CN114578022A - 一种基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法 - Google Patents

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郝春沣
牛存稳
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李云玲
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Abstract

本发明涉及一种基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，属于生态水文学中的模型应用及分析评价领域。本发明的模型所需输入数据主要是气象数据(即降水量、最高气温、最低气温)，这在多数地区都有长期连续观测数据集，故受数据源限制较小。且模型能在区域大尺度上进行模拟，能够克服传统蒸散发和WUE监测方法的时空限制性，且省时省力、成本低。将模型输出结果与模型输入的土地利用类型以及植被类型相对应，还可用于评估不同植物类型或土地利用方式下的植物水分利用效率，例如草地、常绿阔叶林、落叶阔叶林等。

Description

一种基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法
技术领域
本发明属于生态水文学中的模型应用及分析评价领域，具体涉及一种基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法。
背景技术
植物水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)既植物消耗单位水分所能同化的物质量，揭示了生态系统固碳能力与水分消耗之间的动态平衡关系以及植被对气候变化的响应与适应策略，对研究陆地生态系统的碳水耦合机制具有重要意义；且是评估植物耐旱性的重要指标，既在相同条件下，WUE高的植物抗旱能力更强。植物WUE可用植物净光合速率(Net Primary Productivity,NPP)与蒸腾速率的比值来计算，因此变化环境下的蒸腾速率与NPP的改变会显著影响WUE。由于不同植物和不同的环境条件会造就不同的WUE，适应性更强的物种在面对恶劣环境(比如水分胁迫、气温升高等)时常具有更大的竞争力，增加其在整个群落中的优势性，进而改变植被分布格局和群落结构，对于群落演替具有重要作用。通过对WUE进行系统的评价，有助于深入了解不同植物在不同环境条件下的适应能力，为提高用水效率提供理论指导，以期从根源上改善水资源开发利用中存在的不合理、低效率等问题。
蒸散发(Evapotranspiration,ET)对全球水循环和能量循环至关重要。ET可简单地分为湿润表面蒸发(Evaporation,E)和植株蒸腾(Transpiration,T)。由于蒸腾作用占陆地表面蒸散量的主要部分，并且与植被类型和动态直接相关，因此陆地植被的变化将对T/ET比值产生强烈影响。例如，植被覆盖度增加往往会造成T/ET增加。然而T/ET的野外测量存在难度，尤其是蒸腾量很难实现大面积、长时间连续的监测，更不用说陆地生态系统T/ET的长期连续监测。
目前植被WUE的测定方法主要有直接测定法、光合仪测定法(气体交换法)、稳定碳同位素技术以及替代指标法。直接测定法通过测定季节用水和生物量计算WUE，这需要大量的观测试验工作，费时费力。而光合仪测定法计算的是叶片光合速率与蒸腾速率的比值，可应用于测定室内植物代谢水利用份额和实际需水量。虽然操作相对简单，研究成本低，但结果往往只能代表某特定短期时间内植物部分叶片的行为。国际公认的判定植物长期WUE的最佳方法是稳定碳同位素法，其原理是利用WUE与植物碳稳定同位素δ13C值之间显著的线性正相关关系。但该方法成本费用较高，且其作用机理还有待进一步了解。代替指标法具有可观的应用前景，可用于植物长期WUE的测定，但该法仍需验证其所用指标与δ13C之间的相关关系，且结果的时空不稳定性较大。上述这些技术提供的信息有限，一定程度上限制了对植物用水效率的综合评价，使这方面研究较为缺乏。
朱燕燕(2016)基于水资源“有益消耗”和“无益消耗”的概念，将农业水资源有益消耗量定义为农田蒸散发量与有效降雨量之差，利用遥感反演的ET产品并结合实测资料，评价了作物灌溉水利用效率。蒋磊等(2013)提出了利用遥感蒸散发模型的灌区蒸散发模拟值，并结合灌区净引水量和降水量观测数据，对灌溉水利用效率进行评价。黄耀欢(2012)将蒸散发作为主要水资源消耗量，并将其界定为参与到经济和生态量产出两大消耗过程，提出基于遥感反演ET产品的相对水资源利用效率的概念及其计算方式，对区域水资源利用效率进行综合评价。吕翠美等人(2016)则发明了一种基于用水系统能值分析的用水效率评价方法。受实际生产需求驱动，多数研究聚焦于灌溉水利用效率或农田、作物水分利用效率，缺乏对区域生态系统整体的考虑，且评价指标较为繁杂，未达到统一。在用到遥感蒸散发产品或者模型蒸散发模拟值时，未考虑到E与T两者对整体ET的相对贡献率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，以解决现有技术中缺乏对区域生态系统整体的考虑，且评价指标较为繁杂，未达到统一，未考虑到E与T两者对整体ET的相对贡献率等方面的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，该方法包括如下步骤：
