)誤差僅為0.6mm;有21個(gè)點(diǎn)小于15%,占72.4%;有17個(gè)點(diǎn)小于10%,占58.6%。若按生長(zhǎng)期計(jì)算,只有1個(gè)點(diǎn)絕對(duì)誤差為0.2mm,其余都在0.1mm以下,最大相對(duì)誤差僅為2.2%(表5、圖2)。結(jié)論沼澤不同于一般草地,其土