玉米农田蒸散过程及其对气候变化响应的模拟研究

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(Tc )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CO2 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.