S1、安装RHESSys模型；
S2、预处理模型所需空间分布数据集；
S3、准备模型输入文件，模型输入文件包括“世界文件(worldfi le)、流表(flowtable)、事件发生时间控制文件(TEC文件)、默认参数文件和气象数据文件；
S4、默认参数文件中部分参数的校准与验证；
S4、基于RHESSys的蒸散发模拟，获得不同植被类型下蒸腾量T和蒸发量E的模拟结果；
S5、计算
Figure BDA0003510017810000031
S6、根据S5中计算的蒸腾量T与蒸散发总量E+T的比值，评价植物水分利用效率WUEact。
进一步地，所述RHESSys为开源模型，支持Linux和Mac系统。
进一步地，所述S2中，空间分布数据集包括地理数字信息高程(DEM)图，以及根据DEM图并使用GRASS GIS软件生成的子流域图、坡度图、坡向图、水平角图、河流网络图以及单元网格图。
进一步地，所述步骤S3中，世界文件为根据高程、植被类型、土地利用类型和相应参数生成的用于模型模拟的研究区下垫面综合信息文件，流表为河道信息，是根据DEM生成的河流地理信息。
进一步地，世界文件和流表是根据步骤S2中的空间分布数据集，使用R语言的“RHESSysPreprocessing”包制作而成。
进一步地，所述步骤S3中，所述事件发生时间控制文件TEC文件用于指定模型模拟结果输出的起止日期和时空尺度。
进一步地，所述步骤S3中，所述默认参数文件为模型参数的默认值文件ParamDB-master。
进一步地，所述步骤S3中，所述气象数据文件包括日降水量、日最高气温和日最低气温。
进一步地，所述步骤S4中，校准与验证的参数包括：地表土壤饱和导水率(K)及其随深度的递减率(m)、土壤饱和带到地下含水层的水分传导率(gw1)和决定地下水出流量的系数(gw2)。
进一步地，所述步骤S6中，植物水分利用效率WUEact的比值取值范围为[0,1]，值越接近于1，表明植被用水效率越高
(三)有益效果
本发明提出一种基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，RHESSys可计算流域尺度上的蒸发量E、蒸腾量T这两个计算植物WUE的关键因子。模型所需输入数据主要是气象数据(即降水量、最高气温、最低气温)，这在多数地区都有长期连续观测数据集，故受数据源限制较小。且模型能在区域大尺度上进行模拟，能够克服传统蒸散发和WUE监测方法的时空限制性，且省时省力、成本低。将模型输出结果与模型输入的土地利用类型以及植被类型相对应，还可用于评估不同植物类型或土地利用方式下的植物水分利用效率，例如草地、常绿阔叶林、落叶阔叶林等。
附图说明
图1为本发明方案的主流程图；
图2为几种植被类型的
Figure BDA0003510017810000051
值示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明拟利用一种基于物理机理的分布式生态水文模型——RHESSys(theRegional Hydro-Ecological Simulation System)。该模型可用于综合模拟流域内水、碳和氮循环。模型由气象数据驱动，使用DEM图、土地利用类型图和植被类型图来刻画下垫面情况，可分别模拟计算蒸发量(E)和蒸腾量(T)。因此，本发明拟通过模型模拟结果计算T对总蒸散发量(ET＝E+T)的相对贡献率(即T/ET)，提出一种简洁明了的植物水分利用效率的评价方法。
类似于对蒸散发的研究，我们将植物水分利用效率分为实际值(WUEact)和潜在值(WUEpot)。当土壤蒸发可以忽略时(例如植被覆盖度极高的生态系统)，总蒸散发量ET近似于蒸腾量T值，意味着植被极大地利用了环境中的水分，此时的WUEact达到最大值，即WUEpot。据此，我们可以根据T与ET之间的比例关系，得到植被的相对用水效率，建立如下等式关系：
Figure BDA0003510017810000052
对于给定的环境条件与植物物种类型，一定时期内潜在值WUEpot类似于蒸发能力ETpot，可假定为常数值。故WUEact与T/ET线性正相关。当土壤蒸发可忽略时，ET近似于T值，既T/ET≈1，植被用水效率则高。有研究指出T/ET普遍表现出单峰日变化规律，当植被覆盖度高且土壤蒸发量E可以忽略时，日变化峰值将趋于统一(Villeggs et al.,2014；Wang andYamanaka,2014；Zhu et al.,2015)。基于WUEact与T/ET的这种线性正相关关系，即可利用蒸散发各分量评价植物水分利用效率。
图1是本发明方案的主流程图。如图1所示，本发明提出的WUE评价方法具体包括下列步骤：
S1、安装RHESSys模型。RHESSys为一款开源模型，支持Linux和Mac系统。模型下载及安装步骤可参见https://github.com/RHESSys/RHESSys/wiki。
S2、预处理模型所需空间分布数据集。空间分布数据集包括地理数字信息高程(DEM)图，以及根据DEM图并使用GRASS GIS软件生成的子流域图、坡度图、坡向图、水平角图、河流网络图以及单元网格图。
S3、准备模型输入文件，模型输入文件包括“世界文件(worldfile)、流表(flowtable)、事件发生时间控制文件TEC文件、默认参数文件和气象数据文件。
