不同種植模式下的沼澤蒸發(fā)對比

蒸發(fā)是水量平衡的重要組成部分。許多關于水的問題與蒸發(fā)有關。對蒸發(fā)的研究有助于認識地理環(huán)境的形成、演化和分異。地域蒸發(fā)特點的變化,反映著人類活動對地理環(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。三江平原是我國沼澤分布最集中連片地區(qū)之一,雖經(jīng)多年開發(fā),目前仍有約200萬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,對該區(qū)的進一步開發(fā)、預測水平衡變化和水資源估算,有重要意義。本文以1990年和1991年兩年實際觀測資料為基礎,得出分析結果,提出三江平原沼澤蒸發(fā)計算模型。1沼澤植物種類對織物的配置沼澤是多水條件下發(fā)育起來的自然綜合體,其土壤長年飽含水份,并且地表常有薄層積水,沼生和濕生植物生長茂密。水是沼澤的形成因素,也是其重要組成部分。三江平原地處我國東北邊疆,屬溫帶濕潤季風氣候,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。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)勢種的沼澤類型分布最廣,面積最大,約45萬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對象。毛果苔草沼澤的剖面結構自上而下為植物營養(yǎng)體,高30～50cm;薄層積水5～10cm;飽含水分呈海棉狀結構的草根層,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,冬季嚴寒而漫長,達5個月之久。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月初開始萌發(fā),6～8月為生長旺季,9月以后生長活力衰退,至10月變黃枯萎。觀測方法是,采用沼澤蒸發(fā)器觀測水位變化,計算水位差值。蒸發(fā)器分為三類:一類蒸發(fā)器栽培著密度相當、面積不等的沼澤植物;另一類蒸發(fā)器中無植物,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)器安設在沼澤氣象場內(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觀測結果與分析2.1不同下墊面蒸發(fā)強度的對比下墊面蒸發(fā)強度取決于水分供應、熱量條件、空氣濕度、空氣湍流強度、空氣壓力和下墊面組成。沼澤蒸發(fā)與水面蒸發(fā)對比觀測的條件是二者水分供應充足,太陽輻射相同,空氣濕度和大氣壓力一樣,蒸發(fā)器都安設在沼澤中,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,而水面蒸發(fā)器的蒸發(fā)值僅為單純的水面蒸發(fā)量。我們認為對比觀測結果是可比的,可以反映不同下墊面蒸發(fā)強度的差異。觀測結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了因植物群體遮蔽效應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。當沼澤植被覆蓋率小于10%時,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,只有達到一定覆蓋度(大于10%),發(fā)揮群體效應,才能顯示出植物加大沼澤蒸發(fā)的作用。2.3水面蒸發(fā)量和覆蓋率觀測結果表明,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,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,光合作用加強,需要水分多,蒸騰作用強烈,使沼澤蒸發(fā)量大幅度增加,而水面蒸發(fā)只有水面一項蒸發(fā)值增大。陰天時,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,但還必須進行呼吸,仍有生理活動,因此還有一定的蒸騰作用。夜間沼澤植物對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)模型的應用蒸發(fā)計算方法很多,概括起來可歸結為水量平衡模型、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),是進一步研究蒸發(fā)的基礎,但也作了這樣或那樣的假設,有的模型雖然應用比較廣泛,但也有局限性,必須結合當?shù)刈匀坏乩項l件,作一些必要的觀測,有的觀測和計算相當煩瑣,甚至需要一些不太常見的儀器設備,這樣就使一些資料缺乏地區(qū)或沒有相應觀測手段的地方,應用起來有困難,甚至無法使用。我們根據(jù)在中國科學院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗站所進行的實際觀測,使用最常見的水文氣象觀測資料,建立了沼澤蒸發(fā)統(tǒng)計模型。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。目前還無法較準確地將二者分開,但在建模時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。葉面積是應首先考慮的因子。觀測計算植物蒸騰量,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如針尖,下端稍粗,整片葉子呈很細的披針狀,單片葉面積十分難測,勉強測出,誤差也很大。再根據(jù)前面對觀測結果的分析,沼澤植物呈密叢型生長,生長密度相差不大,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)。觀測結果表明,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,分子運動速度越大,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?？諝馑麎猴柡筒顨鉁貨Q定空氣的飽和含水量,表征在該溫度時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的資料。風速風速的大小影響著紊動擴散的強弱。風速越大,水分子回到水面的數(shù)量越少,擴散越快,蒸發(fā)量也就越大。我們選用沼澤氣象場1.5m高處的日平均風速作為建模因子。3.2平均風速和風速沼澤蒸發(fā)統(tǒng)計模型如下: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處風速(m/s)。建模時,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風速影響大,蒸發(fā)作用不大。風速模型的復相關系數(shù)R=0.87。等式右邊第一項的偏相關系數(shù)r=0.86,,等式右邊第二項的偏相關系數(shù)r=0.12。這說明沼澤蒸發(fā)與飽和差、水溫和植被覆蓋率的關系密切,而與風速的關系不很大。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,符合物理概念,也與實際觀測資料相符。風速w前面是正號說明風速大,有增加蒸發(fā)的作用。由0.72w-1.1還相以看出,當風速小于1.53m/s時,風對增大沼澤蒸發(fā)的作用不大。這是因為1.5m高處的風速為1.53m/s時,接近沼澤植被冠層的風速因糙度大,風速就更小了。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,所以我們認為風速影響不大是合理的。水汽壓飽和差d有大有小,可以為零,但不會為負值,因永遠是正值,若d=0,則一3.25/d→-∞即為負無窮大,e(-3.25/d)=e-∞→0,模型的第一項為零是合理的。根據(jù)實際觀測,水溫tw<28℃,據(jù)此作出的統(tǒng)計模型適用范圍為0～28℃,如果tw>28℃,計算結果會有一定誤差;若tw=0℃,則00.65=1。實際上,該模型是以沼澤植物生長期的資料為基礎建立起來的,當水溫降到0℃時,沼澤植物生物活力早已停止。若模型的第一項、第二項都為零,則出現(xiàn)負值,這在植物生長期內(nèi)幾乎不可能出現(xiàn)。綜上所述,可認為該模型的結構合理,適用于三江平原沼澤植物生長期內(nèi)的沼澤蒸發(fā)計算。3.4重、難點總對誤差模型的剩余標準差S=0.80mm。對1991年29個觀測數(shù)據(jù)進行擬合,有28個點絕對誤差小于1mm,占96.6%;只有1個點為1.6mm。其中有20個點絕對誤差小于0.5mm,占69%。從相對誤差看,28個點小于20%,占96.6%,只有一個點超過20%,為23.1,其絕對誤差僅為0.6mm;有21個點小于15%,占72.4%;有17個點小于10%,占58.6%。若按生長期計算,只有1個點絕對誤差為0.2mm,其余都在0.1mm以下,最大相對誤差僅為2.2%(表5、圖2)。結論沼澤不同于一般草地,其土