其中，世界文件为根据高程、植被类型、土地利用类型和相应参数生成的用于模型模拟的研究区下垫面综合信息文件，流表为河道信息，是根据DEM生成的河流地理信息；世界文件和流表是根据步骤S2中的空间分布数据集，使用R语言的“RHESSysPreprocessing”包制作而成。
事件发生时间控制文件TEC(Temporal Event Control File)文件用于指定模型模拟结果输出的起止日期和时空尺度。
模型的参数文件包括气候条件参数集、土壤参数集、土地利用参数集、植被参数集等，总计约240个参数，模型对大部分参数并不敏感。官方提供了模型参数的默认值文件ParamDB-master，故推荐使用模型的默认参数文件。
气象数据文件主要包括日降水量、日最高气温和日最低气温。
S4、默认参数文件中部分参数的校准与验证。步骤S3中所提的默认参数文件中，有一少部分参数对模型模拟结果的准确性影响较大，需要结合研究区实际情况进行校准。通常，校准与验证的参数包括：地表土壤饱和导水率(K)及其随深度的递减率(m)、土壤饱和带到地下含水层的水分传导率(gw1)和决定地下水出流量的系数(gw2)。
S4、基于RHESSys的蒸散发模拟，获得不同植被类型下蒸腾量T和蒸发量E的模拟结果。此处以模型示例数据为例，将植被类型分别设置为落叶阔叶林、常绿阔叶林、草地。可得到不同植被类型下蒸腾量T和蒸发量E的模拟结果。
S5、计算
Figure BDA0003510017810000071
结果如图2所示。对于示例数据，几种植被类型的
Figure BDA0003510017810000072
值均大于0.6，植被覆盖状况较好，蒸发消耗的水分不超过可利用水分的40％，植被用水效率较高。
S6、根据S5中计算的蒸腾量T与蒸散发总量E+T的比值，评价植物水分利用效率WUEact。比值取值范围为[0,1]，值越接近于1，表明植被用水效率越高。评估标准具体可分为以下5类：
Figure BDA0003510017810000073
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、安装RHESSys模型；
S2、预处理模型所需空间分布数据集；
S3、准备模型输入文件，模型输入文件包括“世界文件(worldfile)、流表(flowtable)、事件发生时间控制文件(TEC文件)、默认参数文件和气象数据文件；
S4、默认参数文件中部分参数的校准与验证；
S4、基于RHESSys的蒸散发模拟，获得不同植被类型下蒸腾量T和蒸发量E的模拟结果；
S5、计算
Figure FDA0003510017800000011
S6、根据S5中计算的蒸腾量T与蒸散发总量E+T的比值，评价植物水分利用效率WUEact。
2.如权利要求1所述的基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，其特征在于，所述RHESSys为开源模型，支持Linux和Mac系统。
3.如权利要求1所述的基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，其特征在于，所述S2中，空间分布数据集包括地理数字信息高程(DEM)图，以及根据DEM图并使用GRASS GIS软件生成的子流域图、坡度图、坡向图、水平角图、河流网络图以及单元网格图。
4.如权利要求3所述的基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，其特征在于，所述步骤S3中，世界文件为根据高程、植被类型、土地利用类型和相应参数生成的用于模型模拟的研究区下垫面综合信息文件，流表为河道信息，是根据DEM生成的河流地理信息。
5.如权利要求4所述的基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，其特征在于，世界文件和流表是根据步骤S2中的空间分布数据集，使用R语言的“RHESSysPreprocessing”包制作而成。
6.如权利要求3所述的基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述事件发生时间控制文件TEC文件用于指定模型模拟结果输出的起止日期和时空尺度。
7.如权利要求3所述的基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述默认参数文件为模型参数的默认值文件ParamDB-master。
8.如权利要求3所述的基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述气象数据文件包括日降水量、日最高气温和日最低气温。
9.如权利要求4-8任一项所述的基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，其特征在于，所述步骤S4中，校准与验证的参数包括：地表土壤饱和导水率(K)及其随深度的递减率(m)、土壤饱和带到地下含水层的水分传导率(gw1)和决定地下水出流量的系数(gw2)。
10.如权利要求9所述的基于蒸散发分量的植物水分利用效率评价方法，其特征在于，所述步骤S6中，植物水分利用效率WUEact的比值取值范围为[0,1]，值越接近于1，表明植被用水效率越高。
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